Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Современное состояние исследований процессов тепло- и массообмена в конденсационных теплоутилизаторах (КТУ) 13
1.1. Использование КТУ для экономии тепловой энергии на промышленных предприятиях 13
1.2. Теоретические исследования процессов тепло- и мас-сопереноса в КТУ и методы их расчёта 25
1.3. Экспериментальные исследования процессов тепло- и массопереноса при конденсации пара из парогазовой смеси в КТУ 35
1.4. Постановка задачи исследования * 42
Глава 2. Математическая модель процессов переноса тепла и массы в теплообменных аппаратах с влаговыпадением 43
2.1. Модель процессов переноса тепла и массы в каналах гладкотрубных многоходовых теплообменных аппаратов... 43
2.2. Описание переноса тепла в одиночном ребре при конденсации на его поверхности 54
2.3. Модель процессов переноса тепла и массы в каналах оребрённых многоходовых теплообменных аппаратов 61
2.4. Выводы по главе 2 72
Глава 3. Проверка адекватности модели 73
3.1. Сопоставление результатов расчётов с экспериментальными данными 73
3.2. Сопоставление результатов расчётов теплообменников на основе существующих методик и предлагаемой методики 85
3.3. Выводы по главе 3 94
Глава 4. Численные исследования процессов в КТУ 95
4.1. Исследование режимов работы КТУ, сопровождающиеся образованием «сухих» зон 95
4.2. Влияние скоростей теплоносителей на работу КТУ
4.3. Влияние начальных температур и влагосодержаний теплоносителей на работу КТУ 111
4.4. Выводы к главе 4 123
Заключение 124
Литература
- Теоретические исследования процессов тепло- и мас-сопереноса в КТУ и методы их расчёта
- Описание переноса тепла в одиночном ребре при конденсации на его поверхности
- Сопоставление результатов расчётов теплообменников на основе существующих методик и предлагаемой методики
- Влияние скоростей теплоносителей на работу КТУ
Введение к работе
Актуальность работы. Одним из способов повышения эффективности использования энергии является: утилизация теплоты вторичных энергетических ресурсов (ВЭР). Среди тепловых ВЭР важное место занимают влажные газы. К ним относятся: продукты сгорания газового и жидкого-топлива, содержащего водород (природный газ, коксовый газ, мазут и др.); влажный сушильный агент на выходе из сушильных установок; воздух, удаляемый из помещений с повышенной влажностью системами вентиляции и кондиционирования; выпар деаэраторов; смесь пара и неконденсирующихся; газов, удаляемых из конденсаторов различного назначения.
Конденсация паров, содержащихся во влажных газах, в конденсационных теплоутилизаторах (КТУ) позволяет экономить значительное количество; теплоты. Так, продукты сгорания природного газа в котельных обычно содержат более 10 % влаги. Её конденсация, согласно [32-35], может на 7 - 8 % повысить коэффициент использования топлива в котельной установке; В сушильных установках и в системах кондиционирования охлаждение газов, ниже температуры точки росы приводит к их осушению и даёт возможность осуществлять рециркуляцию сушильного агента или вытяжного воздуха. Собранный в КТУ конденсат может быть использован, например, для подпитки котельной установки, как показано в. [3 2-3 4], либо для других нужд. Это даёт заметную экономию, которая будет увеличиваться при неизбежном росте стоимости воды. Глубокое охлаждение продуктов, сгорания приводит к уменьшению содержания в них вредных примесей за счёт частичного поглощения образующимся конденсатом. При этом уменьшается содержание оксидов азота, являющихся наиболее опасной примесью в составе продуктов сгорания природного газа. Увеличение плотности дымовых газов и уменьшение их объёмного расхода позволяет экономить электроэнергию, затрачиваемую на привод дымососа или вытяжного вентилятора.
Таким образом, глубокое охлаждение влажных газов позволяет получить ряд существенных преимуществ при эксплуатации теплотехнических установок. В тоже время в России применение глубокого охлаждения влажных газов развито недостаточно.
