Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний технічний університет України

“Київський політехнічний інститут”

УДК 536.248.2

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Теплообмін при випаровуванні плівки рідини, що стікає по горизонтальній трубі з поперечним оребренням

05.14.06 - Технічна теплофізика та промислова теплоенергетика

Сидоренко Віталій Іванович

Київ - 2005

Дисертацією є рукопис. хімічний термочутливий енергетичний

Робота виконана на кафедрі теоретичної та промислової теплотехніки теплоенергетичного факультету Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут” (НТУУ “КПІ”) Міністерства науки та освіти України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Ріферт Володимир Густавович, НТУУ “КПІ”, завідуючий науково-дослідним відділом термодистиляції та інтенсифікації тепломасообміну

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Смірнов Генріх Федорович, компанія “Промгазапарат”, консультант

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Кравець Володимир Юрійович, НТУУ “КПІ”, завідувач лабораторії теплових труб

Провідна установа: Інститут технічної теплофізики НАН України

Захист дисертації відбудеться “18” квітня 2005 р. о 15 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.002.09 при Національному технічному університеті України “Київський політехнічний інститут” за адресою: 03056, Київ, пр. Перемоги, 37, корпус 5, аудиторія 307.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці НТУУ “КПІ” за адресою: 03056, Київ, пр. Перемоги, 37.

Автореферат розісланий “17” березня 2005 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Коньшин В.І.

Загальна характеристика дисертаційної роботи

Актуальність теми. Плівкові випаровувачі широко використовуються при опрісненні морської води в багатоступеневих випарниках, у виробництві капролактаму і епоксидних смол, латексів і дріжджів, при випарюванні (концентруванні) соків і молока. В даний час у літературі відзначається, що інтенсифікації (поліпшення) процесу випаровування в тонких плівках можна досягти при використанні випарних установок з горизонтально-трубними плівковими апаратами. Згідно літературним даним, профілювання зовнішньої поверхні горизонтальних труб шляхом застосування поперечного оребрення може забезпечити інтенсифікацію тепловіддачі до плівки рідини в 1,5-2 рази, що приведе до зменшення металоємності, габаритних розмірів і вартості устаткування. Отже, робота, присвячена розробці цього методу інтенсифікації теплообміну в горизонтально-трубних плівкових випаровувачах з поперечними ребрами, є актуальною.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана в рамках Гранта Європейської Комісії по темі COPERNICUS (контракт № ERB IC15-CT98-0908), а також з використанням результатів виконання держбюджетної теми №2535-ф “Інтенсифікація теплообміну при кипінні термочутливих рідин” (номер держреєстрації 0102U002296).

Метою роботи є підвищення ефективності роботи горизонтально-трубних плівкових випаровувачів для енергетичної, хімічної, харчової промисловостей шляхом інтенсифікації тепловіддачі за рахунок оптимального оребрення зовнішньої поверхні труб.

Для рішення поставленої мети обрано шлях експериментального дослідження локальної тепловіддачі від стінки труби до плівки рідини, що вимагає рішення наступних задач:

- створити принципово нову методику дослідження з високою розпізнавальною здатністю локальної тепловіддачі від профільованої зовнішньої поверхні стінки труби до плівки рідини при випаровуванні і розробити відповідні технічні засоби для її реалізації;

- експериментально досліджувати вплив основних фізико-хімічних властивостей термочутливих рідин, технологічних і конструктивних параметрів випаровувачів на закономірності локальної і середньої тепловіддачі при гравітаційній течії плівки рідини по трубам з поперечним оребренням;

- на підставі аналізу результатів дослідження одержати узагальнюючі залежності для розрахунку тепловіддачі при випаровуванні плівки рідини з поверхні горизонтальних поперечно оребрених труб з урахуванням основних факторів, що впливають на процес тепловіддачі.

Об'єктом дослідження є плівка рідини, що стікає по горизонтальній трубі з поперечним оребренням.

Предметом дослідження є тепловіддача від горизонтальної труби з поперечними ребрами до плівки рідини, що стікає по її зовнішній поверхні при випаровуванні рідини.

Метод дослідження. Наведені у роботі результати отримані шляхом експериментального дослідження теплообміну при випаровуванні плівки рідини, що стікає по горизонтальній трубі з поперечними ребрами на розробленій експериментальній установці за допомогою створеної методики вимірювання локальної температури поверхні стінки труби.

Загальна методика виконання досліджень. Експериментальне дослідження закономірностей тепловіддачі проводилося на моделі горизонтально-трубного плівкового випаровувача при режимних і конструктивних параметрах роботи подібних випаровувачів. Використовувалася нова методика дослідження локальної тепловіддачі, що дозволяє з високою розпізнавальною здатністю одержувати значення локальних коефіцієнтів тепловіддачі при випаровуванні плівки рідини, що стікає по зовнішній поверхні горизонтальної труби з поперечними ребрами.

Наукову новизну склали:

- розробка методу одержання локальних значень коефіцієнтів тепловіддачі на профільованій поверхні, заснованого на вимірі локальної температури стінки труби з високою розпізнавальною здатністю;

- експериментальні дані по локальним коефіцієнтам тепловіддачі до плівки рідини, що випаровується, на поперечно профільованих горизонтальних трубах;

- експериментальні дані по локальним коефіцієнтам тепловіддачі для рідин з різними законами зміни сили поверхневого натягу зі зміною температури і концентрації;

- вперше показано наявність конвективних, поперечних течії плівки рідини, потоків, викликаних різницею місцевих концентрацій при випаровуванні розчинів рідин;

- отримано нову 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.

Практична цінність.

- визначені найбільш раціональні параметри профілювання зовнішньої поверхні труб для умов роботи горизонтально-трубних плівкових випаровувачів і показана можливість інтенсифікації тепловіддачі від стінки труби до плівки рідини на поперечно профільованих трубах у 1,5-1,9 рази;

- отримано методику розрахунку середньої тепловіддачі при течії різних типів рідин по поверхні труб з поперечними ребрами.

НВО “Экохим” (м. Єкатеринбург) використовує дані дисертаційної роботи при проектуванні дистиляційних установок для систем водопідготовки ТЕЦ.

ВАТ СМ “Таврія” (м. Севастополь) використовує дані дисертаційної роботи 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).

За результатами роботи в рамках проекту COPERNICUS розглядається можливість упровадження горизонтально-трубних плівкових випаровувачів для концентрації цукрових розчинів на цукрових заводах Європи.

Особистий внесок здобувача. У публікаціях [1-5] автору належить проведення експериментального дослідження по визначенню локальних коефіцієнтів тепловіддачі при випаровуванні плівки води, розчину NaCl та розчину етиленгліколю, що стікає по поверхні горизонтальної труби з поперечними ребрами, в широкому діапазоні зміни конструктивних та режимних параметрів. У роботі [5] автору належить створення методики та підготовка технічних засобів для вимірювання локальних коефіцієнтів тепловіддачі. У публікаціях [1, 5] автором виконані розрахунки середніх по поверхні труби коефіцієнтів тепловіддачі, а в публікаціях [2, 5] - осереднених по твірній труби коефіцієнтів тепловіддачі. У публікаціях [2, 6] автору належить проведення аналізу результатів експериментального дослідження локальних коефіцієнтів тепловіддачі при випаровуванні плівки води, розчину NaCl та розчину етиленгліколю, що стікає по поверхні горизонтальної труби з поперечними ребрами.

Апробація роботи. Основні результати дисертаційної роботи доповідалися й обговорювалися на II Міжнародної конференції “Проблеми промислової теплотехніки” (м. Київ, 2001 р.), 3-й Російської Національної конференції по теплообміні (м. Москва, Росія, 2002 р.), V Міжнародної конференції по теплообміні (м. Салоніки, Греція, 2001 р.),
ІІІ Європейської конференції по термодинаміці (м. Хальдельберг, Німеччина, 2000 р.), студентської науково-технічної конференції теплоенергетичного факультету Національного технічного університету України “КПИ” (м. Київ, 2003 р.), на кафедрі теоретичної і промислової теплотехніки НТУУ “КПИ” (м. Київ, 2002 р.).

Публікації. За матеріалами роботи опубліковано 6 наукових статей, із них три в фахових виданнях.

Структура й обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, чотирьох розділів, висновків і списку літератури (84 найменування). Робота викладена на 169 сторінках, включаючи 73 рисунки і 1 таблицю.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтована актуальність теми дисертаційної роботи, її зв'язок з науковими програмами, сформульовані мета і задачі для її досягнення, наукова новизна і практичне значення. Також розкривається особистий внесок автора, питання апробації результатів, публікації, загальний обсяг і структура роботи.

У першому розділі виконаний аналіз літературних робіт по теплообміну при випаровуванні плівки рідини, що стікає по поверхні гладких горизонтальних труб, та робіт по інтенсифікації тепловіддачі шляхом повздовжнього и поперечного оребрення горизонтальної труби.

Огляд показав наявність у літературі великої кількості як теоретичних, так і експериментальних робіт по вивченню теплообміну при течії плівки рідини по гладким горизонтальним трубам для випадків бульбашкового кипіння, випаровування, нагрівання чи охолодження рідини. Досліджено теплообмін в широкому діапазоні зміни режимних та конструктивних параметрів та вплив на інтенсивність теплообміну різноманітних факторів, таких як температура насичення, температура рідини, щільність теплового потоку. Найбільш повне експериментальне дослідження процесу інтенсифікації теплообміну при випаровуванні плівки рідини, що стікає по горизонтальним трубам з повздовжнім оребренням виконано в науково-дослідному відділі термодистиляції та інтенсифікації тепло масообміну Київського політехнічного інституту під керівництвом В.Г. Ріферта. Показано, що за допомогою повздовжнього оребрення горизонтальної труби можливо досягти інтенсифікації тепловіддачі від стінки труби до плівки рідини в 1,6-1,9 рази. Наводяться емпіричні залежності для розрахунку середньої та локальної тепловіддачі при нагріванні та випаровуванні плівки рідини. Теоретичний аналіз процесу інтенсифікації теплообміну при випаровуванні плівки рідини, що стікає по горизонтальним трубам з поперечним оребренням наводиться тільки в роботі Edwards et al. для поперечного оребрення у вигляді трикутних канавок. При постановці задачі приймається багато припущень, а саме рішення отримане у неявній та складній формі. Автори невеликої кількості експериментальних робіт обмежувались вивченням середньої тепловіддачі від стінки труби з поперечними ребрами до плівки рідини і отримали інтенсифікацію тепловіддачі при використанні поперечного оребрення у 1,5-2 рази.

На підставі наведеного аналізу, зроблені висновки по стану питання про вивчення механізму інтенсифікації теплообміну при випаровуванні плівки рідини, що стікає по горизонтальним трубам з поперечним оребренням та поставлені задачі дослідження.

У другому розділі описана експериментальна установка та методика вимірювання основних величин. Описано рідини, що використовувалися при проведенні дослідів.

Основним елементом стенду є випаровувач, який має вигляд камери прямокутного перетину розмірами 190х220х500 мм. Передня і задня стінки випаровувача оснащені по усій висоті оглядовими вікнами для спостереження за процесом і є елементами, що знімаються. Випаровувач оснащено трьома трубами із зовнішнім діаметром 34 мм і довжиною 190 мм, які розташовано одна над одною в одному вертикальному ряду. Першу по висоті трубу зроблено із нержавіючої сталі. Вона виконує роль зрошувача і має по верхньої утворюючій п'ятнадцять отворів діаметром 5 мм. Така конструкція зрошувача обрана на підставі власних попередніх дослідів, а також на підставі даних інших авторів, які проводили дослідження з впливу конструкції зрошувального пристрою на рівномірність змочування нижніх труб.

Між зрошувачем і дослідним елементом розміщено гладкостінну трубу, що не обігрівається. Матеріал труби - нержавіюча сталь, призначення - стабілізація потоку.

Останнім у ряду труб встановлено дослідний теплообмінний елемент, конструкція якого описана нижче.

Дослідну ділянку довжиною 100 мм розміщено між мідними струмопровідними шинами і закріплено з їх допомогою на нерухомій ебонітовій трубі із зовнішнім діаметром 34 мм і внутрішнім діаметром 30 мм. Дослідну ділянку зроблено із пермалоєвої пластини розміром 100 х 100 мм і товщиною 0,09 мм. Простір між краями пластини, обгорнутої навколо труби, загерметизовано силіконовим герметиком для запобігання улучення води усередину дослідного елемента. Трубу закріплено на одній з бічних стінок випаровувача. Рухому трубу (також із ебоніту) розміщено усередині нерухомої труби, але кінці труби виведено через герметичні ущільнення за межі випарника. У рухомій трубі зроблено перпендикулярно подовжньої осі наскрізні отвори, у яких розміщено стрижні з мідь-константановими термопарами усередині. Стрижні, з розташованими на їхніх кінцях робочими спаями термопар, притискаються через вікна у нерухомій трубі до внутрішньої сторони дослідної ділянки пружинами, що спираються на гвинти. Форма вікон дає можливість за допомогою переміщень рухомої труби змінювати положення термопар у подовжньому напрямку на 10 мм і в аксіальному напрямку в діапазоні від 0 до 180 градусів і, в такий спосіб, фіксуючи положення термопар, визначати локальну (у межах 0,1 мм) температуру стінки труби в подовжньому й аксіальному напрямках.

Температура стінки вимірялася трьома термопарами, установленими на відстані 30 мм одна від одної уздовж однієї утворюючої. Термопарні проводи виведено усередину рухомої труби і далі через герметичну пробку за межі випарника. Термопари виготовлено з мідного і константанового проводів діаметром 0,05 мм. Робочі спаї термопар мають діаметр 0,1 мм.

Поперечне оребрення теплообмінної поверхні було виготовлено за допомогою дротових кілець круглого поперечного переріза. Дріт ретельно очищали, вирівнювали, знежирювали і розрізали на рівні частини. Потім кожен дротик обжимали навколо робочої ділянки і робили скрутку в нижній його частині. Місце на робочій ділянці, де була скрутка, було покрите силіконовим герметиком, який у даному випадку виконував функцію ізолятора для виключення впливу скрутки на характер розподілу електричного струму через робочу ділянку. З цією же метою ребра з особливою старанністю виставлялися строго перпендикулярно до осі дослідного елемента. Для цього було виготовлено ряд пластикових шаблонів для різних типів ребер, за допомогою яких укладалися і вирівнювалися ребра.

Нагрівання робочої ділянки здійснювалось безпосереднім пропусканням через пермалоєву фольгу перемінного електричного струму.

Для проведення експериментів були обрані 3 рідини.

