НА ОСНОВЕ НЕФТЯНЫХ ОТХОДОВ

Известия Национальной академии наук Республики Казахстан  
 
 
   
102  
N E W S 
OF THE NATIONAL ACADEMY OF SCIENCES OF THE REPUBLIC OF KAZAKHSTAN 
SERIES OF GEOLOGY AND TECHNICAL SCIENCES 
ISSN 2224-5278 
Volume 6, Number 420 (2016), 102 – 108
 
 
 
А. А. Genbach, К. S. Оlzhabaeva  
 
Almaty University of Power Engineering and Telecommunications, Almaty, Kazakhstan. 
E-mail: Olzhabaeva.k@mail.ru  
 
STUDIES OF INTERNAL BOILING CHARACTERISTICS  
OF THE CAPILLARY-POROUS STRUCTURES OF POWER PLANTS  
BY HIGH-SPEED CINEMATOGRAPHY AND HOLOGRAPHY 
 
 
Key words: heat flow; heat transfer; porous structure; thermal power stations. 
Abstract. We give stands for investigation of internal (thermal-hydraulic) fluid boiling characteristics in capil-
lary-porous structures. As the optical methods used by high-speed camera filming SCS - 1M and holographic inter-
ferometry. The estimation of heat transfer coefficients and the list of heat exchangers with capillary-porous coatings. 
Described engineering calculation of workers and limiting characteristics of porous systems. We give a split-second 
process heat- and mass transfer for various wicks, specific heat flow and cooling costs. Fragments of the split-second 
illustrate the ejection of droplets from the wick, excess droplets, vapor bubbles in the structure of cells. 
 
 
УДК 536.421.1 
 
А. А. Генбач, К. С. Олжабаева  
 
Алматинский университет энергетики и связи, Алматы, Казахстан 
 
ИССЛЕДОВАНИЯ ВНУТРЕННИХ ХАРАКТЕРИСТИК КИПЕНИЯ  
В КАПИЛЛЯРНО-ПОРИСТЫХ СТРУКТУРАХ ЭНЕРГОУСТАНОВОК 
МЕТОДОМ СКОРОСТНОЙ КИНОСЪЕМКИ И ГОЛОГРАФИИ 
 
Аннотация.  Приводятся  стенды  для  исследования  внутренних  (термогидравлических)  характеристик 
кипения жидкости в капиллярно-пористых структурах. В качестве оптических методов использовались ско-
ростная киносъемка камерой СКС – 1М и голографическая интерферометрия. Дана оценка коэффициентов 
теплопередачи и перечень теплообменников с капиллярно-пористыми покрытиями. Описан инженерный рас-
чет рабочих и предельных характеристик пористых систем. Приводятся кинограммы процессов тепло- и мас-
сопереноса для различных фитилей, удельных тепловых потоков и расходов охладителя. Фрагменты из кино-
граммы иллюстрируют выброс капель из фитиля, избыточные капли, паровые пузыри в ячейках структуры. 
Ключевые слова: тепловой поток; теплопередача; пористая структура; тепловые электрические станций. 
 
Разработка  методов  управления  быстропротекающими  процессами [1] позволяет  модели-
ровать  внутренние  (термогидравлические)  характеристики  процесса  кипения  жидкости  в  капил-
лярно-пористых структурах, например, взрывообразное «рождение» («гибель») паровых пузырей и 
капель, распространение тепловых волн и легкой фазы (пара). 
Происходит  интенсификация  процессов  тепло-  и  массопереноса  в  капиллярно-пористых 
структурах, работающих при совместном действии капиллярных и массовых сил [2].  
Для расчета тепловых потоков и коэффициентов теплопередачи требуется знания внутренних 
характеристик кипения, таких как плотность центров парообразования, выброс капель жидкости из 
структур, [3] отрывной  диаметр  и  частоту  отрыва  пузырей,  время  их  «жизни»  и  «молчания» [4]. 

