Экспериментальные исследования кипения в щелевых зазорах Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 536. 24

Л. Б. Кабакова

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ КИПЕНИЯ В

ЩЕЛЕВЫХ ЗАЗОРАХ

Приведены результаты экспериментальных исследований теплообмена при кипении в щелевых каналах. Определено влияние величины щели на коэффициент теплоотдачи при различных плотностях теплового потока. Показана возможность повышения коэффициента теплоотдачи при кипении путем организации кипения в стесненных условиях.

Общая постановка проблемы и ее связь с научно-практическими задачами

Процессы кипения реализуются в ряде тепло-обменных аппаратов и элементов теплотехнического оборудования, в частности, в парогенерирую-щих установках, при проектировании которых необходимы данные по характеристикам теплообмена. Кроме того, в целях уменьшения габаритов и повышения надежности теплообменного оборудования актуальной является задача интенсификации теплообмена при кипении. Одним из перспективных способов интенсификации теплообмена применительно к парогенерирующим установкам является организация кипения в стесненных условиях, в частности, в щелевых каналах.

Обзор публикаций и анализ нерешенных проблем

Несмотря на большое количество исследований, посвященных гидродинамике и теплообмену при кипении, общепринятых обобщенных зависимостей для теплоотдачи практически не существует, и при проектировании того или иного оборудования определение характеристик теплообмена весьма затруднительно. Так, как следует из анализа литературы, даже при кипении в большом объеме или в условиях естественной конвекции, которое является наиболее изученным, влияние режимных параметров, таких как давление, плотность теплового потока, теплофизические свойства жидкости, является противоречивым. Условия кипения в парогенерирующих установках отличается еще большей сложностью, а повышение интенсивности теплообмена при кипении является актуальным. В связи с этим возникает необходимость в проведении экспериментальных исследований теплообмена при кипении в парогенерирующих установках, и в исследованиях интенсификации теплообмена.

Цель исследований - экспериментальное определение коэффициентов теплоотдачи в условиях, близких к условиям в парогенераторе, определение влияния режимных факторов (давления, теплового потока, геометрических размеров) на теплоотдачу,

© Л. Б. Кабакова, 2007

определение режимов кипения, при которых наблюдается повышенная теплоотдача.

Экспериментальная установка

Экспериментальные исследования проводились на установке [1, 2], состоящей из экспериментального узла, источника пара высокого давления (парогенератора), калориметра. Экспериментальный узел (рис. 1) является испарительной зоной замкнутого двухфазного термосифона и выполнен в виде двух коаксиально расположенных цилиндров, которые образуют щелевой зазор. Кипение происходило на внешней поверхности стальной трубы диаметром 140 мм и толщиной стенки 5 мм. Высота зоны кипения составляла 1000 мм. Наружная труба диаметром 180 мм, толщиной стенки 3 мм образовывала с внутренней трубой кольцевую полость. Во внутренней полости экспериментального узла была предусмотрена возможность установки цилиндрических дефлекторов, которые образовывали щелевой зазор с греющей стенкой.

1 - герморазъемы;

2 - патрубок слива конденсата;

3 - патрубок подвода жидкости в экспериментальный узел;

4 -патрубок подвода пара высокого давления;

5 - патрубок удаления газов,

6 - термопарный зонд;

7 - внешняя стенка;

8 - греющая стенка;

9 - термопары

Рис. 1. Схема экспериментального узла

- 3Ц-

На внешней и внутренней поверхностях экспериментального узла в шести сечениях с шагом 180 мм были приварено точечным свариванием 12 термопар ХК с диаметром электродов 0.2 мм (6 термопар на внутренней поверхности и 6 на внешний). Холодные концы термопар через герморазъем, установленный в днище, выводились наружу.

Обогрев стенки осуществлялся паром высокого давления, поступавшим из парогенератора. Плотность теплового потока варьировалась от 10 до 50 кВт/м2, давление в экспериментальном узле изменялось от 0,1 до 0,7 МПа путем изменения расхода охлаждающей жидкости в калориметре.

Во внутренней полости экспериментального узла была предусмотрена возможность установки цилиндрических дефлекторов, которые образовывали щелевой зазор с греющей стенкой. Система измерений установки позволяла измерять температуру на наружной и внутренней поверхности теп-

лопередающей стенки экспериментального узла (12 термопар в шести сечениях), температуру парожид-костной смеси вдоль зоны кипения, подводимую электрическую и тепловую мощность, давление в экспериментальном узле.

Исследования проводились в щелевых каналах 3, 4 и 5 мм, образованных греющей стенкой и дефлектором, а также в кольцевом канале 20 мм без дефлектора. В результате экспериментов получены распределение температур греющей стенки, парожидкостной смеси в щелевом зазоре, рассчитаны тепловые потоки и средние по высоте коэффициенты теплоотдачи. На рис. 2 и 3 показаны коэффициенты теплоотдачи при кипении в различных щелевых каналах.

Рис. 2. Коэффициенты теплоотдачи при кипении в щелевых зазорах, плотность теплового потока 22 кВт/м2

Рис. 3. Коэффициенты теплоотдачи при кипении в щелевых зазорах, плотность теплового потока 74 кВт/м2

- 0т1 9яяяяяВестникядвигателестроенияя1 1/п007

- 31 -

Как следует из рисунков, минимальный коэффициент теплоотдачи наблюдается при кипении без дефлектора (зазор 20 мм) в условиях, близких к условиям свободной конвекции. Организация кипения в щелевом зазоре увеличивает теплоотдачу. Так, для плотности теплового потока 22 кВт/м2 теплообмен при кипении в щели 5 мм не отличается от кипения в условиях свободной конвекции, интенсификация теплообмена начинается в щели 4 мм, максимальная теплоотдача наблюдается в зазоре 3 мм. Для плотности теплового потока 74 кВт/м2 максимальная теплоотдача наблюдается в щели 4 мм, при уменьшении щелевого зазора до 3 мм коэффициент теплоотдачи уменьшается. Более высокие значения коэффициентов теплоотдачи при кипении в щелевых каналах, по сравнению с кипением в условиях свободной конвекции, можно объяснить повышенной турбулизацией потока в щели.

Из анализа экспериментальных данных следует, что для каждого режима кипения существует величина щелевого зазора, в котором начинается увеличение коэффициента теплоотдачи, и величина щелевого зазора, в котором достигается максимальная теплоотдача (рис. 4). При проектировании теплообменного оборудования актуальной является информация о щелевых каналах, в которых наблюдается повышенный коэффициент теплоотдачи.

На рис. 5. показана зависимость безразмерных щелевых каналов, в которых наблюдается повышение теплоотдачи и максимальные значения теп-

о _ Ч1*

лоотдачи от числа Рейнольдса ке _ . Заштрихованная область соответствует зоне повышенной теплоотдачи.

б

Рис. 4. Зависимость коэффициента теплоотдачи от величины щелевого зазора: а - плотность теплового потока 22 кВт/м2К; б - плотность теплового потока 74 кВт/м2

Рис. 5. Границы зоны повышенной теплоотдачи:

а -давление 0,2 МПа; б - давление 0,4 МПа; 1 - зазоры, в которых начинается увеличение теплоотдачи; 2 - зазоры, в которых наблюдается максимальная теплоотдача

Величины щелевых каналов, в которых начинается повышение коэффициентов теплоотдачи по сравнению с кипением в условиях свободной конвекции, обобщаются зависимостью:

А = 0,185Re0'183 Kv°16 I p '

¿A

где A - щелевой канал, /» =

g (P'-P")

Re =

qU

rp" v

K p = —. .

p W-P)

Величины щелевых каналов, в которых наблюдается максимальные коэффициенты теплоотдачи, обобщаются зависимостью:

А = 0,003Re0'38 Kp°'7

/ p

¿А

Выводы

В результате исследования теплообмена при кипении в щелевых каналах, образованных греющей стенкой и дефлектором, определено влияние величины щели на теплоотдачу, получены соотношения для щелевых каналов, в которых наблюдаются повышенные коэффициенты теплоотдачи. Полученные данные могут быть использованы при проектировании теплообменного оборудования, в частности, парогенерирующих установок.

Перечень ссылок

1. Гонтарев, Ю.К., Кабакова Л.Б. Експеримен-тальн дослщження теплообмЫу у зон випару двофазного термосифону // Проблемы высокотемпературной техники: Сб. научн. тр. - Д.: Вид-во ДНУ, 2004. - C. 26-30.

2. Gontarev Y.K., Kabakova L.B. Thermosiphon with separated vaporizer and condenser research // Heat pipers, heat pumps, refrigerators. - VI Minsk International Seminar. - p. 280-285.

Поступила в редакцию 25.01.2007 Наведено результаты експери-

ментальних дослджень теплообм1нупри кип1нн1 у щлинних каналах. Визначено вплив щлин-ного зазору на коеф1и,1ент теплов1ддач1 для р1зних щ1льностей теплового потоку. Експе-риментально доведено можлив1сть ¡нтенсиф1каиТ' теплообм1ну при кип1нн1 шляхом орган-¡зац'Ткип1ння у стиснених умовах, зокрема, у щ1линних каналах.

The results of experimental investigation on heat exchange at boiling process in the narrow spaces are given. The influence of the annular gap size to the heat transfer coefficient is defined. Possibility increasing of heat-transfer coefficient by organization of the boiling in the narrow spaces is proved experimentally.

- 0219ятЬестникя)вигателестроенияя1 1/т007 - 33 -