Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние исследований процесса пленочной конденсации пара из парогазовых смесей в конденсационных аппаратах промышленной теплоэнергетики 12
1.1. Применение теплообменных аппаратов с конденсацией пара из парогазовых смесей 12
1.2. Результаты численных и экспериментальных исследований 18
1.3. Инженерные методы расчета теплообменных аппаратов при пленочной конденсации парогазовой смеси 37
1.4 Выводы по первой главе 43
Глава 2. Разработка математической модели и алгоритма расчета процесса пленочной конденсации пара из парогазовой смеси различного состава в кожухотрубном теплообменном аппарате .. 45
2.1 Математическая модель процесса пленочной конденсации водяного пара из парогазовой смеси различного состава в вертикальном кожухотрубном теплообменном аппарате 45
2.2 Подтверждение адекватности математической модели 58
2.3 Вывод по второй главе 72
Глава 3. Численное исследования процессов тепло- и массообмена при пленочной конденсации водяного пара из ПГС различного состава 74
3.1 Влияние рода неконденсирующегося компонента парогазовой смеси 74
3.2 Влияние термического сопротивления пленки конденсата и отложений на поверхности теплообмена 90
3.3 Влияние неизотермичности поверхности теплообмена . 98
3.4 Вывод по третьей главе 106
Глава 4. Оценка влияния неконденсирующихся газов на работу кожухотрубных теплообменных аппаратов 108
4.1 Обобщенная диаграмма режимов работы горизонтальных кожухотрубных теплообменников с конденсацией пара из парогазовых смесей 108
4.2 Улучшение характеристик кожухотрубных конденсаторов при интенсификации тепломассообмена со стороны холодного теплоносителя 122
Заключение и выводы 128
Список литературы 131
- Инженерные методы расчета теплообменных аппаратов при пленочной конденсации парогазовой смеси
- Математическая модель процесса пленочной конденсации водяного пара из парогазовой смеси различного состава в вертикальном кожухотрубном теплообменном аппарате
- Влияние термического сопротивления пленки конденсата и отложений на поверхности теплообмена
- Улучшение характеристик кожухотрубных конденсаторов при интенсификации тепломассообмена со стороны холодного теплоносителя
Введение к работе
Актуальность работы.
Кожухотрубные теплообменные аппараты, на поверхности трубок которых происходит пленочная конденсация пара из парогазовой смеси (далее ПГС), широко распространены в промышленности.
Наличие неконденсирующихся газов (далее НКГ) в смеси с паром, поступающим в теплообменные аппараты многих производств, связано с особенностями технологий. Так, вторичный пар, отбираемый из корпусов выпарных аппаратов сахарного завода, содержит большое количество НКГ (диоксида углерода СОг-, аммиак ЫЩ, азот N2, кислород Ог и др.), выделяяющ-ихся из диффузионного свекловичного сока. В конденсационный теплообменник - утилизатор технологической линии производства цементного клинкера мокрым способом поступает смесь продуктов сгорания и испарившейся на этапе обжига клинкера влаги. В охлаждающие теплообменники химических технологий могут поступать смеси пара и диоксида углерода СОг, аммиака NH3, других газов. В теплотехнологических установках эти процессы используются для кондесации аммиака из азотоводородной смеси после синтеза, для фракционированной конденсации углеводородных смесей из газов пиролиза нефтяного сырья, для конденсации органических продуктов в присутствии НКГ, для конденсации азота из азотогеливой смеси в установках очистки гелия от примеси азота и во многих других производствах.
В холодильной технике конденсация паров хладоагентов часто происходит в присутствии небольшого количества воздуха. Пленочная конденсация пара, содержащего примесь НКГ, имеет место в различных элементах энергетических установок: промышленных конденсаторах паротурбинных установок, регенеративных пароводяных подогревателях, охладителях выпара деаэраторов, в конденсаторах парокомпрессионных и пароэжекторных холодильных установок, пароэжекторных и вакуумных насосов. В теплообменных аппаратах конденсационного типа, работающих при
давлениях ниже барометрического, всегда присутствуют подсосы НКГ. При работе пароводяных подогревателей в них вместе с греющим паром так же попадает некоторое количество НКГ, в основном диоксида углерода С02.
