.

Вплив зовнішніх дій на теплообмін при розвинутому пузирчастому кипінні рідини у великому об’ємі: Автореф. дис… канд. техн. наук / Нгуен дик Тоан, НА

Язык: украинский
Формат: реферат
Тип документа: Word Doc
0 2319
Скачать документ

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ
Інститут проблем машинобудування
ім. А.М.Підгорного

Нгуен дик Тоан

УДК 536.24

ВПЛИВ ЗОВНІШНІХ ДІЙ НА ТЕПЛООБМІН ПРИ РОЗВИНУТОМУ ПУЗИРЧАСТОМУ КИПІННІ РІДИНИ У ВЕЛИКОМУ ОБ’ЄМІ

05.14.04 – промислова теплоенергетика

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук

Харків –1999

Дисертацією є рукопис.

Роботу виконано на кафедрі теплотехніки у Харківському державному політехнічному університеті, Міністерство освіти України.

Науковий керівник – доктор технічних наук, професор
Братута Едуард Георгійович,
професор кафедри теплотехніки
Харківського державного політехнічного університету

Офіційні опоненти – доктор технічних наук
Перцев Леонід Петрович,
головний спеціаліст Українського
науково-дослідного інституту хімічного
машинобудування; кандидат технічний наук
Цейтлін Михайло Абрамович,
професор кафедри хімічної техніки
та промислової екології Харківського державного політехнічного університету.

Провідна організація – Київський національний політехнічний
університет України (“КПІ”), кафедра АЕС та інженерної
теплофізики.

Захист відбудеться 21 травня 1999 р. в 14-00 годин на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.180.02 в Інституті проблем машинобудування НАН України за адресою: 310046, м. Харків, вул. Пожарського, 2/10.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Інституту проблем машинобудування.

Автореферат розісланий 21 квітня 1999 р.

Вчений секретар
Спеціалізованої ради
кандидат техн. наук Ковальський А.Е
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Кипіння, як процес фазового перетворювання, супроводжується інтенсивним тепломасопереносом і з’являється для багатьох галузей промисловості основним технологічним процесом. До кола об’єктів, в яких теплообмін при кипінні є визначальним, стосуються парогенеруючі установки на ТЕС та АЕС, апарати для випарювання розчинів та розділення рідких сумішів у дистиляційних, ректифікаційних та оприснюючих установках. Завдяки високій інтенсивності тепловідводу процес кипіння широко використовується в системах термостабілізації (МГД-системи, надпровідникові магнітні та електричні пристрої, системи охолодження обчислювальної та астронавігаційної техніки), а також в системах теплового захисту високонапружених в термічному відношенні елементів конструкцій.
Як відомо, однією з розповсюджених форм теплообміну при фазовому переході є теплообмін при розвинутому пузирчастому кипінні у великому об’ємі. Аналіз стану проблеми, стосовно позначеної форми теплообміну, виявив, що не дивлячись на велику кількість робіт, опублікованих вітчизняними та закордонними авторами, в певних аспектах цієї проблеми результати виявилися дуже обмеженими, а підсумкові висновки часто мають суперечний характер. До кола таких проблем відносяться питання впливу на теплообмін орієнтації парогенеруючої поверхні у просторі, її теплофізичних характеристик та впливу зовнішніх вібраційних сил. Вирішенню цих конкретних питань і присвячено цю роботу.
Актуальність теми полягає в тому, що рішення відзначених трьох задач, по-перше, повинно поширити існуючі наукові уявлення про теплообмін при кипінні, а по-друге, у необхідності створити відповідну розрахункову базу для проектування теплотехнологічного обладнання з урахуванням позначених трьох видів впливу на теплообмін.
Зв’язок роботи з науковими програмами, темами.
Робота є ініціативною, була виконана як під час стажировки у Рижському політехнічному інституті, так і в межах аспірантури при кафедрі теплотехніки Харківського державного політехнічного університету.
Мета роботи полягає в установленні узагальненої залежності інтенсивності теплообміну при розвинутому пузирчастому кипінні у великому об’ємі від комплексної дії орієнтації поверхні нагріву у просторі, її теплофізичних характеристик та зовнішнього впливу вібрації при різних густинах теплового потоку.
Задачі дослідження, які обумовлені метою роботи:
 розробка методики проведення експерименту та створення експериментальної установки, технічні характеристики якої дозволяли б реалізувати програму експерименту при мінімальних погрішностях;
 проведення комплексних експериментальних досліджень впливу на коефіцієнт теплообміну орієнтації поверхні, її теплофізичних характеристик та зовнішніх вібрацій;
 розробка методики узагальнення результатів експерименту та формування основних розрахункових співвідношень для коефіцієнту теплообміну в функції взаємозв’язаного впливу факторів.
Наукову новизну становлять наступні результати:
 вперше для поверхні нагріву промислових розмірів встановлено напівемпіричну залежність коефіцієнту теплообміну від орієнтації поверхні;
 на підставі експерименту встановлено узагальнений зв’язок коефіцієнту теплообміну з теплофізичними характеристиками матеріалу поверхні теплообміну;
 дослідним шляхом встановлено залежність коефіцієнта теплообміну від зовнішньої вібрації з завданими частотно-амплітудними характеристиками;
 встановлено узагальнену залежність інтенсивності теплообміну від комплексного впливу орієнтації поверхні, її теплофізичних характеристик та зовнішньої вібрації при різній густині теплового потоку.
Практичне значення одержаних результатів полягає в запропонованому автором узагальненому рівнянні для коефіцієнту теплообміну при розвинутому пузирчастому кипінні, яке дозволяє забезпечити розрахункову базу для проектування теплообмінних апаратів різного технологічного призначення з урахуванням орієнтації поверхні у просторі, її теплофізичних характеристик та зовнішніх вібрацій, які з’являються під час експлуатації обладнання.
Впровадження роботи здійснено:
 в АО “УКРНДІХІММАШ” при проектуванні та створенні установки для отримання каустика (Акт від 30.06 98 р.)
 в учбовому процесі кафедри теплотехніки ХДПУ при читанні лекцій студентам за фахом 7.090.510 – теплоенергетика (Довідка від 23.06.98 р.).
Особистий внесок автора полягає в:
 розробці методики експерименту та експериментальної установки 1;
 проведенні усього комплексу експериментальних робіт 1-3, 5;
 визначенні основної форми узагальнення результатів експерименту та реалізації конкретних узагальнюючих залежностей для коефіцієнту теплообміну від впливу зовнішніх дій 2, 3, 5.
Апробація результатів роботи. Основні результати роботи доповідалися на:
 Міжнародній конференції “Наука і освіта” Академії наук вищої школи України, Київ, 1997 р.
 Международной научно-технической конференции “Совершенствование турбоустановок методами математического и физического моделирования”, НАН Украины, Харьков, 1997 г.
 IV Международной научно-технической конференции “Информационные технологии: наука, техника, технология, образование, здоровье”, Министерство образования Украины, Харьков, 1998 г.
Публікації. Основні результати роботи опубліковані у 6 статтях.
Структура та об’єм дисертації. Дисертація викладена на 128 сторінках друкованого тексту, проілюстрована на 40 малюнках та 4-х таблицях і містить вступ, чотири розділи, висновки, список використаних джерел, який становить 171 найменування, додатки. Усього 158 сторінок.

ОСНОВНІЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтовано актуальність роботи і сформульовані основна мета та задачі дослідження, наукова новизна та практичне значення одержаних результатів.
В першому розділі проводиться огляд та аналіз сучасного стану проблеми теплообміну при кипінні і формулюються основні задачі дослідження в дисертації.
На підставі розгляду фундаментальних досліджень таких відомих вчених в галузі процесу кипіння, як В.І.Толубинський, С.С.Кутателадзе, Е.І.Несіс, Д.О.Лабунцов, В.Ф.Прісняков, Л.Тонг, Ю.А.Кіріченко, Л.С.Стерман, І.Н.Іл’їн та інші, в огляді приводиться аналіз основних аспектів цього достатньо складного процесу.
Це, по-перше, кінетика пароутворення, як основна стадія фазного переходу, визначающа інтенсивність теплообміну і яка дозволяє формувати відповідні уявлення щодо природи впливу різноманітних факторів.
По-друге, це огляд основних фізичних моделей переносу теплоти при розвинутому пузирчастому кипінні рідини у великому об’ємі, як базової інформації, яка дозволяє прийняти відповідне рішення при обробці та узагальненні експериментальних результатів.
По-третє, це розгляд і аналіз інформації про вплив внутрішніх та зовнішніх факторів на інтенсивність теплообміну при кипінні.
Та, по-четверте, огляд та аналіз методів узагальнення експериментальних досліджень теплообміну при пузирчастому кипінні.
Виконаний огляд науково-технічної інформації дозволив зробити такі основні висновки.
1. Дослідження, які стосуються впливу теплофізичних характеристик (ТФХ) матеріалу парогенеруючої поверхні на теплообмін малочисленні і відносяться, в основному, до питань кінетики фазового переходу. Співвідношення, в яких коефіцієнт теплообміну при пузирчастому кипіння визначався б з урахуванням впливу ТФХ, нами не виявлені.
2. Ще більш обмеженими, та в ряді випадків суперечними виявилися результати досліджень, щодо впливу на коефіцієнт теплообміну орієнтації поверхні нагріву в просторі. Окрім деяких результатів стосовно збільшення критичної густини теплового потоку при нахилі поверхні та якісного аналізу поведінки пузирів пари на таких поверхнях, других свідчень про вплив цього фактору нами в доступних джерелах не знайдено.
3. Не дивлячись на те, що в останні роки ряд досліджень було присвячено впливу зовнішньої вібрації на процес кипіння, отримані результати, в основному, стосувалися експериментів з використанням так званої “електричної струни” в якості поверхні теплообміну. З урахуванням відповідної специфіки кипіння на такому об’єкті отримані при цьому результати не можливо використовувати для поверхні з реальними технічними розмірами.
4. При аналізі методів узагальнення експериментальних результатів встановлено, що більшість відомих критеріальних рівнянь містять штучно утворенні комплекси, які формуються з залученням внутрішніх характеристик процесу кипіння, що призводить до труднощів їх практичного використання.
Отримані в цьому розділі висновки дозволили сформувати основні задачі дослідження, які вирішуються в дисертації.
Другий розділ присвячений опису експериментальної установки та методиці проведення дослідів.
Безпосередньому опису експериментальної установки передує обгрунтування вибору методу дослідження, масштабу дослідної поверхні нагріву, методам нагріву поверхні та вимірюванню її температури.
Відповідно задачам дослідження було виготовлено три дослідні поверхні у вигляді трубних елементів з діаметром 22 мм та довжиною 215 мм, матеріалом яких була сталь 1Х18Н9Т, латунь ЛА67-2,7 та мідь М3.
Установка являє собою корпус прямокутного перерізу ємкістю 60 літрів, виготовлений з нержавіючої сталі, який заповнювався дистильованою водою. Для можливості візуального спостереження за процесом пароутворення у корпусі передбачені чотири ілюмінатори з термостійкого скла.
Дослідна поверхня нагріву розташовувалася у корпусі на спеціальному вузлі її кріплення та орієнтації у просторі, що дозволяло змінювати кут її нахилу до горизонту від 0 до 90 град. з фіксованим інтервалом через кожні 15 град.
Для забезпечення необхідної густини теплового потоку у внутрішній порожнині дослідної поверхні розташовувалися основний електричний омічний нагрівник, та два компенсаційні нагрівника по обидві сторони основного.
Завдяки складеній конструкції дослідної поверхні, три частини котрій поєднувалися на різьбових з’єднаннях, можливо було приварити спаї мідь-константанових термопар в торцьових тупикових свердловинах на достатньо точно виміряної відстані від зовнішньої поверхні. Усього було встановлено 8 спірально розташованих термопар із зміщенням одна від одної на 45 град. по колу поверхні.
Крім того, установка обладнана електровібратором, зв’язаним з дослідною поверхнею, конденсатором пари та трубчастим електричним нагрівником, в нижній частині корпусу, за допомогою котрого забезпечувався форсирований вихід на режим та підтримка розвинутого кипіння води.
Електрична потужність нагрівника дослідної поверхні вимірювалася з використанням потенціометричної схеми, яка забезпечувала підвищену точність. Живлення нагрівників здійснювалося від електромережі через стабілізатор напруги та автотрансформатор завдяки котрому була можливість встановлювати потрібну густину теплового потоку на дослідної поверхні. Схема вимірювання термо-ЕДС термопар включала перемикач, термостат холодних спаїв, універсальний цифровий вольтметр та цифродрукуючий прилад.
В процесі досліджень вивчався теплообмін при кипінні дистильованої води при атмосфернім тиску і густинах теплового потоку q від 3,5 до 24 кВт/м2. Вібраційні дії можливо було наносити з частотами від 0 до 50 Гц і амплітудами від 1 до 5 мм. При досягненні стаціонарного теплового режиму та визначеній густині теплового потоку q, температурі насичення пари tн та температурі поверхні tп коефіцієнт теплообміну розраховувався з відомого рівняння Н’ютона, а температура tп визначалася з рівняння теплопровідності циліндричної стінки, в якому середня температура металу tм на відомій відстані від поверхні отримувалася по показникам 8 термопар.
У зв’язку з відомим явищем “теплового гістерезису”, коли результати дослідів залежать від послідовності їх проведення (наприклад, перехід режимів від менших q до більших, або навпаки) вказана послідовність встановлювалася на підставі рандомізованого плану експерименту у відповідності до програми для ЕВМ (мова Visual Basic, додаток Microsoft Excel).
