Интенсификация теплоотдачи при кипении Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Решетневские чтения. 2018

УДК 66.015.23

ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ТЕПЛООТДАЧИ ПРИ КИПЕНИИ

А. В. Богаткова, Н. А. Войнов*, О. П. Жукова

Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

E-mail: n.a.voynov@mail.ru

Проведен анализ способов интенсификации теплообмена при кипении на теплопередающей поверхности. Представлены результаты исследования теплоотдачи во вращающемся газожидкостном потоке. Сделано предположение о том, что интенсификация теплообмена при вращении потока обеспечивается увеличением частоты съема паровых пузырьков.

Ключевые слова: кипение, теплоотдача, пористая поверхность, угловая скорость, газожидкостный поток.

INTENSIFICATION OF HEATTREATMENT AT BENDING

A. V. Bogatkova, N. A. Voinov*, O. P. Zhukova

Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: n.a.voynov@mail.ru

The analysis methods of heat transfer enhancement for boiling at the heat transfer surface. The results of the study of heat transfer in a rotating gas-liquid flow. It is assumed that the heat transfer intensification of rotation is provided at a flow rate increasing removal of steam bubbles.

Keywords: boiling, heat transfer, porous surface, the angular velocity, the gas-liquid stream.

Технологические процессы при осуществлении кипения жидких сред используются при переработке растительного сырья в выпарных аппаратах, испарителях, реакторах, ректификационных колоннах, котлах утилизаторах и т. д.

Интенсификация процесса кипения позволяет снизить металлоемкость оборудования, повысить их производительность и эффективность.

При образовании пузырьков в жидкости выделяют три характерных режима: пузырьковый, переходный и пленочный, смена которых зависит от тепловой нагрузки.

Целью интенсификации теплообмена при кипении является увеличение коэффициентов теплоотдачи, увеличение максимального теплового потока.

Известны следующие способы интенсификации теплообмена при кипении

- создание искусственной шероховатости на теплопередающей поверхности [1]

- нанесение на поверхность теплообмена тонких покрытий из низкотеплопроводного или пористого материала [2],

- закрутка жидкостного потока [3].

Нанесение на теплопередающую поверхность шероховатости увеличивает количество центров парообразования, что приводит к кипению при меньшей тепловой нагрузке. Получение на поверхности шероховатости обеспечивается пескоструйной обработкой, на-норельефом и микрооребрением позволяет увеличить

коэффициент теплоотдачи по сравнению с кипением в большом объеме до четырех раз.

Нанесение на поверхность теплообмена низкотеплопроводных покрытий приводит к кризису пленочного кипения при больших температурных напорах и к перестройке его в переходное кипение, при котором теплоотдача существенно выше. Покрытия толщиной 40-100 мкм из фторопласта, эмали позволяют в 2-3 раза повысить теплоотдачу за счет перевода пленочного кипения в переходное.

Применение пористых покрытий дает возможность увеличить теплоотдачу при пузырьковом кипении в 2-4 раза, а тепловой поток - в 2-3 раза за счет уменьшения отрывного диаметра пузырей, образующихся в пора.

Однако рассмотренные выше способы интенсификации не пригодны при работе со средами оставляющие на поверхности накипь или отложения.

В этой связи наибольший интерес представляет способ интенсификации теплообмена, заключающийся в создании вращающегося газо-жидкостного потока на теплопередающей поверхности. Вследствие не достаточной изученности указанного способа интенсификации в настоящей работе продолжены исследования теплообмена при кипении.

Исследования проводились на установке, схема потоков пара, газа и жидкости на которой представлена на рис. 1. Установка включает змеевик с внутренним диаметром 0,18 м, выполненный из семи плотно

Комплексная переработка возобновляемого сырья

установленных витков медной трубы диаметром 25^1 мм, во внутрь которой подавался насыщенный водяной пар под избыточным давлением 0,1-0,4 МПа.

б

Рис. 1. Схема потоков (а) и завихрителя (б): 1 - корпус; 2 - змеевик; 3 - тангенциальный завихритель; —► - вода; —5> - пар; —- конденсат; —С> - воздух; - паро-воздушная смесь

В полости змеевика устанавливался тангенциальный завихритель, рис. 1, б, диаметром 0,11 м снабженный 8 каналами для прохода газа с высотой каналов И = 0,005 м и их шириной в наименьшем сечении Ь = 0,01. Расход воздуха составил до 110 м3/час. Расчет коэффициентов теплоотдачи осуществлялся согласно [4].

Полученные экспериментальные данные (рис. 2, линии 1-4) при гравитационном стекании пленки воды показывают преимущество проведения процесса кипения во вращающемся слое. Согласно данным при пленочном течении и удельной тепловой нагрузке д > 160 кВт/м2 происходит снижение коэффициента теплоотдачи в сравнении с кипением в большом объеме, тогда как при кипении во вращающемся слое снижения акип не наблюдается.

40

20

IW 10"3, Вт/(м2 К)

.AAA —3-

100 200 300 q х 10-3, Вт/ м2

Рис. 2. Зависимость коэффициента теплоотдачи при кипении от удельной тепловой нагрузки во вращающемся газожидкостном слое при расходе воздуха 0,019 м3/с. Экспериментальные точки (1-3): 1 - масса жидкости m = 1 кг, угловая скорость w = 9 с-1; 2 - m = 0,8 кг, w = 12 с-1; 3 - m = 0,4 кг, w = 18 с-1. Лини (1-4): 1-3 - стекание пленки воды [4] по гладкой и шероховатой поверхности

Как установлено, величина коэффициента теплоотдачи при кипении во вращающемся слое пропорцио-

нальна изменению угловой скорости вращения потока акип«w1'0 , которая при исследовании составила 10-25 с1. Согласно данным [5] частота образования паровых пузырьков составляет 62 с-1. В этой связи можно предположить, что интенсификация теплообмена при кипении во вращающемся слое обеспечивается частотой срыва паровых пузырьков с центров парообразования.

Преимуществом теплосъема при кипении во вращающемся слое по сравнению с пленочным является достижение высоких значений коэффициента теплопередачи, равномерное орошения теплопередающей поверхности за счет обеспечения смачиваемость поверхности, возможность использовать трубы большого диаметра и большие удельные тепловые нагрузки.

Библиографические ссылки

1. Кипение на микростурктуированных поверхностях / Ю. Ф. Гортышев, И. А. Попов, Н. Н. Зубков и др. // Тр. Акадэнерго. 2012. Ч. 1. C. 14-31.

2. Машиностроение. Энциклопедия Теоретическая механика. Термодинамика. Теплообмен / К. В. Фролов, К. С. Колесников, В. В. Румянцев и др. М. : Машиностроение, 1999. Т. 1-2. 600 с.

3. Вихревая контактная ступень для тепломассо-обменных процессов / Н. А. Войнов, С. А. Ледник, О. П. Жукова // Химическое и нефтяное машиностроение. 2013. № 9. С. 9-11.

4. Теплоотдача при конденсации и кипении в пленочном трубчатом испарителе / Н. А. Войнов, О. П. Жукова, А. Н. Николаев // Теор. основы хим. технол. 2012. Т. 46, № 3. С. 1-9.

5. Теоретические основы хладотехники. Тепломассообмен / С. Н. Богданов, Н. А. Бучко, Э. И. Гуйко и др. М. : Агропромиздат. 1986. 320 с.

References

1. Kipenie na mikrosturktuirovannykh poverkh-nostyakh / Yu. F. Gortyshev, I. A. Popov, N. N. Zubkov et al. // Trudy Akadenergo, 2012. Ch. 1. C. 14-31.

2. Mashinostroenie. Entsiklopediya Teoreticheskaya mekhanika. Termodinamika. Teploobmen / K. V. Frolov, K. S. Kolesnikov, V V Rumyantsev et al. M. : Mashinostroenie. 1999. T. 1-2. 600 р.

3. Vikhrevaya kontaktnaya stupen' dlya teplomas-soobmennykh protsessov / N. A. Voynov, S. A. Lednik, O. P. Zhukova // Khimicheskoe i neftyanoe mashinostroenie. 2013. № 9. Р. 9-11.

4. Teplootdacha pri kondensatsii i kipenii v plenochnom trubchatom isparitele / N. A. Voynov, O. P. Zhukova, A. N. Nikolaev // Teoret. osnovy khim. tekhnol. 2012. T. 46, № 3. Р. 1-9.

5. Teoreticheskie osnovy khladotekhniki. Teplomas-soobmen / S. N. Bogdanov, N. A. Buchko, E. I. Guyko et al. M. : Agropromizdat, 1986. 320 р.

© Богаткова А. В., Войнов Н. А., Жукова О. П., 2018

а

30

10

0