Математическая модель теплообмена в теплоотдающеи части испарителя

Исследования испарения метанола из пористых структур имели своей целью определение коэффициента теплоотдачи при испарении, а также проверку достоверности математической модели процесса испарения (см. гл.3.) Для проведения экспериментов была разработана установка, моделирующая условия работы испарительной части испарителя метанола. Объектом исследования являлись пористые пластинки, выполненные в виде дисков диаметром 20 мм из спеченных волокон. Диск заключался в специальную капсулу (рис. 4.1), к которой с одной стороны подводилась теплота, а с другой испаряемая жидкость.

Корпус капсулы 1 выполнен в виде стакана, на дно которого помещается пористый диск 2 и прижимается специальной втулкой 3 с отверстиями для подвода метанола. Сверху капсула закрывается крышкой 4 со штуцером 5. В боковой стенке корпуса капсулы выполнена специальная канавка для сбора пара и, сообщающийся с ней, штуцер 6 для отвода пара в конденсатор. Капсула устанавливается на электрический нагреватель. Таким образом теплота подводится к днищу капсулы, и через него к нижней грани пористого диска 2. Испаряемый метанол подводится к верхней грани диска и испаряется внутри пористой структуры. Пар, выходящий из боковой поверхности диска, собирается в канавке корпуса капсулы и отводится через штуцер 6 к конденсатору. В поверхности днища корпуса капсулы 1 со стороны пористого диска зачеканена термопара 7 для измерения температуры поверхности нагрева. На рис.4.2 представлена схема установки для исследования испарения метанола из пористых структур. пары, установленной в капсуле 6. В трубопроводе, соединяющем капсулу с конденсатором, имеется прозрачный участок 14 для визуального контроля полноты испарения метанола. Установка была смонтирована в вытяжном шкафу для предотвращения попадания паров метанола в помещение лаборатории.

Установка работает следующим образом. Метанол из бака 1 через расходный вентиль 2, расходомер 3, регулятор расхода 5 подается к капсуле 6, к которой подводится теплота от нагревателя 7. Образующийся пар отводится по трубопроводу через прозрачный участок 14 в конденсатор 8, где конденсируется и сливается в бак 9.

Эксперименты проводились в следующем порядке. Для каждой снимаемой точки устанавливалось напряжение питания нагревателя (то есть тепловой поток к пористой пластине) и к капсуле подводился метанол. Постепенным уменьшением расхода достигался режим, когда метанол испарялся полностью, что проверялось визуально по отсутствию капель в прозрачном участке трубопровода. При этом расходе снимались показания приборов. Этот режим выбран для снятия замера, так как толщина слоя пара над поверхностью нагрева минимальна, следовательно разность температуры поверхности нагрева и температуры кипения метанола соответствует минимальному теплоперепаду необходимому для полного испарения подводимого метанола (при дальнейшем уменьшении расхода метанола температура поверхности нагрева резко возрастает вследствие увеличения толщины парового слоя, который обладает низкой теплопроводностью). Описанный подход был определен на основании разработанной математической модели процесса испарения. В каждой точке выполнялось несколько замеров. Полученные показания обрабатывались для получения значения коэффициента теплоотдачи при испарении метанола из пористой структуры по следующей формуле, кВт/(м2оС):

Согласно математической модели, при расчете принято допущение, что испарение идет из слоя пористого диска непосредственно у поверхности нагрева равномерно по всей площади. Точность определения аи составляла 1,5 % вследствие погрешностей измерения температуры и расхода жидкости.

Достоверность данной методики была проверена сопоставлением данных, полученных на установке при испарении дистиллированной воды из пористой сетчатой структуры из латуни с пористостью 0,66 и толщиной 4,5 мм, с данными для этой же структуры из статьи [2]. Расхождения не превышали 10 % (рис.4.3), что свидетельствует о достоверности методики и математической модели процесса испарения.

Исследования процесса испарения метанола проводились на образцах пористой волокновой структуры из нержавеющей стали. Все образцы были выполнены в виде дисков диаметром 20 мм. Диаметр волокон составлял 70 мкм. Толщина варьировалось в диапазоне от 0,8 до 3,0 мм, пористость от 0,55 до 0,85.

В результате предварительных исследований было выявлено, что толщина пористой структуры не оказывает влияния на коэффициент теплоотдачи при испарении из пористой структуры. Это можно объяснить тем, что испарение идет непосредственно у поверхности нагрева в очень тонком слое пористой структуры, а остальная ее часть заполнена жидкостью. Дальнейшие исследования были направлены на изучение влияния пористости на интенсивность процесса испарения. С этой целью были проведены эксперименты на шести пористых дисках. Для каждого из них была построена зависимость коэффициента теплоотдачи от теплового потока.