Інтенсифікація при кипінні

Міністерство освіти і науки, молоді та спорту України

Національний університет  харчових технологій

 

 

 

Кафедра теплоенергетики 

та холодильної  техніки

 

 

 

 

 

 

Реферат

 

на тему:

“ Інтенсифікація при кипінні”

 

 

 

 

 

 

 

Виконав:

Ст. ТЕ-5-М

  Бондаренко В.М.

 

                                           Перевірив:

  Петренко В.П.

 

 

                                                                    

                                                                                                                                       

 

Київ-2011

Зміст

Интенсификаторы теплообмена макро- и микромасштаба при кипении. Колебания поверхности раздела фаз. Влияние пористых покрытий на теплоотдачу при кипении Влияние пористого покрытия на теплогидравлические характеристики при кипении в трубе Пузырьковое кипение. Колебания парового пузыря при его росте на стенке Список литературы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Интенсификаторы теплообмена макро- и микромасштаба при кипении

На теплоотдачу при кипении оказывают влияние характеристики поверхности (шероховатость, смачиваемость жидкостью, теплофизические свойства стенки и жидкости, пористые покрытия, рельеф), состояние теплопередающей среды (кипение в условиях свободной и вынужденной конвекции), закрутка жидкости, электрическое поле.

Влияние шероховатости поверхности

q, Вт/м²

5 20 100 AT, К

Рис, 1,43. Кривая кипения хладона-113 в большом объеме при атмосферном давлении: 1 — поверхность, обработанная крупной наждачной шкуркой; 2 — поверхность, обработанная мелкой наждачной шкуркой

С ростом шероховатости стенки до определенного предела наблюдается увеличение теплоотдачи. Как показано на рис. 1.43 [1.1.8], для поверхности, обработанной грубой наждачной шкуркой, кривая пузырькового кипения хладона-113 при атмосферном давлении сдвигается влево (кривая 1) по сравнению с поверхностью, обработанной мелкой наждачной шкуркой (кривая 2). Для активизации центров парообразования в крупных порах требуется меньший температурный напор, чем в мелких порах.

Влияние резервуарных впадин на поверхности

На рис. 1.44 представлены известные данные по влиянию на теплоотдачу при кипении искусственных впадин резервуарного типа. Как установлено, для поверхности с впадинами резервуарного типа уменьшается ∆Tнк, повышаются теплоотдача и устойчивость кипения.

На рис. 1.45 показаны положения границы раздела фаз при образовании парового пузыря в резервуарной впадине. Внутри резервуарной впадины радиус кривизны границы раздела фаз отрицательный (R<0) и капиллярное давление компенсирует давление жидкости. В этом случае давление в паре может быть меньше давления в жидкости, и пар может существовать во впадине при температуре, меньшей температуры насыщения. При повышении тепловой нагрузки температура стенки растет, увеличиваются температура пара, его объем, граница раздела фаз перемещается вверх. Чтобы пузырек пара вышел из впадины, должно быть Тc > Тs .

Влияние пористых покрытий на теплоотдачу при кипении

Исследование кипения на поверхности с резервуарными впадинами предшествовало разработке чрезвычайно эффективного метода интенсификации теплоотдачи с помощью пористого покрытия.

В 1970 г. инженер В. Мартин (фирма «Линде», ФРГ) предложил способ интенсификации теплоотдачи при кипении — нанесение спеканием на поверхность нагрева покрытий, который оказался очень эффективным. В этом случае резко уменьшается температурный напор начала кипения (до 1 К) и повышается коэффициент теплоотдачи (до 10 раз). Это было объяснено возникновением большого количества пор, различных по форме и размерам, что привело к резкому увеличению плотности активных центров парообразования. После этого были разработаны самые различные технологии изготовления пористых покрытий и проведено большое количество исследований.

На рис. 1.46, 1.47 приведены фотографии шлифов спеченного покрытия, изготовленного по технологии, предложенной в работе [1.1.80]. Видно, что частицы покрытия практически не деформированы. Распределение пор по размерам (рис. 1.48) таково, что имеются мелкие поры, по которым подтекает жидкость, и крупные поры, по которым выходит пар [1.1.81].

Рис. 1.47. Поверхности с пористым покрытием: а — инконель-600; б —  сталь (увеличение в 100 раз)

 

Рассмотрим закономерности      влияния пористых покрытий на теплоотдачу при кипении.