В заключній частині другого розділу проведена розрахункова оцінка похибок при визначенні коефіцієнтів теплообміну. Встановлено, що в залежності від густини теплового потоку максимально можлива відносна похибка становить від 16,82% (при мінімальних q) до 12,24 % при максимальних q, мавших місце в експерименті.
У третьому розділі наводяться результати експериментального дослідження. Проведенню усього комплексу експериментів передували тестові дослідження, метою яких було порівняння результатів автора з результатами, отриманими відомими фахівцями в галузі теплообміну при кипінні. Відповідно до цього в діапазоні густини теплового потоку від 3,5 до 24 кВт/м2 були отримані коефіцієнти теплообміну для дослідної поверхні з нержавіючої сталі при горизонтальному її розташування без зовнішньої вібрації.
Обробка всього масиву дослідних даних по класичному методу найменших квадратів (з припущенням, що густина теплового потоку q завдається точно, а усі похибки сконцентровано у визначені коефіцієнту теплообміну ) дозволила отримати залежність виду
, (1)
яка представлена на рис.1.
Величина  з (1) порівнювалася з коефіцієнтами теплообміну, отриманими з відомих формул (по М.А.Міхеєву), (цитованої В.П.Ісаченко) та з критеріальним рівнянням В.І.Толубинського, розгорнута форма якого має вид
.
В решті встановлено, що максимальне відхилення результатів автора не привищує 14 %, що з урахуванням залежності коефіцієнту теплообміну при кипінні від багатофакторних умов проведення експерименту слід признати задовільним.
Перший цикл експериментів був присвячений дослідженням впливу орієнтації поверхні нагріву в просторі на інтенсивність теплообміну. Для дослідних поверхонь нагріву, виготовлених з нержавіючої сталі, латуні та міді були отримані залежності коефіцієнтів теплообміну  від кута нахилу поверхні  до горизонту при різній густині теплового потоку. При цьому в якості первинних даних, отриманих при кожному фіксованому  в діапазоні від 0 до 90 град, були встановлені залежності (q). Це дозволило перестроїти їх у виді, відбитому, наприклад, для поверхні з нержавіючої сталі, на рис. 2.
Загальна оцінка цих результатів дозволила зробити такі висновки:
по-перше, при інших рівних умовах збільшення куту нахилу  призводить до збільшення коефіцієнта теплообміну;
по-друге, абсолютний приріст коефіцієнту теплообміну з ростом  тим більший, чім при більшій густині теплового потоку йде процес кипіння;
по-третє, найбільш помітна інтенсифікація теплообміну виявлена в діапазоні =45-75 град.
Фактично, перший цикл експериментів, проведений на дослідних поверхнях з нержавіючої сталі, латуні та міді дозволив отримати залежності коефіцієнта теплообміну від теплофізичних характеристик (ТФХ) матеріалу поверхні (при однаковій шорсткості цих поверхонь). Прикладом таких залежностей, побудованих на підставі первинних експериментів, є рис. 3.
Отримані в цієї частині дослідження результати дозволили зробити такі основні висновки: при інших рівних умовах дослідним поверхням з більшим коефіцієнтом теплопровідності відповідає більше значення коефіцієнту теплообміну; по ступеню кількісної відміни коефіцієнтів теплообміну. знайдених при однакових q й , вплив ТФХ не є достатньо інтенсивним. Так, наприклад,  для поверхні з міді та нержавіючої сталі відрізняється на 25 % при відміні коефіцієнтів теплопровідності у 25 разів.
ретій висновок полягає у тому, що для цих дослідних поверхонь, при усіх фіксованих  за допомогою програми обробки даних на ЕВМ в апроксимуючої формулі qn були встановлені величини показника ступеню n. При трьох дослідних поверхнях та семи величинах  (для кожної з поверхонь) розраховані 21 значення n, середньоарифметичне якого становило 0,6803, тобто практично збігалося з показником n у тестових експериментах. Таким чином, інтенсивність приросту коефіцієнта теплообміну при підвищенні густини теплового потоку практично не залежить не від орієнтації поверхні, не від ТФХ матеріалу поверхонь.
Третій цикл експериментів був присвячений досліду впливу зовнішньої вібрації. З простих фізичних уявлень очевидно, що вібраційні дії на поверхню, які здійснювалися у вертикальній площині, вносять гідродинамічні збудження у прикордонний шар. При цьому умови обтікання поверхні при її русі відносно киплячої рідини повинні змінюватися в залежності від орієнтації поверхні: від поперечного обтікання при =0 до повздовжнього обтікання при =90 град. Виходячи з цього, в методичному плані було прийняте рішення проводити досліди таким чином, щоб вплив зовнішньої вібрації досліджувати при різних кутах нахилу поверхні , з використанням усіх трьох дослідних поверхонь з різними ТФХ.
На рис. 4, в якості прикладу, наведені результати дослідів, отриманих для поверхні з нержавіючої сталі. Загальні висновки по цьому циклу експериментів зводяться до таких.
1. Вплив вібрації на інтенсивність теплообміну в суттєвій мірі залежить від густини теплового потоку q, орієнтації поверхні , та частоти коливань f. Вплив амплітуди коливань А на рівні А=1-2 мм практично не змінює  у всьому діапазоні частоти і лише виявляється при А3 мм; при цьому більшим А відповідають більші значення .
2. Із збільшенням густини теплового потоку і при будь-якому збігу , f і А вплив вібрації на рівень  зменшується до зневажливо малого впливу при q16-18 кВт/м2.
3. При q8 кВт/м2 вплив вібродії збільшується в міру підвищення кута нахилу поверхні .
4. Як видно з рис. 4, існує деякий діапазон частоти, при котрім збільшення  стає максимальним. Так, на приклад, при =90 град. у діапазоні 10f20 Гц збільшення  становить 30-40 %.
Розділ четвертий присвячено узагальненню результатів експерименту. В першому розділі роботи визначалося, що в практиці узагальнення результатів експерименту розповсюдження мають чотири підходи. Це, по-перше, узагальнення у формі критеріальних рівнянь, по-друге, – використання кореляційних рівнянь, отриманих на підставі методики планування експерименту, по-третє, – співвідношення, які сформовані в решті використання теорії розмірності та, по-четверте, емпіричні формули, в яких дається безпосередній зв’язок коефіцієнту теплообміну з густиною теплового потоку та тиском, при котрому здійснюється кипіння. Стосовно до процесу теплообміну при кипінні жоден з підходів не базується на якійсь фізичній моделі явища, а тому не має переваг.

