Контактний тепломасообмін при конденсації пари з парогазової суміші на плівці рідини в умовах висхідної супутної течії

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ

“КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ”

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

КОНТАКТНИЙ ТЕПЛОМАСООБМІН ПРИ КОНДЕНСАЦІЇ ПАРИ З ПАРОГАЗОВОЇ СУМІШІ НА ПЛІВЦІ РІДИНИ В УМОВАХ ВИСХІДНОЇ СУПУТНОЇ ТЕЧІЇ

05.14.06 - Технічна теплофізика та промислова теплоенергетика

НАЗАРОВА ІРИНА ОЛЕКСАНДРІВНА

Київ - 2006

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі теоретичної та промислової теплотехніки теплоенергетичного факультету Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут” (НТУУ “КПІ”) Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Безродний Михайло Костянтинович, НТУУ “КПІ”, завідувач кафедри теоретичної та промислової теплотехніки

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Прядко Микола Олексійович, Національний університет харчових технологій МОН України, завідувач кафедри теплоенергетики та холодильної техніки

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Туз Валерій Омелянович, НТУУ “КПІ”, доцент кафедри атомних електростанцій та інженерної теплофізики

Провідна установа: Інститут технічної теплофізики НАН України, м. Київ

Захист дисертації відбудеться “16” жовтня 2006 р. о 15 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.002.09 при Національному технічному університеті України “Київський політехнічний інститут” за адресою: 03056, Київ, пр. Перемоги, 37, корпус 5, аудиторія 307.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут” за адресою: 03056, Київ, пр. Перемоги, 37.

Автореферат розісланий “15” вересня 2006 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Коньшин В.І.

АНОТАЦІЯ

Назарова І.О. Контактний тепломасообмін при конденсації пари з парогазової суміші на плівці рідини в умовах висхідної супутної течії.- Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.14.06 - Технічна теплофізика та промислова теплоенер-гетика. - Національний технічний університет України “КПІ”, Київ, 2006.

Робота присвячена експериментальним дослідженням, що направлені на підвищення ефективності роботи контактних тепломасообмінних апаратів шляхом інтенсифікації процесів тепломасообміну за рахунок збільшення швидкості руху теплоносіїв. Експериментально встановлено значення граничної температури нагріву води та її залежність від початкового паровмісту.

Визначено умови, які забезпечують ефективність використання поверхні робочого каналу при відсутності ділянки випаровування. Досліджено, що інтенсивність процесів тепло- та масообміну залежить від щільності зрошення, швидкості парогазової суміші, початкового паровмісту суміші, висоти робочого каналу.

В роботі наведено емпіричні залежності для розрахунку середніх коефіцієнтів тепловіддачі та масовіддачі.

Проведено гідродинамічні дослідження, на підставі яких визначено висоту початкової гідродинамічної ділянки та отримано узагальнені залежності для розрахунку коефіцієнта гідравлічного опору тертя на початковій ділянці та на ділянці гідродинамічної стабілізації потоку. На основі експериментальних досліджень процесів гідродинаміки та тепло- і масообміну при конденсації пари з парогазової суміші в умовах висхідної супутної течії з плівкою рідини розроблено методику розрахунку контактного апарату.

Ключові слова: конденсація, висхідна супутня течія, парогазова суміш, плівка рідини, контактний тепломасообмін.

АННОТАЦИЯ

Назарова И.А. Контактный тепломассообмен при конденсации пара из парогазовой смеси на пленке жидкости в условиях восходящего спутного течения. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.14.06 - Техническая теплофизика и промышленная теплоэнергетика. - Национальный технический университет Украины “КПИ”, Киев, 2006.

Диссертация посвящена исследованиям, направленным на повышение эффективности работы контактных аппаратов путем интенсификации процессов тепломассообмена за счет увеличения скорости движения теплоносителей.

Работа содержит результаты экспериментальных исследований процессов гидродинамики и тепло- и массообмена при конденсации пара из парогазовой смеси в восходящем спутном течении с пленкой жидкости.

Исследования были проведены на двух экспериментальных установках, основным элементом которых являлся рабочий канал. В качестве рабочего канала использовались вертикальные трубы из нержавеющей стали внутренним диаметром 0,017 м и высотой от 0,2 м до 1,404 м. Эксперименты проводились на системе парогазовая смесь - вода и воздух - вода. Парогазовая смесь образовывалась путем смешения водяного пара и воздуха в смешивающей камере. Необходимое количество водяного пара в смеси обеспечивалось регулированием расходов потоков пара и воздуха. Жидкость подводилась в рабочий канал через пористую вставку и вовлекалась в восходящий поток в виде пленки за счет воздействия со стороны парогазового потока. Измерение температуры воды проводилось при помощи термопар, температуры парогазового потока определялись по показаниям сухих и мокрых термопар. Перепад давления в рабочем канале фиксировался микроманометром с наклонной трубкой. После получения первичных данных проверялась сходимость теплового баланса. Относительная погрешность определения средних коэффициентов теплоотдачи составила ± 14,1 %.

При проведении исследований выявлено, что процессы тепломассообмена при конденсации пара из парогазовой смеси в восходящем спутном течении с пленкой жидкости могут быть усложнены процессами испарения и конвективного теплообмена. Установлены диапазоны параметров, при которых рабочий канал работает только в конденсационном и конденсационно-конвективном режимах. Получена эмпирическая зависимость для расчета плотности орошения, которая исключает появление зоны испарения, что позволило оптимизировать высоту рабочего канала.

В работе определено значение предельной температуры нагрева воды, которое зависит от начального паросодержания парогазового потока. Также установлен диапазон изменения параметров, при которых жидкость нагревается до предельной температуры.

