Автореферат (Исследование процессов теплообмена при охлаждении высокотемпературных тел в недогретых жидкостях), страница 3

Нои для других температур жидкости (30 и 50°С) значения плотности тепловогопотока сильно превышают типичные для пленочного кипения насыщеннойжидкости.14Проведены уникальные эксперименты, при избыточном давлении до1.0МПа (рисунок 9). При температуре воды 10°С были достигнутыерекордные недогревы в 170К.

Кривые охлаждения практически повторяютдруг друга. Отметим, что при таком большом недогреве интенсивностьтеплоотдачи очень высокая, и, быть может, относительное влияние давленияне столь очевидно.Рисунок 9 – Осредненные по поверхности термограммы охлаждения45мм никелевого шара при разных давлениях. Температура жидкости: a10°С; b-30°С; c-50°С; d-70°С;Значения КТО необычайно велики для режима кипения при отсутствиипрямого контакта между жидкостью и поверхностью образца и составляют 35 кВт/м2К для давления 0.1МПа и 4-12 кВт/м2К для давления 1.0МПа.Заметно увеличение КТО с ростом давления при фиксированной температурежидкости.

При температуре поверхности 500°С КТО на поверхности сферыпри давлении 1.0МПа практически в два раза превышает КТО при давлении0.1МПа.15Проанализировано влияние материала образца на микропузырьковыйрежим кипения. Как видно из рисунка 10, значения плотности тепловогопотока больше для материалов с низким коэффициентом теплопроводности.Наибольшая плотность теплового потока в режиме интенсивного пленочногокипения, отводится шаром из нержавеющей стали и составляет примерно 45МВт/м2. Наименьшая плотность теплового потока отводится медным иникелевым шаром, и составляет около 2МВт/м2.Рисунок 10 – Расчётные значения осредненной по поверхностиплотности теплового потока для шаров из разных материалов.Мы предположили, что интенсивный режим пленочного кипенияможет возникнуть в случае максимального приближения жидкости к твердойгреющей поверхности.

При этом должны возникнуть стоки тепла на твердойповерхности. В зависимости от температуропроводности металла эти стокилибо просто увеличивают среднюю плотность теплового потока отповерхности шара, либо приводят к появлению на ней «холодных пятен» слокальной температурой ниже Tlim. Основываясь на анализе работы П.Л.Капицы посвященной возникновению волнового течения в стекающихпленках вязкой жидкости, проведена аналогия, применительно квозникновению волнового режима на межфазной поверхности припленочном кипении.

П.Л. Капица установил границу волнового режима:()В нашем случае жидкая фаза движется за счет сил плавучести из-занеоднородности плотности, вызванной градиентом температуры (рисунок 7).Запишем число Рейнольдса в общем виде:16Скоростьв пределах пограничного слоя имеет следующий вид:В условиях термогравитационной конвекции толщина пограничногослоя:Переходя от числа Рэлея к числу Грасгофа, получим число Рейнольдсадля свободной конвекции:Теперь введем безразмерное число K0, которое будет определяющимдля границы устойчивости ламинарного и волнового течения жидкости:Подберем число K0, основываясь на наших данных. Недогрев, прикотором начинается интенсивный режим кипения, соответствует значениямΔTsub≈22К.

Диаметр шара D=32мм. Свойства жидкости, входящие ввыражение для безразмерного числа K0 берем по определяющей температуреTопр=(Tsat – Tliq)/2. Получаем, что граничное число K0≈4.Перфторгексан PrKaGrK0P=0.1МПаТ=30°C9.01.525*1093.013*1083.6998T=0°C10.61.284*104.199*103.6288T= -30°C12.77.474*104.09*103.388T= -60°C15.63.548*103.357*102.9ИзопропанолPrKaGrK0P=0.1МПаТ=30°C20.97.299*1092.575*1081.13787T=0°C27.81.623*101.806*100.96677T= -30°C38.33.064*101.029*100.76766T= -60°C55.54.777*105.022*100.575ВодаPrKaGrK0P=0.1МПаТ=80°C1.92.141*10127.492*1074.3128T=60°C2.21.328*101.064*104.5118T= 40°C2.57.869*101.093*104.2117T= 20°C2.94.451*109.592*103.8Таблица 1 – Характерные значения параметра К017Из таблицы 1 мы видим, что значения параметра К0, который отвечаетза возникновение волнового течения пленки, для спирта и перфторгексанаменьше, чем для воды.

Может быть, именно по этой причине, на этихжидкостях не наблюдается переход к интенсивному режиму кипения. Однакоданная гипотеза нуждается в дальнейшем, более глубоком изучении.1.2.3.4.5.6.ЗАКЛЮЧЕНИЕСпроектирован и создан экспериментальный стенд «Режимыохлаждения высокотемпературных поверхностей». Стенд позволяетпроводить эксперименты по охлаждению от начальной температуры450-750°C шаров из нержавеющей стали, меди и никеля в жидкостях стемпературой Тliq от - 80 до +100°С, при давлениях p от 0.1 до 1.0МПа.Получен массив новых систематизированных опытных данных отеплообмене при охлаждении нагретых до высокой температуры шаровдиаметром 30-51 мм в четырех охлаждающих жидкостях с весьмаразличными свойствами (вода, изопропанол, этанол и перфторгексан) врежиме устойчивого пленочного кипения; достигнуты рекордныенедогревы до 160К; впервые проведено исследование пленочногокипения недогретых жидкостей на поверхностях большого (всравнении с капиллярной постоянной) размера при давлениях до1.0МПа.С использованием полученных опытных данных осуществленасущественная коррекция ранее разработанной на кафедре ИТФ МЭИмодели устойчивого пленочного кипения недогретых жидкостей.Установлено, что при охлаждении высокотемпературных тел внедогретых спиртах и перфторгексане режим неустойчивогопленочного кипения с высокой интенсивностью теплообмена невозникает даже при высоких недогревах до температуры насыщения вовсем изученном диапазоне давлений.Исследования неустойчивого пленочного кипения недогретой дотемпературы насыщения воды проведены на рабочих участках из трехразличных металлов в широком диапазоне изменения недогревов иизбыточных давлений; установлено, что возникновение режимаинтенсивного теплообмена определяется именно степенью недогревадо насыщения, а не абсолютным значением температуры охлаждающейводы.Решение обратной задачи теплопроводности (ОЗТ) позволило наоснове первичных термограмм охлаждения рассчитать распределениепо поверхности шара теплового потока и КТО в режимах интенсивногоохлаждения и при устойчивом пленочном кипении.

В режимахинтенсивного охлаждения в недогретой воде плотность тепловогопотока составляет 2-7 МВт/м2. Проанализировано влияние недогрева,давления, материала образца и свойств поверхности на теплообмен принеустойчивом пленочном кипении воды.187.Предложена гипотеза, связывающая возникновение режимовинтенсивного пленочного кипения недогретой воды при охлаждениивысокотемпературных тел с возникновением волнового движениямежфазной поверхности; с использованием результатов анализаволнового движения гравитационных пленок, выполненного П.Л.Капицей, предложен критерий перехода к волновому течениюжидкости на поверхности паровой пленки.Публикации по работе1.

Забиров А.Р., Лексин М.А., Ягов В.В. Закономерности теплообменав процессах закалки. Вестник МЭИ. 2015, №1, с. 51-59.2. Ягов В.В., Забиров А.Р., Лексин М.А. Нестационарный теплообменпри пленочном кипении недогретой жидкости. Теплоэнергетика.2015, №11, с. 70-80.3.

V.V. Yagov, M.A. Lexin, A.R. Zabirov, O.N. Kaban’kov. Film boiling ofsubcooled liquids. Part I: Leidenfrost phenomenon and experimentalresults for subcooled water. International Journal of Heat and MassTransfer. 20164. Zabirov A., Yagov V. and Leksin M. Study of heat transfer mechanism inquenching process. Proc. 11th International Conference on Heat Transfer,Fluid Mechanics and Thermodynamics, 20-23 July 2015, Kruger NationalPark, South Africa, pp. 665-6715. Lexin M.A., Yagov V.V., Pavlov P.A., Zabirov A.R. Experimental study ofheat transfer at cooling of high-temperature bodies in subcooled liquids//Proc. 6th Int. Conf.

Transport Phenomena in Multiphase Systems. Poland,2011. Р. 301 — 306.6. М.А.Лексин, А.Р.Забиров, В.В.Ягов. Охлаждение металлических тел внедогретой смеси изопропанол-вода. Проблемы газодинамики итеплосассообмена в новых энергетических технологиях: Тезисыдокладов XVIII Школы-семинара молодых учёных и специалистов подруководством акад. РАН А.И. Леонтьева 2011, Россия.

С. 191-192.7. М.А.Лексин, А.Р.Забиров, О.В.Шаповал. Условия теплообмена наповерхности металлического шара в процессе охлаждения в недогретойжидкости. Проблемы газодинамики и теплосассообмена в новыхэнергетических технологиях: Тезисы докладов XVIII Школы-семинарамолодых учёных и специалистов под руководством акад. РАН А.И.Леонтьева 2011, Россия. С. 68-71.8. А.Р.

Забиров, В.В. Ягов. Опытное исследование интенсивногоохлаждения высокотемпературных тел в жидкости. Радиоэлектроника,электротехника и энергетика: XVII Межд. науч.-техн. конф. студентови аспирантов: Тез. докладов. М.: Изд. дом МЭИ, 2011, Т.3, с.59-60199. Забиров А.Р., Денисов М.А., Канин П.К., Ягов В.В. Охлаждениевысокотемпературных металлических шаров в изопропаноле иперфторгексане в условиях больших недогревов. Инновации в атомнойэнергетике: Сб. докладов конференции молодых специалистов, Изд-воАО «НИКИЭТ» 2015г.