Практическое использование поверхностного конденсационного теплообменника затруднено из-за сложности и недостаточной точности методов их расчета. Для расчета подобных теплообменных аппаратов кроме переноса теплоты за счет конвекции и конденсации пара необходимо учитывать такие факторы, как наличие Стефанова потока, поперечного потока массы, вызванного отсосом пара из пограничного слоя, термического сопротивления пленки конденсата и гидродинамического воздействие потока газа на пленку.
Вопросу снижения интенсивности тепломассообмена в присутствие НКГ было посвящено большое количество исследований. В результате исследований были получены экспериментальные данные о влиянии присутствия неконденсирующейся примеси на коэффициент тепло- и массо-отдачи, которые обобщены в критериальных зависимостях и поправочных коэффициентах. Исследования охватили парогазовые смеси различные по составу. Наличие в паре присосов различных НКГ существенно снижает теплоотдачу при конденсации пара. Известно, что даже при небольшом содержании примеси, например, 1% воздуха в смеси с водяным паром, коэффициент теплоотдачи снижается примерно вдвое. Однако, вопрос о влиянии рода НКГ (его теплофизических свойств и молекулярной массы) на передаваемый тепловой поток является недостаточно изученным. Род газа в смеси с водяным паром определяет коэффициент их взаимной диффузии и значение парциального давления пара в зависимости от температуры и концентрации НКГ, а так же физические свойства ПГС в целом. Таким образом, род газа влияет на величину коэффициента массоотдачи, распределения температур и концентраций, т.е. на весь процесс тепломассообмена. На настоящий момент нельзя сказать, как вид смеси повлияет на тепло- и
массообмен, в частности, насколько он будет отличаться от теплообмен смеси водяной пар-воздух.
Основным способом определения теплоотдачи в трубных пучках реальных аппаратов является лабораторный эксперимент, а так же обобщение опытных данных по результатам многочисленных испытаний аппаратов однотипных конструкций [1]. В расчетно-теоретических работах подобные исследования проводились на основе моделей, учитывающие различные особенности процессов тепломассообмена. При этом многие результаты были получены для теплообменной поверхности, температура которой принималась постоянной, а изменение параметров ПГС не учитывалось, что редко наблюдается в реальных теплообменниках. Для упрощения алгоритма расчета в некоторых методиках либо вовсе не учитывалось термическое сопротивление пленки конденсата (при небольших содержаниях пара в смеси), либо его рассчитывали по формуле Нуссельта для чистого пара с различными поправками. Это ведет к искажению реального распределения температур и концентраций пара в сечениях теплообменного аппарата, неверному определению передаваемого теплового потока и площади теплообменной поверхности. В конечном итоге данные ошибки в расчетах могут привести к снижению эффективности работы оборудования и снижению КПД установок или к ухудшению качества получаемого продукта. Таким образом, исследование конденсации водяного пара из ПГС различного состава с учетом особенностей работы реальных кожухотрубных теплообменных аппаратов является актуальной задачей.
Целью настоящей работы является исследование закономерностей и разработка рекомендаций для расчета конденсации ПГС различного состава в кожухотрубных теплообменных аппаратах. Научная новизна.
1. Определены значения относительного снижения коэффициента теплоотдачи при конденсации водяного пара из ПГС в присутствии
неконденсирующихся газов с различной молярной массой (воздуха, С02, NH3, СЩ) в диапазоне массовой концентраций НКГ 0-10%. Отличие переданного в теплообменном аппарате теплового потока при конденсации смеси, содержащей одинаковые объемные концентрации С02, NH3, СН4, от теплового потока при конденсации смеси с примесью воздуха достигало 12- 25%.
Показано, что не существует монотонной функциональной связи между молярной массой НКГ и снижением передаваемого в теплообменнике тепловой потока, что объясняется сложным влиянием молярной массы НКГ на коэффициент взаимной диффузии пар - НКГ и на парциальное давление пара в смеси.
Установлено, что при конденсации пара из ПГС термическое сопротивление отложений на поверхности теплообмена оказывает меньшее влияние на передаваемый в аппарате тепловой поток, чем при конденсации чистого пара. Степень снижения теплового потока при этом зависит от рода НКГ.
