Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Аналитический обзор литературных источников 13
1.1 Роль термической деаэрации воды в комплексе водоподготовительных мероприятий на объектах энергетики 13
1.2 Физико-химические основы термической десорбции из воды растворенного в ней кислорода 16
1.2.1 Статика процесса десорбции 17
1.2.2 Кинетика процесса десорбции 24
1.3 Конструкции атмосферных деаэраторов
струйно-барботажного типа 30
1.4 Существующие модели и методы расчета процессов тепломассообмена, реализуемых в атмосферных деаэраторах струйно-барботажного типа 34
1.4.1 Методики расчета струйных отсеков деаэраторов 34
1.4.2 Методики расчета барботажных листов 46
1.4.3 Методики расчета затопленных барботажных устройств 53
1.4.4 Дегазация воды в деаэраторных баках при отсутствии барботажных устройств 55
1.5 Задачи работы 56
Глава 2 Экспериментальные исследования технологических процессов в струйно- барботажных деаэраторах типовых конструкций 58
2.1 Цели и задачи экспериментальных исследований 58
2.2 Характеристика объектов экспериментальных исследований 59
2.3 Схема отбора проб воды и пара 67
2.4 Организация теплотехнического контроля 70
2.5 Организация химического контроля 70
2.6 Методика проведения экспериментальных исследований 71
2.7 Результаты измерений контролируемых параметров 72
2.8 Первичная обработка результатов измерений контролируемых параметров 73
2.9 Результаты первичной обработки экспериментальных данных 83
Выводы по второй главе 100
Глава 3 Анализ экспериментальных данных и разработка математических моделей технологических процессов 101
3.1 Цели и задачи этапа исследований 101
3.2 Предварительные расчеты 101
3.3 Анализ данных о теплообмене и десорбции кислорода в струйных отсеках деаэраторов и разработка их математических моделей 108
3.4 Анализ данных о теплообмене и десорбции кислорода на барботажном листе деаэратора ДА-300м. Идентификация моделей С.С. Кутателадзе и В.А. Зысина 132
3.5 Влияние барботажа на эффективность десорбции кислорода в деаэраторных баках 138
Выводы по третьей главе 143
Глава 4 Повышение эффективности работы струйно-барботажных деаэраторов атмосферного давления... 145
4.1 Цели и задачи этапа работы 145
4.2 Выявление влияния режимных параметров на эффективность работы деаэраторов 145
4.3 Выявление влияния эксплуатационных колебаний режимных параметров во времени на эффективность работы деаэраторов 166
4.4 Разработка рекомендаций по совершенствованию эксплуатации деаэраторов 174
4.5 Практическая реализация результатов работы 176
Выводы по четвертой главе 177
Заключение по работе 180
Список использованных источников 182
Приложения 194
Приложение А. Метрологическое обеспечение экспериментальных работ... 195
Приложение Б. Первичная обработка результатов измерений 206
Приложение В. Документы, подтверждающие практическую реализацию
результатов работы 224
- Физико-химические основы термической десорбции из воды растворенного в ней кислорода
- Существующие модели и методы расчета процессов тепломассообмена, реализуемых в атмосферных деаэраторах струйно-барботажного типа
- Характеристика объектов экспериментальных исследований
- Анализ данных о теплообмене и десорбции кислорода в струйных отсеках деаэраторов и разработка их математических моделей
Введение к работе
Актуальность темы. Обеспечение качественной дегазации технологических вод является одной из приоритетных задач эксплуатации и проектирования объектов энергетики. В отечественной и зарубежной практике наиболее широкое распространение получили термические методы дегазации, обладающие неоспоримыми экологическими преимуществами по сравнению с альтернативными, например, химическими методами. Значительную долю дегазационных аппаратов, применяемых на действующих и проектируемых энергообъектах России, составляют термические деаэраторы струйно-барботажного типа атмосферного давления. К настоящему времени благодаря специальным работам сотрудников МЭИ, НПО ЦКТИ, ВТИ, лаборатории «Теплоэнергетические системы и установки» УлГТУ, ИГЭУ и других научных и производственных организаций1 накоплен опыт использования атмосферных деаэраторов, обобщение которого позволяет заключить, что эффективность их работы зависит от значений многих режимных факторов. Причем в отличающихся друг от друга вариантах конструкций деаэраторов эта зависимость различна.
Выдающийся вклад в развитие технологий стуйно-барботажной деаэрации воды при атмосферном давлении внесли С.С. Кутателадзе, В.М. Боришанский, И.И. Оликер, В.А. Пермяков, В.И. Шарапов, В.А. Зысин, А.А. Захаров, Р.Г. Черная, М.П. Белоусов, И.К. Гришук, B.C. Галустов и другие исследователи. В последнее время работы по исследованию и моделированию процессов деаэрации ведутся в ИГЭУ (В.П. Жуков, Е.В. Ба-рочкин. В.Н. Виноградов, И.А. Шатова)
В ряде опубликованных работ широкое распространение получило статистическое описание процессов деаэрации; при этом на основании соответствующих экспериментальных исследований разрабатываются многофакторные модели для деаэратора в целом. Такой путь имеет существенный недостаток: при внесении изменений в конструкцию деаэратора требуются повторные экспериментальные исследования и разработка новых статистических моделей. Кроме того, такие модели не могут применяться при выполнении различных поисковых работ: оптимизации технологической схемы, нахождении оптимальных значений режимных параметров при изменении условий эксплуатации.
Наиболее предпочтительными в этом случае являются математические модели технологических процессов, реализуемых в отдельных элементах струйно-барботажных деаэраторов атмосферного давления. При наличии вариантов конструктивного исполнения таких деаэраторов, все они состоят из струйных отсеков, затопленных и незатопленных барботажных устройств. Однако существующая база методов расчета струйных и барботажных элементов деаэраторов не позволяет с требуемой адекватностью описать реализуемые в них технологические процессы во всем диапазоне изменения регулируемых и контролируемых параметров. Методики расчета некоторых применяемых в практике элементов деаэраторов отсутствуют, также как и опубликованные экспериментальные данные, характеризующие их работу.
Отсутствие методик, обеспечивающих требуемую точность расчета с определением значений всех интересующих параметров, приводит к увеличению сроков проведения режимио-наладочных испытаний деаэрационньтх установок и объема проводимых опытов, что влечет за собой значительные издержки. Из-за неясности влияния на процессы деаэрации отдельных режимных факторов режимно-наладочные испытания часто проводится в сокращенном объеме, что не позволяет получить развернутую информацию об эффективности деаэратора.
На ряде предприятий деаэрационные установки находятся в стадии реконструкции, модернизации или полной замены. Однако предпроектные проработки технологических решений и проектные расчеты аппаратов ведутся с использованием недостаточно точных методик, отсутствуют соответствующие алгоритмы и программные комплексы, что приводит к появлению технологических ошибок
уже в начале жизненного цикла деаэрационных установок.
. 6
Таким образом, выяснение влияния на эффективность деаэрации в целом отдельных параметров работы деаэраторов струйно-барботажного типа атмосферного давления, разработка алгоритмов расчета реализуемых в струйных и барботажных элементах этих деаэраторов технологических процессов и совершенствование на их основе эксплуатации таких деаэраторов являются актуальными задачами энергетики.
Цель работы состоит в повышении эффективности обескислороживания воды в термических деаэраторах струйно-барботажного типа атмосферного давления на основе совершенствования режимов их эксплуатации.
Здесь и далее под критерием повышения эффективности работы деаэратора или отдельных его элементов понимается уменьшение остаточной концентрации растворенного кислорода в деаэрированной воде С2 при одном и том же значении концентрации кислорода в исходной воде С\. Под эффектом десорбции кислорода (эффектом обескислороживания) понимается измеряемая в процентах величина (С,-С2)-100/С,.
Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:
проведение в производственных условиях экспериментальных исследований работы деаэраторов ДСА-300 и ДА-300м при использовании современных приборов теплотехнического и химического контроля с целью получения опытных данных, характеризующих работу отдельных элементов этих деаэраторов;
разработка на основе полученных экспериментальных данных математических моделей процессов нагрева воды и десорбции из неё растворенного кислорода, реализуемых в отдельных струйных и барботажных элементах деаэраторов;
проведение расчетных исследований работы деаэраторов типа ДСА и ДА при изменении параметров, характеризующих режим их эксплуатации, с выборочным проведением наблюдений для моделируемых условий с целью получения количественных характеристик влияния режимных и конструктивных параметров на эффективность деаэрации;
разработка рекомендаций по совершенствованию работы струйно-барботажных деаэраторов атмосферного давления.
Научная новизна работы состоит в следующем:
Получены новые экспериментальные данные, характеризующие протекание процессов нагрева воды и десорбции из неё растворенного кислорода раздельно в струйных и барботажных элементах деаэраторов атмосферного давления типов ДСА и ДА.
Получены критериальные уравнения для расчета процессов нагрева воды и десорбции из неё растворенного кислорода в струйных отсеках деаэраторов атмосферного давления при струйно-капельном гидродинамическом режиме работы этих отсеков.