На основании экспериментальных исследований процессов тепло- и массообмена при конденсации пара из парогазовой смеси в восходящем спутном течении с пленкой жидкости определены средние коэффициенты теплоотдачи и массоотдачи. Установлено влияние плотности орошения, скорости парогазового потока, начального паросодержания парогазовой смеси, высоты рабочего канала на интенсивность процессов тепло- и массообмена. Получены эмпирические зависимости для расчета коэффициентов теплоотдачи и массоотдачи.

Сравнение полученных результатов по тепло- и массообмену с данными для противоточной схемы движения теплоносителей при конденсации пара из парогазовой смеси на сетчатой насадке показало, что средние коэффициенты теплоотдачи и массоотдачи при восходящем прямотоке в десятки раз выше.

В процессе проведения исследований по гидродинамике определена высота начального гидродинамического участка. Получены зависимости удельного гидравлического сопротивления от скорости парогазового потока и плотности орошения на начальном гидродинамическом участке и на участке гидродинамической стабилизации двухфазного потока. Уточнена область устойчивого кольцевого режима течения, которая ограничена скоростью парогазового потока и по расходу жидкости в пленке. В результате обобщения экспериментальных данных получены эмпирические зависимости для расчета коэффициента гидравлического сопротивления трения.

Предложена методика расчета контактного тепломассообменного аппарата с восходящим спутным движением теплоносителей.

Ключевые слова: конденсация, восходящее спутное движение, парогазовая смесь, пленка жидкости, контактный тепломассообмен.

SUMMARY

Nazarova I.A. Contact Heat and mass transfer in condensation steam from gas-steam mixture оn the liquid film in conditions upward co-current flow. - The manuscript.

Dissertation for a degree of the candidate of technical sciences by specialty 05.14.06 - Technical thermal physics and industrial heat power engineering. - National Technical University of Ukraine “KPI”, Kiev, 2006.

The work is dedicated to experimental investigation directed to increase the efficiency of the work of contact heat and mass transfer apparatus with the help of the intensification of heat and mass transfer processes at the expense of increasing velocity movement heat-carrier. The value of boundary temperature heat water and its dependence of initial content of steam are adjusted experimentally. The conditions of efficiency utilization surface working channel are defined. The efficiency of heat and mass transfer are depended on the density of spraying, velocity of gas-steam mixture, initial steam content, of the highness of working channel. The empirical formulas for the calculation of medium heat and mass transfer coefficient are recommended. The highness of initial hydrodynamic plot is defined. The empirical dependences for account coefficient of hydrodynamic resistance friction are represented. On the base of experimental investigation hydrodynamic and heat and mass transfer by condensation steam from gas-steam mixture in the upward co-current flow with liquid film is cultivated due to the method of calculation contact apparatus.

Keywords: condensation, upward co-current flow, gas-steam mixture, liquid film, contact heat and mass transfer.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА ДИСЕРТАЦІЙНОЇ РОБОТИ

Актуальність теми. Одним з пріоритетних напрямків розвитку енергетики України є заощадження енергетичних ресурсів шляхом підвищення коефіцієнта використання палива. Для утилізації теплової енергії відхідних газів котелень, газотурбінних установок, отримання нагрітої води широко використовують контактні тепломасообмінні апарати, в яких можливе максимальне використання не тільки фізичної теплоти газів, а й скритої теплоти конденсації водяної пари цих газів.

Найбільш поширеними є контактні апарати з протитоковим рухом теплоносіїв. Ці апарати мають ряд недоліків, головний з яких - низька швидкість руху газів, яка обмежена швидкістю захлинання течії. З підвищенням швидкості руху теплоносіїв зростає інтенсивність процесів тепломасообміну. В представленій роботі запропоновано збільшити швидкість газів до значення, яке перевищує верхню межу “захлинання” протитокового руху в вертикальних трубах. Це забезпечує умови протікання контактного тепломасообміну в супутному висхідному потоці газів та плівки рідини. Дані експериментальних досліджень закономірностей процесів тепломасообміну та гідродинаміки за висхідного супутного руху теплоносіїв в літературі практично відсутні. Актуальним є проведення таких досліджень. Вони дозволять розробити методику розрахунку контактних апаратів з супутною висхідною течією теплоносіїв.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась відповідно до програми досліджень Міністерства освіти і науки України за напрямком “Новітні технології в енергетиці, промисловості та агропромисловому комплексі” і темами: “Розробка та дослідження нових методів інтенсифікації процесів тепломасообміну в газо- та парорідинних системах контактного типу” (номер державної реєстрації 0102U000593) та “Дослідження гідродинаміки та тепломасообміну в газо- та парорідинних системах з інтенсифікованими процесами” (номер державної реєстрації 0104U003063).

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є підвищення середніх коефіцієнтів тепло- та масовіддачі в контактних тепломасообмінних апаратах за рахунок підвищення швидкості руху теплоносіїв шляхом організації контактного тепломасообміну за висхідного супутного руху газів та плівки рідини.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наступні задачі:

1. Провести експериментальні дослідження процесів тепло- та масообміну при конденсації пари з парогазової суміші за висхідного супутного руху парогазової суміші та плівки рідини. На підставі аналізу результатів досліджень одержати емпіричні залежності для розрахунку коефіцієнтів тепло- та масовіддачі.

2. Дослідити гідродинамічні характеристики висхідної супутної течії газу та плівки рідини. Одержати емпіричні залежності для визначення коефіцієнту гідравлічного опору тертя за висхідного супутного руху теплоносіїв.

