Исследование теплообмена при кипении и испарении тонкого горизонтального слоя жидкости Текст научной статьи по специальности «Физика»

Список использованной литературы:

1. Приказ Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору от 07.12.2015 № 502.

2. Приказ об утверждении Федеральных норм и правил в области промышленной безопасности "Правила безопасности опасных производственных объектов, на которых используются подъемные сооружения" от 12 ноября 2013 года N 533.

3. ГОСТ Р 12.4.026-2001 «ССБТ. Цвета сигнальные, знаки безопасности и разметка сигнальная. Назначение и правила применения. Общие технические требования и характеристики. Методы испытаний».

© Ефанов Н. В., 2016

УДК 536.248.2

В.И. Жуков

К.т.н. доцент

Новосибирский государственный технический университет

А.Н. Павленко Д. физ.-мат. н., чл. - корр. РАН Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН г. Новосибирск, Российская Федерация

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛООБМЕНА ПРИ КИПЕНИИ И ИСПАРЕНИИ ТОНКОГО ГОРИЗОНТАЛЬНОГО СЛОЯ ЖИДКОСТИ

Аннотация

Сообщаются результаты визуальных наблюдений различных структур, образующихся при кипении и испарении тонкого горизонтального слоя жидкости. В тонком слое при низком давлении образовывались сухие пятна, при повышении давления возникало пузырьковое кипение жидкости. Наблюдалось явление, когда в слое образуются сухие пятна, а на смоченной поверхности происходит пузырьковое кипение. Приводится пример построения карты областей существования структур в слое жидкости в зависимости от режимных параметров процесса. Приводятся данные по теплообмену и критическим тепловым потокам. Результаты экспериментов сравниваются с расчетными зависимостями.

Ключевые слова

Тонкий слой жидкости, пузырьковое кипение, критический тепловой поток, сухие пятна.

Тонкие пленки жидкости используются в промышленности для охлаждения поверхностей. Возникновение разрывов, сухих пятен уменьшает область их применения. В настоящее время накоплен значительный экспериментальный материал относительно влияния тех или иных параметров на критические тепловые потоки, при которых происходят разрывы пленок и осушение поверхности. В [1-3] получено, что в движущихся тонких пленках критический тепловой поток уменьшается при уменьшении толщины пленки. В [4] показано, что в тонких горизонтальных неподвижных слоях жидкости критический тепловой поток увеличивается с увеличением высоты слоя при кипении и испарении слоя в условиях пониженных давлений. В толстых слоях величина теплового потока становилась постоянной, происходил переход к режиму теплообмена в большом объеме. При этом величина критического теплового потока была значительно больше, чем это следует из известной расчетной зависимости [5] и была близка к расчетам по формулам [6, 7]. В классическом кинематографическом исследовании пузырькового кипения на горизонтальной

_МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «ИННОВАЦИОННАЯ НАУКА» №5/2016 ISSN 2410-6070_

поверхности нагрева [8] были идентифицированы режимы кипения с различными паровыми структурами. На теплоотдачу в тонких горизонтальных слоях жидкости влияет большее количество факторов, в частности, влияет высота слоя жидкости. В настоящее время существует необходимость идентификации режимов кипения и испарения тонких горизонтальных слоев жидкости со структурами, которые в них образуются. В данной работе представлены результаты исследования теплообмена и визуальных наблюдений структур, образующихся при кипении и испарении горизонтального слоя н-додекана высотой 0.8 мм при давлении меньше атмосферного.

