Закономірності теплообміну при упарюванні розчинів солей в випарному апараті зі стікаючою плівкою

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ХАРКІВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

ЗАКОНОМІРНОСТІ ТЕПЛООБМІНУ УПАРЮВАННЯ РОЗЧИНІВ СОЛЕЙ У ВИПАРНОМУ АПАРАТІ ЗІ СТІКАЮЧОЮ ПЛІВКОЮ

Спеціальність: Технологічні процеси різних галузей промисловості

Павлова Вікторія Геннадіївна

Харків, 2007 рік

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. У технологічних процесах різних галузей промисловості, в енергетиці, хімічній, харчовій, фармацевтичній і інших, широке застосування знаходить процеси упарювання розчинів солей.

До теперішнього часу для випаровування солевміщуючих розчинів використовуються багатокорпусні установки, обладнані випарними апаратами з винесеною зоною кипіння. Цим апаратам властиві гама недоліків: висока металоємкість, значна гідростатична депресія, що знижує корисну різницю температур, підвищені капітальні та експлуатаційні витрати, складність технічного обслуговування.

Тому перспективним є проведення досліджень, направлених на пошук раціональних конструкцій випарних апаратів для упарювання розчинів солей. Таким апаратом може служити випарний апарат із стікаючою плівкою, який раніше не застосовувався для упарювання розчинів, що супроводжується кристалізацією солей. Останнє обумовлене тим, що при недостатньо обґрунтованих рішеннях щодо режимно-геометричних параметрів апарату на його теплообмінній поверхні розвивалися процеси інкрустації зі всіма відомими негативними наслідками (заростання поверхні теплопередачі і погіршення процесу теплообміну). У той же час апарати із стікаючою плівкою мають ряд переваг: відсутня гідростатична депресія, що збільшує корисну різницю температур, а це дозволяє зменшити необхідну поверхню нагріву, понизити час контакту розчину з поверхнею, що суттєве при роботі з термолабільними розчинами. Можливість апаратів із стікаючою плівкою працювати з малою корисною різницею температур в інтервалі 5…10С дозволяє збільшувати кратність використовування тепла пари, тобто понизити його питому витрату на одиницю випарюваної води. У зв'язку з цим дослідження, направлені на створення високоефективних випарних апаратів із стікаючою плівкою для упарювання розчинів солей, є актуальними та мають науково-практичне значення.

Зв'язок роботи з науковими програмами, темами. Основні результати дисертаційної роботи одержані в рамках виконання досліджень відповідно до держбюджетної теми МОН України за напрямком 7 “Енергетика, енергозбереження”: „Удосконалення методики чисельних розрахунків динамічних характеристик теплообмінних апаратів" (Д.Р №0106U001470), де здобувач була виконавцем одного з напрямків.

Мета і задачі дослідження. Мета дослідження: розробка перспективної технології упарювання розчинів солей у випарних апаратах із стікаючою плівкою.

Апробація результатів роботи: Результати роботи доповідалися і обговорювались на наукових семінарах кафедри теплотехніки (2006, 2007 рр.), Х, ХI, ХII, ХIII міжнародних науково-практичних конференціях “Інформаційні технології: наука, техніка, технологія, освіта, здоров'я” (м. Харків, 2002, 2003, 2004, 2005 рр.).

Публікації По темі дисертації опубліковано 9 статей у фахових виданнях ВАК України.

Об'єм і структура дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, 4 розділів, висновків, 6 додатків. Повний обсяг дисертації складає 155 сторінок, з них 127 основний текст, 17 ілюстрацій по тексту, 2 таблиць по тексту, додатків на 17 сторінках, списку використаних літературних джерел, який складається з 112 найменувань на 10 сторінках.

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі зроблено аналіз актуальності теми дисертації, сформульовані мета та задачі дослідження, обґрунтована необхідність подальшого вивчення процесів, викладенні наукова новизна отриманих результатів та відображено науково-практична цінність роботи.

В першому розділі виконано аналіз існуючих літературних джерел, в яких розглядаються процеси течії плівки рідини, процеси випаровування (пароутворення при кипінні), кристалізації та накипеутворення. Розглянути роботи В.Х. Мак-Адамса, С.С. Кутателадзе, Е.И. Несиса, В.И. Толубинского, Ю.М. Тананайко, Е.Г. Воронцова, В.И. Кутепова та інших. Зроблено аналіз застосування випарних апаратів щодо кристалізуючихся розчинів. Відображені переваги плівкових випарних апаратів у порівнянні з випарними апаратами з винесеною зоною кипіння.

На основі існуючих робіт відображено ефективність теплообміну при плівковій течії у порівнянні з теплообміном в об'ємі. Проаналізовано дослідження процесів теплообміну в стікаючої плівці рідини. Головним чином дослідження вчених спрямовані на розгляд течії одно- та двофазних потоків, які не вміщують тверду фазу - солі, що кристалізуються. Але присутність твердої фази декілька змінює картину теплообміну у порівнянні з чистим потоком. Дослідженню течії трьохфазної рідини з перемінним вмістом фаз приділялось недостатньо уваги. Однак значна частина розчинів включає солі, які при упарюванні кристалізуються як в об'ємі, так і на поверхні теплообміну. Кристалізація солей на поверхні теплообміну визиває погіршення процесу теплообміну, заростання поверхні теплопередачі, при цьому виникає необхідність частої промивки обладнання. Це є однією з причин стримуючих застосування плівкових випарних апаратів щодо розчинів з кристалізуючимися солями.

Розглянуті моделі пароутворення та методи розрахунку теплообміну при упарюванні. Приділено увагу процесам утворення, росту й відриву парової бульбашки. Зроблено висновок про можливості застосування випарних апаратів зі стікаючою плівкою щодо розчинів солей, та необхідність більш глибокого дослідження процесів теплообміну при течії трьохфазної плівки зі змінним вмістом фаз. На жаль на даний час відсутність методики розрахунку теплообміну у стікаючої плівки трьохфазної рідини зі змінним вмістом фаз не дає можливості створювати та використовувати випарні апарати зі стікаючою плівкою застосовано щодо розчинів що вміщують кристалізуючуюся фазу.

В другому розділі представлена розроблена модель теплообміну у стікаючої плівці трьохфазної рідини зі змінними вмістом фаз. Обґрунтована модель упарювання в стікаючої плівці суспензії та виділено основні фактори, які впливають на процес теплообміну в плівці.

На базі існуючих теорій і теоретичних передумов розроблена методика розрахунку процесу теплообміну, знайдені узагальнені залежності для визначення коефіцієнта тепловіддачі, що враховують взаємний вплив процесів кипіння і кристалізації в процесі теплообміну в рідинній плівці суспензії. Нові парові бульбашки можуть утворюватися на поверхні теплообміну, за рахунок відхилення фізичних величин, що характеризують рівноважний стан середовища - тобто флуктуацій. При цьому йде зниження відносної швидкості пари і створюється однорідна суміш. Вплив рухомих кристалів на відносну швидкість фаз незначний, оскільки їх масовий зміст малий. Але при підвищенні вмісту кристалів має місце пригашення турбулентності. Кількість твердої фази, що виділилася при кипінні, залежить від ступеня перегріву суспензії і визначає густину багатофазної суміші, розподіл фаз, швидкість руху.

Процеси пароутворення носять вірогідний характер. Механізм утворення парової фази можна представити слідуючим чином. У невеликому об'ємі через флуктуації густини в центрах паротворення, на поверхні теплообміну, створюється невеликі парові включення. Частина яких з розміром менш за критичній, зникає.

Інші, при належних умовах ростуть. Із зростанням перегріву рідини з однієї стороні зростає вірогідність появі житездатної парової фазі з необхідними розмірами, з іншої - зменшується необхідний розмір для житездатності парових бульбашок.

Зникнення парових бульбашок малих розмірів пояснюється дією роботи зміни об'єму, яка при малих розмірах, менших за критичний, не в змозі компенсувати енергетично невигідний ефект появі розділу між рідиною та паром. Парові бульбашки, які мають розміри більш за крітічній - ростуть. Швидкість зростання та відриву парової фазі являється однієї з основних характеристик теплообміну при кипінні. Існуючі роботі доводять, що випарювання у парову бульбашку йде за рахунок існуючого пристінного шару під бульбашкою, а також випаровування перегрітої рідини примикаючий до поверхні. Існує декілька моделей утворення та росту парової фази: Лабунцова Д.А., Ягова В.В., Малюнкова І.Г. та інших.

Відрив парової фазі йде з визначенною частотою, та при досягненні парової бульбашки відривного діаметру. Із зростанням теплового потоку частота відриву росте. Випаровування приводить до зміни концентрації рідинної фази. Все вищесказане відображає картину упарювання в плівці рідини. Але присутність твердої фазі змінює картину теплообміну. Це відбувається через те, що тверда фаза міняє фізико-хімічні властивості речовини та гідравлічну характеристику плівки розчину. Данні зміни можуть привести як до підвищення теплообміну, так і його падіння.

При розгляді процесів кристалізації в апаратах доводиться вирішувати питання зменшення швидкості кристалізації на поверхнях теплообміну апарату. Виділення солей йде частково в об'ємі рідкої фази - в плівці рухомої по поверхні теплообміну, частково відкладається на поверхні вже існуючих кристалів або домішки, які міститься в розчині, а частково на внутрішній поверхні нагріву. Відкладення кристалів на поверхні нагріву йде унаслідок того, що на утворення зародка кристала на поверхні витрачається менша робота, ніж на утворення нових кристалів в плівці рідини, до того ж в прилеглому до поверхні теплообміну шарі, так званому пристінному шарі виникають локальні перенасичення по даних солях. Перенасичення є однією з причин випадання з розчину кристалів солей і осіданню їх на поверхні нагріву. Такий стан досягається за рахунок випаровування випарника і зміни концентрації суспензії. Спливаючі парові бульбашки, що відірвалися, залишають за собою слід з крихітних кристалів, до яких унаслідок міжмолекулярної взаємодії нашаровуються кристали солей, розчинених в розчині, це теж призводить до кристалоутворення на поверхні теплообміну.

За наявності готових кристалів солей має місце низькі ступені пересичення, вірогідність утворення нових зародків кристалів незначна. Так само як і для міхура пари, так і для кристала існує деякий критичний розмір початку зростання. При зіткненні рухомих кристалів можливе руйнування кристалів, частина яких, та, що має розмір менше за критичний розчиняється, а кристали, що мають критичний розмір і більш ростуть. Зростання кристала, що утворився при зіткненні, можна розглядати як ланцюговий процес зростання, за умови постійного надходження молекул кристалічної фази і процес цей характеризується деякою вірогідністю.

У третьому розділі пропонується математична модель теплообміну у плівці трьохфазної рідини зі змінним вмістом фаз. Розглянуті питання адекватності розробленої моделі реальним процесам тепловіддачі в стікаючій плівці рідинної суспензії із змінним вмістом фаз. Обґрунтоване застосування методу аналізу розмірностей для вирішення поставленої в дисертації задачі, пов'язаної з визначенням параметрів, що характеризують теплообмін в стікаючій плівці розчину солей із змінним вмістом фаз.

При створені математичної моделі, описуючої теплообмін у рухомій плівці трьохфазної рідини зі змінним вмістом фаз розглядали суспензію, у межах елементарного об'єму як суцільний потік з середніми параметрами. Сама ж рідина - трьох компонентна механічна суміш. Температура твердої часточки дорівнює температурі оточуючої її рідини. Існуючі роботі Річардсона та Сміта доводять, що теплопровідність твердої частки практично не впливає на інтенсивність теплообміну, тому її можна не враховувати.

Унаслідок малої товщини плівки її течію навіть на викривлених поверхнях (труби, насадки) можна розглядати як плоску в системі х-у координат. При виводі рівнянь нерозривності та руху трьохфазної рідини зі змінним вмістом фаз враховували дію сил тяжіння, тиску, тертя та вперше вбула розглянута дія сил поверхневого натягу. Також система диференційних рівнянь включає рівняння зміни вмісту твердої фази суспензії, зміна концентрації рідкої фази, зміна концентрації насичення твердої фази, збереження маси рідкої фази, рівняння збереження маси твердої фази, рівняння балансу, рівняння тепло- і масообміну. Значній внесок у процеси теплообміну вносить пристінний пограничний шар. Тому система диференційних рівнянь повинна включати диференційне рівняння перенесення твердої частки в пристінному пограничному шарі. Але подібне рівняння відсутнє. На підставі проведених досліджень, можна сказати, що функціональну залежність коефіцієнта тепловіддачі від визначальних його параметрів виражається таким чином:

В результаті методом аналізу розміростей було отримано ряд критеріїв:

Таким чином, методом аналізу розмірностей отримано ряд критеріїв, що відображають вплив на процес теплообміну ряду чинників: фізико-хімічні властивості рідини, інтенсивність перенесення паровій бульбашки в рухомій рідкій фазі, кипіння розчину, вплив кристалічної фази.