Получены новые количественные результаты о влиянии интенсификации теплообмена на передаваемый в теплообменном аппарате тепловой поток при наличии в ПГС различных неконденсирующихся газов. Показано, что наличие НКГ снижает эффект от интенсификации теплообмена со стороны холодного теплоносителя.
Разработан безразмерный вид диаграммы режимов работы горизонтальных кожухотрубных теплообменных аппаратов с конденсацией водяного пара из ПГС, позволяющей выбрать наименьший по сложности и обеспечивающий требуемую точность алгоритм расчета данного теплообменника.
Практическая ценность работы.
Разработанные математическая модель, алгоритм и программа могут быть использованы для расчета и проектирования кожухотрубных теплообменников с конденсацией пара из смеси с различными неконденсирующимися газами.
Полученные результаты численных исследований позволяют оценить необходимость учета термического сопротивления пленки конденсата в расчетах вертикальных кожухотрубных теплообменных аппаратов, а также определить
целесообразность интенсификации теплообмена при конденсации пара из ПГС различного состава.
Получен способ представления диаграммы режимов работы горизонтальных кожухотрубных теплообменных аппаратов конденсационного типа в безразмерном виде, обобщающий ее вид для различных скоростей потока ПГС и различных характерных размерах теплообменных поверхностей.
Достоверность и обоснованность полученных результатов обеспечиваются корректным использованием теории переноса тепла и массы, а также удовлетворительными результатами сопоставления полученных в работе данных с экспериментальными данными.
На защиту выносятся;
- математическая модель и алгоритм расчета процессов пленочной
конденсации ПГС в вертикальном кожухотрубном теплообменном аппарате;
результаты численных исследований влияния рода неконденсирующегося газа на передаваемый в теплообменнике тепловой поток;
результаты численных исследований влияния термического сопротивления пленки конденсата и отложений на поверхности теплообмена на передаваемый в теплообменнике тепловой поток при наличии различных НКГ;
- оценка влияния интенсификации теплоотдачи со стороны холодного
теплоносителя на суммарный тепловой поток, передаваемый в вертикальном
кожухотрубном теплообменном аппарате при конденсации пара из ПГС
различного состава;
- обобщенная диаграмма режимов работы кожухотрубного теплообменного
аппарата конденсационного типа, позволяющая определить оптимальный
алгоритм расчета теплообменного аппарата при заданных параметрах ПГС и
температуры поверхности конденсации.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были доложены на 12,13,14-ой Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов. Радиоэлектроника, электротехника и энергетика.
Москва, 2006-2008 гг; на 3-й Международной научно-практической конференции «Современные энергосберегающие тепловые технологии (сушка и термовлаж-ностная обработка материалов) СЭТТ-2008».
Публикации. Основные научные положения и выводы изложены в 5 опубликованных работах, одна из которых опубликована в ведущем рецензируемом научном журнале, определенном Высшей аттестационной комиссией.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, приложений и списка литературы, состоящего из 80 наименований. Общий объём диссертации составляет 150 страницы, включая 42 рисунка, 12 таблиц и 2 приложения.
Инженерные методы расчета теплообменных аппаратов при пленочной конденсации парогазовой смеси
Для понижения параметров пара в проточной части паровой турбины до давления, величина которого значительно ниже барометрического, служит конденсационная установка. Поступающий в конденсатор турбины пар всегда содержит воздух, который попадает в поток через концевые уплотнения части низкого давления турбины и неплотности фланцевых соединений различных элементов паротурбинных установок. Наличие присосов ухудшает работу конденсаторов и КПД турбоустановок в целом, поэтому непрерывно осуществляется отсос паровоздушной смеси из парового пространства конденсатора.
Охладители выпара атмосферных деаэраторов предназначены для конденсации максимального количества пара из отводимой от деаэратора парогазовой смеси (выпара). Таким образом, удается избежать потерь тепла и конденсата, а также обеспечить требуемый отвод выпара. Охладители выпара атмосферных деаэраторов выпускаются с трубной системой из трубок с плавающей головкой.
При работе регенеративных пароводяных подогревателей в них вместе с греющим паром так же попадает некоторое количество НКГ, в основном диоксида углерода С02.
