Технические науки/5. энергетика
Исследование теплообмена в аппаратах с кипением теплоносителя в
капиллярных щелевых каналах
Корнеев С.Д., Афанасьева Е.В., Рыбакова Ю.А.
ФГБОУ ВПО «МГИУ»
Одним из наиболее эффективных методов
решения задачи энергосбережения при эксплуатации теплотехнических установок
является метод снижения температурного напора между теплоносителями, т.е.
повышения интенсивности теплообмена. В результате уменьшения разности
температур греющего и нагреваемого теплоносителей, повышается тепловая
эффективность всей испарительной установки в целом [1-4]. Эта цель может быть достигнута за счет конструктивных изменений
зоны кипения и обеспечения оптимальных режимов теплообмена путем использования
в зоне кипения капиллярных щелевых каналов. Также требуемого эффекта можно
достичь организацией защиты от возникновения накипи и других отложений на
теплопередающих поверхностях.
Особую актуальность эта проблема
приобретает при эксплуатации испарительных установок, служащих для получения
очищенной воды для технологических нужд предприятий, а также для обеспечения
питательной водой котельных установок.
Чаще всего в испарительных установках
используются пластинчатые теплообменные аппараты, обладающие повышенными
теплотехническими характеристиками.
На рис. 1 представлена схема зоны кипения
теплоносителя в испарительной установки, снабженной плоскопараллельными
капиллярными щелевыми каналами. Поперечный разрез канала приведен на
рис. 1а. Тепловой поток плотностью q подводится к кипящей жидкости через теплопередающую
стенку А. Капиллярный канал с величиной щелевого зазора b и общей
высотой Но формируется с помощью дополнительной стенки Б.
Рис. 1. Схема кипения поверхности теплообмена
испарительной установки, снабженной капиллярными каналами в зоне кипения
теплоносителя
Как показали результаты исследований, приведенные в
[3-6], паровые пузыри, возникающие в обогреваемом канале, всплывают вверх и
увлекают за собой поток жидкости.
Необходимо выбрать такие значения величины
щелевого зазора между стенками, образующими капиллярный щелевой канал и такие
значения высоты каждой секции канала, которые обеспечивали бы максимальные
значения коэффициента теплоотдачи при кипении жидкости в канале при заданных
режимных параметрах. Для исследования процесса кипения в канале проточного типа
с односторонним подводом теплоты использовался тот же подход, который применен
в работах [3-4] для исследования кипения в каналах тупикового типа и каналах с
подпиткой жидкостью снизу, у которых теплота подводится к обеим стенкам,
образующим щелевой зазор.
На основании анализа
результатов, полученных ранее, авторами предложено уравнение для расчета
коэффициента теплоотдачи при кипении однокомпонентной жидкости в
плоскопараллельных капиллярных щелевых каналах с подводом теплоты к одной из
стенок
(1)
Для удобства следующих преобразований
умножим правую и левую части уравнения (2) на частное 
и, используя
числа подобия, формула (2), может быть записана в критериальном виде (3):
(2)
где 
– число
Галилея,
– число Нуссельта,
– число Лапласа,
– первое модифицированное число Рейнольдса,
– второе модифицированное число Рейнольдса,
– безразмерный параметр формы канала.
С использованием этих уравнений авторами
были построены графические зависимости (рис. 2) коэффициента теплоотдачи 
от плотности
передаваемого через обогреваемую стенку теплового потока, для различных
значений щелевого зазора b. Максимальная величина щелевого зазора составляет b=1,5 мм, а минимальная b=0,7 мм.
Кипящая жидкость – вода при атмосферном давлении. Видно, что уменьшение зазора
между стенками, образующими щелевой канал, при прочих равных условиях, приводит
к увеличению коэффициента теплоотдачи.
Рис. 2. Зависимости коэффициента теплоотдачи от плотности
теплового потока, построенные
при различных значениях величины щелевого зазора по расчетной формуле (1)
Рис. 3. График зависимости коэффициента теплоотдачи от высоты щелевого
канала h
На рис. 3. представлены расчетные
зависимости коэффициента теплоотдачи от текущего значения высоты плоскопараллельного
щелевого канала при максимальном и минимальном значении плотности теплового
потока. Можно отметить, что при величине щелевого зазора b=0,7 мм коэффициент теплоотдачи достигает
максимального значения и имеет тенденцию к снижению с увеличением величины
зазора. Кроме того, как видно из представленных зависимостей, рост значения
высоты канала приводит к увеличению коэффициента теплоотдачи.
Полученные соотношения и предложенная
методика анализа коэффициента теплоотдачи могут быть использованы при конструировании
и расчете теплообменных аппаратов с интенсификацией теплообмена в зоне кипения.
3. Петухов Ю.И., Скоробогатов Н.Г., Сосунов В.И. Сопротивление
жидкости движению газового пузыря, сдавленного параллельными стенками. ПМТФ,
№6, 1970. с. 112 –114.