У четвертому розділі представлено результати обробки експериментальних даних та отримана критеріальна залежність для розрахунку теплообміну в стікаючій плівці трьохфазної суспензії із змінним вмістом фаз. Розроблена нова методика розрахунку коефіцієнта тепловіддачі для багатофазної суспензії із змінним вмістом фаз, яка враховує фізико-хімічні властивості розчину, режим течії, дію сили поверхневого натягу, процеси кипіння і випаровування, вплив твердої фази на процес тепловіддачі. Відображена ефективність теплопередачі в стікаючій плівці суспензії із змінним вмістом фаз при додаванні в початкову суспензію деякої кількості готової твердої фази. Розглянуто вплив твердої фаза на процес теплообміну. Ступінь її впливу залежить від вмісту твердої фази в суспензії. Так, при зростанні вмісту твердої фази в рідинній суспензії коефіцієнт теплообміну спочатку росте, але при досягненні концентрації певного значення знижується. Обробка експериментальних даних дала можливість визначити невідомі коефіцієнти в одержаному рівнянні теплообміну:

Для виявлення основних закономірностей перебігу процесу бралися експериментальні дані УкрНДІхиммаша (м. Харків). Результати досліджень предоставлені науковим керівником дисертації проф. В.С. Фокіним, який проводив їх на експериментальних установках в ГосНДІХлропроєкте (м. Москва), Сакськом хімзаводі (м. Саки) і Першотравневому ПО “Химпром” (Харківська область). Досліджуваними розчинами були насичені солями NaCl і KMnO4 системи NaOH, NaCl, H2O і KOH, KMnO4, H2O (солі з умовно постійною розчинністю і зворотною розчинністю).

По результатам досліджень також були отримані графіки залежностей. Дане зростання і зниження значення коефіцієнта тепловіддачі було передбачене теоретично, на підставі теоретичних досліджень і відображено в першій частині роботи та можна пояснити наступним: із збільшенням концентрації твердої фази росте турбулізація потоку за рахунок хаотичного руху твердих частинок, які проривають прикордонний шар, впливають на зріст та відрив парової фази, що додатково збільшує турбулізацію плівки. Це пояснює зростання коефіцієнта тепловіддачі в діапазоні вт до 10-12%. З подальшим зростанням змісту твердої фази зростає густина розчину та ускладнюється вільний хаотичний рух твердої частинки, турбулентність потоку гаситься. Таким чином можна пояснити зменшення коефіцієнта тепловіддачі при підвищенні концентрації твердої фази.

ВІСНОВКИ

Дисертація дозволяє вирішувати актуальну науково-практичну задачу - обґрунтування застосування для упарювання сольових розчинів плівкових випарних апаратів із стікаючою плівкою, замість великогабаритних і металоємких випарних апаратів з трубою вскипання. У дисертаційній роботі проведене дослідження плівкового перебігу трифазних суспензій із змінним змістом фаз (розчин, тверда і парова фази). Проведений аналіз дозволив розробити фізичний механізм процесу і його математичний опис.

В результаті проведеної роботи сформулювані висновки:

1. Аналіз публікацій по темі дисертації показав необхідність подальшого дослідження процесу упарювання розчинів солей у випарному апараті із стікаючою плівкою, вивчення впливу твердої фази на теплообмін в плівці суспензії, а так само взаємного впливу протікаючих процесів (кипіння, паротворення і кристалізації) при перебігу багатокомпонентної плівки суспензії;

2. Запропоновано модель процесу плівкового перебігу розчинів солей у випарному апараті із стікаючою плівкою, яка враховує вплив твердої фази на процес теплообміну в стікаючій плівці рідинної суспензії;

3. Одержано математичний опис процесу плівкової течії трифазній суспензії із змінним вмістом фаз у випарному апараті із стікаючою плівкою, яке містить рівняння руху трифазного потоку із змінним змістом фаз, рівнянь нерозривності і енергії, рівнянь зміни концентрацій рідкої і твердої фаз;

4. Одержано критерійне рівняння (12) для розрахунку коефіцієнта тепловіддачі для розчинів солей, що містять тверду фазу;

5. Запропоноване внесення раціональної кількості кристалів твердої фази для випарних апаратів із стікаючою плівкою, що дозволить понизити швидкість утворення накипу і збільшить час безпромивної роботи апарату;

6. Розглянутий вплив твердої фази на інтенсивність теплообміну і швидкість відкладення солей на поверхні нагріву при упарюванні сольових розчинів в стікаючій плівці. Вміст твердої фази в початковому розчині в раціональному діапазоні 5-15% приводить до збільшення інтенсивності теплообміну, подальше збільшення змісту твердої фази надає негативну дію на процес теплопередачі;

7. Обґрунтована можливість застосування випарних апаратів із стікаючою плівкою для упарювання солей, що кристалізуються в процесі упарювання, що дозволить розширити область застосування даного типу випарних апаратів;

8. Обробка експериментальних даних підтвердила адекватність запропонованої методики розрахунку шляхом зіставлення з результатами раніше проведеного досліду, відхилення результатів розрахунку складали 4-15%;

9. Результати роботи упроваджені: при проектуванні та розрахунку випарних апаратів зі стікаючою плівкою на ВАТ “УкрНДІхіммаш”, (м. Харків) та в навчальний процес кафедри теплотехніки НТУ “ХПІ”.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Фокин В.С., Кошельник В.М., Павлова В.Г. Математическая модель теплообмена при вынужденном движении жидкостных суспензий // Вестник Харьковского государственного политехнического университета. - Харьков: ХГПУ, 1998. - №13. - С.37-40. Здобувачем розглядається математична модель теплообміну при русі рідинних суспензій пристосовано до промислових випарних апаратів для упарювання розчинів з кристалізаціею солей.