Рис. 4
а – q=4 кВт/м2; b – q=8 кВт/м2; c – q=16 кВт/м2; d – 24 кВт/м2
••• – А=4 мм, ООО – А=3 мм

Маючи на увазі багатофакторний вплив зовнішніх дій, розглянутих в нашій роботі, було прийняте рішення при узагальненні результатів в якості основи використати класичну емпіричну формулу типу =Сqn, але в деякій модифікованої формі.
У зв’язку з цим було прийняте рішення розшукувати узагальнююче співвідношення для коефіцієнту теплообміну у вигляді
, (2)
де С0 – стала, яка не залежить від впливу зовнішніх дій;
С, Сw, Сf – функції, які відбивають вплив орієнтації поверхні, її ТФХ та зовнішніх вібродій, відповідно.
Функції С розшукується у вигляді
, (3)
де 0 та  – коефіцієнти теплообміну при нахилі поверхні на кут  і горизонтальному розташуванні поверхні відповідно.
На рис. 5 показано схему розрахункової моделі.
Тут циліндрична поверхня нагріву показана в горизонтальному і в деякому нахиленому положеннях. Приймається проста гіпотеза, що збільшення коефіцієнту теплообміну пов’язано з тим, що в міру збільшення кута нахилу  збільшується довжина траєкторії, вздовж котрих пузирі, що утворилися в нижній частині поверхні, при своєму спливанні та русі чинять збуджуючу дію на пузирі (у їх передвідривний період), що лежать на лінії їх руху. Так, при горизонтальному розташуванні поверхні довжина тра-єкторії збудження дорівнює чверті кола ОА, а при нахилі на кут  – це чверть довжини дуги еліпсу ОА.
Виходячи з такої фізичної моделі, було зроблено припущення, що велична С пропорційна відношенню відповідних траєкторій збудження, тобто СОА/ОА. В решті отримано, що
, (4)
де показник m1 визначається по результатам експериментальної залежності  від кута нахилу .
Обробка всього масиву даних для поверхонь з нержавіючої сталі, латуні та міді дозволила встановити, що, незалежно від густини теплового потоку та ТФХ поверхні, найкращі результати апроксимації досягаються при m1=0,17. При цьому максимальна похибка апроксимації не перебільшує 5 %.
У зв’язку з модельними уявленнями про можливість урахування впливу ТФХ поверхні нагріву, які прийняті в роботах В.І.Толубинського та В.Ф.Приснякова, нами було запропоновано розшукувати функцію у вигляді

