научная статья по теме ТЕПЛООТДАЧА ПРИ КОНДЕНСАЦИИ И КИПЕНИИ В ПЛЕНОЧНОМ ТРУБЧАТОМ ИСПАРИТЕЛЕ Химическая технология. Химическая промышленность

Текст научной статьи на тему «ТЕПЛООТДАЧА ПРИ КОНДЕНСАЦИИ И КИПЕНИИ В ПЛЕНОЧНОМ ТРУБЧАТОМ ИСПАРИТЕЛЕ»

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ, 2012, том 46, № 4, с. 432-440

УДК 66.015.23

ТЕПЛООТДАЧА ПРИ КОНДЕНСАЦИИ И КИПЕНИИ В ПЛЕНОЧНОМ

ТРУБЧАТОМ ИСПАРИТЕЛЕ © 2012 г. Н. А. Войнов, О. П. Жукова, А. Н. Николаев

Сибирский государственный технологический университет, г. Красноярск

voynov@siberianet.ru Поступила в редакцию 16.08.2011 г.

Представлены результаты исследования теплоотдачи при конденсации и кипении в трубчатом испарителе с гладкой и шероховатой поверхностью при гравитационном стекании пленки воды. Получены зависимости для расчета величины коэффициента теплоотдачи, выявлено влияние на процесс теплообмена винтовой шероховатости.

ВВЕДЕНИЕ

Пленочные трубчатые испарители применяются при опреснении морской воды, концентрировании суспензий, очистке сточных вод. Однако расчетные зависимости по определению теплоотдачи в таких аппаратах недостаточно совершенны, что при конструировании установок приводит к необоснованно высоким габаритам и металлоемкости. Не решена также проблема создания устойчивого пленочного течения, исключения оголения поверхности труб испарителя, что вызывает снижение производительности.

Основными процессами теплообмена в испарителе являются кипение и пленочная конденсация. Сочетание большого количества факторов, влияющих на эти процессы, делает обобщение методик расчетов аппаратов достаточно сложным.

Целью настоящей работы является исследование теплоотдачи при конденсации и кипении в трубчатом испарителе с гладкой и шероховатой поверхностью при гравитационном стекании пленки воды и получение зависимостей для расчета величины коэффициента теплоотдачи.

РАСЧЕТНЫЕ ЗАВИСИМОСТИ

Характерные зависимости для расчета коэффициента теплоотдачи в турбулентной пленке при кипении представлены в табл. 1.

Сравнение величины коэффициентов теплоотдачи, рассчитанным по уравнениям, представленным в табл. 1, показывает существенное их расхождение (рис. 1).

Наблюдаемый разброс значений можно объяснить разными методиками проведения экспериментов, узкими исследовательскими диапазонами физических и конструктивных параметров. Как правило, не учитывается охлаждение верхних слоев стекающей пленки при испарении пара с ее

поверхности при низких нагрузках теплового потока. Не учитываются режимы теплообмена, вызванные тепловой нагрузкой. А известные данные по влиянию на теплообмен винтовой шероховатости малочисленны, что требует дополнительных исследований.

При турбулентном движении пленки конденсата уравнения для расчета теплоотдачи, в основном, представлены в критериальном виде (табл. 2) как а = /(Яекон, Яепар, Рг, Сг, Оа, К)а = = №к0н, Яепар, Рг, Ог, Оа, К).

Анализ приведенных в табл. 2 зависимостей показал (рис. 2), что они адекватно описывают процесс только в тех пределах, в которых получены.

Это объясняется сложностью процесса тепло-массопереноса, в котором наблюдается неоднородность температурных и массовых полей, переменный состав парогазовой смеси и, соответственно, физических свойств пара и конденсата.

акип х 10-3, Вт/(м2 К)

10 г

10

20

Яе

Рис. 1. Зависимость коэффициента теплоотдачи при кипении в пленке воды, стекающей по гидравлически гладкой поверхности трубы от числа Рейноль-дса жидкости. Линии — расчет: 1 - по уравнению [10]; 2 - [1]; 3 -[2]; 4 - [9]; 5 - [4]; 6 - [8]; 7- [7]; 8 - [5] при й = 30 мм, I = 1.7 м и Рг = 3.5.

3

1

Таблица 1. Уравнения для расчета коэффициента теплоотдачи в пленке жидкости при кипении

№ Параметры Расчетная формула Источник

1 Яе = (2-85) х 10-3, т = 0.19-1.06, п = 0.33-0.5 Ш = f (Яет Рг "); [1-8]

2 Яе > 2000 ( 2 Г1/3 , IV-1 X Рг п1/3 " 5Рг+ 51п(1 + 5 Рг) + 2.51п(1 - Рг+ °'4Рг ^ ' \ 1 + 11Рг / [9]

3 2000 < Яе < 7000 Nu = 4382 Г [10]

4 При q = (8-20) х 103 Вт/м2, С = 164, п = -0.264, т = 0.685. При q > 15 х 103 Вт/м2, С = 2.6, п = -0.203, т = 0.322. / \т Nu = Ой = с Яе" [-2^1 [11]

5 Яе < 10000 Nu* = 1.1 х 1°-2Яе°.58 ^Г8Рг°34 [12]

6 Г = 3-4 кг/(м с) 1 1ГАА * ,.-°.63 °.22 а = 135°°АГ 2 [13]

7 Яе >1900 Nu = °.°64Яе°15 Яе„°Л3 Рг-°.°75 [14]

Таблица 2. Зависимости для расчета коэффициента теплоотдачи при пленочной конденсации водяного пара на внутренней поверхности вертикально установленных труб

№ Область применения Коэффициент теплоотдачи Источник

1 Яекон > 100 _ °.16Рг^3ЯеКон Яекон -1°° + 63 Рг1/3 [18]

2 Яекон > 180 Nu = °.230а1/2Рг-°25 [19]

3 Яекон > 100 Nu* = °.925Яе(кон3)х (1 + °.°3 (4Яекон)°.- + °.°°°75 (4Яекон)°.8 Рг°.6) [6]

4 РгКОа > 1015 Ш = °.943(Рг КОа)°25 [20]

5 Яекон > 400 а = (ф/ 1(гн - гс))[89 + °.°24Рг° 5 (г - 23°°)^4/3 [8]

6 Яепар > 25000 Ш = 0.28Яепа6р К х Рг—^ ГХпаЕ 1 _ 1 р ^ V ) _ 1/3 [17]

7 - Nu = С Яе°ко8н Рг°.43 <| 1 + х1 ( тГ5 Г Р^ - 1 + 1 + х2 чРпар у_ _ ( ТГ'5] ркон ( \рпар )_ J [21]

8 - а = 1 + 13 ГРпар и 1/3 а0 чРкон ) (еуУ [16]

В случае больших расходов пара (движущийся пар) влияние касательных напряжений на поверхности раздела фаз вызывает увеличение скорости и уменьшение толщины пленки конденсата, а также формирование волн на ее поверхности, что, в зависимости от режима течения, оказывает

интенсифицирующее воздействие на теплопере-нос. Эти явления также не отражены в известных исследованиях при конденсации.

При нисходящем движении пленки конденсата с учетом трения на границе раздела фаз коэф-

акон х 10-3, Вт/(м2 К)

10 5

□ □□ п □ □ □ сР

1000

2000

3000 ReK

Рис. 2. Зависимость коэффициента теплоотдачи при конденсации чистого водяного пара от критерия Рей-нольдса конденсата при ¿1 = 20 мм и I = 2 м. Экспериментальные точки при К = 12. Линии 1-4: 1 — [20]; 2 - [18]; 3 - [6]; 4 - [8].

фициент теплоотдачи для движущего пара а предложено определять по уравнению (8) (табл. 2). Однако при нисходящем прямотоке наблюдаются [15] три режима взаимодействия газа с жидкостью с разной интенсивностью теплообмена, границы которых зависят как от внутреннего диаметра канала, так и от величины критерия Рейнольдса газа. В работе [21] для турбулентного течения пленки и преобладающего влияния пара предложена формула (7) (табл. 2), согласно которой наблюдается существенное влияние на теплообмен пленки конденсата Я-е^н, а влияние касательных напряжений, определение которых экспериментально затруднено, оценивается через паросодержание х1 и х2.

Вызывает интерес уравнение (6) (табл. 2), предложенное в работе [17], которое рекомендуется использовать при Яепар > 25000, где акон «

« Ке^р, что согласуется с данными [15], полученными в случае нагревания пленки воды при нисходящем прямотоке в переходной области течения. Кроме того, в уравнение введен безразмерный параметр К, учитывающий влияние межфазного перехода. Однако уравнение (6) (табл. 2) не включает параметр Яекон и, поэтому, может работать лишь в определенном, изученном интервале нагрузок по конденсируемому пару.

В случае конденсации паровоздушной смеси образуется дополнительное сопротивление переносу пара к поверхности конденсации за счет образования пограничного слоя, состоящего из молекул неконденсирующегося газа, что приводит к существенному снижению коэффициента теплоотдачи [25]. В этом случае величина коэффициента теплоотдачи зависит от интенсивности взаимосвязанных процессов тепло- и массопереноса как в парогазовой смеси, так и в пленке конденсата. К настоящему времени выполнено достаточно много работ по численному описанию таких систем на основе различных подходов и допущений, однако для практического использования модели

пока не совершенны [26—31]. Авторы отмечают, что термическое сопротивление пограничного парогазового слоя велико при низких числах Яекон, а с его увеличением сопротивление падает. Общий коэффициент теплоотдачи при конденсации снижается по длине трубы, что объясняется уменьшением доли пара и увеличением массовой доли неконденсирующихся газов на межфазной поверхности. В плане интенсификации процесса конденсации указывается, что перемешивание ведет к интенсификации процесса конденсации парогазовой смеси. Для интенсификации теплообмена при конденсации пара используются различные профилированные поверхности труб [32—34], что позволяет снизить термическое сопротивление пленки конденсата, за счет уменьшения ее толщины. Однако для снижения диффузионного сопротивления при конденсации паровоздушной смеси использование профилированных поверхностей недостаточно эффективно, что требует поиска нового метода и интенсификации теплообмена. В данной работе отвод несконденсиро-вавшегося газа обеспечивается путем создания циркуляционных вихрей над поверхностью пленки конденсата, образующихся при набегании потока пара на обтекаемые тела, выполненные в виде проволочной спирали, установленной с зазором к теплопередающей поверхности. Схема распределения потоков и температуры в трубе испарителя представлена на рис. 3.

Исследовались трубы, выполненные из меди диаметром 20 х 1 мм, длиной l = 2 м, по внутренней поверхности которых стекала пленка конденсата, а по наружной — пленка воды. Для интенсификации конденсации пара внутри теплообмен-ных трубок устанавливалась турбулизирующая вставка 4 (рис. 3), выполненная из проволоки диаметром 2.5 мм с шагом s, равным 5, 10 и 25 мм. На поверхность трубы также устанавливалась регулярная искусственной винтовая шероховатость (рис. 3а), выполненная из проволоки диаметром h = 0.25, 0.5 и 1.5 мм с параметром шероховатости s/h = 6—7, в отдельных случаях на наружной поверхности трубы выполнялась метрическая резьба М 20.

Вода, подаваемая в парогенератор, предварительно дегазировалась путем кипячения. Остаточная концентрация кислорода в ней составила 2 мг/л. Физические свойства воды и пара рассчитывались по средней температуре на входе и выходе рабочего участка трубы. Измерение температуры осуществлялось термометрами сопротивления марки ТСМ-9418. Данные температуры выводились на вторичные приборы марки Термодат 35ЦО/ГВС и при помощи компьютерной программы Termonet 1.01 заносились в базу компьютера. Тепловой поток составил q = 50—250 кВт/м2 , а нагрузка по жидкости изменялась от 0.2 до 2 м3/ч.

3

1

0

(а)

(б)

(в)

Рис. 3. Схема распределения теплоносителей и температуры в трубе испарителя: (а) - общий вид трубы 1 с турбулиза-то

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 «Химическая технология. Химическая промышленность»