автореферат диссертации по энергетике, 05.14.14, диссертация на тему:Исследование гидродинамики при кипении водного раствора Na2SO4 в трубе и совершенствование методики расчёта испарителей

□03055808 На правах рукописи

ИССЛЕДОВАНИЕ ГИДРОДИНАМИКИ ПРИ КИПЕНИИ ВОДНОГО РАСТВОРА N32804 В ТРУБЕ И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДИКИ РАСЧЁТА ИСПАРИТЕЛЕЙ

Специальность 05.14.14 - "Тепловые электрические станции, их энергетические

системы и агрегаты"

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МОСКВА-2007

003055808

Работа выполнена в Московском энергетическом институте (Техническом университете) на кафедре Тепловых электрических станций.

Научный руководитель:

доктор технических наук

профессор Седлов Анатолий Степанович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук профессор Горбуров Вячеслав Иванович кандидат технических наук Васин Валерий Анатольевич.

Ведущая организация:

ОАО «Фирма ОРГРЭС»

Защита состоится «18» апреля 2007 года в 14 час. 00 мин. в аудитории МАЗ на заседании диссертационного совета Д 212.157.07 при Московском энергетическом институте (Техническом университете) по адресу: г. Москва, ул. Красноказарменная, 17.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского энергетического института (Технического университета).

Отзывы на автореферат (в двух экземплярах, заверенные печатью организации) просим направлять по адресу: 111250, г. Москва, ул. Красноказарменная, д.14, Ученый совет МЭИ (ТУ)

Автореферат разослан « ^» 2007 года

Ученый секретарь диссертационного

совета Д 212.157.07

к.т.н., проф.

Лавыгин В.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Высокие требования к качеству добавочной воды основного контура тепловых электрических станций обусловливают важность рассмотрения вопроса водоподготовки как при проектировании новых, так и при эксплуатации существующих ТЭС. Большое количество аварийных ситуаций на ТЭС вызвано именно нарушениями водно-химического режима вследствие неудовлетворительной работы водоподготовительных установок.

Подготовка добавочной воды на ТЭС осуществляется химическим или термическим методом. Термический метод водоподготовки реализуется преимущественно на базе испарителей естественной циркуляции типа «И». Помимо подготовки добавочной воды основного контура испарители применяются для концентрирования сточных вод, и в этом случае они работают на высокоминерализованных средах.

Минерализация рабочей среды оказывает существенное влияние на гидродинамику и теплообмен в испарителях кипящего типа. При солесодержании (4-6 г/кг), называемом критическим, происходит изменение теплогидравлического режима работы испарителя.

Методика расчёта испарителя для докритического солесодержаиия концентрата разработана на кафедре ТЭС под руководством Л.С. Стермана на основе «Нормативного метода гидравлического расчёта котельного агрегата». Определяющим параметром гидравлического режима испарителя служит скорость циркуляции (), тепловой режим испарителя определяется средним по высоте греющей секции температурным напором между конденсирующимся паром и кипящей жидкостью (Д/).

При повышении минерализации происходит изменение тегшофизических свойств рабочей среды, теплоотдачи и гидродинамики при кипении. Рабочая среда испарителей представляет собой многокомпонентный раствор, основными его составляющими являются сульфат, хлорид и гидроксид натрия. В настоящее время имеются данные по теплофизическим свойствам названных водных рас творов.

Это позволило проанализировать влияние изменения свойств растворов на теплоотдачу.

Имеющиеся исследования теплогидравлических процессов в испарителе при глубоком концентрировании питательной воды выявили ряд особенностей его гидравлического и теплового режима по сравнению с работой на маломинерализованной среде. При критическом солесодержании концентрата происходит снижение весового уровня в опускной щели и интенсивности циркуляции. На выходе труб греющей секции возникает участок ухудшенной теплоотдачи. В результате заметно снижаются коэффициенты теплопередачи, производительность и экономичность водоподготовительных установок. Условия возникновения области ухудшенного теплообмена при кипении водных растворов подробно исследованы в МЭИ на кафедре ТЭС и за этот цикл работ получена государственная премия для молодых учёных. Однако гидродинамика при кипении водных растворов в трубе в широком диапазоне солесодержания в области малых скоростей и давлений практически не исследована, и это не позволяет создать модель тепломассо-переноса в испарителях в указанных условиях. Таким образом, исследование перепада давления при кипении водных растворов в трубе является актуальной задачей.

Цель работы. Экспериментальное исследование перепада давления при кипении водного раствора сульфата натрия в вертикальной трубе в области малых скоростей и давлений. Определение скорости циркуляции в испарителях кипящего типа, работающих на закритической минерализации концентрата. Усовершенствование методики расчёта испарителей в области закритической минерализации концентрата.

Научная новизна. Впервые получены данные по перепаду давления в вертикальной трубе при кипении водного раствора в диапазонах концентраций (0-30 г/кг), давлений (0,35-0,87 МПа) и скоростей (0,07-0,19 м/с). Установлена зависимость перепада давления от скорости потока, массового расходного паросодержа-ния и концентрации раствора. Обнаружено, что с ростом солесодержания перепад

давления растёт в диапазоне 0-20 г/кг, а затем стабилизируется. Эта зависимость согласуется с известными данными. В исследованных условиях наблюдается повышение перепада давления до 30%. Усовершенствована методика гидравлического расчета испарителей естественной циркуляции для высокоминерализовап-ных сред. Предложенная методика позволяет выполнить тепловой и гидродинамический расчёт испарителя кипящего типа, в условиях закритичсской минерализации концентрата и соответствующих ей низких скоростей циркуляции.

Достоверность полученных в диссертации результатов обеспечивается: обоснованностью, высоким метрологическим уровнем, надёжностью методики экспериментального исследования, анализом погрешностей измерения и воспроизводимостью опытных данных. Полученные данные по перепаду давления в вертикальной трубе при кипении водного раствора сульфата натрия согласуются с известными представлениями по гидродинамике при кипении водных растворов закри-тической минерализации. Рассчитанные по предложенной методике коэффициенты теплопередачи в испарителях в условиях закритического солесодержания концентрата согласуются с экспериментальными данными выполненных ранее работ.

Практическая ценность работы. Опытные данные и зависимость по перепаду давления в вертикальной трубе при кипении водного раствора сульфата натрия создают возможность для разработки модели двухфазного потока и расчёта паро-содержания при течении водных растворов в обогреваемых трубах.

Автор защищает

1. Впервые полученные данные по перепаду давления в вертикальной трубе при кипени водного раствора сульфата натрия в исследуемом диапазоне концентраций, скоростей и давлений.

2. Обнаруженные закономерности влияния солесодержания раствора сульфата натрия на перепад давления при кипении в вертикальной трубе в условии низких массовых скоростей и давлений.

3. Усовершенствованную методику теплогидравлического расчета испарителей естественной циркуляции при закритической минерализации концентрата и низ-

ких скоростях циркуляции.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы были доложены на 9-ой Межд. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (2003 г., Москва), 10-ой Межд. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (2004 г., Москва), XV Школе-семинаре молодых учёных и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева. (2005 г. Калуга), восьмой международной научно-технической конференции ОМИП. (2005 г. Москва), 4-ой Российской национальной конференции по теплообмену (2006 г., Москва), заседании кафедры

ТЭС МЭИ.

Публикации. Основное содержание работы отражено в 7 публикациях.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка использованной литературы и приложений. Работа содержит 134 страницы основного машинописного текста, 60 рисунков, 2 таблицы, 51 страницу приложений, библиография содержит 59 наименований.

Рис. 1. Изменение температуры потока, температуры стенки, интенсивности ее пульсаций по длине канала. Режимы течения в вертикальном канале: 1-однофазный поток, II-пузырьковый, Ш-снарядный, 1У-эмульсионный, V-дисперсно-кольцевой, У1-поток в переходной области, УП-дисперсный, УШ-течение перегретого пара.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе проведен обзор исследований теплошдравличс-ских процессов в испарителе при глубоком концентрировании питательной воды. Эффективность аппаратов с естественной циркуляцией может оказаться сутлсст-

венно ниже расчетной из-за особенностей гидродинамики в них при солесодер-жании концентрата выше 4-6 г/кг.

Исследования теплогидравлических процессов в испарителе при глубоком концентрировании питательной воды, выполненные Бускуновым Р.Ш. и Васиным В.А., выявили ряд особенностей гидравлического и теплового режимов аппарата. При достижении критического солесодержания концентрата происходит снижение весового уровня в опускной щели и скорости циркуляции. На выходе труб греющей секции возникает участок с ухудшенной теплоотдачи. В результате заметно снижаются коэффициенты теплопередачи, что приводит к существенному снижению производительности и экономичности водоподготовитсльпых установок.

В минерализованной среде на поверхности парового пузыря происходит адсорбция гидратированных ионов солей; при достижении критической концентрации на поверхности раздела фаз происходит образование квазикристаллического слоя, затрудняющего коалесценцшо паровых пузырей. Описанное явление приводит к сохранению пузырькового режима течения (область II рис. 1) до высоких паросодержаний. На основании рассмотренных материалов сформулированы задачи исследования.

Во второй главе приведено описание экспериментальной установки и обработки опытных данных. Эксперименты проводились на автоматизированном стенде (рис.2) кафедры ИТФ МЭИ по руководством проф., д.т.н., Кузма-Кичты Ю.Л. Все элементы стенда изготовлены из нержавеющей стали Х18Н10Т. Установка обеспечивает проведение измерений в диапазонах давлений 0.1-7 МПа, массовых скоростей 10-650 кг/(м2-с), тепловых нагрузок до 1.5 МВт/м2. Расход в контуре создается высоконапорным насосом-дозатором НД 100/250 с переменной производительностью. Теплоноситель (раствор сульфата натрия в воде) из бака 1 проходит последовательно через фильтр 2, насос 3, ресивер 4, дроссельный вентиль 5, расходомер 6, рабочий участок 7 и холодильник 10. Ресивер и дроссельный вентиль служат для сглаживания пульсаций расхода теплоносителя и давления. Ресивер

Рис 2. Схема экспериментальной установки.

1 - бак; 2 - фильтр; 3 - насос; 4 - ресивер; 5 - дроссельный вентиль; 6 - расходомер; 7 - рабочий участок; 8 - защитный кожух; 9 - электроизолирующий фланец; 10 - холодильник; 11 - расходомер «Метран»; 12 - усилитель; 13 - измерительный трансформатор; 14 - низковольтный трансформатор ОСУ-ЮО; 15 - автотрансформатор АОМК-¡00; 16 - манометр; 17 - измерительно-вычислительный комплекс на базе аппаратуры НЕ\\'ЬЕТТ-РАСКАРЛЭ; 18 - разгрузочная емкость; 19 - демпфирующая емкость; 20 -баллон с инертным газом; 21 - точки отбора проб; 22 - дифференциальный датчик давления Сапфир 22-ДД.

частично заполнен водным раствором N32804, степень заполнения контролируется по уровню. В свобо дныи объем подается газ из баллона 20.

Расход теплоносителя в контуре измеряется с помощью спиральной трубки, перепад давления на которой регистрируется дифференциальным датчиком дав-

й й i"g'g g "g g"ggYs s g'sg"

0 0,2 0,4 0,6

Массовое расходное паросодержание, X

Рис 3. Распределения температуры стенки и потока в участке при w=0.08 м/с

1 -температура внутренней поверхности трубки, °С; 2 -температура потока, "С;

ления «Метран» (11). Обогрев рабочего участка осуществляется путем непосредственного пропускания переменного тока от низковольтного трансформатора ОСУ-100 (14), регулирование нагрузки которого осуществляется с помощью автотрансформатора АОМК-ЮО (15). Располагаемая электрическая мощность стенда составляет 125 кВт. Разгрузочная емкость 18, связанная с демпфирующей емкостью 19, подсоединена к контуру после электроизолирующего фланца 9. Перепад давления на рабочем участке измеряется с помощью дифференциального датчика давления Сапфир 22-ДД (16). Температура потока на входе и выходе рабочего участка измерялась хромель-алюмелевыми термопарами, помещёнными в тонкостенные гильзы.

