В работе исследованы и описаны факторы влияния фторопластовой теплоотдающей площади на перенос тепла при пузырьковом кипении и на интенсивность теплоотдачи при кипении. Приведены математические зависимости, которые позволяют предсказывать влияние различных факторов на механизм и интенсивность процесса теплообмена при кипении.In process investigational and described factors of influence of fluoroplastic teplootdayuschey area on the transfer of heat at the bubble boiling and on intensity of heat emission at boiling. We present mathematical relationships that allow predicting the influence of various factors on the mechanism and intensity of heat transfer during boiling

Данилов, Юрий Борисович

Коломиец, В. Н.

eNTUKhPIIR Electronic National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute"; Institutional Repository

 8УДК 66.045.2  Ю.Б. ДАНИЛОВ, докт. техн. наук,  В.Н. КОЛОМИЕЦ, канд. техн. наук, ОАО « УкрНИИхиммаш»,  г. Харьков, Украина  ИНТЕНСИВНОСТЬ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ ПРИ ПУЗЫРЬКОВОМ КИПЕНИИ В ОБЪЕМЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО КИПЯТИЛЬНИКА ИЗ ФТОРОПЛАСТОВЫХ ТРУБОК  У роботі досліджені й описані фактори впливу фторопластової тепловіддаючої площини на пере-несення тепла при пузирковому кипінні та на інтенсивність тепловіддачі при кипінні. Наведені математичні залежності, що дозволяють прогнозувати вплив різних факторів на механізм та інтен-сивність процесу теплообміну при кипінні.  В работе исследованы и описаны факторы влияния фторопластовой теплоотдающей площади на перенос тепла при пузырьковом кипении и на интенсивность теплоотдачи при кипении. Приведе-ны математические зависимости, которые позволяют предсказывать влияние различных факторов на механизм и интенсивность процесса теплообмена при кипении.  In process investigational and described factors of influence of fluoroplastic teplootdayuschey area on the transfer of heat at the bubble boiling and on intensity of heat emission at boiling. We present mathemati-cal relationships that allow predicting the influence of various factors on the mechanism and intensity of heat transfer during boiling.   В процессе исследования теплоотдачи при кипении в эксперименталь-ном кипятильнике из фторопластовых труб режимные параметры изменялись в следующих пределах: - поверхностная плотность теплового потока от 4578 до 10698 Вт/ м2; - давление греющего пара – от 0,1 до 0,2 МПа; - скорость греющего пара – от 27 до 54 м/с; - расход греющего пара – от 0,16 до 0,39 кг/с. Конструкция исследуемого выносного кипятильника отбелочной колон-ны с объемными нагревателями из фторопластовых труб обеспечивает кипе-ние в большом объеме, т.е. кипение на поверхности нагрева, погруженной в емкость с первоначально неподвижной жидкостью. Процесс кипения, когда давление насыщенного пара вещества равно внешнему  давлению, а парообразование происходит по всему объему жид-кости, широко используется в энергетике, химической и других отраслях  9промышленности. В нашем случае в процессе кипения азотной кислоты про-исходит выделение окислов азота. Необходимым условием передачи тепла от твердой поверхности к кипящей жидкости является перегрев поверхности относительно температуры насыщения. При малых разностях температур стенки теплообменной трубки и жидкости ( нпов TTT -=D ) пузырьки пара за-рождаются в малом числе центров парообразования, их перемешивающий эффект для всей поверхности теплообмена остается незначительным, и ин-тенсивность теплообмена определяется процессом свободной конвенции жидкости около нагретой поверхности фторопластовых труб. По мере увеличения перегрева поверхности число роста пузырьков бы-стро увеличивается и увеличивается частота их отрыва от поверхности. Это способствует увеличению интенсивности перемешивания жидкости у стенки и во всем объеме и соответствующему повышению коэффициента теплоот-дачи. При некотором значении крTT D=D , для существующих конструкций кипятильников из металла, пузырьки у поверхности трубки перестают от-крываться индивидуально и сливаются в сплошную паровую пленку, которая блокирует горячую поверхность теплопередающих трубок от жидкости. Дан-ное явление называется кризисом кипения. При этом значение коэффициента теплопередачи уменьшается в 20 – 40 раз, поэтому в промышленности ста-раются организовать процесс в области развитого пузырькового кипения. Простейшим случаем пузырькового кипения является кипение на гори-зонтальной поверхности нагрева в большом объеме. В данном случае меха-низм процесса передачи теплоты от греющей стенки и жидкости к ее пару не осложнен факторами, препятствующими его пониманию и описанию. Однако аналитически описать данный процесс трудно. Причины этого состоят в сложности описываемого явления. К основным факторам, определяющим теплоотдачу при кипении, можно отнести теплофизические и физико-химические свойства поверхности нагре-ва, теплофизические свойства кипящей жидкости. Экспериментальные данные убедительно свидетельствуют также о том, что свойства материала теплоотдающей поверхности оказывают влияние на перенос теплоты при пузырьковом кипении. Поток теплоты, поступающий от пара к стенке фторопластовой трубки и определяющий мгновенную тепло-воспринимающую способность тела, можно определить по закону теплопро- 10водности Фурье и по формуле конвективной теплоотдачи, т.е. вычислениями левой и правой частей граничного условия внешнего теплообмена в системе:  22dxTdddTat= ; )( 0== -=- xfox TtdxdTal ; 00 TT ==t ; 0=¥®xdxdT , (1)  что даст:  )( 000 === -=-= xfxx TtdxdTq al .                             (2)  Количество теплоты, поглощенное единицей поверхности тела от начала процесса нагрева до любого момента времени t , определится интегрирова-нием уравнения потока теплоты:   ( )( )tttt dqQ ò=0.                                                 (3)  Когда коэффициент теплоотдачи α достаточно велик ( при ¥®la ), температура погружной поверхности тела практически постоянна и равна температуре нагреваемой среды  ( fx tT ==0 ). На погружной поверхности происходит нагрев нагреваемой среды. Решение системы (1) относительно безразмерной температуры в любой точке полубезграничного тела в любой момент времени:   ( ) talatatalalatat ×+×××+-×=--=Q2()exp(2 2200, xerfcxxerfcTtTTfx    (4)  в этом предельном случае можно существенно упростить, поскольку второе слагаемое правой части при ¥®la  стремиться к нулю:   ( ) tat ×=Q2,xerfcx  (5)  Полученное уравнение является уравнением распределения температу-ры. Уравнение потока теплоты  через  материал теплопередающей поверхно-  11сти можно получить, дифференцируя полученное уравнение распределения температуры (5):   ( ) ( ) tprllt ×××-=-= =cTtdxdTq fx 00                                (6)  В данном уравнении теплофизические константы материала скомпоно-вались в одной группе rl ×× c , которая характеризует теплоусвоение мате-риала или коэффициент тепловой активности материала. На его значение имеет наибольшее влияние коэффициент теплопроводности материалаl . Таким образом, количество теплоты, аккумулированной в материале по-верхности, и возможность ее передачи растущему пузырю зависят в первую очередь от теплофизических свойств поверхности( в нашем случае трубки из фторопласта – 4Д), в частности от коэффициента теплоусвоения материала.   rl ××= cE  (7)  Сток теплоты с поверхности материала происходит через растущие пу-зыри, образованные на теплообменной поверхности. Центрами парообразо-вания могут быть те элементы поверхности, которые не заполняются жидко-стью после отрыва пузыря, это могут быть имеющиеся на поверхности фто-ропластовых трубок несмывающиеся микровпадины. На интенсивность теплоотдачи при кипении влияет также толщина греющей стенки. В зависимости от теплопроводности материала поверхности нагрева пульсации температуры, возникающие под растущим пузырем, про-никают на ту или иную глубину, т.е. изменяется величина объема поверхно-сти, из которого растущий пузырь отбирает аккумулированную теплоту. Очевидно, чем выше теплопроводность материала, тем на большую глубину проходят пульсации температуры. Если толщина поверхности нагрева мень-ше возможной глубины их проникновения, скорость подвода теплоты в рас-тущий пузырь снижается, что вызывает общее уменьшение интенсивности теплоотдачи. Это необходимо учитывать при использовании фторопластовых трубок для конструирования теплообменных аппаратов. Установлено, что в зависи-мости от температуры теплоносителя глубину проникновения последней в толщину стенки можно описать следующей формулой:  12 qT CTld ×=D                                                     (8)  Экспериментальные данные при температуре греющего пара 110 °С и поверхностной плотности теплового потока 4578 – 10698 Вт/м2 показывают, что такая глубина составляет 0,002 – 0,003 м. Тогда как толщины стенок применяемых фторопластовых трубок составляют 0,0004 – 0,0006 м. Данное явление подтверждается экспериментально различием величин тепловых по-токов и коэффициентов теплопередачи для фторопластовых трубок диамет-ром 0,0038 × 0,0004 м и 0,0062 × 0,0006 м. Теплофизические свойства кипящих жидкостей также заметно влияют на механизм и интенсивность процесса теплообмена при кипении. Азотная кислота  относится к среднетемпературным жидкостям, температура кипения которых незначительно отличается от температуры кипения воды. Для таких жидкостей  имеется большинство расчетных соотношений. Так, при проведе-нии испытаний фторопластового кипятильника выявлено, что для определе-ния коэффициента теплоотдачи для кипящей 98 % – ной азотной кислоты при температуре 86 °С наиболее приемлема формула:   32312qTbкипжk ×÷÷øöççèæ×××=dmrla                                          (9)  Существующую формулу можно легко преобразовать в более приемле-мую для расчетов формулу:   67,01,6 qk ×=a                                                 (10)  Коэффициент теплоотдачи для пара, конденсирующегося внутри гори-зонтальных трубок, с наиболее приемлемой точностью можно определить по формуле: а) для трубок с внутренним диаметром 0,005 м   5,07,92 qn ×=a                                                 (11)  б) для трубок с внутренним диаметром 0,003 м    5,088 qn ×=a                                                   (12)  13При анализе показателей коэффициента теплоотдачи и коэффициента теплопередачи для кипятильника с нагревательными элементами из фторо-пластовых труб с внутренним диаметром 0,003 м и 0,005 м определенно, что кипятильник с нагревательными элементами из фторопластовых труб с внут-ренним диаметром 0,003 м имеет эти теплотехнические показатели выше, чем кипятильник с нагревательными элементами из фторопластовых труб с внутренним диаметром 0,005 м при одинаковых расходах исходного раство-ра, пара и состава исходного раствора.  Этим подтверждается правильность теоретических предпосылок, изло-женных выше.  Поступила в редколлегию 25.03.10     УДК 66.048.36.001.5:661.48  В.Н. КОЛОМИЕЦ, канд. техн. наук,  Ю.Б. ДАНИЛОВ, докт. техн. наук,  М.А. ХАРЧЕНКО, канд. техн. наук, ОАО «УкрНИИхиммаш»,  г. Харьков, Украина  АНАЛИЗ ПЕРСПЕКТИВНЫХ ОБЛАСТЕЙ ПРИМЕНЕНИЯ ФТОРПЛАСТОВЫХ ДЕФЛЕГМАТОРОВ И ПУТЕЙ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ИХ КОНСТРУКТИВНОГО ИСПОЛНЕНИЯ  У роботі приведена конструкція фторопластового дефлегматора та описані принцип його роботи й показники ефективності його застосування в колонних апаратах. Також показані перспективні сфери застосування фторопластових дефлегматорів.   В работе приведена конструкция фторопластового дефлегматора, дано описание принципа его ра-боты и показателей эффективности при его использовании в колонних апаратах. Также показаны перспективне области применения фторопластовых дефлегматоров.  The construction of fluoroplastic dephlegmator is in-process resulted, description of principle of his work and indexes of efficiency is given at his use in колонних апаратах. Perspektivne application of fluorop-lastic dephlegmators domains are also rotined. 

Интенсивность теплопередачи при пузырьковом кипении в объеме экспериментального кипятильника из фторопластовых трубок

Library of National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute"

 8
УДК 66.045.2 
 
Ю.Б. ДАНИЛОВ, докт. техн. наук,  
В.Н. КОЛОМИЕЦ, канд. техн. наук, ОАО « УкрНИИхиммаш»,  
г. Харьков, Украина 
 
ИНТЕНСИВНОСТЬ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ ПРИ ПУЗЫРЬКОВОМ 
КИПЕНИИ В ОБЪЕМЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО 
КИПЯТИЛЬНИКА ИЗ ФТОРОПЛАСТОВЫХ ТРУБОК 
 
У роботі досліджені й описані фактори впливу фторопластової тепловіддаючої площини на пере-
несення тепла при пузирковому кипінні та на інтенсивність тепловіддачі при кипінні. Наведені 
математичні залежності, що дозволяють прогнозувати вплив різних факторів на механізм та інтен-
сивність процесу теплообміну при кипінні. 
 
В работе исследованы и описаны факторы влияния фторопластовой теплоотдающей площади на 
перенос тепла при пузырьковом кипении и на интенсивность теплоотдачи при кипении. Приведе-
ны математические зависимости, которые позволяют предсказывать влияние различных факторов 
на механизм и интенсивность процесса теплообмена при кипении. 
 
In process investigational and described factors of influence of fluoroplastic teplootdayuschey area on the 
transfer of heat at the bubble boiling and on intensity of heat emission at boiling. We present mathemati-
cal relationships that allow predicting the influence of various factors on the mechanism and intensity of 
heat transfer during boiling.  
 
В процессе исследования теплоотдачи при кипении в эксперименталь-
ном кипятильнике из фторопластовых труб режимные параметры изменялись 
в следующих пределах: 
- поверхностная плотность теплового потока от 4578 до 10698 Вт/ м2; 
- давление греющего пара – от 0,1 до 0,2 МПа; 
- скорость греющего пара – от 27 до 54 м/с; 
- расход греющего пара – от 0,16 до 0,39 кг/с. 
Конструкция исследуемого выносного кипятильника отбелочной колон-
ны с объемными нагревателями из фторопластовых труб обеспечивает кипе-
ние в большом объеме, т.е. кипение на поверхности нагрева, погруженной в 
емкость с первоначально неподвижной жидкостью. 
Процесс кипения, когда давление насыщенного пара вещества равно 
внешнему  давлению, а парообразование происходит по всему объему жид-
кости, широко используется в энергетике, химической и других отраслях 
 9
промышленности. В нашем случае в процессе кипения азотной кислоты про-
исходит выделение окислов азота. Необходимым условием передачи тепла от 
твердой поверхности к кипящей жидкости является перегрев поверхности 
относительно температуры насыщения. При малых разностях температур 
стенки теплообменной трубки и жидкости ( нпов TTT -=D ) пузырьки пара за-
рождаются в малом числе центров парообразования, их перемешивающий 
эффект для всей поверхности теплообмена остается незначительным, и ин-
тенсивность теплообмена определяется процессом свободной конвенции 
жидкости около нагретой поверхности фторопластовых труб. 
По мере увеличения перегрева поверхности число роста пузырьков бы-
стро увеличивается и увеличивается частота их отрыва от поверхности. Это 
способствует увеличению интенсивности перемешивания жидкости у стенки 
и во всем объеме и соответствующему повышению коэффициента теплоот-
дачи. 
При некотором значении крTT D=D , для существующих конструкций 
кипятильников из металла, пузырьки у поверхности трубки перестают от-
крываться индивидуально и сливаются в сплошную паровую пленку, которая 
блокирует горячую поверхность теплопередающих трубок от жидкости. Дан-
ное явление называется кризисом кипения. При этом значение коэффициента 
теплопередачи уменьшается в 20 – 40 раз, поэтому в промышленности ста-
раются организовать процесс в области развитого пузырькового кипения. 
Простейшим случаем пузырькового кипения является кипение на гори-
зонтальной поверхности нагрева в большом объеме. В данном случае меха-
низм процесса передачи теплоты от греющей стенки и жидкости к ее пару не 
осложнен факторами, препятствующими его пониманию и описанию. Однако 
аналитически описать данный процесс трудно. Причины этого состоят в 
сложности описываемого явления. 
К основным факторам, определяющим теплоотдачу при кипении, можно 
отнести теплофизические и физико-химические свойства поверхности нагре-
ва, теплофизические свойства кипящей жидкости. 
Экспериментальные данные убедительно свидетельствуют также о том, 
что свойства материала теплоотдающей поверхности оказывают влияние на 
перенос теплоты при пузырьковом кипении. Поток теплоты, поступающий от 
пара к стенке фторопластовой трубки и определяющий мгновенную тепло-
воспринимающую способность тела, можно определить по закону теплопро-
 10
водности Фурье и по формуле конвективной теплоотдачи, т.е. вычислениями 
левой и правой частей граничного условия внешнего теплообмена в системе: 
 
2
2
dx
Td
d
dT
a
t
= ; )( 0== -=- xfox Ttdx
dT
al ; 00 TT ==t ; 0=¥®xdx
dT , (1) 
 
что даст: 
 
)( 000 === -=-= xfxx Ttdx
dTq al .                             (2) 
 
Количество теплоты, поглощенное единицей поверхности тела от начала 
процесса нагрева до любого момента времени t , определится интегрирова-
нием уравнения потока теплоты: 
 
 ( )
( )
t
t
t
t dqQ ò=
0
.                                                 (3) 
 
Когда коэффициент теплоотдачи α достаточно велик ( при ¥®la ), 
температура погружной поверхности тела практически постоянна и равна 
температуре нагреваемой среды  ( fx tT ==0 ). На погружной поверхности 
происходит нагрев нагреваемой среды. 
Решение системы (1) относительно безразмерной температуры в любой 
точке полубезграничного тела в любой момент времени: 
 
 ( ) ta
l
a
ta
ta
l
a
l
a
ta
t ×+
×
××+-
×
=
-
-
=Q
2
()exp(
2 2
2
0
0, xerfcxxerfc
Tt
TT
f
x    (4) 
 
в этом предельном случае можно существенно упростить, поскольку второе 
слагаемое правой части при ¥®la  стремиться к нулю: 
 
 ( ) tat ×
=Q
2,
xerfcx  (5) 
 
Полученное уравнение является уравнением распределения температу-
ры. 
Уравнение потока теплоты  через  материал теплопередающей поверхно- 
 11
сти можно получить, дифференцируя полученное уравнение распределения 
температуры (5): 
 
 ( ) ( ) tp
rl
lt ×
××
-=-= =
cTt
dx
dTq fx 00                                (6) 
 
В данном уравнении теплофизические константы материала скомпоно-
вались в одной группе rl ×× c , которая характеризует теплоусвоение мате-
риала или коэффициент тепловой активности материала. На его значение 
имеет наибольшее влияние коэффициент теплопроводности материалаl . 
Таким образом, количество теплоты, аккумулированной в материале по-
верхности, и возможность ее передачи растущему пузырю зависят в первую 
очередь от теплофизических свойств поверхности( в нашем случае трубки из 
фторопласта – 4Д), в частности от коэффициента теплоусвоения материала. 
 
 rl ××= cE  (7) 
 
Сток теплоты с поверхности материала происходит через растущие пу-
зыри, образованные на теплообменной поверхности. Центрами парообразо-
вания могут быть те элементы поверхности, которые не заполняются жидко-
стью после отрыва пузыря, это могут быть имеющиеся на поверхности фто-
ропластовых трубок несмывающиеся микровпадины. 
На интенсивность теплоотдачи при кипении влияет также толщина 
греющей стенки. В зависимости от теплопроводности материала поверхности 
нагрева пульсации температуры, возникающие под растущим пузырем, про-
никают на ту или иную глубину, т.е. изменяется величина объема поверхно-
сти, из которого растущий пузырь отбирает аккумулированную теплоту. 
Очевидно, чем выше теплопроводность материала, тем на большую глубину 
проходят пульсации температуры. Если толщина поверхности нагрева мень-
ше возможной глубины их проникновения, скорость подвода теплоты в рас-
тущий пузырь снижается, что вызывает общее уменьшение интенсивности 
теплоотдачи. 
Это необходимо учитывать при использовании фторопластовых трубок 
для конструирования теплообменных аппаратов. Установлено, что в зависи-
мости от температуры теплоносителя глубину проникновения последней в 
толщину стенки можно описать следующей формулой: 
 12
 
q
T CTld ×=D                                                     (8) 
 
Экспериментальные данные при температуре греющего пара 110 °С и 
поверхностной плотности теплового потока 4578 – 10698 Вт/м2 показывают, 
что такая глубина составляет 0,002 – 0,003 м. Тогда как толщины стенок 
применяемых фторопластовых трубок составляют 0,0004 – 0,0006 м. Данное 
явление подтверждается экспериментально различием величин тепловых по-
токов и коэффициентов теплопередачи для фторопластовых трубок диамет-
ром 0,0038 × 0,0004 м и 0,0062 × 0,0006 м. 
Теплофизические свойства кипящих жидкостей также заметно влияют 
на механизм и интенсивность процесса теплообмена при кипении. Азотная 
кислота  относится к среднетемпературным жидкостям, температура кипения 
которых незначительно отличается от температуры кипения воды. Для таких 
жидкостей  имеется большинство расчетных соотношений. Так, при проведе-
нии испытаний фторопластового кипятильника выявлено, что для определе-
ния коэффициента теплоотдачи для кипящей 98 % – ной азотной кислоты 
при температуре 86 °С наиболее приемлема формула: 
 
 32
312
q
T
b
кип
ж
k ×÷÷
ø
ö
çç
è
æ
××
×
=
dm
rl
a                                          (9) 
 
Существующую формулу можно легко преобразовать в более приемле-
мую для расчетов формулу: 
 
 67,01,6 qk ×=a                                                 (10) 
 
Коэффициент теплоотдачи для пара, конденсирующегося внутри гори-
зонтальных трубок, с наиболее приемлемой точностью можно определить по 
формуле: 
а) для трубок с внутренним диаметром 0,005 м 
 
 5,07,92 qn ×=a                                                 (11) 
 
б) для трубок с внутренним диаметром 0,003 м  
 
 5,088 qn ×=a                                                   (12) 
 13
При анализе показателей коэффициента теплоотдачи и коэффициента 
теплопередачи для кипятильника с нагревательными элементами из фторо-
пластовых труб с внутренним диаметром 0,003 м и 0,005 м определенно, что 
кипятильник с нагревательными элементами из фторопластовых труб с внут-
ренним диаметром 0,003 м имеет эти теплотехнические показатели выше, 
чем кипятильник с нагревательными элементами из фторопластовых труб с 
внутренним диаметром 0,005 м при одинаковых расходах исходного раство-
ра, пара и состава исходного раствора.  
Этим подтверждается правильность теоретических предпосылок, изло-
женных выше. 
 
Поступила в редколлегию 25.03.10 
 
 
 
 
УДК 66.048.36.001.5:661.48 
 
В.Н. КОЛОМИЕЦ, канд. техн. наук,  
Ю.Б. ДАНИЛОВ, докт. техн. наук,  
М.А. ХАРЧЕНКО, канд. техн. наук, ОАО «УкрНИИхиммаш»,  
г. Харьков, Украина 
 
АНАЛИЗ ПЕРСПЕКТИВНЫХ ОБЛАСТЕЙ ПРИМЕНЕНИЯ 
ФТОРПЛАСТОВЫХ ДЕФЛЕГМАТОРОВ И ПУТЕЙ 
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ИХ КОНСТРУКТИВНОГО 
ИСПОЛНЕНИЯ 
 
У роботі приведена конструкція фторопластового дефлегматора та описані принцип його роботи й 
показники ефективності його застосування в колонних апаратах. Також показані перспективні 
сфери застосування фторопластових дефлегматорів.  
 
В работе приведена конструкция фторопластового дефлегматора, дано описание принципа его ра-
боты и показателей эффективности при его использовании в колонних апаратах. Также показаны 
перспективне области применения фторопластовых дефлегматоров. 
 
The construction of fluoroplastic dephlegmator is in-process resulted, description of principle of his work 
and indexes of efficiency is given at his use in колонних апаратах. Perspektivne application of fluorop-
lastic dephlegmators domains are also rotined. 


http://repository.kpi.kharkov.ua/bitstream/KhPI-Press/20347/1/vestnik_KhPI_2010_15_Danilov_Intensivnost.pdf

Интенсивность теплопередачи при пузырьковом кипении в объеме экспериментального кипятильника из фторопластовых трубок

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

eNTUKhPIIR Electronic National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute"; Institutional Repository

Library of National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute"