Диссертация: Теплообмен при кипении на развитых поверхностях в промышленных теплообменных аппаратах.

Актуальность темы исследования. Наиболее приоритетной задачей совершенствования теплообменных аппаратов является уменьшение их массогабаритных показателей. В значительной степени это относится к испарителям, которые представляют собой один из основных аппаратов, входящих в состав теплоэнергоустановок: тригенерационных, холодильных и теплонасосных, нашедших применение в различных отраслях промышленности и агропромышленного комплекса. Эту задачу диктует также интенсивное развитие энергетических мощностей и объема производства в энергетике, химической, пищевой и других отраслях промышленности [30-А; 84-А; 85-А]. Решение проблемы интенсификации теплообмена в испарителях связано с внедрением научно и экспериментально обоснованных и проверенных методах интенсификации теплообмена при парообразовании. Наиболее эффективным методом интенсификации теплообмена является увеличение теплоотдающей поверхности за счет ее развития тем или иным способом, что способствует уменьшению размеров и массы испарителя. Это является наиболее перспективным направлением интенсификации переноса теплоты при парообразовании [30-А; 84-А; 85-А]. Развитие поверхности теплообмена может идти по пути создания оребренных и капиллярно-пористых поверхностей (КПП), что приводит к уменьшению массогабаритных показателей установки, снижению энергетических потерь и, в конечном итоге, расхода топлива [30-А; 84-А; 85-А].
Степень разработанности темы исследования. Развитие теплоотдающей поверхности ребрами и созданием КПП приводит к увеличению количества передаваемой теплоты и снижению энергетических потерь. При значительном числе работ по теплообмену при парообразовании не удалось получить теоретическую, кроме того, экспериментально проверенную базу процессов теплообмена на оребренных поверхностях. При парообразовании на продольных и поперечных ребристых поверхностях не исследованы процессы теплообмена, связанные с влиянием площади поверхности и профиля ребер, недостаточно изучено влияние характеристик кипения. Данные, полученные экспериментально, не описывают влияние геометрических характеристик ребра, межреберного расстояния, профиля ребра и его типа [30-А; 84-А; 85-А]. Для обеспечения эффективного теплообмена в испарителях теплоэнергоустановок при использовании натуральных хладагентов и хладагентов, обладающих низким потенциалом глобального потепления и нулевым уровнем разрушения озонового слоя R134а, R404а, R407c, R410а особенно важным становится проведение исследований теплообмена с установлением связи между теплотехническими характеристиками при парообразовании, тепловой нагрузкой, давлением насыщения, теплофизическими характеристиками и другими величинами, влияющими на КТО при передаче теплоты [30-А; 84-А; 85-А]. Оребренные поверхности играют значительную роль и могут найти широкое применение при отводе больших тепловых потоков. Это связано с тем, что на ребре существуют различные режимы кипения, отличающиеся своей интенсивностью, которая обусловлена изменением температуры по высоте ребра, в связи с чем оребренной поверхностью возможна передача большого количества теплоты при относительно небольших разностях температур между температурой насыщения и греющей поверхностью [30-А; 84-А; 85-А]. При рассмотрении интенсивности теплообмена необходимо отметить то обстоятельство, что размеры и геометрические характеристики оребренных поверхностей испарителей принимаются без достаточных на то оснований. Также слабо представлены исследования процессов переноса теплоты при парообразовании маслофреоновых смесей, где ребристые поверхности имеют несомненное преимущество [30-А; 84-А; 85-А]. Недостаточно изучены процессы теплообмена при парообразовании на ребристой поверхности в области первого кризиса кипения [30-А; 84-А; 85-А]. Работы, представляющие теплообмен при кипении и его интенсификацию на поверхностях с КПП часто недостаточно представлена информация о свойствах покрытий и независимых параметрах, влияющих на интенсивность теплообмена, которые могли бы быть представлены в качестве независимых переменных в критериальных уравнениях. Расчетные соотношения, полученные для КТО при парообразовании на КПП и на ребристых поверхностях, можно применять только для исследованных условий эксперимента. Одним из наиболее эффективных методов повышения интенсивности передачи теплоты при парообразовании является создание необходимых для этого условий на теплоотдающей поверхности. Эта поверхность должна быть готова для генерации паровой фазы и должна иметь как можно больше активных центров парообразования с возможно большей их плотностью. Интенсификация теплообмена при парообразовании за счет оребрения позволяет значительно понизить разности температур при тех же тепловых потоках [30-А; 84-А; 85-А]. Автор выражает большую признательность соавторам опубликованных работ за возможность использования совместно полученных экспериментальных результатов по передаче теплоты при парообразовании.
Цель и задачи работы. Цель работы  получение расчетных соотношений на основе теоретического и экспериментального определения закономерностей процессов переноса теплоты при парообразовании на оребренных поверхностях и КПП, которые могут быть использованы при разработке испарителей с высокими массогабаритными и энергетическими показателями; экспериментальное определение интенсивности теплоотдачи при парообразовании хладагентов R134a, R404a, R407c и R410a на исследуемых поверхностях с получением расчетных уравнений для КТО; разработка и определение критических параметров при первом кризисе кипения.
