научная статья по теме ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ТЕПЛООБМЕНА В СТРУЙНОМ КОНДЕНСАТОРЕ ПУТЕМ ДОПОЛНИТЕЛЬНОГО ДРОБЛЕНИЯ СТРУЙ ПРИ ПОМОЩИ СЕТКИ Химическая технология. Химическая промышленность

Текст научной статьи на тему «ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ТЕПЛООБМЕНА В СТРУЙНОМ КОНДЕНСАТОРЕ ПУТЕМ ДОПОЛНИТЕЛЬНОГО ДРОБЛЕНИЯ СТРУЙ ПРИ ПОМОЩИ СЕТКИ»

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ, 2011, том 45, № 1, с. 75-80

УДК 536.24

ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ТЕПЛООБМЕНА В СТРУЙНОМ КОНДЕНСАТОРЕ ПУТЕМ ДОПОЛНИТЕЛЬНОГО ДРОБЛЕНИЯ СТРУЙ

ПРИ ПОМОЩИ СЕТКИ © 2011 г. Л. И. Трофимов

ОАО "Свердловский научно-исследовательский институт химического машиностроения", г. Екатеринбург

otd8@mail.ru

Поступила в редакцию 26.10.2009 г.; после доработки 24.05.2010 г.

На модели струйного конденсатора исследована интенсификация теплопереноса от пара к воде путем дробления падающих струй при помощи сетки, установленной в паровой камере над слоем воды, в который погружаются образующиеся на сетке вторичные струи. Исследования показали высокую эффективность способа и позволили выявить основные определяющие факторы и условия достижения максимального теплообмена. Получена эмпирическая зависимость теплопередачи ниже сетки от параметров и высоты расположения сетки, а также от основных конструктивных и режимных параметров аппарата. Результаты исследований успешно апробированы в аппаратах промышленного масштаба.

ВВЕДЕНИЕ

В химической промышленности широкое распространение получили струйные конденсаторы с дроблением потока воды на струи путем подачи его на перфорированную полку с бортами, установленную в верхней части паровой камеры. Проходя отверстия полки, вода в виде множества струй вытекает в паровую камеру, и пар конденсируется на поверхности падающих струй. Эти аппараты просты по конструкции и работают при минимальных энергетических затратах. Однако тепловая эффективность их невелика вследствие малой удельной межфазной поверхности.

Вместе с тем, анализ гидродинамики [1] показывает, что в рассматриваемых аппаратах потенциальная энергия воды, поданной на распределительную полку, которая после формирования струй трансформируется в кинетическую энергию струйного водяного потока, может достигать значений, практически затрачиваемых в промышленных аппаратах на мелкое диспергирование и развитие поверхности жидкости [2].

Проведенные нами поисковые исследования показали, что эффективным и легко реализуемым в аппаратах промышленного масштаба способом использования этой энергии является дополнительное дробление падающих в паровой камере жидкостных струй при помощи проволочной сетки, размещаемой под перфорированной распределительной полкой над поверхностью воды в поддоне, установленном ниже сетки. При этом конденсация пара происходит не только на первичных струях, но также (и более интенсивно) под сеткой. Процессы гидродинамики при дроблении струй и капель сет-

ками мало изучены, а условия проведения опубликованных экспериментов [3] не соответствуют режимным и конструктивным параметрам рассматриваемых аппаратов.

В настоящей статье изложены результаты систематического экспериментального изучения гидродинамики дробления падающих и ударяющих в сетку струй воды, а также исследования закономерностей теплопереноса от конденсирующегося пара к воде ниже сетки.

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

Исследования проводили на опытном конденсаторе (рис. 1). При работе аппарата вытекающая из отверстия 4 первичная водяная струя 15, падая в среде конденсирующегося пара, ударяла в прутья сетки 8 и дробилась на более мелкие вторичные струи и капли 16, на поверхности которых конденсация пара продолжалась. При погружении в слой воды в приемной камере 7 струи эжектировали пар, который в виде множества пузырьков всплывал в принимающем слое и конденсировался.

При выполнении теплотехнических измерений в рабочую камеру подавали сухой насыщенный водяной пар небольшого избыточного давления. Изучение основных гидродинамических аспектов образования вторичных струй на сетках и погружения их в принимающий слой проводили при падении струй в воздухе. Для этого подачу пара в рабочую камеру прекращали и камеру сообщали с атмосферой.

Исследования были начаты с изучения гидродинамики дробления струй, ударяющих в горизонтально установленную проволочную сетку с квадратными ячейками стандартного полотняного

Рис. 1. Опытный конденсатор: 1 — корпус, 2 — опорное кольцо, 3 — напорная камера, 4 — металлическая пластина с калиброванным отверстием, 5 — успокоитель, 6 — указатель уровня, 7 — приемная камера, 8 — дробящая сетка, 9 — цилиндрическая вставка, 10 — бачок-регулятор, 11 — дополнительный ввод пара, 12 — дополнительный вывод неконденсирующихся газов, 13 — устройство для крепления и перемещения сетки по высоте, 14 — мерный бачок, 15 — первичная струя, 16 — вторичные струи.

плетения [5]. Размеры основных элементов и гидравлические характеристики сеток, использованных при исследованиях, приведены в табл. 1.

