Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Состояние и постановка задачи исследования 8
1.1. Условия применения контактных конденсаторов ПВТН 8
1.2. Теоретические разработки процессов 13
1.3. Экспериментальные исследования 28
1.4. Определение средней термодвижущей силы при конденсации в контактном аппарате 40
ГЛАВА 2. Методика проведения исследования и экспериментальные стенды 46
2.1. Экспериментальный стенд, методика проведения и результаты аэродинамических испытаний регулярной плоскопараллельной насадки 48
2.2. Экспериментальный стенд, методика и результаты проведения испытания по сопротивлению газовому потоку в модели контактного аппарата с регулярной орошаемой насадкой при двухфазном течении сред 53
2.3. Экспериментальный стенд и методика проведения исследований процессов тепло - и массопереноса в контактном аппарате 62
2.3.1. Экспериментальный стенд 62
2.3.2. Методика проведения исследования и обработки результатов 66
ГЛАВА 3. Результаты экспериментального исследования 71
3.1. Исследование процесса конденсации водяного пара в отсутствии неконденсирующихся газов 71
3.2. Анализ погрешностей экспериментального исследования 76
ГЛАВА 4. Методика расчета контактного конденсатора пароводяного теплового насоса при отсутствии неконденсирующихся газов 85
4.1. Постановка задачи и алгоритмы теплотехнического расчета аппаратов 85
4.2. Термодинамические зависимости математической модели аппарата 90
4.3. Основные зависимости математической модели и методика расчета контактного аппарата при полной конденсации пара 92
Выводы и заключения 97
Литература
- Теоретические разработки процессов
- Экспериментальный стенд, методика и результаты проведения испытания по сопротивлению газовому потоку в модели контактного аппарата с регулярной орошаемой насадкой при двухфазном течении сред
- Экспериментальный стенд и методика проведения исследований процессов тепло - и массопереноса в контактном аппарате
- Термодинамические зависимости математической модели аппарата
Введение к работе
Актуальность работы. Одним из перспективных направлений сохранения и рационального использования энергоресурсов является применение тепловых насосов (ТН) различного типа. Распространение получили парокомпрессион-ные и абсорбционные ТН (термотрансформаторы). Многие холодильные агенты, используемые в настоящее время в парокомпрессионных ТН, попадая в атмосферу, приводят в той или иной степени к разрушению озонового слоя Земли или вносят вклад в парниковый эффект. Проблема экологической безопасности приводит к необходимости создания ТН с высокими экономическими и эксплуатационными показателями и поиску альтернативных рабочих веществ. Одними из перспективных являются пароводяные тепловые насосы (ПВТН), рабочим веществом которых является вода.
Использование воды в качестве рабочего вещества, низкопотенциального и высокопотенциального источников позволяет применять в ПВТН контактные теплообменные аппараты, которые снижают металлоемкость системы в целом и повышают термодинамическую эффективность за счет сокращения, разности температур в процессе теплообмена. Вода является самым дешёвым и экологически чистым рабочим веществом. Применение контактных аппаратов позволяет расширить группу вторичных энергоресурсов за счет снижения требований по их загрязненности. Основными недостатками применения воды в качестве рабочего тела являются:
- высокие степени повышения давления в условиях применения ПВТН,
приводящие при показателе адиабаты воды (к= 1,34) к чрезмерно высокой тем
пературе конца процесса сжатия в компрессоре;
— большие удельные объемы воды в парообразном состоянии, требующие
использования компрессоров высокой объемной производительности.
ПВТН перспективны в системах теплоснабжения и горячего водоснабжения, в процессах сушки и концентрировании водных растворов, при очистке и
Теоретические разработки процессов
В поверхностных аппаратах с горизонтальным зеркалом жидкости пар проходит над поверхностью неподвижной или медленно движущейся жидкости, зеркало жидкости является поверхностью тепломассообмена. Такие аппараты малоэффективны, поскольку эта поверхность незначительна и жидкость часто движется ламинарно.