На рис. 1.5 представлена горизонтальный подогреватель высокого давления ПВ-2000-120-17А паротурбинной установки: 1 и 3- корпус с трубной системой (левая и правая часть), 2-промежуточная водяная камера, 4-опора подвижная, 5-поверхностный охладитель конденсата, А/Б-вход/выход питательной воды, ГУД -выход/вход конденсата, Е -отвод паровоздушной смеси [6].
В холодильной технике конденсация паров хладагентов часто происходит в присутствии небольших количеств неконденсирующегося воздуха. Тоже имеет место и при конденсации отработанного водяного пара в паросиловых установках, когда водяной пар содержит примесь воздуха. На рис. 1.7 представлена принципиальная схема холодильной установки: КД- конденсатор, П- переохладитель, РТ- регенеративный теплообменник, КМ- компрессор, М 17 маслоотделитель, РВ- регулирующие вентили, И- испаритель, ХКРО- холодильная камера рассольного охлаждения, ХКНО- тоже непосредственного охлаждения, В- воздухоохладитель, Б- батарея, Н- насос [7]. Воздух попадает в конденсаторы холодильных установок при вскрытии различных аппаратов во время ремонта; при работе испарительной системы на низких температурах кипения, когда система длительное время находится под вакуумом; во время заправки системы хладагентом и маслом; при недостаточном вакуумировании системы после монтажа; при продолжительной работе компрессоров в режиме влажного хода, когда всасывающий вентиль остаётся прикрытым.
Независимо от места проникновения воздуха в систему он скапливается на стороне высокого давления: в нагнетательной линии, конденсаторе и ресивере, поскольку гидравлический затвор, имеющийся в ресивере, предотвращает прорыв паровой и газовой фаз в испарительную систему [7].
На производство цемента в мире расходуется свыше 2% энергетических ресурсов, при этом энергетические затраты распределяются следующим образом: на подготовку сырьевых материалов к обжигу 10%, на обжиг и охлаждение клинкера 79%, на помол клинкера 10%, на прочие вспомогательные операции 1% [8,9]. При существующих технологиях производства цементного клинкера (сухом и мокрым способе) большое количество теплоты уходит с влажными газами (х =250-300 кг/кг, t =160-220С), получаемыми на этапе обжига клинкера. В результате удельный расход тепла на обжиг при сухом способе составляет 2900—3750 кДж/кг клинкера, а при мокром — в 2-3 раза больше. Для повышения эффективности производства цемента мокрым способом в технологическую линию устанавливают конденсационный теплообменник - утилизатор теплоты влажных отходящих дымовых газов.
Неконденсирующиеся газы непрерывно отводят из паровых камер выпарных аппаратов, теплообменников, вакуум-аппаратов, конденсатных колонок технологических линий целлюлозно-бумажной промышленности [10-12]. Например, в конденсатор бака-растворителя сплава содорегенерационного котла поступает смесь пара с каплями щелочи, пылевыми частицами, воздухом (5-30%), сероводородом (0,005%о) и сернистым ангидридом. Процессы конденсации пара из ПГС широко применяются для утилизации тепла ПГС и вентиляционного воздуха сушильной части бумагоделательных, картоноделательных, сушильных машин [13]. Это обеспечивает интенсификацию технологических процессов производства бумаги и картона, повышает качество вырабатываемой продукции.
Между условиями конденсации чистого пара и пара, содержащего примесь НКГ, имеется существенное различие. Если интенсивность конденсации чистого пара определяется только скоростью отвода выделяющейся при этом теплоты фазового перехода, а скорость притока пара к поверхности конденсации не является ограничивающим фактором, то в случае конденсации пара из ПГС скорость притока пара к поверхности раздела фаз имеет определяющее значение. При конденсации пара в присутствии НКГ происходят одновременно процессы: массообмена, т.е. перенос к поверхности охлаждения конденсирующегося пара путем диффузии и конвекции; конвективный теплообмен между ПГС и пленкой конденсата; перенос через пленку конденсата к холодной стенке тепла, выделившегося при конденсации и переданного пленке путем теплообмена; кондуктивный перенос тепла через стенку трубки и отложения на ее поверхности; конвективный теплообмен между внутренней стенкой трубки и охлаждающего теплоносителя.[1]
Математическая модель процесса пленочной конденсации водяного пара из парогазовой смеси различного состава в вертикальном кожухотрубном теплообменном аппарате
На процесс конденсации пара из ПГС в присутствие НКГ оказывают влияние различные дополнительные факторы: вид неконденсирующегося газа, неизотермичность поверхности теплообмена, наличие термического сопротивления пленки конденсата и отложений.
Известно, что содержание в паре небольшого количества неконденсирующейся примеси приводит к значительному снижению коэффициентов тепломассообмена при его конденсации на поверхности. Первое подробное теоретическое исследование влияния НКГ на теплоотдачу пленки конденсата, стекающей по вертикальной поверхности, было проведено в работе [29], где было установлено, что основной вклад в снижение теплообмена вносит процесс диффузии НКГ и повышение его концентрации на межфазной границе. В результате этого происходит снижение парциального давления пара и, соответственно, температуры поверхности пленки, что вызывает уменьшение теплоотдачи.
В дальнейшем появилось большое число работ, посвященных этой проблеме. Большинство из них основано на численном решении систем уравнении движения, энергии и диффузии для парогазовой фазы и пленки конденсата. Исследовались случаи как гравитационного стекания пленок в неподвижной парогазовой смеси, так и при вынужденном течении смеси с конденсацией перегретого пара [56]. Основным выводом упомянутых и последующих работ было установление более сильного влияния примесей на процесс конденсации при гравитационном стекании пленки по сравнению со случаем вынужденной конвекции.
Как опытные, так и теоретические данные для коэффициента массоотдачи при конденсации пара из ПГС могут быть описаны уравнением подобия [38]:
Нуссельта при конденсации; NuD{1)- то же при плотности поперечного потока массы jn — О (определяется по аналогии между тепло- и массообменном); /Зр - коэффициент массоотдачи; х- характерный размер поверхности; Dp - коэффициент диффузии для пара; к0 =Арп/Р-безразмерная разность парциальных давлений пара; Арп -разность парциальных давлений пара в ядре ПГС и на поверхности раздела фаз; 7rD=Apn/P- общее давление смеси; єнкг- объемное содержание газа в ядре ПГС; 7?нкг, п - газовые постоянные пара и примеси.
Для учета влияния рода газа на интенсивность процесса тепломассообмена при конденсации пара из ПГС с различным отношением молекулярных масс пара и НКГ Л.Д.Берман [39] предложил в уравнение подобия ввести корректирующий множитель (і?п/і?нкг)" В своей публикации Л.С. Бобе и В.А.Солоухин [42] также пришли к выводу, что влияние отношения газовых постоянных основного и поперечного потока начинает сказываться при достаточной интенсивности поперечного потока массы и на основе обобщения опытных данных подтвердили необходимость введения корректирующего множителя, предложенного Л.Д.Берманом [39].
В целом, влияние рода газа на протекающие процессы тепло- и массообмена проявляется в изменении парциального давления пара для смесей различного состава, а так же изменение физических свойств ПГС, главным образом коэффициента взаимной диффузии пара и НКГ.
Так, в своих опытах В.Ренкер [57] обнаруживает влияние свойств инертного газа на изменение коэффициента теплоотдачи при конденсации ПГС внутри вертикальных труб. Опыты проводились с четырьмя различными смесями - водяным паром с воздухом и водородом, парами изобутилалкоголя с кислородом и водородом. Результаты обработки опытных данных показали, примесь водорода влечёт за собой относительно меньшее падение коэффициента теплоотдачи при конденсации ПГС с увеличением єНкг, чем примесь воздуха.
В работе Филипповой Ф.Н. [58] для вертикального теплообменного аппарата типа «труба в трубе» исследовались смеси водяного пара с углекислым газом СС?2, аммиаком NH3 и воздухом. Опыты показали, что примесь двуокиси углерода или аммиака вызывает меньшее относительное снижение коэффициента теплоотдачи от ПГС по сравнению с тем же массовым содержанием воздуха в смеси с водяным паром. В работе сделан общий вывод о существенном влиянии рода НКГ на процесс конденсации из ПГС и предложены эмпирические зависимости для расчета коэффициента массоотдачи для исследуемых ПГС.
В статье В.С.Ли и Д.В.Роуза [32] приведены результаты опытов по конденсации чистых паров воды и R113, а так же их смесей с воздухом и водородом на одиночном горизонтальном цилиндре. Опыты проводились при атмосферном давлении и в условиях вакуума, а массовая концентрация газа изменялась до 32%.
В работе [59] М.Токума численно решил классическую задачу о конденсации движущейся ПГС на вертикальной поверхности. Были получены поля концентрации НКГ (аммиака) в паровом пограничном слое в различных сечениях по длине пластины. Основной практический вывод, следующий из данной работы, сводится к тому, что доминирующим при конденсации смеси является диффузионное сопротивление, а термическое сопротивление пленки конденсата составляет лишь 10-20% от общего [49].
Большое влияние на теплоотдачу конденсации оказывает скорость пара, определяющая силу трения между движущимся паром и плёнкой. Эта сила может как подтормаживать, так и ускорять плёнку конденсата в зависимости от взаимного направления движения пара и конденсата. Благодаря этому толщина плёнки и её термическое сопротивление могут изменяться. В работе [60] было установлено, что влияние скорости потока заметно растёт с увеличением объемного содержанием воздуха в смеси єг. Если принять обычную степенную форму зависимости an wx, то х растёт от 0,16 при еНкг 0 примерно до 0,4 при єнкг = 15% (для tj= 50С и tiw= 6С). Объясняется это тем, что с увеличением енкг уменьшается роль термического сопротивления конденсатной плёнки и растёт роль переноса вещества (пара). Интенсивность же последнего в значимой мере, чем интенсивность переноса тепла в конденсируемой плёнке, зависит от скорости смеси. По той же причине увеличение скорости смеси приводит к более пологому протеканию кривых ап/аП(о) = /(єнкг), где «п(0) -коэффициент теплоотдачи при конденсации чистого пара с той же скоростью.
В большей степени отрицательное влияние НКГ проявляется при конденсации веществ, у которых термическое сопротивление плёнки конденсата невелико по сравнению с полным сопротивлением Rurc (вода, аммиак). Для фреонов термическое сопротивление плёнки конденсата велико и является преобладающим в величине і?пгс поэтому для них влияние НКГ менее значительно [7].
Влияние термического сопротивления пленки конденсата и отложений на поверхности теплообмена
При конденсации пара из ПГС совместно и одновременно протекают два самостоятельных процесса — теплообмен и массообмен. Скорость протекания этих процессов могут находится между собою в самых разнообразных соотношениях. Если перенос пара из ядра потока в ПГС к поверхности конденсации протекает с большей относительной интенсивностью, чем теплообмен, парциальное давление пара в парогазовом потоке будет всегда меньше давления, соответствующего насыщенному состоянию, т.е. ПГС в ядре потока будет не в насыщенном состоянии. Поэтому расчет конденсаторов по данному методу может давать существенную погрешность. Брасс [68,69] предложил графический метод определения величины парциального давления ненасыщенного пара в ядре потока в процессе охлаждения ПГС вдоль поверхности теплообмена.
Невысокая точность расчета также связанна с приближенным характером зависимостей, применяемых для расчета коэффициентов тепло- и массообмена. Так для расчета термического сопротивления пленки конденсата 1/апл согласно методике апл предлагается рассчитывать по теоретической формуле Нуссельта для пленочной конденсации медленно движущегося чистого пара с соответствующими поправками, часто принимая коэффициент теплоотдачи при конденсации пара без инертных газов апл постоянным по поверхности для упрощения расчетов.