3. Розробити методику розрахунку контактного тепломасообмінного апарату з висхідною супутною течією газу та плівки рідини.

Об'єктом дослідження є висхідний супутній потік парогазової суміші та плівки рідини.

Предмет дослідження - тепломасообмін та гідродинаміка при конденсації водяної пари з парогазової суміші на плівці рідини в умовах висхідної супутної течії.

Методи дослідження. Для вирішення сформульованих вище задач використовувались експериментальні методи дослідження гідродинаміки та процесів тепломасообміну при конденсації водяної пари з парогазової суміші за висхідного супутного руху з плівкою рідини. Дослідження виконувались на спеціально створених експериментальних установках. Інтенсивність процесів тепломасообміну розраховувалась за відомими методиками на підставі значень початкових та кінцевих температур та витрат теплоносіїв, які вимірювались. Для дослідження гідродинамічних характеристик визначався перепад тисків на робочій ділянці експериментальної установки.

Наукова новизна отриманих в дисертаційній роботі результатів полягає в наступному:

1. Досліджені закономірності тепло- та масообміну при конденсації пари з парогазової суміші на плівці рідини в умовах висхідної супутної течії.

2. Вперше отримано залежності для розрахунку коефіцієнтів тепло- та масовіддачі при конденсації пари з парогазової суміші на плівці рідини в умовах висхідної супутної течії на підставі експериментальних досліджень.

3. Вперше експериментально отримано значення граничної температури нагріву рідини за висхідного супутного руху парогазової суміші та плівки рідини.

4. Вперше визначено умови (співвідношення між параметрами), які забезпечують ефективність використання поверхні робочого каналу (відсутність ділянки випаровування) за висхідного супутного руху парогазової суміші і плівки рідини.

5. На основі експериментальних даних вперше отримано залежності для визначення коефіцієнта гідравлічного опору тертя в умовах висхідного супутного руху газу та плівки рідини для початкової гідродинамічної ділянки.

Практичне значення отриманих результатів. За результатами експериментальних досліджень розроблено методику розрахунку контактного тепломасообмінного апарату з висхідною супутною течією теплоносіїв.

Результати проведених експериментальних досліджень передані в ЗАТ “Калинівський машинобудівний завод” для проектування ефективних контактних тепломасообмінних апаратів для систем утилізації теплоти в розпилювальних сушильних установках, що підтверджено актом про впровадження.

Особистий внесок здобувача.

1. Підготовка експериментальної установки до проведення досліджень (монтаж та тестування).

2. Проведення експериментальних досліджень по гідродинаміці та тепломасообміну в умовах висхідної супутної течії газу та плівки рідини.

3. Обробка та узагальнення отриманих експериментальних даних по гідродинаміці та тепломасообміну за висхідного супутного руху газу та плівки рідини.

4. Розробка методики розрахунку контактного тепломасообмінного апарату з висхідною супутною течією теплоносіїв.

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи доповідалися на I та II міжнародних науково-практичних конференціях “Енергозбереження в Україні: законодавство, теорія, практика” (м. Київ, 2003 р., 2004 р.), III міжнародній конференції “Проблеми промислової теплотехніки” (м. Київ, 2003 р.), студентських науково-технічних конференціях теплоенергетичного факультету НТУУ “КПІ” (м. Київ, 2003р., 2004 р.), семінарах кафедри теоретичної та промислової теплотехніки НТУУ “КПІ” (м. Київ, 2005 р., 2006 р.).

Публікації. За матеріалами дисертаційної роботи опубліковано 7 наукових статей в спеціалізованих фахових виданнях та отримано деклараційний патент на винахід.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел з 116 найменувань та трьох додатків. Загальний обсяг роботи складає 158 сторінок тексту, 56 рисунків та 1 таблицю.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність і доцільність теми дисертаційної роботи, викладений зв'язок роботи з науковими програмами, сформульована мета роботи та завдання для її досягнення, подано наукову новизну і практичне значення роботи.

У першому розділі подано огляд відомих конструкцій контактних апаратів, обґрунтовані переваги контактних апаратів з висхідною супутною течією теплоносіїв, виконаний аналіз експериментальних та теоретичних досліджень процесів гідродинаміки та тепломасообміну при контактній конденсації пари з парогазової суміші.

Огляд літератури показав, що для найбільш поширених у промисловості протитокових контактних апаратів з насадкою граничні режими роботи обмежені явищем захлинання, яке виникає при швидкостях газу 1 ч 3,5 м/с. Наслідком цього є низька інтенсивність процесів тепломасообміну, а також мала питома продуктивність контактних апаратів. Збільшити інтенсивність процесів тепломасообміну можна шляхом організації в апараті висхідної супутної течії теплоносіїв. Умовою виникнення такого руху теплоносіїв є досягнення швидкостей потоку газу, які є більшими за верхню межу захлинання протитокового руху газу та рідини в вертикальних трубах.

Проведений огляд літератури показав наявність великої кількості робіт по дослідженню контактної конденсації пари з парогазової суміші в апаратах з насадками, на плівках рідини, що стікає і на турбулентних струменях. Кількість робіт, присвячених вивченню контактної конденсації при висхідній течії теплоносіїв недостатня, а універсальні співвідношення для розрахунку коефіцієнтів тепло- та масовіддачі відсутні. Також недостатньо досліджені гідродинамічні характеристики висхідної супутної течії газу та рідини.

На підставі огляду літератури сформульовані задачі дисертаційної роботи.

У другому розділі описано установки для проведення експериментів, методики проведення досліджень гідродинамічних характеристик та процесів тепломасообміну, а також методики обробки експериментальних даних.

Основними частинами установок для проведення експериментальних досліджень є робочий канал, система підготовки та подачі повітря, парогенератор, система подачі води, контрольно-вимірювальна система. Робочий канал - це вертикальні труби внутрішнім діаметром 0,017 м різної висоти (від 0,2 м до 1,404 м) з нержавіючої сталі 08Х18Н10Т. Робочий канал мав ділянку візуалізації потоку через кварцове скло, внутрішній діаметр якого співпадав з діаметром робочого каналу, що запобігало збуренню потоку.

Досліди проводилися на системі повітря - вода та парогазова суміш - вода. Парогазова суміш утворювалась шляхом змішування повітря та водяної пари в камері. Необхідна кількість водяної пари в парогазовій суміші забезпечувалась регулюванням витрат пари і повітря. Висхідний двофазний потік створювався потоком парогазової суміші та рідини, яка подавалась в робочий канал за допомогою пористої вставки та затягувалась у висхідний потік у вигляді плівки за рахунок дії з боку парогазової суміші.

При проведенні експериментів виконувались виміри витрати робочої рідини та витрати повітря (за допомогою ротаметрів), температур і вологості парогазової суміші та температур робочої рідини. Витрата пари регулювалась за допомогою зміни напруги, яка подавалась на електронагрівачі парогенератора. Для виміру температур парогазової суміші та робочої рідини використовувалися хромель-копелеві термопари. Перепад тисків в робочому каналі вимірювався мікроманометром з нахиленою трубкою. Для запобігання втратам теплоти дослідна ділянка експериментальної установки була теплоізольована. Після отримання первинних експериментальних даних перевірялось рівняння теплового балансу.

Контрольно-вимірювальна апаратура та застосована методика проведення експериментів дозволили визначити коефіцієнти тепловіддачі з середньоквадратичною сумарною похибкою ± 14,1 %, похибка визначення коефіцієнтів масовіддачі не перевищує ± 9,4 %.

Діапазон зміни режимних та геометричних параметрів наведено в табл.1.

Таблиця 1. Діапазон зміни режимних та геометричних параметрів

№ з/п	Назва параметра	Діапазон зміни
1	Початкова температура парогазової суміші tпг, °С	105140
2	Критерій Рейнольдса для парогазової суміші Reг	1390044500
3	Початковий паровміст парогазової суміші ц, %	11 30
4	Початкова температура рідини tр, °С	8
5	Критерій Фруда для плівки рідини Frпл	5,5•102 6,4•10-1
6	Критерій Рейнольдса для плівки рідини Reпл	40 760
7	Відношення висоти робочого каналу до діаметра (L/d)	11,8 82,5

У третьому розділі наведені результати експериментального дослідження процесів тепло- та масообміну при конденсації водяної пари з парогазової суміші в умовах висхідної супутної течії з плівкою рідини.

При цьому досліджувався вплив на процеси тепло- та масообміну таких параметрів: щільності зрошення Q_m, швидкості парогазової суміші w_пг, початкового паровмісту суміші ц, початкової температури суміші t_пг1, висоти робочого каналу L.

З досліджень можна зробити висновок, що процеси тепло- та масообміну при конденсації водяної пари з парогазової суміші в умовах висхідної супутної течії з плівкою рідини при різних значеннях щільності зрошення можуть бути ускладнені процесом випаровування та конвективним теплообміном. Наявність процесу випаровування пов'язана з нагрівом води до граничної температури.

На рис.1 наведена залежність кінцевої температури від щільності зрошення при різних значеннях початкової температури та швидкості парогазової суміші. З рисунку видно, що при відносно малих значеннях щільності зрошення температура t_р2 не залежить ні від щільності зрошення Q_m, ні від швидкості парогазової суміші w_пг, ні від початкової температури парогазового потоку t_пг1. При досягненні деякої граничної щільності зрошення Q_m^гр1, збільшення щільності зрошення призводить до падіння температури t_р2, а збільшення швидкості w_пг - до зростання кінцевої температури води t_р2. При значеннях щільності зрошення, які менше за граничну Q_m < Q_m^гр1, вода підігрівається до граничної температури t_р^гр.

Нагрів води до граничної температури пов'язаний з досягненням температури мокрого термометру, до якої можливий підігрів води при безпосередньому контакті теплоносіїв в умовах висхідного прямотоку.

Після досягнення граничного значення щільності зрошення Q_m > Q_m^гр1, вода підігрівається до деякої рівноважної температури з умов охолодження парогазової суміші.

Було отримано, що при збільшенні початкового паровмісту від ц = 11 % до ц = 30 % гранична температура підігріву води змінюється від t_р^гр = 46 °С до t_р^гр = 62 °С. Як видно з рис. 2 значення граничної температури підігріву води нижче на 5 ч 7 °С відповідного значення граничної температури для протитокової схеми нагріву.

На рис. 3 представлена залежність температури контактного нагріву води t_р по висоті каналу L. Із графіка видно, що зростання температури t_р має місце тільки на початковій ділянці каналу, довжина якої залежить від щільності зрошення Q_m. Причому при невеликих Q_m досягається гранична температура води t_р^гр, а при більш високих Q_m величина t_р не досягає граничного значення, а визначається умовами максимального охолодження парогазової суміші. В чистому вигляді (при постійних w_пг і ц) ця залежність представлена на рис. 4.

Практичне значення на рис. 4 має точка А, в якій висота робочого каналу забезпечує дві важливі для практики умови: догрів води до граничної температури t_р^гр і, разом з тим, максимальне за цієї умови значення щільності зрошення Q_m, що відповідає максимальній теплопродуктивності робочого каналу. Емпіричні співвідношення для щільності зрошення та висоти каналу в точці А мають вигляд:

Fr_пл^гр1 = 2,68·10^-4·Re_пг^0,45·ц^0,17•(L/d)^0,5, (1)

(L/d)_A = 26,77·Re_пг^{- 0,04}·ц ^{- 0,17}. (2)

Залежності середніх коефіцієнтів тепловіддачі від щільності зрошення при різних значеннях швидкості парогазової суміші та висоти робочого каналу представлені на рис. 5.

Як видно з рис 5, при відносно малих значеннях щільності зрошення середні коефіцієнти тепловіддачі прямо пропорційні щільності зрошення і не залежать від швидкості парогазового потоку. Як тільки Q_m досягає деякої граничної щільності зрошення Q_m^гр2, середні коефіцієнти тепловіддачі зростають при збільшенні швидкості парогазової суміші. При значеннях Q_m < Q_m^гр2 рідина нагрівається за рахунок передавання їй теплоти, яка виділяється при конденсації водяної пари з суміші. В цій області параметрів переважають процеси конденсації. При значеннях Q_m>Q_m^гр2 процес передавання теплоти інтенсифікується за рахунок збільшення швидкості парогазової суміші. Ця область параметрів характеризується перевагою процесів конвективного теплообміну.

При зменшенні висоти робочого каналу від 1,404 м до 0,05 м інтенсивність тепловіддачі різко зростає. Це говорить про те, що саме на вході в робочий канал відбувається “ударний” нагрів рідини. Було також отримано, що збільшення початкового паровмісту спричиняє зростання середніх коефіцієнтів тепловіддачі, а зміна початкової температури парогазової суміші в межах від 105 °С до 140 °С практично не впливає на значення середніх коефіцієнтів тепловіддачі.

На рис. 6 представлено порівняння середніх коефіцієнтів тепловіддачі, отриманих в умовах висхідної супутної течії та в умовах протитокової схеми при конденсації пари з парогазової суміші на зрошуваній водою насадці. Область дослідження для протитокової схеми обмежена явищем “захлинання”. В зв'язку з цим закономірності процесів тепломасообміну для протитокової схеми руху були умовно перенесені в область досліджень процесів тепломасообміну в умовах висхідної супутної течії. Так як в висхідному прямотоці мають місце більш високі значення швидкості газового потоку, область стійкої плівкової течії переміщується в сторону значно більш високих значень щільності зрошення. Це призводить до значної інтенсифікації процесів міжфазної взаємодії та, як наслідок, до багаторазового збільшення середніх коефіцієнтів тепловіддачі.

Це співставлення дослідних даних носить умовний характер, але свідчить про те, що при екстраполяції отриманих залежностей в умовах протитоку на область режимних параметрів прямотоку, спостерігається їх задовільне узгодження з отриманими в даній роботі дослідними даними.

В результаті експериментальних досліджень масообміну були отримані залежності середніх коефіцієнтів масовіддачі від щільності зрошення, швидкості парогазового потоку та початкового паровмісту. Збільшення щільності зрошення призводить до зростання середніх коефіцієнтів масовіддачі. При початковому паровмісті ц = 11 % спостерігається слабка залежність середніх коефіцієнтів масовіддачі від швидкості парогазової суміші. При початковому паровмісті ц = 20 % із збільшенням швидкості парогазового потоку середні коефіцієнти масовіддачі зростають. При невеликих значеннях швидкості парогазової суміші від w_пг = 15,4 м/с до w_пг = 20,8 м/с залежність середніх коефіцієнтів масовіддачі від щільності зрошення має вигляд ламаної кривої та складається з трьох ділянок. На першій ділянці залежності (рис. 7) на початковій частині робочого каналу рідина нагрівається до граничної температури, при цьому конденсується частина водяної пари, а на кінцевій частині робочого каналу відбувається процес випаровування. На другій ділянці залежності середні коефіцієнти масовіддачі прямо пропорційні щільності зрошення. В цьому діапазоні параметрів весь робочий канал працює в режимі конденсації.

При подальшому збільшенні щільності зрошення на певній ділянці робочого каналу парогазова суміш повністю охолоджується за умов теплового балансу, при цьому темп зростання середніх коефіцієнтів масовіддачі значно зменшується.

При збільшенні швидкості парогазового потоку від w_пг = 15,4 м/с до w_пг = 47 м/с розширюється діапазон значень щільності зрошення, при яких робочий канал працює тільки в режимі конденсації.

Зростання середніх коефіцієнтів масовіддачі, як і тепловіддачі, спостерігається при зменшенні висоти робочого каналу.

Для обчислення середніх коефіцієнтів тепловіддачі та масовіддачі в конденсаційному режимі роботи були отримані наступні залежності

Nu = 9,6·10⁴•Fr_пл^1,1•(L/d) ^{- 0,75}•ц ^0,43 при Fr_пл^гр1 < Fr_пл. < Fr_пл^гр2, (3)

Nu_D = 18,52•Fr_пл^1,1Re_пг^0,65•(L/d) ^{- 0,75} при Fr_пл^гр1 < Fr_пл. < Fr_пл^гр3, (4)

в конденсаційно-конвективному режимі відповідно

Nu = 86·Fr_пл^0,2•Re_пг^0,65•(L/d) ^{- 0,75}•ц ^0,77 при Fr_пл^гр2 < Fr_пл. < 6,4•10^-1, (5)

Nu_D=16.15·Fr_пл^0.42•Re_пг^0.65•(L/d) ^{- 0.75}•ц ^0.38 при Fr_пл^гр3 < Fr_пл. < 6,4•10^-1, (6)

Fr_пл^гр2 = 4,1·10^-4•Re_пг^0,72•ц ^0,38, (7)

Fr_пл^гр3 = 0,82•ц ^0,56. (8)

Рівняння (3 - 8) справедливі в наступному діапазоні зміни параметрів: Fr_пл. = 5,5•10^-2 ч 6,4•10^-1; Re_пг= 13900 ч 44500; (L/d) = 11,8 ч 82,5; ц = 0,11 ч 0,3.

Четвертий розділ присвячений результатам експериментального дослідження гідродинаміки в умовах висхідної супутної течії газу та рідини.При цьому внутрішній діаметр робочого каналу становив d = 0,017м, швидкість потоку повітря мінювалась від w_г = 10 м/с до w_г = 35 м/с, діапазон зміни щільності зрошення від Q_m = 1,6?10^-5 м²/с до Q_m = 2,9?10^-4 м²/с.

В результаті досліджень питомого гідравлічного опору Др/L_відб на початковій гідродинамічній ділянці було отримано, що збільшення швидкості повітря та щільності зрошення призводить до зростання градієнту тиску. При зміні висоти розташування дослідної точки робочого каналу від х=0,1 м до х = 0,46 м відбувається різке падіння питомого гідравлічного опору, а при подальшому збільшенні величина Др/L_відб залишається незмінною. На основі цього зроблений висновок, що довжина початкової гідродинамічної ділянки складає величину L_п.д. ? 30•d.

Дослідження питомого гідравлічного опору на ділянці гідродинамічної стабілізації висхідного двофазного потоку показали, що характер залежностей градієнта тиску від швидкості потоку газу та від щільності зрошення значно змінюється як при збільшенні швидкості газу (рис. 8 а), так при зростанні щільності зрошення (рис. 8 б). Це свідчить про існування різних режимів течії в різних діапазонах параметрів двофазного потоку. Було уточнено область стійкого кільцевого режиму течії (рідина рухається у вигляді плівки по стінкам робочого каналу, а газ - в ядрі потоку), яка обмежена швидкістю газу та по щільності зрошення. Існування висхідної кільцевої течії забезпечують значення щільності зрошення Q_m < Q_m^кр, де Q_m^кр = 5·10^-5 м²/с. При Q_m = (5·10^-5 ч 10^-4) м²/с починається виніс частини рідини з поверхні плівки в ядро потоку - це перехідний режим, а при Q_m = (10^-4 ч 2,9 10^-4) м²/с - дисперсно-кільцевий режим течії (частина рідини тече по стінкам каналу, а інша - в ядрі потоку в вигляді крапель).

Початок стійкої висхідної кільцевої течії відповідає значенню швидкості газового потоку w_г ? 16 м/с. Це значення відповідає також перелому на графіку рис. 9, на якому представлена залежність коефіцієнту гідравлічного опору тертя о від критерію Рейнольдса газового потоку Re_г. Характерний злам залежності має місце при Re_г = 1,8·10⁴ незалежно від щільності зрошення, що відповідає значенню критерію стійкості двофазового потоку Кутателадзе К = 3,2 в момент інверсії плівки рідини.

В результаті узагальнення експериментальних даних були отримані емпіричні залежності для розрахунку коефіцієнта гідравлічного опору тертя, які обмежені умовою Re_г > 1,8·10⁴.

На початковій гідродинамічній ділянці отримані наступні рівняння:

а) в області стійкого кільцевого режиму течії

о = 23·Re_г^{- 0,4}·Re_пл^0,2(L/d) ^{- 0,28} при 40 < Re_пл < 106; (9)

б) в області дисперсно-кільцевого режиму течії

о = 112·Re_г^{- 0,8}·Re_пл^0,6(L/d) ^{- 0,28} при 360 < Re_пл < 760. (10)

На ділянці гідродинамічної стабілізації потоку отримані наступні залежності:

а) в області стійкого кільцевого режиму течії

о = 1,08·Reг- 0,4·Reпл0,2 при 40 < Reпл < 106; (11)

б) в області дисперсно-кільцевого режиму течії

о = 30,9·Reг- 0,8·Reпл0,4 при 360 < Reпл < 760. (12)

Рівняння (9 - 12) справедливі в діапазоні зміни критерію Рейнольдса для потоку газу Reг = 18000 ч 40000 та критерію Рейнольдса для плівки рідини Reпл. = 360 ч 760.

Відхилення дослідних даних від залежностей, які описані рівняннями (10 - 13), не перевищує ± 10 %.

ВИСНОВКИ

контактий тепломасообмінний конденсація пара

В дисертації викладено нове вирішення наукової задачі, яка полягає в підвищенні ефективності роботи контактних тепломасообмінних апаратів шляхом інтенсифікації процесів тепломасообміну за рахунок підвищення швидкості руху теплоносіїв. Запропоновано збільшити швидкість газів до значення, яке перевищує верхню межу “захлинання” протитокового руху в вертикальних трубах. Це забезпечує умови протікання контактного тепломасообміну за супутного висхідного руху газу та плівки рідини. В результаті експериментальних досліджень розроблена методика розрахунку контактного апарату з висхідним потоком теплоносіїв.

Отримані результати експериментальних досліджень процесів тепломасообміну та гідродинаміки в умовах висхідної супутної течії парогазової суміші та рідини дозволяють зробити наступні висновки.

1. Встановлено, що процеси тепломасообміну при конденсації водяної пари з парогазової суміші за висхідного руху з плівкою рідини складаються з трьох характерних режимів. В першому режимі, при значеннях критерію Фруда плівки рідини Frпл < Frплгр1, на кінцевій ділянці робочого каналу виникає процес випаровування, який є небажаним при організації робочого процесу. При Frплгр1 < Frпл < Frплгр2 весь робочий канал працює в режимі конденсації, що характеризує другий режим. При Frплгр2 < Frпл < 6,4•10-1 робочий канал працює в конденсаційно-конвективному режимі, що характеризує третій режим.

2. Експериментально встановлено, що при Frплгр1 < Frпл < Frплгр2 середні коефіцієнти тепловіддачі прямо пропорційні щільності зрошення та не залежать від зміни швидкості парогазового потоку. При цьому, збільшення початкового паровмісту ц від 11 % до 30 % призводить до зростання середніх коефіцієнтів тепловіддачі в 1,5 рази, а зменшення висоти робочого каналу L від 1,404 м до 0,2 м - до збільшення середніх коефіцієнтів тепловіддачі в 4,3 рази. При Frплгр2< Frпл < 6,4•10-1 зміна швидкості парогазового потоку wпг від 16 м/с до 47 м/с призводить до зростання середніх коефіцієнтів тепловіддачі в 2 рази. При збільшенні щільності зрошення Qm від 1,210-4 м2/с до 310-4 м2/с середні коефіцієнти тепловіддачі зростають в 1,2 рази. Збільшення початкового паровмісту ц від 11 % до 30 % призводить до зростання середніх коефіцієнтів тепловіддачі в 2 рази, при зміні висоти робочого каналу L від 1,404 м до 0,2 м середні коефіцієнти тепловіддачі зростають в 4,3 рази.

3. Вперше єкспериментально встановлено значення граничної температури нагріву рідини за висхідного супутного руху парогазової суміші та плівки рідини. Значення граничної температури нагріву рідини збільшується від 46 °С до 62 °С при зміні початкового паровмісту від 11 % до 30 %.

4. Отримана залежність (1) для розрахунку щільності зрошення, яка забезпечує ефективність використання поверхні робочого каналу (відсутність ділянки випаровування).

5. Встановлено, що ефективна висота робочого каналу не повинна перевищувати значення згідно з рівнянням (2), тому що при подальшому збільшенні висоти робочого каналу теплопродуктивність робочого каналу не змінюється.

6. На основі узагальнення експериментальних даних отримано залежності (3)-(8) для розрахунку середніх коефіцієнтів тепловіддачі та масовіддачі при конденсації пари з парогазової суміші в умовах висхідної супутної течії з плівкою рідини. Залежності отримано для діапазону зміни критерію Фруда для плівки рідини Fr_пл = 5,5•10^-2 ч 6,4•10^-1, критерію Рейнольдса Re_пг = 13900 ч 44500, відношення висоти робочого каналу до діаметру (L/d) = 11,8 ч 2,5, початкового паровмісту ц = 0,11 ч 0,3. Відхилення дослідних даних від кривих, що описані рівняннями, не перевищує ± 20 % при довірчій ймовірності 95 %.

7. Результати досліджень показали, що процеси тепло- та масообміну за висхідного супутного руху парогазової суміші та плівки рідини характеризуються високою інтенсивністю ( ? 1000 Вт/(м²К), ? 0,1 м/с). Порівняння отриманих результатів з даними по тепло- та масообміну для схеми руху теплоносіїв за протитоком при конденсації пари з парогазової суміші на сітчастій насадці ( ? 100 Вт/(м²К), ? 0,01 м/с) показало, що середні коефіцієнти тепловіддачі та масовіддачі за висхідного прямотоку приблизно в десятки разів вище. Це пов'язано з тим, що за висхідного супутного руху теплоносіїв мають місце більш високі значення швидкості парогазового потоку (w_г = 16 ч 47 м/с) та щільності зрошення, що призводить до значної інтенсифікації процесів міжфазної взаємодії.

8. Визначено висоту початкової гідродинамічної ділянки, яка складає величину порядку Lн.г.?30?d.

9. Експериментально встановлено, що на початковій гідродинамічній ділянці в кільцевому режимі руху збільшення швидкості парогазового потоку від 16 м/с до 35 м/с призводить до зростання коефіцієнта гідравлічного опору о в 1,4 рази. При збільшенні щільності зрошення Q_m від 1,6?10^-5 м²/с до 4?10^-5 м²/с коефіцієнт гідравлічного опору о зростає в 1,2 рази. Збільшення висоти робочого каналу від 0,12 м до 0,5 м призводить до зростання коефіцієнта гідравлічного опору о в 1,5 рази. На початковій гідродинамічній ділянці в дисперсно-кільцевому режимі руху збільшення швидкості парогазового потоку від 16 м/с до 35 м/с призводить до зростання коефіцієнта гідравлічного опору о в 1,8 раза. При збільшенні щільності зрошення Q_m від 1,4?10^-4 м²/с до 2,9?10^-4 м²/с коефіцієнт гідравлічного опору о зростає в 1,5 рази. Збільшення висоти робочого каналу від 0,12 м до 0,5 м призводить до зростання коефіцієнта гідравлічного опору о в 1,5 рази.

10. Встановлено, що для гідродинамічно стабілізованого потоку в області кільцевого режиму руху збільшення швидкості парогазового потоку від 16 м/с до 35 м/с призводить до зростання коефіцієнта гідравлічного опору о в 1,4 рази. При збільшенні щільності зрошення Qm від 1,6?10-5 м2/с до 4?10-5 м2/с коефіцієнт гідравлічного опору о зростає в 1,2 рази. Для гідродинамічно стабілізованого потоку в області дисперсно-кільцевого режиму руху збільшення швидкості парогазового потоку від 16 м/с до 35 м/с призводить до зростання коефіцієнта гідравлічного опору о в 1,8 рази. При збільшенні щільності зрошення Qm від 1,4?10-4 м2/с до 2,9?10-4 м2/с коефіцієнт гідравлічного опору о зростає в 1,3 раза.

