СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ ТЕПЛООТДАЧИ И ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ВЫСЫХАНИЯ ПЛЕНКИ ЖИДКОСТИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ МОДУЛЯЦИИ КОЛЕБАНИЙ ПОТОКА ЖИДКОСТИ Российский патент 1996 года по МПК F28F13/10 

Изобретение относится к теплотехнике, химической технологии и может быть использовано в теплообменных аппаратах с пленочным течением жидкости.

Известен способ интенсификации теплообмена в трубчатом теплообменнике, в котором происходит пульсирующая подача среды в трубы и принудительное ее прокачивание по ним, на выходе из теплообменника давление среды поддерживают не выше атмосферного [1]
Недостатком этого способа является необеспечение оптимального состояния гидродинамической структуры жидкостной пленки при ее колебании за счет использования собственной частоты пленочного течения.

Известен также способ интенсификации теплообмена между поверхностью и потоком жидкости, заключающейся в создании и регулировании колебаний жидкости путем наложения пульсаций на газовый поток, протекающий спутно с жидкостной пленкой [2]
Недостатком этого способа является необеспечение оптимального состояния гидродинамической структуры жидкостной пленки при ее колебании за счет использования собственной частоты пленочного течения.

Это объясняется тем, что движущийся с большой скоростью пульсирующий поток газа сглаживает колебания пленки. Воздействие на пленку осуществляется опосредствованно (через рабочее тело воздух, газ), что, в свою очередь, требует дополнительных затрат энергии на прокачку, снижает эффект непосредственного воздействия на гидродинамику пленочного течения жидкости.

Известно устройство для генерации пульсаций в потоке жидкой среды, циркулирующей через теплообменный аппарат, содержащее на трубопроводе после сосуда последовательно установленный сбросный клапан, заключенный в сборник жидкости, а также напорный колпак с клапаном на входе [3]
Недостатком устройства является то, что прерывание потока жидкости осуществляется без учета частоты собственных колебаний пленочного течения.

Известен также пульсатор для создания пульсаций потока жидкости, содержащий цилиндрический корпус с входным и выходным патрубками, и расположенный по оси корпуса ротор с радиальными отверстиями, через которые газ поступает в теплообменное устройство [4]
Недостатком устройства является сложность конструкции, требующей больших энергетических затрат.

Целью изобретения является интенсификация теплообмена и повышение устойчивости пленки к пересыханию.

Это достигается тем, что в способе повышения теплоотдачи, заключающемся в подаче на теплообменную поверхность жидкости в виде с одновременной модуляцией в ней колебаний, модуляцию колебаний осуществляют путем периодического прерывания расхода жидкости с частотой f/f_o 0,6-1,7 cобственной частоты колебаний пленки жидкости.

Технический эффект поставленной задачи в устройстве для модуляции колебаний потока жидкости достигается тем, что отношение площади сечения ротора к площади сечения трубопровода составляет S_p/Smp1,5-2,5, а отношение диаметров трубопровода и ротора составляет Dmp/Dp 0,5.

Сущность изобретения заключается в том, что в предлагаемом способе повышения теплоотдачи к пленке предусмотрена периодическая модуляция расхода жидкости и, тем самым, создание вынужденных колебаний расхода жидкости в диапазоне частот f/f_o (0,6-1,7), где f частота модулируемых возмущений, f_o собственная частота колебаний пленки. Обоснование указанного диапазона следует из экспериментальных данных, представленных на фиг.1 и 2.

Этот диапазон обуславливается следующими обстоятельствами: cобственная частота пленочного течения f_o составляет от 3 до 9 Гц (Ганчев Б.П. Применение жидкостных пленок в энергетическом оборудовавании АЭС. М. 1986). Проведенными исследованиями установлено, что наложение колебаний на пленку в указанном диапазоне частот приводит к значительному (до 2-3 раз) усилению интенсивности колебаний пленки, которое можно объяснить эффектом резонанса.

В этом же диапазоне частот, модулируемых на расход жидкости, наблюдается существенный рост теплоотдачи к пленке (фиг.1).

Из графика видно, что изменение интенсивности волнового движения D/D_о адекватно коррелирует с применением теплоотдачи (Nu/Pr^0,33/Nu/Pr^0,33) в указанном диапазоне частот.

Отличиями изобретения от прототипа являются:
1. Периодическое прерывание расхода жидкости с частотой f/f_о 0,6-1,7, что обеспечивает оптимальную гидродинамическую структуру пленочного течения, максимальный эффективный теплообмен.

2. Заявленное соотношение размеров диаметра трубопровода и ротора пульсатора, площадей сечения отверстия ротора и трубопровода, а также их вращение с определенной частотой.

Именно заявленные соотношения размеров диаметров трубопровода и ротора пульсатора, площадей сечений отверстия ротора и трубопровода, а также их вращение с определенной частотой обеспечивает создание колебаний пленочного течения с оптимальным, с точки зрения теплогидродинамики, параметрами и, тем самым, достижение цели изобретения. Это позволяет сделать вывод о том, что заявляемые изобретения связаны между собой единым изобретательским замыслом.

Таким образом, при сравнении отличительных признаков способа и устройства от прототипа следует соответствие предлагаемых изобретений критерию "новизна".

На фиг.1 приведены графики зависимости интенсивности волнового движения от изменений теплоотдачи в указанном диапазоне частот; на фиг.2 графики зависимости измерения средних коэффициентов теплоотдачи от частоты модулированных колебаний жидкости; на фиг.3 чертеж поперечного разреза модулятора; на фиг.4 установка, реализующая способ.

