Національна металургійна академія України

Кабакова Людмила Борисівна

УДК 536.24+536.42

Підвищення ефективності електричних парогенераторів шляхом інтенсифікації теплообміну кипінням у щілинних каналах

05.14.06 – Технічна теплофізика та промислова теплоенергетика

А в т о р е ф е р а т

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Дніпропетровськ - 2007

Дисертацією є рукописом.

Робота виконана у Дніпропетровському національному університеті Міністерства освіти і науки України на кафедрі двигунобудування фізико-технічного факультету.

Науковий керівник кандидат технічних наук, професор

Пронь Людмила Володимирівна,

Дніпропетровський національний університет,

завідуюча кафедри двигунобудування,

м. Дніпропетровськ.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Герлига Володимир Антонович,

Одеський національний політехнічний університет,

професор кафедри атомних станцій,

м. Одеса.

кандидат технічних наук, старший науковий

співробітник

Луценко Василь Іванович,

Дніпропетровський інститут геотехнічної механіки

ім. М.С. Полякова,

старший науковий співробітник відділу високотемпературної теплотехніки,

м. Дніпропетровськ.

Захист дисертації відбудеться “12” лютого 2008 р о 12 30 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.084.03 у Національній металургійній академії України за адресою: НМетАУ, пр. Гагаріна, 4, м. Дніпропетровськ, 49600.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національної металургійної академії України, пр. Гагаріна, 4, м. Дніпропетровськ, 49600.

Автореферат розісланий “_____” __________________ 2007 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Д 08.084.03,

доктор технічних наук, професор Камкіна Л.В.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Існуючи централізовані котельні часто не можуть забезпечити промислових споживачів, що мають різні вимоги до параметрів пари для реалізації технологічних процесів. Крім того, централізовані котельні мають низьку ефективність у зв’язку із втратами енергії у магістралях постачання, які характеризуються високим ступенем зносу. В умовах високої конкуренції підвищити якість продукції та знизити затрати енергії можливо впровадженням автономних електричних парогенераторів порівняно невеликої потужності.

Перевагами автономних електричних парогенераторів є: екологічна чистота; висока швидкість виходу на режим; можливість управління та регулювання параметрами пари у широких межах; висока точність підтримки температур в об’ємі або на поверхні, що дозволяє підвищити якість продукції; можливість виконання циклограми зміни температур, якщо це потрібно; простота в управлінні та регулюванні параметрами пари.

Вагогабаритні характеристики та ефективність парогенеруючого обладнання визначаються інтенсивністю теплообміну при кипінні. Проектування парогенераторів, зменшення їх габаритних розмірів, підвищення надійності утруднено без попередніх досліджень теплообміну і гідродинаміки при кипінні а також способів інтенсифікації теплообміну. Найбільш доцільним способом інтенсифікації теплообміну щодо застосування у промислових парогенеруючих установках є організація кипіння у щілинних каналах. Тому, дослідження закономірностей гідродинаміки і теплообміну при кипінні у щілинних каналах є актуальною задачею.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Базовою для підготовки дисертаційної роботи була держбюджетна тема 6-017-02 „Дослідження гідродинаміки і теплообміну в пористих елементах двигунів літальних апаратів і термосифонах”, № 0105U000372, яка виконувалася на кафедрі двигунобудування фізико-технічного факультету ДНУ, і в якої авторка була співвиконавцем.

Мета і задачі дослідження. Метою дослідження є підвищення ефективності та зменьшення вагогабаритних характеристик парогенеруючих установок шляхом інтенсифікації теплообміну при кипінні.

Для досягнення поставленої мети в роботі необхідно вирішити наступні задачі:

- проаналізувати існуючі дані, присвячені експериментальним дослідженням теплообміну у елементах теплотехнічного обладнання, проаналізувати сучасні підходи до створення математичних моделей теплообміну і гідродинаміки при кипінні;

- розробити та виготовити експериментальну установку для досліджень теплообміну при кипінні у стиснених умовах;

- провести експериментальні дослідження, експериментально визначити коефіцієнти тепловіддачі при кипінні при різних значеннях геометричних параметрів, щільності теплового потоку, тиску;

- визначити режими кипіння, при яких спостерігається підвищений коефіцієнт тепловіддачі;

- створити математичну модель гідродинаміки і теплообміну при кипінні, яка дозволятиме визначати характеристики теплообміну на етапі проектування теплообмінного обладнання.

Об’єктом дослідження є зона кипіння електричного парогенератору.

Предметом дослідження є процеси гідродинаміки та інтенсифікації теплообміну при кипінні у електричних парогенеруючих установках.

Методи дослідження – експериментальне визначення коефіцієнтів тепловіддачі при кипінні у щілинних каналах, експериментальне визначення можливості інтенсифікації теплообміну у щілинних каналах, визначення впливу геометричних характеристик щілинних каналів на інтенсивність теплообміну, математичне моделювання гідродинаміки і теплообміну у щілинних каналах та стіснених умовах.

Наукова новизна отриманих результатів.

1. Експериментально доведена можливість інтенсифікації теплообміну при кипінні у щілинних каналах, ширина яких дорівнює декільком відривним діаметрам бульбашки, для режимних параметрів, що реалізуються у парогенеруючих установках (висота 1000 мм, діаметр поверхні, що гріє, 140 мм, тиск від 0,1 до 0,8 МПа, щільність теплового потоку від 22 до 74 кВт/м2).

2. Уперше отримана залежність для розрахунку величин щілинних каналів, в яких реалізується найбільша інтенсифікація теплообміну при кипінні, що обумовлено збільшенням турбулізації потоку та випаровуванням через мікрошар рідини між стінкою, що гріє, і паровою областю.

3. Уперше на основі уявлень про гетерогенні взаємопроникаючі середовища розроблена математична модель теплообміну при бульбашковому кипінні у стиснених умовах яка доповнюється теорією зародкоутворення на шорсткуватих поверхнях, і дозволяє отримувати дані по теплообміну і гідродинаміці у широкому діапазоні геометричних параметрів, тисків, щільностей теплового потоку.

Практичне значення отриманих результатів.

На основі отриманих експериментальних даних про тепловіддачу при кипінні розроблені рекомендації щодо інтенсифікації теплообміну у парогенеруючому обладнанні, спроектовані конструкції теплообмінних пристроїв із інтенсифікаторами теплообміну (патент на корисну модель „Термосифон” №20647).

На основі математичної моделі бульбашкового кипіння у стиснених умовах розроблена програма, що дозволяє на етапі проектування теплообмінного обладнання оцінувати характеристики теплообміну і гідродинаміки при кипінні.

Результати досліджень були впроваджені на підприємстві „Екотеп” при розробці парогенеруючих установок. Заходи щодо інтенсифікації теплообміну при кипінні (встановлення дефлекторів у порожнину гріючого блоку) дозволили підвищити питомий тепловий потік до 7,5 Вт/см2, що дало можливість виготовляти нагрівальні блоки потужністю 30 кВт замість 22 кВт, при цьому вага і габарити залишилися тими ж самими. Це призвело до зниження на 25% матеріалоємності зони кипіння парогенератору.

Результати досліджень були використані в навчальному процесі студентів Фізико-технічного факультету ДНУ, спеціальності “Двигуни ракетно - космічних літальних апаратів”, “Енергетичні установки літальних апаратів” шляхом їх включення в лекційні курси учбових дисциплін „Тепломасообмін”, „Термодинаміка і теплопередача”, „Основи високотемпературної техніки”, „Теорія і розрахунок теплообмінників”. Застосування результатів досліджень в навчальному процесі дозволило суттєво підвищити якість матеріалів, що викладаються, з точки зору впровадження сучасних досягнень у галузі проектування теплообмінного обладнання.

Особистий внесок здобувача.

Основні результати дисертаційної роботи одержані автором самостійно. Зокрема, створена методика проведення експериментальних досліджень, проведені експериментальні дослідження, оброблені результати дослідження, проведено аналіз результатів дослідження, проведені розрахунково-теоретичні дослідження бульбашкового кипіння на основі математичної моделі бульбашкового кипіння у щілинних каналах. В [1,4,10] особистий внесок здобувача полягає в проведені розрахунково-теоретичних досліджень шляхом створення математичної моделі бульбашкового кипіння у щілинних каналах; в [5,6,7,12,13,14] – в проведені експериментальних досліджень кипіння у щілинних каналах, обробці та аналізу експериментальних даних. В роботах [2,3,9,15] особистий внесок полягає у розгляданні питань підвищення ефективності використання парогенеруючого обладнання. У роботі [11] особистий внесок полягає у проведенні експериментальних досліджень швидкості спливу бульбашок у щілинному каналі. В [8] особистий внесок здобувача полягає у виборі способів інтенсифікації теплообміну, вибору геометричних параметрів інтенсифікаторів теплообміну у термосифоні.

Апробація результатів дисертації. Результати роботи були представлені на наступних конференціях: ІІ Міжнародна науково-практична конференція “Розвиток науково-технологічних парків та інноваційних структур інших типів: Україна і світовий досвіт”. Львів 2003; V Мінський міжнародний форум по тепло- масообміну (Мінськ, 2004); ХХI - XXII наукові конференції країн СНД (Одесса, 2004, 2006); VI міжнародний семінар „Heat pipers, heat pumps, refrigerators” (Мінськ, 2005); IV-V міжнародні конференції „ Проблеми промислової теплотехніки” (Київ, 2005, 2007).

Публікації. Матеріали дисертації повно висвітлені в фахових джерелах: у збірниках наукових праць – 5 статей, у науково-технічних журналах – 2 статті, у матеріалах конференцій – 7, патент на корисну модель – 1. Кількість публікацій у виданнях, що рекомендовані ВАК України, складає 7.

Структура дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків та трьох додатків. Повний обсяг дисертації становить 137 сторінок і містить 3 додатки, 44 рисунки, 8 таблиць, список використаних літературних джерел, що включає 102 найменування на 10 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, визначені її мета та задачі, вказано на зв’язок проведеного дослідження з науковими темами Дніпропетровського національного університету, де виконувалася робота. Також підкреслено практичне значення та наукова новизна отриманих результатів.

У першому розділі показано, що при проектуванні електричного парогенеруючого обладнання необхідні надійні дані щодо тепловіддачі при кипінні та підвищення інтенсивності теплообміну. На практиці при проектних розрахунках використовують емпіричні залежності, які отримані для конкретного типу обладнання в умовах, близьких до умов у агрегаті, що значно звужує область їх застосування.

Аналіз літератури демонструє, що серед способів інтенсифікації теплообміну при кипінні найбільш доцільним щодо застосування у парогенеруючих установках є організація кипіння у щілинних каналах.

Існуючи на сьогодні експериментальні дані щодо кипіння в умовах вільної конвекції, у щілинних каналах, трубах малого діаметру, у термосифонах демонструють те, що ступінь впливу основних параметрів (тиску, щільності теплового потоку, геометричних характеристик) на коефіцієнт тепловіддачі різний і сильно залежить від умов, при яких відбувається кипіння. Межа застосовності запропонованих формул відповідає можливостям експериментальних установок, на яких вони були отримані. Відомі із літератури експериментальні дослідження кипіння у щілинних каналах не охоплюють режимні та геометричні параметри, що реалізуються у електричних парогенеруючих установках.

Теоретичне дослідження теплообміну при кипінні ускладнюється тим, що складність фізичних процесів обумовлює велику кількість рівнянь, які описують процеси при кипінні. На даний час створено достатня кількість розрахункових методик визначення характеристик двофазного потоку у каналах, що обігріваються.

Незважаючи на існуючі досягнення у рішенні задач гідродинаміки та теплообміну при кипінні, теоретичний опис руху та теплообміну при кипінні не завершено.

Обґрунтована необхідність проведення подальших дослідницьких робіт, пов’язаних із експериментальним визначенням коефіцієнтів тепловіддачі при кипінні у щілинних каналах, визначенням режимів кипіння вздовж щілинного каналу, визначення механізму інтенсифікації теплообміну. Вказано, що оцінка основних характеристик кипіння у теплотехнічному обладнанні на етапі проектування потребує створення математичної моделі гідродинаміки і теплообміну при кипінні у щілинних каналах.

З проведеного аналізу, виявлення основних проблем та відповідно до мети дисертаційної роботи були поставлені наступні задачі дослідження:

- розробка та виготовлення експериментальної установки для досліджень теплообміну при кипінні у стиснених умовах; розробка методики проведення експериментальних досліджень;

- проведення експериментальних досліджень, експериментальне визначення коефіцієнтів тепловіддачі при кипінні при різних значеннях геометричних параметрів, щільності теплового потоку, тиску; визначення впливу величини щілинного каналу на тепловіддачу;

- проведення візуалізації гідродинаміки при кипінні у щілинних каналах, визначення режимів кипіння, при яких спостерігається підвищений коефіцієнт тепловіддачі;

- створення математичної моделі гідродинаміки і теплообміну при кипінні у щілинних каналах, розробка на її основі програми, яка дозволяє визначати характеристики теплообміну на етапі проектування теплообмінного обладнання.

У другому розділі дисертаційної роботи наведено опис розробленої експериментальної установки та методики проведення експериментальних досліджень. В експериментальній установці експериментальний вузол є повномасштабною зоною кипіння блоку парогенератору. Основні характеристики експериментальної установки наступні.