, (5)
де С – комплекс, який отримав назву коефіцієнту теплозасвоєння; індекс w та f стосуються до матеріалу поверхні та рідини відповідно.
Обробка усього масиву дослідних даних, наведених у третьому розділі, дозволила отримати рівняння виду
. (6)
Як окремі випадки з (5) можливо одержати величини  для поверхонь з нержавіючої сталі, латуні та міді, які відповідно мають вид
; ; . (7)
Достовірність співвідношення (6) підтверджується рис.2, на якому суцільні лінії відповідають рівнянню (6).
В якості функції Сf було прийняте рішення визначити її у вигляді , де – коефіцієнт теплообміну, який відбиває комплексний вплив орієнтації поверхні, її ТФХ та густини теплового потоку; – коефіцієнт теплообміну, отриманий при завданій частоті f, амплітуді А та при тих , q і ТФХ, при яких було отримано .
Як видно з рис.4, відповідно з характером кривих, функція Сf повинна відбивати достатньо складний та взаємопов’язаний вплив чотирьох факторів: q, f, А та . Очевидно, що отримання апроксимаційного рівняння для Сf, справедливого в усьому діапазоні зміни q, f, А та  з забезпеченням однакової точності, як в зоні нехтувано малого впливу частоти, так і в зоні, де  сягає максимуму, не представляється можливим. Виходячи з цього, доцільним представилося провести узагальнення лише у той області частоти, де ефект вібродії виявився максимальним. З цією метою для усіх трьох дослідних поверхонь по графікам типу рис.4 при частоті f=15 Гц та А=4 мм були розраховані значення Сfi при відповідних q та . Далі, по трьом значенням Сfi для кожного із сполучень q та  визначалося середньоарифметичне Сf. Відповідно залежність Сf(q, ) показана на рис. 6. Характерно, що максимальне відхилення Сfi від Сf не перевищувало 4 %. Аналіз результатів та характер кривих на рис. 5 дозволили визначити Сf у виді
, (8)
де k=1,6+0.6; n=0,075+1,3310-3.
Формула (8) справедлива у діапазоні 10f20 Гц; 0А4 мм; 090 град; 4,0q24 кВт/м2. При цьому максимальна похибка апроксимації не перевершує 8 %.
На підставі отриманих результатів та, використовуючи загальне рівняння (2) та формули (4), (5) та (8), з урахуванням ступеню взаємопов’язаного впливу факторів, стало можливо отримати комплексне рівняння для коефіцієнту теплообміну, яке відбиває вплив густини теплового потоку, орієнтації поверхні, її ТФХ та вібрації (при тих частотах, коли вплив її максимальний).
Це рівняння має вид

