Сидоренко Віталій Іванович. Теплообмін при випаровуванні плівки рідини, що стікає по горизонтальній трубі з поперечним оребренням

Краткое описание

Сидоренко Віталій Іванович. Теплообмін при випаровуванні плівки рідини, що стікає по горизонтальній трубі з поперечним оребренням: дис... канд. техн. наук: 05.14.06 / Національний технічний ун-т України "Київський політехнічний ін- т". - К., 2005

Сидоренко В.І. Теплообмін при випаровуванні плівки рідини, що стікає по горизонтальній трубі з поперечним оребренням. Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.14.06 Технічна теплофізика та промислова теплоенергетика. Національний технічний університет України КПІ”, Міністерство освіти та науки України, Київ, 2005.
Робота присвячена дослідженням, що направлені на підвищення ефективності роботи горизонтально-трубних плівкових випаровувачів шляхом інтенсифікації тепловіддачі за рахунок оптимального оребрення зовнішньої поверхні труб. Розроблена методика дослідження з високою розрізнювальною здатністю локальної тепловіддачі від профільованої зовнішньої поверхні стінки труби до плівки рідини при випаровуванні та розроблені відповідні технічні засоби для її реалізації. Дисертація містить експериментальні дослідження локальної тепловіддачі від стінки горизонтальної труби з поперечними ребрами до плівки рідини, що стікає по її зовнішній поверхні при температурі насичення. Основним змінним режимним параметром в дослідах була щільність зрошення рідиною теплообмінної поверхні, що змінювалася в діапазоні 0,08-0,27 кг/(мс). Температура насичення при проведенні дослідів була 40оС. Основними змінними конструктивними параметрами являлись розміри та крок оребрення. Діаметр дроту оребрення змінювався від 0,65 мм до 1,4 мм, а крок оребрення від 2 мм до 12 мм. Для виключення бульбашкового кипіння в плівці досліди проводились при щільності теплового потоку до 15 кВт/м2. Наведено емпіричні залежності для розрахунку локальної по периметру труби і середньої по всій поверхні труби тепловіддачі.

У дисертації наведене нове вирішення наукового завдання, що полягає в підвищенні ефективності роботи горизонтально-трубних плівкових випаровувачів для енергетичної, хімічної, харчової промисловостей шляхом інтенсифікації тепловіддачі за рахунок оптимального оребрення зовнішньої поверхні труб. З цією метою розроблена методика дослідження та проведені експериментальні дослідження локальної тепловіддачі при гравітаційній течії плівки рідини по горизонтальним трубам з поперечними ребрами. Отримані результати дозволяють підвищити тепловіддачу від стінки труби до плівки рідини, що приведе до зменшення металоємності, габаритних розмірів і вартості плівкових випаровувачів.
Отримані результати експериментального дослідження локальної тепловіддачі від стінки труби до плівки рідини дозволяють зробити наступні основні висновки:

На основі створеної принципово нової методики для отримання локальних значень коефіцієнтів тепловіддачі, що базується на вимірюванні локальної температури стінки з високою розпізнавальною здатністю, проведено тестування експериментального стенду за допомогою порівняння даних по конвективному теплообміну, як у великому об’ємі рідини, так і при плівковому випаровуванні з даними інших авторів і виконана оцінка відносної погрішності визначення локальної тепловіддачі, яка становить 9,41%.
В результаті виконання циклу експериментальних досліджень вперше отримано експериментальні дані по локальній тепловіддачі при випаровуванні плівки рідини, що стікає по горизонтальних трубах з поперечним оребренням. Досліди проводилися при температурі випару 40оС і постійній щільності теплового потоку 15 кВт/м2. Щільність зрошення рідиною теплообмінної поверхні змінювалася в діапазоні 0,08-0,27 кг/(мс). У роботі застосовувалося оребрення з мідного дроту. Діаметр дроту оребрення змінювався від 0,65 мм до 1,4 мм, а крок оребрення від 2 мм до 12 мм. Дослідження виконані для випадку випаровування води і для випадку випаровування розчинів рідин з різним законом зміни поверхневого натягу при зміні концентрації розчину: розчин NaCl має додатне значення відношення градієнту поверхневого натягу до градієнту концентрації, а розчин етиленгліколю має від’ємне значення відношення градієнту поверхневого натягу до градієнту концентрації.
На основі аналізу отриманих експериментальних даних і розрахованих середніх коефіцієнтів тепловіддачі вивчено механізм теплообміну при плині плівки рідини по зовнішній поверхні горизонтальних труб, профільованих поперечними ребрами. Доведено, що основними факторами, що впливають на процес тепловіддачі, є: 1) наростання теплового прикордонного шару по всій довжині пробігу плівки по трубі; 2) зменшення товщини плівки рідини на ребрах і в центрі між ними під дією капілярних сил поверхневого натягу; 3) наявність конвективних, поперечних течії плівки рідини, потоків, викликаних різницею місцевих концентрацій при випаровуванні розчинів рідин; 4) збільшення поверхні теплообміну.
В результаті узагальнення експериментальних даних отримано в критеріальній формі емпіричну залежність, що відображає характер зміни тепловіддачі на початковій тепловій ділянці в діапазоні зміни числа РейнольдсаRedвід 120 до 410 і числа ПрандтляPrвід 4,36 до 7,65. Результати розрахунку сходяться з експериментальними даними з похибкою узагальнення ±20% і дозволяють зробити висновок, що по всій довжині плину плівки рідини відбувається розвиток теплового прикордонного шару.
На базі узагальнення експериментальних даних і аналізу даних по середній тепловіддачі отримано залежність для розрахунку середньої тепловіддачі від стінки труби до плівки рідини при випаровуванні плівки рідини з зовнішньої поверхні горизонтальних труб з поперечними ребрами, що враховує режимні параметри плину плівки рідини і конструктивних параметрів оребрення. Залежність отримана для діапазону зміни числа РейнольдсаRedвід 120 до 410, числа ПрандтляPrвід 4,36 до 7,65 і числа ВебераWeвід 0,012 до 8,9.
Виявлено, що при застосуванні поперечного оребрення горизонтальних труб досягається ступінь інтенсифікації тепловіддачі від стінки труби до плівки рідини в 1,4-2,1 рази, за рахунок чого зменшується металоємність, габаритні розміри і вартість устаткування на 20-30%.
Результати дисертаційної роботи використовуються в НВО Экохим” (м. Єкатеринбург, Росія) при проектуванні дистиляційних установок для систем водопідготовки ТЕЦ, на ВАТ СМ Таврія” (м. Севастополь, Україна) при проектуванні суднових термоопріснювальних установок. Запропонований метод удосконалення випарників соків буде використаний при проектуванні і будівництві нової лінії виробництва концентратів із соків на СП ВІТМАРК-УКРАЇНА” (м. Одеса, Україна).