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

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МЭИ»»На правах рукописиЗабиров Арслан РуслановичИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛООБМЕНА ПРИОХЛАЖДЕНИИ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ТЕЛ ВНЕДОГРЕТЫХ ЖИДКОСТЯХСпециальность 01.04.14 – теплофизика и теоретическая теплотехникаДиссертация на соискание учёной степеникандидата технических наукНаучный руководитель:Доктор технических наук,профессорЯгов Виктор ВладимировичМосква – 2016СОДЕРЖАНИЕВведение …………………………………………………………………………..4Глава 1. Анализ исследований по плёночному кипению жидкости……..…… 71.1.

Плёночное кипение насыщенной жидкости ………………………….…..71.1.1 Устойчивое пленочное кипение насыщенной жидкости …………….…71.1.2 Устойчивое пленочное кипение недогретой жидкости ……………….161.2 Неустойчивое плёночное кипение недогретой жидкости……………….251.2.1 Микропузырьковый режим кипения ………………………………….251.2.2 Влияние недогрева жидкости на процесс закалки……………………381.2.3 «Температура Лейденфроста» при кипении недогретой жидкости…451.2.4 Влияние недогрева на возникновение парового взрыва……………...55Выводы по главе……...………………………………………………………….66Глава 2.

Экспериментальное исследование и расчет процессов охлажденияметаллических тел в жидкостях ………………………………………………..672.1 Описание экспериментального стенда …………………………………...672.2 Описание рабочих участков ………………………………………………782.3 Методический эксперимент по обоснованию способа заделкитермопар………………………………………………………………………….852.4 Теплофизические свойства рабочих участков и охлаждающихжидкостей……………………………………………………..………………….882.5. Расчет граничных условий на поверхности теплообмена………………962.6. Выводы по главе…………………………………………….……………103Глава 3. Устойчивое пленочное кипение……………………………….…….1043.1.

Влияние недогрева…………………………………………………….…1043.2. Влияние давления………………………………………………………...1223.3. Модель устойчивого пленочного кипения недогретой жидкости…....1273.4. Выводы по главе……………………………………………………….....139Глава 4 Неустойчивое пленочное кипение …………………......................... 1414.1.

Влияние недогрева……………………………………………………….14124.2. Влияние давления……………………………………………………...…1574.3. Влияние материала……………………………………………………….1614.4. Критерий устойчивости пленочного кипения………………...……..…169Выводы по главе………..………………………………………………………176Основные результаты…………………………………………………..………177Обозначения ……………………………………………………………………179Литература……………………………………………………………………...183Приложение П.1………………………………………………………………...191Приложение П.2………………………………………………………………...192Приложение П.3………………………………………………………………...1943ВведениеКипение вещества, сопровождающееся образованием межфазнойповерхности под уровнем жидкости, встречается повсеместно.

В любомвеществе, находящемся в жидком состоянии (Тт.т.<Тж<Ткр), возможнопротекание процесса кипения. Температурный диапазон этого явлениячрезвычайно широк и различается для разных веществ. Например, жидкийгелий, охлаждая сверхпроводящие магниты, кипит уже при Т∼4 К, авольфрам, во время разрядов с вольфрамовым катодом и генерации плазмыдля Z-пинчей, при Т>6000К.Огромное число работ, как экспериментальных, так и теоретических,посвящены проблемам кипения. Это связанно, во-первых, с практическойзначимостью этого процесса.

Кипение широко используется во многихотраслях промышленности и энергетики. На ТЭЦ, ТЭС, кипение жидкостей –основной способ генерации пара высокого давления и температуры. На АЭСкипение – отличный способ охлаждения атомных реакторов, позволяющийотводить большие тепловые потоки, при малом температурном напоре. Вэлектронике, авиа и космических технологиях крайне важна разработкакомпактных и легких теплообменных устройств, использующих в качестверабочего тела кипящую жидкость.В металлургии один из самых ответственных этапов производствазаготовок – это закалка, процесс, при котором очень горячий металлпогружаетсяилиорошаетсяжидкостьюдлядостижениябыстрогоохлаждения.Понимание механизмов пленочного кипения холодной жидкости наповерхности горячего металла имеет очень большое значение для описания иразработки модели парового взрыва.

К настоящему времени, многиеспециалисты сходятся во мнении, что именно характер кипения играетключевую роль в инициировании фрагментации расплавленного металла, чтоприводитклавинообразномупарообразованиюпоследствиям.4иразрушительнымИзучение пленочного кипения недогретых жидкостей, в частностиводы, важно с фундаментальной стороны вопроса, в виду отсутствия единойтеории и полного понимания механизмов кипения.

Даже пленочное кипение,которое в отличие от пузырькового и переходного, в предельном случаеподдается аналитическому решению, таит много неразгаданных вопросов.Для постановки задачи обратимся к кривой кипения (рис.В.1), впервыепредложенной японским исследователем Нукиямой (Nukiyama) в 1935г.Рис. В.1. Типичная кривая кипения и схема различных механизмовтеплообмена.Предположим, что кривая кипения «проходится» справа налево. Этоможет иметь место при закалке металлических изделий, в опытах,имитирующих послеаварийное охлаждение твэлов ядерного реактора, атакже в экспериментах, изучающих нестационарный теплообмен в условияхпленочногоохлаждения.Кипениеподдерживаетсязасчетаккумулированного телом тепла и, по мере падения температуры стенки,последовательно воспроизводятся следующие зоны:DE – область пленочного кипения.EC – область переходного кипения.5CB – область пузырькового режима кипения.BA – область однофазной свободной конвекции.Пленочное кипение насыщенной жидкости – хорошо изученныйпроцесс и имеет достаточно полную количественную теорию.

Однако, сростом недогрева жидкости, характер процесса в корне меняется. Режимпленочногокипениянедогретойжидкостиможетхарактеризоватьсяогромным увеличением КТО и плотностей тепловых потоков, что видно изтабл.В.1. Причем это сильно зависит от большого числа параметров, такихкак, род жидкости, величина недогрева, материал греющей поверхности ит.д.Изучению механизмов неустойчивого пленочного кипения недогретыхжидкостей посвящена данная диссертационная работа.Режим кипенияΔТ, Кq, МВт/м2α, МВт/м2Кпузырьковый301,50,05переходный1000,20,002пленочный4000,080,0002неустойчивый>Tlim (>300)2-100,01пленочныйТабл.

В.1. Основные характеристики различных режимов кипения дляводы, при давлении 0,1МПа6ГЛАВА 1. Анализ исследований по плёночному кипению жидкости1.1. Устойчивое плёночное кипение жидкости1.1.1 Устойчивое пленочное кипение насыщенной жидкостиВ простейшей постановке проблема пленочного кипения для случаяламинарного течения пара в пленке была решена Бромли в 1950г [1].Теоретический анализ был проведен путем переноса на условия пленочногокипения тех соотношений, которые использовал Нуссельт при анализепроцессов пленочной конденсации паров.

Далее приведем допущения,которые использовал Бромли:1.Изотермичность поверхности нагрева, Тс = const.2.Температура жидкости принимается равной температуренасыщения при заданном давлении, Тж = Тs .3.Теплофизическиесвойствапара(ρ,λ,μ,cp)считаютсяпостоянными.4.Течение пара ламинарное, граница раздела жидкость-парплоская.5.Пар движется в плоской щели между твердой стенкой инеподвижной жидкостью, т.е. u=0 при y=0 и δ=0.6.Не учитывается конвективный перенос импульса.7.Не учитывается конвективный перенос энергии.8.Введение «эффективной» теплоты парообразования, для учета перегрева пара по отношению ктемпературе Ts .Схема пленочного кипения изображена на рис.1.1.7Рис.1.1. Схема процесса пленочного кипения на вертикальнойповерхности: а - распределение скоростей (1-uгр = 0, 2-∂u/∂y=0); б-профильтемпературы.Уравнение энергии для паровой пленки в случае пренебреженияинерционным членом имеет видd 2T 2 0dyПри граничных условиях:y = 0, T = Tcy = δ, T = TsДвукратное интегрирование дает линейный профиль температур впаровой пленке:Тепловой поток через пленку пара:qT  ТПолучаем простую связь между коэффициентом теплоотдачи итолщиной пленки:8   /Пренебрегая инерционными силами и считая течение ламинарным,запишем уравнение движения:g  ж   п    "d 2и0dy 2Интегрируя это уравнение при граничных условияхy  0, u  0 ;y   , u  u гр .Получаем профиль скоростиg  '   " y  y 2 .u  u гр "2yПри свободной конвекции жидкости могут иметь два предельныхслучая: когда скорость на межфазной границе нулевая uгр=0 и когда вся массажидкости движется со скоростью, равной скорости пара на границе разделафаз.

Второй случай, согласно [2], соответствует невязкой жидкости,касательные напряжения на границе раздела фаз равны нулю, т.е.du / dy гр 0.1 12 " Tx  4 , при u = 0   * "hg LG1 3 " Tx  4 , при du / dy гр  0.   * " hLG  g В итоге получаем осредненный КТО на некоторой длине L:"3*2 4   g  hLG , вариант решения Бромли v" T L39 0,94  4*"3  g  hLG, вариант решения С.С.Кутателадзеv" T  LСтоит отметить, что подход, используемый выше, недостаточно строг.Часть тепла расходуется на перегрев пара,. Как показано в статье [3],чтобы учесть перегрев пара в пленке и искажение поля температур, вводятсяуниверсальныеэффективныезначениятеплопроводностиитеплотыиспарения:√– число (критерий) фазового перехода.,гдеСуществует и другой подход по описанию пленочного кипениянасыщенных жидкостей на вертикальных поверхностях.

Он основывается нааналогии с процессом свободной конвекции. Автор [4] используетмодифицированную формулу для свободной конвекции:Суть модификации заключается в замене:, в числе Грасгофа,, в числе Прандтля.Эта формула для теплообмена, как и другие, приведенные выше,справедливы лишь для ламинарного режима течения пара в пленке.Начальное движение паровой пленки всегда ламинарное, при этоминтенсивностьтеплообменаопределяется,10главнымобразом,теплопроводностью, и - в случае высоких температур греющей поверхности излучением. Однако кинематографические исследования показывают, что намалом расстоянии от начала пленочного кипения граница жидкость-парстановится неустойчивой.