.(9)
У зв’язку з відомою стійкістю показника n=0,68 при густині теплового потоку треба вважати, що рівняння (9) можливо використовувати і при q, яке на 30-40 % може відрізнятися від його меншого (3,6 кВт/м2) та більшого
(24 кВт/м2) рівнів, реалізованих в роботі.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ ТА ВИСНОВКИ

1. Огляд науково-технічних джерел відносно теплообміну при розвинутому пузирчастому кипінні дозволив констатувати, що по таким аспектам, як вплив орієнтації поверхні в просторі, її теплофізичних характеристик та зовнішньої вібрації наявна інформація дуже обмежена і часто носить суперечний характер.
2. При дослідженні впливу орієнтації поверхні на інтенсивність теплообміну у дисертації отримано такі результати:
 збільшення нахилу поверхні від 0 до 90 град. призводить до підвищення коефіцієнту теплообміну на 25 % незалежно від рівня густини теплового потоку;
 в роботі запропоновано фізичну модель впливу орієнтації поверхні та на її підставі отримано узагальнююче співвідношення для коефіцієнту теплообміну, адекватно відбираюче данні експерименту в діапазоні зміни густини теплового потоку від 4,0 до 24 кВт/м2.
3. Експериментальними дослідженнями впливу теплофізичних характеристик (ТФХ) на інтенсивність теплообміну у широкому діапазоні зміни коефіцієнту теплозасвоєння від 9,63107 до 1,39109 Дж2/(см4К2) встановлено:
 при будь-якому куті нахилу поверхні і в усьому діапазоні рівня густини теплового потоку, реалізованому в експерименті, більшим коефіцієнтам теплозасвоєння відповідають більші значення коефіцієнту теплообміну;
 відповідною обробкою результатів експерименту встановлено узагальнююче емпіричне рівняння для визначення коефіцієнту теплообміну в функції впливу ТФХ і густини теплового потоку, яке з похибкою не більш 8 % апроксимує експериментальні данні.
4. При дослідженні впливу зовнішньої вібрації на умові теплообміну встановлено:
 ступінь впливу вібрації при завданих частоті f і амплітуді А в суттєвій мірі залежить від густини теплового потоку і кута нахилу поверхні : в залежності від злуки цих факторів вібрація може призвести як до збільшення, так і до зменшення коефіцієнту теплообміну ;
 з підвищенням густини теплового потоку при будь-якому злучені параметрів , f та А вплив вібрації на рівень коефіцієнта теплообміну зменшується, аж до нехтувано малого впливу при q>(16-18) кВт/м2;
 при низьких густинах теплового потоку (до q8 кВт/м2) вплив вібрації збільшується при збільшенні кута нахилу поверхні ; наприклад, при =90 град в діапазоні f =10-20 Гц та q=4 кВт/м2 збільшення  становить до 30-40 %.
5. В роботі отримано узагальнене співвідношення, яке дозволяє комплексно визначити коефіцієнт теплообміну з урахуванням орієнтації поверхні, її ТФХ, зовнішньої вібрації та густини теплового потоку. Співвідношення справедливе в діапазоні 3,5q24,0 кВт/м2, 090 град, коефіцієнті теплозасвоєння від 9,63107 до 1,39109 Дж2/(см4К2) та частотах 10f20 Гц (коли при q8 кВт/м2 вплив вібрації на  можливо визначити як суттєвий).
6. Достовірність отриманих результатів роботи підтверджуються докладними тестовими експериментами, які виявили, що максимальне відхилення результатів автора від відомих співвідношень для коефіцієнту теплообміну (при відсутності впливу орієнтації поверхні у просторі та вібрації) становить не більш 14 %, що для процесу теплообміну при кипінні треба визначити задовільним.
7. Результати проведеного дослідження, узагальнені у виді єдиного рівняння для коефіцієнту теплообміну, забезпечують раніш відсутню розрахункову базу для проектування теплообмінної апаратури з урахуванням впливу орієнтації поверхні нагріву, її ТФХ та зовнішньої вібрації.