Выполнена идентификация выведенных ранее в общем виде критериальных уравнений С.С. Кутателадзе и В.А. Зысина для расчета процессов нагрева воды и десорбции из неё кислорода на непровальных барботажных листах в деаэраторах атмосферного типа при недогреве воды до температуры насыщения на входе в лист не более 8 С.
Для затопленного барботажного устройства, представляющего собой одиночный перфорированный коллектор на дне деаэраторного бака, получены новые экспериментальные данные об эффективности обескислороживания воды при изменении удельного расхода пара на барботаж в широком диапазоне.
Достоверность полученных результатов обусловлена:
организацией экспериментальных исследований с учетом требований отраслевых нормативных документов, государственных и международных стандартов в области метрологии, теплотехнического и химического контроля;
применением стандартизированных методов измерений и методов обработки экспериментальных данных, использованием поверенных средств измерений;
проведением экспериментальных исследований в условиях промышленной эксплуатации методом активного эксперимента с выборочным дублированием опытов, сопоставлением полученных данных с результатами наблюдений других объектов, а также опубликованными экспериментальными данными других авторов.
Практическая ценность достигнутых результатов заключается в следующем:
Получены новые экспериментальные данные, характеризующие эффективность работы струйных и барботажных элементов деаэраторов ДСА-300 и ДА-300м, в том числе, барботажного устройства, представляющего собой одиночный перфорированный коллектор на дне деаэраторного бака.
Получены уточненные количественные характеристики влияния на эффективность обескислороживания воды в струйно-барботажных деаэраторах атмосферного давления режимных параметров: температуры и расхода исходной воды, удельного расхода выпара, уровня воды в деаэраторном баке, удельного расхода пара на барботаж в деаэраторном баке, концентрации кислорода в исходной воде.
Показана возможность использования моделей технологических процессов деаэрации для расчета основных режимных характеристик деаэраторов в ходе их режимно-наладочных испытаний, а также для оперативного контроля технического состояния деаэраторов в ходе их эксплуатации.
Разработаны мероприятия по совершенствованию режимов работы струйно-барботажных деаэраторов атмосферного давления.
Обоснована целесообразность использования режимов работы деаэраторов, оборудованных барботажным устройством деаэраторного бака, при подаче в них только барботажного пара; описана технология применения таких режимов и приведены результаты их практического внедрения.
Реализация результатов работы. Результаты работы (данные натурных испытаний деаэраторов, их режимные характеристики, алгоритмы и компьютерные программы по расчету деаэраторов) использованы в ходе режимно-наладочных испытаний четырех деаэраторов ДСА-300 и двух деаэраторов ДА-300м участка хим-водоочистки теплосилового цеха, двух деаэраторов ДСА-200 мартеновского цеха, трех деаэраторов ДА-100 энерготехнологического участка стана «2800», четырех деаэраторов ДСА-200 энерготехнологического участка стана «2000», двух деаэраторов ДА-50 машинного зала теплосилового цеха ОАО «Северсталь»; деаэратора ДСА-75 подпитки тепловой сети филиала ОАО «ОГК-3» «Костромская ГРЭС»; деаэратора ДСА-200 Ивановской ТЭЦ-1 ОАО «Ивановская генерирующая компания», а также переданы ОАО «Тепломонтажналадка», где используются при проектировании и наладке атмосферных деаэрационных установок. Реализация резуль-
татов работы подтверждена тремя актами внедрения. Результаты работы использованы в учебном процессе ИГЭУ при подготовке учебно-методического пособия «Выбор основного и вспомогательного оборудования ТЭС» и в читаемом диссертантом курсе лекций «Энергосбережение в теплоэнергетике и теплотехнологиях». Автор защищает
методику и результаты экспериментальных исследований технологических процессов, реализуемых в струйных и барботажных элементах деаэраторов ДСА-300 и ДА-300м;
критериальные уравнения для расчета процессов нагрева воды и десорбции из нее кислорода в струйных отсеках деаэраторов атмосферного давления при струйно-капельном гидродинамическом режиме их работы;
- параметры идентификации критериальных уравнений С.С. Кутателадзе
и В.А. Зысина для расчета процессов нагрева воды и десорбции из неё кислорода
на непровальных барботажных листах в деаэраторах атмосферного типа при недог-
реве воды на входе в лист до температуры насыщения до 8 С;
характеристики эффективности обескислороживания воды в деаэраторном баке с затопленным барботажным устройством типа одиночного перфорированного коллектора на дне деаэраторного бака;
результаты расчетно-экспериментальных исследований влияния режимных параметров на эффективность десорбции из воды кислорода и разработанные на их основе рекомендации по совершенствованию режимов работы струйно-барботажных деаэраторов атмосферного давления.