Пар и жидкость в пленочных аппаратах соприкасаются на поверхности текущей жидкой пленки. Известны три типа пленочных аппаратов: - трубчатые аппараты (пленка жидкости стекает по внутренней поверхности вертикальных труб); - аппараты с плоскопараллельной насадкой, пленка жидкости стекает по обеим поверхностям вертикальных плоских или профильных пластин; - аппараты с восходящим (обращенным) движением пленки, жидкость и пар движутся восходящим прямотоком.
Пленочные аппараты более эффективны, чем аппараты с горизонтальным зеркалом жидкости. Сопротивление трубчатых и аппаратов с плоскопараллельной насадкой при больших скоростях пара невелико, но эффективность этих аппаратов мала (поверхность контакта фаз не высока, пленка жидкости турбуллизи-руется лишь паром). Аппараты с восходящим движением пленки являются высокоэффективными, но имеющими высокое гидравлическое сопротивление, поскольку работают при высоких скоростях пара и по этому показателю менее предпочтительны для применения в конденсаторах ПВТН.
Распыливающие аппараты наиболее просты в изготовлении, но имеют недостатки. Время контакта фаз на поверхности струй ограничено. Исследованиями установлено, что для интенсификации процессов теплообмена необходимо уменьшать длину струй.
Многие типы барботажных аппаратов (со сплошным барботажным слоем, с механическим перемешиванием жидкости и др.) обладают относительно высоким сопротивлением движению парообразного потока. Аппараты с механическим перемешиванием жидкости требуют дополнительного энергопотребления и являются менее надежными.
Рациональными типами контактных аппаратов для целей ПВТН являются барботажные тарельчатые аппараты (с провальными тарелками) и поверхностные аппараты с регулярными насадками. Для целей ПВТН перспективны простые в изготовлении контактные конденсаторы с регулярными насадками, обеспечивающие более низкое сопротивление движению двухфазного потока и меньшую металлоемкость. Помимо этого аппараты с регулярными насадками позволяют работать в широком диапазоне нагрузок.
Условия применения контактных конденсаторов ПВТН: - тепловая нагрузка на аппарат 55 4- 10000 кВт; - нагрев высокопотенциального источника 6 ч- 25 С; - температура насыщения 50 -г- 110 С; - поверхностные аппараты с регулярными насадками.
Контактные насадочные конденсаторы ПВТН состоят из распределительной, насадочной зон и зоны сбора жидкости. По сравнению с насадочной зоной аппарата процессы тепло- и массопереноса в двух других зонах менее существенны. В насадочной части аппарата возможно движение жидкой фазы одновременно в виде струй и капель в различных сечениях аппарата. В настоящее время исследований таких аппаратов недостаточно для рассматриваемого диапазона.
Теоретические разработки процессов
Для аппарата, где имеет место непосредственный контакт теплообмени-вающихся фаз, наибольший интерес представляют теоретические решения задач конденсации водяного пара на ламинарных и турбулентных струях переохлажденной жидкости и на каплях. Аналитические зависимости, полученные при теоретическом решении этих задач, а также результаты экспериментальных исследований представлены ниже.
Для случая конденсации пара на ламинарных струях воды впервые на основании физической модели процесса в работе С.С. Кутателадзе [40] получена обоснованная система безразмерных критериев.
Экспериментальный стенд, методика и результаты проведения испытания по сопротивлению газовому потоку в модели контактного аппарата с регулярной орошаемой насадкой при двухфазном течении сред
Схема экспериментального стенда для проведения аэродинамических испытаний насадки представлена на рис. 2.2. Аэродинамическая труба состоит из корпуса 8 (горизонтальная труба, внутренним диаметром 220 мм и длинной 2,57 м), внутри которого установлены пять слоев исследуемой насадки 7 общей высотой Н = 211 мм, центробежного вентилятора 1 с переменной частотой вращения. До и после блока насадки вмонтированы патрубки dy= 6 мм для отбора статического давления. Аэродинамическая труба имеет участок динамической стабилизации потока до насадки. В ходе эксперимента измерялись следующие параметры: - разность статических давлений воздуха до и после насадки, измерялись диф ференциальным цифровым микроманометром точностью 0,2 Па, поз. 7; - динамическое давление воздуха в десяти точках поперечного сечения до на садки, измерялись дифференциальным цифровым микроманометром точно стью 0,2 Па поз. 4 и трубки Пито поз. 3; - температура воздуха перед насадкой, измерялась лабораторным ртутным термометром точностью 0,1 С поз. 6; - атмосферное давление, барометром- анероидом.