ОСНОВНІ ПУБЛІКАЦІЇ ПО ТЕМІ ДИСЕРТАЦІЇ:

1 Ильин И.Н., Нгуен дык Тоан, Тышкевич А.Р. Кипение на вибрирующей цилиндрической поверхности нагрева // Кипение и конденсация. – Рига. – 1991. – С. 120-123.
2 Братута Э.Г., Нгуен дык Тоан. Влияние вибрации на теплообмен при кипении // Сб. научн. трудов ИПМАШ НАН Украины. – Харьков. – 1997. – С.290-294.
3 Братута Э.Г., Нгуен дык Тоан. Вплив орієнтації поверхні нагрівника на теплообмін при кипінні // Збірник наукових праць Академії наук вищої школи України. – Київ. – 1997. – С. 89-92.
4 Нгуен дык Тоан. Зависимость коэффициента теплоотдачи при кипении от материала поверхности и ее ориентации в пространстве // Сб. научн. трудов Харьк. гос. политехн. ун–та. – Вып. 6. – Часть 2. – 1998. – С. 434–437.
5 Братута Э.Г., Нгуен дык Тоан. Совместное влияние ориентации поверхности и внешних вибровоздействий на теплообмен при развитом пузырьковом кипении // Вестник Харьк. госуд. политехн. ун-та. – Вып. 16. – 1998. – С. 90-92.
6 Нгуен дык Тоан. Обобщенная зависимости для коэффициента теплообмена при развитом пузырьковом кипении жидкости, учитывающая угол наклона поверхности к горизонту // Вестник Харьк. госуд политехн. ун-та. – Вып. 29. – 1999. – С. 87-90.

АНОТАЦІЇ

Нгуєн дик Тоан. Вплив зовнішніх дій на теплообмін при розвинутому пузирчастому кипінні рідини у великому об’ємі. – Рукопис.
Дисертація за здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.14.04 – промислова теплоенергетика. – Інститут проблем машинобудування НАН України, Харків, 1999.
Дисертація присвячена питанням розробки розрахункової бази для проектування парогенеруючих поверхонь з урахуванням орієнтації поверхні в просторі, її теплофізичних характеристик та впливу зовнішньої вібрації. В дисертації на підставі експериментальних досліджень при різній густині теплового потоку одержані кількісні залежності коефіцієнту теплообміну від кута нахилу поверхні до горизонту, коефіцієнтів теплозасвоєння її матеріалу та частоти і амплітуди зовнішньої вібрації. Запропоновано узагальнююче співвідношення, яке дозволяє вести розрахунки теплообміну з урахуванням зазначених факторів. Основні результати праці знайшли промислове впровадження при проектуванні нових типів установок для отримання плавленого каустика.
Ключові слова: експеримент, теплообмін, кипіння, орієнтація поверхні, теплофізичні характеристики поверхні, вібродії, узагальнення.

Nguen dyk Toan. The external influences on the heat exchange during developed bubble boiling of fluid in a large volume. – Manuscript.
Thesis of Phi. D. in technical sciences on the specialty 05.14.04 – industrial power engineering. Institute for Problems in Machinery of the National Academy of Sciences of Ukraine. Kharkov, 1999.
The problems of working up the calculation basis for steam generating surfaces considering the surface orientation, surface heat-physical characteristics and external vibration have been described in the thesis. Heat exchange coefficient quantitative dependence on surface slope angle, surface material heat assimilation coefficient, external vibration frequency and amplitude has been found on the basis of experimental investigation with different heat flux density. General correlation, which allows carrying out the calculations of heat exchange considering the factors mentioned above, has been proposed. The main results have been used for industrial design of the melting caustic new type installation.
Key words: experiment, heat exchange, boiling, surface orientation, heat-physic characteristics, vibration influence, correlation.