Личное участие автора в получении результатов диссертационной работы состоит:
- в разработке методики, организации и проведении экспериментальных ис
следований деаэраторов ДСА-300 и ДА-300м в условиях промышленной эксплуа
тации;
проведении расчетного анализа применимости существующих моделей тепломассообмена в отношении отдельных элементов струйно-барботажных деаэраторов атмосферного давления;
получении критериальных уравнений для расчета процессов нагрева воды и десорбции из неё кислорода в струйных отсеках атмосферных деаэраторов при струйно-капельном гидродинамическом режиме работы этих отсеков;
идентификации критериальных уравнений С.С. Кутателадзе и В.А. Зысина для расчета процессов нагрева воды и десорбции из неё кислорода на непровальных барботажных листах в деаэраторах атмосферного типа при недогреве воды на входе в лист до температуры насыщения не более 8 С;
проведении анализа эффективности обескислороживания воды при изменении параметров работы деаэраторов типов ДСА и ДА;
разработке рекомендаций по совершенствованию режимов работы и конструктивного исполнения струйно-барботажных деаэраторов атмосферного давления.
Апробация работы. Основные результаты опубликованы и обсуждались на 14-и конференциях, в том числе девяти международных: Международной научной конференции «Энерго-ресурсосберегающие технологии и оборудование, экологически безопасные производства» (Иваново, 2004 г.); Международных научно-технических конференциях «Состояние и перспективы развития энерготехнологии» XII, XIII и XIV Бенардосовские чтения (Иваново, 2005, 2006 и 2007 г.); XI и XII Международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, 2005 и 2006 г.); XVIII Международной конференции «Математические методы в технике и технологиях ММТТ-18» (Казань, 2005); XX Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-20» (Ярославль, 2007); III Молодежной международной научной конференции «Тинчуринские чтения» (Казань, 2008); V Российской научно-технической конференции «Энергосбережение в городском хозяйстве, энергетике, промышленности» (Ульяновск, 20-21 апр. 2006 г.); IV Межрегиональной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Информационные технологии, энергетика и экономика», (Смоленск, 2007); Региональной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Электромеханика» (Иваново, 2006); Региональных научно-технических конференциях студентов и аспирантов «Теплоэнергетика» (Иваново, 2007 и 2008).
Список публикаций. Основные положения диссертации опубликованы в 28 работах, в том числе в 7 статьях по списку ВАК, 14 полных текстах докладов, 6 тезисах докладов, а также одном учебно-методическом пособии.
Содержание и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения по работе, списка использованных источников из 142 наименований и трех приложений. Диссертация включает 48 рисунков, 13 таблиц (в основном тексте диссертации). Общий объем работы составляет 226 стр. машинописного текста, в том числе 35 стр. - приложения.
/
Автор считает своим долгом выразить глубокую благодарность научному руководителю д.т.н., профессору В.П. Жукову, к.т.н., доценту В.Н. Виноградову и к.т.н., доценту Е.В. Барочкину за критический анализ рукописи диссертации, ценные советы по представлению материала и помощь в организации и проведении экспериментальных исследований, аспирантам Д.Г. Денисову, И.В. Степину, инженеру П.Г. Михееву за участие в экспериментальных работах, а также коллективам кафедр прикладной математики и тепловых электростанций ИГЭУза помощь в подготовке диссертации к защите.
Физико-химические основы термической десорбции из воды растворенного в ней кислорода
Собственно дегазация воды представляет собой один из видов абсорбционного процесса, заключающийся в переносе веществ (газов) из жидкой фазы (воды) в газовую (паровую) фазу и называемый десорбцией [1-4, 38, 39]. При этом удаление из раствора газа, не вступающего в химические реакции с его компонентами, носит название физической десорбции (случай десорбции из воды растворенного в ней кислорода). В случае наличия химических связей между газом и компонентами раствора процесс удаления этого газа называется хемосорбцией-десорбцией (случай удаления из воды углекислоты) [2, 38, 40]. Во всех случаях перенос компонента из одной фазы в другую обусловлен разностью химических потенциалов его в обеих фазах [38-42].
Процессы абсорбции и десорбции обратимы. Направление движения массы зависит от того, в какую сторону от состояния равновесия отклоняется состав газа и жидкости [2, 38-42]. Здесь следует заметить, что процессы абсорбции и десорбции идут параллельно и непрерывно (применительно к рассматриваемым условиям): состояние фазового равновесия, с точки зрения молекулярно-кинетической теории, соответствует равенству скоростей процессов абсорбции и десорбции [2, 4, 38, 39]. Тем не менее, если скорость процесса десорбции некоторого газа из водного раствора выше, чем скорость процесса абсорбции этого же газа водой, говорят о десорбции как о результирующем процессе.
