Теплообмен при капельном кипении жидкости в технологических аппаратах Васильев Петр Сергеевич

Введение к работе

Актуальность темы исследования. Испарение широко распространено в различных технологиях переработки веществ и используется для разделения жидких смесей или очистки веществ, являясь как основным, так и сопутствующим процессом, совмещённым с теплообменом, гидродинамикой и химическими реакциями.

Так как при испарении происходит переход вещества из жидкого состояния в парообразное, то для проведения процесса необходим нагрев и подвод дополнительного количества тепла для осуществления фазового перехода. Вследствие этого испарение является весьма энергозатратным процессом. Для обеспечения высокой производительности в технологическом оборудовании необходимо создавать большие площади теплообменных поверхностей, что увеличивает габариты аппаратов, их металлоёмкость, трудовые затраты на изготовление, обслуживание и ремонт и, соответственно, увеличивает экономические затраты. Эти обстоятельства вызывают необходимость дальнейших исследований процесса испарения.

Разновидность процесса испарения – кипение – отличается высокой интенсивностью теплоотдачи по сравнению с конвекцией однофазной жидкости. В технике кипение является одним из способов высокоэффективного отвода теплоты. Интенсивность теплообмена при испарении, в том числе и кипении, определяет размеры, стоимость и производительность технологического оборудования.

Ускорение темпов роста производительности труда на основе совершенствования техники и технологии производства, экономии материальных ресурсов и улучшение качества выпускаемой продукции невозможно без создания высокоэффективных, надёжных и безопасных машин и аппаратов, современных технологических процессов и их внедрения в промышленность. В связи с этим исследование процесса испарения, анализ условий проведения технологических процессов и конструктивного исполнения аппаратов для выявления путей интенсификации процесса и повышения его эффективности является актуальным.

Степень разработанности темы исследования. Актуальность исследования тепловых процессов постоянно поддерживается тем обстоятельством, что в мировом промышленном комплексе доля потребления тепловой энергии составляет по разным оценкам 7075 % от общего энергопотребления. При этом доля различного теплооб-менного оборудования в химической, нефтехимической и нефтеперерабатывающей отраслях промышленности составляет примерно 4060 %. При создании безотходных производств особое значение приобретает утилизация вторичных энергетических ресурсов, рациональное использование которых способствует значительному снижению эксплуатационных затрат на топливо и максимальному уменьшению теплового загрязнения окружающей среды. В таких производствах теплообменные аппараты очень часто выполняют роль утилизаторов тепла, в которых осуществляется процесс кипения жидкостей. Хотя кипение можно отнести к древнейшим теплотехническим процессам, теоретические расчёты в этой области менее надёжны, чем в большинстве

других процессов теплообмена. Необходимо также отметить, что процесс кипения постоянно сопряжён с крайне нежелательными технологическими последствиями, связанными с резким падением коэффициентов теплоотдачи, перегревом теплооб-менных поверхностей, паровым взрывом.

Анализ литературных источников показывает, что одним из перспективных направлений интенсификации процесса испарения является переход от испарения жидкости в объёме, ограниченном стенками сосуда, или испарения при плёночном течении жидкости к испарению в режиме кипения жидкости, периодически подаваемой на теплоотдающую поверхность в виде капель, - капельному кипению. Согласно литературным данным, при капельном кипении возможно реализовать очень высокие значения коэффициентов теплоотдачи порядка а ~ 30 000 - 50 000 Вт/(м²С) и достичь при этом огромных значений отводимого от теплоотдающей поверхности удельного теплового потока порядка q ~ 10⁶ * 10⁷ Вт/м². Необходимо отметить, что процесс капельного кипения позволяет избегать упомянутые выше крайне нежелательные технологические последствия.

Целью диссертационной работы является увеличение эффективности работы теплообменных аппаратов за счёт повышения интенсивности процесса испарения.

Для реализации цели исследования в диссертации поставлены и решены следующие задачи:

1. Выявить физическую картину поведения капли жидкости при попадании её на теплоотдающую поверхность и в процессе её испарения в режиме кипения при влиянии различных факторов.

2. На основе физической картины капельного кипения разработать методику проведения экспериментальных исследований для определения основных гидродинамических и тепловых параметров процесса.

3. Разработать математическую модель процесса капельного кипения для прогнозирования его основных количественных характеристик в зависимости от воздействия основных влияющих факторов.

4. На основе полученной математической модели разработать методику расчёта аппаратов, работающих по технологии капельного кипения.

Научная новизна диссертационного исследования заключается в следующем:

5. Экспериментально обоснованы особенности физической картины капельного кипения в зависимости от воздействия влияющих факторов: теплофизиче-ских свойств жидкости, температуры поверхности нагрева, размера капли, начальной температуры жидкости в капле, высоты падения капли на поверхность нагрева, состояния поверхности, определяемого её шероховатостью, и её адгезионных свойств -позволяющие использовать его в технологических процессах.

6. Экспериментально определён диапазон температурного напора, соответствующий максимальным значениям коэффициентов теплоотдачи процесса капельного кипения.

3. На основе обработки экспериментальных данных получена математиче-

ская модель, с помощью которой можно рассчитать основные параметры аппаратов, работающих по технологии капельного кипения.

Практическая значимость диссертационной работы:

7. Разработана методика расчёта аппаратов, работающих по технологии капельного кипения.

8. Предложен ряд принципиальных конструкций высокоэффективных, надёжных и безопасных аппаратов, работающих по технологии капельного кипения и отвечающих современным требованиям энерго- и ресурсосбережения.

9. Результаты диссертационной работы приняты к использованию в конструкторском отделе ОАО «Волгограднефтемаш» при проектировании и конструировании испарителей с применением технологии капельного кипения и внедрены в учебный процесс на кафедре «Процессы и аппараты химических и пищевых производств» Волгоградского государственного технического университета.

Методы исследования. Методы физического и математического моделирования, методы корреляционного и регрессионного анализа.

Достоверность полученных результатов и выводов подтверждается использованием фундаментальных законов сохранения импульса, массы и энергии; применением в экспериментальных исследованиях сертифицированных и поверенных приборов; хорошим качественным и количественным совпадением собственных экспериментальных данных с экспериментальными данными других авторов; хорошей корреляцией опытных данных с полученными расчётными уравнениями, достоверность которых подтверждается критериями математической статистики.

Личный вклад автора состоит в непосредственном участии в проведении экспериментальных исследованиях, в том числе в выявлении физической картины процесса капельного кипения; дальнейшей математической обработке полученных опытных данных; определении численных значений коэффициентов прогнозирующих уравнений, составляющих математическую модель процесса, их статистическом анализе; разработке в составе коллектива авторов конструктивных технологических решений проведения процесса капельного кипения на практике и методики их расчёта.

Положения, выносимые на защиту:

1. Физическая картина капельного кипения и методика обработки экспери
ментальных данных для определения основных гидродинамических и тепловых па
раметров как обоснование его использования в технологических процессах.

2. Математическая модель процесса капельного кипения, позволяющая
прогнозировать основные количественные характеристики: время испарения капли на
поверхности нагрева, диаметр пятна контакта кипящей капли с поверхностью нагре
ва, коэффициент теплоотдачи, температуру начала перехода капли в сфероидальное
состояние – в зависимости от влияющих факторов: теплофизических свойств жидко
сти, температуры поверхности нагрева, размера капли, начальной температуры жид-
5

кости в капле, высоты падения капли на поверхность нагрева, состояния поверхности, определяемого её шероховатостью, и её адгезионных свойств.

3. Принципиальные схемы конструкций высокоэффективных, надёжных и безопасных аппаратов, работающих по технологии капельного кипения и обладающих по сравнению с существующими аналогами химического машино- и аппарато-строения значительно меньшими габаритами и металлоёмкостью.

4. Методика расчёта аппаратов, работающих по технологии капельного кипения.

Апробация результатов работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных конференциях: «Инновационные наукоёмкие технологии», г. Тула, 2010 г.; XIX Менделеевский съезд по общей и прикладной химии, г. Волгоград, 2011 г.; «Нефть и газ – 2015», г. Москва, 2015 г.; на всероссийских конференциях: «Интенсификация тепло-массообменных процессов, промышленная безопасность и экология», г. Казань, 2012 г.; Всероссийский конкурс научно-исследовательских работ студентов и аспирантов в области химических наук и наук о материалах, г. Казань, 2012 г.; «России – творческую молодёжь», г. Камышин, 2013 г.; на региональных конференциях: Региональная конференция молодых исследователей Волгоградской области, г. Волгоград, 2011 г., 2012 г.; «Нижнему Поволжью – творческую молодёжь», г. Камышин, 2012 г.; Конкурс молодёжных научных проектов по энергосбережению и повышению энергоэффективности в Волгоградской области, г. Волгоград, 2014 г.

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликована 21 работа, их них 10 статей, из которых 5 статей из перечня рецензируемых научных журналов, 5 статей в сборниках научных трудов. Получены 1 патент РФ на изобретение, 5 патентов РФ на полезные модели и 1 свидетельство РФ о государственной регистрации программы для ЭВМ.

Структура и объём работы. Диссертационная работа изложена на 245 страницах основного текста и приложений. Состоит из введения, 4 глав, заключения и 3 приложений на 29 страницах. Работа содержит 64 рисунка, 23 таблицы и библиографию из 207 наименований.