Нгуен дык Тоан. Влияние внешних воздействий на теплообмен при развитом пузырьковом кипении жидкости в большом объеме. – Рукопись.
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.14.04 – промышленная теплоэнергетика. – Институт проблем машиностроения НАН Украины, Харьков, 1999.
Диссертация посвящена вопросам разработки расчетной базы для проектирования парогенерирующих поверхностей с учетом ориентации поверхности в пространстве, ее теплофизических характеристик (ТФХ) и влияния внешней вибрации.
На основе обзора фундаментальных экспериментально-теоретических исследований процесса теплообмена при развитом пузырьковом кипении жидкости в большом объеме проанализированы основные физические модели теплопереноса, влияние внутренних и внешних факторов, возможные способы обобщенного представления результатов эксперимента. Изложены критические замечания автора о недостаточной представительности экспериментов, выполненных с использованием поверхностей, не характерных для тепло- и массообменных аппаратов (“электрическая струна”), а также замечания о физической и теоретической необоснованности предлагаемых критериальных зависимостей, обобщающих результаты опытов.
Разработанная и созданная экспериментальная установка и методика проведения опытов позволили проводить комплексные исследования условий теплообмена при изменении ориентации трубной поверхности нагрева промышленных габаритов в диапазоне углов наклона к горизонту от 0 до 90 град. с интервалом в 15 град., изготовленных из нержавеющей стали, латуни и меди при возможности реализации внешних вибровоздействий в диапазоне частот от 0 до 50 Гц, амплитуд колебаний от 0 до 5 мм и плотностях теплового потока от 3,5 до 24 кВт/м2. Все опыты выполнялись при кипении дистиллированной воды при относительных погрешностей в определении коэффициента теплоотдачи показало, что они не превышают 16,8%, т.е. находятся в согласии с известными оценками других авторов.
Непосредственному проведению основных опытов предшествовали тестовые эксперименты с использованием трубного элемента из нержавеющей стали в условиях отсутствия внешних вибровоздействий при горизонтальном его положении. Полученное при этом эмпирическое уравнение, связывающее коэффициент теплоотдачи с плотностью теплового потока вполне удовлетворительно согласуются с известными формулами.
Основные эксперименты были организованы таким образом, что для каждой поверхности (из нержавеющей стали, меди и латуни) в указанных диапазонах плотности теплового потока, углов наклона и частотно-амплитудных характеристик коэффициенты теплообмена определялись в условиях внешних вибровоздействий при различной ориентации поверхности, что позволило обнаружить как частные, так и взаимосвязанные влияния всех четырех факторов (включая ТФХ материала поверхности) на условия теплообмена.
Так как последовательность изменения в эксперименте уровня влияющих факторов могла оказывать самостоятельное влияние в связи с эффектом теплового гистерезиса, то указанная последовательность устанавливалась на основе рандомизированного плана.
При исследовании влияния ориентации поверхности установлено, что при прочих равных условиях увеличение ее наклона к горизонту от 0 до 90 градусов приводит к повышению коэффициента теплоотдачи на 25%.
Экспериментальными исследованиями влияния ТФХ поверхности на интенсивность теплообмена в широком диапазоне изменения коэффициента теплоусвоения от 9,63107 до 1,39109 Дж2/(см4К2) установлено, что большим значениям коэффициента теплоусвоения соответствуют большие значения коэффициентов теплоотдачи. Однако влияние ТФХ таково, что при изменении коэффициента теплоусвоения в 14 раз коэффициент теплоотдачи изменяется в среднем на 25%.
Исследованиями влияния внешних вибровоздействий на условия теплообмена установлено, что степень влияния вибрации при заданных частоте и амплитуде в существенной мере зависит от плотности теплового потока и угла наклона поверхности к горизонту. При плотности теплового потока менее 8 кВт/м2 влияние вибрации усиливается с увеличением угла наклона поверхности и при вертикальном положении поверхности в диапазоне частот от 10 до 20 Гц увеличение коэффициента теплообмена достигает 40%.
Обобщение экспериментальных данных выполнено в виде произведения т.н. функций влияния, каждая из которых отражала вклад соответствующего фактора. При этом функции влияния ориентации поверхности была получена на основе предложенной автором физической модели взаимодействия пузырьков пара, двигающихся вдоль поверхности нагрева, а функция влияния ТФХ материала поверхности включала безразмерный комплекс отношения коэффициентов теплоусвоения поверхности и кипящей жидкости.
Результаты проведенного исследования, обобщенные в виде единого эмпирического уравнения для коэффициента теплообмена, обеспечивают ранее отсутствующую расчетную базу для проектирования теплообменных аппаратов различного технологического назначения с учетом комплексного взаимосвязанного влияния ориентации поверхности нагрева, ее ТФХ, и внешних вибровоздействий, возникающих в результате эксплуатации оборудования. Основные результаты работы нашли промышленное применение при проектировании новых типов установок для получения плавленого каустика.
Ключевые слова: эксперимент, теплообмен, кипение, ориентация поверхности, теплофизические характеристики поверхности, вибровоздействия, обобщение.

Нашли опечатку? Выделите и нажмите CTRL+Enter

Похожие документы
Обсуждение

Оставить комментарий

avatar
  Подписаться  
Уведомление о
Заказать реферат!
UkrReferat.com. Всі права захищені. 2000-2020