Процессы тепло- и массообмена, протекающие в теплообменных аппаратах с конденсацией пара из парогазовой смеси, более сложны и менее изучены, чем процессы в обычных теплообменниках, поскольку количество передаваемой в них теплоты складывается из конвективной составляющей, теплоты фазового перехода конденсирующегося пара, поступающего к поверхности теплообмена за счёт диффузии и турбулентного перемешивания. Это приводит к. недостаточной точности методов их расчёта. Если для теплообменных аппаратов^ без выпадения влаги погрешность определения поверхности теплообмена с помощью теоретических расчётов составляет 15-20 %, то для аппаратов с выпадением влаги это значение может достигать 50 % и более.
В, настоящее время, для расчёта площади поверхности теплообмена используются метод В.М; Кэйса и А,А. Лондона [17, 29], метод А.А. Гоголина и Е.Е. Карписа [17] и другие [26, 27, 43, 52, 54], в основе которых находятся формулы для расчёта средней разности температур. Эти методы разработаны для расчёта теплообменных аппаратов, в которых температуры поверхности' теплообмена меняется незначительно, таких как теплообменники -утилизаторы систем кондиционирования воздуха [11, 24, 30]. Однако, во многих случаях, например, при: утилизации теплоты дымовых газов или влажного сушильного агента температура поверхности; теплообмена в КТУ может изменяться более, чем на, 20 С, следовательно, возникает необходимость разбиения теплообменника на участки и определения средневзвешенной по участкам разности температур, а также расчёта местного коэффициента влаговыпадения. Кроме того, при использовании вышеперечисленных методов расчёта нет возможности определить границу «сухой» зоны, особенно в теплообменниках со сложной схемой течения теплоносителей.
Многие методики расчёта осуществляют прямой тепловой расчёт теплообменных аппаратов, т.е. предназначены для определения площади поверхности теплообмена по известной тепловой нагрузке, которая может быть вычислена как произведение разности энтальпий парогазовой смеси на входе и на выходе из аппарата на её расход. При этом параметры парогазовой смеси на выходе из теплообменного аппарата часто принимаются из предположения, что горячий теплоноситель выходит из теплообменника в насыщенном состоянии и его относительная влажность близка к 100 %. В действительности относительная влажность газов на выходе может быть значительно ниже.
В результате теплообменники могут работать не на расчётных режимах, что снижает эффективность их применения. При этом неоправданно возрастает их материалоёмкость, либо (при дефиците поверхности) они; не обеспечивают получение требуемой производительности и' заданных значений' параметров теплоносителей на выходе.
Существующие в настоящее время методы расчёта теплообменников с конденсацией влаги из парогазовой смеси не учитывают возможность образования «сухих» зон на тешюобменной поверхности, а также не позволяют, рассчитывать-местные характеристики теплоносителей на выходе из аппарата, что приводит к: опасности выпадения конденсата на поверхностях дымового тракта и дымовой трубы, следующих после КТУ, либо к неполной утилизации теплоты уходящих газов. Влияние режимных параметров теплоносителей на характеристики КТУ на сегодняшний день изучено недостаточно.
Целью работы является численное исследование процессов тепло- и массопереноса в трубчатых оребрённых КТУ с выпадением влаги: из парогазовой смеси.
Для достижения указанной цели поставлен ряд' научно-технических задач, включая:
разработку математической модели процессов тепло- и массообмена при; течении парогазовых смесей в каналах теплообменных аппаратов с гладкими и оребрёнными трубками, предназначенных для утилизации теплоты влажных
10 газов с различными схемами движения теплоносителей, проверку её адекватности физике процессов движения и тепломассопереноса в условиях работы реальных теплотехнических аппаратов;
разработку прикладного программного продукта для исследования работы оребрённых и гладкотрубных многоходовых КТУ;
проверку адекватности предложенной математической модели путём сопоставления результатов расчёта КТУ с экспериментальными данными, полученными в условиях работы реальных теплотехнических аппаратов;
численное исследование режимов работы КТУ, сопровождающихся образованием «сухих» зон;
численное исследование влияния режимных параметров теплоносителей (расход, начальная температура и влагосодержание) на коэффициент теплопередачи и эффективность теплообменного аппарата.
Научная новизна. В предположении аналогии переноса тепла и массы; разработана математическая^ модель процессов тепло- и массообмена прш течение парогазовых смесей в трубчатых гладкотрубных и оребрённых конденсационных теплоутилизаторах, описывающая распределения температур теплоносителей и влагосодержания парогазовой смеси по площади поверхности аппарата. Модель позволяет рассчитывать КТУ при сложных схемах течения теплоносителей.