Робоча рідина – технічна вода. Діапазон зміни тисків у експериментальному вузлі – від 0,1 до 0,8 МПа. Діапазон зміни температур у експериментальному вузлі – від 100 до 170оС. Діапазон зміни щільностей теплового потоку – від 22 до 74 кВт/м2. Висота зони кипіння – 1000 мм, діаметр поверхні, що гріє, - 140 мм; щілинні кільцеві канали, де відбувалося кипіння - 3, 4, 5 і 20 мм.

Схема експериментальної установки наведена на рис.1.

Крім того, була розроблена установка для візуалізації гідродинаміки при кипінні у щілинному каналі, де зовнішня стінка виконувалася із скла. В цьому ж розділі наведено методику проведення експериментальних досліджень, розраховано похибку вимірів та розрахунків.

Третій розділ присвячений експериментальним дослідженням теплообміну та гідродинаміки при кипінні у щілинних каналах. Експериментально отримані коефіцієнти тепловіддачі при кипінні у щілинних каналах шириною 3, 4, 5 і 20 мм висотою 1000 мм у діапазоні тисків від 0,1 МПа до 0,8 МПа, щільностей теплових потоків до 74 кВт/м2. Отримані коефіцієнти тепловіддачі у щілинних каналах, які були утворені стінкою, що гріє, та перфорованим дефлектором. В дослідженнях використовувались перфоровані дефлекторі із різним ступенем проникності.

На рис.2 показано коефіцієнти тепловіддачі для різних величин щілинних каналів для щільності теплового потоку 74 кВт/м2.

Експериментально доведено, що коефіцієнти тепловіддачі у щілинних каналах, які були утворені стінкою, що гріє, і гладким дефлектором, значно (до 50%) перевищують коефіцієнти тепловіддачі при кипінні в умовах вільної конвекції.

За результатами експериментальних досліджень виявлений складний характер впливу величини щілинного зазору на коефіцієнт тепловіддачі. Із аналізу експериментальних даних випливає, що для кожного режиму кипіння існує величина щілинного каналу, при якій починається збільшення коефіцієнту тепловіддачі, величина щілинного каналу, при якій спостерігається максимальний коефіцієнт тепловіддачі, і щілинні канали, де тепловіддача зменшується (рис.3).

Найбільш корисною для практичного застосування є інформація про величини щілинних каналів у зоні, яка заштрихована на рис. 3. Організація кипіння у щілинних каналах, які знаходяться лівіше заштрихованої зони, не є доцільним, бо у вузьких каналах може спостерігатися різке зменшення тепловіддачі у зв’язку із „запарюванням” потоку.

Величини щілинних каналів, при яких відбувається збільшення тепловіддачі, узагальнюються залежністю: , де - величина щілинного зазору, , , - характерний розмір, або капілярна постійна рідини.

Дані про щілинні зазори, при яких спостерігаються максимальні коефіцієнти тепловіддачі, задовільно апроксимуються залежністю: .

Щілинні канали, величина яких більше за , не впливають на коефіцієнти тепловіддачі, у діапазоні щілинних каналів від до тепловіддача збільшується, досягає максимальне значення при , у щілинних каналах менших за коефіцієнт тепловіддачі зменшується.

З метою дослідження впливу перфорацій на тепловіддачу при кипінні була проведена серія досліджень у щілинних каналах, утворених перфорованими дефлекторами і стінкою, що гріє, величина щілинного зазору встановлювала 4 мм. Характеристикою перфорованих дефлекторів є проникність, тобто відношення площі отворів до загальної площі дефлектору Sотв/Sд. У дослідженнях використовувалися три типи перфорованих дефлекторів із проникністю Sотв/Sд = 0,04; 0,127; 0,51.

Застосування дефлекторів із проникністю 0,51 і 0,127 незначно (до 10%) збільшує тепловіддачу, більш ефективним є дефлектор із мінімальною проникністю 0,04, який підвищує тепловіддачу до 25% порівняно із кипінням у „великому обсязі”. Встановлено, що коефіцієнти тепловіддачі при кипінні у щілинах, які утворені перфорованими дефлекторами, не перевищують тепловіддачу при кипінні у щілинах, утворених гладким дефлектором.

Візуальні дослідження кипіння (рис.4) показали, що для тисків і щільностей теплового потоку, що досліджувалися, існує два режими кипіння: бульбашковий і режим бульбашок, що злилися.

Бульбашковий режим займає нижню частину щілинного каналу (висота зони бульбашкового кипіння залежить від недогріву на вході, тиску та щільності теплового потоку), характеризується тим, що бульбашки рухаються окремо, знизу до гори. На деякій висоті окремі бульбашки зливаються у конгломерати пари.

Режим бульбашок, що злилися (рис. 4), має складну гідродинамічну картину, цей режим характеризується підвищеною турбулізацією, за рахунок того, що бульбашки, що злилися, рухаються із більшою швидкістю, ніж окремі бульбашки, і швидкість обтікання парорідинною сумішшю поверхні нагріву значно більше, ніж при бульбашковому режимі кипіння.

Інтенсифікація теплообміну при режимі бульбашок, що злилися, здійснювалася як за рахунок турбулізації потоку, так і за рахунок випаровування через мікрошар рідини між стінкою, що гріє, і конгломератом пари.

Показано, що гідродинамічна картина кипіння у щілинному каналі значно змінюється в залежності від тиску. З ростом тиску кількість бульбашок збільшується, швидкість руху паро-рідинної суміші збільшується. Більш інтенсивний рух парорідинної суміші призводить до збільшення коефіцієнту тепловіддачі при кипінні, що узгоджується із експериментальними даними (рис.2), у яких спостерігався ріст тепловіддачі при підвищенні тиску [6-7].

Результати експериментальних досліджень тепловіддачі при кипінні у щілинних каналах свідчать про те, що для кожного режиму кипіння існує певна величина щілинного каналу, в якому спостерігається максимальний коефіцієнт тепловіддачі, при менших величинах щілин коефіцієнт тепловіддачі зменшується (рис. 3). Для більших теплових потоків оптимальний щілинний зазор збільшується.

Візуальні дослідження кипіння показали, що при високих щільностях теплового потоку у верхній частині каналу спостерігаються великі конгломерати пари, які, у деяких випадках, займають більше половини площі теплообміну. Ймовірно, товщина шару рідини під паровою фазою зменшується і стінка на деякий час осушається, і це призводить до зменшення коефіцієнтів тепловіддачі.

У третьому розділі також наведені приклади використання результатів досліджень при проектуванні парогенеруючих установок, показані найбільш ефективні схеми використання автономних парогенераторів. Показано, що заходи щодо інтенсифікації теплообміну дозволили зменшити габаритні розміри парогенераторів, зменшити металоємність конструкції.

Четвертий розділ присвячений розробці математичної моделі бульбашкового кипіння у щілинних каналах.

Для моделювання бульбашкового кипіння у щілинному каналі за основу було взято модель гетерогенних взаємопроникаючих середовищ та використана теорія утворення, росту та відриву бульбашок на шорсткуватій поверхні. Користуючись тим, що товщина каналу значно менше його довжини, було прийняте важливе спрощення, що використовується в моделі прикордонного шару. Відповідно до цієї моделі тиск у рідині не залежить від поперечної координати, при цьому з рівнянь відкидаються другі похідні по подовжній координаті x.

Система рівнянь складалася із рівняння збереження кількості бульбашок, рівняння збереження маси парової фази, рівняння збереження маси рідини, рівняння руху бульбашок, рівняння руху рідини, рівняння теплообміну в рідині, рівняння теплообміну в бульбашках, рівняння руху поверхні бульбашки, рівняння для радіусів бульбашок та рівняння стану для пари у бульбашці. Ці рівняння були спрощені за допомогою інтегрального методу, внаслідок чого була отримана система одномірних рівнянь. Система доповнялась граничними умовами на обох стінках каналу, початковими умовами у нижній частині каналу. В основу одержання граничних умов на стінці, що гріє, була покладена теорія зародкоутворення на шорсткуватих поверхнях, яка враховує сучасні погляди на процеси утворення, росту, відриву і спливання бульбашки.

Результати розрахунків за розробленою моделлю задовільно узгоджуються із експериментальними даними, відомими із літератури, і отриманими за результатами експериментальних досліджень, що підтверджує правомірність зроблених припущень та використаних підходів. Розроблена математична модель надає можливість провести аналіз впливу основних параметрів кипіння, таких як щільність теплового потоку, тиск, початкова швидкість, недогрів на коефіцієнт тепловіддачі.

Використання математичної моделі при проектуванні парогенеруючого обладнання дозволяє значно скоротити об’єм експериментальних випробувань, знизити матеріальні затрати.

У додатках наведено акт впровадження результатів науково-дослідної роботи, акт впровадження результатів дисертаційного дослідження Кабакової Л.Б. та акт реалізації виконаних досліджень в навчальний процес.

Висновки

У дисертації вирішена важлива науково-технічна задача підвищення ефективності парогенеруючих установок шляхом інтенсифікації теплообміну організацією кипіння у щілинних каналах.

Основні результати роботи полягають у наступному.

1. Аналіз досліджень, присвячених кипінню у різноманітних теплообмінних агрегатах, показав, що на сьогодні існує брак надійних експериментальних даних щодо інтенсивності теплообміну при кипінні у стиснених умовах, зокрема, у щілинних каналах, які можуть бути реалізовані у елементах теплотехнічного обладнання, таких як великогабаритні термосифони, парогенеруючі установки. Крім того, не існує простих і надійних математичних моделей, які б дозволяли на етапі проектування теплообмінного обладнання оцінювати основні параметри гідродинаміки і теплообміну при кипінні у щілинних каналах.

2. Розроблена та виготовлена експериментальна установка для досліджень теплообміну при кипінні у щілинних каналах шириною 3, 4, 5 і 20 мм висотою 1000 мм у діапазоні тисків до 0,8 МПа, щільностей теплових потоків до 74 кВт/м2. Щілинні канали були утворені встановленням дефлекторів, гладких або перфорованих, у внутрішню порожнину зони кипіння.

3. Експериментально отримані коефіцієнти тепловіддачі при кипінні у щілинних каналах шириною 3, 4, 5 і 20 мм висотою 1000 мм у діапазоні тисків до 0,8 МПа, щільностей теплових потоків до 74 кВт/м2, що надає можливість їх використання при проектуванні парогенеруючого обладнання.

4. Експериментально доведено, що коефіцієнти тепловіддачі у щілинних каналах, які були утворені стінкою, що гріє, і гладким дефлектором, значно (до 50%) перевищують коефіцієнти тепловіддачі при кипінні в умовах вільної конвекції, а коефіцієнти тепловіддачі у щілинних каналах, утворених стінкою, що гріє, і перфорованим дефлектором, перевищують коефіцієнти тепловіддачі при кипінні в умовах вільної конвекції до 25%. Інтенсифікація теплообміну дозволяє зменшити габаритні розміри парогенеруючих установок, підвищити швидкість виходу на режим, підвищити надійність.

5. Визначений складний характер впливу величини щілинного зазору на тепловіддачу при кипінні у високих (1000 мм) щілинних каналах, показано, що для кожного режиму кипіння існує величина щілинного зазору, починаючи з якої при зменшенні щілини коефіцієнт тепловіддачі збільшується, досягає максимального значення у певному щілинному зазорі, при подальшому зменшенні щілини тепловіддача погіршується. Це обумовлено зміненням режимів кипіння у щілинних каналах в залежності від геометричних та режимних параметрів.

6. Отримані розрахункові залежності для безрозмірних величин щілинного каналу, при яких спостерігається підвищенні значення коефіцієнтів тепловіддачі при кипінні; залежності дозволяють для різних щільностей теплового потоку та тисків розрахувати величину щілинного каналу, в якому спостерігається максимальне значення коефіцієнту тепловіддачі.

7. За результатами візуалізації процесів кипіння у високих щілинних каналах (ширина 4 мм, висота 1000 мм; ширина 3 мм, висота 600 мм), виявлені режими кипіння, що реалізуються вздовж щілинного каналу, виявлено механізм підвищення тепловіддачі при кипінні у щілинних каналах, що досліджувалися; показано, що інтенсифікація теплообміну при кипінні у щілинних каналах здійснюється як за рахунок турбулізації потоку, так і за рахунок випаровування через мікрошар рідини між стінкою, що гріє, і паровою областю.

8. Розроблена математична модель бульбашкового кипіння у стиснених умовах на основі моделі гетерогенних взаємопроникаючих середовищ, яка доповняється граничними умовами на гріючій та „холодній” стінках, які враховують сучасні погляди на процеси утворення, росту, відриву і спливання бульбашки, розроблена модель дозволила створити програму розрахунку параметрів кипіння. На основі моделі отримано аналіз теплообміну і гідродинаміки у широкому діапазоні режимних параметрів, результати розрахунків задовільно узгоджуються із експериментальними даними, що підтверджує доцільність використаних підходів, припущень і спрощень.

Отримані результати можуть бути використані при проектуванні теплообмінного обладнання на базі двофазних термосифонів, теплообмінних апаратів, у яких реалізується кипіння у стиснених умовах, у парогенеруючих установках; для удосконалення розрахунків і розробки нових конструкцій теплообмінного обладнання; для подальшого розвитку теорії гідродинаміки і теплообміну при кипінні.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ АВТОРОМ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Гонтарев Ю.К., Елисеев В.И., Кабакова Л.Б. Кипение в щелевых каналах двухфазных термосифонов // Системне проектування та аналіз характеристик аерокосмічної техніки. Дніпропетровськ, Навчальна книга. – 2002. – С. 51-57.

2. Гонтарев Ю.К., Кабакова Л.Б., Покрышкин В.В. Пронь Л.В. Исследование работы тепловых труб в греющих прессовых плитах // Проблемы высокотемпературной техники: Сб. научн. тр. - Д.: Вид-во Дніпропетр. ун-ту, 2002 - С. 30-36.

3. Кабакова Л.Б., Гонтарев Ю.К., Гонтарев М.Ю. Выбор системы термостатирования пороховых ракет “воздух-воздух” на этапе стендовых испытаний // Авіаційно-космічна техніка і технологія. Випуск 42/7, Науково-технічний журнал, Харків “ХАІ”. - 2003. – С. 156-159.

4. Кабакова Л.Б., Елисеев В.И., Гонтарев Ю.К. Исследование теплообмена при кипении в щелевом канале термосифона // Вісник ДНУ. Ракетно-космічна техніка. Випуск 7. – Видавництво ДНУ. 2003. – С. 38-45.

5. Гонтарєв Ю.К., Кабакова Л.Б. Експериментальні дослідження теплообміну у зоні випару двофазного термосифону // Проблемы высокотемпературной техники: Сб. научн. тр. - Д.: Вид-во Дніпропетр. ун-ту, 2004. - С. 26-30.

6. Кабакова Л.Б. Исследование интенсификации теплообмена при кипении в щелевом зазоре // Системне проектування та аналіз характеристик аерокосмічної техніки. Том VI. Збірник наукових праць. – Видавництво ДНУ. – 2006. – С. 67-72.

7. Кабакова Л.Б. Экспериментальные исследования кипения в щелевых зазорах // Вестник двигателестроения. Научно-технический журнал. – Запорожье ОАО “Мотор Сич”. – 2007. – №1. – С. 30-33.

8. Патент на корисну модель 20647 Україна, МПК (2007) F28D 15/02. Термосифон /Кабакова Л.Б., Гонтарєв Ю.К. Дніпропетровський національний університет //Український інститут промислової власності; Заявл. 10.04.2006; Опубл. 15.02.2007. – 3 с.

9. Кабакова Л.Б. Гонтарев Ю.К. Использование принципа двухфазного термосифона в теплоэнергетическом оборудовании // ІІ Міжнародна науково-практична конференція “Розвиток науково-технологічних парків та інноваційних структур інших типів: Україна і світовий досвіт”. Львів 2003. Матеріали конференції. – С.157-160.

10. Кабакова Л.Б., Елисеев В.И., Гонтарев Ю.К. Исследование теплообмена в зоне кипения двухфазного термосифона // V Минский международный форум по тепло- и массообмену, 24 – 28 мая 2004. – Минск, 2004. – Т 2. – С. 41-42.

11. Гонтарев Ю.К., Елисеев В.И., Кабакова Л.Б. Определение скорости подъема газовых пузырей в щелевых каналах // Дисперсные системы: ХХI научная конференция стран СНГ. Одесса, 20 - 24 сент. 2004 г.- Одесса, 2004. - С. 90-91.

12. Gontarev Y.K., Kabakova L.B. Thermosiphon with separated vaporizer and condenser research // Heat pipers, heat pumps, refrigerators: Proceedings of the VI Minsk International Seminar held in Minsk, Belarus, 12-15 Sept. 2005. –Minsk, 2005. - P. 280 – 285.

13. Gontarev Y.K., Kabakova L.B. Experimental Researches of Heat Exchange under the Boiling in Closed Two-Phase Thermosiphons // Problems of industrial heat engineering: IV-th International Conference. Kyiv, 26-30 Sept. 2005. – Kyiv, 2005. – Р. 51-52.

14. Кабакова Л.Б., Гонтарев М.Ю. Исследование кипения в щелевых каналах теплообменного оборудования // Дисперсные системы: ХХІІ научная конференция стран СНГ. Одесса, 18-22 сент. 2006 г. – Одесса, 2006. - С. 158-159.

15. Кабакова Л.Б., Гонтарев Ю.К., Филоненко И.В. Использование автономных парогенерирующих комплексов как альтернативы централизованному теплоснабжению // Проблемы промышленной теплотехники: V Международная конференция. Киев, 22-26 мая 2007 г. – Киев, 2007. – С.143-144.

АНОТАЦІЇ

Кабакова Л. Б. Повышение эффективности электрических парогенераторов путем интенсификации теплообмена кипением в щелевых каналах. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.14.06 – „Техническая теплофизика и промышленная теплоэнергетика” - Национальная металлургическая академия Украины, Днепропетровск, 2007.

Диссертация посвящена повышению эффективности (уменьшению габаритных размеров, увеличению скорости выхода на режим, повышению надежности) парогенерирующих установок путем интенсификации теплообмена при кипении в щелевых каналах. Проведены экспериментальные исследования кипения в щелевых каналах. Выявлен сложный характер влияния величины щелевого канала на теплоотдачу, получены расчетные зависимости для величин щелевого канала, в которых наблюдается максимальные значения коэффициентов теплоотдачи. С помощью визуализации определены режимы кипения и механизм интенсификации теплообмена в щелевом канале для исследуемого диапазона параметров. Разработана математическая модель теплообмена при пузырьковом кипении в щелевых каналах на основе модели гетерогенных взаимопроникающих сред, которая дополняется теорией зародышеобразования на шероховатых поверхностях, и позволяет рассчитывать характеристики теплообмена в широком диапазоне параметров. Результаты работы были использованы при проектировании парогенераторов и внедрены в учебный процесс.

Ключевые слова: парогенератор, кипение, щелевой канал, интенсификация теплообмена, эксперимент, визуализация, математическая модель.

Кабакова Л. Б. Підвищення ефективності електричних парогенераторів шляхом інтенсифікації теплообміну кипінням у щілинних каналах. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю05.14.06 – “Технічна теплофізика та промислова теплоенергетика” – Національна металургійна академія України, Дніпропетровськ, 2007.

Дисертація присвячена підвищенню ефективності (зменшенню габаритних розмірів, підвищенню швидкості виходу на режим, підвищенню надійності) парогенеруючих установок шляхом інтенсифікації теплообміну при кипінні у щілинних каналах. Проведені експериментальні дослідження кипіння у щілинних каналах, визначений складний характер впливу величини щілинного зазору на тепловіддачу, отримані розрахункові залежності для величин щілинних каналів, в яких спостерігається максимальне значення коефіцієнту тепловіддачі. За допомогою візуалізації визначені режими кипіння та механізм інтенсифікації теплообміну у щілинному каналі для дослідженого діапазону параметрів. Розроблена математична модель теплообміну при бульбашковому кипінні у щілинних каналах на основі моделі гетерогенних взаємопроникаючих середовищ, яка доповнюється теорією зародкоутворення на шорсткуватих поверхнях, і дозволяє отримувати дані по теплообміну і гідродинаміці у широкому діапазоні параметрів. Результати роботи застосовані при проектуванні парогенераторів та впроваджені у навчальний процес.

Ключові слова: парогенератор, кипіння, щілинний канал, інтенсифікація теплообміну, експеримент, візуалізація, математична модель.

Kabakova L.B. Effectiveness increase of the electrical steam generators by intensification of the heat exchange under the boiling in the annular gaps. – Manuscript.

The dissertation for candidate of science degree by specialty 05.14.06 – “Technical thermal physics and industrial heat-and-power engineering” –The National Metallurgical Academy of Ukraine, Dnepropetrovsk, 2007.

The dissertation is dedicated to increase of effectiveness (decrease of weight characteristic, high speed of operating conditions, increase of reliability) of steam generator plants by intensification of heat exchange under the boiling in annular gaps. Experimental researches of the boiling in the annular gaps were conducted. Difficult character of the annular gap size influence to heat exchange was determined; design equations of the annular gap sizes where upper bounds of the heat exchange coefficient exist were obtained. The boiling conditions and the heat transfer enhancement mechanism in the annular gaps were determined by the visualization. The mathematical model of heat exchange under the bubble boiling in the annular gaps was designed on the base of the heterogeneous interpenetrative mediums model. It was augmented by the theory of the bubbles formation on the rough surface. The mathematical model allows calculating heat exchange characteristics under the wide range of parameters. The results of the researches were used have found an industrial utility in the design of the electrical steam generators and were applied in the educational process.

Key words: steam generator, boiling, annular gap, heat transfer enhancement, experiment, visualization, mathematical model.

Підписано до друку 29.12.07. Формат 60х84 1/16. Папір офсет.

Друк різограф. Умов. друк. арк. 1,0

Тираж 100 пр. Замовлення №7

Надруковано ВФ “Сервіс” у друкарні ПП “Михайленко К.В.”

49000, Дніпропетровськ, пр. Гагаріна, 21 

Свідоцтво В01 №553647 від 10.07.2006 р.