ISSN 2224-5278                                                                                 Серия геологии  и технических наук. № 6. 2016 
 
 
103 
Механизм кипения изучается для начальной [5], развитой [6] и критической [7, 8] областей (режи-
мов) и обобщается в виде критериальных уравнений теплообмена и гидродинамики [9]. 
Ориентировочные  значения  коэффициентов  теплопередачи  К,  Вт/м²·К,  в  теплообменных 
устройствах энергоустановок можно представить в общем виде: 
1. При нагревании и охлаждении воздуха = 1…50; 
2. При нагревании и охлаждении перегретого пара = 20…100; 
3. При нагревании и охлаждении масел = 50…1500; 
4. При нагревании и охлаждении воды = 200…10000; 
5. При кипении = 500…45000; 
6. При пленочной конденсации водяных паров = 4000…15000; 
7. При капельной конденсации водяных паров = 40000…120000; 
8. При теплопередаче от газа к газу 25; 
9. При теплопередаче от газа к воде 50; 
10. При теплопередаче от воды к воде 1000; 
11. При теплопередаче от конденсирующихся паров к воде 3500. 
Для  повышения  надежности  и  эффективности  стационарных  теплообменников  ТЭУ  ТЭС  с 
учетом экологии полезны следующие устройства [1. 6-9]: 
1)  Конденсаторы турбин на пористых структурах; 
2)  Интенсификаторы деаэрации в конденсата-сборниках; 
3)  Утилизация  сбросной  теплоты  путём  применения  «триады»:  тепловые  трубы,  вихревые 
трубы, тепловые насосы, создание ТЭС без градирен и без дымовых труб; 
4)  Градирни с пористыми элементами;  
5)  Пористые вставки для борьбы с кавитацией в конденсатных и питательных насосах; 
6)  Интенсификаторы теплообмена в ПВД и в ПНД с пористыми элементами; 
7)  Пористые структуры в деаэраторах, повышающие эффективность дегазации; 
8)  Пористые структуры для повышения эффективности сепарации пара и теплообмена в сепа-
раторах-пароперегревателях (ССП); 
9)  Маслоохладители на тепловых трубок, исключающие попадание масла в воду и наоборот; 
10)  Пористые маслоохладители; 
11)  Барботеры в пористых деаэраторах; 
12)  Пористые испарители; 
13)  Тепловые  трубы  в  тепличном  хозяйстве  ТЭС  (управление  фенофазами  цветения,  порис-
тый полив, хранение плодов); 
14)  Волнистые пористые двухфазные теплообменники; 
15)  Пористые сетевые подогреватели; 
16)  Пористые отопители; 
17)  Пористые теплообменники на эффекте Коанда; 
18)  Пористые теплообменники в виде пенетратора; 
19)  Пористые теплообменники, использующие эффект разделения, концентрации, транспорта, 
стока и управления энергиями волны и газов; 
20)  Теплообменники на основе управляемых гибких пористых структур.  
Инженерный  расчет  рабочих  и  предельных  характеристик  капиллярно-пористой  системы 
охлаждения может быть выполнен с использованием номограммного метода [2]. 
Для  построения  характеристик  предварительно  определяют  геометрические  параметры 
охлаждающей системы пористой структуры. 
Расчет производится на основе соотношения для тепловой мощности 
1
1
и
к
ст
ст
и
и
к
T
T
Q
F
F







, Вт. 
Величина  коэффициента  теплообмена  испарителя  α
и
  определяется  по  критериальному  урав-
нению, либо по расчетным зависимостям [2, 6-9]. 

Известия Национальной академии наук Республики Казахстан  
 
 
   
104  
Задаваясь  температурой  стенки  в  конденсаторе 
к
ст
T
сonst

  для  ряда  значений  температуры 
пара 
n
T
,  определяют  необходимые  физические  параметры  жидкости  в  конденсаторе  и  строится 
график 
( )
к
n
f T


. Из формулы  
(
),
к
к
к
n
ж
Q
F T
T




 Вт, 
где 
0,5(
),
к
к
ж
n
ж
T
T
T


находятся  для  ряда  значений 
n
T
  соответствующие  значения Q; α
к
 – коэф-
фициент теплоотдачи в конденсаторе; F
к
 – поверхность конденсатора. 
Задаваясь  несколькими 
и
ст
T
,  определяют  параметры  жидкости  в  испарителе  при  выбранной 
температуре пара и строят графики для 
(
)
и
к
ст
f T


по упомянутым формулам и по формуле  
(
)
и
и
ст
n
и
Q
T
T F



, Вт/м
2
К. 
Точка пересечения кривых дает искомую температуру 
и
ст
T
. 
Таким образом, может быть нанесена сетка эквидистантных линий в плоскости 
(
)
и
ст
Q
f T