Исследование проводилось на экспериментальной установке, подробное описание которой приведено в [4]. Рабочая камера, где проводились эксперименты, конструктивно выполнена в виде термосифона. Она представляет собой цилиндрический сосуд с внутренним диаметром 120 мм, высотой 300 мм и толщиной стенок 1 мм из стали 12Х18Н10Т. На наружной поверхности верхней части расположен змеевик охлаждения. Для визуальных наблюдений сверху и сбоку на рабочей камере имелись смотровые окна. В ходе экспериментов реализовывался ряд стационарных режимов теплообмена, при которых регистрировались температуры по толщине поверхности нагрева, давление над слоем жидкости в объеме, и одновременно проводилась видеосъемка процесса видеокамерой с частотой кадров 240 кадр./с. Давление в рабочей камере измерялось деформационно-ионизационным датчиком вакуума и поддерживалось постоянным регулировкой с помощью натекателя и вентиля. Критический тепловой поток фиксировался по моменту резкого роста температуры поверхности нагрева при постоянном тепловом потоке. В опытах получали кривые кипения при постоянном значении давления над слоем. Экспериментальный стенд снабжен автоматизированной системой получения и обработки экспериментальных данных.

По результатам визуальных наблюдений получено, что в тонком слое жидкости образуются структуры двух основных типов: сухие пятна (рис. 1), и полусферические пузыри. Сухое пятно изображенное на рисунке наблюдалось при следующих режимных параметрах: высота слоя h = 0.8 мм, давление насыщения в объеме Ps = 17400 Па, плотность теплового потока q = 8240 Вт/м2, температурный напор (Tw - Ts) = 20 К, где Tw и Ts - температура поверхности нагрева и температура насыщения, соответственно, К.

Рисунок 1 - Сухое пятно в слое н-додекана

В большей части экспериментов наблюдались режимы совместного существования сухих пятен и полусферических пузырей, когда на части поверхности, смоченной жидкостью, происходило пузырьковое кипение (рис. 2):

Рисунок 2 - Полусферические пузыри в слое н-додекана: высота слоя к = 0.8 мм, давление Р, = 2.4 104 Па, q

= 1.926 104 Вт/м2, (Г„ -Т,) = 19 К.

Рисунок 3 - Карта гидродинамических режимов кипения и испарения слоя н-додекана: высота к = 0.8 мм; 1 - пузырьковое кипение, 2 - сухие пятна в слое, 3 - совместно наблюдаются в слое сухие пятна и пузырьковое кипение. Расчетные зависимости: 4 - (1), 5 - (2).

_МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «ИННОВАЦИОННАЯ НАУКА» №5/2016 ISSN 2410-6070_

На рис. 3 показаны области существования сухих пятен и пузырькового кипения в слое. Из рисунка видно, что сухие пятна наблюдались в слое при приведенных давлениях P/Pcr< 2-10-2 и тепловых потоках q< 4000 Вт/м2, где P - давление, Па; Pcr - критическое давление н-додекана, Па. В диапазоне приведенных давлений 4-10-3<P/Pcr <2-10-2 при тепловых потоках q>4000 Вт/м2 в слое наблюдались сухие пятна, а на смоченных участках поверхности наблюдалось пузырьковое кипение. При приведенных давлениях P/Pcr>2-10-2 в слое в процессе его нагрева при более низких тепловых потоках сначала возникало пузырьковое кипение, а затем появлялись сухие пятна обычно в местах разрушения полусферических пузырей. Для объяснения связи между режимными параметрами и наличием различных структур в слое жидкости были выполнены оценки отрывного диаметра пузырьков для процесса кипения жидкости. Получено, что при приведенных давлениях P/Pcr<2-10-3 отрывной диаметр пузырей сравним или даже больше диаметра рабочей камеры. При приведенных давлениях P/Pcr ~ 2.8-10-2 отрывной диаметр пузырей всего в 2-3 раза больше высоты слоя.

Максимальные значения тепловых потоков на рис. 3 соответствуют критическим тепловым потокам. На рисунке представлен для сравнения расчет по формуле С.С. Кутателадзе [5] для плотности первого критического теплового потока при кипении жидкости в большом объеме:

qcrl = 0.16^^4g(р -pv )a , (1)

где qcri - плотность первого критического теплового потока, Вт/м2; hG - скрытая теплота парообразования, Дж/кг, g - ускорение свободного падения, м/с2; Pi, pv - плотность жидкости и пара,

соответственно, кг/м3; Г - коэффициент поверхностного натяжения, Н/м. Также было проведено сравнение полученных опытных данных с расчетом по зависимости В.В. Ягова [6, 7], полученной для условий кипения в большом объеме жидкости в области низких давлений:

п с Ко81/55Г9/11р13/110Л7/110/(Pr)g21/55 а = 0 5 _—_—_—__(2)

fori 1/2 3/10 г>79/110у^21/22 ' (2)

V Cp Ri Ts

pr9/8 y

где /(Pr) = (-—- ) , Pr = — - критерий Прандтля; V - кинематическая

1 + 2Pr1/4 + 0.6Pr19 24 a

вязкость жидкости, м2/с; a - температуропроводность жидкости, м2/с; Л - коэффициент теплопроводности

жидкости, Вт/(м К); c - удельная изобарная теплоемкость жидкости, Дж/(кг К); R - индивидуальная

газовая постоянная паров жидкости, Дж/(кг К). Формула С.С. Кутателадзе [5] была получена для кризиса кипения в большом объеме в предположении, что изменение режима кипения происходит вследствие изменения гидродинамического режима двухфазного граничного слоя, существующего при парообразовании на поверхности нагрева. Зависимость В.В. Ягова [6, 7] получена в предположении, что возникновение кризиса кипения объясняется слиянием и ростом площади сухих пятен на обогреваемой стенке. Из рис. 3 видно, что при низких приведенных давлениях критические тепловые потоки слабо зависят от давления. Численные значения критических тепловых потоков меньше, чем это следует из расчета по зависимости В.В. Ягова, однако наблюдаемая тенденция изменения критических тепловых потоков в зависимости от давления больше соответствует расчетам по этой зависимости.

Появление сухих пятен в слое жидкости с одной стороны интенсифицирует теплоотдачу за счет испарения с мениска жидкости, соприкасающегося с поверхностью нагрева, а с другой стороны уменьшается суммарная площадь поверхности, с которой происходит испарение жидкости. Испарение с менисков

_МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «ИННОВАЦИОННАЯ НАУКА» №5/2016 ISSN 2410-6070_

является одной из причин интенсификации теплообмена при кипении. На рисунке 4 построены зависимости теплового потока от температурного напора. Из рисунка следует, что наклон кривой зависимости теплового потока от температурного напора для двух случаев теплообмена, когда в слое наблюдаются сухие пятна и когда в слое наблюдаются сухие пятна и пузырьковое кипение на смоченных участках поверхности, различный.

Рисунок 4 - Плотность теплового потока в зависимости от температурного напора при различных режимах теплообмена: высота слоя к = 0.8 мм, 1 - в слое наблюдаются сухие пятна, 2 - в слое сухие пятна и пузырьковое кипение, давление Р, = 1 104 Па; 3, 4 - в слое сухие пятна и пузырьковое кипение при давлениях Р, = 1.74 1 04 Па и Р, = 2.4 104 Па, соответственно; 5, 6 - линии аппроксимации.

С появлением пузырьков в слое характер зависимости резко изменяется. Пузырьки существенно интенсифицируют теплоотдачу. В слое с пузырьковым кипением тепловой поток слабо зависит от температурного напора. Появление пузырьков в слое изменяет механизм процесса теплоотдачи. Можно отметить несколько причин интенсификации теплообмена пузырьками:

1. Рост пузырька вызывает интенсивное движение жидкости в слое.

2. Испарение остаточного слоя жидкости под пузырьком.

На рис. 2 отчетливо виден неровный рельеф поверхности под левым пузырьком, представляющий собой не испарившийся еще остаточный слой жидкости. Давление внутри пузырька выше, чем снаружи из-за действия сил поверхностного натяжения и инерционных сил, вызывающих ускоренный рост пузырька. Соответственно, температура внутри пузырька выше. Тепло затрачивается на нагрев пара до более высокой температуры внутри пузырька и на создание потока пара с межфазной поверхности.

3. Теплопередача от более горячего пара внутри пузырька к более холодному пару.

