Вход

Технология охлаждения теплонагруженных поверхностей эмульсиями и суспензиями

Рекомендуемая категория для самостоятельной подготовки:
Реферат*
Код 374303
Дата создания 09 января 2018
Страниц 18
Мы сможем обработать ваш заказ 19 октября в 16:00 [мск]
Файлы будут доступны для скачивания только после обработки заказа.
820руб.
КУПИТЬ

Описание

1. Современные представления о подходах эффективного отведения избыточной тепловой энергии в системах «хладагент – поверхность теплообмена»
Одним из важнейших направлений развития теплофизических технологий в настоящее время является интенсификация теплообмена при фазовых превращениях однородных и неоднородных жидкостей. В этой области можно выделить труды таких исследователей и научных коллективов как: Г.В. Кузнецов, П.А. Стрижак , А.И. Леонтьев , А.Ю. Вараксин , Е.А. Чиннов, О.А. Кабов , С.А. Исаев , П.А. Баранов , В.В. Олимпиев , Г.А. Дрейцер, Ю.А. Зейгарник А.А. Голубев , А.М. Гафуров и других [1,2,3,4] .
Условно методы интенсификации теплообмена разделяются на две группы: активные и пассивные.
Первая группа методов менее востребована из-за негативных эффектов вибрации и акустическо ...

Содержание

1 Современные представления о подходах эффективного отведения избыточной тепловой энергии в системах «хладагент – поверхность теплообмена»
2 Охлаждающие среды

2.1 Понятие охлаждающей способности
2.2 Охлаждение в водных растворах и эмульсиях
3 Способ охлаждения теплонагруженных элементов
4 Конкурентные преимущества
Заключение
Список литературы

Введение

Разработка теоретических основ перспективной энергоэффективной технологии охлаждения металлических ограждающих конструкций реакторов АЭС эмульсиями и суспензиями на основе воды при ликвидации чрезвычайных ситуаций, вызванных критическим перегревом корпуса ядерного реактора.
В настоящее время отсутствие теоретических основ и широкой экспериментальной базы данных сдерживает развитие технологии охлаждения перегретых поверхностей суспензионными и эмульсионными хладагентами на основе воды. Проводимые теоретические и экспериментальные исследования направлены на установление закономерностей фазовых превращений и тепломассопереноса при охлаждении металлических образцов, изготовленных из конструкционных сталей, хладагентами на основе воды с добавлением примесей и включений, интенсифицирующих парооб разование и отток избыточного тепла от разогретой поверхности, температура которой имеет близкое значение к температуре плавления материала.