Исследованию процесса конденсации пара из ПГС и разработке методов расчета теплообменных аппаратов конденсационного типа посвящено большое количество теоретических и экспериментальных работ. Авторами [14-69] были сделаны обобщения большого количества опытных данных и предложены математические модели и критериальные уравнения для расчетов процесса тепло- и массоотдачи. Исследования охватили парогазовые смеси различные по составу. Ряд работ были посвящен изучению влияния присутствия НКГ в смеси на интенсивность процесса конденсации пара и степени снижения коэффициентов тепломассообмена при этом для смесей различного состава. Проводились исследования влияние термических сопротивлений пленки конденсата и загрязнения поверхности теплообмена на величину теплового потока при конденсации пара из ПГС с различным содержанием примеси. По результатам проведенных оценок в работе [61] была построена диаграмма режимных параметров конденсационных аппаратов и выделены области, в которых необходимо учитывать термическое сопротивление пленки конденсата, Стефанов поток, нарушение аналогии процессов тепло- и массообмена и влияние трения потока газа на пленку конденсата. Однако в расчетно-теоретических работах рассматривались случаи, в которых не учитывались особенности теплообменных аппаратов, в первую очередь не учитывалось изменение параметров парогазовой смеси по высоте аппарата и теплоотдача со стороны холодного теплоносителя, а температура поверхности теплообмена принималась постоянной. Вопрос о влиянии теплофизических свойств и молекулярных масс неконденсирующихся газов на передаваемый тепловой поток в настоящее время также является недостаточно изученным. На настоящий момент нельзя сказать, как вид смеси повлияет на тепло- и массообмен, в частности, насколько он будет отличаться от теплообмен смеси водяной пар-воздух. Влияние переменности температуры стенки вдоль поверхности конденсации на теплоотдачу при конденсации чистого медленно движущегося пара было исследовано Д.А.Лабунцовым. Было аналитически установлено, что для вертикальных и наклонных поверхностей средний коэффициент теплоотдачи при конденсации чистого пара не зависит от характера изменения температуры стенки вдоль поверхности охлаждения. Целью настоящей работы является исследование закономерностей и разработка рекомендаций для расчета конденсации ПГС различного состава в кожухотрубных теплообменных аппаратах. Для достижения поставленной цели поставлены следующие задачи: - разработать математическую модель, алгоритм и программу расчета процессов тепло- и массообмена при конденсации водяного пара из ПГС различного состава в кожухотрубных теплообменных аппаратах и проверить адекватность математической модели путем сопоставления с экспериментами и с расчетными методиками других авторов; - численно исследовать процесс конденсации пара из ПГС в вертикальном кожухотрубном теплообменном аппарате и определить влияние рода НКГ на передаваемый тепловой поток; - оценить влияние различных факторов на величину среднего удельного теплового потока при конденсации ПГС в вертикальном кожухотрубном теплообменном аппарате: термического сопротивления пленки конденсата и отложений на поверхности теплообмена в зависимости от рода НКГ, фактора неизотермичности поверхности теплообмена; - определить степень повышения теплопередающей способности ПГС различного состава при интенсификации теплообмена со стороны холодного теплоносителя. Для правильного подбора теплообменных аппаратов, в которых происходит конденсация пара из парогазовых смесей, необходимы методы расчёта, позволяющие рассчитывать локальные значения температуры, концентраций пара в потоке и теплового потока по поверхности теплообмена. Необходимо учитывать при проектировании и расчете теплообменных аппаратов теплотехнологических и энергетических установок наличии в паре различных неконденсирующихся газов.
Целью настоящей главы является разработка математической модели для численного исследования конденсации ПГС в вертикальном кожухотрубном теплообменном аппарате с учетом изменения концентрации НКГ, температуры и скорости ПГС по его длине, а также изменение температуры холодного теплоносителя и поверхности теплообмена. Модель должна учитывать свойства неконденсирующегося газа, входящего в состав ПГС.
Принимается пленочная модель конденсации пара. Возникновение капельной конденсации зависит в первую очередь от состояния поверхности и от материала стенки. Несмотря на многочисленные попытки создать благоприятные предпосылки для протекания капельной конденсации и с помощью различных добавок к конденсирующемуся пара обеспечить ее возникновение, пока не удалось надежно и длительно поддерживать этот тип конденсации [1]. При конденсации паров других, отличных от воды, жидкостей, как правило, происходит только пленочная конденсация.
Улучшение характеристик кожухотрубных конденсаторов при интенсификации тепломассообмена со стороны холодного теплоносителя
В работе Ф.Н.Филипповой [58] для вертикального теплообменного аппарата типа «труба в трубе» определялись полный тепловой поток, средняя температура смеси, среднее значение температуры наружной поверхности трубы и коэффициент теплоотдачи от ПГС к стенке экспериментальной трубы. Рассматривались смеси водяного пара с углекислым газом С02, аммиаком NH3 и воздухом.
