Кабакова Людмила Борисівна. Підвищення ефективності електричних парогенераторів шляхом інтенсифікації теплообміну кипінням у щілинних каналах

brief description

Кабакова Людмила Борисівна. Підвищення ефективності електричних парогенераторів шляхом інтенсифікації теплообміну кипінням у щілинних каналах : Дис... канд. наук: 05.14.06 - 2008.

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.

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.