для 
различных  значений 
и
ст
T
,  причем  следует  учитывать  теплопередающие  возможности,  ограничен-
ные кризисными явлениями [8]. 
Для  построения  номограммы  необходимо  также  знать  закономерности  теплообмена  охлаж-
дающей системы с окружающей средой 
В
к
сonst


. Для этого, например, задаются коэффициенты 
теплообмена  с  внешней  средой,  либо  принимают  условия  построения  температуры  окружающей 
среды 
. .
(
)
о с
t
сonst

  
Величина Q определяется  по  формуле,  характеризующей  теплообмен  наружной  стенки  кон-
денсатора с окружающей средой  
.
. .
(
),
В
к
к
к
с т
о с
Q
F T
T




 Вт. 
Тогда  каждой  величине Q (или 
.
к
с т
T
)  соответствует  определенное  значение 
.
к
с т
T
  (или Q). 
Следовательно, изменением внешних условий теплообмена с окружающей средой можно регули-
ровать 
.
и
с т
T
 при заданном тепловыделении. 
В  случае,  если  задается  температура  стенки  охлаждаемого  элемента,  необходимо  рядом  зна-
чений  критерия  Рейнольдса Re, которому  вычисляют  ряд  значений  чисел  Стантона  и,  определив 
величину α
и
, уточняют 
.
и
с т
T
 [9]. 
Если  температура  стенки  будет  превышать  заданное  значение,  необходимо  уменьшить 
величину Re и, следовательно, отводимую тепловую нагрузку. 
Для исследования процессов парообразования использовались оптические методы (скоростная 
киносъемка  и  голографическая  интерферометрия  «на  просвет»  и  «на  отражение») (рисунки 1–3). 
Применялся лазер ЛГ-38 и кинокамера СКС – 1М. Охлаждающими элементом служил трубчатый 
пористый теплообменник (рисунок 4). 
Результаты  экспериментов обрабатывались  в  виде кинограмм процессов тепло- и массопере-
носа для различных фитилей, тепловых нагрузок и расходов охлаждающей жидкости (рисунки 5-7). 
На рисунке 8 показана схема голографической регистрации «на просвет» процессов тепло- и 
массопереноса в отдельных ячейках пористых структур. Наблюдение и регистрация восстановлен-
ного с голограммы изображения производилось согласно схеме рисунка 9. 
 
 
 
 

ISSN 2224-5278                                                                                 Серия геологии  и технических наук. № 6. 2016 
 
 
105 
 
Рисунок 1 – Стенд для исследования  
процессов парообразования оптическими методами:  
1 – лазер; 2 – кинофотокамера;  
3 – пористый охлаждающий элемент 
 
Figure 1 – Stand for the study of the evaporation processes  
by optical methods: 1 - laser; 2 - cinematograph;  
3 - porous cooling element 
 
Рисунок 2 – Трубчатый пористый охлаждающий элемент  
в работе (подвод жидкости – по направлению действия 
гравитационных сил): 1 – питающая артерия;  
2 – лучистый нагреватель; 3 – голограмма 
 
Figure 2 – Tubular porous cooling element in work  
(liquid supply - in the direction of gravitational force):  
1 - feeding artery; 2 - radiant heater; 3 - hologram 
 
 
Рисунок 3 – Схема стенда для киносъемки:  
1 – камера; 2 – плита; 3 – капиллярно-пористая 
структура; 4 – алундовая трубка;  
5 – лампа кг – 220–1000–3; 6 – артерия;  
7 – бак; 8 – прожектор 
 
Figure 3 – Stand for filming: 1 - camera; 2 - plate;  
3 - capillary-porous structure; 4 - alundum tube;  
5 - 220-1000-3-kg lamp; 6 - artery; 7 - tank; 8 - spotlight 
 
 
Рисунок 4 – Экспериментальная установка  
для визуализации процессов парообразования:  
1 – подвод жидкости; 2 – трубка; 3 – питающая артерия; 4 – прижим;  
5 – фильтрация охлаждающей жидкости; 6 – капиллярно-пористая 
структура; 7 – фарфоровая трубка; 8 – йодная кварцевая лампа;  
9 – избыток жидкости;  
10 – нижний (капиллярный) подвод жидкости; 11 – сборник;  
12 – фиксирующий шрифт; 13 – электропровод; 14 – контакт;  
15 – канал для охлаждения лампы 
 
Figure 4 – Experimental setup for visualization of vaporization process:  
1 - liquid supply; 2 - tube; 3 - feeding artery; 4 - clamp;  
5 - filtration of coolant; 6 - capillary-porous structure; 7 - porcelain tube;  
8 - iodine quartz lamp; 9 - surplus liquid; 10 - low (capillary) liquid supply;  
11 - collection; 12 - registering pin; 13 - electric conduit; 14 - contact;  
15 - channel for cooling the lamp
 
 
 

Известия Национальной академии наук Республики Казахстан  
 
 
   
106  
Рисунок 5 – Кинограмма процессов тепло-  
и массопереноса: а – фитиль 0,14·0,4;  
б – фитиль 0,4; q = 40÷120 кВт/м
2
;  
в, г – фитиль 0,4 в увеличенном виде; q = 94 кВт/м
2
; 
m
ж
/m
n 
= 14; n = 0,14; q – удельный тепловой поток; 
m
ж
, m
n 
– расход жидкости и пара;  
n – плотность центров парообразования, 
пузырей/количество ячеек 
 
Figure 5 – Gramophone record of the heat-  
and mass transfer processes: а – wick 0,14·0,4;  
б – wick 0,4; q = 40÷120 кВт/м
2
;  
в, г – wick 0,4, enlarged q = 94 кВт/м
2
;  
m
ж
/m
n 
= 14; n = 0,14. 
q – heat flux density; m
ж
, m
n 
– liquid and vapor flow;  
n – vaporization, bubbles/number  
of cells centers density 
 
 
Рисунок 6 – Фрагмент из кинограммы  
(столбец «а» рисунок 5) в увеличенном виде 
 
Figure 6 – A fragment of gramophone record  
(column "a" in Figure 5) in the enlarged view 
 
Рисунок 7 – Фрагмент из кинограммы  
(столбец «г» рисунок 5) в увеличенном виде 
 
Figure 7 – A fragment of gramophone record  
(column "г" in Figure 5) in the enlarged view 
 
Рисунок 8 – Схема голографической регистрации  
«на просвет» процессов тепломассопереноса в ячейках 
пористых структур: 1 – лазер; 2 – полупрозрачное 
зеркало (светоделитель); 3, 5, 9, 10, 12 – зеркала;  
4, 8 – сферические коллиматоры; 6 – пористая система;  
7 – фотопластинка (голограмма); 11 – цилиндрический 
коллиматор; 13 – полупрозрачное зеркало;  
14 – рассеиватель; 15 – цилиндрическая линза 
 
Figure 8 – Scheme of the holographic recording  
"peek-a-boo" of the heat and mass transfer processes  
in the porous structures cells: 1 - laser; 2 - semitransparent 
mirror (beam splitter); 3,5,9,10,12 - mirrors;  
4, 8 - spherical collimators; 6 - porous system; 7 - 
photographic plate (hologram); 11 - cylindrical collimator;  
13 - half-transmitting mirror; 14 - diffuser; 15 - cylindrical lens
 
 

ISSN 2224-5278                                                                                 Серия геологии  и технических наук. № 6. 2016 
 
 
107 
Рисунок 9 – Наблюдение и регистрация 
восстановленного с голоргаммы изображения:  
1 – лазер; 2 – голограмма; 3 – действительное 
изображение двухфазного потока;  
4 – линза; 5 – телевизионная камера;  
6 – телевизионный экран; 7 – видиомагнитафон 
 
Figure 9 – Monitoring and registration  
of the image restored by hologram: 
1 - laser; 2 - hologram; 3 - real image of the two-phase 
flow; 4 - lens; 5 - TV camera; 6 - television screen;  
7 - videocassette recorder
 
 
Таким образом, на основе проведенных фундаментальных исследований на моделях и натуре 
теплогидравлических  характеристик  теплопередачи  получена  требуемая  информация  для  раз-
работки,  проектирования,  инженерного  расчета  и  эксплуатации  капиллярно-пористых  систем  в 
различных тепловых энергетических установках электростанций.  
 
