К ВОПРОСУ РАСЧЕТА ПРОЦЕССА ТЕПЛООТДАЧИ ПРИ КИПЕНИИ В АГРЕГАТАХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК Текст научной статьи по специальности «Физика»

Секция «Моделирование физико-механических и тепловых процессов в машинах и аппаратах» УДК 629

К ВОПРОСУ РАСЧЕТА ПРОЦЕССА ТЕПЛООТДАЧИ ПРИ КИПЕНИИ В АГРЕГАТАХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК

А. А. Ходенков, А. В. Делков, В. В. Кирбижекова, М. М. Попугаев

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

Е-mail: delkov-mx01@mail.ru

Рассматривается задача расчета процесса теплоотдачи при кипении в агрегатах энергетических установок. Анализируются проблемы и перспективы численного моделирования теплообмена при фазовых переходах. Приводится аналитический обзор современного состояния исследований.

Ключевые слова: теплоотдача, кипение, энергетическая установка.

TO THE QUESTION OF THE CALCULATION OF THE BOILING HEAT TRANSFER PROCESS IN THE ENERGY UNITS

A. A. Khodenkov, A. V. Delkov, V. V. Kirbyzhekova, M. M. Popugaev

Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation Е-mail: delkov-mx01@mail.ru

This paper considers the problem of calculating the heat transfer process during boiling in power units aggregates. Problems and prospects of numerical modeling of heat transfer during phase transitions are analyzed. An analytical review of the current state of research is given.

Keywords: heat transfer, boiling, power units.

Современный этап развития энергетических установок ракетно-космической техники требует перехода к оптимизации проектируемых систем с целью повышения их эффективности, сокращения энергозатрат и капитальных вложений. Эту задачу возможно разрешить с применением достоверных моделей тепловых процессов в элементах энергетических установок. В настоящей работе рассматривается вопрос моделирования процесса теплоотдачи при кипении в одной из наиболее значимых подсистем космического аппарата - системе терморегулирования.

Одними из наиболее эффективных систем терморегулирования в настоящее время являются двухфазные системы терморегулирования, например, в составе контурных тепловых труб. Такие системы вследствие задействования механизма изменения фазового состояния теплоносителя (с учетом величины скрытой теплоты парообразования), позволяют получить значительный массо-энергетический выигрыш по сравнению с другими системами терморегулирования.

Эффективность процесса кипения определяется степенью интенсивности теплообмена и площадью распространения фазового перехода. Оценка эффективности обычно производится на этапе проектировочного расчета. Однако в настоящее время вопрос достоверного расчета таких систем остается открытым. Это обусловлено особенностями процесса теплообмена при кипении [1]:

- изменение свойств сред в зависимости от степени фазового перехода по длине канала;

- наличие различных режимов течения в трубах теплообменного аппарата;

- изменение скорости, числа Рейнольдса и коэффициента теплоотдачи по длине фазового перехода.

Основным подходом к определению коэффициентов теплоотдачи настоящее время является применение корреляционных зависимостей, полученных экспериментальным путем. Вследст-

Актуальные проблемы авиации и космонавтики - 2018. Том 1

вие огромного интереса к двухфазным потокам было проведено множество экспериментальных исследований протекающих в них процессов теплообмена. К сожалению, большое количество работ непреднамеренно привело к огромной путанице. В настоящее время имеется множество различных корреляций для расчета коэффициента теплоотдачи при фазовых переходах.

Методологически исследование процесса кипения требует использования принципа иерархичности математических моделей на различных уровнях сложности для более глубокого понимания физических основ процесса [2]. Наиболее простая модель для описания процесса кипения -гомогенная. Одними из наиболее сложных методов исследования являются модели с учетом кинематики и динамики роста пузырьков на границе контакта потока со стенкой (модели термодинамически неравновесных процессов) [2].

Одной из популярных в настоящее время методик, используемых для определения коэффициента теплоотдачи при кипении, является корреляция Чена (Chen) [3]. В соответствии с данным подходом используется принцип суперпозиции двух влияющих процессов: пузырькового кипения и конвективного теплообмена в потоке кипящей жидкости.

Необходимо отметить также, что многие авторы дают среднеинтегральные, эмпирические формулы для расчета двухфазного течения с теплоотдачей, содержащие в себе экспериментально полученные коэффициенты, подходящие только для некоторых частных случаев [4]. В результате многочисленные исследования показывают неудовлетворительную сходимость результатов этих корреляций между собой и с экспериментальными данными.

Таким образом, унификация расчетного аппарата процесса кипения для создания универсальных алгоритмов, позволяющих существенно повысить точность расчета, возможна только в строго определенных диапазонах конструктивных и режимных параметров течения. Для анализа достоверности и возможности применения той или иной корреляции в каждом конкретном случае необходимы дополнительные экспериментальные исследования.

Библиографические ссылки

1. Данилова Г. Н., Богданов С. Н., Иванов О. П. Теплообменные аппараты холодильных установок. Л. : Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1986. 303 с.

2. Kolev N. I. Multiphase Flow Dynamics 5: Nuclear Thermal Hydraulics. Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2011. 818 p.

3. Chen J. C. Correlation for Boiling Heat Transfer to Saturated Fluids in Convective Flow. Industrial & Engineering Chemistry Process Design and Development. 1966. № 5. Рр. 322-329. DOI: 10.1021/i260019a023.

4. Tong L. S., Tang Y. S. Boiling Heat Transfer And Two-Phase Flow. CRC, 1997. 572 p.

© Ходенков А. А., Делков А. В., Кирбижекова В. В., Попугаев М. М., 2018