Фрагмент работы для ознакомления

В последние годы зарубежные исследования сфокусированы на исследовании свойств наножидкостей. Это объясняется успехом в изучении влияния наночастиц на протекание тепловых процессов. Вследствие нестабильности наножидкостей существует ряд проблем при их исследовании. Во-первых, наночастицы объединяются в группы и оседают в объеме базовой жидкости. Это в свою очередь является неблагоприятным фактором при их использовании в различных технологиях и практических приложениях.
Малые концентрации наночастиц в жидкостях приводят к значительным изменениям в свойствах традиционных теплоносителей, таким как рост теплопроводности (до 15%), критического теплового потока (до 190% и выше), теплоотдачи (до 55%) [1]. Например, при добавлении наночастиц меди в концентрации 2% в базовую жидкость коэффициенттеплоотдачи увеличивается на 70-80%, а при добавлении 0,01 г/л частиц оксида алюминия Аl2О3 (размером 50-450 нм) критический тепловой поток увеличивается на 200% (при наклоне поверхности до 1500 , даже на 500%) [1] и т.д.
Исследования Сибирского федерального университета и Института вычислительного моделирования СО РАН показывают, что использование наножидкостей увеличивает коэффициент теплоотдачи на 25-50% при вынужденной конвекции, а также повышает значение критического теплового потока в 2-3 раза. Таким образом, исследования в данной области открывают новые перспективы повышения эффективности функционирования теплообменного оборудования.
Использование наножидкостного теплоносителя на АЭС и ТЭС, без каких либо изменений в технологической схеме, способно поднять производство электроэнергии на 30-35% [1]. Исследования подтверждают существование реальных возможностей увеличения производительности 19 оборудования в теплоэнергетике, криогенике, атомной энергетике, снижения металлоемкости и стоимости агрегатов, сокращения эксплуатационных расходов при функционировании тепловых сетей, контуров охлаждения и нагрева различных установок (например расхода электроэнергии циркуляционными насосами). Такое явление как паровой взрыв может происходить при авариях на АЭС, из-за перегрева металла до температуры плавления [4].
При взаимодействии расплавленного металла и охлаждающего агента происходит паровой взрыв, который в свою очередь угрожает целостности конструкции ядерного реактора. Это явление также зачастую встречается в таких отраслях промышленности как металлургия и литейное производство . Негативными последствиями парового взрыва являются человеческие потери и материальные затраты на восстановление технологических процессов объектов промышленности.
В металлургии для охлаждения корпуса плавильной камеры используют промежуточный жидкометаллический теплоноситель находящийся внутри корпуса плавильной камеры, выполненного в виде двустенной металлической оболочки с герметичной полостью. Охлаждение промежуточного жидкометаллического теплоносителя выполняется вторичным газообразным теплоносителем, проходящим через теплообменник .
Использование данного хладагента позволяет создать более простой и эффективный агрегат . Для охлаждения корпуса плавильного агрегата также применения свинцово- висмутовый теплоноситель, предназначенный для реализации нового эффективного технологического способа переработки радиоактивных отходов [3].
Проблема связанная с необходимостью обеспечения эффективного охлаждения поверхностей технологического оборудования стала весьма актуальной. Охлаждение нагретых до высоких температур различных металлических стержней и сфер, проводилось с помощью водно- солевых растворов и суспензий на основе воды. С помощью высокоскоростной 20 видеосъемки регистрировались особенности быстропротекающих процессов.
В ходе экспериментов с водопроводной водой обнаружено, что при быстром охлаждении металлического образца, формируется паровая пленка, которая в свою очередь существенно замедляет теплообмен. Применение морской воды, как показывают исследования, исключает процесс пленочного кипения и повышает эффективность охлаждения металлических образцов.
В экспериментах [1] установлено, что при охлаждении тел сферической формы, диаметр которых варьировался от 15 до 25 мм, с начальной температурой 800 К при погружении в объем охлаждающей жидкости с температурой около 297 К происходит взрывной переход от пленочного режима кипения к пузырьковому, который сопровождается характерным хлопком. Кроме того, авторы выделили не описанный ранее пульсационный режим кипения общей продолжительностью менее 0,2 с, конечной стадией которого и является хлопок. При этом режиме были отчетливо видны локальные области с интенсивными пульсациями границы раздела фаз, фронт которых двигался со скоростью примерно 200—250 м/с во всех направлениях.
Также в области пульсационного режима были обнаружены образования, внешне напоминающие расположенные на границе раздела фаз пузыри. Для исследований [4] характерны сложности достоверного измерения температур из-за ничтожно малых времен протекания процессов охлаждения. В последние годы выбор хладагента для холодильных машин водится не только по теплофизическим и термодинамическим параметрам, но и исходя из оценки их влияния на экологию. Коэффициент теплоотдачи при кипении смесевых хладагентов R407C и R410A значительно увеличивается за счет роста плотности теплового потока . Объяснить данное явление можно так же, как и для однокомпонентных веществ. С ростом перегрева жидкости появляется возможность компенсации перепада давления (эффект Лапласа и Томсона). Очевидно, что это 21 обусловлено ростом перегрева, когда жидкость испаряется в пузыри с меньшим радиусом. Следует также отметить, что зародыши паровой фазы с меньшим радиусом кривизны становятся активными, это может привести к повышению интенсивности теплообмена .
Авторы определили распределение температуры при охлаждении деталей различных форм. Выявлено, что, скорость охлаждения наружного слоя не превышает, скорость охлаждения внутренних слоев деталей. При этом происходит более интенсивное сокращение объема внутренних слоев рассматриваемых образцов. Таким образом, превышение температурных напряжений выше предела прочности материала, приводит к разрушению деталей.
Результаты расчета на базе алгоритмов для термореактивного материала марки К-18-2 позволяют сделать следующие выводы: при охлаждении деталей на плоских и эллиптических поверхностях уменьшение температуры тел происходит по концентрическим окружностям с увеличением их радиуса; в точках пересечения с окружностью наименьшего радиуса сохраняется наибольшая температура; на внешней поверхности с большей площадью максимальная температура значительно выше [5].
2 Охлаждающие среды
2.1 Понятие охлаждающей способности
Охлаждающая способность сред в большой мере определяется тем, изменяется или не изменяется их агрегатное состояние в процессе охлаждения изделий.
В зависимости от температуры кипения охлаждающие среды разделяют на две группы. Первая группа — это среды, агрегатное состояние которых изменяется в период охлаждения. К ней относится вода, водные растворы солей, щелочи, жидкий азот, а также масла, водные растворы эмульсин и т. п., температура кипения которых ниже температуры охлаждаемого изделия. Ко второй группе относятся среды, агрегатное состояние которых не изменяется в процессе охлаждения изделий. Их температура кипения превышает температуру охлаждающихся изделий. Это расплавленные металлы, соли, щелочи и их смеси. К этой же группе следует отнести воздух и гелий, также не меняющие своего агрегатного состояния.
В зависимости от охлаждающей способности сред их делят на три группы [6]:
1. Сильнодействующие охладители: растворы в воде 5% NaOH, 2% K4Fe(CN)6*3H2O1 10—15% NaOH и вода при 15—30° С, в особенности при интенсивном движении, жидкий азот, гелий.
2. Среднедействующие охладители: расплавленные соли, щелочи и металлы, растительные и минеральные масла, мазут, водные растворы силикатов натрия, горячие водные растворы солей и т.п.
3. Слабодействующие охладители: струн сухого воздуха и паровоздушных смесей, вода при 80—90° С, мыльная вода и др.
Охлаждающая способность охладителя зависит от его скрытой теплоты испарения, теплоемкости, теплопроводности и вязкости. На скорость охлаждения в рассматриваемом охладителе влияют количество охладителя и гидродинамический режим его движения.
При погружении изделия с высокой температурой в охлаждающую среду с низкой температурой кипения наблюдаются следующие процессы. В первоначальный момент из-за повышенного парообразования все изделие покрывается паровой пленкой, которая устойчиво держится на поверхности металла. Она - плохой проводник тепла, и поэтому охлаждение на этой стадии, называемой стадией пленочного кипения, замедленно.
По мере понижения температуры изделия количество выделяющегося тепла становится недостаточным поддержания па поверхности сплошной паровой пленки Разрушение паровой пленки приводит к тому, что поверхность изделия начинает соприкасаться с охлаждающей жидкостью. При этом интенсивно образуются пузырьки пара, а интенсивность охлаждения резко возрастает, так как на образование пузырьков пара, быстро отрывающихся от поверхности, расходуется большое количество тепла, и температура металла быстро снижается до температуры кипения охлаждающем среды. Соответствующий период охлаждения носит название пузырькового кипения
2.2 Охлаждение в водных растворах и эмульсиях
Исследования показали, что даже незначительное количество примесей существенно изменяет охлаждающую способность воды. Установлено, что это связано с влиянием примесей на устойчивость паровой пленки на поверхности охлаждаемого изделия. При этом растворимые примеси уменьшают, а нерастворимые, наоборот, увеличивают стабильность паровой пленки. Это свойство воды было использовано для разработки закалочных сред с высокой и пониженной охлаждающей способностью [6].
Повышение охлаждающей способности воды достигается растворением в ней кислот, щелочей и солей. Такие хорошо растворимые соединения, как KCl, NaCl, CaCl2, Na2CO3, К2CO3, Na2SO4, H2SO4, NaOH, КОН, снижают устойчивость паровой пленки и повышают температуру перехода от пленочного режима кипения к пузырьковому.
Наоборот, присадка нерастворимых и слаборастворимых веществ, образующих в воде эмульсию (масла, жиры, нефтепродукты, мыла и др.), увеличивает стабильность паровой пленки и понижает температуру смены режимов кипения. Охлаждающая способность воды с присадкой этих веществ в области высоких температур существенно понижается.
В практике термической обработки широкое применение нашли водные растворы 5—15% NaCl Они обладают большей по сравнению с водой охлаждающей способностью при повышенных температурах, а при температурах ниже 200—250° С охлаждают примерно с тон же скоростью, что и вода.
Меньшее применение нашли растворы щелочей, которые по охлаждающей способности аналогичны растворам NaCl Растворы кислот не используют в качестве закалочных сред из-за их агрессивности и выделения при закалке вредных паров. Суспензии и эмульсии характеризуются пониженной скоростью охлаждения при высоких и средних температурах, а при низких — охлаждают так же, как чистая вода.
На рис. 2.1 приведены значения коэффициентов теплоотдачи в зависимости от температуры поверхности для различных растворов и эмульсий позволяющие по лучить количественные характеристики их охлаждающей способности [7].
Рис.2.1 Коэффициенты теплоотдачи при охлаждении в водных растворах солей и щелочей, а также водно-эмульсиях
В последнее время в качестве закалочных сред начинают применять водные растворы полимерок, обеспечивающие пониженную скорость охлаждения при закалке и соответственно меньшее коробление. В зарубежной практике используют водные растворы полиалкиленгликоля, а в нашей стране водное растворы полиэтиленгликоля. При температурах выше 70—77° С эти вещества нерастворимы в воде, и поэтому при закалочном охлаждении молекулы полимере в покрывают поверхность изделия тонкой пленкой, которая замедляет охлаждение. При достаточно низких температурах полимерная пленка переходит в водный раствор и затормаживающее действие пленки устраняется Поэтому при закалке в водных растворах полимеров нет того колоссального различия в скоростях охлаждения в интервале высоких, средних и низких температур, которое свойственно воде.
Вязкость раствора, в значительной мере определяющая его охлаждающую способность, зависит от концентрации полимера. Так, изменение концентрации полиэтиленгликоля от 30 до 70% увеличивает кинематическую вязкость раствора почти в 30 раз, что позволяет осуществлять резкую закалку в растворах малой концентрации и закалку с умеренной скоростью охлаждения в растворах высокой концентрации (рис. 2.2) [7].
Рисунок 2.2 Кривые охлаждения алюминиевой пластины толщиной 5 мм с различной концентрацией полиэтиленоксида с молекулярной массой 3,3*106 .
Цифры на кривых концентрации полиэтиленоксида: 1-кипящая вода, 11- жидкий азот, 111-вода.
При закалке алюминиевых сплавов в растворах полиэтиленгликоля с концентрацией выше 50% коробление может быть уменьшено на 85 95%. При этом существенно не снижаются механические свойства и коррозионная стойкость сплавов Наиболее целесообразно использовать эти среды в условиях машиностроительных заводов, где часто возникает необходимость проведения повторных закалок.
3 Способ охлаждения теплонагруженных элементов
Наиболее близким к предлагаемому способу по технической сущности является способ охлаждения теплонагруженных элементов хладагентом с добавками органических компонентов [8].
Однако этот способ интенсификации процесса охлаждения требует повышения степени очистки охладителя и ввиду сложности и удорожания изготовления таких поверхностей на данном уровне производства для металлургии экономически не целесообразен.
Целью является интенсификация процесса охлаждения.
Поставленная цель достигается тем, что при осуществлении способа охлаждения теплонагруженных элементов хладагентом с добавками органических компонентов в хладагент вводят не о растворимые в нем кипящие при 50-90 С огранические углеводороды в количестве 0,05-0,15 от объема хладагента.
Предлагаемый способ заключается в следующем: при подаче эмульсии и распределении ее вдоль поверхности теплонагруженного элемента охладитель в пограничном слое в микрообъемах, обогащенных легкокипящей жидкостью, из"за резкого понижения температуры кипения бинарной смеси (температура кипения микрообъема ниже температуры кипения легкокипящего компонента) кипит. В связи с рассредоточением центров кипения процесс протекает в пузырьковом режиме. Переход к теплоотдаче в режиме пузырькового кипения сопровождается увеличением коэффициента теплоотдачи s сравнении даже с развитой конвекцией в 2,55 раз. Наличие поперечных пульсаций, направленных от поверхности вглубь основного потока приводит не только в повышению интенсивности теплоотдачи с поверхности теплонагруженного элемента, но и к увеличению степени теплового использования охладителя.
Легкокипящую жидкость вводят .в количестве. равном 0.05-0.15 от объема охладителя.. При введении легкокипящей жидкости в количестве менее
0,05 от объема охладителя для создания центров кипения, обеспечивающих интенсивное охлаждение поверхности теплонагруженных элементов. необходима повышенная степень гомогенизации. что требует в контуре гомогенизации значительного повышения давления (выше 10 атм) . При увеличении количества легкокипящей жидкости более 0,15 от объема. охладителя происходит обогащение легкокипящей 15 ,жидкостью пограничного слоя с размером капелек после диспергатора.
5-10 мкм в таком количестве, что .создаются условия для пленочного режима кипения, при котором наблюдается снижение отводящего тепла (a 10 и более раз).

Список литературы

Список литературы
1 Высокоморная О.В., Пискунов М.В., Опарин А.О., Вергун А.П. Интенсивное охлаждение модели стенки реактора при использовании водных растворов солей // Международная молодежная научная конференция «Тепломассоперенос в системах обеспечения тепловых режимов энергонасыщенного технического и технологического оборудования» , 2017 г., г. Томск: в 2 т. — Томск : Изд-во ТПУ, 2017. — Т. 1. — [С. 256-266].
2 Гумеров В.М., Опарин А.О., Пискунов М.В., Ушмаев Д.В. Экспериментальные исследования эффективных условий отвода энергии от теплонагруженных металлических конструкций // Проблемы геологии и освоения недр: труды XX Международного симпозиума имени академика М. А. Усова студентов и молодых ученых, посвященного 120- летию со дня основания Томского политехнического университета, Томск, 2016 г.: в 2 т. — Томск : Изд-во ТПУ, 2016. — Т. 2. — [С. 328-330].
3 Пискунов М. В., Опарин А.О. Распад существенно неоднородных капель воды в высокотемпературной газовой среде // Интеллектуальные энергосистемы : труды IV Международного молодёжного форума, 2016 г., г. Томск: в 3 т. — Томск : Изд-во ТПУ, 2016. — Т. 1. — [С. 76-80].
4 Опарин А.О., Пискунов М.В., Стрижак П.А. Перспективный метод эффективного охлаждения ограждающих конструкций активных зон АЭС в случае аварийного перегрева // III Международная научная конференция «Молодёжь, наука, технологии: новые идеи и перспективы», 2016 г., г. Томск: в 2 т. — Томск : Изд-во ТГАСУ, 2016. — Т. 1. — [С. 356-369].
5 Жукаускас А. А. Конвективный перенос в теплообменниках. М.: Наука, 1982. 472 с.
6 Бердичевский -охлаждающие технологические средства для обработки материалов. Справочник. - М.: Машиностроение, 1984. – 224 с.
7 Осипова В. А Экспериментальное исследование процессов теплообмена. - М.: Энергия, 1977. – 288 с.
8 Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи. М.: Энергия, 1973, 320 с.
9 Кириллов, П.Л. Исследование закономерностей отвода высоких тепловых потоков в режиме кипящих струй [Текст] / П.Л. Кириллов, В.В. Привезенцев, Е.В. Соловьев // М.: РНКТ. - С. 107-110.
10 О связи поверхностного натяжения жидкости с теплотой парообразования. //Журнал физической химии. – 1983. - Вып. 10. – С. 2528 - 2530
Пожалуйста, внимательно изучайте содержание и фрагменты работы. Деньги за приобретённые готовые работы по причине несоответствия данной работы вашим требованиям или её уникальности не возвращаются.
* Категория работы носит оценочный характер в соответствии с качественными и количественными параметрами предоставляемого материала. Данный материал ни целиком, ни любая из его частей не является готовым научным трудом, выпускной квалификационной работой, научным докладом или иной работой, предусмотренной государственной системой научной аттестации или необходимой для прохождения промежуточной или итоговой аттестации. Данный материал представляет собой субъективный результат обработки, структурирования и форматирования собранной его автором информации и предназначен, прежде всего, для использования в качестве источника для самостоятельной подготовки работы указанной тематики.
© Рефератбанк, 2002 - 2021