ЛИТЕРАТУРА 
 
[1] Polyaev V., 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, avenue of the Americas. – New 
York, 1995. – Vol. 10, April. – P. 273-286. 
[2] Генбач А.А., Федоров В.Н., Шелгинский А.Я. Интенсивность теплообмена при кипении жидкости в капиллярно-
пористой структуре в поле массовых сил // Тепломассообменные процессы и установки: Сб. трудов МЭИ. – Вып. 448. – 
М., 1980. – С. 27-32. 
[3] Поляев В.М., Генбач А.А. Плотность центров парообразования и выброс капель из пористой структуры // Извес-
тия вузов. Машиностроение. – 1990. – № 9. – С. 50-55. 
[4] Поляев В.М., Генбач А.А. Отрывной диаметр и частота отрыва паровых пузырей в пористых структурах // Вест-
ник МГТУ. Серия Машиностроение. – 1990. – № 1. – С. 69-72. 
[5] Поляев В.М., Генбач А.А. Начальная область парообразования в пористых структурах, работающих с избытком 
жидкости // Известия вузов. Энергетика. – 1991. – № 2. – С. 84-87. 
[6]  Поляев  В.М.,  Генбач  А.А.  Механизм  процессов  парообразования  в  пористой  системе  охлаждения // Теория 
рабочих процессов в узлах и трактах энергетических установок. Сб. трудов МАИ. – М., 1991. – С. 81-90. 
[7] Поляев В.М., Генбач А.А., Минашкин Д.В. Визуализация процессов в пористом эллиптическом теплообменнике 
// Известия вузов. Машиностроение. – 1991. – № 10-12. – С. 75-80. 
[8]  Поляев  В.М.,  Генбач  А.А.  Пористое  охлаждение  камер  сгорания  и  сверхзвуковых  сопел // Тяжелое  машино-
строение. – 1991. – № 7. – С. 8-10. 
[9] Polyaev V., Genbach A. Heat Transfer in a Porous System in the Presence of Both Capillary and Gravity Forces // 
Thermal Engineing. – М., 1993. – Vol. 40, N 7. – P. 551-554. 
 
REFERENCES 
 
[1] Polyaev V., 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, avenue of the Americas. New 
York, 1995. Vol. 10, April. P. 273-286 (in Eng.). 
[2] Genbach A.A., Fedorov V.N., Sheglinski A.Y. The intensity of heat exchange with boiling liquid in a capillary-porous 
structure in the field of mass forces // Heat and mass transfer processes and plants: Sb. trudov MEI. Issue 448. M., 1980. P. 27-32 
(in Russ.). 
[3] Polyaev V.M., Genbach A.A. The density of the centers of vaporization and ejection of droplets from the porous struc-
ture // Proceedings of the universities. Mechanical Engineering. 1990. N 9. P. 50-55 (in Russ.). 
[4] Polyaev V.M., Genbach A.A. Tear-off diameter and a frequency separation of vapor bubbles in porous structures // 
Vestnik MSTU, a series of Engineering. 1990, N 1. P. 69-72 (in Russ.). 
[5] Polyaev V.M., Genbach A.A. The initial area of vaporization in the porous structures, working with excess fluid // 
Proceedings of the universities. Energy. 1991. N 2. P. 84-87 (in Russ.). 
[6] Polyaev V.M., Genbach A.A. The mechanism of evaporation processes in the porous system of cooling // The theory of 
working processes in the nodes and paths of power plants. Sb.trudov MAI. Moscow, 1991. P. 81-90 (in Russ.). 
[7] Polyaev V.M., Genbach A.A., Minashkin D.V. Visualization of processes in porous elliptic heat exchanger // Proceedings 
of the universities. engineering. 1991. N 10-12. P. 75-80 (in Russ.). 
[8] Polyaev V.M., Genbach A.A. Transpiration cooling of the combustion chambers and supersonic nozzles // Heavy 
Engineering. 1991. N 7. P. 8-10 (in Russ.). 
[9] Polyaev V., Genbach A. Heat Transfer in a Porous System in the Presence of Both Capillary and Gravity Forces // 
Thermal Engineing. М., 1993. Vol. 40, N 7. P. 551-554 (in Eng.). 

Известия Национальной академии наук Республики Казахстан  
 
 
   
108  
 

жүктеу/скачать 14,97 Mb.

Достарыңызбен бөлісу: