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

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. 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). Провести експериментальні дослідження процесів тепло-та масообміну при конденсації пари з парогазової суміші за висхідного супутного руху парогазової суміші та плівки рідини. Розробити методику розрахунку контактного тепломасообмінного апарату з висхідною супутною течією газу та плівки рідини. 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.У вступі обґрунтована актуальність і доцільність теми дисертаційної роботи, викладений звязок роботи з науковими програмами, сформульована мета роботи та завдання для її досягнення, подано наукову новизну і практичне значення роботи.Отримані результати експериментальних досліджень процесів тепломасообміну та гідродинаміки в умовах висхідної супутної течії парогазової суміші та рідини дозволяють зробити наступні висновки. 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 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. 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.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

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 1,2?10-4 м2/с до 3?10-4 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 Frпл = 5,5•10-2 ч 6,4•10-1, критерію Рейнольдса Reпг = 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/(м2?К), ? 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/(м2?К), ? 0,01 м/с) показало, що середні коефіцієнти тепловіддачі та масовіддачі за висхідного прямотоку приблизно в десятки разів вище. Це повязано з тим, що за висхідного супутного руху теплоносіїв мають місце більш високі значення швидкості парогазового потоку (wг = 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 Qm 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 Qm 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 Reг = 18000 ч 40000, критерій Рейнольдса для плівки рідини Reпл = 360 ч 760. Відхилення дослідних даних від кривих, що описані рівняннями, не перевищує ± 10 % при довірчій ймовірності 95 %.

12. Запропоновано методику розрахунку контактного тепломасообмінного 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.

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 .ru