Различают статику и кинетику десорбции (абсорбции). Статика десорбции (абсорбции) есть равновесие между жидкой и газовой фазами, которое устанавливается при очень длительном их соприкосновении (при неизменных давлении и температуре системы). Равновесие между фазами определяется термодинамическими свойствами компонентов и, в конечном итоге, составом одной из фаз, температурой и давлением. Кинетика десорбции выражается в скорости процесса массо-переноса и определяется степенью отклонения системы от равновесного состояния, свойствами компонентов и способом организации соприкосновения фаз [4, 38].
Статика процесса деаэрации (или десорбции и абсорбции) некоторого газового компонента может быть описана константой фазового равновесия (иначе - коэффициентом распределения), представляющей собой отношение концентрации газа в газовой фазе к его концентрации в жидкой фазе. В общем случае константа фазового равновесия зависит от давления и температуры системы, уровня концентрации компонента в жидкости и в большинстве случаев определяется опытным путем [4, 38, 39]. В зависимости от способа выражения состава фаз (концентраций) константа фазового равновесия может быть выражена различными величинами. Существуют соответствующие таблицы пересчета [38, 39].
В условиях энергетических объектов массовые концентрации (далее концен-трации) кислорода в воде не превышают 15 мг/дм . В этом случае водные растворы этих газов могут считаться бесконечно разбавленными [2, 4, 40]. При описании статики десорбции для таких растворов применим закон Генри, выражаемый, например, зависимостью вида [2, 4, 38, 39]: р = трчх, (1.1) где р - парциальное давление газа над раствором; х - молярная доля газа в растворе; гПрХ - константа фазового равновесия, называемая в этом случае коэффициентом Генри и имеющая размерность давления.
Коэффициент Генри определяется только температурой раствора и не зависит от количественного состава фаз и общего давления системы [2, 4]. Необходимо учитывать, что закон Генри полностью справедлив для идеальных растворов газов. Бесконечно разбавленный раствор газа может считаться идеальным только в случае, если газ не образует химических связей с растворителем (например, случай растворения кислорода в воде). Если же газ в растворе находится в химически связанном состоянии (к примеру, случай растворения в воде диоксида углерода), закон Генри описывает состояние системы в первом приближении и тем точнее, чем меньше концентрация газа в воде [38-41].
Числовые значения коэффициентов Генри для систем «кислород - вода» и «диоксид углерода - вода», при температурах от 0 до 120 С, взятые из различных источников [2-4, 38, 39] приведены в табл. 1.1.
Как видно из табл. 1.1, в комплексе значений коэффициентов Генри присутствует ряд неоднозначностей. Поскольку отличия в значениях коэффициентов Генри не систематичны, а также учитывая, что в системах отсутствуют скачкообразные изменения, связанные с качественными превращениями, для приведения данных в согласование могут быть использованы графические методы интерполяции [42]. При этом нетрудно придти к выводу, что для обеих систем («кислород - вода» и «диоксид углерода - вода») наиболее вероятны значения коэффициентов Генри по данным [3, 4, 39].
Существующие модели и методы расчета процессов тепломассообмена, реализуемых в атмосферных деаэраторах струйно-барботажного типа
Имеющиеся на сегодняшний день опубликованные данные о режимах работы струйных отсеков базируются, в основном на результатах исследований, проведенных ВТИ и ЦКТИ. В результате исследований атмосферных деаэрационных колонок струйного типа с пятью перфорированными тарелками были выявлены три основных гидродинамических режима их работы [2-4].Первый режим имеет место при относительно небольшой скорости парового потока в колонке (до 5 м/с при атмосферном давлении). Вода, вытекая из отверстий перфорированных тарелок, образует сплошные струи. При длинах этих струй до 300 мм они не распадаются на капли. Заметного срыва паровым потоком капель с поверхности струй не наблюдается. При увеличении скорости парового потока более 5 м/с (при атмосферном давлении) наступает второй, струйно-капельный, режим течения воды в деаэрационной колонке. При этом суммарная площадь поверхности контакта фаз заметно увеличивается. Дальнейшее увеличение скорости парового потока приводит к возникновению третьего, капельного, гидродинамического режима работы деаэрационной колонки. При этом становится возможной сепарация воды и её частичная рециркуляция: капли воды захватываются паровым потоком и увлекаются им в верхнюю часть колонки. Это приводит к переполнению тарелок деаэрационной колонки и переливу воды через их борта. Такой гидродинамический режим часто сопровождается гидравлическими ударами, уносом воды по трубопроводу выпара деаэратора. Этот режим назван режимом «захлебывания» колонки. Аналогичные режимы могут возникать и при относительно небольших тепловых нагрузках деаэрационной колонки, значительная часть отверстий перфорированных тарелок которой загрязнена [3].
