автореферат диссертации по энергетике, 05.14.05, диссертация на тему:Интенсификация теплообмена при конденсации пара на вертикальных продольнооребренных трубах в аппаратах низкотемпературных установок

Основные условные обозначения.

Введение.

1. Закономерности процесса теплообмена при конденсации пара на вертикальных поверхностях с мелким продольным оребрением.

1.1. Анализ состояния вопроса.

1.2. Выводы.

1.3. Постановка задач исследования.

2. Теоретическое исследование процесса теплообмена при пленочной конденсации пара на вертикальных поверхностях с мелким продольным оребрением

2.1. Процесс конденсации в условиях преобладающего влияния на пленку сил поверхностного натяжения.

2.2. Процесс конденсации в условиях совместного влияния на пленку сил поверхностного натяжения и тяжести.

2.3. Выводы.

3. Экспериментальный стенд для исследования процесса теплообмена при конденсации пара на поверхности вертикальных труб с продольным оребрением. Методика экспериментального исследования.„

3.1. Экспериментальный стенд

3. 2. Методика проведения и обработки результатов экспериментов.

3.3. Оценка погрешности измерений.

4. Результаты экспериментов, анализ экспериментальных данных и проверка адекватности математической модели процесса.

4.1. Результаты экспериментов на гладких трубах.

4.2. Результаты экспериментов на рифленых трубах

4.3. Проверка адекватности математической модели процесса.

4.4. Выводы. ЮО

5. Расчет и испытание промышленных конденсаторов с про-дольнооребренными трубами

5.1. Инженерная методика расчета коэффициента теплоотдачи при конденсации пара на вертикальных продольнооребренных трубах.

5.2. Алгоритм и программа расчета коэффициента теплоотдачи при конденсации на продольнооребренных трубах с помощью ЭВМ.

5.3. Методика теплового расчета конденсаторов с про-дольнооребренными трубами. НО

5.4. Проектирование промышленных конденсаторов с рифлеными трубами.

5.5. Испытание промышленного конденсатора с рифлеными трубами.

В настоящее время одной из ключевых проблем народного хозяйства является проблема экономии материальных и энергетических ресурсов за счет интенсификации технологических процессов. Процесс теплообмена при конденсации пара занимает важное место в нефте-и газохимии, энергетике, холодильной технике.

Теплоотдача при конденсации зачастую лимитирует весь процесс теплопередачи, поскольку из-за низкой теплопроводности наиболее распространенных холодильных агентов - хладонов и углеводородов термическое сопротивление пленки конденсата обычно превышает остальные составляющие общего термического сопротивления.

Для холодильных установок, входящих в состав химических производств, характерным типом аппарата является конденсатор-кипятильник, работающий при значениях разности температур между теп-лообменивающимися средами порядка 5-10 °С. В таком аппарате целесообразно интенсифицировать теплообмен при конденсации даже в том случае, когда лимитирующей является сторона кипения. Интенсификация теплообмена при конденсации в аппаратах указанного типа, вызывая уменьшение разности температур на стороне конденсации, приводит к увеличению температурного напора на стороне кипения. Как следствие этого происходит рост теплоотдачи при кипении и снижение термического сопротивления теплопередачи со стороны обеих теплообменивающихся сред.

Известны различные способы интенсификации теплообмена при конденсации. Высокие значения коэффициентов теплоотдачи можно получить при капельной конденсации пара. Однако устойчивый характер капельная конденсация имеет лишь в очень ограниченных случаях. Применение же лиофобизаторов дает эффект лишь весьма непродолжительное время. Химические соединения смываются с теплопере-дающей поверхности, а полимерные покрытия, которые из-за своей низкой теплопроводности должны иметь толщину порядка нескольких микрон,через некоторое время отслаиваются или разрушаются. Покрытия из благородных металлов также подвержены этим явлениям и, кроме того, чрезвычайно дороги.

Вместе с тем,в последнее время появились исследования, в которых была показана возможность достижения очень высоких значений коэффициентов теплоотдачи, путем интенсификации процесса пленочной конденсации пара. Наибольший интерес с точки зрения применения в промышленности, представляют работы, посвященные вопросам интенсификации теплообмена за счет использования поверхностей с мелким оребрением.

В отличие от других способов интенсификации теплообмена при конденсации, данный способ дает стабильные высокие результаты, дёшев и не требует введения в конструкцию аппарата сложных механизмов и устройств, снижающих его надежность.

Наиболее эффективной является вертикальная компоновка конденсаторов с мелкоребристыми трубами. Это объясняется тем, что при горизонтальном расположении трубного пучка, конденсат, стекая с верхних рядов труб на нижние, вновь попадает на теплопере-дающую поверхность ребер, что нерационально. Вертикальная компоновка, к тому же,является наиболее предпочтительной для целого ряда аппаратов химических, нефтехимических и газохимических производств.

В литературе в настоящее время отсутствуют достаточно надежные апробированные методики расчета конденсаторов с вертикальными мелкоребристыми (рифлеными) трубами. Экспериментального материала также недостаточно. Таким образом, исследование процесса пленочной конденсации пара на вертикальных поверхностях с мелким продольным оребрением является весьма актуальной задачей.

Основными целями работы являются:

- создание математической модели, учитывающей наиболее важные физические закономерности процесса конденсации пара на вертикальных трубах с мелким продольным оребрением;

- экспериментальная проверка адекватности теоретической модели на лабораторном стенде;

- разработка методики инженерного расчета коэффициента теплоотдачи при конденсации пара на вертикальных продольнооребрен-ных трубах;

- создание опытно-промышленного теплообменника с продольно-оребренными трубами и его испытание на углеводородах в условиях действующего производства.

Научная новизна работы состоит в том, что:

- разработана математическая модель, учитывающая основные физические закономерности процесса конденсации пара в поле совместного влияния сил поверхностного натяжения и тяжести, позволившая получить аналитические решения дифференциальных уравнений для толщины пленки конденсата и для ширины ручья конденсата;

- показано, что решение дифференциального уравнения для толщины пленки в поле сил поверхностного натяжения и тяжести в области, примыкающей к верхнему краю поверхности, совпадает с решением Буссельта; на всей остальной поверхности решение отличается от решения Нуссельта тем, что вместо градиента силы тяжести в нем фигурирует градиент сил поверхностного натяжения;

- путем анализа полученного решения показано, что для большинства практически важных случаев воздействием силы тяжести на пленку конденсата можно пренебречь и при расчете теплоотдачи использовать соотношения, полученные при решении задачи для условий преобладающего влияния на пленку сил поверхностного натяжения;

- получены экспериментальные данные по конденсации хладо-на 113 на вертикальных трубах с мелким продольным оребрением трех типоразмеров, позволившие провести экспериментальную проверку предложенной модели;

- на основе результатов проведенного теоретического исследования и его экспериментальной проверки разработана методика расчета коэффициентов теплоотдачи при конденсации пара на вертикальных трубах с мелким продольным оребрением;

- получены экспериментальные данные при испытании опытно-промышленного конденсатора с продольнооребренными трубами на бензол-толуоле, подтвердившие результаты теоретического и лабораторных исследований.

Таким образом,автор защищает:

- физические представления и математические модели процесса пленочной конденсации пара на вертикальных поверхностях с мелким продольным оребрением для случая преобладающего влияния на пленку сил поверхностного натяжения и для случая совместного влияния сил поверхностного натяжения и сил тяжести;

- результаты экспериментального исследования теплообмена при конденсации пара на вертикальных рифленых трубах;

- методику расчета коэффициента теплоотдачи при конденсации пара в аппаратах с вертикальными рифлеными трубами, подтвержденную результатами промышленных испытаний.

Практическая ценность работы состоит в том, что созданная на ее основе инженерная методика теплового расчета вертикальных конденсаторов с продольнооребренными трубами внедрена в РШ Министерства энергетического машиностроения "Оборудование тепло-обменное АЭС. Расчет тепловой и гидравлический", а также в систему автоматизированного проектирования теплообменного оборудования ЛенНИИхиммаша "САПР-ТА" и использована при разработке технических проектов четырех теплообменных аппаратов. Один из аппаратов с 1982 г успешно эксплуатируется на ПО "Салаватнефтеорг-синтез". Годовой экономический эффект составил 32,7 тыс.руб. Три аппарата в настоящее время изготавливаются Рузаевским заводом "Химмаш" для установки выделения этилена ЭП-300 Томского ХЗ. Ожидаемый экономический эффект составит 150 тыс.руб. в год. По результатам выполненного исследования ЛенНИИхиммашем разрабатывается типоразмерный ряд унифицированных конденсаторов с трубами, имеющими продольное оребрение. Серийное производство унифицированных аппаратов организуется на Рузаевском заводе "Химмаш".

Диссертационная работа выполнена в Ленинградском ордена "Знак Почета" научно-исследовательском и конструкторском институте химического машиностроения в рамках работ, проводимых согласно Координационной программы ГКНТ при Совете Министров СССР проблема 0.II.0I: "Разработать и освоить в производстве технологические процессы для получения важнейших продуктов органического синтеза, обеспечивающие максимальный выход целевых продуктов, комплексное использование сырья и полупродуктов. 01. Разработать и освоить в производстве высокопроизводительные процессы пиролиза бензина, дизельного топлива и вакуумного газойля с разделением, очисткой и комплексным извлечением продуктов пиролиза на установке единичной мощностью 300 тыс.т этилена в год".

Работа состоит из введения, пяти глав, выводов и приложений. Основное содержание диссертации опубликовано в работах /17,39,40,41,42,48,52/.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ

1. Выполненное исследование подтвердило высокую эффективность применения вертикальных продольнооребренных труб в целях интенсификации теплообмена при конденсации.

2. Предложены аналитические модели, описывающие процесс пленочной конденсации паров на рифленых поверхностях в условиях преобладающего влияния на пленку сил поверхностного натяжения и в условиях совместного влияния на пленку сил поверхностного натяжения и тяжести. Решение дифференциального уравнения для толщины пленки конденсата в поле сил поверхностного натяжения и тяжести распадается на два: в зоне верхнего края поверхности оно совпадает с решением Нуссельта; на всей остальной поверхности оно совпадает с решением для случая преобладающего влияния на пленку сил поверхностного натяжения и отличается от решения Нуссельта тем, что вместо силы тяжести в нем фигурирует сила поверхностного натяжения.

З.Для большинства практически важных случаев воздействием силы тяжести на пленку конденсата можно пренебречь и при расчете теплоотдачи использовать соотношения, полученные при решении задачи для условий преобладающего влияния на пленку сил поверхностного натяжения.

4. Проведено экспериментальное исследование процесса пленочной конденсации хладона из на вертикальных рифленых трубах. Измерения, проведенные по двум различным методикам на трубах с разными размерами ребер,позволили получить экспериментальные данные по средним и локальным характеристикам теплообмена. Опытные данные удовлетворительно согласуются с полученными аналитическим путем расчетными зависимостями. Средние значения коэффициента теплоотдачи при конденсации хладона -ИЗ на вертикальной рифленой трубе длиной 1,4 м и с высотой ребра 1,0 мм примерно в 5 раз выше, чем на гладкой трубе. С учетом увеличения площади поверхности теплообмена за счет ребер

5. Сопоставление известных из литературы экспериментальных данных по конденсации водяного пара, аммиака и хладона И с результатами расчета по полученным зависимостям также подтверждает адекватность предложенной модели реальным процессам теплообмена и ее пригодность для расчета теплообменной аппаратуры.

6. Результаты теоретического и лабораторных исследований подтверждены данными, полученными при опытно-промышленной эксплуатации конденсатора F=50mz на бензол-толуоле, внедренного в 1982 г в технологическую линию производства стирола ПО "Сала-ватнефтеоргсинтез". Годовой экономический эффект от его внедрения составил 32,7 тыс.руб.

7. Методика расчета теплоотдачи при конденсации пара на вертикальных рифленых трубах может быть рекомендована для проектирования конденсаторов различных веществ. Она проста и не требует применения трудоемких численных методов. Методика внедрена в Руководящий технический материал Министерства энергетического машиностроения "Оборудование теплообменное АЭС. Расчет тепловой и гидравлический" и в систему автоматизированного проектирования теплообменной аппаратуры ЛенНИИхиммаша "САПР-ТА".

8. Ожидаемый экономический эффект от внедрения в составе технологической линии вьщеления этилена ЭП-300 Томского ХЗ трех конденсаторов, спроектированных по результатам проведенного исследования и изготавливаемых в настоящее время ^заевским заводом "ХИММАШ", составит 150 тыс.руб.в год.

1. Бошняк Л.Л. Измерения при теплотехнических исследованиях. -Л.: Машиностроение, Ленингр.отд-ние, 1974,-448 с.

2. Бродов Ю.М. Эффективность применения профильных витых труб в теплообменных аппаратах трубоустановок. Теплоэнергетика, 1982, № 12, с.36-40.

3. Бромли Л., Хэмфрис Р., Мюррей В. Конденсация и испарение на вращающихся дисках с радиальными канавками,- Теплопередача, 1966, № I, с.87-96.

4. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике для инженеров и учащихся В1УЗов.- М.:Наука, 1980,-976 с.

5. ГОСТ 8.080-80. Государственный первичный эталон и общесоюзная поверочная схема для средств измерений температур в диапазоне 273,I5+6300K.- М., 1980,-8 с.

6. Гимбутис Г.И. Локальный теплообмен при пленочной конденсации неподвижного пара на вертикальной поверхности.- Инженерно-физический журнал, 1982, т.43, $ 3, с.390-396.

