научная статья по теме ИСПОЛЬЗОВАНИЕ В ПРОИЗВОДСТВЕ ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫХ УСТРОЙСТВ ДЛЯ НАГРЕВАНИЯ АГРЕССИВНЫХ ЖИДКОСТЕЙ Машиностроение

Текст научной статьи на тему «ИСПОЛЬЗОВАНИЕ В ПРОИЗВОДСТВЕ ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫХ УСТРОЙСТВ ДЛЯ НАГРЕВАНИЯ АГРЕССИВНЫХ ЖИДКОСТЕЙ»

ПРОБЛЕМЫ МАШИНОСТРОЕНИЯ И НАДЕЖНОСТИ МАШИН

№ 4, 2014

УДК 536.248

© 2014 г. Стулов В.В.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ В ПРОИЗВОДСТВЕ ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫХ УСТРОЙСТВ ДЛЯ НАГРЕВАНИЯ АГРЕССИВНЫХ ЖИДКОСТЕЙ

Приведены результаты нагрева жидкости в ванне с использованием устройства, выполненного в виде тепловой трубы, с подведенной электрической мощностью 6 кВт. Проводится сравнение полученных результатов с охлаждением нагревательного устройства при конвективном течении воды, наблюдающимся при перемешивании жидкости в ванной.

В настоящее время в машиностроительной и авиационной промышленности стоит актуальная задача нагрева агрессивных жидкостей (кислот, щелочей) в ваннах. Применяемые в настоящее время электрические и паровые нагреватели имеют недостатки.

Электрические (ТЭНы): неравномерный нагрев жидкости в ваннах; потери тепла (20—50%) от поверхности ТЭН, находящихся в воздухе, в окружающую среду; сравнительно высокая температура на поверхности ТЭН, приводящая к выделению водорода и накапливания его в окружающей атмосфере цеха; пожаровзрывоопасность.

Паровые: необходимость прокладки и обслуживания паропроводов от котельной; потери тепла с конденсатом (до 30%); зависимость от котельной; трудности обслуживания и ремонта трубопроводов в ванной; прорыв паропроводов. Применение для нагревания жидкостей разработанных устройств [1, 2], работающих по принципу тепловых труб [3], позволяет: уменьшить до 40% потери тепла в окружающую среду; уменьшить температуру поверхности нагревателей и увеличить срок их службы; исключить потери тепла с конденсатом; создать благоприятные условия для обслуживания и ремонта нагревательных устройств.

Цель настоящей статьи — исследование работы и распределения температур на поверхности нагревательных устройств и жидкости в ванной при электрической мощности нагревателя 6 кВт. Исследование влияния перемешивания жидкости на температуру поверхности стенки нагревательного устройства. Новизна результатов подтверждается [1—3].

Применяемое оборудование: устройство для нагревания жидкости; ванна с водой; кожух для подвода воды к зоне охлаждения нагревательного устройства. Параметры нагревательного устройства: наружный диаметр = 0,060 м; толщина стенки 8н= 3,5 ■ 10-3 м; длина зоны нагрева 1н = 0,35 м; длина зоны охлаждения 10 = 1,55 м; максимальная электрическая мощность нагревателя N = 6 кВт.

Параметры стального кожуха и расхода через него воды: наружный диаметр ёк = 0,076 м; толщина стенки 8к = 0,004 м; длина 1к = 1,7 м. Расход воды через кожух:

Кв1 = 0,045; Кв2 = 0,137; Кв3 = 0,099 м3/ч. Параметры ванны с водой: максимальный объем 0,118 м3.

Методика измерений. В процессе испытаний устройства проводится измерение температуры воды в ванне с помощью цифрового термометра АгЮ7721 и лабораторного ртутного термометра с ценой деления 0,1°.

Проводится измерение температуры поверхности стенки зоны нагрева устройства и температуры поверхности стенки зоны охлаждения с помощью бесконтактного термометра СЕМДТ-8812 с погрешностью ±2%.