Таблица 1. Основные размеры сеток, использованных при проведении исследований, и их гидравлические характеристики

Sdвр, мм ^пр = С [6]

8 х 0.35 0.044 0.918 0.115

8 х 0.65 0.081 0.855 0.217

5 х 0.70 0.140 0.769 0.390

3 х 0.50 0.167 0.735 0.474

8 х 1.60 0.200 0.694 0.591

3 х 0.65 0.217 0.676 0.652

В опубликованных исследованиях [3] рассматривается дробление одиночных капель, падающих на стальные иглы, размещенные с некоторым интервалом в горизонтальной плоскости. В реальном прямоконтактном струйном конденсаторе вода имеет более сложный характер движения: из струе-формирующего отверстия вода вытекает сплошной струей, которая затем распадается на отдельные капли. В связи с этим на характер дробления струй сеткой, расположенной под струеформирующим отверстием, оказывает влияние не только скорость соударения, увеличивающаяся по мере удаления сетки от отверстия, но и изменяющаяся при этом форма ударяющей жидкости. Характерные картины дробления водяной струи сеткой, расположенной на различном расстоянии от струеобразующего отверстия, приведены на рис. 2. Рисунки 2а—2б иллюстрируют изменение процесса диспергирования. Максимальная степень дисперсности достигается при дроблении сеткой череды капель, образовавшихся при самопроизвольном распаде сплошной струи (рис. 2г и 2д). Это обусловлено тем, что поперечное сечение капель, которым падающие капли соприкасаются с сеткой, в несколько раз больше, чем поперечное сечение сплошных струй, из которых они образуются [7], и, следовательно, при ударе капель образуется больше вторичных струй.

На рис. 3 приведена фотография, иллюстрирующая погружение вторичных струй в принимающий слой воды ниже сетки. В центре, по оси первичной струи, где происходит погружение центрального более компактного потока вторичных струй, образуется каверна, заполненная энергично перемешивающейся пароводяной смесью, по внешнему виду аналогичная каверне, которая наблюдалась нами ранее [8] при погружении первичных струй, вытекающих вертикально вниз. Процессы тепломассо-переноса под сеткой происходят более интенсивно: образование струй происходит при энергичном перемешивании жидкости, и с многократным развитием и обновлением поверхности контакта жидкости с паром, а погружение вторичных струй в виде пучка обеспечивает увеличенный захват пара. Сопоставительные опыты, проведенные при одинаковых начальных условиях (табл. 2), показали, что при дополнительном дроблении струй сеткой число единиц теплопереноса в аппарате примерно в 2.3— 2.5 раза больше, чем в опытах с погружением первичных струй [8], и в 10—11 раз больше, чем при передаче тепла от пара традиционным путем — через поверхность струй, падающих в паровой среде [4].

Исследование теплопередачи ниже сетки проводили при следующих диапазонах изменения основных конструктивных и режимных параметров: начальный диаметр первичной струи 5—12 мм, начальная скорость вытекания этих струй 0.8— 2.2 м/с, расстояние от струеобразователя до сетки 1.15—2.15 м, высота размещения сетки над поверх-

Рис. 3. Дробление водяной струи, падающей в воздухе, сеткой, размещенной над поверхностью принимающего слоя воды: 1 — капли распавшейся струи, 2 — металлическая сетка, 3 — вторичные струи, 4 — поверхность принимающего слоя воды, 5 — пузырьки воздуха, захватываемого погружающимися вторичными струями.

ностью принимающего слоя 50—400 мм, размер ячейки дробящей сетки 3—8 мм, диаметр прутьев сетки 0.25—1.6 мм, температура пара 98.8—100.2°С. Температура водяных струй при ударе в сетку, определяемая по [4], составляла 66.5—98.6°С. В качестве рабочей жидкости использовали конденсат водяно-

го пара. В проведенных исследованиях определяли общий поток тепла от пара к воде ниже сетки, исходя из значений температур воды в струе в месте удара ее в сетку и в потоке воды после контакта ее с паром в принимающем слое.

Одним из основных факторов, определяющих процесс и механизм теплопереноса под сеткой, является начальная разность температур Днс. При малых значениях разности температур пара и воды, всплывающие пузырьки пара, захватываемого вторичными струями, конденсируются лишь частично и при достижении поверхности принимающего слоя несконденсировавшийся пар возвращается в наджидкостное паровое пространство. Величина теплового потока при этом режиме теплопереноса в преобладающей степени определяется процессом конденсации паровых пузырьков.

При увеличении разности температур количество сконденсировавшегося пара возрастает, пузырьки уменьшаются в размерах, и при некотором значении ее всплывающие паровые пузырьки исчезают, не достигая поверхности принимающего слоя, т.е. весь пар, захваченный вторичными струями, конденсируется полностью в принимающем слое и тепловой поток ниже сетки в преобладающей степени определяется количеством пара, захватываемого вторичными струями, т.е. закономерностями инжекции.

Для границы режимов полной и неполной конденсации пара в принимающем слое под сеткой получена следующая обобщающая зависимость:

К = 92-11 нс гр ^

н

0.82

¿с0'51 (пр/^ .

Погрешность аппроксимации равна ±23%.

При значениях Кнс меньше Кнсгр происходит полная, а при больше граничного — неполная конденсация пара, захватываемого в принимающий слой погружающимися вторичными струями.

\0.30 , 0.20 '

Н

3

4

5

Таблица 2. Результаты сравнительных испытаний опытных струйных конденсаторов (Н = 1.65 м, vо = 1.5 м/с)

й0, мм

Температура воды, °С t °С Д, °С t — t °С 'к 'о> п

о °С t °С

к_1

вс

Конденсатор с вытекающими вниз перви

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком