Интенсивное развитие вакуумной техники, сфера применения которой непрерывно расширяется, вызывает необходимость дальнейшего совершенствования средств создания высокого и сверхвысокого вакуума" Наиболее широкое распространение среди них получили пароструйные вакуумные насосы, предназначенные для получения и поддержания в различных откачиваемых объектах остаточных давлений от I до 10Па* Это связано с целым рядом их достоинств, таких как исключительная простота конструкции, малая трудоемкость изготовления, низкая стоимость, высокая надежность работы и практически неограниченный срок службы. Тем не менее до настоящего времени отсутствуют сведения о теплообмене в кипятильнике пароструйных насосов, поэтому при их проектировании тепловые расчеты производятся весьма цриближенно.
Кипение вакуумных масел в кипятильнике, являющееся одним из основных рабочих процессов в пароструйных вакуумных насосах, происходит при давлениях 50*2000 Па*1 Число работ, посвященных исследованию процесса кипения жидкостей при столь низких давлениях, невелико-1 Теплообмен же при кипении вакуумных жидкостей в условиях работы пароструйных насосов ранее не изучался. Поэтому исследование теплоотдачи при кипении вакуумных масел имеет большое значение;
Область низких давлений привлекает в настоящее время внимание исследователей процесса кипения. Достаточно отметить, что большинство работ, посвященных кипению в вакууме выполнено в последние 15 летВозрастающий интерес исследователей к этой области связан не только с потребностями ряда отраслей промышленности, в которых используется кипение при давлениях, существенно ниже атмосферного. Это связано и с тем, что первые исследования кипения жидкостей в вакууме показали, что со снижением давления происходит не простое уменьшение интенсивности теплообмена, но сам процесс кипения приобретает качественно новые особенности по сравнению с кипением в условиях атмосферного давленияСо снижением давления из-за увеличения критического радиуса парового пузырька создаются значительные трудности в образовании паровой фазы на поверхности нагрева, что приводит к существенному изменению внутренних характеристик процесса кипения — скорости роста, отрывного диаметра, частоты отрыва паровых пузырьков и др.
При этом растягивается переходный режим кипения, характеризующийся неустойчивостью, нестабильностью цроцесса парообразования и нестационарностью теплообмена-' Закономерности кипения жидкостей в. переходном режиме в настоящее время исследованы еще недостаточноПоэтому изучение процесса кипения в переходном режиме в условиях низких давлений, дальнейшее накопление экспериментальных данных в этой области представляет большой самостоятельный интерес;
В связи со всем вышесказанным основными задачами данной работы являлись экспериментальное исследование кипения вакуумных масел в условиях работы пароструйных насосов, которое в основном осуществляется в переходном режиме, изучение влияния-некоторых факторов, таких как теплофизические свойства материала поверхности нагрева и уровня жидкости над ней на этот процесс и исследование теплообмена в кипятильнике серийного диффузионного вакуумного насосав.
Проведение исследований было соцряжено с рядом трудноетей, связанных с весьма низкими для этого процесса давлениями, при которых цроводились опытыПротекание цроцесса кипения вакуумных масел в переходном режиме, 4 вследствие нестационарности теплообмена создавало определенные сложности при проведении измерений и обработке опытных данных. Кроме того, исследованные вакуумные масла представляют собой сложные многокомпонентные смеси, закономерности теплообмена при кипении которых отличаются от таковых при кипении чистых жидкостей,.
В качестве объектов исследования использовались вакуумные масла ВМ-1, ВМ-5 и ВМ-3, как наиболее широко распространенные в качестве рабочих жидкостей большинства диффузионных и бустерных вакуумных насосов".
В результате исследований получены экспериментальные данные по теплоотдаче при кипении указанных вакуумных масел на горизонтальных трубках, плоских поверхностях, изготовленных из разных материалов, и непосредственно в кипятильнике диффузионного вакуумного насоса типа Н250/2500;
Обнаружены интересные особенности кипения вакуумных масел в переходном режиме-1.
Отмеченные выше особенности кипения масел в условиях вакуума не позволили цровести обобщение экспериментальных данных по теплоотдаче по существующим критериальным уравнениям.1 По результатам исследования предложены расчетные соотношения для определения интенсивности теплоотдачи при кипении вакуумных масел в диапазоне рабочих давлений и тепловых натрузок в пароструйных вакуумных насосах-,'.
Полученные результаты были использованы при анализе эффективности работы существующих и проектировании новых конструкций пароструйных вакуумных насосов на Казанском производственном объединении «Вакууммаш», что подтверждается справкой об использовании результатов, приложенной в конце диссертации;
Исследования проводились в соответствии с координационным планом АН СССР на 1981;1985 г.®-.1 по проблеме 1.9- «Теплофизика» раздел 1.9.1.6. Теплои массообмен при двухфазных течениях, при кипении и конденсации.
Настоящая работа состоит из трех глав и приложения. Первая глава посвящена обзору и критическому анализу теоретических и экспериментальных работ по исследованию процесса кипения жидкостей в условиях вакуума, а также работ, посвященных изучению воцросов влияния толщины, теплофизических свойств материала поверхности нагрева и уровня жидкости над ней на теплоотдачу при кипении. Показано наличие противоречивых сведений по влиянию уровня жидкости на теплоотдачу при кипении в вакууме, а также отсутствие работ по исследованию процесса кипения вакуумных масел в условиях работы пароструйных насосовВо второй главе поставлены основные задачи исследования, описаны экспериментальные установки по изучению цроцесса кипения вакуумных масел на тонкостенных трубках, плоской горизонтальной поверхности нагрева и непосредственно в кипятильнике серийного диффузионного вакуумного насоса? Приведена методика проведения опытов и сделана оценка погрешности экспериментов;
В третьей главе анализируются полученные экспериментальные данные"' Обсуждаются воцросы влияния давления, материала теллоотдающей поверхности, уровня кипящей жидкости на тепло отдачу при кипении вакуумных масел, а также особенности теплообмена в кипятильнике серийного диффузионного вакуумного насоса. По результатам исследования сделаны выводы и даны рекомендации.
В приложении приведены теплофизические свойства исследованных масел, таблицы с опытными данными и справка о внедрении полученных результатов.
Автор выражает глубокую благодарность своему научному руководителю профессору Усманову Айтугану Гарифовичу и доценту Хайруллину Ирику Хафизовичу за повседневную помощь и ценные советы при выполнении работы.
УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ.
Аг — критерий АрхимедаСр — изобарная теплоемкость- ^ - частота отрыва паровых пузырьков- & - энергия Гиббса;
К — высота слоя жидкости над поверхностью нагреваN11* - модифицированный критерий Нуссельта для кипенияР — давление;
Р|, — давление, равное суше гидростатического давления столба жидкости и внешнего давления в системе;
— давление на входном сечении диффузионного вакуумного насоса;
— критерий Прандтля;
— плотность теплового потока;
Кр — критическая плотность теплового потокаРе* - модифицированный критерий Рейнольдса. для кипения й Кр — критический радиус парового пузырькаЪ — теплота парообразования;
— быстрота действия вакуумного насоса;
— температураР 5 Т т, ук — температура жидкостин — температура насыщеният.
Тех — температура поверхности нагревадТ — температурный напор;
— число Якоба- 2 — число центров парообразования- 0(- коэффициент теплоотдачи;
5 — толщина стенки поверхности нагреваЛ — коэффициент теплопроводности;
— плотность;
— коэффициент кинематической вязкости;
6 — коэффициент поверхностного натяжения.
I. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА ИССЛЕДОВАНИЙ ПРОЦЕССА ТЕПЛООБМЕНА ПРИ КИПЕНИИ ЖИДКОСТЕЙ В ВАКУУМЕ.
В данной главе рассматриваются особенности процесса кипения жидкостей в вакууме, сделан обзор имеющихся работ по этой теме. Проведен анализ теоретических и экспериментальных работ, посвященных вопросам влияния теплофизических свойств материала, толщины поверхности нагрева и уровня жидкости над ней на теплоотдачу при кипении в условиях атмосферного и пониженных давлений.
Выводы.
1. Впервые получены экспериментальные данные по теплоотдаче при кипении вакуумных масел ВМ-1, ВМ-3 и ВМ-5 в диапазоне давлений 0,067−5,6 кПа, плотностей теплового потока 5−130 кВт/ м2, уровней жидкости 5−55 мм на горизонтальной трубке «плоской поверхности, и в серийном диффузионном вакуумном насосе Н250/ 2500 на двух материалах греющей поверхности /12Х18Н10Т и Сталь 20/. Эти данные могут быть использованы при расчете и проектировании пароструйных вакуумных насосов;
2. Кипение вакуумных масел в диапазоне рабочих давлений и тепловых нагрузок пароструйных вакуумных насосов полностью осуществляется в переходном режиме, который характеризуется неустойчивостью кипения, паузами в процессе парообразования, значительными колебаниями температуры поверхности нагрева и нестационарностью цроцесса теплообмена.
3.' Обнаружено существование двух режимов неустойчивого кипения вакуумных масел, названных как «режим периодических вскипаний» и «режим изолированных пузырей». Каждому из них соответствует свой уровень интенсивности теплообмена.1.
4. Опыты подтвердили тлеющиеся теоретические положения о вырожденки влияния теплофизических свойств материала поверхности нагрева на теплоотдачу при кипении в условиях низких давлений;
5- Влияние уровня жидкости на интенсивность теплообмена при кипении в вакууме наблюдается в условиях, когда гидростатическое давление столба жидкости соизмеримо с внешним давлением в системе. Получена эмпирическая зависимость, учитывающая это влияние;
6. Интенсивность теплообмена и рабочие характеристики насоса при использовании двух материалов днища с существенно отличающимися теплофизическими свойствами оказались одинаковыми. Поэтому с позиций условий теплообмена использование легированных сталей для изготовления днища цредставляется нецелесообразным;
7. Теплообмен в диффузионном насосе имеет свои особенности, связанные с конструктивным оформлением днища кипятильника, В частности, наличие узких кольцевых зазоров в местах посадки лабиринтных колец создает благоприятные условия для зарождения паровой фазы на поверхности нагрева и улучшает теплообмен. Последнее указывает на возможность интенсификации теплообмена в кипятильниках пароструйных вакуумных насосов.
8. Исследованные вакуумные масла являются сложными многокомпонентными смесями, а процесс их кипения в основном происходит в переходном режимеПоэтому в настоящее время получить обобщающе соотношения для описания теплообмена не представляется возможным.1.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
В соответствии с поставленной программой проведено исследование теплообмена при кипении ряда вакуумных масел-1 В опытах реализованы режимные параметры, соответствующие условиям работы пароструйных вакуумных насосов (диффузионных и бустерных) ¦ На двух модельных установках и на серийном диффузионном насосе, приспособленном для выполнения необходимых измерений, получен большой объем опытных данных, 1 Этот экспериментальный материал может быть использован при расчете и проектировании новых перспективных средств создания вакуума-' В частности, данные, полученные при кипении на горизонтальной трубке, могут использоваться для расчета теплообмена при нагреве ТЭНами, погруженными непосредственно в рабочую жидкость насосов-' Эти же данные можно рекомендовать для расчета теплоотдачи от нагревателей бустерного насоса;
Особенности процесса кипения в диффузионном насосе, связанные с созданием благоприятных условий для образования паровых пузырьков в местах установки лабиринтных колец, указывают на возможность искусственно интенсифицировать процесс теплообмена-1 Если учесть, что кипение вакуумных масел в основном происходит в переходном режиме, для которого характерны низкие коэффициенты теплоотдачи, то переход в режим стабильного пузырькового кипения может позволить значительно улучшить теплообмен;
Необходимо учесть, что в условиях интенсивного теплообмена снижается температурный напор, создаваемый нагревателем в номинальном режиме работы насоса, что в свою очередь позволяет уменьшить тепловые потери и продлить срок работы масла за счет более медленного термического разложения.
Нельзя исключать также, что информация по условиям теплообмена может способствовать созданию новых конструктивных решений.
Рассмотренные в работе две характерные формы образования паровых пузырей в переходном режиме кипения указывают на сушествование определенных закономерностей и в этом режимеВозможно, что их дальнейшее изучение позволит получить отсутствующие в настоящее время расчетные соотношения по коэффициентам теплоотдачи для этой области.
Результаты исследований переданы заинтересованной организации — Казанскому научно-производственному объединению «Вакууммаш» и в настоящее время уже используются в инженерной практике.1.