Устройство для модуляции колебаний потока жидкости (фиг.3) состоит из цилиндрического корпуса 1 с входными и выходными патрубками 2 и 3, ротора 4 с проходным отверстием 5.

Устройство работает следующим образом:
Жидкость подается во входной патрубок 2 пульсатора, ротор 4 пульсатора, вращаясь, создает пульсации жидкости в выходном патрубке 3 с частотой 0,6-1,7 собственной частоты колебаний пленки жидкости.

Способ осуществляется следующим образом:
Жидкость подается на вход вертикального канала 1 (фиг.4) и стекает по нему в виде пленки 2. Для создания пульсаций пленочного течения приводится в движение модулятор 3 электродвигателем 4 через понижающий редуктор 5.

При вращении ротора модулятора на входе вертикального канала 1 создаются модуляции пленки жидкости с частотой, соответствующей созданию оптимального теплогидравлического режима.

Параметры гидродинамики снимались с помощью емкостного датчика, установленного на расстоянии 1 м от входа в канал 1. Параметры теплообмена определяют с помощью тензометрических датчиков, установленных там же, где и емкостные датчики.

Примеры конкретного выполнения.

П р и м е р 1. На экспериментальной установке (фиг.4) были проведены исследования по определению коэффициентов теплоотдачи, согласно предлагаемому способу, по которому на поток жидкости, протекающей в вертикальном канале 1, на входе в канал модулировались возмущения, создаваемые устройством-пульсатором роторного типа 2.

Исследования проводились при течении пленки жидкости по каналу длиной 1800 мм, шириной 100 мм, плотностях теплового потока Q 2 · 10⁵ Вт/м², температуре жидкости 20 ± 5^оС, диапазонах чисел Рейнольдса пленки от 80 до 3600. Частота модулируемых колебаний пленочного течения варьировались в диапазоне от 2 до 15 Гц.

Результаты измерений средних коэффициентов теплоотдачи для течения пленки с модулированием колебаний жидкости на входе в канал на 20-30% превышали значение коэффициентов теплоотдачи при течении пленки без модулирования колебаний жидкости (фиг.2).

П р и м е р 2. Исследования проводились на той же установке по следующей методике.

Устанавливались расход жидкости в пленке при отсутствии модулируемых колебаний и плотность подводимого теплового потока.

Затем расход жидкости ступенчато снижался до момента образования на поверхности канала сухих пятен.

Расход, соответствующий началу разрушения пленки, фиксировался. Затем расход жидкости ступенчато повышался до момента исчезновения на поверхности канала сухих пятен. Расход, соответствующий исчезновению сухих пятен, фиксировался.

В той же последовательности проводились измерения при течении пленки жидкости с модулированием колебаний. Результаты показали, что модулирование колебаний приводит к значительному (в 2-3 раза) снижению минимальных плотностей орошения по сравнению с пленочным течением без модулирования колебаний жидкости.

Максимальное увеличение теплоотдачи при модулировании колебаний пленки жидкости по сравнению с немодулированным течением (базовый вариант) при различных значениях частоты колебаний пленочного течения жидкости (в диапазоне 3-7 Гц) составляет 20-32% (фиг.2).

В результате использования предлагаемого способа и устройства для повышения теплоотдачи при одной и той же тепловой нагрузке, расход теплоносителя в теплообменном аппарате может быть существенно снижен по сравнению с базовым или значительно повышена надежность пленочного охлаждения поверхности теплообмена.

Использование способа интенсификации теплообмена и конструкции предлагаемого устройства позволяет (по сравнению с существующими) оказывать модулирующее воздействие с определенной частотой непосредственно на пленку жидкости и, тем самым, отказаться от использования газа и затрат на его прокачку.

Использование: в теплотехнике, химической технологии, в частности в теплообменных аппаратах с пленочным течением жидкости. Сущность изобретения: на теплообменную поверхность подают жидкость в виде пленки с одновременной модуляцией в ней колебаний, а модуляцию колебаний осуществляют путем периодического прерывания расхода жидкости с частотой f/f₀ = (0,6 - 1,7), где f - частота модулируемых возмущений, f₀ - собственная частота колебаний пленки жидкости. Устройство для модуляции колебаний потока жидкости содержит подключенный к трубопроводу цилиндрический корпус с входным и выходным патрубками и расположенный на оси корпуса полый ротор с проходными отверстиями на боковой стенке с площадью сечения, составляющей 1,5 - 2,5 площади поперечного сечения трубопровода, а диаметр трубопровода составляет 0,5 диаметра ротора. 2 с. п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ повышения теплоотдачи и предотвращения высыхания пленки жидкости, при котором на теплообменную поверхность подают жидкость в виде пленки с одновременной модуляцией в ней колебаний, отличающийся тем, что модуляцию колебаний осуществляют путем периодического прерывания расхода жидкости с частотой, составляющей 0,6 - 1,7 собственной частоты колебаний пленки жидкости. 2. Устройство для модуляции колебаний потока жидкости, содержащее подключенный к трубопроводу цилиндрический корпус с входным и выходным патрубками и расположенный по оси корпуса полый ротор с проходными отверстиями на боковой стенке, отличающееся тем, что площадь сечения проходного отверстия в роторе составляет 1,5 - 2,5 площади поперечного сечения трубопровода, а диаметр трубопровода составляет 0,5 диаметра ротора.