Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и постановка задачи исследования 18
1.1. Физические основы механизма орто-парапревращения 18
1.2. Анализ основных работ по проблеме орто-парапревращения 25
1.3. Процессы при охлаждении криогенных жидкостей 45
1.3.1. Способы охлаждения криогенных жидкостей 45
1.3.2. Теплообмен в процессах охлаждения жидкостей, осложненный образовавшейся твердой фазой теплоносителя 52
1.3.3. Влияние свободной конвекции на гидродинамическую картину течения потока и на интенсивность процесса теплообмена 63
1.4. Принцип работы генератора озона и способы получения озона. Применение низких температур в процессах получения озона 74
1.4.1. Озон - перспективный окислитель для основных технологических процессов 74
1.4.2. Механизм образования озона, принцип работы генератора озона 77
1.4.3. Применение низких температур в процессе получения озона 81
1.5. Обзор существующих конструкций генераторов озона с барьерным разрядом 85
1.6. Влияние технологических и конструктивных параметров генератора озона на выход озона. 92
1.6.1. Влияние состава рабочего газа на выход озона 92
1.6.2. Влияние величины разрядного промежутка диэлектрического барьера, частоты питающего напряжения и системы охлаждения электродов на выход озона 99
2. Исследование процессов орто-параконверсии в аппаратах установок ожижения водорода 107
2.1. Математическое моделирование процесса адиабатической орто-
параконверсии 108
2.1.1. Процесс адиабатической орто-параконверсии для линейного приближения равновесной кривой 108
2.1.2. Адиабатическая орто-параконверсия на высокоактивных катализаторах 111
2.1.3. Процесс адиабатической орто-параконверсии при переменной активности катализатора 115
2.2. Математическое моделирование процесса изотермической орто-параконверсии 117
2.3. Моделирование процесса политермической орто-параконверсии 122
2.3.1. Решение задачи для общего случая 122
2.3.2. Нахождение условий работы аппаратов непрерывной орто-параконверсии в квазиравновесном режиме 125
2.4. Экспериментальное исследование процесса орто-параконверсии в полупромышленных условиях 131
2.4.1. Экспериментальная установка 131
2.4.2. Экспериментальное исследование процесса политермической орто-параконверсии 137
2.4.3. Экспериментальное исследование процесса адиабатической орто-параконверсии 144
2.4.4. Экспериментальное исследование процесса изотермической орто-параконверсии 147
2.5. Основные результаты промышленных испытаний аппарата политермической конверсии и перспективы улучшения конструктивно-технических показателей 151
2.6. Основные положения методики расчета аппаратов орто-параконверсий 156
3. Исследование процесса теплообмена при охлаждении жидкого кислорода до температуры близкой к температуре тройной точки 165
3.1. Исследование процесса теплообмена в модельных условиях на системе "вода-воздух" 165
3.1.1. Экспериментальная установка. Методика проведения эксперимента и обработки экспериментальных данных 165
3.1.2. Визуализация процесса образования льда 171
ЗЛ .3. Результаты исследования теплообмена и гидравлического сопротивления 177
3.1.4. Анализ математического моделирования процесса теплообмена при поперечном обтекании "чистого" пучка труб 180
3.1.5. Результаты исследования процесса теплообмена при различной ориентации модели в поле сил тяжести и с дополнительным межтрубным перемешиванием потока 184
3.2. Исследование процесса теплообмена в модельных условиях на системе "жидкий кислород-гелий" , LS9
3.2.1. Экспериментальный стенд. Модельный теплообменник. Приборы и измерения. Методика проведения эксперимента 189
3.2.2. Анализ особенностей теплофизических свойств кислорода вблизи температуры тройной точки 196
3.2.3. Результаты исследования теплообмена и гидравлического сопротивления 199
3.3. Модель теплообменника с наличием твердой фазы теплоносителя в межтрубном пространстве, Методика расчета и рекомендации по повышению эффективности 202
3.3.1. Квазистационарное приближение. Модель теплообменника с равномерно обмерзшим пучком трубок 202
3.3.2. Сопоставление результатов численного решения с экспериментальными данными. Граница применимости модели равномерного обмерзания 205
3.3.3. Методика расчета теплообменников и рекомендации по повышению их эффективности 209
3.4. Исследование теплообменника-охладителя в промышленных условиях 211
3.4.1, Назначение и основное оборудование системы охлаждения кислорода 212
3.4.2. Методика проведения промышленных испытаний и обработки экспериментальных данных 217
3.4.3. Основные результаты промышленных испытаний 219
3.5. Некоторые следствия из решения задач по охлаждению жидкого
кислорода до температуры близкой к температуре тройной точки 229
4. Разработка и исследов ание опытно-промышленного генератора озона 232
4/1. Разработка и исследование пластинчатых электродов 232
4.1.1. Разработка технологии изготовления пластинчатых электродов 232
4.1.2. Исследование несущей способности пластинчатых электродов 238
4.1.3. Исследование "эластичных" свойств пластинчатых электродов 246
4.1.4. Исследование структуры диэлектрического покрытия 249
4.1.5. Визуализация картины течения охлаждающей жидкости во внутренней полости пластинчатого электрода 252
4.2. Разработка лабораторной установки и проведение исследований пластинчатых электродов 258
4.3. Разработка и исследование промышленного генератора озона с использованием в качестве рабочего газа воздуха 263
Заключение 273
Список литературы
- Процессы при охлаждении криогенных жидкостей
- Процесс адиабатической орто-параконверсии для линейного приближения равновесной кривой
- Экспериментальная установка. Методика проведения эксперимента и обработки экспериментальных данных
- Исследование несущей способности пластинчатых электродов
Введение к работе
Актуальность темы диссертации обусловлена расширяющимся применением в индустриально развитых странах жидкого водорода, кислорода, а в последние годы озона для реализации экологически чистых процессов в основных отраслях промышленности, обеспечивающих ускоренный прогресс общества.
