Анализ кризиса теплопередачи в капиллярно-пористой системе охлаждения элементов теплоэнергоустановок

Разработана модель динамики паровых пузырей, рождающихся на твердой поверхности в пористых структурах и парогенерирующей стенке (подложке). Модель основана на кинофотосъемке скоростной камерой СКС-1М. Отвод высоких тепловых потоков (до 2·106 Вт/м2) обеспечивается совместным действием капиллярных и массовых сил с применением интенсификаторов. Составлена аналитическая модель на основе теории термоупругости. Определено предельное состояние плохотеплопроводного пористого покрытия и металлической подложки. Рассчитаны тепловые потоки от времени спонтанного появления парового зародыша (10–8) до времени разрушения материала (10²…10³ с), т. е. описан интервал времени от процесса релаксации до макропроцесса (разрушения). Размеры отрывающихся частиц в момент разрушения пористого покрытия, определенные в модели, дают хорошее совпадение с экспериментальными данными, полученными на оптическом стенде. Разрушение покрытия под действием сил сжатия наступает во времени значительно раньше, чем силы растяжения. Вероятнее разрушение будет происходить под действием сил сжатия и сдвига. Интервалы теплового потока, в пределах которых происходит такое разрушение, для кварцевого и гранитного покрытий, различаются. Каждой толщине отрывающейся частицы под действием сил сжатия соответствуют свои предельные значения тепловых потоков, которые находятся в пределах приведенных интервалов. С увеличением удельного теплового потока в нагреваемом слое и, следовательно, с уменьшением времени нагрева, растет роль напряжений сжатия. Несмотря на высокую сопротивляемость сжатию, разрушение от сжимающих термонапряжений происходит в более благоприятных условиях мгновенно и в ничтожно малых объемах. Представлены экспериментальные установки, условия проведения опытов, результаты кризиса теплообмена и предельного состояния поверхности. Выполнен расчет критических тепловых потоков. Исследованная капиллярно-пористая система, работающая при совместном действии капиллярных и массовых сил, имеет преимущество по сравнению с кипением в большом объеме, тонкопленочными испарителями и тепловыми трубами.

Литература

[1] Polyaev V.M., Genbach A.N., Genbach A.A. Methods of Monitoring Energy Processes, Experimental Thermal and Fluid Science, International of Thermodynamics. Experimental Heat Transfer and Fluid Mechanics. 7th International Conference on Thermal Equipment, Renewable Energy and Rural Development, New York, USA, Avenue of the Americas, 1995, vol. 10, pp. 273–286.

[2] Polyaev V.M., Genbach A.A. Heat Transfer in a Porous System in the Presence of Both Capillary and Gravity Forces. Thermal Engineering, 1993, vol. 40, is. 7, pp. 551–554.

[3] Поляев В.М., Генбач А.Н., Генбач А.А. Предельные состояния поверхности при термическом воздействии. Теплофизика высоких температур, 1991, т. 29, № 5, с. 923–934.

[4] Polyaev V.M., Genbach A.A. Control of Heat Transfer in a Porous Cooling System. Proceedings, 2nd World Conference on Experimental Heat Transfer, Fluid Mechanics and Thermodynamics, Dubrovnik, Yugoslavia, 1991, pp. 639–644.

[5] Поляев В.М., Генбач А.Н., Минашкин Д.В. Процессы в пористом эллиптическом теплообменнике. Известия высших учебных заведений. Машиностроение, 1991, № 4-6, с. 73–77.

[6] Генбач А.А., Бондарцев Д.Ю. Экспериментальный метод исследования кризиса теплопередачи в капиллярно-пористых структурах для элементов котлотурбинной техники. Тяжелое машиностроение, 2018, № 3, с. 32−38.

[7] Genbach A.A., Bondartsev D.Yu. Experimental method of investigation of the heat transfer crisis in a capillary-porous cooling system. News of the National Academy of Sciences of the Republic of Kazakhstan, Series of Geology and Technical Sciences, 2018, vol. 2(428), pp. 81–88.

[8] Генбач А.А., Бондарцев Д.Ю. Разрушение капиллярно-пористых покрытий при интенсивном тепломассопереносе. Деформация и разрушение материалов, 2018, № 10, c. 40–46.

[9] Genbach A.A., Bondartsev D.Yu., Iliev I.K. Heat transfer crisis in the capillary-porous cooling system of elements of heat and power installations. Thermal Science, 2019, vol. 23, iss. 2, pp. 849−860, doi: 10.2298/TSCI171016139G

[10] Генбач А.А., Бондарцев Д.Ю. Предельные тепловые потоки и термические напряжения в пористых покрытиях теплоэнергоустановок. Труды Академэнерго, 2018, № 1, c. 73–80.

[11] Polyaev V.M., Genbach A.A. Control of Heat Transfer in Porous Structures. Proceedings, Russian Academy of Sciences, Power Engineering and Transport, 1992, vol. 38, is. 6, pp. 105–110.

[12] Jamialahmadi M., Müller-Steinhagen H., Abdollahi H., Shariati A. Experimental and Theoretical Studies on Subcooled Flow Boiling of Pure Liquids and Multicomponent Mixtures. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2008, vol. 51, iss. 9–10, pp. 2482–2493, doi: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2007.07.052

[13] Ose Y., Kunugi T. Numerical Study on Subcooled Pool Boiling. ASME/JSME 2011 8th Thermal Engineering Joint Conference, 2011, vol. 2, pp. 125–129.

[14] Krepper E., Končar B., Egorov Y. CFD Modeling Subcooled Boiling-Concept, Validation and Application to Fuel Assembly Design. Nuclear Engineering and Design, 2007, vol. 237, iss. 7, pp. 716–731, doi: 10.1016/j.nucengdes.2006.10.023

[15] Овсяник А.В. Моделирование процессов теплообмена в кипящих жидкостях. Гомель, ГГТУ им. П.О. Сухого, 2012. 284 с.

[16] Алексеик O.С., Кравец В.Ю. Физическая модель процесса кипения на пористой поверхности в ограниченном пространстве. Восточно-Европейский журнал передовых технологий, 2013, т. 64, № 4/8, с. 26−31.

[17] Поляев В.М., Генбач А.А. Анализ законов трения и теплообмена в пористой структуре. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение, 1991, № 4, с. 86–96.

[18] Поляев В.М., Генбач А.А., Бочарова И.Н. Влияние давления на интенсивность теплообмена в пористой системе. Известия высших учебных заведений. Машиностроение, 1992, № 4–6, с. 68 –72.

[19] Поляев В.М., Генбач А.А. Области применения пористой системы. Известия высших учебных заведений. Энергетика, 1991, № 12, с. 97–101.

[20] Genbach A.A., Bondartsev D.Yu., Iliev I.K. Investigation of a high-forced cooling system for the elements of heat power installations. Journal of machine Engineering, 2018, vol. 18, is. 2, pp. 106–117, doi: 10.5604/01.3001.0012.0937

[21] Genbach A.A., Bondartsev D.Yu., Iliev I.K. Modelling of capillary coatings and heat exchange surfaces of elements of thermal power plants. Bulgarian Chemical Communications, 2018, vol. 50, special is. G, pp. 133–139.

[22] Поляев В.М., Майоров В.А., Васильев Л.Л. Гидродинамика и теплообмен в пористых элементах конструкций летательных аппаратах. Москва, Машиностроение, 1998. 168 с.

[23] Ковалев С.А., Соловьев С.Л. Испарение и конденсация в тепловых трубах. Москва, Наука, 1989. 112 с.

[24] Kupetz М., Jeni Heiew E., Hiss F. Модернизация и продление срока эксплуатации паротурбинных электростанций в Восточной Европе и в России. Теплоэнергетика, 2014, № 6, с. 35–43, doi: 10.1134/S0040363614060058

[25] Гринь Е.А. Возможности механики разрушения применительно к задачам прочности, ресурса и обоснования безопасной эксплуатации тепломеханического энергооборудования. Теплоэнергетика, 2013, № 1, с. 25–32.