Автореферат (Исследование процессов теплообмена при охлаждении высокотемпературных тел в недогретых жидкостях)

На правах рукописиЗабиров Арслан РуслановичИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛООБМЕНА ПРИОХЛАЖДЕНИИ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ТЕЛ В НЕДОГРЕТЫХЖИДКОСТЯХСпециальность 01.04.14 – Теплофизика и теоретическая теплотехникаАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата технических наукМосква – 20161Работа выполнена на кафедре Инженерной теплофизики Федеральногогосударственного бюджетного образовательного учреждения высшегообразования «Национальный исследовательский университет «МЭИ»Научный руководитель:ЯГОВ Виктор Владимировичдоктор технических наук, профессор,профессор кафедры Инженерной теплофизикиФГБОУ ВО НИУ «МЭИ»Официальные оппоненты:Сорокин Александр Павлович,доктор технических наук, заместитель директораотделения безопасности ЯдерныхЭнергетических Установок, начальник отделаТеплофизических исследований ГНЦ РФ«Физико-энергетического института имениА.И.Лейпунского»Ивочкин Юрий Петрович,доктор технических наук, заведующийлабораторией теплообмена в ядерныхэнергетических установках, ФГБУН«Объединенный институт высоких температурРоссийской академии наук»Ведущая организация:ФГБУН «Институт теплофизики Уральскогоотделения Российской академии наук»Защита диссертации состоится 24 июня 2016 года в 10 часов 00 мин.

назаседании диссертационного совета Д 212.157.04 при ФГБОУ ВО «НИУ«МЭИ» по адресу: 111250, г. Москва, ул. Красноказарменная, д.17, корп. Т,кафедра Инженерной теплофизики им. В.А. Кириллина, ауд. Т-206.С диссертацией можно ознакомиться в Научно-техническойбиблиотеке ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ» и на сайте www.mpei.ru.Отзывы на автореферат (в двух экземплярах) с подписями, заверенныепечатью учреждения, просим присылать по адресу 111250, Москва,Красноказарменная ул., дом 14, Ученый совет ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ».Автореферат разослан «___» __________ 2016 года.Ученый секретарьдиссертационного советаД 212.157.04А.К. Ястребов2кандидат технических наукАктуальность темыВопросы, связанные с охлаждением высокотемпературных тел внедогретых жидкостях, имеют ключевое значение в технологии закалки, впроцессах повторного поставарийного залива при авариях на АЭС, а также впроблеме парового взрыва.

В настоящее время отсутствует не толькоколичественная теория теплообмена при пленочном кипении сильнонедогретой жидкости, но и убедительное качественное объяснение высокойинтенсивности переноса тепла между перегретой твердой поверхностью инедогретой жидкостью, в условиях, когда прямой контакт жидкость-стенканевозможен (противоречит термодинамике). Без выявления механизмовэтого процесса нельзя построить количественную теорию парового взрыва, вчастности, определить сочетание режимных параметров, при которых этоявление возможно (или неизбежно). Для расчета поля температур вметаллических изделиях в процессе закалки, что важно для прогнозированиявнутренних структур металла, также необходимо иметь, если не строгуютеорию теплообмена, то хотя бы надежные эмпирические зависимости,связывающие плотность теплового потока на поверхности изделия спараметрами охлаждающей среды.

Научная значимость проблемысамоочевидна, поскольку обнаруженные в опытах коэффициентытеплоотдачи (КТО) при пленочном кипении недогретой воды на 1-2 порядкапревосходят КТО при пленочном кипении насыщенной жидкости, чтосегодня выглядит загадкой.Цель работыЦель работызаключаетсяв установленииколичественныхзакономерностей интенсивности охлаждения от варьируемых режимныхпараметров, теплофизических свойств жидкости и материала рабочегоучастка. Для этого были проведены комплексные опытные исследования сиспользованием не только воды, но и других охлаждающиходнокомпонентных жидкостей; в качестве рабочих участков использовалисьшары различного диаметра из разных металлов. Проведены экспериментыпри различных давлениях охлаждающей жидкости, что позволяет расширитьдиапазон недогревов до температуры насыщения. Проведение модернизациимодели устойчивого пленочного кипения жидкостей в условияхзначительных недогревов до температуры насыщенияНаучная новизнаВыполнены эксперименты по охлаждению высокотемпературных шаровиз никеля и нержавеющей стали в перфторгексане, изопропиловом иэтиловом спирте в огромном диапазоне недогревов (до 160К) при3атмосферном давлении.

Эти эксперименты не выявили наличиеинтенсивного переноса тепла, обнаруженного ранее в опытах на недогретойводе.Проведены уникальные эксперименты по охлаждению рабочего участкаиз никеля в изопропиловом спирте и перфторгексане под избыточнымдавлением (~1.0МПа). Эти эксперименты также не выявили наличия, такназываемого микропузырькового режима кипения.Проведено уточнение полученного ранее приближенного уравнениятеплообмена при пленочном кипении недогретой жидкости с двумяэмпирическими численными коэффициентами. Уравнение показываетхорошее согласие с экспериментальными данными авторов и с имеющимисярезультатами других исследователей.Эксперименты показали, что пленочное кипение недогретых жидкостейочень чувствительно к состоянию поверхности теплообмена.Проведена серия экспериментов по охлаждению высокотемпературныхшаров из нержавеющей стали, никеля и меди в воде при температуре от +10до +90°С при давлениях от 0.1 до 1.0МПа.

Доказано возникновениеинтенсивного режима пленочного кипения для всех материалов и при всехдавлениях. Необходимое условие – наличие недогрева воды (~25К дляатмосферного давления).Построена качественная модель, позволяющая определить критерийперехода к волновому течению жидкости на межфазной границе. Выдвинутопредположение, что наличие волнового движение может быть причинойвозникновение интенсивного режима пленочного кипения.Практическая ценностьВыявлены закономерности теплообмена при пленочном кипениинедогретых жидкостей и проанализировано влияние: недогрева, избыточного давления материала образцаНа основе впервые полученного обширного массива экспериментальныхданных предложено уравнение для расчета КТО устойчивого пленочногокипения недогретых жидкостей, которое может применяться в технологиизакалки в металлургической промышленности.На защиту выносятся:•результаты экспериментальных исследований по влиянию напленочное кипение: материала образцов, выполненных из меди, никеля инержавеющей стали.4••• свойств охлаждающей жидкости: воды, этанола, изопропанола иперфторгексана величины недогрева охлаждающей жидкости (до 160К) избыточного давления ( до 1.0МПа )методика и результаты определения коэффициента теплоотдачии теплового потока на поверхности охлаждаемых шаровмодифицированная модель теплообмена и расчетное уравнениекоэффициентов теплоотдачи в условиях устойчивогоплёночного кипения недогретой жидкости в большом объёме;гипотеза, связывающая возникновение режимов интенсивногопленочного кипения недогретой воды при охлаждениивысокотемпературных тел с возникновением волновогодвижения межфазной поверхностиАпробация работы.Результаты работы докладывались: 11th International Conference on HeatTransfer, Fluid Mechanics and Thermodynamics, 20-23 July 2015, KrugerNational Park, South Africa; 6th Int.

Conf. Transport Phenomena in MultiphaseSystems. Poland, 2011; на 6ой Российской национальной конференции потеплообмену, Москва, 2014 г; на конференции молодых специалистов«Инновации в атомной энергетике» АО «НИКИЭТ» 2015г.; на 19 и 20ойшколе-семинаре молодых ученых и специалистовпод руководствомакадемика РАН А.И. Леонтьева 2011, 2013 и 2015 гг.; на 17, 20ой, 21ой и22ой Международных научно-технических конференциях студентов иаспирантов, Москва, 2014, 2015 и 2016 гг.ПубликацииОсновные положения диссертационной работы изложены в публикациях[1-14].Структура и объем работыДиссертация общим объемом 200 страниц состоит из введения, четырехглав и заключения, содержащего основные выводы по работе. Списокцитируемых источников составляет 72 наименований.СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении обосновывается актуальность темы диссертации.Сформулирована цель и основные задачи работы.Первая глава посвящена современному состоянию исследований поданной проблеме.

Как показывает анализ научных работ, можно5констатировать, что: существует особый режим кипения, характеризующийся высокимизначениями КТО в условиях, когда прямой контакт жидкость-стенканевозможен (Тс > Tcr). В настоящей работе для его обозначения используютсякак равнозначные термины “микропузырьковое кипение” и “режиминтенсивного теплообмена при пленочном кипении недогретых жидкостей”. температура поверхности, при которой возникает микропузырьковоекипение, многими авторами неверно принимается за температуруЛейденфроста. Обычно с температурой Лейденфроста связываютвозможность прямого контакта жидкости с нагретой стенкой, чтоневозможно в режиме интенсивного пленочного кипения. большое количество исследований указывает на то, чтомикропузырьковое кипение может служить триггером для возникновенияпарового взрыва. в настоящее время отсутствует не только количественная теориятеплообмена при пленочном кипении сильно недогретой жидкости, но иубедительное качественное объяснение высокой интенсивности переносатепла между перегретой твердой поверхностью и недогретой жидкостью, вусловиях, когда прямой контакт жидкость-стенка невозможен (противоречиттермодинамике).Во второй главе приводится описание экспериментального стенда(рисунок 1), методики измерений и системы автоматизации эксперимента, атакже обсуждаются основные теплофизические свойства охлаждающихжидкостей и опытных образцов.Стенд рассчитан на проведение опытов в интервале давлений от 0.1 до1.0 МПа и температур охлаждающей жидкости от -80ºС до 100ºС.