Для разгрузки от давления канал помещен в толстостенный кожух (8). Благодаря тому, что канал и кожух связаны между собой через разгрузочную 18 и демпфирующую емкость 19, в них поддерживается одинаковое давление. При работе установки в емкости 18,19 подается инертный газ из баллона 20. Степень заполнения разгрузочной емкости определяется по уровню водомерного стекла. Холодильник 10 представляет собой теплообменник

*1 типа труба в трубе, охла-02

■з ждаемый водопроводной водой. При проведении экспериментов путем отбора проб измерялась концентрация раствора сульфата натрия в начале

и в конце каждого опыта. Для измерения кон-

♦

.Л.___♦

АО

Массовое расходное паросодержание, X

Рис 4. Зависимость перепада давления па участке центрации раствора двух-от массового расходного паросодержания при различных концентрациях водного раствора и м/с.

1 - вода; 2 - раствор N82804 при С=5г/кг; 3 - С—1 Ог/кг; 4 - С=20 г/кг: 5-С=3 0 г/кг.

компонентного водного раствора Ка2504 до расхо-

домерной спирали и после холодильника предусмотрены пробоотборные вентили (21,22). Регистрация данных измерений и управление экспериментом осуществляется с помощью измерительно-вычислительного комплекса (17) на базе

аппаратуры фирмы

Ч £

-------- —

О ......

Чв

■—О-■'

о ♦

♦

Массовое рсходное паросодержание, х

Рис 5. Зависимость перепада давления на участке от массового расходного паросодержапия при различных концентрациях водного раствора и н'~0,19 м/с.

1 — вода; 2 — раствор Ка28 04 при С=5г/кг; 3 - С=10г/кг; 4 — С=20 г/кг;

5-С=30 г/кг

- о* -

в "

о

♦ ♦

Массовое расходное паросодержание, X

НЕЛУиГГТ-РЛСКЛкЮ с максимальной скоростью опроса 22 измерения в секунду и разрешающей способностью 1 мкВ.

Рабочий участок представляет собой трубу с технически гладкой поверхностью из стали Х18Н10Т с внутренним диаметром 6.9 мм и толщиной стенки 0.55 мм. Обогреваемая длина трубы составила 1775 мм.

Погрешность определения перепада давления составила 14%.

В третьей__пиве

представлены данные по перепаду давления

Рис 6. Зависимость перепада давления на участке от массового расходного паросодержапия при различных концентрациях водного раствора Ма2Б(>4 и н>=0,07м/с.

1 - вола: 2 - раствор Ка?$04 при С=5г/кг; 3 - С=1 Ог/кг; 4 - С=20 г/кг; 5 на рабочем учас тке -С=30 г/кг

при кипении водного

раствора Ыа2804 в диапазоне скоростей 0,07-0,19 м/с и давлений 0,6- 0,75 МПа при концентрациях сульфата натрия 5-30 г/кг. Для подтверждения достоверности получаемых данных была проведена серия экспериментов на чистой воде, как при кипении, так и без кипения. Расчёт перепада давления при кипении воды в трубе определялся согласно известным рекомендациям. Для определения местных сопротивлений на входе в рабочий участок проведена серия экспериментов на воде без кипения. На рис. 3 представлено характерное распределение температуры стенки и температуры раствора по длине рабочего участка. На рис. 4 представлены экспериментальные данные по перепаду давления на рабочем участке при кипении воды и водного раствора Ка2504 для скорости потока 0,1м/с.

Как видно из рис. 4, перепад давления в трубе растёт с увеличением массового расходного паросодержания. Причём при повышении концентрации раствора N32804 от нуля до 5 г/кг наблюдается заметный рост перепада давления. При дальнейшем увеличении концентрации до 30 г/'кг рост сопротивления замедляется. На рис. 5 и 6 представлены экспериментальные данные при различных концентрациях водного раствора №2804 и скоростях потока равных 0,19 м/с и 0,07 м/с соответственно. Анализируя данные рис. 4-6, можно сделать вывод, что с ростом солссодсржания потока до 5 г/кг происходит изменение структуры двухфазного потока, вызванное увеличением ко-

♦ 1 ■ 2 13

Концентрация раствора, г/кг

Рис 7. Отношение перепада давления при кипении водного раствора к перепаду давления на рабочем участке при кипении воды от концентрации раствора при массовом расходном паросодержании равном 0,5.

1 - ] 9 м/с; 2 - ■»=(), 17 м/с; 3 - \у=0,15 м/с; 4 - \\-=0,12 м/с; 5 I м/с; 6 - \\'=0,09 м/с

личества ионов соли в растворе и возникновения дополнительных ионных связей. Количество ионных связей увеличивается до определённого предела, связанного с насыщением поверхности раздела фаз гидратированными ионами солей и построением "мицеллы", что и вызывает дальнейшую стабилизацию перепада давления с увеличением концентрации раствора. Полученные данные по зависимос ти перепада давления от концентрации водного раствора при кипении в вертикальной трубе согласуются с данными по зависимости весового уровня в опускной щели от солесодержания, согласно результатам Демидова H.H., Голубева Е.К. и Чернова А.Г., и с зависимостью скорости всплытия одиночного пузыря от концентрации водного раствора, полученной в работе Карцева A.C.

На рис 7 представлены экспериментальные данные в виде отношения перепада давления на рабочем участке при кипении водного раствора КагВС^ к перепаду давления при кипении воды в зависимости от концентрации раствора. Из рис.7 видно, что в диапазоне концентраций 20-30 г/кг происходит стабилизация перепада давления. Для расчёта потерь давления в вертикальной трубе при кипении водного раствора сульфата натрия в исследуемом диапазоне предложена следующая зависимость:

^-,=(1 + *)-^, (О

Ч 78 Г0А ( ' Л0,4

где к = 7,14-10"5 + ————w2 , при С >С„

Р V я'1-х )

АРра„, - перепад давления при кипении водного раствора, Па; д/>™ - перепад давления при кипении воды, IIa; р" и р- плотность пара и воды на линии насыщения кг/мЗ; р- давление в рабочем участке, кгс/м2; х -массовое расходное иаросодержание; w - скорость потока, м/с;

Chb sÜ4 - концентрация водного раствора сульфата натрия, г/кг.

массовое расходное паросодержание, х

Рис 8. Зависимость перепада давления в трубе от паросодержа-пип при различных скоростях и концентрации ¡\п2Я()4 равной 30 г/кг.

1 -№-0,19 м/с; 2-0,15 м/с; 3-0,1 м/с. линия - расчёт по уравнению (1)

На рис. 8 представлено сопоставление расчёта по зависимости (1) и экспериментальных данных. Как видно из рисунка, полученные данные описываются предложенной зависимостью (1) с отклонением 14%.

В четвёртой главе выполнено усовершенствование методики теплогидранличс-ского расчёта испарителя естественной циркуляции для закритического солесо-держания концентрата. Наблюдаемые при закритическом солесодержании эффекты: снижение групповой скорости всплытия паровых пузырей, увеличение сопротивления при движении пароводяной смеси и сложная зависимость теплоотдачи при кипении от солесодержания должны быть учтены в методике расчёта испарителя для закритической минерализации концентрата. Описанные выше эффекты с переходом на закритическое солесодержание концентрата вызывают снижение скорости циркуляции. Поскольку определяющим фактором теплового режима испарителя служит скорость циркуляции, то, очевидно, что и тепловые режимы для закритического и докритического солесодержания концентрата должны бы ть различны.

I 30

♦

♦

3

о 20 -

га х

х

С)

5

♦

а

а С

о

о

0,001 0,002 0,003 0,004 0,005 0,006 0,00

Скорость циркуляции, м/с

Рис 9 Зависимость перепада давления в трубах греющей секции испарители от скорости циркуляции.

Определение действительных значений скоростей циркуляции возможно из пред положения равенства перепада давления, рассчитанного по зависимости (1) и экспериментальных значений потерь давления по данным Васина В.А. и Карцева A.C. Концентрация раствора сульфата натрия при расчёте принималась равной 30 г/кг, так как начиная с этой концентрации происходит стабилизация перепада давления на трубе, а солесодержание в испарителях, как правило, составляет более ЗОг/кг. На рис. 9 представлена полученная зависимость перепада давления н трубах греющей секции испарителя от скорости циркуляции.

По полученным скоростям циркуляции были рассчитаны коэффициенты теплопередачи в испарителе. При расчёте использовалась методика Стермана Л.С., дополненная зависимостями по расчёту теплоотдачи при кипении водных растворов, кроме того, дополнительно учтены: образование участка ухудшенного теплообмена и перепад давления на трубах греющей секции при закритической минерализации концентрата, гидростатическая, гидравлическая и физико-химическая депрессии, а так же изменение температурного напора по высоте греющей секчии

испарителя.

Скорость циркуляции в испарителе определяется из условия [АРл - <0,01, где АР,с - потери давления в трубах греющей секции испарителя определяемые но зависимости, полученной Васиным В.А. в опытах на испарителе И-600 Саранской ТЭЦ-2; АРтр - перепад давления в трубе при закритическом солесодержании концентрата - определялся по зависимости, полученной из уравнения (1) для участка стабилизации:

АР =

1 + 14,735/р*А 7.143-Ю"5 +——— 1 р' 1-х

ДР.,

(2)

Метод определения скорости циркуляции иллюстрируется на рис. 10.

18000 -

О 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0.09 0,1

скорость циркуляции, м/с

Рис 10 Определение скорости циркуляции при работе испарителей па закритическом солесодержании концентрата.

На рис. 11 и рис. 12 показаны результаты расчёта коэффициентов теплопередачи по предложенной методике для закритического солесодержания концентрата и методике Стермана Л.С. (при докритическом солесодержании концентрата). Предложенные зависимости иллюстрируют различие теплогидравлическоге режима работы испарителей.

Температурный напор, гр.Ц.

Рис 11 Зависимость коэффициента теплопередачи в испарителе от температурного напора и температуры вторичного пара по предложенной методике для закритических минерализации концентрата и низких скоростей циркуляции.

линии - расчёт 1 - при t„=l 15 °С; 2 - 125 "С; 3 - 135 °С; 4 - 145 °С; 5 - 155 "С; 6 - 165 сС. точки - опытные данные Карцева A.C. 1 - при t„=l 10-420 °С; 2 - 1„=120-И30 °С; 3 -1„=-130+140 "С; 4-t„=140+150 °С; 5-t„=l50+160 °С.

Температурный напор, гр.Ц.

Рис 12 Зависимость коэффициента теплопередачи в испарителе от температурного напора и температуры вторичного пара по традиционной методике для докритических минерализации концентрата и высоких скоростей циркуляции.

1 - расчёт при t„=l 10 "С; 2 - 120°С; 3 - 130 °С; 4- 140 °С; 5- 150 °С; 6- 160 °С.

Наличие максимумов на рис. 14 обусловливается сменой теплового режима работы испарителя при появлении участка ухудшенного теплообмена. Кроме того, полученные зависимости по предложенной методике достоверно описывают опыт-

к_зксп

Рис 13. Сопоставление расчётных и измеренных коэффициентов теплопередачи на режиме работы испарителя с закритнческим солесодержанием концентрата при низких скоростях циркуляции.

ньге данные.

Сравнение расчётных и экспериментальных коэффициентов теплопередачи при работе испарителя при закритическом солесодержании концентрата и низких скоростях циркуляции приведено на рис 15. Отклонение расчётных и опытных данных составляет ±15%, что служит подтверждением предположения по масштабу скоростей циркуляции для режимов с закритнческим солесодержанием концентрата испарителей.

выводы

1. Проведено экспериментальное исследование перепада давления при кипении водного раствора №2804 в вертикальной трубе на усовершенствованном автоматизированном стенде применительно к условиям работы испарителей кипящего типа. Впервые получены данные по перепаду давления в вертикальной трубе при кипении водного раствора в диапазоне концентраций (030 г/кг), давлений (0,35-0,87 МПа) и скоростей (0,07-0,19 м/с). Установлены зависимости перепада давления при кипении водного раствора №280.) в трубе от скорости потока, массового расходного паросодержания и концентрации раствора.

2. Проведён анализ влияния солесодержания на перепад давления при кипении водного раствора сульфата натрия в трубе. Обнаружено, что с ростом солесодержания водного раствора №2804 перепад давления при кипении растёт в диапазоне 0-20 г/кг, а затем стабилизируется. Эта зависимость согласуется с известными представлениями. В исследованных условиях наблюдается повышение перепада давления при кипении водного раствора №2804 до 30%. Влияние солесодержания на перепад давления при кипении водного раствора N32804 в большей мере проявляется при повышенных скоростях.

3. На основе полученной зависимости перепада давления при кипении водного раствора Кта2804 в трубе от скорости потока и известных данных по потерям давления на испарителе И-600 Саранской многоступенчатой испарительной установки оценены скорости циркуляции в рассмотренных условиях. Установлено, что скорости циркуляции при закритическом солесодержании концентрата крайне низкие и близки к скоростям восполнения потерь на испарение.

4. Усовершенствована методика расчёта гидродинамики и теплообмена в испарителях кипящего типа для закритической минерализации концентрата, которая позволяет учесть изменение теплогидравлического режима в испарите -

ле при низких скоростях циркуляции.

5. Проведены расчёты коэффициента теплопередачи в испарителях кипящего типа при закритической минерализации. Результаты расчёта показывают наличие максимума, после прохождения которого, коэффициент теплопередачи уменьшается вследствие образования участка ухудшенного теплообмена в трубах греющей секции испарителя и согласуются с известными данными, полученными в промышленных условиях.

Основное содержание диссертации отражено в следующих публикациях:

1. Карцев A.C., Коньков Е.О., Кузма-Кичта Ю.А., Седлов A.C. Исследование кипения многокомпонентных водных растворов с помощью лазерной диагностики // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Тез. докл. Десятой Межд. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов: В 3 т. - М. Изд-во МЭИ, 2004. Т.З. - С.9-10.

2. Седлов A.C., Кузма-Кичта Ю.А., Коньков Е.О. Разработка методики тсп-логидравлического расчёта испарителей естественной циркуляции при закритической минерализации концентрата // Повышение экономичности, надёжности к экологической безопасности ТЭС. - М. 2005, С. 164-167.

3. Кузма-Кичта Ю.А., Седлов A.C., Карцев A.C., Коньков Е.О., Лавриков A.B. Исследование кипения водных растворов солей с помощью лазерной диагностики // XV Школа-семинар молодых учёных и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева. - Калуга. - 2005 (23-27 мая). - Т1. -С. 220-224.

4. Кузма-Кичта Ю.А., Седлов A.C., Карцев A.C., Коньков Е.О., Лаврнксв A.B. Лазерная диагностика кипения водных растворов // Труды восьмой международной научно-технической конференции ОМИП. - М. - 2005 (28 июня 1 июля). - С. 432-435.

Mj

5. Кузма-Кичта Ю.А., Седлов A.C., Карцев A.C., Коньков Е.О. Кипение водных растворов // Труды японской конференции по теплоэнергетике, 2005, (5-6 ноября). - С. 37-38. (на английском языке).

6. Седлов A.C., Кузма-Кичта Ю.А., Коньков Е.О., Лавриков A.B. Исследование гидравлического сопротивления при кипении водных растворов в канале. // РНКТ-4, М 2006, С. 159-162.

7. Седлов A.C., Кузма-Кичта Ю.А., Коньков Е.О., Лавриков A.B., Хромов А.Н. Влияние концентрации питательной воды на режимы работы водоподгото-вительных испарительных установок // Энергосбережение и водоподготовка. М,-2006,- №6(44).- С.73-74.

Подписано к печати Иод-ОУг.п-

Печ.л. Тираж (00_Заказ ТЗ

Типография МЭИ (ТУ), Красноказарменная, 13.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА I. ОБЗОР ИССЛЕДОВАНИЙ ВЛИЯНИЯ МИНЕРАЛИЗАЦИИ НА

ГИДРОДИНАМИКУ И ТЕПЛООБМЕН ПРИМЕНИТЕЛЬНО К ЭНЕРГЕТИЧЕСКИМ ИСПАРИТЕЛЯМ.

1.1. Конструкция и область применения современных энергетических испарителей типа "И".

1.2. Особенности гидродинамики водяного объема испарителей в условиях глубокого концентрирования питательной воды.

1.3. Особенности теплового режима длиннотрубного испарителя в условиях глубокого концентрирования питательной воды.

1.4. Причины пенообразования в испарителях.

1.5. Влияиие минерализации на гидродинамический режим испарителя.

1.5.1. Истинное объёмное паросодержание при барботаже пара через водные растворы.

1.5.2. Скорость всплытия одиночного пузыря и групповая скорость всплытия пузырей в водных растворах.

1.5.3. Гидравлическое сопротивление при движении двухфазной смсси для растворов.

1.6. Влияние минерализации на тепловой режим испарителя.

1.6.1. Теплофизические свойства водных растворов.

1.6.2. Теплоотдача при кипении в большом объёме.

1.6.3. Теплоотдача при кипении в трубах.

1.6.4. Характеристики области ухудшенного теплообмена для воды и водных растворов.

1.7. Постановка задач исследования.

ГЛАВА II. Экспериментальная установка и методика исследования. 62 2.1. Экспериментальная установка и рабочий участок.

2.2. Теплофизические измерения.

2.3. Методика проведения экспериментов.

2.4. Методика обработки экспериментальных данных.

2.5. Результаты тарировок измеряемых величин.

2.6. Оценка погрешности измерений.

ГЛАВА III. ИССЛЕДОВАНИЕ ГИДРОДИНАМИКИ ПРИ КИПЕНИИ

ВОДНЫХ РАСВОРОВ В ТРУБЕ

3.1. Достоверность полученных данных.

3.2. Зависимость перепада давления от массового расходного паросодер-жания, концентрации и скорости потока при кипении водного раствора в трубе.

3.3. Анализ экспериментальных данных и получение эмпирической зависимости для перепада давления на участке при кипении водного раствора Na2S04 в трубе.

ГЛАВА IV. МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОГИДРАВЛИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ИСПАРИТЕЛЕ ЕСТЕСТВЕННОЙ ЦИРКУЛЯЦИИ ПРИ ЗАКРИТИ

ЧЕСКОМ СОЛЕСОДЕРЖАНИИ КОНЦЕНТРАТА.

4.1. Определение условий возникновения участка ухудшенного теплообмена в трубах греющей секции при докритичсской и закритической минерализации концентрата.

4.2. Методология определения скорости циркуляции.

4.3. Сопоставление расчётных коэффициентов теплопередачи с данными известных.

4.4. Физическая модель теплогидравлических процессов в испарителе при закритической минерализации концентрата.

4.5. Алгоритм расчёта испарителя с участком ухудшенного теплообмена.

ВЫВОДЫ.

Высокие требования к качеству добавочной воды основного контура тепловых электрических станций заставляют уделять повышенное внимание вопросам водоп од готовки как при проектировании новых, так и при эксплуатации существующих ТЭС. Большое количество аварийных ситуаций на ТЭС обусловлено именно нарушениями вводно-химического режима, вызванными плохой работой водоподготовительных установок (ВПУ).

Подготовка добавочной воды на ТЭС осуществляется химическим или термическим методом. Термический метод водоподготовки получил довольно широкое развитие как в России, так и за рубежом. В настоящее время в СНГ термическое обессоливание на базе энергетических испарителей применяется более чем на 30 ТЭС в основном с котлами высокого давления 9 МПа и сверхвысокого давления 13 МПа. В это число входят также несколько ТЭЦ и 5 КЭС с блоками сверхкритического давления 24 МПа. Испарительмые установки используются в районах с высоким солесодержанием природных вод и с высоким содержанием органических соединений в исходной воде, а также там, где ограничены возможности сброса сточных вод. При этом качество дистиллята, вырабатываемого на испарительных установках, позволяет использовать его для питания котлов сверхкритического давления. Фактически испарительные установки одновременно выполняют две функции: подготовку добавочной воды основного контура и концентрирование сточных вод. Эти качества испарительных установок, а также их высокая автономность, маневренность и относительная простота эксплуатации создают предпосылки для дальнейшего развития ВПУ на базе энергетических испарителей.

В настоящее время ВПУ, реализующие термический метод водоподготовки, строятся на базе испарителей естественной циркуляции типа «И». Исследование теилогидравлических процессов в испарителях при глубоком концентрировании питательной воды [1-8] выявило ряд особенностей гидродинамического и теплового режима испарителя по сравнению с работой на маломинерализованной среде, не объясняемых существующей физической моделью теплогидравлических процессов в испарителе [9]. Отсутствие физической модели, объясняющей сущность процессов в испарителе для закритической минерализации среды (концентрата), создаёт определённые трудности как при проектировании новых, так и при эксплуатации существующих испарительных установок.

Исследования [1-8], ввиду различных недостатков использованных схем измерения, не позволяют дать удовлетворительное объяснение всему спектру наблюдаемых явлений, таким образом, существует необходимость детального исследования теплогидравлического режима испарителя во всём диапазоне со-лесодержаний концентрата.

Повышение минерализации концентрата оказывает влияние как на тепловые, так и на гидродинамические характеристики испарителя. С точки зрения теплового режима наиболее важными факторами следует считать изменение теплофизических свойств рабочей среды, и в первую очередь физико-химической депрессии [27], и теплоотдачи при кипении [38]. С точки зрения гидродинамического режима решающее значение имеет возрастание истинного объёмного паросодержания [13, 19] и сопротивления при движении пароводяной смеси [26].

Ограниченность данных по истинному объёмному паросодержапию и отсутствие данных по перепаду давления при кипении водных растворов не позволяют построить кинематическую модель пароводяного потока и исследовать влияние режимных параметров и геометрических характеристик испарителя на гидродинамический режим. Таким образом, представляется актуальным исследование гидравлического сопротивления при движении пароводяной смеси.

Помимо вышеперечисленных факторов, теплогидравлический режим испарителя определяется ещё и геометрическими параметрами аппарата. Различие теплогидравлических режимов испарителя при малой и высокой миперализации концентрата обусловливает необходимость оптимизации конструкции испарителя для работы на высокоминерализованных средах. Существует необходимость оптимизации конструкции и аппаратов для маломинерализованных сред.

Создание методики расчёта испарителей для высокоминерализовапиых сред и оптимизация конструкции аппаратов возможно только при выяснении физической модели теплогидравлических процессов в испарителях при глубоком концентрировании питательной воды.

ВЫВОДЫ

1. Проведено экспериментальное исследование перепада давления при кипении водного раствора №2804 в трубе. Впервые получены данные по перепаду давления в вертикальной трубе при кипении водного раствора в диапазоне концентраций (0-30 г/кг), давлений (0,35-0,87 МПа) и скоростей (0,07-0,19 м/с). Установлены зависимости перепада давления от скорости потока, массового расходного паросодержания и концентрации раствора.

2. Проведён анализ влияния солесодержания на перепад давления при кипении водного раствора сульфата натрия в вертикальной трубе. Обнаружено, что с ростом солесодержания перепад давления растёт в диапазоне 0-20 г/кг, а затем стабилизируется. В исследованных условиях наблюдается повышение перепада давления до 30%. Влияние солесодержания на перепад давления в большей мере проявляется при повышенных скоростях.

3. На основе полученной зависимости перепада давления от скорости потока и данных по потерям давления на испарителе И-600 Саранской многоступенчатой испарительной установки, оценены скорости циркуляции в рассмотренных условиях. Установлено что, скорости циркуляции находятся в пределах скоростей воды для восполнения потерь на испарение.

4. Усовершенствована методика расчёта испарителей для закритической минерализации концентрата для низких скоростей циркуляции, которая позволяет учитывать существование участка ухудшенного теплообмена в трубах греющей секции испарителя.

5. Проведены расчёты коэффициента теплопередачи в испарителях при закритической минерализации. Обнаружено, что расчётные зависимости согласуются с опытными данными. Результаты расчёта показывают наличие максимума, после прохождения которого, коэффициент теплопередачи уменьшается вследствие образования участка ухудшенного теплообмена в трубах греющей секции испарителя.

1. Стерман J1.C., Можаров H.A. Исследование работы испарителей блока К-200-130 Луганской ГРЭС //Теплоэнергетика. - 1965.- № 12.-С. 15-18

2. Бускунов Р.Ш., Сметана А.З. Особенности гидродинамики водяного объема вертикального испарителя // Теплоэнергетика. 1970. - № 4. - С. 48-50.

3. Семеновкер И.Е. Ухудшение циркуляции при вспенивании котловой воды // Теплоэнергетика. 1955. - №7. - С. 12-15.

4. Демидов H.H., Голубев Е.К., Чернов. А.Г. Статические и динамические характеристики испарителей поверхностного типа при переменных режимах эксплуатации // Энергомашиностроение. 1980. -№ 3. - С. 2426.

5. Поспелов Д.Н., Васильев О.Л. Эксплуатация испарителей турбины К-200-130 на Змиевской ГРЭС // Электрические станции. 1971. -№ 2. -С.36-40.

6. Голубев Е.К., Глазов Е.Е., Егоров Н.И., Попов В.П. Повышение надежности работы испарителей блоков 300 МВт // Энергомашиностроение. 1980. -№ 5. - С. 21-25.

7. Голубев Е.К., Глазов Е.Е., Вакуленко Б.Ф., Подгорный П. И.

8. Испарители для ТЭС и результаты их испытаний // Теплоэнергетика. -1983. № 4. - С.33-36.

9. Васин В.А. Исследование тепловых и гидродинамических процессов и разработка методик расчета переточных устройств и испарителей: Автореф. дисс. канд. техн. наук. М., 1993. - 20 с.

10. Кутепов A.M., Стерман Л.С., Стюшин Н.Г. Гидродинамика и теплообмен при парообразовании. М.: Высшая школа, 1986. - 392 с.

11. Гидравлический расчет котельных агрегатов: (Нормативный метод) / Под ред. В.А. Локшина и др. М.: Энергия, 1978. - 122 с.

12. ЬГорбуров В.И. Гидродинамика двухфазных потоков в специфических условиях эксплуатации АЭС. М.: Издательство МЭИ, 1999. - 62 с.

13. Ильина И.П. Разработка и совершенствование термохимической ВПУ с замкнутым циклом регенерации. Автореф. дисс. канд. техн. наук. М., 1998.-20 с.

14. Стырикович М.А., Бартоломей Г.Г., Колокольцев В.А. Исследование влияния солесодержания воды не набухание уровня и коэффициент уноса // Внутрикотловые физико-химические процессы. Издательство АН СССР. 1957. - С.101-112.

15. Стырикович М.А., Мартынова О.И., Миронольский 3.JI. Процессы генерации пара на электростанциях. М.: 1969. - 356 с.

16. Кутателадзе С.С., Стырикович М. А. Гидродинамика газожидкостных систем. М.: Энергия, 1976 - 296 с.

17. Татаринов Б.П. Влияние различных факторов на качество пара // Внутрикотловые физико-химические процессы. Издательство АН СССР. 1957. -С.43-69.

18. П.Тихомиров В.К. Пены. Теория и практика их получения и разрушения. -М.: Химия, 1983.-285 с.

19. Солодов А.П. Гравитационные пузырьковые течения // Теплоэнергетика. -2002.-№8.-С. 59-64.

20. Дерягин Б.В., Ландау Л.Д. Acta phisicochim. USSR // ЖЭТФ. 1941. -№14. - С. 633; ЖЭТФ. - 1942. - №12. - С. 802; ЖЭТФ. - 1945. - №5. - С. 662.

21. Стерман Л.С., Сурнов A.B., Матвеев В.П. Влияние солесодержания котловых вод на гидродинамику при барботаже // Теплоэнергетика. -1959.-№11.-С. 48-52.

22. Тихонов В.М. Экспериментальное исследование уноса и сепарации капель в вакуумных опреснителях: Дисс. канд. техн. паук. Калининград, 1977.- 182 с.

23. Соловьёв A.A. Сепарация пара в установках с успокоителями насадочного и лопастного типа: Дисс. канд. техн. наук. -М., 1983. 167 с.

24. Агабабов B.C. Установление зависимостей для расчёта качества пара испарителей ТЭС при закритических солесодержаниях концентрата: Дисс. канд. техн. наук. М., 1986. - 203 с.

25. Уоллис Г. Одномерные двухфазные течения. М.: Мир, 1972. - 314 с.

26. Лабунцов Д.А., Корнюхин И.П., Захарова Э.А. Паросодержание двухфазного адиабатного потока в вертикальных каналах // Теплоэнергетика. 1968. - №4. - С. - 62-67.

27. Макинский И.З., Симонов П.П. К вопросу о влиянии солесодержания жидкости на скорость подъёма пузырьков газа и пара // Известия ВУЗОВ. Нефть и газ. 1959. -№3. - С. 83-90.

