ТЕПЛОГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ ГИПЕРСНАРЯДНОГО РЕЖИМА ПРИ КИПЕНИИ ЖИДКОСТИ В СТЕСНЕННЫХ УСЛОВИЯХ
|
Актуальность темы. Развитие энергетики в условиях интенсивной разработки, эксплуатации и истощения природных ресурсов и загрязнения биосферы земли требует заблаговременно изыскивать новые энергоресурсы и разрабатывать не только эффективные, но и достаточно чистые способы преобразования энергии. Одним из важнейших направлений экономии топливно-энергетических ресурсов наряду с повышением эффективности теплопередающих и теплогенерирующих установок является разработка технологий использования низкопотенциальной энергии техногенного происхождения.
В различных областях современной техники осуществляются движение теплоносителя и тепломассоперенос в условиях парообразования в стесненных условиях. В сравнении с широко распространенными в энергетике, холодильной технике, пищевой и химической технологии процессами парообразования в свободных объемах процессы парообразования в стесненных условиях связаны с тем, что зарождение, развитие и движение элементов паровой фазы в ряде случаев происходят в условиях спонтанного возникновения снарядного режима кипения (минуя фазу пузырькового кипения), когда размер парового снаряда существенно превосходит диаметр канала, - гиперснарядного режима парообразования. Образование паровых снарядов ведет к пульсациям давления паровой среды в канале, снижению теплопередачи, повышению тепловых и динамических нагрузок на оборудование.
Особый интерес представляет изучение упомянутых процессов в связи с созданием новых эффективных теплоотводящих систем на базе термосифонов для солнечных коллекторов, термостатирующих и терморегулирующих устройств для, обеспечения тепловых режимов теплонагруженных элементов энергетики и электронной техники, систем отбора тепла от низкопотенциальных источников.
Целью работы является изучение физических механизмов возникновения, условий и области существования гиперснарядного режима парообразования, влияния данного режима на надежность теплоотвода и возможности его применения для совершения полезной работы.
Задачи исследования
1. Экспериментальное исследование особенностей парообразования и характеристик паровых снарядов в стесненных условиях при отсутствии циркуляции.
2. Разработка физической модели процесса образования паровых снарядов при кипении жидкости в стесненных условиях при отсутствии циркуляции.
3. Экспериментальное исследование теплотехнических характеристик термосифона в условиях возникновения снарядного режима кипения.
4. Реализация практического применения энергии паровых снарядов.
5. Определение коэффициента термомеханического преобразования тепловой энергии в установке с узким вертикальным каналом, работающей на основе эффекта парового снаряда.
Достоверность и обоснованность результатов подтверждается применением апробированных методов для обработки результатов эксперимента и использованием метрологического поверенного оборудования, позволяющего выполнить точные измерения контролируемых параметров, совпадением экспериментальных и расчетных данных, а также их хорошим согласованием на уровне тестовых опытов с данными других авторов.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Экспериментально установлена область существования гиперснарядного режима парообразования, который наблюдается наряду с классическими режимами парообразовании жидкости, такими как пузырьковый, снарядный, эмульсионный, дисперсно-кольцевой, кольцевой, дисперсный в обогреваемых вертикальных каналах с малым диаметром, в условиях отсутствия циркуляции.
2. Экспериментально определено влияние ряда параметров на возникновение гиперснарядного режима парообразования, таких как диаметр обогреваемого канала, плотность подводимого теплового потока и содержание поверхностно-активных веществ в рабочей среде.
3. Разработана физическая модель, описывающая процесс образования паровых снарядов при кипении жидкости в каналах малого диаметра в условиях отсутствия циркуляции.
4. Экспериментально исследованы характеристики паровых снарядов, образующихся в обогреваемых узких вертикальных каналах, и разработана методика расчета КПД термомеханической установки с узким вертикальным каналом.
5. Показана возможность термомеханического преобразования солнечной энергии с помощью установки, работающей на основе эффекта парового снаряда.
Практическая ценность работы заключается в том, что:
1. Выявлены факторы, способствующие повышению нежелательных динамических нагрузок в энергетическом оборудовании и снижению теплопередачи.
2. Предложенная методика оценки эффективности использования гиперснарядного режима парообразования в термомеханической установке с узким вертикальным каналом применима в малой энергетике с целью использования энергии паровых снарядов в энергооборудовании.