Задачи:  экспериментальные и теоретические исследования процессов переноса теплоты при фазовом переходе «жидкость – пар» в условиях большого объема на теплоотдающих неизотермических оребренных поверхностях;  определение влияния режимных факторов, свойств кипящей среды, особенностей теплоотдающей поверхности и внутренних характеристик процесса кипения на интенсивность теплообмена;  экспериментальное определение КТО при парообразовании R134a, R404a, R407c и R410a на ребристых и КПП;  получение обобщенных соотношений для КТО при парообразовании на исследованных поверхностях;  разработка теплофизической модели процесса переноса теплоты при фазовом переходе «жидкость – пар» на неизотермической поверхности ребра с решением полученных уравнений и установлением закономерностей изменения разности температур, КТО и тепловой нагрузки по ребру;  установление необходимых соотношений для разработки методики расчета оребренных теплоотдающих поверхностей при кипении на них жидкостей [30-А; 84-А; 85- А]. Объект исследования – процессы переноса теплоты при развитом пузырьковом фазовом переходе «жидкость – пар» в условиях большого объема на неизотермических оребренных и КПП; перенос теплоты в рассматриваемой системе и закономерности этого процесса.
Научная новизна. Научная новизна диссертационной работы заключается в теоретическом и экспериментальном изучении процессов переноса теплоты при развитом пузырьковом фазовом переходе «жидкость – пар» в режиме свободного движения жидкости на оребренных и КПП легкокипящих жидкостей и озонобезопасных хладагентов R134а, R404а, R407c, R410а с установлением влияния режимных факторов, теплофизических свойств жидкостей, внутренних характеристик процесса кипения и размеров теплоотдающей поверхности на КТО; обобщение и получение коэффициентов критериальных уравнений для расчета КТО при кипении на гладких, оребренных и КПП; разработка и решение теплофизической модели теплообмена при парообразовании на оребренных и гладких поверхностях [30-А; 84-А; 85-А].
Теоретическая и практическая значимость. Теоретическая и практическая значимость работы состоит в получении аналитических и графических зависимостей для расчета КТО, плотностей тепловых потоков и разности температур при парообразовании на ребрах (в т.ч. шипах) в режиме развитого пузырькового кипения и при первом кризисе кипения; обобщение и разработка расчетных зависимостей для КТО при кипении на оребренных и КП поверхностях при расчете испарителей холодильных, теплонасосных и тригенерационных установок; разработка методики теплового конструктивного расчета оребренных поверхностей [30-А; 84-А; 85-А].
Методология и методы исследования. При получении аналитических и графических зависимостей для расчета КТО, тепловых нагрузок и температурных напоров при парообразовании на ребрах (в т.ч. шипах) в режиме развитого пузырькового кипения и при первом кризисе кипения, в основу методологии положены теоретические и экспериментальные методы исследования процесса переноса теплоты. Обработка и обобщение экспериментальных данных основана на методе получения расчетных зависимостей в критериальном и размерном виде [30-А; 84-А; 85-А].
Положения, выносимые на защиту: впервые разработанную теплофизическую модель переноса теплоты при интенсивном пузырьковом парообразовании на неизотермических оребренных и гладких теплоотдающих поверхностях; полученные в результате исследований данные о влиянии давления насыщения, температурных напоров, внутренних характеристик парообразования, площади теплоотдающей поверхности и свойств исследуемых жидкостей на КТО; впервые теоретически полученные расчетные соотношения для КТО оребренной поверхности, которые устанавливают независимость интенсивности теплоотдачи от профиля и типа ребра, что следует из экспериментальных данных; результаты решения дифференциальных уравнений теплопроводности для ребер различного типа и профиля на основе моделирования процесса парообразования на них [30- А; 84-А; 85-А]. Личный вклад соискателя. Главные и принципиально новые теоретические результаты диссертационной работы по теплообмену при парообразовании на ребрах (теплофизическая модель) получены лично автором, а экспериментальные результаты – с соавторами.
Вклад соискателя в опубликованные работы с соавторами заключается в том, что соискателем проведены теоретические исследования, выполнены расчетные работы, проведен анализ данных, полученных в ходе исследований.
Достоверность полученных в работе результатов определяется: - использованием средств и устройств отображения, сбора и обработки данных, прошедшие аттестацию; - оценкой неопределенностей, которым соответствуют республиканские и международные стандарты и с которыми экспериментально определены и рассчитаны основные величины; - достаточно приемлемым соответствием результатов, полученных в тестовых опытах, с результатами отечественных и зарубежных исследователей; - полученными при проведении экспериментов коэффициентами уравнений подобия, значения которых соответствуют применяемым в настоящее время.
Материалы диссертации были представлены, докладывались и обсуждались на 20-ти МНТК, форумах и семинарах в г.г. Москва, С.- Петербург, Рыбинск (Россия), Варна (Болгария), Минск, Гомель (Беларусь), Гренобль (Франция), Одесса (Украина) в период с 1984 года по 2020год. По результатам конференций и семинаров было опубликовано более 30 статей и тезисов.
Основные результаты диссертации опубликованы в 96 печатных работах, из них: в 3 монографиях, в 56 статьях, входящих в перечень ВАК, в 10 статьях, имеющих индекс Scopus/Web of Science.
Диссертация включает в себя введение, 6 глав основного текста, заключение, список литературы и приложения. Она состоит из 264 страниц основного текста, 78 рисунков и 18 таблиц.