11. Отримані емпіричні співвідношення (9) - (12) в області стійкого кільцевого режиму течії та в області дисперсно-кільцевого режиму, які дозволяють розрахувати величину коефіцієнта гідравлічного опору тертя в умовах висхідної супутної течії газу та плівки рідини на початковій гідродинамічній ділянці та на ділянці гідродинамічної стабілізації потоку. Співвідношення справедливі в такому діапазоні зміни параметрів: критерій Рейнольдса для потоку газу Re_г = 18000 ч 40000, критерій Рейнольдса для плівки рідини Re_пл = 360 ч 760. Відхилення дослідних даних від кривих, що описані рівняннями, не перевищує ± 10 % при довірчій ймовірності 95 %.

12. Запропоновано методику розрахунку контактного тепломасо-обмінного апарату з висхідною супутною течією теплоносіїв, яка включає розрахунки гідравлічного опору, коефіцієнтів тепло- та масовіддачі та границь ефективної роботи контактного апарату.

13. Результати проведених експериментальних досліджень передані в ЗАТ “Калинівський машинобудівний завод” з метою їх подальшого використання при розробці нових ефективних контактних тепломасообмінних апаратів для систем утилізації теплоти в розпилювальних сушильних установках.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Безродный М.К., Хавин С.А., Назарова И.А. Тепломассообмен при спутном восходящем течении газа и жидкости // Промышленная теплотехника. - 2003. - №1. - С. 23-28.

Автором проведені експериментальні дослідження процесів тепло- та масообміну в умовах висхідної супутної течії газу та плівки рідини, виконані розрахунки середніх коефіцієнтів тепловіддачі та масовіддачі, а також отримані емпіричні співвідношення для розрахунку процесів тепло- та масовіддачі.

2. Безродный М.К., Назарова И.А., Хавин С.А. Тепломассообмен при конденсации водяных паров из парогазовой смеси в восходящем потоке с пленкой жидкости // Промышленная теплотехника. - 2003. - №4. - С. 26 - 30.

Автору належить проведення експериментального дослідження тепломасообміну при конденсації пари з парогазової суміші за висхідної супутної течії з плівкою рідини, отримання залежностей середніх коефіцієнтів тепловіддачі, теплопродуктивності робочого каналу, граничної температури нагріву рідини від режимних та геометричних параметрів, узагальнення експериментальних даних.

3. Безродный М.К., Назарова И.А., Хавин С.А. Тепломассообмен при спутном восходящем течении парогазовой смеси и пленки жидкости // Промышленная теплотехника. - 2003. Приложение к журналу №4. - С. 287 - 289.

Автору належить проведення експериментального дослідження тепломасообміну при конденсації пари з парогазової суміші в умовах висхідної супутної течії з плівкою рідини, отримання залежності граничної робочої висоти опитної ділянки від щільності зрошення та розподілу температури води по висоті труби.

4. Безродный М.К., Назарова И.А., Хавин С.А. Контактный тепломассообмен в восходящем потоке парогазовой смеси и пленки жидкости // Технічна електродинаміка. Тематичний випуск “Енергозбереження в Україні: законодавство, теорія, практика” 2003.-С.34-37.

Автору належить проведення експериментального дослідження контактного тепломасообміну в умовах висхідної супутної течії парогазової суміші та плівки рідини, отримання співвідношень, які дозволяють розраховувати мінімальну висоту робочої ділянки при заданій ні зрошення і забезпечують підігрів рідини до граничної температури.

5. Безродный М.К., Назарова И.А., Хавин С.А. Гидравлическое сопротивление при восходящем спутном течении пленки жидкости и газа в вертикальных трубах // Промышленная теплотехника. - 2004. - №2. - С. 13-18.

Автору належить проведення експериментального дослідження гідравлічного опору в умовах висхідної супутної течії газу та плівки рідини, отримання залежностей градієнта тиску та коефіцієнта гідравлічного опру тертя від режимних параметрів та узагальнення результатів експериментів.

6. Безродный М.К., Назарова И.А., Хавин С.А. Массообмен при восходящем течении парогазовой смеси и пленки жидкости // Технічна електродинаміка. - 2004. - №3. - С.76-81.

Автором проведені експериментальні дослідження масообміну при конденсації пари з парогазової суміші на плівці рідини в умовах висхідної супутної течії, отримані залежності середніх коефіцієнтів масовіддачі від режимних та геометричних параметрів та виконано узагальнення експериментальних даних.

7. Безродный М.К., Назарова И.А. Гидравлическое сопротивление восходящего потока газа и пленки жидкости в вертикальних трубах. Енергетика: економіка, технології, екологія. - 2005. - №2. - С. 35-41.

Автору належить проведення експериментального дослідження гідравлічного опору на початковій гідродинамічній ділянці, визначення висоти початкової гідродинамічної ділянки, отримання узагальнених співвідношень для розрахунку коефіцієнта гідравлічного опору тертя в умовах висхідної супутної течії газу та плівки рідини на початковій гідродинамічній ділянці.

8. Деклараційний патент на винахід 53256 А України, МПК 7 F28C3/06. Нагрівник текучої рідини. Безродний М.К., Хавін С.О., Назарова І.О. Заявка №2002043046, заявл. 15.04.2002; опубл. 15.01.03, Бюл. №1. - 2 с.

Автору належить розробка деклараційного патенту на винахід.

Размещено на Allbest.ru

...