Введение к работе
Актуальность таботы. Тошгообнен при конденсации дзнду--щегося водяного пара реализуется в многочисленных конденсаторах пара стационарннх и транспортных энергоустановок;- В энергоустановках конденсаторы поверхностного типа являются самой крупной' по габаритам и металлоемкости частью тешюоб-ненного оборудования.
Одним из способов конденсирования заданного количества пара и поддержание заданного давленая конденсации в конденсаторе при минимальных ыатераадыш ~а финансовых затратах является проектирование конденсаторов с рациональной компоновкой трубного пучка. Проектирование таких конденсаторов требует совершенствования методики теплового и гидравлического расчета при конденсации пара на горизонтальных пакетах трусі. Разработка научных основ такси методики является актуальней практической и научней задачей;
Целью работы является выполнение теоретического и экс
периментального исследования теплообмет при конденсации дви
жущегося вертикально вниз практически "чистого" насыщенного
водяного пара ва отдельных рядах горизонтального пакета
гладких труб и получение аплроксимирупцей зависимости для произвольного ряда труб, пригодной для инженерных тепловых расчетов горизонтальных пакетов труб конденсаторов поверхностного типа в-условиях нисходящего потока движущегося пара.
Научная новизна:
I. Впервые выполнено теоретическое решение сопряжение!! задачи расчета теплообмена при конденсации движущегося вертикально вниз насыщенного водяного пара на горизонтальної гладкой трубе произвольного ряда, находацегося в трубном пакете в следу щей постановке:
-
В сопряженной краевой задаче рассчитывались паровой динамический-пограничный слой, гидродинамика и теплообмен в пленке конденсата, с учетом натекания его с вышераспо-ложенннх труб, теплопроводность стенки трубы с учетом шероховатости наружной поверхности трубы, теплопроводность слоя отложений внутри трубы и тепловой пограничный слой охлажцакъ щей воды;
-
В решении учтено, что при натекании конденсата о вышерасположенных труб теплота в пакете труб при конденсации
движущегося пара передается двумя способами: конвекцией на начальном участке трубы я конденсацией на остальной ее части. На каждом участке производился расчет сопряженной" краевой задачи с учетом геометрии пакета труб.
-
Выполнено экспериментальное исследование и получены новые опытные данные по локальной по рядам труб теплоотдаче при конденсации движущегося вертикально вниз насыщенного водяного пара на П-рядном фрагменте трубного пучка натурного конденсатора с шахматной разбивкой труб.
-
Теоретические и эксперментальные результаты настоящей работы и опытные данные других авторов обобщены однопа-раметрической зависимостью для инженерного расчета теплообмена при конденсации движущегося пара на любом произвольно выбранном ряде горизонтального пакета труб.
Практическая ценность работы. Предложена методика расчета теплообмена при конденсации движущегося вертикально вниз насыщенного водяного пара на рядах пакета гладких горизонтальных труб. Данная методика используется в детальном (позонном) методе теплового и гидравлического расчета конденсатора, разработанного в Санкт-Петербургском государственном морском техническом университете (С-ПГМТУ), который с успехом применяется при проектировании конденсаторов на ведущих предприятиях соответствующего профиля, таких как ПО "Ленинградский металлический завод", ПО "Калужский турбинный завод".
Апробация работы. Основное содержание диссертации отражено в четырех публикациях. Результаты данной работы докладывались га ежегодных научно-технических конференциях в С-ПМГУ (I989-I99I гг.), на 8-й Всесоюзной конференции "Двухфазный поток в энергетических машинах и аппаратах", 23-25 октября 1990 г. в г.СанКт-Петербурге.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложения. Объем работы 157 страниц, в том числе 3? рисунков, 5 таблиц и список использованной литературы из 93 наименований.