Для исследования процесса конденсации пара в присутствии НКГ авторами [58] была спроектирована и изготовлена специальная установка. Опытная установка состояла из влагоотделетиля, перегревателя пара, смесителя пара с газом, экспериментального участка и сборника конденсата. По охлаждающей воде установка представляет замкнутый контур, состоящий из экспериментального участка, холодильника, насоса и подогревателя. Насыщенный пар из парового котла по трубопроводу через регулируемый вентиль и влагоотделитель инерционного типа поступал в электроподо греватель для перегрева пара на 3-4С выше температуры насыщения. В смесителе пар смешивался с углекислым газом или аммиаком, подаваемым туда из баллона через редуктор, или с воздухом, нагнетаемым компрессором. ПГС из смесителя через вентиль направлялась в конденсатор. Конденсатор типа "труба в трубе" являлся экспериментальным тепло- и массообменником (рис. 2.5). Внутренняя труба диаметром 38x5 мм и рабочей длиной 1500 мм охлаждалась водой, циркулирующей внутри трубки снизу вверх. Наружная поверхность трубки являлась поверхностью конденсации пара. Наружный кожух изготовлен из трубы диаметром 159x4,5 мм. Через отверстие в нижнем фланце конденсат непрерывно отводился в сборник конденсата, где определялось его количество. Вводимая в конденсатор в верхней части парогазовая смесь равномерно распределялась по кольцевому сечению с помощью специального кольца. Циркуляция воды осуществлялась центробежным насосом. Экспериментальная часть работы, проведенная на вышеуказанной установке, состояла из серий опытов. Задача каждого блока серии опытов заключалась в исследовании влияния на изучаемый процесс какого-либо одного фактора. Условия проведения каждой серии опытов приведены в таблице 2.3. Величиной, непосредственно определяемой по результатам измерений, сделанных в опыте, является коэффициент теплоотдачи от парогазовой смеси к стенке экспериментальной трубы. Трудность проведения натурального опыта в [58] заключалось в том, что даже незначительное добавление к пару газа приводило к изменению температуры стенки экспериментальной трубы, на которой конденсировался пар. Чтобы сохранить прежний температурный напор, приходилось изменять температуру охлаждающей воды. А, чтобы оставить постоянной массовую скорость смеси, необходимо было изменять расход пар. При перечисленных выше допущениях на основе математической модели был проведен численный эксперимент, который состоял из серий опытов, в т.ч. были полностью воспроизведены условия эксперимента Филипповой (см. табл. 2.3). В каждом единичном опыте были получены распределения концентраций НКГ и температур ПГС в экспериментальном теплообменнике. На рис. 2.6 представлено сравнение полученных значений среднего по длине теплообменного аппарата удельного теплового потока q с данными [58] по некоторым сериям опытов. На рис. 2.6 хорошо видно, что наиболее резкое относительное снижение теплового потока происходит в области малых содержаний НКГ в паре, с увеличением концентрации газа кривые становятся более пологими. Результаты численных расчетов по математической модели показали хорошее соответствие с экспериментальными данными. Максимальное отклонение не превышает 15%. Было проведено сравнение результатов расчета кожухотрубного тепло-обменного аппарата по методикам А.П.Кольборна -О.А. Хоугена и Д.И.Уарда. Описание метода А.П.Кольборна - О.А.Хоугена, Д.И.Уарда и основные расчетные уравнения приведены приведено в главе 1 данной работы. Ниже приведен общий принцип расчета теплообменного аппарата по методике А.П.Кольборна -О.А.Хоугена. Поверхность теплообмена разбивалась на участки. Задавались температуры ПГС в ядре потока на каждом участке, по которым вычислялись составы ПГС, объемные и массовые расходы ПГС, количество образующегося на стенках конденсата для всех расчетных сечений аппарата. Определялись физические свойства ПГС. Вычислялся тепловой поток на каждом участке, общий тепловой поток от входа в конденсатор до і сечения. Далее были найдены температуры охлаждающей воды для каждого сечения, вычислены локальные величины коэффициентов конвективной теплоотдачи от ПГС к пленке конденсата, теплопередачи и коэффициента массоотдачи от ПГС. Методом последовательных приближений рассчитывалась температура поверхности пленки конденсата в каждом расчетном сечении. Были найдены локальные плотности теплового потока, рассчитаны площадь поверхности расчетного участка и площадь теплопередающей поверхности конденсатора в целом.