Перша рідина - дистильована вода, використовувалася при проведенні як основної частини експериментів, так і при проведенні тарувальних, попередніх і контрольних дослідів. Дистильована вода високої якості отримана на зворотньоосмотичній установці. Її загальний солевміст складав менш 5 мг/л і контролювався протягом усіх дослідів з водою. Вибір дистильованої води обумовлено необхідністю виключити вплив погрішності визначення теплофізичних властивостей рідини при узагальненні результатів експериментів, тому що всі дані по теплофізичним властивостях води і водяної пари отримані саме для дистильованої води.

Друга рідина - водний розчин солі хлористого натрію (NaCl) з концентрацією 3,5%. Така концентрація солі в розчині близька до концентрації солі в морській воді. Для цієї рідини теплофізичні характеристики добре вивчено і представлено в довідковій літературі. Важлива характеристика: поверхневий натяг розчину NaCl збільшується зі збільшенням концентрації солі в розчині, тобто градієнт 0.

Третя рідина - водний розчин етиленгліколю з концентрацією 20%. По своїм теплофізичним властивостях такий розчин близький до незбираного молока, а його характерною рисою, у противагу розчину NaCl, є зменшення поверхневого натягу зі збільшенням концентрації етиленгліколю, тобто 0. Для розрахунку теплофізичних властивостей розчину етиленгліколю в роботі використано комп'ютерну програму, розроблену в групі професора Аурахера з технічного університету м. Берліна (ФРН).

У третьому розділі наведені результати експериментального дослідження локальної тепловіддачі від поверхні теплообміну до стікаючої плівки рідини при її випаровуванні на гладкій та поперечно профільованій поверхні.

Основним змінним режимним параметром в дослідах являлась щільність зрошення рідиною теплообмінної поверхні, що змінювалася в діапазоні 0,08-0,27 кг/(м·с). Температура насичення при проведенні дослідів була вибрана 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, так як вивчення впливу бульбашкового кипіння на інтенсивність тепловіддачі не входило в задачі даної роботи. Перед кожною серією експериментів на оребреній трубі, з метою перевірки ідентичності умов проведення дослідів, виконувалися експерименти на гладкій трубі.

При проведенні експериментів по дослідженню локальної тепловіддачі були отримані такі результати. При значенні кутової координати 0о, тобто в місці натікання рідини на трубу, розподіл коефіцієнтів тепловіддачі по міжреберним ділянкам носить хаотичний характер незалежно від зміни режимних і конструктивних параметрів. Приведений нижче характер розподілу коефіцієнтів тепловіддачі має місце при значенні кутової координати > 30о.

При випаровуванні плівки води локальні коефіцієнти тепловіддачі між ребрами розподіляються наступним чином. При кроці оребрення 2 мм і 4 мм для всіх щільностей зрошення та по всій довжині твірної (за виключенням місця натікання рідини на трубу) максимальні значення коефіцієнтів тепловіддачі мають місце на вершинах ребер, а мінімальні значення - посередині між ребрами. Тільки в одному випадку, при кроці оребрення 4 мм і мінімальній щільності зрошення 0,08 кг/(м·с), при значенні кутової координати = 90о значення локальних коефіцієнтів тепловіддачі в центрі між ребрами вище, ніж біля ребер, тобто проявляється збільшення тепловіддачі між ребрами, яке зникає при збільшенні щільності зрошення.

При збільшенні кроку оребрення до 8 мм для діаметрів ребер 1 мм і 1,4 мм при 60о < < 180о значення локальних коефіцієнтів тепловіддачі розподіляються між ребрами від максимальних на вершинах ребер, до мінімальних біля ребер, а потім має місце деяке збільшення тепловіддачі в центрі міжреберної ділянки. При = 30о значення коефіцієнтів тепловіддачі збільшуються в центрі тільки при = 0,08 кг/(м·с), а при більших значеннях щільності зрошення рівномірно розподіляються по довжині міжреберної ділянки.

Такий же розподіл локальних коефіцієнтів тепловіддачі по міжреберній ділянці має місце при кроці оребрення 12 мм для всіх щільностей зрошення при 60о < < 135о. При діаметрі ребер 1,4 мм такий розподіл зберігається і при = 180о. При діаметрі ребер 1 мм і значенні кутової координати 180о розподіл локальних коефіцієнтів тепловіддачі такий же, як при кроці 2 мм.

В порівнянні з гладкою трубою, у всіх розглянутих вище випадках, значення локальних коефіцієнтів тепловіддачі при = 180о нижче, ніж для гладкої поверхні, по всій довжині міжреберної ділянки, як на вершинах ребер, так і між ними. При кроці оребрення 4 мм, 8 мм і 12 мм при = 135о мінімальні значення коефіцієнтів тепловіддачі опускаються нижче, ніж для гладкої поверхні. У всіх інших випадках тепловіддача на оребреній поверхні вище, ніж на гладкій, у випадку випаровування плівки води.

Розглянемо далі розподіл локальних коефіцієнтів тепловіддачі при випаровуванні розчину NaCl. При кроці оребрення 3 мм і щільності зрошення 0,27 кг/(м·с) значення коефіцієнтів тепловіддачі змінюються від максимальних на вершинах ребер до мінімальних в центрі міжреберних ділянок по всій довжині пробігу плівки.