Получены новые данные о распределении температур теплоносителей, влагосодержания парогазовой смеси и коэффициента теплопередачи вдоль поверхности оребрённых КТУ и установлен характер и степень влияния скоростей, начальных температур теплоносителей и влагосодержания влажного газа на теплопроизводительность, коэффициент теплопередачи и эффективность КТУ.
В диапазонах начальных температур (80 + 140) С, влагосодержаний газа
(80-7-160) и температур охлаждающей воды (5 + 25) С исследовано
кг.св.
влияние расходов теплоносителей на образование «сухих» зон и определены
условия их возникновения. Показано, что рост начальной температуры воды, влагосодержания и расхода газа увеличивает вероятность возникновения «сухих» зон.
На основе численного эксперимента, проведённого в диапазоне режимных
параметров, характерных для эксплуатации КТУ при утилизации тепла
продуктов сгорания, показана возможность существования режимов работы,
сопровождающихся испарением стекающего конденсата на нижних трубках и
существенным уменьшением коэффициента теплопередачи и
теплопроизводительности КТУ.
Расчётным путём показано, что влажный газ на выходе из КТУ может находиться в ненасыщенном состоянии, даже в тех случаях, когда в КТУ конденсируется значительное (более 50 %) количества пара. Относительная влажность газа на выходе может достигать 60 %.
Практическая ценность работы; Разработан прикладной; программный продукт, который может быть применён для расчёта и выбора, трубчатых оребрённых многоходовых тештообменных аппаратов, выпускаемых промышленностыо. Предложены рекомендации по выбору режимных параметров и монтажу КТУ.
Разработанная математическая модель и программный продукт на протяжении двух лет используются на кафедре ТМПУ МЭИ (ТУ) при изучении курсов «Тепломассообменное оборудование предприятий», «Энергосбережение в; теплоэнергетике и теплотехнологиях», а также в курсовом: и дипломном проектировании студентами специальности 10.07.00 (промышленная теплоэнергетика):
На защиту выносятся:
математическая модель для описания процессов тепло- и массопереноса в проточной части гладкотрубных и оребрённых рекуперативных КТУ;
результаты численного исследования процессов тепло- и массообмена в промышленных теплообменниках в рабочих диапазонах режимных параметров теплоносителей;
положение о возможности существования в КТУ режимов с частичным испарением влаги с поверхности теплообмена, сопровождающихся существенным уменьшением коэффициента теплопередачи;
положение о том, что парогазовая смесь на выходе из КТУ может находиться в ненасыщенном состоянии, даже в тех случаях, когда в аппарате конденсируется значительное количество пара (более 50 %).
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были доложены на национальных и международных конференциях:
7,8,9 и 10 Международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов. Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. Москва; 2001-2004 г.;
Первой Всероссийской школе - семинаре молодых учёных и специалистов "Энергосбережение - теория и практика". Москва, апрель, 2002 г.;
Первой; Международной научно - практической конференции "Современные энергосберегающие тепловые технологии (сушка и термовлажностная обработка материалов)". Москва, май, 2002 г. Публикации. Основные научные положения- и выводы изложены в 8
опубликованных работах [21, 22, 57-61, 65].
Структура и объём' работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы, состоящего из 69 наименований; и приложения. Общий объём диссертации составляет 136 страниц, включая рисунки, таблицы и приложения.
Кандидатская диссертация выполнена в Московском Энергетическом Институте (Техническом Университете) на; кафедре Тепломассообменных процессов и установок под руководством к.т.н., доцента А.Б. Гаряева.
Автор выражает глубокую признательность своему научному руководителю K.T.H., доценту А.Б. Гаряеву, д.т.н., профессору О.'Л. Данилову, к.т.н., доценту В .Я; Сасину, к.т.н. СВ. Захарову и всему коллективу кафедры ТМПУ МЭИ (ТУ) за помощь, оказанную при написании кандидатской диссертации.
Теоретические исследования процессов тепло- и мас-сопереноса в КТУ и методы их расчёта
Рассмотрим теоретические работы, в которых исследовались особенности тепло- и массообмена при конденсации пара из парогазовой смеси.