Одной их важнейших особенностей водорода, кислорода и озона является их экологическая нейтральность: процессы, в которых они участвуют, являются, как правило, экологически чистыми. Применение кислорода и озона, например, для отбеливания целлюлозы взамен хлора, очистки жидких радиоактивных отходов, рециклинга отработанных автомобильных покрышек и многое другое позволяют надеяться, что природа - будет в определенной степени защищена.
Применение водорода в качестве топлива в авиации, ракетно-космической технике и на автомобильном транспорте сдерживается высокой стоимостью получения жидкого водорода по сравнению с традиционными топливами. Одной из особенностей технологии получения жидкого параводорода является процесс орто-парапревращения, сопровождающийся выделением теплоты за счет переориентации ядерных спинов, энергетические затраты на который могут составлять до 30 % всех затрат на ожижение. Очевидно, что рациональное проведение процесса орто-парапревращения является одним из определяющих факторов, влияющих на общую экономичность, поэтому необходимы проведение поисковых исследований, разработка методов расчета и создание эффективных и компактных аппаратов-конверторов.
Применение жидкого кислорода в ракетно-космической технике в значительной мере, определяется уровнем его охлаждения вплоть до температуры тройной точки. Охлаждение кислорода до температуры 57 К в процессе заправки космического корабля "Буран" осуществлялось за счет потока газообразного водорода с температурой 17 К с использованием промежуточного теплоносителя - гелия. Процесс охлаждения кислорода в теплообменном аппарате происходит в неординарных условиях, когда значительная величина теплообменной поверхности имеет температуру ниже температуры тройной точки кислорода (54,3 К), что предопределяет исследование закономерностей теплообмена и гидравлического сопротивления в этих условиях и поиск путей снижения негативного влияния образовавшейся твердой фазы.
Озон занимает особое место среди традиционно применяемых окислителей, отличаясь высокой реакционной способностью и нестойкостью. Применение озона способствует созданию экологически лояльных производств. Основными технологическими процессами, в которых применение озона технически и экономически оправдано, являются:
РОС НАЦИОНАЛЬНАЯ
БИБЛИОТЕКА |
СПетсрвург С/Л/Т
\ 09 тЧшш*/^ \
очистка (обеззараживание) питьевой воды;
очистка промышленных стоков (в металлургии, нефтепереработке, на целлюлозно-бумажных комбинатах, на автомойках и др.);
бесхлорное отбеливание целлюлозы;
переработка жидких радиоактивных отходов;
рециклинг изношенных автопокрышек.
Электросинтез озона в газовом барьерном разряде является единственной из известных реакций, происходящих с образованием озона из кислорода. Эта реакция эндотермична, ее тепловой эффект равен 142 кДж/моль, а молекула озона по сравнению с кислородом обладает значительным запасом внутренней энергии. Окислительные реакции с озоном возможны при нормальных давлениях и температурах.
В настоящее время генераторы для производства озона, созданные крупнейшими американскими и европейскими фирмами за все годы своего существования, представляют из себя- кожухотрубный теплообменный аппарат с прямыми трубами длиной до 3 метров, в которые установлены стеклянные трубы (в виде колб) со слоем алюминия на внутренней поверхности трубы. Зазор между стеклянной и металлической, трубами -составляет 0,7 - 2,0 мм. В одном аппарате производительностью 25-30 кг озона в час концентрацией 15-20 г03/м3 количество таких труб достигает 850 штук. Удельный выход озона с единицы поверхности составляет 0,8-1,2 г/ч-дм2. Появившаяся в последние годы новая технология "АТ-95", по которой вместо стеклянных устанавливают покрытые стеклоэмалью несколько коротких труб длиной 0,53 м, позволила увеличить этот показатель до 2,4 г/ч-дм2. Но, по-видимому, это тот предел, который невозможно преодолеть, т.к. при такой конструкции генератора- озона и электродов невозможно организовать внутреннее охлаждение электрода. Поэтому был необходим поиск новой конструкции электродов и на их основе новой конструкции генератора озона, которые бы обеспечили более высокий выход озона с единицы поверхности, что дает существенное уменьшение активной поверхности электродов и металлоемкости генератора озона.
Общим для процессов орто-параконверсии водорода, охлаждения кислорода до температуры близкой к температуре тройной точки и получения озона из кислорода (или воздуха) являются фазовые переходы на границе раздела взаимодействующих сред и экологическая значимость этих процессов. По этой причине такие разные по своей сути процессы объединены в данной работе.
Цель работы - Теоретическое и экспериментальное исследование процессов теплообмена с фазовыми- превращениями на рабочих поверхностях, разработка методов расчета аппаратов, основ их конструирования и создание промышленных образцов изделий низкотемпературной техники.
Для достижения поставленной цели необходимо было:
разработать теорию процесса орто-параконверсии водорода при различных способах его реализации в адиабатических, изотермических и политермических условиях, на основании которой установить взаимосвязь основных конструктивных и технологических параметров, обеспечивающих проведение процесса;
разработать методы расчета аппаратов орто-параконверсии и основы проектирования системы конверторов ожижителей водорода низкого, среднего и высокого давлений;
получить экспериментальные данные по локальному распределению температур и содержанию параводорода в аппаратах при различных методах реализации процесса орто-параконверсии;
изучить особенности теплообмена при охлаждении жидкости хладагентом, имеющим температуру на входе в аппарат ниже температуры тройной точки охлаждаемой жидкости; на основании проведенных исследований предложить эффективные решения реализации процесса;
разработать методику расчета аппаратов и определить условия, при которых влияние образовавшейся на разделительной поверхности твердой фазы минимально;
выявить закономерности конвективного теплообмена с учетом образовавшейся на поверхности раздела взаимодействующих сред твердой фазы;
установить взаимосвязь между характеристиками процесса получения озона и конструктивными параметрами системы электродов на основе представления об "идеальном" генераторе озона;
разработать оптимальную конструкцию электрода и блока электродов и провести исследования их гидравлических, прочностных и адгезионных характеристик;
создать и исследовать опытно-промышленный генератор озона, изготовленный с применением нетрадиционных технологий.
Научная новизна работы заключается в следующем:
развита теория процесса орто-параконверсии водорода при различных способах его реализации в адиабатических, изотермических и политермических условиях, на основании которых установлена взаимосвязь основных параметров, обеспечивающих проведение процесса в оптимальных условиях;
полученные теоретические результаты положены в основу создания методов расчета аппаратов орто-параконверсии и основ проектирования сложных систем орто-параконверсии для ожижителей водорода низкого, среднего и высокого давлений в интервале температур от 68 до 24 К;
получены новые экспериментальные данные по локальному распределению температуры и содержанию параформы в потоке водорода
высокого давления в реальном процессе его охлаждения в слое катализатора, которые подтвердили основные положения разработанной теории;
- впервые в мировой практике предложен способ охлаждения кислорода до
температуры близкой к температуре тройной точки (57 К) гелием высокого
давления, циркулирующим в замкнутом контуре и охлаждаемым потоком
газообразного водорода с температурой 17 К;
на основе результатов экспериментальных исследований процесса охлаждения модельной и реальной жидкостей хладагентом с температурой ниже температуры тройной точки показана возможность применения для расчетов аппаратов-охладителей .зависимостей по теплообмену и гадравлическому сопротивлению для пучков труб при величине комплекса GrPr2,75/Re2<12;
сформулировано представление об "идеальном" генераторе озона, позволившее выявить критические параметры и разработать на этой основе конструкцию промышленного генератора озона с предельно низкими массогабаритными показателями и более низкими затратами электроэнергии на получение одного килограмма озона.
Научная новизна работы подтверждена семью патентами РФ.
Практическая значимость и реализация результатов работы.
1. Впервые в отечественной практике на крупнотоннажном ожижителе водорода (агрегат 501М-1) реализован разработанный процесс политермической орто-параконверсии в интервале температур от 63 до 34 К при этом была достигнута проектная производительность ожижителя водорода, что обеспечило выполнение программы "Энергия-Буран".
2. Создана уникальная промышленная криогенная система охлаждения
кислорода с комплексным использованием криогенных продуктов, высокой
надежностью и малым энергопотреблением, включающая аппарат
непрерывного охлаждения кислорода, которая позволила обеспечить
заправку космического корабля "Буран" жидким кислородом с температурой
близкой к температуре тройной точки (57 К).
3. Разработаны и исследованы пластинчатые электроды генератора озона,
не имеющие аналогов, обеспечивающие высокую степень эквидистантности
разрядного промежутка длиной 0,5 мм, имеющие двусторонний
диэлектрический барьер и двустороннее охлаждение. Пластинчатые
электроды использованы при разработке уникального генератора озона
производительностью 25 кг озона в час, установленного на Восточной
водопроводной станции (г. Москва) для целей очистки питьевой воды.
Достоверность результатов исследований обеспечивалась:
применением аттестованных измерительных средств и апробированных методик измерения;
хорошей повторяемостью полученных результатов измерений;
соответствием полученных экспериментальных данных результатам
расчетов;
промышленными испытаниями и эксплуатацией созданного оборудования. На зашиту выносятся:
теоретические и экспериментальные исследования процесса орто-параконверсии в аппаратах адиабатического, изотермического и политермического типа; результаты исследований при различных методах его реализации с получением локальных данных о характере распределения температур и содержания параформы;
результаты реализации процесса орто-параконверсии на температурном уровне от 63 до 34 К в режиме политермической конверсии на крупнотоннажном ожижителе водорода 501М-1;
способ охлаждения жидкого кислорода до температуры близкой к температуре тройной точки по схеме комбинированного охлаждения;
экспериментальные данные по теплоотдаче и гидравлическому сопротивлению при течении в межтрубном пространстве теплообменника воды и жидкого кислорода в условиях фазового перехода на поверхности теплообмена;
результаты исследования гидродинамической обстановки за "чистым" пучком труб: распределение температуры по высоте канала без перемешивания и с дополнительным перемешиванием потока, количественное соотношение, обеспечивающее протекание процесса теплообмена в условиях равномерного намерзания твердой фазы на поверхности теплообмена;
результаты испытаний промышленной криогенной системы охлаждения жидкого кислорода до температуры 57 К с комплексным использованием криогенных продуктов;
экспериментальные результаты по исследованию характеристик разработанных пластинчатых электродов генератора озона;
- экспериментальные данные, полученные на лабораторном и опытно-
промышленном генераторах озона, оснащенных пластинчатыми
электродами новой конструкции.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на:
Всесоюзной конференции по стендовой отработке промышленных систем (Нижняя Салда, СССР, 1985);
Всесоюзной научной конференции "Научно-технические проблемы и достижения в криогенной технике" "Криогеника-87" (Москва, СССР,
1987);
- ГУ Всесоюзной конференции Электрические методы и средства
измерения температуры "Электрометрия-88" (Луцк, СССР, 1988);
Международной научно-практической конференции "Криогенная техника
науке и производству" "Криогеника-91" (Москва, РФ, 1991);
П-ом Минском международном форуме по тепло-массообмену (Минск, 1992);
1-ой Международной авиакосмической конференции "Человек - Земля -Космос" (Москва, РФ, 1992);
Международной Академии холода. Секция "Криогенная техника" (Москва, РФ, 1995); '
45-ой Всемирной выставке изобретений, исследований и новых промышленных разработок "BRUSSELS EUREKA-96";
Международной конференции по производству и применению озона для питьевых и сточных вод "ECWATECH-98" (Москва, РФ, 1998);
V Симпозиуме "Электротехника-2010" (Московская область, РФ, 1999);
Международном форуме "Энергетика и общество-2000" (Москва, РФ, 2000);
V Международном салоне промышленной собственности. Изобретения, промышленные образцы, товарные знаки "Архимед-2002" (Москва, 2002);
VII Симпозиуме "Электротехника 2010 год" (Московская область, РФ,
2003).
Личный вклад автора заключается в проведении теоретических и экспериментальных исследований, в разработке конструкции аппаратов для реализации процесса орто-параконверсии, теплообменника для охлаждения жидкого кислорода до температуры близкой к температуре тройной точки и генератора озона с пластинчатыми электродами и внедрении этих аппаратов в промышленные установки.
Все вошедшие в диссертационную работу результаты получены лично автором либо при его непосредственном участии. Работы, по материалам которых написаны разделы 2.3-2.4, 3.1-3.2, 4.3 выполнены с соавторами (А.М. Архаров, А.Л. Шуяков, В.Ю. Семенов, М.М. Пашин).
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 36 печатных работ, в том числе 2 книги и 7 патентов РФ.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, четырех глав, списка использованной литературы из 130 наименований. Работа изложена на 298 страницах машинописного текста, содержит 119 рисунков, 33 таблицы и 2 приложения.
Процессы при охлаждении криогенных жидкостей
Рассмотрением деления по признаку термического режима можно закончить классификацию общих принципов построения математических моделей химических реакторов. Более подробная систематизация, учитывающая частные особенности отдельных групп процессов и позволяющая предоставить конструктору готовые расчетные соотношения, вряд ли возможна ввиду огромного разнообразия химических соединений и методов ведения процессов.
Анализ известных информационных источников позволяет сделать следующие выводы: - на настоящий момент на базе теоретической физики разработана законченная теория, объясняющая существование двух молекулярных модификаций водорода. В достаточной степени исследованы физические свойства обеих модификаций и их смесей. Теоретически объяснены механизмы самопроизвольного и каталитического превращений. Существует обширный экспериментальный материал, подтверждающий правильность теоретических выводов; - достаточно полно исследован вопрос теории и практики применения катализаторов орто-параконверсии. Существует теория, объясняющая механизмы каталитического превращения и способная прогнозировать перспективы дальнейшей разработки катализаторов высокой активности. Исследованы механизмы активации, отравления и реактивации катализаторов. Имеется достаточный опыт промышленного использования катализаторов. Отечественной промышленностью освоен выпуск высокоактивных катализаторов; - вопросы методики расчета для промышленной реализации орто-парапревращения не нашли достаточного освещения в литературе; - наибольшее продвижение в этой области ограничивается численным решением описывающих процесс дифференциальных уравнений, что при многофакторной обусловленности не позволяет сделать достаточно полных обобщающих выводов. Аналитические же результаты исчерпываются решением дифференциального уравнения кинетики при условии постоянства равновесной концентрации, что применимо лишь в имеющем малое практическое значение способе проведения реакции. Традиционно сложившейся подход к процессу орто-параконверсии, как к равновесному, не учитывает сложной взаимосвязи кинетики и теплообмена; - причиной ограниченности представлений по рассматриваемому вопросу, является, очевидно, не типичность для криогенной техники процессов с химическими превращениями, а также специфика области преимущественного применения жидкого водорода, второстепенно учитывающая экономичность процесса; - обзор литературы, посвященный вопросу гетерогенно-каталитических превращений в химической промышленности, позволяет сделать вывод о малой вероятности удачного использования имеющегося в этой области опыта путем перенесения его на исследуемый процесс методами теории подобия. Число критериев, необходимое для описания химических процессов, велико, кроме того, при изменении масштаба реактора невозможно сохранить неизменными значения всех критериев, т.к. они по разному зависят от параметров процесса; - наиболее перспективным в современной химии считается комплекс исследований, включающих в себя выбор и экспериментальное исследование модели процесса, определение входящих в эту модель эмпирических параметров с помощыо лабораторных исследований кинетики, макрокинетики тепловых явлений и гидродинамики процесса и решение систем уравнений, описывающих выбранную модель. Такого подхода следует, очевидно, придерживаться и при исследовании процессов орто-параконверсии. Принимая во внимание вышеизложенное, задачи исследования можно сформулировать следующим образом: - необходимо создание математических моделей, описывающих процесс орто-парапревращения при адиабатических, изотермических и политермических методах реализации с нахождением аналитических решений общего вида и выявлением общих закономерностей; - требуется экспериментальное изучение процесса орто-парапревращения при различных методах его реализации с целью выявления влияния на интенсивность процесса варьирования соотношения прямого и обратного потоков начальной неравновесности содержания пара-формы; - следует рассмотреть возможность повышения эффективности процесса за счет максимального приближения его к равновесному. 1.3. Процессы при охлаждении криогенных
Способы охлаждения криогенных жидкостей
Охлаждение криогенных продуктов используется для того, чтобы увеличить время хранения жидкости без потерь, для обеспечения однофазного течения криогенных продуктов по магистралям, а также с целью увеличения плотности и запаса холода криогенных компонентов топлива в баках различных летных изделий. Известны три основных технических приема, с помощью которых возможно осуществление процесса охлаждения: вакуумирование парового пространства сосудов для хранения продукта, барботирование объема жидкости охлажденным газом, использование внешних источников холода. Все эти методы достаточно хорошо изучены [22, 23, 24] и находят практическое применение.
Наибольшее применение в промышленных криогенных системах получил метод охлаждения путем вакуумирования парового пространства над зеркалом жидкости. Преимущества этого способа обусловлены его универсальностью, простотой используемого оборудования, надежностью, низкими капитальными и эксплуатационными затратами. Охлаждение может производиться как в хранилище, так и в теплообменнике-охладителе непосредственно в процессе выдачи продукта потребителю (рис. 1.3).
В целях повышения экономичности возможно осуществление ступенчатого охлаждения (рис. 1.36). Понижение температуры при откачке паров обусловлено термодинамическими свойствами двухфазной системы пар-жидкость. Согласно правилу фаз Гиббса в этой области существует однозначная зависимость равновесной температуры продукта от давления насыщенных паров.
Процесс адиабатической орто-параконверсии для линейного приближения равновесной кривой
Несмотря на уменьшение выхода озона (ЕС0) с увеличением частоты более весомым является вклад за счет быстрого роста конденсации озона. В итоге с ростом частоты питающего тока увеличивается производительность генератора озона.
Озон является термически нестойким веществом, поэтому распределение температуры газа в разрядном промежутке и связь ее с электрическими и конструкционными параметрами были предметом ряда исследований. Весьма детально этот вопрос изучен в работах [81, 82]. Используя метод "Газового термометра", авторы пришли к выводу, что температура газа увеличивается линейно с увеличением мощности и имеет большее значение при более высоких значениях величины разрядного промежутка. Распределение температуры по ходу движения потока газа получено в работе [81] рефрактометрическим методом, а в работе [82] оно определялось по температуре неохлаждаемого диэлектрического электрода, которая.измерялась термопарами. Показано, что, начиная с некоторой длины разрядной зоны, температура газового потока принимает постоянное значение, т.е. скорость процессов тепловыделения становится равной скорости процессов теплоотвода.
Распределение температуры- в направлении нормали к электродам измерить сложнее, так как величина разрядного промежутка редко превышает 3-4 мм. Это было осуществлено в работе [83] с помощью термометра сопротивления (платиновая проволока 0 0,1 мм), установленного в газовом канале прямоугольного сечения на выходе из разрядного промежутка. Поскольку охлаждение электродов проводилось с одной стороны, эпюра температуры в разрядном промежутке была несимметричной и имела максимум на неохлаждаемом электроде. В этой же работе была сделана попытка оценить долю теплоты, выделяемой непосредственно на поверхности электродов. Согласно оценкам эта величина составляла 50 % при величине разрядного промежутка, равного 1 мм и достигала 100% при увеличении его до 6 мм. Однако эти оценки не вполне корректны, так как зная лишь температуры электродов, нельзя сделать вывод о распределении источников тепловыделения в разрядном промежутке.
Измерение температуры газа внутри разрядного промежутка в потоке является сложной задачей в связи с быстрым выравниванием температуры газа на выходе из зоны разряда и близостью высоковольтного электрода. Вместе с тем знание этой величины, а также температуры электродов (особенно электрода с диэлектрическим барьером) совершенно необходимо при оценке эффективности конструкции генератора озона. Поэтому были предприняты некоторые попытки рассчитать температурный режим генератора озона, исходя из электрических и конструктивных параметров, в первую очередь активной мощности разряда, величины разрядного промежутка и площади электродов [81, 82]. В результате было получено распределение температурных перепадов в озонаторе, а именно: перепад в пристеночном слое охлаждаемой жидкости, перепад в стенке электрода, перепад на границе поверхности "электрод — газ" и перепад температуры в газе. Полученные расчетные данные не совпадают с экспериментальными результатами. Это различие авторы объясняют неравномерностью тепловыделения по объему разрядной зоны. Более того, авторы делают допущение о том, что максимум тепловыделения находится вблизи электродов. Это допущение корреспондируется с результатами распределения напряженности электрического поля, представленного на рисунке 1.39.
Следовательно, температура газа в разрядном промежутке является величиной, оказывающей определяющее влияние на константу скорости разложения озона, которая увеличивается с ростом температуры. В реальных условиях работы генератора озона среднемассовая температура газа на выходе должна поддерживаться на уровне 20-25 С. Этот уровень температур обеспечивается, как технологическими параметрами процесса генерации озона, так и эффективностью работы системы охлаждения электродов, главным образом температурным уровнем охлаждающей жидкости [84]. На рис. 1.41 представлено влияние температуры охлаждающей воды на входе в генератор озона на относительный выход озона. Как видно из рис. 1.41, температура охлаждающей воды на входе в генератор озона не должна быть выше 15С.
Обзор литературы, посвященный процессу получения озона, позволяет сделать вывод о том, что, несмотря на большое количество научно-исследовательских работ, выполненных в этой области, единственной конструкцией промышленного генератора озона производительностью 25-30 кг/ч в мировой и отечественной промышленности является конструкция с односторонним диэлектрическим барьером в виде полых стеклянных труб, количество которых доходит до 850 штук, и односторонним охлаждением разрядного промежутка.
За прошедшее столетие не было найдено альтернативного технического решения, которое бы реально вобрало в себя весь положительный опыт, накопленный в этой области, и позволило бы создать более эффективную конструкцию как с технической, так и с экономической точки зрения.
Экспериментальная установка. Методика проведения эксперимента и обработки экспериментальных данных
Отличительной особенностью изучаемого процесса является возможность образования на поверхности теплообмена льда охлаждаемой жидкости. Форма и геометрические параметры слоя отложений определяются условиями теплообмена на границе лед-жидкость, т.е. соответствуют распределению локального коэффициента теплоотдачи по периметру трубки. Сложная гидродинамическая обстановка в межтрубном пространстве "чистого" пучка (в случае витого теплообменника) еще более усложняется при образовании льда, что приводит к некоторой неопределенности при выборе расчетных зависимостей теплоотдачи. Трудности проведения детальрюго экспериментального исследования на реальном объекте очевидны. Задача исследователя значительно упрощается, если заменить изучение процесса в штатном аппарате на исследование того же процесса на модели при соблюдении требований теории подобия.
Целью настоящего исследования, представленного в данной главе, является получение экспериментальных данных по процессу теплообмена при поперечном обтекании пучка трубок на модельном стенде "вода-воздух". В такой постановке задача лучше всего может быть решена сочетанием количественных и качественных методов исследования.
Для исследования процесса теплообмена, осложненного образованием твердой фазы теплоносителя в межтрубном пространстве витого теплообменника была создана экспериментальная установка, позволяющая 166 реализовать изучаемый процесс в модельных условиях. Принципиальная схема экспериментальной установки показана на рисунке 3.1. Рис. 3.1. Схема экспериментальной установки: 1- участок гидродинамической стабилизации; 2- визуализациониая модель; 3- блок ротаметров; 4- ванна жидкого азота; 5- подогреватель воздуха; 6- фильтр; 7- редуктор; 8- диафрагма; 9- фотоаппарат
Экспериментальная установка представляла собой гидродинамический контур открытого типа, состоящий из экспериментального участка, блока ротаметров 3, азотной ванны 4, подофевателя воздуха 5, фильтра 6, редуктора 7. Экспериментальный участок включал в себя участок гидродинамический стабилизации 1 и визуализационную модель 2. В качестве модельной жидкости использовалась вода от оборотной системы водоснабжения, в качестве хладагента - воздух высокого давления (10-И5 МПа), охлажденный в ванне с жидким азотом 4. Поток воды после фильтрации направлялся в участок измерения расхода 3, проходил участок гидродинамической стабилизации, визуализационную модель и направлялся в слив. Поток воздуха после охлаждения в азотной ванне 4 и подогрева в модели 2 окончательно отогревался до комнатной температуры в подогревателе 5, дросселировался в редукторе 7 и направлялся в участок измерения расхода 8. Подпитка установки жидким азотом осуществлялась от транспортного резервуара жидкого кислорода ТРЖК-3.
Визуализационная модель представляла собой прямоугольный канал, ограниченный плоскими стенками из оргстекла и заполненный пучком трубок-цилиндров (рис.3.2.). Всего в канале сечением 130 х 80 размещено три слоя по 6 цилиндров в каждом. Внешний диаметр цилиндров - 36 мм; внутренний - 6 мм, относительный шаг расположения трубок-цилиндров составляет 1,2 как в поперечном так и в продольном направлении; расстояние между первым (последним) слоем нижней (верхней) стенкой канала равно половине расстояния между цилиндрами. Трубки-цилиндры изготавливались из латуни, поверхность их хромировалась. Их внутренние полости соединялись с помощью сварки, образуя схему движения теплоносителей близкую к противотоку. Визуализационная модель является, таким образом, укрупненной геометрической копией участка намотки витого теплообменника.
В верхней части каждой трубки среднего слоя, с торца цилиндра на расстоянии 0,5 мм от внешней поверхности и на глубину 15 мм были просверлены отверстия диаметром около 1 мм, в которых размещались медь 168 константановые термопары. Таким способом осуществлялись измерения температуры стенки каждой трубки среднего сдоя модели. Кроме того, измерение температур потоков (ТІ, Т2, ТЗ, Т4, Т5) осуществлялось с помощью стандартных термопреобразователей ТСП-4050. В качестве вторичного прибора для измерения температуры воздуха ТІ, Т2, Т5 использовался уравновешенный мост КСМ-4. Для измерения температурного градиента потока воды применялся специально разработанный блок, который позволял с высокой точностью измерять небольшие разности температур. Компенсационный метод, использованный при построении схемы измерений малой разности температуры воды, исключал влияние сопротивления проводов и погрешности первичных преобразователей. Схемой прибора обеспечивалось необходимое значение измерительного тока; в качестве опорного датчика использовался термометр сопротивления, измеряющий температуру воды на входе в экспериментальный участок Т4. Для измерения абсолютного значения температуры дополнительно к датчику Т4 ТСП-4050 был установлен лабораторный термометр ТЛ-4.
Определение профиля температур за пучком трубок осуществлялось с помощью термопарной "гребенки", которая представляла собой 12 равноудаленных друг от друга медъ-константановых термопар, размещенных на тонкой спице. Термопарная "гребенка" размещалась на расстоянии 1,25 калибра трубки от кормовой части последнего ряда трубок модели и позволяла измерять профиль температур по высоте канала. Коммутация датчиков термоэ.д.с. и вторичного прибора осуществлялась с использованием переключателей ПМТ-12. В качестве вторичного прибора применялся универсальный ампер-вольтметр Щ-31.
Измерение расхода воды осуществлялось с помощью блока ротаметров типа РС-7 и РС-5, которые предварительно тарировались весовым способом, Расход воздуха определялся с помощью стандартной диафрагмы, перепад давления на диафрагме определялся по U - образному дифманометру.
Исследование несущей способности пластинчатых электродов
Специальные исследования, посвященные термометрии потоков криогенных жидкостей [97, 98], показали, что основной вклад в погрешность измерения вносит неполное погружение чувствительного элемента датчика в поток криогенной жидкости [97].
Измерение расхода жидкого кислорода осуществлялось с помощью тарированной на рабочем продукте диафрагме с последующим дублированием замера на турбинном датчике расхода ТДР-8. Наличие вентилей тонкой регулировки позволило байпасировать поток мимо турбинного расходомера, что гарантировало отсутствие двухфазного потока в период захолаживания. В качестве преобразователя перепада давления на диафрагме использовался дифманометр ДУ 1-23573 в комплекте с самописцем КСД-2. В качестве вторичного прибора к ТДР-8 был использован преобразователь частоты ПЧ-1 в комплекте с частотомером 43-24.
Для измерения расхода гелия низкого давления была предусмотрена стандартная диафрагма, которая размещалась в трубопроводе ХГУТ 4000/20 -компрессор. Гидравлическое сопротивление межтрубного пространства модельного теплообменника измерялось дифманометром ДМ-23573 в комплекте с самописцем КСД-2. При отборе импульсов давления на дифманометры с целью уменьшения пульсаций использовалась импульсная трубка увеличенной длины и малого диаметра.
Для измерения величины термоэ.д.с. термопар железо-медь, находившихся в модельном теплообменнике использовался универсальный ампервольтметр Щ31. Коммутация датчиков осуществлялась с помощью переключателя ПМТ-12. Величина давления гелия в контуре естественной циркуляции и давление жидкого кислорода в модельном теплообменнике контролировалось по образцовым манометрам. Стенд также был снабжен аппаратурой для автоматического поддержания заданной температуры кислорода после теплообменника 3 (рис. 3.20) путем регулировки степени открытия вентиля 4.
Подготовка к работе стенда заключалась в проведении теплых продувок полости трубопроводов жидкого кислорода и трехкратного вакуумирования контура естественной циркуляции с последующим заполнением его полости чистым гелием до избыточного давления 0,1-0,2 МПа, После проведения подготовительных операций в контуре устанавливалось максимально возможное давление гелия (10,0-15,0 МПа). После стабилизации режима работы ХГУ 4000/20 (Т2=20К), окончания захолаживания кислородного контура устанавливался, в соответствии с программой эксперимента, расход кислорода (100-1000 кг/час). С открытием вентиля 4 начиналась естественная циркуляция гелия в контуре, которая возникала и устойчиво существовала за счет разности плотностей гелия в теплообменниках гелий-гелий и гелий-кислород и их расположения на разных высотных отметках. Разность высот составляла 5 м. По мере захолаживания гелия в контуре циркуляции осуществлялась его подпитка до необходимого давления от баллонной рампы. При установлении стабильных параметров температур, расхода кислорода и давления в контуре циркуляции, а также всех технологических параметров блока охлаждения ХГУТ 4000/20 считалось, что вся установка находится в стационарном режиме. Переход с одного режима работы на другой осуществлялся путем изменения расхода жидкого кислорода и кратности циркуляции гелия в контуре.
Методикой проведения эксперимента предусматривалось возможность отбора проб жидкого кислорода в процессе охлаждения с целью анализа на изменение содержания примесей. Суммарная (кристаллы + растворенная часть) концентрация примесей в жидком кислороде определялась хроматографическим методом, концентрация растворенной части - методом инфракрасной спектроскопии. Для определения суммарной концентрации жидкий кислород отбирался из резервуара ТРЖК-3 в специальный пробоотборник, конструкция которого обеспечивала соответствие концентрации примеси в исходном жидком и в газообразном кислороде, находящихся в пробоотборнике. Анализ производился с помощью хроматографа "Газохром 3101". Для определения концентрации растворенного диоксида углерода кислород отбирался в сосуд Дьюара АСД-25. Последующий анализ осуществлялся с помощью инфракрасного спектрофотометра ИКС-29, Отбор проб на анализ осуществлялся в двух местах; непосредственно из сосуда ТРЖК-3 перед началом эксперимента и за теплообменником гелий-кислород в процессе охлаждения кислорода.
Изменение температуры жидкого кислорода на входе в модельный теплообменник осуществлялось регулированием расхода через рекуператор кислород-кислород. Пределы, изменения основных параметров работы стенда приведены в таблице 7. Теплоотдача в межтрубном пространстве модельного теплообменника подсчитывалась по формуле (3.1). Внешняя поверхность "чистых" трубок равнялась в этом случае 1,18 м2.
