Исследование критической плотности теплового потока при квазистационарном нагреве поверхностно кипящих бинарных смесей

Автор: Кожокару Виктор Владимирович, Лыков Евгений Васильевич

Журнал: Вестник Донского государственного технического университета @vestnik-donstu

Рубрика: Механика

Статья в выпуске: 1 (80) т.15, 2015 года.

Бесплатный доступ

Измерены плотность теплового потока и температура нагревателя одновременно при различных недогревах жидкости до точки кипения. В экспериментах применен квазистационарный метод нагрева, благодаря которому можно точно зафиксировать критическую плотность теплового потока ( q кр) и температуру нагревателя ( Т ст). На основании экспериментального изучения поверхностного кипения определено, что критическая плотность теплового потока значительно зависит от недогрева жидкости. При температуре ядра жидкости Т я= 30 0С в смеси вода- n -бутанол 10 % критическая плотность теплового потока достигает значительной величины 20,68 МВт/м 2, а при Т я=90 0С в разы меньшей q кр=2,98 МВт/м 2. Это связано с увеличением температурного напора (∆ Т = Т ст кр+ Т я) в момент возникновения q кр.

Еще

Поверхностное кипение смесей, критическая плотность теплового потока (q кр), температурный напор (∆т), temperature drop (∆т)

Короткий адрес: https://sciup.org/14250129

IDR: 14250129   |   DOI: 10.12737/10374

Текст научной статьи Исследование критической плотности теплового потока при квазистационарном нагреве поверхностно кипящих бинарных смесей

Введение. Значительно увеличить производство электрической энергии возможно только за счет строительства или модернизации тепловых электростанций [1]. Все тепловые электростанции работают по циклу Ренкина, где в качестве рабочего тела можно использовать только пар. Большое количество пара получают при кипении, поэтому изучение процесса кипения представляет научный и практический интерес.

При нагреве кипящей жидкости обнаруживается критическая (максимальная) плотность теплового потока q кр [2], которая соответствует максимальной скорости пара, отходящего от поверхности нагрева. Цель работы — определить величину q кр и Т ст кр при различных недогревах ядра жидкости.

Механика

Экспериментальная установка и методика эксперимента. Подвод тепла в жидкость осуществлялся от медной проволоки-нагревателя d=50 мкм, длиной 49,5 мм. В качестве тепловыделяющего элемента проволока выбрана неслучайно, т.к. достоверные данные по qкр можно получить только при кипении на достаточно нагретой проволоке [3]. Нагреватель крепился на стержни 8х8 мм с помощью специальных держателей, которые обеспечивали надежное соединение без падения напряжения. От аккумуляторных батарей на стержни через регулятор тока (1) поступала электрическая мощность. Регулятор тока выполнен на базе транзисторов TIP 3055. Для поддержания постоянной температуры радиоэлементов регулятор тока был собран на радиаторе с принудительным воздушным охлаждением. Ток I и паде- ние напряжения на проволоке U измерялось с помощью цифровых мультиметров и токовых клешей АРРА. Данные сохранялись на ЭВМ с частотой 0,5 с.

сосуд проволока подогреватель

Рис.1. Экспериментальная установка. Слева — схема установки, справа — принципиальная схема регулятора тока

Стеклянный сосуд, в котором кипела исследуемая жидкость, представлял собой цилиндр объемом 150 мл. В качестве исследуемых жидкостей использовались вода дистиллированная техническая ГОСТ 6709-72, этанол «Люкс» ГОСТ 30536-97, n -бутанол чистый для анализов ГОСТ 6006-78 и их смеси. Температура ядра жидкости Т я фиксировалась с помощью ртутного термометра ТЛ-2. Для поддержания заданной Т я использовался прецизионный термостат (2) с внешним подогревателем.

Перед проведением опыта проволока обязательно прокаливалась при пропускании через нее постоянного электрического тока в воздушной среде. Температура прокаливания должна превышать максимальную температуру предстоящих измерений для того, чтобы устранить механические неоднородности в проволоке, оказывающие влияние на термоэлектрические свойства термометра сопротивления. Такой особый метод обработки проволоки мы назвали кондиционированием [4]. В опытах без предварительного кондиционирования проволоки не удавалось получить хорошей статистики.

Нагреватель погружался в жидкость на 1 см от поверхности жидкости и служил термометром сопротивления и датчиком выделяемой мощности. Средняя температура поверхности проволоки определялась по ранее полученной градуировочной кривой зависимости температуры проволоки от сопротивления проволоки.

Установка обеспечивала квазистатический метод нагрева, т. е. по мере увеличения температуры нагревателя Т ст устанавливались постоянные температура пристеночного слоя, плотность теплового потока и количество центров парообразования. Регулятор тока давал возможность плавного увеличения Т ст .

Кривая кипения. На установке получена кривая кипения (рис. 2) в n -бутаноле при температуре ядра жидкости Т я =117 0С на медной проволоке-нагревателе d =50 мкм при квазистационарном нагреве. Кривой кипения называют зависимость плотности теплового потока от температуры нагревателя при кипении жидкости.

При нагреве от Т ст =117 0С до 125 0С (на рис. 2 точка А) в жидкости наблюдается конвекция кипящей жидкости. В этом диапазоне температур поток тепловой энергии от нагретой стенки к жидкости незначительный, q < 0,05 МВт/м2. При дальнейшем квазистанионарном увеличении температуры нагревателя ( Т ст =125 0С) происходит вскипание жидкости. В области 125< Т ст <157 0С пузырьковое кипение развивается, при этом очень интенсивно возрастает величина q (с 0,05 до 0,71 МВт/м2). В 1-бутаноле начало кризиса кипения (на рис. 2 точка Б) наступает при величине q кр =0,71 МВт/м2 и Т ст кр =157 0С. С дальнейшим увеличением Т ст > Т ст кр плотность теплового потока q по каким-то причинам не увеличивается. По-видимому, в этой точке на плотность потока энергии жидкость накладывает ограничения. При этом происходит смена режима кипения [5]. В точке Г плотность теплового потока q возобновляет свой рост, вплоть до расплавления нагревателя.

Рис. 2. Кривая кипения при поверхностном насыщенном кипении n -бутанола

Кривая кипения описывается уравнением Ньютона - Рихмана

q =а-А T =а< Т ст - Т я ),                                                  (1)

где а — коэффициент теплоотдачи; Т ст — температура поверхности нагрева; Т я = const температура жидкости при насыщенном кипении.

В уравнении (1) а зависит от Т с т. В экспериментах по насыщенному кипению измеряют q , Т с т и Т я , а затем вычисляют а. При кипении воды на платиновой проволоке-нагревателе d =200 мкм по данным Ван Стралена [6] q кр=0,7 МВт/м2, Т сткр =121 0С, а кр =33,3 кВт/Км2.

Обсуждение результатов . На описанной экспериментальной установке получены кривые кипения в смеси вода-этанол 20 % по массе этанола и вода- n -бутанол 10 % по массе n -бутанола при 30< Т я <90 0С. Каждая кривая кипения была получена по результатам трех реализаций кривой кипения. По кривой кипения определены q кр и Т с т кр. Зависимости q кр от Т я в двух исследуемых нами смесях приведены на рис. 3. На рис. 4 представлены результаты по определнию А Т=Т ст кр я в смесях вода-этанол 20 % по массе и вода- n -бутанол 10 %. Каждая точка на графике есть результат обработки кривой кипения, полученной при заданных условиях.

По результатам экспериментов q кр зависит от температуры ядра жидкости. При кипении смеси вода-этанол 20 % при Т я =30 0С, q кр =21,97 МВт/м2, а при Т я =80 0С, qw =4,88 МВт/м2. В смеси вода- n -бутанол 10 % при Т я =70 0С, q кр =13,82 МВт/м2, а при Т я =90 0С, q кр =2,98 МВт/м2.

Механика

Для определения максимального коэффициента теплоотдачи при ненасыщенном кипении уравнения (1) мож- но записать:

а кр   q кр /( Т ст кр я ).

Рассчитав значения а кр по формуле (2) получим, что в диапазоне температур Т я от 30 до 90 0С в смеси вода- n -бутанол 10 % величина а кр увеличивается от 71,7 до 191,2 кВт/К м2, а в смеси вода-этанол 20 % от 81,1 до 182,5 кВт/Км2, т.е. увеличивается более чем в 2 раза.

Рис. 3. Зависимость q кр от Т я , слева — в смеси вода-этанол 20 % по массе и воды по данным Ван Стралена [7], справа — в смеси вода- n -бутанол 10 % по массе

Из рис. 3 и 4 прослеживается связь между q кр и ∆ Т . Если в жидкости можно достичь большего значения ∆ Т , то в ней будет наблюдаться более высокое значение q кр .

Из уравнения Лапласа, получим следующее уравнение [9]:

r 0 ~2σ/ p∆Т,                                                         (3)

где r 0 — радиус кривизны наименьшего из действующих центров парообразования; σ — поверхностное натяжение; p — производная давления.

С увеличением ∆ Т уменьшается r 0 , что способствует увеличению количества центров парообразования на поверхности нагрева. Увеличение количества центров парообразования при уменьшении Т я так же подтверждается нашими наблюдениями и наблюдениями, представленными в работе [9].

На центрах парообразования происходит интенсивное выделение тепловой энергии по сравнению с остальной поверхностью нагрева, которая покрыта жидкостью. Ведь для превращения 1 г воды при Т я =110 0С в пар необходимо затратить порядка 2229,7 Дж, а для нагрева 1 г при той же температуре воды на 1 0С всего 4,217 Дж [10]. Увеличение центров парообразования на поверхности нагрева способствует повышению плотности теплового потока q . Таким образом увеличение ∆ Т=Т ст кр я приводит к возрастанию q кр .

Плотности теплового потока более 0,5 МВт/м2 труднодостижимы в технике. Так на ТЭНах возможно достичь плотность теплового потока порядка 0,03–0,4 МВт/м2, на тепловых трубах новой конструкции 0,1–0,2 МВт/м2, в современных тепловых котлах 0,2–0,3 МВт/м2. Максимально достижимые плотности теплового потока на ТВЭЛе атомных реакторов 2 МВт/м2. Планируемый тепловой поток через стенку вакуумной камеры в термоядерных реакторах типа Токамак может достичь плотности теплового потока 1–10 МВт/м2 [11]. Во всех этих теплообменных установках используют воду. Замена теплоносителя, например, на смесь вода-этанол 20 % повысит тепловой поток, отходящий от нагревателя в несколько раз.

Выводы:

  • 1.    Критическая плотность теплового потока q кр существенно зависит от температуры ядра жидкости Т я . В смеси вода-этанол 20 % и вода- n -бутанол 10 % значения q кр всегда выше, чем в воде. При Т я =30 0С в смеси вода-этанол 20 % экспериментально получено q кр =21,97 МВт/м2, при Т я =80 0С, q кр =4,88 МВт/м2, в смеси вода- n -бутанол 10 % Т я =70 0С, q кр =13,82 МВт/м2, при Т я =90 0С, q кр =2,98 МВт/м2.

  • 2.    Доказано, что в уравнении (2) q кр , α кр , Т ст кр зависят от Т я . При уменьшении Т я с 90 0С до 30 0С величина q кр , α кр , Т ст кр значительно, более чем в 2 раза возрастают (рис. 3 и 4).

  • 3.    Увеличение ∆ Т = Т ст кр - Т я способствует возрастанию q кр . В смесях вода-этанол 20 % и вода- n -бутанол 10 % при достижении наибольшего температурного напора ∆ Т=Т ст кр я наблюдаться более высокое значение q кр .

Список литературы Исследование критической плотности теплового потока при квазистационарном нагреве поверхностно кипящих бинарных смесей

  • Буров, В. Д. Тепловые электрические станции/В. Д. Буров, Е. В. Дорохов, Д. П. Елизаров. -Москва: Издательский дом МЭИ, 2009. -466 с.
  • Nukiyama, S. The maximum and minimum values of the heat Q transmitted from metal to boiling water under atmosphere pressure/S. Nukiyama//Iht. J. Heat Mass Transfer. -1984. -Vol. 27 -p. 959-970.
  • Бонилла, Ч. Вопросы теплопередачи в ядерной физике/Ч. Бонилла. -Москва: Госатомиздат, 1961. -314 с.
  • Lykov, E. V. Thermoacoustic effects in surface boiling liquids/E.V. Lykov//Int. J. Heat Mass Transfer. -1972. -Vol. 15. -p. 1603-1614.
  • Новиков, И. И. Переходные режимы теплообмена при кипении жидкости/И. И. Новиков//Теплофизика высоких температур. -1996. -Т. 34., № 1. -С. 162-164.
  • Van Stralen, S. J. D. The mechanism of nucleate boiling in pure liquids and in binary mixtures-part I/S. J. D. Van Stralen//Iht. J. Heat Mass Transfer. -1966. -Vol. 9. -p. 995-1020.
  • Van Stralen, S. J. D. The mechanism of nucleate boiling in pure liquids and in binary mixtures-part IV Surface boiling/S. J. D. Van Stralen//Iht. J. Heat Mass Transfer. -1967. -Vol. 10. -p. 1485-1498.
  • Теплофизика в тепловой и ядерной энергетике/Г. Н. Кружилин ; под ред. Ю. Г. Назмеева. -Казань: Казан. фил. Моск. энерг. ин-та, 1998. -338 с.
  • Григорьев, Л. Н. Теплоотдача при кипении бинарных смесей/Л. Н. Григорьев, А. Г. Усманов//ЖТФ. -1958. -Т. 28, № 2. -С. 325-332.
  • Александров, А. А. Таблицы теплофизических свойств воды и водяного пара/А. А. Александров, Б. А. Григорьев. -Москва: Издательство МЭИ, 1999. -168 с.
  • Коллиер, Дж. Введение в ядерную энергетику/Дж. Коллиер, Дж. Хьюитт. -Москва: Энергоатомиздат, 1989. -253 с.
Еще
Статья научная