При конденсации в присутствии неконденсирующихся газов или паров других веществ с более высокой температурой насыщения теплота передаётся от смеси к поверхности конвективным путём и за счёт массообмена при конденсации. С увеличением содержания неконденсирующихся компонентов в смеси доля теплоты, передаваемой конвекцией, возрастает. Суммарный тепловой поток: при этом уменьшается, поскольку уменьшается: массовый поток, конденсирующего пара на стенку.
В.И. Терехов расчётно исследовал тепломассообмен при конденсации пара на стенке:[53]. Исходя из того, что процессы тепло- и массообмена подобны, а; также пренебрегая влиянием образующегося на поверхности конденсата В.И. Терехов получил распределения вдоль обтекаемой поверхности коэффициентов тепло- и массоотдачи и соответственно тепловых и массовых потоков. Расчёты проводились в следующем диапазоне параметров: В работе представлены результаты расчёта соотношения тепловых потоков - - в зависимости от температуры стенки при различных значениях относительной влажности, при этом показаны режимы, при которых конденсация на стенке переходит в испарение. Также в работе исследован режим максимального отношения - -,. который зависит от парциального давления пара смеси, температур в потоке и на стенке. В результате таких исследований сделан вывод, что относительная влажность оказывает существенное влияние на значение температуры стенки, в то время как давление парогазовой смеси оказывает на неё слабое влияние; увеличение pQ приводит к существенному росту тепловых и массовых потоков, а особенно сильное влияние влажности наблюдается в области р0 -»0 при. переходе от теплообмена сухого воздуха; к влажному [53], Расчётные данные были; сопоставлены с экспериментом, предоставленным: В.Н. Патрикеевым, погрешность составляла не более 20 %.
Э.П; Волчков и В.И. Терехов [18 19], численно решив систему дифференциальных уравнений движения, энергии и диффузии; пограничного слоя: при ламинарном І и тур бул ентном режимах течения влажного воздуха, а также сверив результаты расчёта с экспериментальными данными, исследовали подобие- процессов переноса импульса, вещества, и конвективного переноса теплоты. Авторы установили, что фактор неподобия этих процессов возрастает с увеличением концентрации пара в связи с тем, что возрастают значения чисел Прандтля Рг и Льюиса Le (при 0 й с : 1, Le = 1,1.-=-1,9, Pr = 0,7 -f 1,1). В диапазоне концентраций пара 0 с 0,2 наблюдается; подобие процессов переноса (Le = 1,3; Рг = 0,8 при с = 0,2 ), в практических расчётах можно пользоваться аналогией Рейнольдса. Кроме этого, при, малом паросодержании можно пренебречь влиянием отсоса пара на тепломассообмен и трение.
Рассмотрим наиболее используемые методы расчёта теплообменников, в каналах которых происходит конденсация пара из парогазовых смесей. Метод расчёта, основанный на коэффициенте влаговыпадения.
При наличии тепло- и массообмена; между воздухом и водой полный І тепловой поток dQ на. участке dF можно представить как сумму двух составляющих dQ = dQa + dQp, где dQa - явная теплота, dQp - скрытая теплота, dQ - полная теплота [47].
Отношение общего количества переданной теплоты к явному количеству теплоты называется коэффициентом влаговыпадения
Расчёт тепломассообменных аппаратов аналогичен расчёту рекуперативных теплообменников без выпадения влаги, но во всех расчётных соотношениях вместо коэффициента теплоотдачи а, используют эффективный коэффициент теплоотдачи аэ=а,-, учитывающий конвективный теплообмен и фазовый переход. Полный тепловой поток: dQ = %- dQa = a3-{t tw)-dF; Q=k-btcp - p.F; 1 = 1 5 J_ к a! X a2 где 5, Л - толщина и теплопроводность разделительной стенки. Процесс теплообмена в КТУ показан на рис. 1.7. Я, кДж кг А t и N = 100% кг.с.в d мі МО Рис. 1.7. Процесс теплообмена в КТУ. идеальный процесс; - реальный процесс
Трудность расчёта данным методом заключается в том, что не всегда известны параметры влажного воздуха на выходе, и решение осуществляют методом последовательного приближения. Метод расчёта, основанный на соотношении Льюиса и уравнении Меркеля.
Соотношение Льюиса [11, 45, 55] вытекает из условия подобия между процессами массообмена и теплообмена (сопоставление закона Ньютона с аналогией Рейнольдса). Подобие полей температур и концентраций выполняется, когда критерий Льюиса равен единице: Le = — = \. Из рассмотрения схематизированного процесса адиабатического увлажнения СС воздуха Льюисом было получено уравнение: -—= Q?, где коэффициент Pd массоотдачи /3d отнесён к разности влагосодержаний.
Соотношение Льюиса справедливо лишь тогда, когда имеет место аналогия между теплообменом и массообменом, т.е. когда можно пренебречь влиянием поперечного потока массы и стефановского потока на поля скоростей, температур и парциальных давлений, и в случае, когда содержание пара в смеси невелико.
Использовав соотношение Льюиса, Меркель получил выражение для переноса теплоты при тепло- и массообмене, где в качестве движущей силы используется энтальпийный потенциал. Рассмотрим стационарный процесс конденсации влаги из парогазовой смеси на поверхности стенки, смоченной жидкостью.
Описание переноса тепла в одиночном ребре при конденсации на его поверхности
Большая часть теплообменных аппаратов, в каналах которых происходит конденсация пара из парогазовой смеси, является оребрёнными многоходовыми теплообменниками- утилизаторами. Гладкотрубные тешюобменные аппараты применяются в редких случаях, например, если в воздухоохладителе охлаждение связано- с образованием на охлаждающей поверхности значительного количества инея или льда. Следовательно, необходим метод расчёта, позволяющий рассчитывать локальные значения температуры, влагосодержания и теплового потока по поверхности теплообмена в оребрённом многоходовом теплообменнике - утилизаторе.
Тепловой расчёт оребрённых теплообменников с влаговыпадением, так же как и теплообменников с неоребрёнными поверхностями, сводится к решению системы уравнений,теплового и материального балансов. Особенность расчёта оребрённых теплообменников - утилизаторов заключается В: том, что при вычислении: коэффициента теплоотдачи со стороны горячего теплоносителя (дымовые газы, воздух) приходится учитывать термическое сопротивление рёбер, из-за которого средняя температура поверхности ребра отличается от средней температуры неоребрённой части поверхности стенки tw. Когда рассматриваются процессы переноса тепла и массы, в каналах оребрённых многоходовых теплообменных аппаратов, учитываются две поверхности: площадь сребрённой поверхности (со стороны влажного газа) - F, и площадь неоребрённой поверхности (со стороны воды) - F2.
При отсутствии массообмена существуют аналитические решения уравнений, описывающих распределение температуры по длине плоского, круглого и трациевидного ребра, которые позволяют вычислить эффективность ребра [28]. В теплообменниках с влаговыпадением процесс передачи тепла существенно отличается от теплообмена сухого ребра, В этом случае имеет место не только теплопроводность по длине ребра и конвективный теплообмен, но и конденсация пара на поверхности, которая приводит к изменению распределения температуры по длине ребра и общего теплового потока, поступающего на его поверхность.
Дифференциальное уравнение, описывающее изменение температуры ребра, для теплообменного аппарата без влаговыпадения имеет вид: - = т& где 3 - разность текущей температуры ребра и температуры среды, окружающей ребро.
А.А. Гоголин [11] предложил рассчитывать эффективность влажного ребра таюке, как эффективность сухого, с той лишь разницей, что коэффициент теплоотдачи, входящий в формулу для параметра т вычисляется через коэффициент влаговыпадения, который является постоянной величиной по длине теплообменного аппарата: m-J- Поскольку суммарный коэффициент теплоотдачи в случае влаговыпадения возрастает, то эффективность влажного ребра становится ниже, чем у сухого. Однако, при расчёте значение , является неизвестной величиной, которая меняется по длине теплообменного аппарата.
Рассмотрим ребро на поверхности теплообменника - утилизатора для условий установившегося режима при совместно протекающих процессах тепло- и массопередачи. Перенос теплоты через ребро показан на рис. 2.3.
При расчёте параметров воздуха около поверхности, на которой выпадает конденсат, или при непосредственном контакте воздуха с водой над поверхностью формируется пограничный слой, заполненный насыщенным воздухом. При расчёте в таких случаях необходимо знать параметры воздуха на линии р-const вблизи ) = 100%. В книге [11] предлагается описать
приближенным уравнением кривую р - const. Эта кривая заменяется ломаной линией, состоящей из нескольких отрезков прямых. Используя этот подход, предположим, что изменение температуры по длине ребра невелико и влагосодержание насыщенного пара у поверхности ребра изменяется от температуры по линейной зависимости, т.е.: dw = A + B t„} где А, В -коэффициенты линейного уравнения.
Сопоставление результатов расчётов теплообменников на основе существующих методик и предлагаемой методики
Проведено сравнение предлагаемой математической модели и метода расчета газожидкостного рекуперативного теплообменника-утилизатора с выпадением влаги из парогазовой смеси с существующими методами расчета таких аппаратов. Для расчёта таких теплообменных аппаратов широко используются упрощённые инженерные методики, основанные на применении метода коэффициента влаговыпадения, соотношения Льюиса и уравнения Меркеля, а также ряд других.
Трудность расчёта теплообменника влажного воздуха методом, основанным на коэффициенте влаговыпадения, заключается в том, что не всегда известны параметры влажного воздуха на выходе, и решение осуществляют методом последовательного приближения.
Соотношение Льюиса и уравнение Меркеля справедливы при относительно низких температурах, которые имеют, например, место в СКВ и холодильной технике. При температурах воды 25 С и выше нельзя пренебрегать физической теплотой воды, вносимой ею в воздух, в этом случае погрешность расчёта может составлять более 10 %. Данный метод также трудно применять для расчёта теплообмена между влажным воздухом и оребрённой стенкой, на которой имеется слой испаряющейся (конденсирующейся) влаги. В этом случае для определения эффективности оребрения необходимо знать комплекс m-h-A -h, где коэффициент теплоотдачи а учитывает конвективный V Х-8 теплообмен и фазовый переход. Методом, основанным на соотношении Льюиса и уравнении Меркеля, вычислить эти составляющие не представляется возможным.
Сравнение метода, основанного на коэффициенте влаговыпадения, с методом, основанным на соотношении/ Льюиса и уравнении Меркеля, показывает, что результаты расчёта теплообменного аппарата с выпадением влаги по этим двум методикам практически совпадают [61]. В связи с тем, что метод, основанный на коэффициенте влаговыпадения, можно применять для расчёта теплообмена, между влажным воздухом и оребрённой стенкой, на которой имеется слои испаряющейся (конденсирующейся) влаги, то по исходным экспериментальным данным, рассматриваемым в главе З.1., произведём сравнительный расчёт этим методом и методом, разработанным автором на кафедре ТМПУ МЭИ под руководством к.т.н. А.Б. Гаряева.
Приведём последовательность расчёта конденсационного теплообменника -утилизатора, основанного на коэффициенте влаговыпадения. 1. По значениям температуры и влагосодержания определяется начальное кЛэю значение энтальпии горячего теплоносителя Я10,——. кг.с.в. 2. Задаётся температура холодного теплоносителя на выходе из теплообменника - утилизатора г2] С. 3. По уравнению теплового баланса рассчитывается теплопроизводительность теплообменного аппарата Q, кВт: Q = G2-Cp2- (/г-/:о).1(Г\
В условиях, соответствующих экспериментам А,А. Кудинова, проведено сопоставление расчетов по предлагаемой модели с методом расчета, основанном на коэффициенте влаговыпадения. Для этих условий, характеризующихся малым изменением температуры воды в КТУ (от + 5 С до + 20 С), предлагаемая модель обеспечивает лучшее (примерно на 10%) совпадение с экспериментом.
Установлено, что в случаях, когда рост температуры воды становится значительным и процесс обработки воздуха в (H-d) диаграмме отличается от прямой линии, метод коэффициента влаговыпадения не даёт возможности определить конечное значение температуры и влагосодержания горячего теплоносителя и задача становится неопределенной. Проиллюстрируем это при помощи (H-d) диаграммы (рис.3.9).
При малом изменении температуры поверхности теплообмена процесс обработки воздуха в КТУ представляет собой прямую линию. На ней с помощью метода последовательных приближений, описанным ранее способом, определяется конечное состояние газа - его температура и влагосодержание. Это дает возможность вычислить коэффициент влаговыпадения (рис. 3.9 (а)).
При большом изменении температуры воды температура поверхности теплообмена также изменяется сильно. В этом случае процесс обработки воздуха в КТУ представляет собой сложную кривую, аналогичную процессу обработки воздуха в смесительных теплообменниках (рис. 3.9 (б)),
Вид этой кривой заранее неизвестен. Тогда знание конечной энтальпии газов не дает возможности определить его температуру и влагосодержание на выходе и найти коэффициент влаговыпадения. Задача при этом становится неопределенной.
Влияние скоростей теплоносителей на работу КТУ
Чем ниже начальная температура воды, поступающая в КТУ, тем больше явное, скрытое и полное количество теплоты, выше коэффициент теплопередачи, а также эффективность КТУ. В результате изменения начальной температуры холодного теплоносителя в диапазоне (5 - 25) С значение полного количества теплоты уменьшается на 28 %. Чем ниже начальная температура воды, тем больше отношение —, так при t2Q =5С - = 2, а при t20 = 25 С — = 1,5. Таким образом, с ростом t20 уменьшается доля количества теплоты, вносимая конденсацией пара из парогазовой смеси, и в КТУ может возникнуть область с частично «сухими» зонами; Из вышесказанного можно сделать следующий вывод: теплообменные аппараты выгодно применять, когда в КТУ поступает холодный теплоноситель с низкой температурой, например, когда вода идет на подпитку котла в зимний период года.
Изменение температуры влажного газа. Рассмотрим такой же теплообменник с постоянной начальной температурой воды 7 С и варьируемой начальной температурой влажного газа (80 140) С.
С ростом начальной температуры влажного газа в диапазоне (80+140) С происходит увеличение доли явного теплового потока в полном тепловом потоке. Резкое снижение коэффициента теплопередачи объясняется быстрым ростом температуры теплообменной поверхности и уменьшением разности влагосодержаний газа в потоке и вблизи поверхности теплообмена. Эффективность КТУ при этом остается практически неизменной величиной.
Изменение влагосодержания газа. Рассмотрим такой же теплообменник с постоянной начальной температурой воды и влажного газа соответственно 7 С и 130 С и варьируемым начальным влагосодержанием влажного газа (80 ч-160) г кг.с.в.
Результаты расчёта теплового и массового потоков на оребрённой стенке при обтекании поверхности турбулентным потоком влажного воздуха и варьировании влагосодержания горячего теплоносителя показали, что с ростом влагосодержания горячего теплоносителя в диапазоне (80- 160) кг.се. происходит рост передаваемого скрытого теплового потока (в 2 раза) и увеличение полного количества теплоты и коэффициента теплопередачи на 50 і %, при этом происходит незначительное снижение эффективности КТУ (на 11
Для увеличения полного количества тепла целесообразно использовать КТУ для утилизации тепла газов с высокой влажностью. Для увеличения влажности можне смешивать дымовые газы с выпаром деаэраторов, как это осуществлялось на Ульяновской ТЭЦ- 3 [33].
Разработанная программа расчёта позволяет получить также местные значения теплового потока m коэффициента теплопередачи, а также температуры и влагосодержания: по поверхности теплообменного аппарата. Поскольку рассматриваемый аппарат имеет сложную схему движения теплоносителей, то распределение этих величин может быть рассмотрено, как в направлении движения воды, так и в направлении движения воздуха. В первом-случае изменение этих характеристик происходит вдоль трубных пучков, по которым движется вода, а во втором - по рядам труб, которые поперечно обтекаются потоком влажного воздуха.
Распределение теплопроизводительности; коэффициента теплопередачи КТУ, температуры теплоносителей и влагосодержания газа представлены на рис. 4.21 — 4.23. Расчёты по предложенной модели показывают, что средний температурный напор At отличается от среднелогарифмического Мсряо2. Для описанного выше случая среднелогарифмический температурный напор равен: & сряш=— -т-—— = 80,79 С, а средняя интегральная разность температур между теплоносителями вдоль поверхности теплообмена равна: Д/ = 71,08С, отличие в расчёте температурного напора составляет 14 %, следовательно, в расчёте теплопроизводительности КТУ или его площади поверхности, используя формулу среднелогарифмического температурного напора, появляется ошибка.
Математическая модель, предложенная в работе, является более универсальной, чем модели, положенные в основу существующих инженерных методов расчёта. В её основе находятся линейные дифференциальные уравнения, решение которых позволяет найти локальные значения температур и влагосодержаний теплоносителей для различных конструкций КТУ, определить и предотвратить возникновение «сухой» зоны на его поверхности.