28. Сухарев Е.И. Влияние структуры пароводяной смеси на гидродинамические характеристики сопротивлений циркуляционных контуров паровых котлов // Электрические станции. 1960. - №12. - С. 34-37.

29. Александров A.A. Температура и энтальпия кипящих водных растворов хлорида натрия и сульфата натрия // Теплоэнергетика. 2000. - №6. - С. 75-80.

30. Александров A.A. Частное сообщение.

31. Попов Б.Г., Рынков А.И. Исследование теплообмена при кипении водных растворов минеральных солей // Известия ВУЗов. Химия и химическая промышленность. 1958. -№1.~ С. 173-182.

32. Рынков А.И., Стерман JI.C. Исследование теплоотдачи к кипящим растворам едкого натра // Химическая промышленность. 1948. - №4. -С. 14-16.

33. Бронштейн А.И., Угрехелидзе Г.П. Теплообмен при развитом кипении водосолевых растворов в трубах при повышенных давлениях // ТВТ. -1983. -Т.21. -№2. С. 18-21.

34. Невструева E.H., Романовский И.М. Некоторые особенности массообмена при кипении водных растворов, содержащих сульфат кальция // ТВТ. 1968. - №2. - С. 28-35.

35. Грибаненков A.B., Леонтьева JI.A., Гальцов В.Я. // Труды МИХМ. -1972. вып. - 42. - С.44.

36. Грибаненков A.B. Дне. канд. техн. наук. М.: МИХМ. - 1970. 143 с.

37. Сухарев Е.И., Акопьянц Б.Е. // Труды ЦКТИ. 1965. - вып. 59. - С.260.

38. Романовский И.М., Стырикович М.А., Невструева Е.И. // ТВТ. 1973. - Т.11. -№5. - С.1044.

39. Юсуфова В.Д., Бронштейн А.И., Угрехелидзе Г.П. В кн.: Теплообмен и теплофизические свойства воды, водяного пара и органических веществ. // Вып. 29. М.: ЭНИН, - 1974. - С.5-15.

40. Угрехелидзе Г.П. Экспериментальное исследование теплообмена при кипении водных растворов солей в трубах при вынужденном движении и давлениях 0,1-20 МПа: Автореф. дисс. канд. техн. наук. М., 1981. - 20 с.

41. Полонский B.C. Некоторые вопросы статики и динамики в парогенерирующих каналах: Дисс. канд. техн. наук. -М.: МЭИ, 1967. -160 с.

42. Абрамов А.И., Борисенко Д.И., Буяков Д.В., Зудин Ю.Б., Кузма-Кичта Ю.А., Сербии П.В. Исследование теплоотдачи при кипении водных растворов в испарителях // Экология энергетики 2000: Материалы Межд. науч.-практ. конф.-М., 2000.-С. 192-195.

43. Шкондин Ю.А. Исследование тепловых процессов и разработка методики теплогидравлического расчета испарителей: Дисс. канд. техн. наук.-М.: МЭИ, 1997.- 180 с.

44. Комендантов A.C., Кузма-Кичта Ю.А., Бурдунин М.Н., Савкин H.H.

45. Исследование интенсификации теплообмена в переходной и закризисной областях при низких массовых скоростях // Теплоэнергетика. 1992. -№5. - С.44-47.

46. Морозов Ю.Д., Привалов А.Н., Присняков В.Ф. и др. Кризис теплоотдачи при кипении калия в каналах с капиллярно-пористым покрытием стенок//Тепломассообмен. ММФ: Тез. докл. Минск: ИТМО АН БССР, 1988.-С. 76-78.

47. Хасанов Ю.Г., Комендантов A.C., Кузма-Кичта Ю.А., Бурдунин М.Н. Исследование интенсификации теплообмена в закризисной области канала с пористым покрытием // Теплоэнергетика. 1987. - №7. - С.69-71.

48. Савкин H.H. Исследование интенсификации теплообмена в докризисной и закризисной областях парогенерирующей трубы с пористым покрытием и разработка рекомендаций для расчета теплоотдачи: Автореф. дисс. канд. техн. наук.-М., 1988.-20 с.

49. Буяков Д.В. Исследование влияния концентрации водного раствора сульфата натрия на теплообмен в испарителях и паропреобразовагелях: Дисс. канд. техн. наук. М.: МЭИ, 1999. - 160 с.

50. Агапов Р.В. Исследование эффективности схем МИУ с испарителями различных типов при концентрировании многокомпонентных растворов: Дисс. канд. техн. наук. -М.: МЭИ, 2003.-215 с.

51. Чиркин B.C. Теплофизические свойства материалов ядерной энергетики. М.: Атомиздат, 1968. - 484 с.

52. Полонский B.C. Некоторые вопросы статики и динамики в парогенерирующих каналах. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. М.: МЭИ, 1967.

53. Абрамов А.И., Борисенко Д.И., Буяков Д.В., Зудин Ю.Б., Кузма-Кичта Ю.А., Сербии П.В. Исследование теплоотдачи при кипенииводных растворов в испарителях. Сборник докладов международной научно-практической конференции Экология энергетики 2000, Москва,.

54. Wall temperature fluctuation on the evaporating tube at the dryout region / S. Nakanishi, S. Yamanchi, S . Ishigai, H. Kotahi. In : Heat Transfer Conf. München, 1982, V.U., p. 315 - 320.54.OCT 34-70-953.20-91.

55. Карцев A.C. Исследование влияния минерализации на гидродинамику и теплообмен в испарителях кипящего типа: Дисс. канд. техн. наук. М.: МЭИ, 2004. - 139 с.

56. Yu.A. Kuzma-Kichta, A.S. Sedlov, A.S. Kartsev, E.O. Konjkov. Boiling of aqueous solutions: GIFU Proceedings of thermal engineering conference, 2005

57. Седлов A.C., Кузма-Кичта Ю.А., Коньков E.O., Лавриков A.B. Исследование гидравлического сопротивления при кипении водных растворов в канале. РНКТ-4, М 2006, с. 159-162.