В опытах ВТИ выявлено также, что предельная гидравлическая нагрузка деаэратора определяется не только скоростями парового потока в струйных отсеках деаэрационной колонки, но и длиной струй (расстоянием между тарелками): чем больше длина струй, тем лучше сепарация влаги, увлеченной паром [4].
Математическое описание результатов исследований включают ряд расчетных зависимостей, позволяющих выполнить оценку гидродинамической ситуации в струйном отсеке атмосферного деаэратора. При этом противоречий в комплексе этих зависимостей нет, и, следовательно, они могут быть рекомендованы к использованию.
Факторами, определяющими распад сплошной свободной струи на капли, являются её начальная турбулентность и диаметр. Для случая омывания струи воды паром к указанным факторам добавляются свойства воды и пара и их относительная скорость [4].
Для случая струйно-капельного и капельного режимов течения воды в струйном отсеке экспериментально обоснованные расчетные выражения отсутствуют. При анализе таких режимов рекомендуется [2-4] применять уравнения для расчета капельных (форсуночных) деаэраторов. Однако ввиду отличий начальных условий формирования капель в этих деаэраторах и деаэраторах струйного типа, эти уравнения приводят к значительным неточностям.
Исследования струйных деаэрационных колонок атмосферного давления, выполненные ЦКТИ [2-4], показали, что на распределение нагрева воды по отсекам существенное влияние оказывает температура выпара деаэратора (или его расход). При достаточно высокой температуре выпара (около 95 С) основной нагрев воды приходится на первый струйный отсек, на выходе из которого, вне зависимости от температуры воды на входе в деаэратор, вода практически достигает состояния насыщения. При понижении температуры (расхода) выпара происходит торможение процесса теплообмена между паровоздушной смесью и водой в верхних отсеках колонки, что объясняется повышением в них парциального давления неконденсирующихся газов. В этом случае основной нагрев воды приходится на нижние струйные отсеки [2-4]. Кроме того, было установлено, что температура греющего пара практически не влияет на процесс теплообмена. По результатам этих и других исследований опубликован ряд расчетных зависимостей, описывающих процесс нагрева воды в струях при контакте их с паровым потоком.
Характеристика объектов экспериментальных исследований
В качестве объектов экспериментальных исследований выбраны атмосферные деаэраторы двух наиболее распространенных конструкций: деаэратор типа ДСА (модель ДСА-300) с чисто струйной колонкой и затопленным барботажным устройством в деаэраторном баке и современный деаэратор типа ДА-м (модель ДА-300м), имеющий струйную и барботажную ступень в деаэрационной колонке и дополнительное барботажное устройство в деаэраторном баке.
Деаэратор ДСА-300 является противоточным двухступенчатым термическим атмосферным струйно-барботажным деаэратором. Первая струйная ступень деаэрации расположена в деаэрационной колонке (рис. 2.1). Вторая барботажная ступень деаэрации размещена в водяном объеме деаэраторного бака (рис. 2.2).
Химочищенная вода, подогретая до заданной температуры, подается в кольцевое смесительное пространство 1, образованное стенками деаэрационной колонки, верхней струеобразующей тарелкой 2 и ее кольцевым порогом 3. Последний имеет боковые прорези, равномерно распределяющие воду по верхней тарелке. Перфорированная часть верхней струеобразующей тарелки 2 ограничена двумя кольцевыми порогами: высоким (высотой 350 мм) переливным 3 и низким (паро-перепускной горловиной) 4 (высотой 150 мм). В ней имеется 3 815 отверстий с диаметром 6 мм, расположенных в шахматном порядке. Расстояние между отверстиями равны 18 мм. ДСА-300: 1 - кольцевое смесительное пространство; 2 - тарелка верхняя струеобразующая; 3 - кольцевой порог высокий верхней тарелки; 4 - кольцевой порог низкий верхней тарелки; 5 - тарелка нижняя сливная; 6 - переливной порог сливной тарелки; 7 - брызгоотбойный конус; 8 - штуцер отвода выпара; Y - отбор пробы воды (пара) для лабораторного контроля; - - - точка контроля теплотехнических и химических параметров: G - расхода (объемного, массового), t - температуры, р - давления, Щ0 - щелочности общей, 33 - удельной электропроводности, Со2 - концентрации растворенного кислорода
Стекая через отверстия тарелки 2, вода падает на нижнюю сливную тарелку 5, которая имеет наружный кольцевой переливной порог 6. Далее вода стекает с этой тарелки в водяной объем деаэраторного бака и движется в сторону патрубка 9 отвода деаэрированной воды. При этом поступательном движении вода протекает над барботажным коллектором 10 и обрабатывается барботажным паром. Греющий пар подводится к деаэратору двумя потоками. Первый регулируемый поток 11 (основной пар) введен в паровой объем деаэраторного бака. Второй регулируемый поток пара 12 (барботажный пар) введен в водяной объем деаэраторного бака через барботажный коллектор 10. Паровые потоки объединяются в надводном пространстве и движутся в сторону деаэрационной колонки. В ней пар омывает потоки воды, падающие с тарелок. Выпар проходит пароперепускную горловину 4, огибает брызгоотбойный конус 7 и отводится из деаэрационной колонки через штуцер 8 в атмосферу (индивидуальный охладитель выпара деаэратора отсутствует).
Деаэраторный бак оборудован уровнемерным устройством 16, имеет трубопроводы подключения к паровой 13 и водяной 14 уравнительным линиям, дренажный трубопровод 15.
Деаэратор ДА-300м имеет более сложную конструкцию (рис. 2.3 - 2.5). В деаэраторе применена трехступенчатая схема деаэрации. Первая ступень, струйная, и вторая ступень, барботажная, размещены в деаэрационной колонке. Третья ступень, барботажная, размещена в водяном объеме деаэраторного бака. Особенностью деаэратора в сравнении с его заводским исполнением является отсутствие подачи пара в барботажный коллектор деаэрационной колонки, что несколько облегчает эксплуатацию.
Потоки воды, подлежащей деаэрации, подаются в деаэрационную колонку по трубопроводам 1 и 2 в смесительный колодец 3 и из него на струеобразующую тарелку 4. На тарелке имеется два порога. Первый по ходу воды порог имеет меньшую высоту и служит для создания подпора воды с целью струеобразования при низких гидравлических нагрузках (первый струйный поток). Вторая часть струеобразующей тарелки включается в работу при увеличенной гидравлической нагрузке деаэратора: вода переливается через первый порог и попадает на вторую часть струеобразующей тарелки (второй струйный поток). Подпор воды над струе-образующими отверстиями в данном случае создается бортом струеобразующей тарелки 5.
Анализ данных о теплообмене и десорбции кислорода в струйных отсеках деаэраторов и разработка их математических моделей
Полученные в ходе предварительных расчетов данные позволяют выполнить расчеты процессов нагрева воды и десорбции растворенного кислорода из неё применительно к струйным отсекам деаэраторов с использованием существующих моделей. Подробное описание этих моделей приведено в главе 1 настоящей работы. На данном этапе не принимаются во внимание ограничения использования каждой из моделей, поскольку цель состоит в определении их применимости в конкретных экспериментальных условиях. Используются формулы (1.21-1.26) для расчета теплообмена и формулы (1.30-1.34) для расчета десорбции кислорода. При этом из рассмотрения исключены опыты, в которых ранее расчетным путем определен перелив воды через борт струеобразующей тарелки (опыты № 7Б и 14Б для деаэратора ДА-300м), а также опыты, в которых измерение остаточной концентрации ки слорода отсутствовало или признано ненадежным (опыты № 1-2, 4-6 и 1Б для деаэратора ДСА-300; опыты № 4, 9Б и 10Б для деаэратора ДА-300м). Сопоставление результатов расчета и опытных данных выполнено на рис. 3.4 и 3.5 (в целом по всем струйным отсекам двух исследуемых деаэраторов).
Сопоставление экспериментальных данных и результатов расчета температуры воды на выходе струйных отсеков деаэраторов ДСА-300 и ДА-300м: t3 и tp - соответственно экспериментальное и расчетное значения температуры воды на выходе струйного отсека; сплошная линия - окончательные результаты измерения температуры воды на выходе струйного отсека; пунктирные линии - верхняя и нижняя границы 95 % - го доверительного интервала погрешности измерения температуры воды на выходе струйного отсека; о - критериальное уравнение ЦКТИ для регенеративных подогревателей турбоустановок; 0 - модель А.А. Захарова, Р.Г. Черной; - модель С.С. Кутателадзе, В.М. Боришанского; Д - модель М.П. Белоусова. Примечание: при выполнении расчетов не учитываются заявленные авторами ограничения применимости разработанных ими моделей
Точность расчета по существующим моделям оценена по значениям остаточной дисперсии для всего комплекса данных. Среднеквадратическое отклонение, рассчитанное по остаточной дисперсии, для моделей теплообмена составило: 10,0 С (критериальное уравнения ЦКТИ для регенеративных подогревателей турбоустановок); 9,5 С (модель А.А. Захарова, Р.Г. Черной); 11,3 С (модель С.С. Ку- тателадзе, В.М. Боришанского); 7,1 С (модель М.П. Белоусова). Для моделей десорбции кислорода из воды получены следующие значения среднеквадратического отклонения: 1844 мкг/дм3 (критериальное уравнения ЦКТИ); 2999 мкг/дм3 (модель А.А. Захарова, Р.Г. Черной); 1952 мкг/дм (модель С.С. Кутателадзе, В.М. Боришанского); 1163 мкг/дм3 (модель ЦКТИ).
Таким образом, ни одна из существующих моделей не дает приемлемых результатов: обладающая наибольшей адекватностью модель теплообмена М.П. Белоусова приводит к неточностям в расчете температуры на выходе струйных отсеков, превышающей погрешность измерения этой температуры более чем в 10 раз. Относительно моделей десорбции кислорода ни одну из рассмотренных моделей выделить нельзя: все они характеризуются низкой точностью.
Необходим анализ причин полученных расхождений, поскольку, например, модели А.А. Захарова, Р.Г. Черной и модели С.С. Кутателадзе, В.М. Боришанского давали вполне точные решения при обработке опытов на струйных колонках, выполненных И.В. Васильевым [78].
Конечно, условия многих опытов, проведенных нами, не позволяют применять рассматриваемые модели ввиду ограниченности их области применения (см. главу 1). Однако тщательный анализ полученных результатов показывает, что основной причиной полученных расхождений является гидродинамический режим работы струйных отсеков современных деаэраторов. Поясним этот вывод.
Все анализируемые модели процессов теплообмена в струйных отсеках построены на совместном анализе условий теплообмена и гидродинамики. При этом анализ гидродинамической ситуации в струйном отсеке выполняется на основании известных уравнений (1.15-1.20, 1.27-1.29) и сомнениям в опубликованных данных не подвергается. Между тем, параметры потока воды, особенно средняя длина сплошной части струй, в значительной степени влияют на расчетные характеристики процесса тепломассообмена в системе «вода - водяной пар». Рассматриваемые модели тепломассообмена и параметры их идентификации получены авторами в ходе экспериментальных исследований чисто струйных режимов работы деаэра-ционных колонок, включая лабораторные стенды [1—4, 78] и по этой причине не в полной мере учитывают гидродинамические условия протекания процессов в промышленных аппаратах. Сколько-нибудь обоснованные модели тепломассо 111 обмена для капельного и струйно-капельного режимов течения воды в струйных отсеках отсутствуют. При расчете таких режимов рекомендуется использовать модели для капельных (форсуночных) деаэраторов [1-4]. При этом совершенно ясно, что условия протекания процессов после свободного распада струи на капли отличаются от условий, реализуемых в капельных аппаратах, хотя бы потому, что энергия, сообщаемая капле в капельном деаэраторе значительно больше энергии капли, образовавшейся после свободного распада струи в струйном отсеке.
Главное отличие современных деаэраторов от испытанных авторами рассматриваемых моделей состоит в следующем. Стремление сократить высоту де-аэрационной колонки и использование барботажных устройств привели к значительному уменьшению числа струйных отсеков деаэрационных колонок (к примеру, А.А. Захаров и Р.Г. Черная работали с аппаратом, имеющим пять струйных отсеков; число струйных отсеков современных деаэраторов редко превышает два). Такие изменения увеличивают тепловую нагрузку каждого струйного отсека, что приводит к увеличению средних скоростей пара в них. Кроме того, уменьшение габаритов при той же производительности колонки приводит к уменьшению шага между отверстиями. Все это влияет на гидродинамические условия протекания процессов: в таких условиях организовать чисто струйный режим течения воды по всей высоте отсека практически не возможно, особенно при относительно больших гидравлических нагрузках.
Гипотеза о практическом отсутствии чисто струйных режимов течения воды в струйных отсеках деаэратора (по всей высоте отсека) подтверждается экспериментальными данными других авторов. Так в результате исследований атмосферных деаэрационных колонок струйного типа с пятью перфорированными тарелками, выполненных ВТИ и ЦКТИ, были выявлены три основных гидродинамических режима их работы [1, 2, 3].