На рис. 1.49 приведены зависимости  q (ΔT) при кипении фреона-22 (Ts = 283 К) для трубы без покрытия, с оребрением и различными покрытиями: напыленным покрытием из нержавеющей стали (пористость 40%), спеченным покрытием из нержавеющей стали (пористость 50%), напыленным покрытием из бронзового порошка [1.1.82]. Наибольшая интенсификация теплообмена достигнута в случае бронзового напыленного покрытия, и превышение коэффициента теплоотдачи по сравнению с поверхностью без покрытия составляет около 10 раз.

Классификация пористых покрытий

В работе [1.1.83] предложена классификация пористых покрытий при кипении. Классификация распространена на покрытия, элементы которых контактируют между собой и с поверхностью, на которую они нанесены, и имеют характерный внутренний размер l , соизмеримый с радиусом критического зародыша при парообразовании в названной системе.

В качестве основных параметров выбрана величина, равная отношению характерного внутреннего размера слоя (например, диаметр поры /l/) к внешнему характерному размеру /L/ (толщина слоя) L* = l /L, и эффективная пористость ε_эф. Последняя характеризует степень искривления и деформации пор, наличие замкнутых пустот. Beличина эффективной пористости определяется из выражения

(1.1.32)

 

где є_э.с — пористость эталонного слоя, полученного без объемной усадки и имеющего такие же характерные внутренний и внешний размеры, как исследуемое покрытие; ΔΡ_эф, ΔP_э.с — падение давления при течении жидкости с одинаковым расходом через исследуемый и эталонный пористые слои.

Согласно классификации, пористые покрытия разделены на одно- и двухпараметрические. Механизм переноса теплоты при кипении на поверхностях с однопараметрическими покрытиями (L* ≤ 1) принципиально такой же, как и на поверхности без покрытия. Особенности обусловлены специфичностью формы и распределения по размерам готовых центров парообразования и термическим сопротивлением покрытия.

Если форма впадин покрытия близка к резервуарной и распределение способных к активизации впадин охватывает узкий диапазон размеров, то зарождение и развитие кипений происходит следующим образом. Сначала в узком интервале перегревов стенки происходит резкая активизация центров парообразования и коэффициент теплоотдачи резко возрастает, а затем с увеличением температурного напора плотность центров слабо увеличивается и коэффициент теплоотдачи практически остается постоянным. Для этого типа пористых покрытий обнаружены значительные эффекты по теплоотдаче.

Двухпараметрические покрытия (l/L « 1) в зависимости от эффективной пористости могут быть непроницаемыми, полупроницаемыми и проницаемыми. Отвод теплоты от стенки с проницаемым и полупроницаемым покрытиями осуществляется теплопроводностью через пленку жидкости в основании покрытия с последующим испарением и уносом образующегося пара через покрытие, а также теплопроводностью через каркас пористой структуры.

В случае двухпараметрических пористых покрытий обнаружено явление гистерезиса кривой кипения, исследованное детально С.А. Ковалевым и С.Л. Соловьевым [1.1.84] и С.П. Малышенко [1.1.85]. При значительной толщине покрытия растет сопротивление выходу пара и возникает внутрислойный кризис теплообмена. Теплоотдача может быть ниже, чем для поверхности без покрытия.

Рассмотрим закономерности влияния однопараметрического пористого покрытия с высоким коэффициентом теплопроводности и относительно небольшой толщины. Это реализуется в случае кипения воды на медной пластине с медным пористым покрытием при атмосферном давлении.

Пористое покрытие нанесено методом порошковой металлургии. Диаметр частиц порошка меди l = 0,06 — 0,10 мм. Толщина пористого слоя L = 0,4 мм. Пористость покрытия составляет примерно 55%. Плотность вероятности распределения пор имеет форму, близкую к прямоугольной, и OX- ватывает узкий диапазон размеров. На рис. 1.50 представлены кривые кипения для поверхности с пористым покрытием и без покрытия. Данные по теплоотдаче с покрытием отнесены к температуре границы раздела покрытия и поверхности, на которую нанесено покрытие.

Для поверхности с высокотеплопроводным пористым покрытием установлены следующие закономерности:

• кипение начинается при температурном напоре менее 1ºС;
• кривая кипения имеет две характерные области: в первой из них наблюдается резкий рост теплового потока, что соответствует скачкообразной активизации центров парообразования, во второй - коэффициент теплоотдачи примерно постоянный. Таким образом, опытные данные подтверждают предполагаемое поведение коэффициента теплоотдачи в зависимости от перегрева стенки;
• коэффициент теплоотдачи для поверхности с пористым покрытием значительно больше (в области малых тепловых нагрузок до 10 раз), чем для поверхности без покрытия. С ростом ΔT влияние пористого покрытия на теплоотдачу ослабевает, хотя остается заметным;
• положение кривой кипения не изменилось в течение 500 ч;
• согласно визуальным наблюдениям при низких температурных напорах образуется большое количество паровых пузырей небольшого диаметра, отрывающихся с большей частотой, по сравнению с кипением воды на поверхности без покрытия. Отрывной диаметр паровых пузырей с ростом перегрева стенки увеличивается.

 Проблема заноса пористых покрытий

С течением времени может происходить  занос пористых покрытий вследствие образования отложений и уменьшение коэффициента теплоотдачи. Этот процесс проявляется в меньшей мере при кипении криогенных жидкостей и в большей мере при кипении воды и хладонов. Ряд особенностей кипения на поверхности с пористым покрытием приводит к уменьшению интенсивности образования отложений. К ним относятся понижение температурных напоров, при которых происходит парообразование, уменьшение отрывных диаметров и рост частоты отрыва паровых пузырей.

Проявление этих особенностей приводит к самоочистке пористых покрытий при кипении. В настоящее время известны данные ресурсных испытаний, которые свидетельствуют о стабильности эффекта интенсификации теплоотдачи со временем.

Кипение на поверхности с микрорельефом

В работе [1.1.86] на основе анализа факторов, влияющих на теплоотдачу при кипении, предложена поверхность для получения высокой теплоотдачи.

На рис. 1.51 представлена микрофотография  поверхности со столбчатым рельефом. Данный рельеф был получен с помощью  электроосаждения металла на поверхности.

Рис. 1.51. Микрофотография поверхности с микростолбчатым рельефом

 

Характеристики кипения на горизонтальной трубке с предложенной поверхностью при кипении в большом объеме показаны на рис. 1.52 [1.1.86]. Кривые кипения получены для различных участков трубки. В верхней части трубки перегрев стенки практически не зависит от теплового потока. Снижение перегрева стенки с ростом теплового потока объясняется протыканием пузыря элементами теплоотдающей поверхности. Как установлено, для гладкой трубы происходит рост перегрева стенки с ростом теплового потока, перегрев структурированной поверхности наоборот остается почти постоянным в области развитого кипения вследствие того,

что растущий пузырь взаимодействует  с несколькими элементами микростолбчатой поверхности.

 

 

2.   КОЛЕБАНИЯ ПОВЕРХНОСТИ РАЗДЕЛА ФАЗ

Существующие зависимости для  расчета теплоотдачи при пленочном  кипении на горизонтальном цилиндре [1.3.1; 1.3.2] получены в предположении, что тепло передается теплопроводностью через пленку пара, толщина которой во времени не меняется. Однако это допущение не соответствует имеющимся данным.

Методика лазерного зондирования процесса кипения

Впервые колебания границы раздела  фаз при пленочном кипении  фреона-113 на горизонтальном цилиндре в окрестности нижней образующей были

зафиксированы в  работе [1.3.3]. Согласно разработанной в ней методике (рис. 1.89), пучок лазерного излучения направляется близ горизонтальной трубки, которая нагревается за счет пропускания через неё переменного электрического тока. Перемещение трубки в горизонтальном и вертикальном направлениях осуществлялось с помощью микрометрического устройства. После прохождения пучка излучения вблизи рабочего участка, на котором устанавливается пленочное или пузырьковое кипение, его интенсивность изменялась, что фиксировалось с помощью фотоприемника.

Пленочное кипение. Толщина паровой пленки

На рис. 1.90 представлено изменение  толщины паровой пленки при пленочном  кипении фреона-113 в большем объеме при атмосферном давлении на горизонтальном цилиндре в окрестности нижней образующей [1.3.4]. Как установлено, колебания толщины паровой пленки в окрестности нижней образующей цилиндра при пленочном кипении жидкости представляют собой случайный гауссовский процесс.