7. Гребер Г., Эрк С., Григуль Г. Основы учения о теплообмене, -М.: Иностранная литература, 1958,-566 с.

8. Данилова Г.Н., Вельский В.К. Исследование теплоотдачи при кипении фреонов-ЦЗ и 12 на трубках различной шероховатости.-Холодильная техника, 1965, № 4, с.24-28.

9. Данилова Г.Н. Теплообмен при кипении фреонов. Дис. докт.техн. наук.- Л., 1968,-345 с.

10. Доманский И.В., Соколов В.Н. Теплоотдача к падающей пленке жидкости, предварительно нагретой до температуры кипения. -Журнал прикладной химии, 1967, т.40, вып.1, с.66-71.

11. Жукова З.А., Новиков Е.П. Экспериментальное исследование конденсации чистого пара на мелковолнистой трубе. В кн.: Повышение эффективности процессов и оборудования холодильной и криогенной техники. Тез.доклД.: ЛШШ, 1981, с.74-75.

12. Зайдель А.Н. Элементарные оценки ошибок измерений. Л.: Наука, Ленингр.отд-ние, 1968. -97 с.

13. Зенер С., Лейви А. Дренажные системы для конденсаторов. -Энергетические машины и установки, 1974, № 3, с.52-59.

14. Зозуля Н.В., Карху В.А. Анализ процесса пленочной конденсации пара на вертикальной мелкоребристой поверхности. Журнал прикладной механики и технической физики, 1969, № 3, с. 93-97.

15. Исаченко В.П. Теплообмен при конденсации. М.: Энергия, 1977. -204 с.

16. Иванов О.П. Исследование и интенсификация теплообмена в конденсаторах холодильных машин. Дис. . докт.техн.наук.-Л., 1975. -349 с.

17. Карху В.А. Исследование закономерностей- теплообмена при конденсации на ребристых трубах. Дис.канд.техн.наук. -Л., 1976. -190 с.

18. Карху В.А., Зозуля Н.В., Пермяков В.А. и др. Исследование эффективности применения вертикальных ребристых труб в регенеративных подогревателях низкого давления. Труды ЦКТИ, вып.140, 1977, с.80-88.

19. Кассандрова О.Н., Лебедев В.В. Обработка результатов наблюдений. М.: Наука, 1970. -104 с.

20. Керн А., Краус А. Развитые поверхности теплообмена. -М.: Энергия, 1977. -464 с.

21. Кутателадзе С.С., Гогонин И.И., Григорьева Н.И.

22. Анализ теплообмена при пленочной конденсации неподвижного пара на вертикальной поверхности. Инженерно-физический журнал, 1983, т.44, № 6, с.885-894.

23. Кутателадзе С.С., Гогонин И.И., Григорьева Н.И., Дорохов А.Р. К определению коэффициента теплоотдачи при пленочной конденсации неподвижного пара на вертикальной поверхности.- Теплоэнергетика, 1980, № 4, с.5-7.

24. Кутателадзе С.С. Основы теории теплообмена. Изд.5-е пере-раб.и доп. -М.: Атомиздат, 1979. -416 с.

25. Лабунцов Д.А. Теплоотдача при пленочной конденсации чистых паров на вертикальных поверхностях и горизонтальных трубах.-- Теплоэнергетика, 1957, № 7, с.72-79.

26. Леонтьев Г.Г. Пленочная конденсация водяного пара на вертикальных трубах при интенсифицирующем воздействии поверхностных сил. Автореф.дис. . канд.техн.наук. -Киев, 1975. -28 с.

27. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. Л.: Наука, 1978. -736 с.

28. Маньковский'О.Н., Толчинский А.Р., Александров М.В. Теплообменная аппаратура химических производств. Л.: Химия, Ленингр.отд-ние, 1976. -368 с.

29. Маркович А., Микич Б., Берглес А. Конденсация на обращенной книзу горизонтальной волнистой поверхности.- Теплопередача, 1972, № 3, с.62-69.

30. Мартин Р. Коренное усовершенствование в технике теплопередачи. Инженер-нефтяник, 1970, № 5, с.51-54.

31. Мигай В.К. Повышение эффективности современных теплообменников Л.: Энергия, Ленингр.отд-ние, 1980. -144 с.

32. Мильман 0.0., Шкловер Г.Г. Зависимость осредненных значений коэффициентов теплопередачи от способа осреднения. Теплоэнергетика, 1977, № 4, с.24-29.

33. Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи. М. Энергия, 1973. -320 с.