Во введении показаны актуальность, цель : задачи проведенных теоретических и экспериментальных исследований тепло-
обмена при конденсации движущегося вертикально вниз пара в конденсаторах энергоустановок. В частности, раскрыта.прагсги- . ческая-необходимость создания "надежной методики расчета теплообмена для детального (позоннсто) метода теплового и гидравлического расчета конденсатора. Показано преимущество детального (позонного) метода перед теми методами расчета, которые основаны на определении среднего по поверхности охлаждения коэффициента теплопередачи с помощью эмпирических зависимостей. Кратко изложено содержание разделов диссертаций.
В первой главе приведен обзор теоретических и экспериментальных работ, посвященных исследованиям теплообмена при конденсации движущегося вертикально вниз водяного пара на одиночных гладких горизонтальных трубах (рядах) и пакетах горизонтальных труб, сформулированы задачи исследования.
Из выполненного обзора были сделаны следующие вывода:
-
Для одиночной трубы без натекания конденсата теоретические решения теплообмена, полученные в работах Г.Г.Шек-риладзе, Т.Зудаи, Л.Д.Берлана, Д.Баттерворта, В.Ли при граничных условиях постоянства по периметру трубы температурного напора пар-наруясная стенка трубы Т[\-Тсгн илл удельного т оптового потока Остн на согласуются с имеющимися опытными данными Л.Д.Бермана, Т.фудаш, Д.В.Ноббса, А.А.ІІромкслоЕа, В. Г.Ї. Пару идейна, В.Ли, А.А.Никола.
-
Удовлетворительное согласование с опытными данными различных авторов (см.п.1) для одиночных труб без натеканпя конденсата дают те теоретические решения, которые выполнялись с граничными условиями постоянства по периметру трубы температурного напора пар-охлавдаюцая вода Тп~Т0.в. и суммарного термического сопротивления стенки трубы и охлаздані;еіі воды Rcr+Ro.8. (работы В.М.Марушкина и Т.^удки).
-
Лзвестная эмпирическая формула Л.Д.Бермана для од -ной трубы без натекания конденсата и имеющая вид:
ьС/і„,=/9ге+8'ф(Яь/(Р/к*)) ; d)
удовлетворительно согласуется с опытными данными различных авторов (сіл.п.І) и с теоретическими решениями, выполнявшимися при гт-ашічккх усюрпях, указанных з п.2.
'.. Для гтрогії-і'льнш; рядов пакета труб, находящиеся в условиях натекания сверху конденсата, теоретических решений практически не имеется.
Единственное известное автору т литературы теоретическое ршение В.М.Марушкина выполнено с граничными условиями, указанными в п.2. Однако, это решение не учитывает такие факторы, как наличие на трубах пакета начального участка конвективного теплообмена' (без конденсации) согласно работам И.И.Гогонина , шероховатость наружной поверхности трубы, термическое сопротивление слоя отложений внутри трубы, переменность физических свойств охлаждающей воды поперек потока.
5. Дія произвольных рядов пакета труб, находящихся в условиях натекания конденсата, эмпирические формулы различных авторов (Д.В.Ноббса, С.Н.фукса, А.А.Прсмыслова) не согласуется ыавду собой, а поэтому необходимы дальнейшие теоретические и экспериментальные исследования, выполняемые в более точной постановке задачи.
Во второй главе излояенб теоретическое решение задачи о теплообмене при конденсации движущегося вертикально вниз практически "чистого" насыщенного водяного пара на гладкой горизонтальной трубе, находящейся в ряду пакета труб при нарекании на нее конденсата с вышерасполсхенных труб. Интенсивность теплообмена на всех трубах в ряде предполагалась при этом одинаковой. Таким образом, пакет труб рассчитывается последовательно по рядам.по ходу движения пара, начиная с первого ряда. Перед каждым рядом рассчитываются расход натекающего конденсата с вышерасположенных труб, скорость пара с учетом конденсации пара на вышерасположенных рядах, температура пара с учетом потери давления на вышерасположенных рядах.
Как будет показано ниже, в отличии от теоретического решения В.М.Марушкина, теоретическое решение, выполненное автором данной работы, учитывает те факторы, перечисленные выше, которые не были учтены в атом решении.
В настоящей работе задача решалась в следующем постановке (рис.1). На горизонтальную трубу длиной Lrp , изготовленную из материала с коэффициентом теплопроводности Лег , имеющую наружный и внутренний диаметры и# и о.$ц соответственно, набегает движущийся вертикально вниз сухой насы-' щенный водяной пар со скоростью ilm и температурой 7л . Сверху на трубу, на ее верхнюю образующую, натекает конденсат с вышерасполокенных труб пакета с массовым расходом на единицу длины трубы &к и с температурой, равней темпера-
к,ипн%Тп
Рисі. Расчеття схема процесса ковденсации.
ш 3rf*!JH
W 8
(%f УА 1,о
o,s у/я уз
Рис.2. Теоретическое распределение по полупе
риметру трубы локальных значений р.р , Mcc , %m ,
%твн Т^для трубн с натеканием сверху конден
сата. ^
туре насищеная пара 7л (предполагается, что, как и для неподвижного пара, в работах И.И,Рогониш , конденсат при падении в межтрубнсм пространстве прогревается до температуры пара 7/7 ). Задана абсолютная шероховатость наружной поверхности трубы Aut и термическое сопротивление слоя отложении внутри трубы Rota . Внутри трубы течет охлаждающая вода со средними по сечение скоростью ССо.в. и температурой - Tag. . Расстояние между осями труб в горизонтальном ряду Snon
Начиная от верхней образующей полу периметр трубы раз-' деляется на два участка: при 0<ф&(Рн образуется начальный участок конвективного теплообмена (без конденсации), при (ftf^ipiST -участок конденсации. Течение пара в пограничной слое и течение конденсатной пленки считалось ламинарным, а течение охлаждающей воды считалось турбулентным. После точки отрыва парового пограничного слоя от поверхности пленки конденсата при ip&*(fbrp касательное напряжение на границе пар-конденсат ТГр считалось равным нулю.
Размер начального участка конвективного теплообмена или угол (рн определялся из условия, когда тепловой пограничный слой в пленке конденсата, развивающийся от слоя шероховатости на наружной поверхности трубы, выходит на поверхность пленки конденсата. -Течение пара за пределами динамического пограничного слоя при О ^^< определялось по формуле (по аналогии с потенциальным течением):
авоо^-—^—и„н^спір. (2)
Теплоотдача к охлаждающей воде рассчитывалась по методике Б.С.Яетухова.
Математическая формулировка сопряженной задачи выглядит следующим образом:
-для пара при Оир^(роГр'' ,
и*Ж-^^-иш-^Ч*щг> (3)
дал . д%
дх ду
- для пленки конденсата:
-О; (4)
d^K
(5)
5 №Kdtf=GK/2; (7)
при %^(p$W: У
- для слоя шероховатости:
19стн1--^-=Ъи-Тет; (її)
- для стенки трубы:
2-Лет Н \*вн
для слоя отложений:
1 ^-.^.^-^)=^-; as)
rj0 ~'ст#н~Тогл у
жений:
[^СГЯІ'/УоТЛ'й^У __ у- __. . (13)
- для охлаздаицей вода:
dio&'dg,, _ ? feo.e.'Pra8/i;e .
^0,86+0,9-(4^/1.^ при Lrp/dBH
(17)
e=i при LTp/dgH^6D,
граничные условия: при ^/= Д/7+^+Дог !
- un=aneo,vn=o,~^=o-7 (is)
при ^/=o>+Ao/ I
,, л і/ ІЯегн\ ., 8Uk dUp ^. -г -г , * Wfr-w^ft*'*^**'*1**'' (I9)
при у=Дщ. і
и,с*0,Ук=0,Тх*Тш ; (20)
при о^ір^ір//:
при ^= ^ + Лщ.:
Тк=т„^=о,ду,/ду=о; (2і)
при у=Ащ.:
г=гстн,д$Іду*о, (22)
В результате численного решения системы уравнений (2)-(17) с граничными условиями (18)-(22) на ПЭВМ типа IBM PC/AT находятся локальные и средние по периметру трубы значения удельного теплового потока на наружной поверхности трубы фегц » коэффициента теплоотдачи от движущегося aL и неподвижного оі.цП пара при прочих равных условиях, температуры наружной и внутренней поверхностей трубы Тстн и %тён соответственно, касательное напряжение на границе пар-конденсат ТГр (только локальные).
Для учета влияния зависимости физических свойств кон
денсата от температуры, влияния волнообразования на поверх
ности пленки конденсата и влияния капиллярных сил, в пером
приближении, средняя по периметру трубы величина 5" умно
жается на соответствущиб поправки ± , v ,Eg .также как
и для неподвижного пара в работах И.И.Гогонина. __
Проведенное сравнение средних по периметру трубы Ы-ип на одиночнсй трубе без натекания конденсата, подсчитанных по методике, изложенной в данной главе (без учета поправок t , v , J и при условии, что Дщ. = О, fi0M = 0) и по известной формуле B.Ifycc альта показало их удовлетворительное согласование.
Для примера, на рис.2 показаны результаты теоретического решения данной работы при следупцих исходных данных: материал трубы - латунь ( -Дег = 8"7 Вт/(м*К)), Lrp = I м, Ыц =
9 0,019 и, сііи = 0,017 м, UnH = II м/с, Тп = 50С, &/<_ = 0,11 кгАм'с), Аш.= І6*І0_6 м,/?ог/і =6-10-5 м2-К/Вт,^лЛ = I м/с, "5,ft = 5С, 5яО^"""="0,03~м.~На~ри"с";2""на""осязс"орданат и абсцисс отлоаены безразмерные величины : ^/и^сС'Ы.ц/Лк 5
Анализ результатов теоретического решения данной работы показал, что для одиночной трубы без натекания конденсата результаты данного теоретического решения удовлетворительно согласуются с теоретическими данными работ Т.Фуджи, А.А.Никола и с опытными данными работы Д.Б.Ноббса.
В третьей главе описываются экспериментальная установка й методика проведения экспериментов, обосновывается выбор диапазона изменения факторов, определяющих теплообмен, проводится анализ погрешностей измерений.
Схема экспериментальной установки показана на рис.3. Основные элементы этой установки: I - экспериментальный конденсатор, 2 - вспомогательный конденсатор, 3 - подогреватель охлаздаюцей воды, 4 - циркуляционный насос охлавдавдей воды, 5 - водокольцевой вакуумной насосный агрегат, 6 - напорный бак охлаждающей воды, 7 - система пароподготовки.
Исследованный пакет гладких горизонтальных труб, нахо
дящийся в экспериментальном конденсаторе, состоит из 50-ти
латунных труб длиной І м (рис.4), через которые прокачивает
ся охлааданцая вода. Вертикальный центральный ряд труб со
стоит из шести контрольных труб (рис.4), в каждой из которых
измерялся нагрев и расход охлаадащей воды и температура на
ружной поверхности трубы. Нагрев и расход охлаадащей воды
измерялся ртутными лабораторными термометрами и объемным спо
собом соответственно. Температура наружной поверхности трубы
измерялась посредством медных термометров сопротивления
(ТСМ). Давление пара и расход конденсата измерялись водяным вакуумметром и объемным способом соответственно. Температура пара определялась по его давлению, считая пар насыщенным. Массовое содержание воздуха в паре контролировалось лабораторным прибором С.Н.%кса.
Давление пара варьировалось в пределах Рп = 5+20 кПа, скорость пара в широком сечении Мпн - 6,6+33 м/с, температурный напор пар-стенка Тц-1стм = 1,0+12,0С, удельный тепловой поток Я,стш~ 27» 4+220 кВт/м , относительное массе-
Рис.3, установки.
Принципиальная ехала экспериментальной
зо , : ' Ч-І-
0/9*
ЭРЖСLP /
доШ г
оофо -
оЩС?С
mm* As
Рис.4. Схема кошіоновки пакета, труб.
-
- контрольные трусы;
-
- стенка из оргстекла.
вое содержание воздуха в паре g = О,02+О,05, число Рей-нолвдса пленки конденсата ^юр^к'^/^к _ = 0,5+30, _ ^температура и скорость охлавдавдей вода %ц = 4,8+Г7С, Uo.& = 0,3*2,0 м/с, степень конденсации пара в исследованном пакете труб. к = 30+100$, коэффициент теплоотдачи от движущегося пара оС = 2,3+25 кВт/(м К), коэффициент теплопередачи К = 1+4,6 кВг/(м2*Ю."
Оценка погрешности измерений показала, что при средних режимных параметрах я значениях температурного напора . Тц-Тсін = 10С и нагрева охлаадащей вода 5С погрешности измерения вашчин уеп , Sl ,7^-^ составляла ГО,&; TT,2jL\ 3,6$ соответственно.
В четвертой главе приведены результаты теоретического и экспериментального исследований тастояцей работы.
Сравнение теоретических и экспериментальных результатов настоящей работы показало их удовлетворительное согласование в пределах погрешности тевдофизического эксперимента.
Теоретические и экспериментальные результаты настоящей -работы сравнивались также и с эмпирическими формулами для расчета локального коэффициента теплоотдачи от движущегося пара по рядам труб пакета различных авторов (Д.В.Ноббса, С.Н.Фукса, А.А.Прсмыслова).
Так как проведенное сравнение показало неудовлетворительный характер этих эмпирических формул, то' для расчета среднего по периметру трубы коэффициента теплоотдачи 1 от движущегося вертикально вниз практически "чистого" сухого насыщенного водяного пара на I -м горизонтальном ряду труб была предложена обобщающая формула следушцего вида:
Я. в - О.В W ( < I . В . 0.21 ч.|^«.
i-mi - средний по периметру трубы коэффициент теплоотдачи от неподвижного пара при прочих равных условиях на L -м горизонтальном ряду, который рассчитывается с учетом натекающего сверху конденсата с вышерасположенных труб пакета.
Предложенная формула (23) обобщает теоретические и экспериментальные результаты настоящей работы и опытше данные С-ШМГУ (1980-1982 гг.) с погрешностью, характерной для теп-
лофизического' эксперимента. В настоящей работе экспериментально установлено, что границы применимости формулы (23) составляют по давлению пара Ра =5+20 кПа, по безразмерному комплексу Fr„/(PrH-K) = 0,4*40.
Скорость пара при определении числа РГп берется по широкому сечению перед I -м рядом труб. Физические свойства пара и конденсата подсчитываются по температуре пара 7Jj перед і -м рядом труб.
Для первого ряда труб ( = I) формула (23) совпадает с формулой Л.Д.Бермана (I).
Предполагается, что формуле (23) учитывает все основные особенности процесса конденсации движущегося вертикально вниз водяного пара в пакете гладких горизонтальных труб.
При сравнении теоретические расчеты данной работы проводились при значениях величин Аш= 16* І0"6 м, Roti\ = g.'jQ-o jj^rYJdn:, которые определялись по опытным данным.
На рс.5 показано сравнение теоретических г и экспериментальных э удельных тепловых потоков на наружной поверхности трубы настоящей работы для 3-й сверху контрольной грубы (для остальных контрольных труб картина аналогичная).
На рис.6 показано обобщение теоретических и экспермен-талышх данных настоящей работы формулой (23) для 3-й сверху контрольной трубы (для остальных контрольных труб картина аналогичная).
На рис.7 показано обобщение опытных данных С-ПШТУ
(1980-1982 гг.), полученных при исследовании теплообмена при
конденсации движущегося вертикально вниз водяного пара на па
кете гладких горизонтальных труб, изготовленного в виде вер
тикального ряда, формулой (23). _
При обработке теоретических результатов величины Ы-l и oLiml для соответствувщей контрольной трубы подсчитывались по методике, изложенной во второй главе. При обработке экспериментальных результатов величина ail бралась из эксперимента, величина Ж/мі подсчитывалась по методике, изложенной в работах Й.И.Гогонита для неподвижного пара с учетам натекающего сверху на трубу конденсата.»
В заключении диссетэтации формулируются вывода по работе и излагаются рекомендации по использованию полученных результатов.
В приложении к диссертации приведены таблицы опытных
Рас.5.„Сравнение теоретических а-r и экспериментальных о, удельных тепловых потоков настоящей работы. г*
Рис.6. Обобщение теоретических и экспериментальных результатов настоящей работы формулой (23).
а - теория; - эксперимент; - расчет
по формуле (23).
6 810*
Рис.7. Обобщение экспериментальных результатов С-ПМГУ (1980-1982 гг.) формулой (23Г
- трубы без ват екания конденсата; А - тру
бы с натеканием сверху конденсата; расчет по
формуле (23).
данных исследований теплообмена настоящей работы.
ОСНОВНЫЕ вывода ПО РАБОТЕ
-
Впервые выполнено теоретическое решение задача теплообмена при конденсации двияущегося вертикально вниз водяного пара на пакете горизонтальных гладких труб в более точной постановке задачи, чем предыдущее теоретическое решение В.М.Марушкина.
-
Результаты полученного теоретического решения подтверждены результатами экспериментального исследования настоящей работы и опытными данными других авторов.
-
Предложена зависимость, обобщакщая теоретические и экспериментальные результаты настоящей работы и опытные данные других исследователей.
-
Полученная зависимость используется в детальном (по-з они да) методе теплового и гидравлического расчета конденсаторов с горизонтальными трубными пучками.
Р - давление, кПа;
Т - температура, С, К;
2 - удельный тепловой поток, Вт/м ;
R - термическое сопротивление, м *К/Вт;
ot - коэффициент теплоотдачи, ^Ь^"Ю,Ы.=\^стн\1(Тп-Ътн)'%
ц> - угол от верхней образующей трубы, рад;
X - координата от верхней образующей трубы вдоль наружной поверхности, и;
у - координата по нормали от наружной поверхности трубы, и;
U - скорость вдоль основного потока, м/с;
V- скорость поперек основного потока, м/с;
д - ускорение свободного падения, м/с ;
д ,5 ~ толщина, и;
^ - коэффициент гидравлического сопротивления;
<t - поправка га переменность физических свойств, охлаждаю-пей еоды поперек потока;
„ - поправка гл. начальный участок стабилизации теплообмена;
Л-коэффициент теплопроводности, Бт/ОгК);
"\) - кинематическая вязкость, ~м /с; -
JX- динамическая вязкость, Па*с; 1?п- теплота парообразования, Дк/кг; Ср.- удельная изобарная теплоемкость, ЛдДкг'К); р - плотность, кгЛі3;
К~^-п/(Срк'(Тп-ТстнУ) - число Кутателадзе;
Рг- число Прандтля; Ftn=UnH/(g-dn)- число Фруда пара; Яп-1^т'^н1%~ 'ЧИ0-'10 Рейнольдса пара; &аВ.=є.і.'СІє#/^с.8. ~ ччсло Рейнольдса охладдащей
вода.
Нижние индексы.
/7- относящийся к пару, к паровому динамическому пограничному слою; К- относящийся к пленке конденсата;
ТК- относящийся к тепловому пограничному слою в пленке конденсата; ш.- относящийся к слою шероховатости; ОТЛ - относящийся к слою отложений внутри трубы; О.В. - относящийся к охлаждающей воде.
Верхние индексы.
относящийся к величине, средней по периметру трубы,
по толщине пленки конденсата; ~ - относящийся к безразмерной величине.
Похожие диссертации на Теплообмен при конденсации движущегося водяного пара на пакете горизонтальных труб