Частота вращения центробежного вентилятора марки СК 250 С Aut. Tk плавно регулировалась при помощи тиристорного преобразователя частоты 2.
Аэродинамические испытания обрабатывались по следующей методике: Локальные скорости в сечении аппарата, м/с где Pdr динамический напор в / -том сечении, Па; рв- плотность воздуха, кг/м3. Рис. 2.2 Стенд для аэродинамических испытаний насадки Средняя по сечению скорость по определенным локальным скоростям, рв- плотность воздуха, кг/м ; АРст — разность статических давлений до и после блока насадки, Па. Тогда, коэффициент сопротивления сухой насадки [56]:
Были проведены испытания в автомодельном и доавтомодельном режимах течения воздуха через насадку.
Для режимов с Ree 4000 (до автомодельная область) данные описываются уравнением: где a= 0,334- коэффициент местного сопротивления в автомодельной области; Re0 = 4000- критерий Рейнольдса для начала автомодельной области; Максимальная основная погрешность определения коэффициента местного сопротивления не превышает 10%.
Результаты обработки экспериментального исследования аэродинамического сопротивления насадки 2.2 Экспериментальный стенд, методика и результаты проведения испытания по сопротивлению газовому потоку в модели контактного аппарата с регулярной орошаемой насадкой при двухфазном течении сред
Объектом исследования принята модель аппарата с регулярной насадкой, общий вид которой представлен на рис. 2.1.
В многочисленных работах приводятся экспериментальные данные по гидродинамическому сопротивлению для ряда орошаемых насадок таких, как кольца Рашига, кольца Паля, седла Берля, седла "Инталокс" [36], [56], [95], однако, теоретические данные достаточно высокой точности по сопротивлению двухфазного потока при орошении регулярных насадок такого типа отсутствуют. Поэтому необходимо было провести экспериментальное исследование с целью получения расчетного выражения для определения гидродинамического сопротивления орошаемой регулярной насадки такого типа и определения возможности использования обобщений, известных для указанных выше насадок.
Схема экспериментального стенда представлена на рис. 2.4. Стенд состоит из корпуса модельного аппарата 2, самовсасывающего насоса 1, центробежного вентилятора 5. Внутри вертикально расположенного корпуса аппарата вмонтированы 18 слоев исследуемой насадки 3, с общей высотой блока Н= 1.0 м. Характер движения сред- противоток. Вода подается насосом в верхнюю часть аппарата, где с целью равномерного орошения насадки установлено форсуночное устройство. Воздух через патрубок с калиброванной диафрагмой 7, имеющий участок динамической стабилизации длинной 0,5 м, поступает в исследуемый аппарат ниже блока насадки. Диафрагма выполнена в соответствии с правилами измерения расхода жидкостей, газов и паров стандартными диафрагмами и соплами. Диаметр отверстия диафрагмы 41,85 мм. Имеющийся стенд позволил обеспечить режимы с максимальными объемными расходами воды - 1,4-10" м /с и воздуха — 5,3-10" м /с. Изменение объемных расходов воды и воздуха Ыу— з j — zx
Экспериментальный стенд и методика проведения исследований процессов тепло - и массопереноса в контактном аппарате
Объектом исследования принята модель вертикального аппарата с регулярной плоско- параллельной насадкой с турбулизаторами, общий вид элемента из двух слоев насадки представлен на рис.2.1. Экспериментальный стенд (рис.2.7) состоит из корпуса модельного аппарата 3, самовсасывающего насоса 1, вакуумного насоса 5, парогенератора 8, трубопроводов и арматуры, обеспечивающих переключение потоков, регулирование их расходов и температур, измерительной системы. Внутри вертикально расположенного цилиндрического корпуса аппарата из стали 08X18Н9Т диаметром 0.22 м вмонтированы 18 слоев исследуемой насадки 11, с общей площадью поверхности 5,2 м . Характер движения сред- противоток. Охлаждающая вода подается насосом в верхнюю часть аппарата через группу форсунок. Водяной пар, образовавшийся в парогенераторе, поступает в исследуемый аппарат ниже блока насадки.
Для регулирования температуры и расхода воды, подаваемой в исследуемый аппарат и парогенератор, предусмотрены вентили 2, 6, 9, 10.
Внутри модельного аппарата, поперечным сечением/пот= 0.038 м2 и высотой 1.8 м, размещены 2 зонда для измерения температур жидкости и пара, статических давлений пара.
Мощность электронагревателей парогенератора плавно регулируется в диапазоне 0 ч- 13 кВт. Это достигается группой электронагревателей постоянной мощности и одним переменной, регулируемым автотрансформатором РНО 250/20.
Для циркуляции воды в системе используется двухступенчатый самовсасывающий насос ЦВС 10/40, первая ступень которого является центробежной,
Схема стенда для исследования тепло и- массопереноса вторая вихревой. Применение такого насоса позволяет избежать кавитации и стабилизировать расходы потоков воды, близкой к состоянию насыщения.
Измерения температур осуществляется с помощью медь- константано-вых термопар. ЭДС термопар измеряется вторичным преобразователем-цифровым комбинированным прибором Щ301-2.
Тонкостенные гильзы диаметром 1,8х 0,2 мм и длинной 100 мм, впаян ные в трубопроводы, предназначены для измерения температур потоков воды на входе в аппарат и выходе из него. Для измерения температур жидкости в местах установки зондов термопары помещаются в цилиндрических желобах зондов, диаметром 20 мм и высотой 5 мм, которые наполняются жидкостью при работе. Относительно невысокая высота желобов гарантирует быстрое обновление жидкости, температура которой измеряется. Измерения температур пара в зондах осуществляется термопарами, размещенными в паровом потоке с экранированием от попадания жидкости колпачками. Для измерения вакуума в верхней и нижней точках модельного аппарата и в парогенераторе используются образцовые вакуумметры ВО класса точности 0,4. С целью предотвращения конденсации воды в вакуумметрах, вакуумметр парогенератора установлен на указателе уровня парогенератора, выполняющего функции конденсатоотводчика, вакуумметры конденсатора и их подводящие патрубки термостатируются.
Для измерения температуры окружающего воздуха используется лабораторный термометр, точностью 0,1 С, атмосферное давление измеряется барометром- анероидом морского исполнения, точностью 1 мм.рт.ст.
Измерение расхода воды, подаваемой в исследуемый аппарат, выполняется расходомером электромагнитным ИР-51, класса точности 1.0. j В парогенератор циклически подается вода для подпитки в количестве, обеспечивающем постоянство уровня в допустимом диапазоне. Регулирование её подачи осуществляется вентилем 10. Для измерения мощности каждого из нагревателей парогенератора ис пользуются вольтметры и амперметры класса точности 0,2.
Регулирование расхода воды, подаваемой в исследуемый аппарат, осуществляется изменением сопротивления участка трубопровода подачи воды в МА после насоса вентилем 7.
Отсутствие неконденсирующихся газов в установке гарантируется предварительным вакуумированием установки и деаэрированием воды в парогенераторе, модельном аппарате и трубопроводах их соединяющих при помощи вакуумного насоса марки ВН- 1МГ с газобаластным вентилем до выхода установки на режим. Однако, вода, подаваемая из сети, хотя и в незначительных количествах, содержит растворенный воздух и необходимо его удаление. По этому при работе установки в режиме периодически осуществляется деаэрация при помощи вышеуказанного вакуумного насоса с полностью открытым газобаластным вентилем через определенные промежутки времени и последующий вывод установки на режим.
При испытаниях в модельном аппарате происходят процессы тепло— и массопереноса потоков воды и конденсирующегося водяного пара при проти-воточном движении. Для обеспечения стационарности режимов работы аппарата поток воды на выходе из аппарата смешивается и охлаждается за счет воды, подаваемой из сети. Для обеспечения требуемой температуры воды, подавае-. , мой в аппарат, расход воды, подаваемой из сети, регулируется вентилем 2. Часть смешанного потока удаляется из установки после насоса 1. Вентилем 9 ш регулируется количество удаляемой воды, обеспечивая постоянство уров ня в нижней части аппарата МА.
Термодинамические зависимости математической модели аппарата
На основе полученных экспериментальных данных предлагается методика гидравлического и теплового расчета контактного аппарата с регулярной плоско- параллельной насадкой с турбулизаторами (рис. 2.1), а также математическая модель аппарата. По назначению методики расчетов аппаратов разделяют на конструкторские и поверочные. Целью этой методики является определение поверхности насадки заданной геометрии, размеров аппарата и его гидравлического сопротивления (конструкторская задача) при следующих исходных данных: - давление и температура пара на входе в аппарат; - температура воды на входе и выходе из него; - один из расходов- пара или жидкости.
Математическая модель рассматриваемого аппарата наиболее близка к детерминированной, поскольку для рассматриваемых стационарных режимов работы аппарата влияние возмущающих факторов не существенно. Для определения интегральных характеристик далее рассмотрена модель с осредненными параметрами (не учитываются изменения параметров перпендикулярно движению сред, продольное и поперечное перемешивание, локальные характеристики тепло- и массопереноса и гидродинамики в элементарных сечениях аппарата).
Внутри аппарата потоки взаимодействуют, обмениваясь в общем случае веществом, теплотой и энергией, поэтому математическая модель в первую очередь включает в себя уравнения баланса: - массы потоков в целом 5 / = о; (4.1) - массы і- того компонента потоков 2 iZPyQ/ = 0; (4.2) j Л - энергии в аппарате, который рассматривается как открытая термоди намическая система J Mih AU + L-Q, (4.3) где Q, L, AU - количество полученной открытой системой теплоты, совершенной работы и изменение ее внутренней энергии. Для рассматриваемых стационарных режимов работы аппарата без совершения внешней работы AU = 0 и L = 0. Если потери теплоты аппаратом не существенны, то процесс адиабатен относительно внешней среды и Q = 0.
Число связей и число определяющих их информационных переменных для определения числа степеней свободы подробно выполнено для подобного аппарата в работе [49], получено число степеней свободы 2=1 для процесса конденсации при отсутствии неконденсирующихся газов и Z = 11 в присутст вии воздуха.
Функциональная схема контактного аппарата для конденсации водяного пара при отсутствии неконденсирующихся газов представлена на рис. 4.1. Для данной задачи при выбранном типе насадки заданной геометрии имеются две группы внешних параметров общим количеством 2в = 14: - девять технологических (Мжн, Тжю Мжю Тжю Мпн, Тпн, Рпн Тпк Рпк); - пять конструктивных (а, Е, fn0m, F, Н). Для любой из задач моделирования (конструкторской или поверочной) часть из них является исходными данными, т.е. входными переменными.
На первом этапе конструирования исходными данными являются шесть параметров: - технологические Мпн, Тпн, Тжш Тжк; - конструктивные а, Е. В качестве управляющего параметра может быть выбран только один, т.к. число степеней свободы математической модели Z = 7, а входных параметров Ze = 6. Для данной задачи в качестве управляющего целесообразно выбрать гидравлическое сопротивление аппарата при орошении насадки.
Выбор в качестве управляющего параметра АР не случаен. Часто накладываются ограничения по допустимому перепаду давления в аппарате АРдоп. Помимо этого величина АР влияет как на интенсивность тепло- и массоперено-са , так и на капитальные затраты осуществления процессов в аппарате и может быть использована для термодинамической и экономической оптимизации.
Алгоритм конструктивного расчета аппарата 4.2 Термодинамические зависимости математической модели аппарата
Взаимосвязи теплофизических и транспортных свойств рабочих сред в одинаковой степени необходимы для любой задачи моделирования. Пакет прикладных программ, позволяющих рассчитать необходимые термодинамические, теплофизические и транспортные свойства воды, водяного пара и паровоздушной смеси был разработан и представлен в [49].
На сегодняшний день существует множество таблиц точных термодинамических и теплофизических свойств воды и водяного пара (УРА МЭИ). Однако, для данной модели приемлема точность известных зависимостей, положенных в основу пакета прикладных программ [49] и представленных ниже.