Полученные экспериментальные данные по теплообмену сравнивались с известными расчетными

зависимостями для кипения жидкости в большом объеме. Расчеты проводились по зависимости Розенау [9]:

c, AT

h

= 0.013(

q

а

LG

ß^LG ^ g(Pl ~Pv )

\1/2\1/3 (Cpß\in ) ) ■ (~t) '

_МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «ИННОВАЦИОННАЯ НАУКА» №5/2016 ISSN 2410-6070_

где AT = (Tw — Ts ) - температурный напор, К, ¡1 - коэффициент кинематической вязкости, Па с. При

выводе данной формулы автор полагал, что перегретый слой жидкости оттесняется от поверхности нагрева растущим пузырьком, в результате интенсифицируется локальная конвективная теплоотдача в местах отрыва пузырьков пара от поверхности.

В.В. Яговым [10] предложена физическая модель теплообмена, выражающаяся соотношением:

Ä2AT3

hTr,AT „

q = 3.43 -10—4 — (1 + ')(1 +

vdT„

2RtTsz

1 + 800 hLG (pv -v)

3/2

а(Л- Ts)

1/2

+ 400

hLG (Pv v)

*(Л- Ts)

3/2

1/2 ) '

(4)

При выводе данной зависимости автор полагал, что интенсификация теплоотдачи при развитом пузырьковом кипении происходит из-за высоких локальных плотностей теплового потока в области линий контакта трех фаз на поверхности теплообмена. Из рис. 5 следует, что характер зависимости теплового потока от температурного напора для режима, когда в слое наблюдались только сухие пятна, сильно отличается от типичных расчетных зависимостей теплообмена при кипении.

Рисунок 5 - Сравнение экспериментальных результатов с расчетом: высота слоя к = 0.8 мм, давление = 1 104 Па, 1 - режимы, когда в слое наблюдались только сухие пятна, 2 - в слое наблюдались сухие пятна, а на смоченной поверхности - пузырьковое кипение. Расчетные зависимости: 3 - (3), 4 - (4).

Зависимость (4) дает завышенные значения, потому что значительная часть поверхности не участвует в теплообмене из-за наличия сухих пятен. При выводе формулы (4) предполагалось, что суммарная площадь сухих пятен мала по сравнению с общей площадью поверхности, на которой происходит теплообмен. Данные по теплообмену, когда в слое наблюдались и сухие пятна и пузырьковое кипение, находятся намного ниже расчетных значений по зависимостям (3) и (4). На рис. 6 приведено сравнение расчетов с экспериментальными данными. Данные, полученные в экспериментах, лежат ближе к зависимости (3). Хотя численные значения расчетов и экспериментов отличаются, но общий вид зависимости плотности теплового

л т-1/3

потока от температурного напора q ~ Д7 для этого случая кипения сохраняется.

Рисунок 6 - Сравнение экспериментальных результатов с расчетом: высота слоя к = 0.8 мм, давление = 1.74 1 04 Па, 1 - режимы, когда в слое наблюдались сухие пятна, а на смоченной поверхности - пузырьковое

кипение. Расчетные зависимости: 2 - (3), 3 - (4).

Таким образом, в данной работе построена карта областей существования в слое определенной высоты различных структур и переходные области, где наблюдались одновременно структуры нескольких типов, в зависимости от приведенного давления и теплового потока. Критические тепловые потоки в горизонтальном тонком слое в исследованном диапазоне приведенных давлений меньше, чем критические тепловые потоки при кипении жидкости в большом объеме. Общий вид зависимости плотности теплового потока от температурного напора для случая пузырькового кипения в тонком слое с сухими пятнами такой же, как и в случае кипения жидкости в большом объеме.

Исследование выполнено за счет средств гранта Российского научного фонда (проект № 14-49-00010: блок исследований по изучению динамики развития переходных процессов и кризисных явлений в интенсивно испаряющейся пленке жидкости) и при поддержке гранта РФФИ (проект № 14-08-00691-а: блок исследований по теплообмену при испарении и кипении).

Список использованной литературы:

1. Pavlenko A.N., Lel V.V. Heat Transfer and Crisis Phenomena in Falling Films of Cryogenic Liquid // Russ. J. Eng. Therm. - 1997. - Vol. 7. no's 3-4. - P. 177-210.

