Анотація до роботи:

Кабакова Л. Б. Підвищення ефективності електричних парогенераторів шляхом інтенсифікації теплообміну кипінням у щілинних каналах. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю05.14.06 – «Технічна теплофізика та промислова теплоенергетика» – Національна металургійна академія України, Дніпропетровськ, 2007.

Дисертація присвячена підвищенню ефективності (зменшенню габаритних розмірів, підвищенню швидкості виходу на режим, підвищенню надійності) парогенеруючих установок шляхом інтенсифікації теплообміну при кипінні у щілинних каналах. Проведені експериментальні дослідження кипіння у щілинних каналах, визначений складний характер впливу величини щілинного зазору на тепловіддачу, отримані розрахункові залежності для величин щілинних каналів, в яких спостерігається максимальне значення коефіцієнту тепловіддачі. За допомогою візуалізації визначені режими кипіння та механізм інтенсифікації теплообміну у щілинному каналі для дослідженого діапазону параметрів. Розроблена математична модель теплообміну при бульбашковому кипінні у щілинних каналах на основі моделі гетерогенних взаємопроникаючих середовищ, яка доповнюється теорією зародкоутворення на шорсткуватих поверхнях, і дозволяє отримувати дані по теплообміну і гідродинаміці у широкому діапазоні параметрів. Результати роботи застосовані при проектуванні парогенераторів та впроваджені у навчальний процес.

У дисертації вирішена важлива науково-технічна задача підвищення ефективності парогенеруючих установок шляхом інтенсифікації теплообміну організацією кипіння у щілинних каналах.

Основні результати роботи полягають у наступному.

1. Аналіз досліджень, присвячених кипінню у різноманітних теплообмінних агрегатах, показав, що на сьогодні існує брак надійних експериментальних даних щодо інтенсивності теплообміну при кипінні у стиснених умовах, зокрема, у щілинних каналах, які можуть бути реалізовані у елементах теплотехнічного обладнання, таких як великогабаритні термосифони, парогенеруючі установки. Крім того, не існує простих і надійних математичних моделей, які б дозволяли на етапі проектування теплообмінного обладнання оцінювати основні параметри гідродинаміки і теплообміну при кипінні у щілинних каналах.

2. Розроблена та виготовлена експериментальна установка для досліджень теплообміну при кипінні у щілинних каналах шириною 3, 4, 5 і 20 мм висотою 1000 мм у діапазоні тисків до 0,8 МПа, щільностей теплових потоків до 74 кВт/м². Щілинні канали були утворені встановленням дефлекторів, гладких або перфорованих, у внутрішню порожнину зони кипіння.

3. Експериментально отримані коефіцієнти тепловіддачі при кипінні у щілинних каналах шириною 3, 4, 5 і 20 мм висотою 1000 мм у діапазоні тисків до 0,8 МПа, щільностей теплових потоків до 74 кВт/м², що надає можливість їх використання при проектуванні парогенеруючого обладнання.

4. Експериментально доведено, що коефіцієнти тепловіддачі у щілинних каналах, які були утворені стінкою, що гріє, і гладким дефлектором, значно (до 50%) перевищують коефіцієнти тепловіддачі при кипінні в умовах вільної конвекції, а коефіцієнти тепловіддачі у щілинних каналах, утворених стінкою, що гріє, і перфорованим дефлектором, перевищують коефіцієнти тепловіддачі при кипінні в умовах вільної конвекції до 25%. Інтенсифікація теплообміну дозволяє зменшити габаритні розміри парогенеруючих установок, підвищити швидкість виходу на режим, підвищити надійність.

5. Визначений складний характер впливу величини щілинного зазору на тепловіддачу при кипінні у високих (1000 мм) щілинних каналах, показано, що для кожного режиму кипіння існує величина щілинного зазору, починаючи з якої при зменшенні щілини коефіцієнт тепловіддачі збільшується, досягає максимального значення у певному щілинному зазорі, при подальшому зменшенні щілини тепловіддача погіршується. Це обумовлено зміненням режимів кипіння у щілинних каналах в залежності від геометричних та режимних параметрів.

6. Отримані розрахункові залежності для безрозмірних величин щілинного каналу, при яких спостерігається підвищенні значення коефіцієнтів тепловіддачі при кипінні; залежності дозволяють для різних щільностей теплового потоку та тисків розрахувати величину щілинного каналу, в якому спостерігається максимальне значення коефіцієнту тепловіддачі.

7. За результатами візуалізації процесів кипіння у високих щілинних каналах (ширина 4 мм, висота 1000 мм; ширина 3 мм, висота 600 мм), виявлені режими кипіння, що реалізуються вздовж щілинного каналу, виявлено механізм підвищення тепловіддачі при кипінні у щілинних каналах, що досліджувалися; показано, що інтенсифікація теплообміну при кипінні у щілинних каналах здійснюється як за рахунок турбулізації потоку, так і за рахунок випаровування через мікрошар рідини між стінкою, що гріє, і паровою областю.