34. Мори У., Хидзиката К., Хирасава С., Накаяма В. Оптимизация характеристик конденсаторов с внешними конденсационными поверхностями. Теплопередача, 1981, № I, с.116-124.

35. Мрежин Л.С., Заостровский Ф.П. Гидродинамика ламинарноготечения пленки конденсата по выступу вертикальной профилированной трубы. Теоретические основы химической технологии, 1971, т.5, I 2, с.335-338.

36. Мрежин Л.С., Заостровский Ф.П. Исследование теплообмена при конденсации пара на вертикальной профилированной трубе.

37. В сб.: Вопросы интенсификации процессов химической технологии. Труды УПИ. Вып.205, 1972, с.10-13.

38. Поволоцкий В.М. Аналитическое исследование процесса пленочной конденсации на вертикальной поверхности с мелким продольным оребрением. В сб.: Физико-химические процессы в энергетических установках. - Шнек.: ИШО им.А.В.Лыкова АН БССР, 1983, с.160-165.

39. Риферт В.Г., Чаплинский С.И., Илиев Н.Д. Исследование теплообмена при конденсации водяного пара внутри вертикальной профилированной трубы. Энергетика, 1979, № 2, с.115-118.

40. Риферт В.Г., Кутузов А.И., Леонтьев Г.Г. Исследование теплообмена при ламинарной пленочной конденсации пара на вертикальных мелкоребристых трубах. В сб.Судостроение и морские сооружения, вып.21. - Харьков: ХТУ, 1973, с.15-30.

41. РШ 108.031.05-84. Оборудование теплообменное АЭС. Расчет тепловой и гидравлический. Введ.с 08.05.84. - Министерство энергетического машиностроения, 1984.

42. Солодов А.П., Исаченко В.П. Исследование теплоотдачи при конденсации пара на мелковолнистых трубах. В кн.: Теплообмен и гидравлическое сопротивление. Труды МЭИ, вып.63. -М.: МЭИ, 1965.

43. Уэбб Р. Обобщенный, метод расчета и оптимизации рифленых поверхностей конденсации Грегорига,- Теплопередача, 1979,2, с. 171-177.

44. Чаплинский С.И. Интенсификация теплообмена при конденсации на вертикальных профилированных трубах. Автореф.дис. . канд.техн.наук. - Киев, 1977. -24 с.

45. Barnes C.G. , Rohsenow W.M. Vertical Fluted Tube Condenser Performance Prediction.-Heat Transfer 1982.Proceedings of 7 International Conference,Munchen,1 982,v.5,p39-43.

46. Carnavos T.C. Thin Film Distillation.-First International Symposium on Water Desalination,Washington,1965,p.205-213 •

47. Gottzman C.F.,O'Neill P.S.,Minton P.E. Heat Transfer: High Ef-fiency Heat JSxchangers.-Chemical Engineering Progress ,1 973»v.69,N7,p.69-75.

48. Gregorig R. Hautkondensation an feingewellten Oberflachen bei Berucksichtigung der Oberflachenspannungen.-Zeitschrift fur An-gewandte Mathematik und Physik,1954,Bd.5,S.36-49.

49. Lustenader E.L.,Richter R.,Neugebauer F.J. The Use of Thin Films for Increasing Evaporation and Condensation Rates in Process Equipment.-Journal of Heat Transfer,1959,November,p.297--306.

50. Michel J.V/. ,Murphy R.W. Enhanced Condensation Heat Transfer.-AIChE Symposium Series.Heat Transfer-ORLANDO 1980,v.76,H199, p.183-191.

51. Panchal C.B.,Bell K.J. Analysis of Nusselt-Type Condensation on a Vertical Fluted Surface.-Numerical Heat Transfer,1980,v.3,p.357-371.

52. Rothfus R.R.,Lavi G.H. Vertical falling Film.Heat Transfer: A Literature Survey.-Proceedings of 5 OTEC Conference,Miamy Beach, 1978,v.6,p.90-110.

53. Somer T.G.,6zgen C. Effect of Surface Configuration on Heat Transfer by the Condensation of Steam Over Fluted Surfaces.Part 2.-Desalination,1980,v.34,p.249-265.

54. Somer T.G.,6zgen C. Hydrodynamic of Condensate Films on Fluted Tube Surfaces.Part 1.-Desalination,1980,v.34,p.233-247.

55. Thomas D. Enhancement of Film Condensation Rate on Vertical Tubes by'Vertical Wires.-I&EC Fundamentals,1967,v.6,N1,p.97-103.

56. Thomas D. Enhancement of Film Condensation Rate on Vertical Tubes by Longitudinal Fins.-AIChE Journal,1968,v.14,N4,p.644-649.