Теплофизические свойства воды [4]: г = 20°: р = 998 кг/м3, С = 4183 Дж/(кг ■ К), ц = 10-3 Па ■ с; г = 80°: р = 972 кг/м3, С = 4195 Дж/(кг ■ К), ц = 0,355 ■ 10-3 Па ■ с. Тепло-физические свойства пара теплоносителя [4]: г = 100°: ц = 0,283 ■ 10-3 Па ■ с, г = 2,257 ■ 106 Дж/кг; г = 120°: ц = 0,237 ■ 10-3 Па ■ с, г = 2,203 ■ 106 Дж/кг.

Теплофизические свойства материала трубы — Сталь 20 [4] при X = 51 Вт/(м ■ К).

Перечень обозначений: а — коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2 ■ К); й —диаметр, м; Q — количество тепла, Дж; q — плотность теплового потока, Вт/м2; 8 — толщина стенки, м; X — коэффициент теплопроводности, Вт/(м ■ К); С — теплоемкость, Дж/(кг ■ К); О — расход смеси, кг/с; р — плотность, кг/м3; ц — динамическая вязкость, Па ■ с; V — кинематическая вязкость, м2/с; I — длина, м; Н — высота, м; г — теплота фазового перехода, Дж/кг; V — объем, м3; т — масса, кг; Г — площадь поверхности, м2; V — объемный секундный расход, м3/с; т — время, с; Аг — перепад температур, °.

Индексы: н — нагрев, нагревательное устройство; к — кожух; в — вода; т — труба; п — пар; ж — жидкость; э — эквивалентный; с — стенка; 5 — насыщение; р — рабочий.

Безразмерные критерии подобия: Ми = а ■ й/Х — критерий Нуссельта; Яе = ю ■ d/v — критерий Рейнольдса; Рг — критерий Прандтля.

Расположение нагревательного устройства в ванной и его работа. Нагревательное устройство, выполненное в виде тепловой трубы, с электрическим нагревателем в зоне нагрева крепится с помощью фланцев и уплотнений в отверстии ванной под углом 14° к горизонтальной плоскости. При этом зона охлаждения устройства находится в ванной.

После этого проводится заливка в ванну заданного количества жидкости. Включается электрический нагреватель с разогревом зоны нагрева трубы и расположенного в ней теплоносителя. Образующийся при нагревании теплоносителя пар поступает в зону охлаждения устройства и конденсируется на внутренних стенках трубы. Тепло, выделяющееся при конденсации пара теплоносителя, разогревает трубу устройства, а одновременно и жидкость, находящуюся в ванной. После разогрева жидкости до требуемой температуры проводится выключение электрического нагревателя. С целью предотвращения разъедания стенки трубы нагревательного устройства, помещенного в ванну с агрессивной средой, на поверхность трубы наносится защитное покрытие [2].

Результаты исследований. На рис. 1 приведены зависимости температуры поверхности стенки зоны нагрева тепловой трубы и воды в ванне = 0,118 м3) от времени нагрева при мощности нагревателя 6 кВт (1 — температура поверхности стенки зоны нагрева трубы, 2 — температура воды в ванне). Из рис. 1 видно, что наиболее крутая зависимость температуры поверхности стенки зоны нагрева наблюдается в интервале первых 15 минут работы. В дальнейшем в интервале 15—110 минут работы температура поверхности зоны нагрева возрастает с 65 до 125°. Такой характер разогрева поверхности стенки зоны нагрева на кривой 1 объясняется, с одной стороны, теплофизически-ми свойствами теплоносителя в тепловой трубе, а с другой, первоначальным разогревом зоны нагрева теплоносителем, находящимся преимущественно в жидком состоянии и последующим разогревом всей трубы при увеличении доли теплоносителя в парообразном состоянии. После достижения жидкостью в ванне температуры кипения (98—100°) на кривой 2 рост температуры поверхности стенки зоны нагрева на кривой 1 прекращается. Это объясняется интенсивным теплоотводом с поверхности тепловой трубы при жидкости в ванне. Недостаточная интенсивность нагрева жидкости в ванне в интервале первых 15 минут работы объясняется преимущественным разогревом с начала всей тепловой трубы.

На рис. 2 приведены зависимости температур поверхности стенки зоны нагрева, температуры поверхности стенки в конце зоны охлаждения тепловой трубы, температуры воды в ванне от времени нагрева при N = 6 кВт, а = 14°, объем воды V = 0,057 м3.

t, ° 110

30

90

70

50

10

0

I т ■ 10-3, с

т ■ 10-3,

10

20 40 60 80 100 120 140 т, мин

Рис. 1

0

1,2

2,4 3,6

т, 103 с

Рис. 2

Рис. 2. 1 — температура поверхности стенки зоны нагрева тепловой трубы, 2 — температура поверхности стенки в конце зоны охлаждения трубы, 3 — температура воды в ванне

В отличие от результатов исследований, приведенных на рис. 1, в данном случае тепловой трубой осуществляется нагрев воды объемом 0,057 м3 при мощности нагревателя 6 кВт и угле наклона трубы 14°. Такой объем нагреваемой воды выбран с целью необходимости контролировать температуру поверхности стенки в конце зоны охлаждения тепловой трубы, выступающей над поверхностью воды на участке 100 мм. Из рис. 2 видно, что наиболее крутой вид зависимостей температур поверхностей стенок от времени нагрева (кривые 1 и 2) наблюдается в интервале первых 300 с работы нагревателя, что обеспечивает достижение температур поверхностей стенок 80° (кривая 1) и 68° (кривая 2).

В дальнейшем интервале времени работы 300—2700 с вид зависимостей температур поверхностей стенок (кривые 1 и 2) более пологий. Максимальные значения достигаемых температур поверхности стенки зоны нагрева 127° (кривая 1) и температур поверхности стенки в конце зоны охлаждения 106° (кривая 2). После 2700 с работы нагревателя температура поверхностей на кривых 1 и 2 стабилизируется. Этот момент соответствует началу кипения воды и возрастанию коэффициента теплоотдачи с поверхности тепловой трубы.

Пологий участок на кривой 3 зависимости температуры воды в ванне в начале нагрева 0—300 с характеризует интервал времени прогрева тепловой трубы и перехода теплоносителя из жидкообразного в парообразное состояние. При разогреве тепловой трубы до температуры 70° (кривая 2) начинается резкий подъем температуры воды в ванне в интервале времени нагрева 300—2700 с. Причем, скорость нарастания температуры воды в ванне 1,75°/мин (кривая 3) превышает скорость роста температуры поверхностей стенок 1—1,25°/мин (кривые 1 и 2). Максимальный перепад температур между температурой поверхности тепловой трубы и воды для Л?тв = 45—50° на рис. 2 наблюдается в момент времени т = 300—400 с работы нагревателя. По мере разогрева тепловой трубы и увеличения коэффициента теплоотдачи в воду перепад температур Л?тв уменьшается до значения Л?тв = 5—10° при кипении воды в ванне.

При массе нагреваемой воды тв = 57 кг, перепаде температур воды Л?в = 80°, средней теплоемкости воды [4] Св = 4200 Дж/(кг ■ К) количество подводимого к воде тепла определяется по формуле

е = С • Шв -Л г,

(1)

После подстановки в (1) данных получаем Q = 19,15 ■ 106 Дж. С учетом времени нагрева воды до кипения т = 3300 с по рис. 2 значение подводимой тепловой мощности определяем по выражению Np = Q/т. Получаем Np = 5,8 ■ 103 Вт. При мощности установленных нагревателей Np = 6 кВт в зоне нагрева потери тепла в нагревателях и в окружающую среду от металлической ванны составляют 3,3%.

При площади поверхности теплообмена тепловой трубы в зоне охлаждения Гт = 0,262 м2 значение плотности подводимого теплового потока q = —22,9 ■ 103 Вт/м2.

При известных текущих значениях температур поверхности стенки трубы гт (кривая 3) на рис. 2

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

Пoхожие научные работыпо теме «Машиностроение»