8. Розроблена математична модель бульбашкового кипіння у стиснених умовах на основі моделі гетерогенних взаємопроникаючих середовищ, яка доповняється граничними умовами на гріючій та „холодній” стінках, які враховують сучасні погляди на процеси утворення, росту, відриву і спливання бульбашки, розроблена модель дозволила створити програму розрахунку параметрів кипіння. На основі моделі отримано аналіз теплообміну і гідродинаміки у широкому діапазоні режимних параметрів, результати розрахунків задовільно узгоджуються із експериментальними даними, що підтверджує доцільність використаних підходів, припущень і спрощень.

Отримані результати можуть бути використані при проектуванні теплообмінного обладнання на базі двофазних термосифонів, теплообмінних апаратів, у яких реалізується кипіння у стиснених умовах, у парогенеруючих установках; для удосконалення розрахунків і розробки нових конструкцій теплообмінного обладнання; для подальшого розвитку теорії гідродинаміки і теплообміну при кипінні.

Публікації автора:

1. Гонтарев Ю.К., Елисеев В.И., Кабакова Л.Б. Кипение в щелевых каналах двухфазных термосифонов // Системне проектування та аналіз характеристик аерокосмічної техніки. Дніпропетровськ, Навчальна книга. – 2002. – С. 51-57.

2. Гонтарев Ю.К., Кабакова Л.Б., Покрышкин В.В. Пронь Л.В. Исследование работы тепловых труб в греющих прессовых плитах // Проблемы высокотемпературной техники: Сб. научн. тр. - Д.: Вид-во Дніпропетр. ун-ту, 2002 - С. 30-36.

3. Кабакова Л.Б., Гонтарев Ю.К., Гонтарев М.Ю. Выбор системы термостатирования пороховых ракет «воздух-воздух» на этапе стендовых испытаний // Авіаційно-космічна техніка і технологія. Випуск 42/7, Науково-технічний журнал, Харків “ХАІ”. - 2003. – С. 156-159.

4. Кабакова Л.Б., Елисеев В.И., Гонтарев Ю.К. Исследование теплообмена при кипении в щелевом канале термосифона // Вісник ДНУ. Ракетно-космічна техніка. Випуск 7. – Видавництво ДНУ. – 2003. – С. 38-45.

5. Гонтарєв Ю.К., Кабакова Л.Б. Експериментальні дослідження теплообміну у зоні випару двофазного термосифону // Проблемы высокотемпературной техники: Сб. научн. тр. - Д.: Вид-во Дніпропетр. ун-ту, 2004. - С. 26-30.

6. Кабакова Л.Б. Исследование интенсификации теплообмена при кипении в щелевом зазоре // Системне проектування та аналіз характеристик аерокосмічної техніки. Том VI. Збірник наукових праць. – Видавництво ДНУ. – 2006. – С. 67-72.

7. Кабакова Л.Б. Экспериментальные исследования кипения в щелевых зазорах // Вестник двигателестроения. Научно-технический журнал. – Запорожье ОАО «Мотор Сич». – 2007. – №1. – С. 30-33.

8. Патент на корисну модель 20647 Україна, МПК (2007) F28D 15/02. Термосифон /Кабакова Л.Б., Гонтарєв Ю.К. Дніпропетровський національний університет //Український інститут промислової власності; Заявл. 10.04.2006; Опубл. 15.02.2007. – 3 с.

9. Кабакова Л.Б. Гонтарев Ю.К. Использование принципа двухфазного термосифона в теплоэнергетическом оборудовании // ІІ Міжнародна науково-практична конференція “Розвиток науково-технологічних парків та інноваційних структур інших типів: Україна і світовий досвіт”. Львів 2003. Матеріали конференції. – С.157-160.

10. Кабакова Л.Б., Елисеев В.И., Гонтарев Ю.К. Исследование теплообмена в зоне кипения двухфазного термосифона // V Минский международный форум по тепло- и массообмену, 24 – 28 мая 2004. – Минск, 2004. – Т 2. – С. 41-42.

11. Гонтарев Ю.К., Елисеев В.И., Кабакова Л.Б. Определение скорости подъема газовых пузырей в щелевых каналах // Дисперсные системы: ХХI научная конференция стран СНГ. Одесса, 20 - 24 сент. 2004 г.- Одесса, 2004. - С. 90-91.

12. Gontarev Y.K., Kabakova L.B. Thermosiphon with separated vaporizer and condenser research // Heat pipers, heat pumps, refrigerators: Proceedings of the VI Minsk International Seminar held in Minsk, Belarus, 12-15 Sept. 2005. –Minsk, 2005. - P. 280 – 285.

13. Gontarev Y.K., Kabakova L.B. Experimental Researches of Heat Exchange under the Boiling in Closed Two-Phase Thermosiphons // Problems of industrial heat engineering: IV-th International Conference. Kyiv, 26-30 Sept. 2005. – Kyiv, 2005. – Р. 51-52.

14. Кабакова Л.Б., Гонтарев М.Ю. Исследование кипения в щелевых каналах теплообменного оборудования // Дисперсные системы: ХХІІ научная конференция стран СНГ. Одесса, 18-22 сент. 2006 г. – Одесса, 2006. - С. 158-159.

15. Кабакова Л.Б., Гонтарев Ю.К., Филоненко И.В. Использование автономных парогенерирующих комплексов как альтернативы централизованному теплоснабжению // Проблемы промышленной теплотехники: V Международная конференция. Киев, 22-26 мая 2007 г. – Киев, 2007. – С.143-144.