Исследование и анализ температурных полей в трубчатых оксидных теплообменниках

В отечественной и зарубежной литературе все чаще появляются сведения об использовании для нужд энергетической промышленности изделий и материалов из высокоогнеупорных окислов: AI2O3, ВеО, ТЮ2, MgO и др. Электро — и теплоизоляция из чистых окислов находит применение в кабельной промышленности, трансформаторостроении, в ряде конструкций. Пористая и плотная керамика из окислов в качестве конструкционных элементов широко применяется в теплообменных аппаратах с химически агрессивными средами (жидкие металлы, химические растворы). Использование материалов из окислов целесообразно при высоких температурах, высоких частотах, воздействии агрессивных сред и в случае, когда рядовые материалы уже не пригодны. Достаточно сказать, что термическая устойчивость наиболее распространенных материалов (А120з, ВеО, ТЮ2) намного превышает устойчивость жаропрочных сталей и сплавов. Многие виды керамик не окисляются и имеют существенно более высокие температуры плавления, чем наиболее тугоплавкие металлы. Модуль упругости керамического волокна и усов на порядок выше, чем у металлов.

Применение жидкометаллических теплоносителей в энергетических установках связано с рядом сложных проблем. Одной из таких проблем является выбор конструкционных материалов для работы при высокой температуре в контакте с жидкометаллическими теплоносителями. Условия работы этих материалов в значительной степени отличаются от условий работы в высокотемпературных установках с другими средами. Важным качеством конструкционных материалов является их коррозионная стойкость. Некоторые ответственные детали энергетических установок являются тонкостенными трубками, поэтому уже небольшие коррозионные повреждения могут оказаться недопустимыми.

Особое применение нашли корундовые огнеупоры, в том числе плотноспеченная корундовая керамика.

Производство и использование корундовых изделий является перспективным, так как корунд обладает термической, механической и химической устойчивостью, высокой технологичностью, позволяющей изготавливать из корунда разнообразные изделия от беспористых (спеченная керамика) до высокопористых (теплоизоляционных), при этом используются все известные способы формованных огнеупоров и керамики. Производство пористых огнеупорных и особенно высокоогнеупорных материалов является одной из сравнительно новых областей техники.

Специфические условия использования керамики из окислов требуют расчета не только механической и электрической прочности изделий из нее, но и расчета теплового режима их в службе.

В представленной работе анализируются данные по теплофизическим свойствам, накопленные отечественными и зарубежными специалистами. Теплофизические характеристики материалов, в том числе и одно из наиболее важных — теплопроводность, описываются в связи со структурой и технологией их изготовления, обусловливающей эту структуру, так как известно, что свойства керамики (при одном и том же химическом составе) зависят в значительной мере от их пористости и строения.

Учитывая низкую теплопроводность окислов по сравнению с металлами, теплообменные аппараты, изготовленные из окисных материалов, имеют существенные отличия в тепловых режимах, особенно на начальных и концевых участках теплообмена. Для изучения этих особенностей и предназначена данная работа. Анализ особенности распределения температур в окисных теплообменниках проводился как расчетный, с помощью специально разработанной программы на ЭВМ, так и приведением расчетных данных с использованием тепловизионной системы Therma САМ SC 3000.

В диссертационной работе проведен подробный анализ зависимостей теплопроводности от температуры с помощью модели подвижности и релаксации для плотных и пористых окислов металлов, используя накопленные данные рядом авторов. Причем особое внимание было уделено анализу теплофизических свойств окиси алюминия при различном содержании пористости. Результаты исследований подтверждаются программой для вычисления температурных полей и данными, полученными в ходе проведения эксперимента.

В работе приведены результаты теплофизических характеристик плотных и пористых материалов из окислов. Приведенные данные в сочетании с другими характеристиками могут в известной мере облегчить выбор конструктивных материалов из окислов.

Цель и задачи работы. Целью настоящей диссертации является теоретическое и экспериментальное определение температурного поля внешней поверхности керамической трубки для более качественного выбора конструктивного материала при проектировании теплообменных аппаратов в энергетической промышленности. Полученные результаты были сравнены с экспериментальными данными на созданной для этого установке с использованием тепловизионной системы Therma САМ SC 3000.

Научная новизна диссертации заключается в:

— уточнении механизма теплопроводности в окислах металлов на основе модели подвижности и релаксации;

— разработке вычислительной программы, которая позволяет рассчитывать температурные поля на поверхности труб теплообменных аппаратов;

— подтверждении результатов расчета с помощью вычислительной программы и экспериментальных данных по определению температурных полей материалов с использованием тепловизионной системы Therma САМ SC 3000 с высокой точностью.

— определении использования окислов металлов в той или иной области применения;

Достоверность достигнутых результатов подтверждается совпадением теоретических результатов, полученных с помощью программы для ЭВМ, и эмпирических данных в сравнении с результатами эксперимента, полученными на лабораторной установке с высокой точностью.

Практическая ценность работы заключается в том, что полученные результаты позволяют уточнить методику расчетов теплообменных аппаратах с керамическими трубками для работы с жидкими и агрессивными средами. Расчет для теплообменников возможно проводить как экспериментально, так и с помощью вычислительной программы.

Апробация работы. Результаты, полученные в ходе выполнения работы, были опубликованы в следующих печатных работах:

1. Особенности расчетов процессов теплопереноса на основе моделей подвижности и релаксации носителей тепла. — М.: МГТУ им. А. Н. Косыгина, 2001,233с., ил. (монография в соавторстве).

2. Friedlichen Nutzung der Atomenergie. Материалы научно-практической конференции аспирантов университета на иностранных языках. — М.: МГТУ им. А. Н. Косыгина, 2002, с.4−5.

3. Влияние температурной зависимости свойств на перенос тепла в керамических теплообменниках с нестабилизированным потоком. Материалы всероссийской научно-технической конференции «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности» (Текстиль 2002) 26−27 ноября 2002 г. — М.: МГТУ им. А. Н. Косыгина, 2003, с. 167.

4. Анализ механизма теплопроводности в окислах металлов. Сборник научных трудов аспирантов. — М.: МГТУ им. А. Н. Косыгина. 2003, Выпуск 7, с. 73−78.

5. Современные аспекты определения теплофизических характеристик пористых керамических тел. Материалы всероссийской научно-технической конференции «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности» (Текстиль 2003) 18−19 ноября 2003 г. — М.: МГТУ им. А. Н. Косыгина, 2003, с. 220.

Докладывались на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов МГТУ в 2001;2003гг.

Содержание работы. Представленная работа состоит из введения и четырех глав.

В первой главе проведен анализ зависимостей теплопроводности от температуры с помощью модели подвижности и релаксации для плотных и пористых окислов металлов.

Во второй главе проведен анализ механизмов теплопроводности окислов металлов и влияния переменности теплофизических параметров на свойства материала. Подробно проанализированы теплофизические свойства окиси алюминия при различной пористости.

В третьей главе описана разработанная программа для вычисления температурных полей и представлены результаты расчетов, выполненные с помощью данной программы, с подробным описанием для материалов различного содержания пористости и значений температуры теплоносителя.

В четвертой главе приведена схема лабораторной установки для определения температурных полей материалов керамических теплообменников. Представлены результаты эксперимента с подробным описанием полученных данных и сравнения их со значениями, полученными с помощью вычислительной программы.

ВЫВОДЫ.

С помощью релаксационной модели проанализированы и уточнены механизмы теплопроводности в окислах металлов. Установлено, что определяющей является фононная теплопроводность и только при высоких значениях температуры появляется ее фотонная составляющая.

Особое внимание в работе уделено анализу окиси алюминия, где подробно рассматриваются образцы с различным содержанием пористости. Для каждого из них проведен обширный анализ механизмов теплопроводности, в результате чего выявлено, что помимо фононной составляющей в порах материалов присутствует радиационная составляющая теплопроводности. Показано, что у окислов с высоким содержанием пор значение теплопроводности на порядок отличается от аналогичных материалов в плотном состоянии или с малым количеством пор. Для расчета теплового режима керамического теплообменника с агрессивной средой была написана программа, позволяющая на примере алунда определять температуру внешней поверхности трубы. Ход кривой, описывающей результаты расчета, имеет убывающий характер. На начальном участке (0,0м-0,05м) имеет место резкое падение температуры, которое объясняется допущениями, сделанными в работе: теплоизолированностью концов трубы.

С помощью разработанной программы были проанализированы материалы окиси алюминия с различным содержанием пористости. Результаты показали, что плотный AI2O3 и AI2O3 с пористостью 10−15% является надежным конструкционным материалом для теплообменных аппаратов с химически агрессивными средами. AI2O3 с пористостью 80% и более может применяться в качестве теплоизоляционного материла в энергетической промышленности.

Для экспериментального исследования температурных полей на внешних поверхностях в керамических теплообменниках был создан специальный стенд, позволяющий проводить измерения температуры внешней стенки трубы с помощью тепловизионной системы Therma САМ SC 3000.

Экспериментальные исследования температуры внешней стенки трубы показали, что полученные значения в реальных условиях незначительно отличаются от расчетных по характеру зависимости. Отличие экспериментальных значений температуры от теоретических объясняются на начальном участке трубы различными начальными условиями расчета и эксперимента. Различие расчетных и экспериментальных температур следует отнести к наличию тепловых потерь за счет конвекции при проведении эксперимента в лабораторных условиях. Результаты теоретического расчета теплового режима элемента керамического теплообменника дают достоверные результаты, не противоречащие эксперименту с достаточной для практических расчетов точностью.