CC BY
71
УДК 536.24
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ТЕПЛООТДАЧИ ПРИ КИПЕНИИ АЦЕТОНА И ЭТИЛОВОГО СПИРТА НА ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ ТРУБАХ С ПРОДОЛЬНЫМ ОРЕБРЕНИЕМ
А.В. ОВСЯННИК, Д.А. ДРОБЫШЕВСКИЙ,
Н.А. ВАЛЬЧЕНКО, М.Н. НОВИКОВ
Учреждение образования «Гомельский государственный технический университет имени П. О. Сухого»,
Республика Беларусь
Введение
Стремление уменьшить массогабаритные параметры теплообменного оборудования приводит к необходимости поисков способов интенсификации теплообмена. Поскольку на его изготовление идут обычно дорогостоящие материалы (медь, латунь и др.), возникает необходимость создания наиболее оптимальной (с точки зрения стоимостных, весовых и габаритных показателей) поверхности теплообмена. Поставленная цель достигается различными способами, обзоры которых приведены в работах [1-2] и других авторов.
Одним из известных способов интенсификации процесса теплообмена при кипении и снижения температуры теплоотдающей поверхности является оребрение. Характеристики и механизм процесса теплообмена при кипении на оребренных поверхностях, выбор геометрических параметров оребрения исследованы недостаточно. Интерес к исследованию теплообмена при кипении ацетона и этилового спирта связан не только с потребностями промышленности, но и с необходимостью определения закономерностей процесса теплообмена при кипении на этих поверхностях.
1. Экспериментальное оборудование
Схема установки приведена в [3]. Рабочая камера изготовлена из нержавеющей стали в виде цилиндра с внутренними размерами: диаметр 107 мм, длина 310 мм. Максимальное рабочее давление 1 МПа. Для визуального наблюдения процесса кипения предусмотрены два смотровых окна диаметром 50 мм. Пар поступал из рабочего объема через теплоизолированную трубу в конденсатор. Теплоотдающей поверхностью являлась дюралюминиевая трубка с продольным типом оребрения, расположенная горизонтально в рабочей камере. Тепловой поток подводился к образцам электрическим нагревателем, установленным в цилиндрической полости образца.
Были исследованы следующие образцы: гладкий полированный, технически шероховатый, продольное прямоугольное оребрение, продольное треугольное оребре-ние, продольное трапециевидное оребрение. Геометрические параметры образцов приведены в таблице 1.
Уровень жидкости над верхней образующей экспериментальных образцов составлял 40 мм. Температура насыщения жидкости поддерживалась изменением производительности конденсатора. Для измерения температуры использовались хро-мель-копелевые термопары с толщиной проводников 0,5 мм. Температура насыщения определялась двумя термопарами, размещенными в жидкости и паровом пространстве и контролировалась образцовым манометром. Перепад температуры меж-
ду поверхностью нагрева и рабочей средой измерялся шестью дифференциальными термопарами, один спай которых располагался в образце, а второй - в жидкости.
Таблица 1
Геометрические параметры исследованных образцов
№ образца do-, мм Do, мм йВ№ мм PP, град мм мм Loi мм Np, шт hp, мм Fo, м2 Fh, м2 D, мм
1 - - - - 302 - - 0,02372 0,02372
2 - - - - - -
3 25 16 4 0,05650 107
4 448 36 4 0 310 10 12 0,01310 0,04578
5 2 0,05102
где dc - диаметр образца по основной поверхности; Dc - наружный диаметр ребра; dBH - внутренний диаметр образца; рр - межреберный угол; Sc - толщина ребра у его основания; SB - толщина у вершины ребра; Lc - длина образца; Np - количество ребер; hP - высота ребра; Fc - площадь образца по основной поверхности; FH - полная наружная площадь образца; D - наружный диаметр кольцевого канала.
Сбор и обработка информации производилась автоматизированным комплексом, созданным на базе аналого-цифрового преобразователя ADC32-1533 фирмы ANALOG DEVICES, программой обработки данных ADC32GD 1.0. Для оценки правильности методики проведения экспериментов и работоспособности конструкции, были проведены опыты по теплообмену при кипении ацетона и этилового спирта на гладких поверхностях. Для осреднения полученных массивов данных принимались серии, состоящие не менее чем из l00 значений. Разброс значений в серии 5 %. Данные этих экспериментов сравнивались с результатами опытов других авторов [4-6]. Сравнение показало, что конструкция рабочего участка и методика проведения эксперимента позволяют получить достоверные данные.
2. Результаты исследования и их анализ
Экспериментальные исследования проводились при давлении насыщения и плотности теплового потока q = 10^63 кВт/м2. Визуальное наблюдение за процессом кипения ацетона и этилового спирта на горизонтальных трубках показали, что в исследованном диапазоне изменения плотности теплового потока возможны три режима теплообмена: свободная конвекция, неразвитое и развитое кипение. Протяженность областей существования данных режимов зависит от типа внешней поверхности трубы и от давления насыщения. В результате экспериментального исследования установлено влияние ребер на теплообмен при кипении. Сопоставление интенсивности теплообмена при кипении ацетона и этанола на гладких полированных, технически шероховатых и оребренных поверхностях показано на рис. l. Здесь q-плотность теплового потока в расчете на площадь несущей поверхности образца, АТ = Тст - Тж температурный напор. Как показано на графиках (рис. 1 а, б, в, г), коэффициенты теплоотдачи при кипении исследуемых жидкостей на оребренных поверхностях аР значительно выше, чем на полированных и шероховатых (аГЛ), т. е. при пузырьковом режиме кипения теплообмен на оребренных поверхностях в 2 - З раза интенсивнее, чем на не развитой поверхности. Отношение аР/аГЛ для исследованных образцов возрастает с уменьшением теплового потока, что характерно для работы испарителей холодильных машин [7].
Увеличение интенсивности теплоотдачи при кипении на оребренных трубках связано со своеобразием условий возникновения, роста и отрыва пузырей по сравнению с гладкими. По результатам визуальных наблюдений, процесс кипения на ореб-ренных поверхностях начинался при более низких температурных напорах и плотностях теплового потока, чем на гладкой. Это связано с тем, что на ребристой поверхности, в связи с особенностями теплообмена и гидродинамики, создаются благоприятные условия для зарождения и роста паровых пузырей. Зарождение пузырей происходит у основания ребер. В местах соединения ребер с трубкой имеется наибольший перегрев жидкости, и они хуже смачиваются жидкостью. Именно на этих участках адсорбируются нерастворенные газы, служащие центрами парообразования в начале процесса и при отрыве паровой фазы от поверхности при стабилизированном кипении. Кроме того, ограничение ребрами объемов жидкости вызывает своеобразные турбулентные пульсации при росте, отрыве и подъеме пузырей, которые, в свою очередь, влияют на условия зарождения и рост пузырей, а также на интенсивность теплообмена. В то же время, характер кривых кипения на оребренных трубках определяется геометрией поверхности (рис. 1 а, б, в, г). Так, в области повышенных тепловых потоков > 30 кВт/м2) наиболее эффективным является прямоугольное оребрение. При определенном соотношении между величинами q и £ вся заключенная между ребрами жидкость может оказаться перегретой.
При этом, в работу могут вступать центры с большим радиусом кривизны и улучшаются условия роста пузырей. С ростом тепловой нагрузки ухудшается удаление паровых пузырей из межреберных участков нижней образующей образцов, что, в свою очередь, приводит к уменьшению коэффициента теплоотдачи, вследствие эффекта «запаривания», что согласуется с данными [8]. Характер кривых кипения (рис. 1 д, е), в значительной мере, зависит от теплофизических свойств исследуемых жидкостей. Так при аналогичных геометрических параметрах образцов и в одинаковых условиях проведения экспериментов, интенсивность теплообмена при кипении ацетона выше, чем при кипении этанола, только при малых плотностях теплового потока ^ < 20 кВт/м2). При ^ > 20 кВт/м2) интенсивность теплообмена при кипении ацетона ниже, вследствие различия теплофизических свойств этих жидкостей (в частности, большим отрывным диаметром парового пузыря из-за вдвое меньшей теплоты парообразования у ацетона, что приводит к более быстрому запариванию меж-реберной поверхности и, как следствие, ухудшению теплоотдачи).
Выводы
1. Проведены экспериментальные исследования процесса кипения ацетона и этилового спирта на оребренных трубках. Полученные значения коэффициентов теплоотдачи в 2-3 раза превышают аналогичные величины для гладкой полированной и технически шероховатой поверхностей, что говорит о достаточно высокой эффективности исследованного метода интенсификации теплоотдачи.
2. Выявлены закономерности влияния профиля ребра на вид кривой кипения. Определено, что в области средних тепловых потоков (25 -г- 35 кВт/м2) наиболее эффективным является прямоугольное оребрение.
3. Уменьшение расстояния между ребрами интенсифицирует процесс теплообмена в области малых и средних тепловых нагрузок. С повышением тепловых нагрузок усиливается влияние «запаривания» поверхности (в большей степени для прямоугольного оребрения), что приводит к ухудшению теплообмена.
4. Установлено, что в области средних и повышенных тепловых потоков ^ > 20 кВт/м2) интенсивность теплообмена при кипении ацетона ниже, чем при кипении этилового спирта, вследствие различия теплофизических свойств этих жидкостей.
а) б)
в)
г)
д)
е)
■*
о
д
о
□
* - гладкий полированный;
• - технически шероховатый;
а - продольное треугольное оребрение;
♦ - продооьное трапецевидное оребрение; ■ - продооьное прямоугольное ореорение.
Рис. 1. Сравнение полученных экспериментальных зависимостей при кипении ацетона и этилового спирта на поверхностях с различным профилем ребра (о - ацетон; • - этиловый спирт)
Список литературы
1. Кутепов А.М., Стерман Л.С., Стюшин Н.Г. Гидродинамика и теплообмен при парообразовании. - М.: Высшая школа, 1986. - 448 с.
2. Ковалев С.А. Исследование механизма, теплообмена и устойчивости кипения обычных и диссоциирующих жидкостей в условиях свободной конвекции на изотермических и неизотермических (ребристых) поверхностях: Автореф. дис. на соискание уч. ст. док. тех. наук. М.: ИВТАН, 1977. - С. 37.
3. Овсянник А.В. Дробышевский Д. А. и др. Кипение ацетона на горизонтальных трубах с поперечным оребрением в кольцевом канале //Вестник ГГТУ им. П.О. Сухого. - 2002. - № 2. - С. 31.
4. Ройзен Л.И., Рубин Г.Р. Теплообмен при кипении жидкости на оребренных поверхностях //ИФЖ. - 1972. - Т. 22, № 1. - С.13-18.
5. Данилова Г.Н., Тихонов А.В. Интенсификация теплоотдачи при кипении Ю13 на поверхностях различного типа //Холодильная техника. - 1984. - № 1 - С. 33-37.
6. Безродный М.К., Сосновский В.И. Определение оптимальных параметров оребре-ния поверхности, охлаждаемой кипящей жидкостью //ИФЖ. - 1976. - Т. 31, № 1. - С. 142-143.
7. Дюндин В. А. Исследование теплообмена при кипении фреона - 12 на гладкой и ребристых трубках //Холодильная техника. - 1969, № 11.
8. Оогепйо Б. «СИеш. - Іп§.ТесЬп», 1968, Бё. - 40, № 15.
Получено 24.06.2003 г.