Такий же характер розподілу коефіцієнтів тепловіддачі при кроці оребрення 6 мм і щільності зрошення 0,27 кг/(м·с). Тільки при = 30о і = 60о має місце деяке збільшення тепловіддачі в центрі між ребрами. При кроці оребрення 6 мм і щільності зрошення 0,08 кг/(м·с) тепловіддача в центрі міжреберних ділянок збільшується на ділянці від = 60о до = 180о, при цьому при = 90о значення між ребрами досягають значень на вершинах ребер.

При кроці оребрення 8 мм і 12 мм збільшення тепловіддачі посередині між ребрами має місце для всіх щільностей зрошення. При цьому для мінімальної щільності зрошення 0,08 кг/(м·с) значення коефіцієнтів тепловіддачі в центрі досягають значень коефіцієнтів тепловіддачі на ребрах.

В порівнянні з гладкою трубою значення коефіцієнтів тепловіддачі на оребреній поверхні вище по всій довжині пробігу плівки, крім випадку при значенні кутової координати 180о і щільності зрошення 0,27 кг/(м·с), коли значення між ребрами нижче значень для гладкої труби. При цьому значення на вершинах ребер вище, ніж для гладкої труби.

При випаровуванні розчину етиленгліколю характер зміни локальних коефіцієнтів тепловіддачі по оребреній поверхні при кроці оребрення 8 мм для всіх щільностей зрошення і діаметрі ребер 1 мм і 1,4 мм аналогічний даним, отриманим для випадку випаровування води, але мають місце більш низькі значення . Інтенсифікація тепловіддачі відбувається тільки за рахунок високих значень коефіцієнтів тепловіддачі на вершинах ребер. На міжреберних ділянках значення наближаються до значень для гладкої поверхні. При = 180о тепловіддача для оребреної труби нижче, ніж для гладкої труби.

Таким чином, характер розподілу локальних коефіцієнтів тепловіддачі якісно одинаковий для всіх трьох дослідних рідин, що використовувались для проведення експериментів. По всій довжині пробігу плівки рідини по трубі має місце зменшення тепловіддачі. Максимальні значення локальних коефіцієнтів тепловіддачі мають місце на вершинах ребер і зменшуються між ребрами. Головна відмінність у випадку випаровування розчину NaCl від випадку випаровування води найбільш виражена при мінімальній щільності зрошення 0,08 кг/(м·с), при кроках оребрення 8 мм і 12 мм, коли збільшується тепловіддача посередині між ребрами. При випаровуванні розчину NaCl це збільшення набагато сильніше, ніж для води, в цьому випадку значення коефіцієнтів тепловіддачі посередині між ребрами могуть досягати значень на вершинах ребер.

Крім того, при випаровуванні розчину NaCl для всіх режимів випаровування має місце інтенсифікація тепловіддачі по всій довжині пробігу плівки по поверхні труби, навіть при = 180о, тоді як при випаровуванні води тепловіддача на нижній твірній профільованої труби нижче тепловіддачі для гладкої труби. Хоча при цьому для обох рідин зберігається характер розподілу локальних коефіцієнтів тепловіддачі по ширині міжреберної ділянки з максимумами на вершинах ребер для всіх кроків оребрення і зі збільшенням тепловіддачі в центрі між ребрами для кроків оребрення 8 мм і 12 мм.

В четвертому розділі виконано аналіз впливу різноманітних факторів на інтенсивність теплообміну, приводяться емпіричні залежності для розрахунку локальної та середньої тепловіддачі від труби з поперечними ребрами до плівки рідини та порівняння даних по середній тепловіддачі на горизонтальних трубах з різними методами оребрення.

Після проведення аналізу характеру зміни локальної тепловіддачі по поверхні горизонтальної труби, профільованої поперечними дротяними ребрами, інтенсифікація тепловіддачі пояснюється впливом трьох факторів.

По-перше, зменшенням коефіцієнтів тепловіддачі на шляху течії плівки по трубі пояснюється розвиток гідродинамічного і теплового прикордонних шарів від місця натікання рідини на трубу.

По-друге, максимальні значення локальних коефіцієнтів тепловіддачі на ребрах і збільшення тепловіддачі посередині між ребрами при кроках оребрення 8 мм і 12 мм свідчать про вплив на тепловіддачу сил поверхневого натягу на ребрах і між ними. На ребрах та між ними, при малих кроках оребрення (2 мм і 4 мм), і на ребрах, при більших кроках оребрення, визначальним є вплив капілярних сил, зв'язаних з кривизною поверхні, коли 1. При кроках оребрення 8 мм і 12 мм збільшення тепловіддачі посередині між ребрами зв'язано зі зменшенням товщини плівки рідини посередині міжреберної ділянки.

По-третє, більш істотне підвищення тепловіддачі посередині між ребрами при достатньо великих S при випаровуванні розчину NaCl в порівнянні з випаровуванням води говорить про вплив концентраційного ефекту Марангоні, який викликає додаткову конвекцію і збільшення тепловіддачі в центрі між ребрами саме для розчину NaCl. При цьому на ділянках довжиною 3…4 мм посередині між ребрами, показання термопар були дуже нестабільними, що можна пояснити сильним поперечним рухом рідини, спричиненим відомим ефектом Марангоні.

Всі ці ефекти мають місце в деякому інтервалі зміни кутової координати в залежності від кроку оребрення, щільності зрошення та експериментальної рідини.

На основі вищевикладених роздумів про механізм теплообміну при випаровуванні плівки рідини, що стікає по зовнішній поверхні горизонтальної труби з поперечним оребренням, можна запропонувати моделі течії рідин з різним законом зміни . У всьому діапазоні досліджень візуально не наглядалося розриву плівки рідини на ребрах, а навпаки, мала місце стійка течія, навіть при виникненні сухих п'ятен в міжреберних ділянках.

При випаровуванні дистильованої води = 0 і цьому рідина стягується з вершин ребер і від середини міжреберних ділянок до основи ребер під дією сили поверхневого натягу тільки за рахунок капілярного ефекту. Зменшення товщини плівки рідини приводить до інтенсифікації тепловіддачі за рахунок зменшення термічного опору плівки.

При випаровуванні розчину NaCl > 0 і цьому на плівку рідини діють два протилежно направлених ефекти. Під дією капілярного ефекту рідина стягується до основи ребер з вершин і міжреберних ділянок, а під дією концентраційного ефекту рідина плине до місць найбільш інтенсивного випаровування, тобто в зворотному напрямку - до вершин ребер і до середини міжреберних ділянок. При цьому в міжреберному просторі виникають додаткові конвективні течії, які утворюють випуклість плівки рідини в центрі міжреберних ділянок і викликають значну інтенсифікацію тепловіддачі. При значеннях кутової координати ц > 90o, при збільшенні товщини плівки рідини на ребрах, такі ж течії, що інтенсифікують тепловіддачу, можуть мати місце і на ребрах.

При випаровуванні розчину етиленгліколю < 0 і на формування профілю течії плівки рідини капілярний і концентраційний ефекти діють в одному напрямку, стягуючи рідину до основи ребер. При цьому ці ефекти не можуть бути такими виразними, так як етиленгліколь має більшу в'язкість та менший поверхневий натяг, ніж вода і розчин NaCl.

Розглянуті моделі течій, без урахування впливу кривизни поверхні при зміні кутової координати, мають місце тільки у визначеному діапазоні значень кутової координати, коли немає впливу ефектів, зв'язаних з натіканням рідини на трубу чи стіканням з неї, а також при кроці оребрення від 6 до 12 мм. При менших значеннях кроку оребрення визначальний вплив на течію плівки рідини мають капілярні сили.

Узагальнення експериментальних даних для локальної тепловіддачі являє собою непросте завдання, так як на тепловіддачу впливає багато факторів. Цьому видається зручним скористатися критеріальною системою, прийнятою для теплообміну на початковій ділянці, в якій розглядається зміна тепловіддачі по довжині пробігу плівки рідини. Отримані результати осереднення локальних коефіцієнтів тепловіддачі по твірній труби були оброблені в безрозмірних величинах, прийнятих для теплообміну на початковій ділянці, і було отримане наступне рівняння для осередненої по твірній труби тепловіддачі

Nuдx = 1,35(Re /X)0,5(Pr)0,33, (1)

де Nuдx = бцдx/л - число Нуссельта; X = x/дx - безрозмірна довжина пробігу плівки; дx = (3Гх/сgsinц)0.33 - локальна товщина плівки.

Розподіл наведених даних залежить від кроку оребрення і від типу випарюваної рідини, тому при розрахункові середньої тепловіддачі вводиться критерій Вебера.

Для обчислення середніх коефіцієнтів тепловіддачі при випаровуванні плівки рідини (вода, розчин солі, розчин етиленгліколь-вода) на горизонтальних трубах з поперечним оребренням отримана наступна узагальнююча залежність

Nuпл = 0,0765Re0.26Pr0.33We0.06 (2)

де: Nuпл = (бц/лж)(хж2/g)1/3 ; Re = G/мж; We = 2у/(сжgSRпл);

S - крок між ребрами; Rпл - радіус кривизни плівки рідини.

Висновки

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:

1. 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%.

2. 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/(м·с). 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.

3. 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.

4. В результаті узагальнення експериментальних даних отримано в критеріальній формі емпіричну залежність, що відображає характер зміни тепловіддачі на початковій тепловій ділянці в діапазоні зміни числа Рейнольдса Re від 120 до 410 і числа Прандтля Pr від 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.

5. 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 Рейнольдса Re від 120 до 410, числа Прандтля Pr від 4,36 до 7,65 і числа Вебера We від 0,012 до 8,9.

6. 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%.

7. 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).

Список опублікованих робіт за темою дисертації

1. Риферт В.Г., Сидоренко В.И., Усенко В.И. Методика и результаты измерения локальной теплоотдачи при течении пленки жидкости по горизонтальным оребренным трубам // Промышленная теплотехника. - 2001. - Т. 23, № 3. - С. 31-35.

Автору належить проведення експериментального дослідження по визначенню локальних коефіцієнтів тепловіддачі при випаровуванні плівки води, розчину NaCl та розчину етиленгліколю, що стікає по поверхні горизонтальної труби з поперечними ребрами при зміні конструктивних та режимних параметрів, виконання розрахунків середніх по поверхні труби коефіцієнтів тепловіддачі.

2. Риферт В.Г., Сидоренко В.И., Усенко В.И. Исследование характера теплообмена при испарении пленки жидкости на горизонтальных профилированных трубах. // Промышленная теплотехника. - 2002. - Т. 24, № 4. - С. 66-70.

Автору належить проведення експериментального дослідження по визначенню локальних коефіцієнтів тепловіддачі при випаровуванні плівки води, розчину NaCl та розчину етиленгліколю, що стікає по поверхні горизонтальної труби з поперечними ребрами при зміні конструктивних та режимних параметрів, виконання розрахунків осереднених по твірній труби коефіцієнтів тепловіддачі, проведення аналізу результатів експериментального дослідження локальних коефіцієнтів тепловіддачі.

3. Сидоренко В.І. Інтенсифікація теплообміну в плівкових випаровувачах з горизонтальними трубами // Наукові вісті Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут”. - 2003. - № 2(28). - С. 26-29.

Автору належить проведення експериментального дослідження по визначенню локальних коефіцієнтів тепловіддачі при випаровуванні плівки води, розчину NaCl та розчину етиленгліколю, що стікає по поверхні горизонтальної труби з поперечними ребрами в широкому діапазоні зміни конструктивних та режимних параметрів.

4. V. Rifert, I. Zolotukhin, V. Sidorenko. Heat Transfer at Vaporization of Fluid Film on Smooth Horizontal Tube // 3rd European Thermal Sciences Conference. - Heidelberg, Germany, 10-13 September, 2000. - P. 863-866.

Автору належить проведення експериментального дослідження по визначенню локальних коефіцієнтів тепловіддачі при випаровуванні плівки води, розчину NaCl та розчину етиленгліколю, що стікає по поверхні горизонтальної труби з поперечними ребрами в широкому діапазоні зміни конструктивних та режимних параметрів.

5. V. Rifert, V. Sidorenko, V. Usenko, I. Zolotukhin. Methodic of Measurements and Experimental Results of Local Heat Transfer at Liquid Film Flow on the Horizontal Finned Tubes // 5th World Conference on Heat Transfer, Fluid Mechanics and Thermodynamics. - Thessaloniki, Greece, 2001. - P. 1997-2000.

Автору належить створення методики та підготовка технічних засобів для вимірювання локальних коефіцієнтів тепловіддачі, проведення експериментального дослідження по визначенню локальних коефіцієнтів тепловіддачі при випаровуванні плівки води, розчину NaCl та розчину етиленгліколю, що стікає по поверхні горизонтальної труби з поперечними ребрами при зміні конструктивних та режимних параметрів, виконання розрахунків середніх по поверхні труби коефіцієнтів тепловіддачі, виконання розрахунків осереднених по твірній труби коефіцієнтів тепловіддачі.

6. Риферт В.Г., Сидоренко В.И., Усенко В.И. Исследование теплообмена при испарении пленки жидкости на горизонтальной трубе с поперечными ребрами // Труды 3-й Российской Национальной конференции по теплообмену. - Москва, Россия. - 2002. - Т. 6. - С. 191-194.

Автору належить проведення аналізу результатів експериментального дослідження локальних коефіцієнтів тепловіддачі при випаровуванні плівки води, розчину NaCl та розчину етиленгліколю, що стікає по поверхні горизонтальної труби з поперечними ребрами.

Анотація

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/(м·с). 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.

Ключові слова: плівка рідини, локальна тепловіддача, горизонтальна труба з поперечним оребренням, інтенсифікація.

Summary

Sidorenko V.I. Heat transfer by liquid film evaporation flowing down on horizontal cross-finned tubes. - The manuscript.

Dissertation for a degree of the candidate of technical sciences by specialty 05.14.06 - Technical thermal physics and industrial heat power engineering. - National Technical University of Ukraine “KPI”, Ministry of education and science of Ukraine, Kyiv, 2005.

The work is dedicated to investigations directed to increase of work efficiency of film evaporators with horizontal tubes by a way heat transfer intensification at the expense of optimum finning of tube outside surface. The high distinguishing ability method of local heat transfer investigations has been developed. The technical facility for achievement this method have been developed also. The thesis contains experimental researches local heat transfer from a wall of a horizontal cross-finned tube to a liquid film that is flowing down on its outside surface at the temperature of saturation. Variable operating parameter in experiments the liquid mass rate changed in a range of 0,08-0,27 kg / (m · s) was main. Temperature of saturation was 40оС. Main variable design data were the sizes and pitch fins. The diameter of a wire fins was changed from 0,65 mm up to 1,4 mm, and fins pitch - from 2 mm up to 12 mm. For barring bubble boiling in a film the experiments were conducted for want heat flux up to 15 kW/m2. Are represented to empirical dependence for account local heat transfer on a perimeter of a tube and average heat transfer on all surface of a tube.

Keywords: liquid film, local heat transfer, cross-finned horizontal tube, intensification.

Аннотация

Сидоренко В.И. Теплообмен при испарении пленки жидкости, стекающей по поверхности горизонтальной трубы с поперечным оребрением. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.14.06 - Техническая теплофизика и промышленная теплоэнергетика. - Национальный технический университет Украины “КПИ”, Министерство образования и науки Украины, Киев, 2005.

Работа посвящена исследованиям, направленным на повышение эффективности работы горизонтально-трубных пленочных испарителей путем интенсификации теплоотдачи за счет оптимального оребрения наружной поверхности труб, которое направлено на обеспечение снижения термического сопротивления передаче тепла от стенки к среде.

Разработана методика исследования локальной теплоотдачи от профилированной наружной поверхности стенки трубы к пленке жидкости при испарении и разработаны соответствующие технические средства для ее реализации. Методика позволяет с высокой различительной способностью измерять локальную температуру стенки горизонтальной трубы с поперечными ребрами. Экспериментальное исследование закономерностей теплоотдачи проводились на модели горизонтально-трубного пленочного испарителя при режимных и конструктивных параметрах работы подобных испарителей. В качестве рабочего участка экспериментального стенда использовалась электрически обогреваемая пермаллоевая фольга толщиной 0,09 мм, которая обжималась вокруг эбонитовой трубы. Измерение температуры производилось медь-константановыми термопарами, поджимаемыми изнутри к фольге. Три термопары устанавливались на расстоянии 30 мм друг от друга, вдоль одной образующей, симметрично центра рабочего участка. Конструкция опытного участка позволяла изменять положение термопар в продольном направлении на 10 мм и в аксиальном направлении от 0 до 180 градусов (от верхней образующей трубы до нижней образующей). Относительная погрешность вычисления локальных коэффициентов теплоотдачи составила 9,41%.

Диссертация содержит экспериментальные исследования локальной теплоотдачи от стенки горизонтальной трубы с поперечными ребрами к пленке жидкости, стекающей по ее наружной поверхности при температуре насыщения. Основным переменным режимным параметром в опытах была плотность орошения жидкостью теплообменной поверхности, изменяемая в диапазоне 0,08-0,27 кг/(м·с). Температура насыщения при проведении опытов была 40оС. Основными переменными конструктивными параметрами являлись размеры и шаг оребрения. Диаметр проволоки оребрения изменялся от 0,65 мм до 1,4 мм, а шаг оребрения - от 2 мм до 12 мм. Для недопущения пузырькового кипения в пленке опыты проводились при плотности теплового потока до 15 кВт/м2. В качестве рабочих жидкостей использовалась дистиллированная вода, а также водные растворы жидкостей с разным законом изменения поверхностного натяжения при изменении концентрации раствора: раствор NaCl имеет 0, а раствор этиленгликоля имеет 0.

Экспериментальные данные показали, что поперечное оребрение способствует уменьшению толщины пленки жидкости на вершинах ребер и посередине между ними. Тем самым уменьшается термическое сопротивление пленки и увеличивается теплоотдача. Теплообмен происходит на начальном участке тепловой и гидродинамической стабилизации по всей длине пробега пленки по трубе, так как рост осредненной по образующей интенсивности теплоотдачи происходит с увеличением плотности орошения. Дополнительный конвективный теплообмен, вызванный концентрационным эффектом Марангони, вызывает всплеск интенсификации на межреберных участках для жидкости с 0 на участке изменения угловой координаты от 60о до 135о.

На основе анализа экспериментальных данных установлено, что основными факторами, влияющими на процесс теплообмена, являются: нарастание теплового пограничного слоя по всей длине пробега пленки по поверхности трубы; уменьшение толщины пленки жидкости на ребрах и в центре между ними под действием капиллярных сил поверхностного натяжения; наличие конвективных, поперечных течений пленки жидкости, вызванных разницей местных концентраций при испарении растворов жидкостей; увеличение поверхности теплообмена.

В работе получены эмпирические зависимости для расчета локальной по периметру трубы и средней по всей поверхности трубы теплоотдачи в диапазоне изменения числа Рейнольдса Reпл от 120 до 410 и числа Прандтля Pr от 4,36 до 7,65.

Установлено, что при применении поперечного оребрения горизонтальных труб достигается степень интенсификации теплоотдачи от стенки трубы к пленке жидкости в 1,4-2,1 раза.

Ключевые слова: пленка жидкости, локальная теплоотдача, горизонтальная труба с поперечным оребрением, интенсификация.

Размещено на Allbest.ru

...