3. На основе полученных результатов работы даны практические рекомендации по конструктивному оформлению для повышения эффективности работы термосифонных теплообменных аппаратов.
4. Материалы исследования использованы при разработке курса «Основное энергетическое и вспомогательное оборудование установок НиВИЭ» и лабораторных работ для подготовки студентов УГТУ-УПИ.
5. Результаты работы приняты к использованию (внедрению) на следующих предприятиях: ОАО «Каменск-Уральский металлургический завод», ООО «Энергосервисная компания», ООО Производственная коммерческая фирма «Компания «Энергоснаб».
Вопросы, выносимые на защиту
1. Результаты экспериментальных исследований особенностей парообразования и характеристик паровых снарядов в обогреваемых узких вертикальных каналах при отсутствии циркуляции
2. Физическая модель, описывающая процесс образования паровых снарядов при кипении жидкости в стесненных условиях, позволяющая выявить факторы, повышающие эффективность термомеханического преобразования.
3. Результаты экспериментального исследования характеристик теплопередающей способности термосифона в условиях возникновения снарядного режима кипения.
4. Методика расчета термомеханического КПД установки с узким вертикальным каналом.
5. Результаты исследований практического применения энергии паровых снарядов, образующихся в обогреваемых вертикальных каналах малого диаметра.
Личный вклад автора заключается в том, что им на основе опубликованных данных поставлены задачи исследования, разработаны основные методики проведения экспериментов, созданы и отлажены экспериментальные установки, проведены опыты, обработаны и проанализированы полученные данные, на основе которых найдена область существования гиперснарядного режима, разработана методика расчета эффективности работы термомеханической установки с узким вертикальным каналом, построена физическая модель, описывающая процесс образования паровых снарядов при кипении жидкости в каналах с малым диаметром.
Апробация работы. Материалы диссертации были представлены на 3 международных, 9 всероссийских и 6 региональных конференциях: Всероссийской научно-практической конференции «Энерго- и ресурсосбережение. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии» (Екатеринбург, 2004 г.), V Всероссийском совещании-выставке по энергосбережению «Энергосбережение: состояние и перспективы» (Екатеринбург, 2004 г.), Всероссийской научно-практической конференции «Энерго- и ресурсосбережение. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии» (Екатеринбург, 2005 г.), Международном научном молодежном симпозиуме «Безопасность биосферы 2005» (Екатеринбург, 2005 г.), VII отчетной конференции молодых ученых ГОУ ВПО УГТУ-УПИ (Екатеринбург, 2005 г.), Всероссийской научно-практической конференции «Энерго- и ресурсосбережение. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии» (Екатеринбург, 2006 г.), VII Всероссийском совещании-выставке по энергосбережению «Энергосбережение: состояние и перспективы» (Екатеринбург, 2006 г.), X отчетной конференции молодых ученых ГОУ ВПО УГТУ-УПИ (Екатеринбург, 2006 г.), Всероссийской научно-практической конференции «Перспективные энергетические технологии. Экология. Экономика, безопасность и подготовка кадров» (Екатеринбург, 2006 г.), XI отчетной конференции молодых ученых ГОУ ВПО УГТУ-УПИ (Екатеринбург, 2006 г.), Всероссийской научно-практической конференции «Энерго- и ресурсосбережение. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии» (Екатеринбург, 2007 г.), Международной научно-практической конференции «Ecotechnologies of XXI century» (Екатеринбург, 2007 г.), XII отчетной конференции молодых ученых ГОУ ВПО УГТУ-УПИ (Екатеринбург, 2007 г.), XIII отчетной конференции молодых ученых ГОУ ВПО УГТУ-УПИ (Екатеринбург, 2007 г.), XIV отчетной конференции молодых ученых ГОУ ВПО УГТУ-УПИ (Екатеринбург, 2008 г.), XV Уральской международной конференции молодых ученых по приоритетным направлениям развития науки и техники (Екатеринбург, 2008 г.), VIII Всероссийской научно-практической конференции «Экологические проблемы промышленных регионов» (Екатеринбург, 2008 г.), II Всероссийской научно-технической конференции «Безопасность критических инфраструктур и территорий» (Екатеринбург, 2008 г.).
Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 8 различных изданиях, из них 2 относятся к изданиям, рекомендуемым ВАК для опубликования результатов кандидатских диссертаций, получено 6 патентов РФ на полезные модели.
Структура и объем работы. Структура диссертации подчинена замыслу исследования и состоит из введения, четырех глав, заключения, шести приложений, списка литературы, включающего 135 наименований. Диссертация изложена на 137 страницах машинописного текста и содержит 58 рисунков и 10 таблиц.
В различных областях современной техники осуществляются движение теплоносителя и тепломассоперенос в условиях парообразования в стесненных условиях. В сравнении с широко распространенными в энергетике, холодильной технике, пищевой и химической технологии процессами парообразования в свободных объемах процессы парообразования в стесненных условиях связаны с тем, что зарождение, развитие и движение элементов паровой фазы в ряде случаев происходят в условиях спонтанного возникновения снарядного режима кипения (минуя фазу пузырькового кипения), когда размер парового снаряда существенно превосходит диаметр канала, - гиперснарядного режима парообразования. Образование паровых снарядов ведет к пульсациям давления паровой среды в канале, снижению теплопередачи, повышению тепловых и динамических нагрузок на оборудование.
Особый интерес представляет изучение упомянутых процессов в связи с созданием новых эффективных теплоотводящих систем на базе термосифонов для солнечных коллекторов, термостатирующих и терморегулирующих устройств для, обеспечения тепловых режимов теплонагруженных элементов энергетики и электронной техники, систем отбора тепла от низкопотенциальных источников.
Целью работы является изучение физических механизмов возникновения, условий и области существования гиперснарядного режима парообразования, влияния данного режима на надежность теплоотвода и возможности его применения для совершения полезной работы.
Задачи исследования
1. Экспериментальное исследование особенностей парообразования и характеристик паровых снарядов в стесненных условиях при отсутствии циркуляции.
2. Разработка физической модели процесса образования паровых снарядов при кипении жидкости в стесненных условиях при отсутствии циркуляции.
3. Экспериментальное исследование теплотехнических характеристик термосифона в условиях возникновения снарядного режима кипения.
4. Реализация практического применения энергии паровых снарядов.
5. Определение коэффициента термомеханического преобразования тепловой энергии в установке с узким вертикальным каналом, работающей на основе эффекта парового снаряда.
Достоверность и обоснованность результатов подтверждается применением апробированных методов для обработки результатов эксперимента и использованием метрологического поверенного оборудования, позволяющего выполнить точные измерения контролируемых параметров, совпадением экспериментальных и расчетных данных, а также их хорошим согласованием на уровне тестовых опытов с данными других авторов.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Экспериментально установлена область существования гиперснарядного режима парообразования, который наблюдается наряду с классическими режимами парообразовании жидкости, такими как пузырьковый, снарядный, эмульсионный, дисперсно-кольцевой, кольцевой, дисперсный в обогреваемых вертикальных каналах с малым диаметром, в условиях отсутствия циркуляции.
2. Экспериментально определено влияние ряда параметров на возникновение гиперснарядного режима парообразования, таких как диаметр обогреваемого канала, плотность подводимого теплового потока и содержание поверхностно-активных веществ в рабочей среде.
3. Разработана физическая модель, описывающая процесс образования паровых снарядов при кипении жидкости в каналах малого диаметра в условиях отсутствия циркуляции.
4. Экспериментально исследованы характеристики паровых снарядов, образующихся в обогреваемых узких вертикальных каналах, и разработана методика расчета КПД термомеханической установки с узким вертикальным каналом.
5. Показана возможность термомеханического преобразования солнечной энергии с помощью установки, работающей на основе эффекта парового снаряда.
Практическая ценность работы заключается в том, что:
1. Выявлены факторы, способствующие повышению нежелательных динамических нагрузок в энергетическом оборудовании и снижению теплопередачи.
2. Предложенная методика оценки эффективности использования гиперснарядного режима парообразования в термомеханической установке с узким вертикальным каналом применима в малой энергетике с целью использования энергии паровых снарядов в энергооборудовании.
3. На основе полученных результатов работы даны практические рекомендации по конструктивному оформлению для повышения эффективности работы термосифонных теплообменных аппаратов.
4. Материалы исследования использованы при разработке курса «Основное энергетическое и вспомогательное оборудование установок НиВИЭ» и лабораторных работ для подготовки студентов УГТУ-УПИ.
5. Результаты работы приняты к использованию (внедрению) на следующих предприятиях: ОАО «Каменск-Уральский металлургический завод», ООО «Энергосервисная компания», ООО Производственная коммерческая фирма «Компания «Энергоснаб».
Вопросы, выносимые на защиту
1. Результаты экспериментальных исследований особенностей парообразования и характеристик паровых снарядов в обогреваемых узких вертикальных каналах при отсутствии циркуляции
2. Физическая модель, описывающая процесс образования паровых снарядов при кипении жидкости в стесненных условиях, позволяющая выявить факторы, повышающие эффективность термомеханического преобразования.
3. Результаты экспериментального исследования характеристик теплопередающей способности термосифона в условиях возникновения снарядного режима кипения.
4. Методика расчета термомеханического КПД установки с узким вертикальным каналом.
5. Результаты исследований практического применения энергии паровых снарядов, образующихся в обогреваемых вертикальных каналах малого диаметра.
Личный вклад автора заключается в том, что им на основе опубликованных данных поставлены задачи исследования, разработаны основные методики проведения экспериментов, созданы и отлажены экспериментальные установки, проведены опыты, обработаны и проанализированы полученные данные, на основе которых найдена область существования гиперснарядного режима, разработана методика расчета эффективности работы термомеханической установки с узким вертикальным каналом, построена физическая модель, описывающая процесс образования паровых снарядов при кипении жидкости в каналах с малым диаметром.
Апробация работы. Материалы диссертации были представлены на 3 международных, 9 всероссийских и 6 региональных конференциях: Всероссийской научно-практической конференции «Энерго- и ресурсосбережение. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии» (Екатеринбург, 2004 г.), V Всероссийском совещании-выставке по энергосбережению «Энергосбережение: состояние и перспективы» (Екатеринбург, 2004 г.), Всероссийской научно-практической конференции «Энерго- и ресурсосбережение. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии» (Екатеринбург, 2005 г.), Международном научном молодежном симпозиуме «Безопасность биосферы 2005» (Екатеринбург, 2005 г.), VII отчетной конференции молодых ученых ГОУ ВПО УГТУ-УПИ (Екатеринбург, 2005 г.), Всероссийской научно-практической конференции «Энерго- и ресурсосбережение. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии» (Екатеринбург, 2006 г.), VII Всероссийском совещании-выставке по энергосбережению «Энергосбережение: состояние и перспективы» (Екатеринбург, 2006 г.), X отчетной конференции молодых ученых ГОУ ВПО УГТУ-УПИ (Екатеринбург, 2006 г.), Всероссийской научно-практической конференции «Перспективные энергетические технологии. Экология. Экономика, безопасность и подготовка кадров» (Екатеринбург, 2006 г.), XI отчетной конференции молодых ученых ГОУ ВПО УГТУ-УПИ (Екатеринбург, 2006 г.), Всероссийской научно-практической конференции «Энерго- и ресурсосбережение. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии» (Екатеринбург, 2007 г.), Международной научно-практической конференции «Ecotechnologies of XXI century» (Екатеринбург, 2007 г.), XII отчетной конференции молодых ученых ГОУ ВПО УГТУ-УПИ (Екатеринбург, 2007 г.), XIII отчетной конференции молодых ученых ГОУ ВПО УГТУ-УПИ (Екатеринбург, 2007 г.), XIV отчетной конференции молодых ученых ГОУ ВПО УГТУ-УПИ (Екатеринбург, 2008 г.), XV Уральской международной конференции молодых ученых по приоритетным направлениям развития науки и техники (Екатеринбург, 2008 г.), VIII Всероссийской научно-практической конференции «Экологические проблемы промышленных регионов» (Екатеринбург, 2008 г.), II Всероссийской научно-технической конференции «Безопасность критических инфраструктур и территорий» (Екатеринбург, 2008 г.).
Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 8 различных изданиях, из них 2 относятся к изданиям, рекомендуемым ВАК для опубликования результатов кандидатских диссертаций, получено 6 патентов РФ на полезные модели.
Структура и объем работы. Структура диссертации подчинена замыслу исследования и состоит из введения, четырех глав, заключения, шести приложений, списка литературы, включающего 135 наименований. Диссертация изложена на 137 страницах машинописного текста и содержит 58 рисунков и 10 таблиц.