2. Pavlenko A.N., Lel V.V., Serov A.F., Nazarov A.D. and Matsekh A.D. The Growth of Wave Amplitude and Heat Transfer in Falling Intensively Evaporating Liquid Films // J. Eng. Therm. - 2002. - Vol. 11, № 1. - P. 7-43.

3. Mahmoudi S.R., Adamaik K., Castle G.S.P. Two-Phase Cooling Characteristics of a Saturated Free Falling Circular Jet of HFE7100 on Heated Disk: Effect of Jet Length// Int. J. Heat Mass Transfer. - 2012. - vol. 55. - P. 6181-6190.

4. Жуков В.И., Павленко А.Н., Нагайцева Ю.В., Вайсс Д. Влияние высоты слоя на теплообмен и критический тепловой поток при испарении жидкости в условиях низких давлений // Теплофизика высоких температур. -2015. - Т. 53, № 5. - С. 727-734.

5. Кутателадзе С.С. Гидромеханическая модель кризиса теплообмена в кипящей жидкости при свободной конвекции // ЖТФ. - 1950. - Т. 20. № 11. - С. 1389-1392.

_МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «ИННОВАЦИОННАЯ НАУКА» №5/2016 ISSN 2410-6070_

6. Ягов В.В. Физическая модель и расчетное соотношение для критических тепловых нагрузок при пузырьковом кипении жидкостей в большом объеме // Теплоэнергетика. - 1988. - № 6. - С. 53-59.

7. Yagov V.V. Is a crisis in pool boiling actually a hydrodynamic phenomenon? // Int. J. Heat and Mass Transfer. -2014. - Vol. 73. - P. 265-273.

8. Gaertner R.F. Photographic Study of Nucleate Pool Boiling on a Horisontal Surface // Trans. ASME. J. Heat Transfer - 1965 - Vol. 87, № 17. - P. 18-29.

9. Rohsenow W.M. A Method of Correlating Heat Transfer Data for Surface Boiling Liquids // Transactions of ASME. - 1952. - Vol. 74. - P. 969 - 976.

10.Ягов B.B. Теплообмен при развитом пузырьковом кипении жидкостей // Теплоэнергетика. - 1988. - № 2 - С. 4 - 9.

© Жуков В.И., Павленко А.Н., 2016

УДК 621.311

Р.Р. Зайнуллин

ассистент кафедры «Промышленная электроника и светотехника» Казанский государственный энергетический университет

г. Казань, Российская Федерация А.А. Галяутдинов

ученик 10 класса МБОУ «Параньгинская средняя общеобразовательная школа»

Республика Марий Эл, Российская Федерация

ПОКАЗАТЕЛИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ КОНДЕНСАЦИОННОЙ

ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ

Аннотация

Рассматриваются основные показатели энергетической эффективности конденсационной электростанции по выработки электроэнергии.

Ключевые слова

Конденсационная электростанция, коэффициент полезного действия, тепловой баланс

Различают конденсационные электростанции (КЭС) - с паровыми конденсационными турбоагрегатами, отпускающие энергию одного вида - электрическую, и теплоэлектроцентрали (ТЭЦ), отпускающие внешним потребителям электрическую и тепловую энергию с паром или горячей водой.

Конденсационным электростанциям районного значения присваивают обычно название ГРЭС (государственная районная электрическая станция), например Заинская ГРЭС, Каширская ГРЭС и др. Электрическая мощность КЭС составляет около 2/3 всей электрической мощности тепловых электростанций страны (около 1/3 мощности - на ТЭЦ) [1].

Основным показателем энергетической эффективности КЭС является КПД по отпуску электрической энергии, который называется абсолютным электрическим КПД. Он равен отношению отпущенной (производственной) электроэнергии (Э) к затраченной энергии (теплоте сожженного топлива - Qc).

Ос = В • , где В - расход топлива на электростанции; = 29330 кДж/кг - низшая теплота сгорания рабочего топлива.