2. Фокин В.С., Павлова В.Г. Основы переноса тепла при пленочном движении жидкостной суспензии // Вісник Національного технічного університету “ХПІ”. - Харків: НТУ “ХПІ”, 2002. - №6.Т.1., - с. 94-97. Здобувачем досліджуються процеси переносу тепла при плівкової течії суспензії із змінним вмістом фаз в випарному апараті зі стікаючою плівкою, наведені отримані диференційні рівняння енергії та теплообміну.

3. Фокин В.С., Павлова В.Г. Математическая модель переноса тепла при пленочном течении жидкостной суспензии // Вісник Національного технічного університету “ХПІ”. - Харків: НТУ “ХПІ”, 2002. - №9, т. 12., - с. 181-186. Здобувачем пропонуються фізична та математична моделі теплообміну при русі суспензій в багатокорпусних випарних установок зі стікаючою плівкою.

4. Павлова В.Г. Теплообмен при пленочном течении трехфазной жидкостной суспензии в выпарных аппаратах. // Коммунальное хозяйство городов. - Київ: “Техніка”, 2003. - №49, С.70-74.

5. Фокин В.С., В.Г. Павлова. Влияние твердой фазы на процессы упаривания кристаллизирующихся растворов в аппаратах со стекающей пленкой // Вісник Національного технічного університету “ХПІ”. - Харків: НТУ “ХПІ”, 2003. - №9. т. 2. - с. 180-183. Здобувачем розглядається вплив твердої фази на процеси упарювання кристализуючихся розчинів. Зроблені висновки стосовно можливості застосування плівкових випарювальних апаратів зі стікаючою плівкою що до розчинів з вмістом кристалізуючихся солей.

6. Фокин В.С., Павлова В.Г. Математическое описание рабочих процессов выпарных аппаратах с трубой вскипания // Інтегровані технології та енергозбереження. - Харків: НТУ “ХПІ”, 2003. - №4. - С. 46-55. Здобувачем наведені результати математичного опису процесів теплообміну при русі багатофазної суміші з змінним вмістом фаз в випарних апаратах.

7. Фокин В.С., Павлова В.Г. Тепломассообмен при пленочном течении многокомпонентной жидкости суспензии // Вісник Національного технічного університету “ХПІ”. - Харків: НТУ “ХПІ”, 2004. - №12. - с. 123-126. Здобувачем наведені результати теоретичного дослідження плівкової течії рідинної суспензії із змінним вмістом фаз. Процес плівкової течії розглядався в трифазній рідині, що складається з рідкої, твердої і парової фаз та проаналізовано їхній взаємний вплив на процеси теплообміну й особливості даного процесу. апарат теплообмін пароутворення

8. Фокин В.С., Павлова В.Г., Данилов Д.Ю. Использование метода анализа размерностей для определения уравнений переноса тепла в выпарных аппаратах // Вісник Національного технічного університету “ХПІ”. - Харків: НТУ “ХПІ”, 2005. - №29. - с. 99-100. Здобувачем наведені результати математичного моделювання теплообмінних процесів у випарних апаратах зі стікаючою плівкою. Запропоновано рішення системи диференціальних рівнянь методом аналізу розмірності. Обґрунтована закономірність застосування метода аналізу розмірностей в цьому випадку. Отримане рівняння описуюче процес теплообміну в плівці суспензії.

9. Фокин В.С., Нечипоренко Д.И., Гладкий В.Н., Павлова В.Г. Исследование процессов кипения растворов в стекающей пленке трубчатых и пластинчатых греющих камер выпарных аппаратов // Східно-Європейський журнал передових технологій. - Харків: Технологічний центр, 2006 - №20, т. 2 - с. 80-82. Здобувачем проведені теоретичні дослідження процесу кипіння в тонкій плівці. В результаті обробки даних було отримано нове рівняння для розрахунку процесу теплообміну при кипінні розчинів солей в плівці.

Размещено на Allbest.ru