автореферат диссертации по энергетике, 05.14.04, диссертация на тему:Исследование резонансного метода интенсификации теплообмена в сушильных цилиндрах бумагоделательных машин

ИВАНОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

БАННИКОВ АЛЕКСАНДР ВАСИЛЬЕВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЗОНАНСНОГО МЕТОДА ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА В СУШИЛЬНЫХ ЦИЛИНДРАХ БУМАГОДЕЛАТЕЛЬНЫХ

МАШИН

Специальность 05.14.04 - "Промышленная теплоэнергетика"

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: д.т.н., профессор Точигин A.A.

Иваново 1999

РЕФЕРАТ

Диссертация 122 стр., 6 табл., 24 рис., библ. 81 название.

Интенсификация, резонанс, волновое течение, конденсатный слой, сушильный цилиндр, планки, эффективная теплопроводность.

Приведен обзор и классификация основных технических решений, направленных на интенсификацию теплообмена внутри цилиндров контактных сушильных установок бумагоделательных машин. Обосновываются преимущества резонансного метода и устройств по его организации. Анализируются теоретические и экспериментальные исследования волновых течений тонких слоев жидкости и образование конденсатного кольца.

Аналитически исследован резонансный метод интенсификации теплообмена в сушильных цилиндрах скоростных бумагоделательных машин. На основе дифференциальных уравнений гидродинамики и соответствующих граничных условий выведено дифференциальное уравнение движения тонких слоев вязкой жидкости на внутренней поверхности вращающегося сушильного цилиндра. Определена область существования периодического решения. Выведено замыкающее уравнение. Определены условия возникновения и существования резонанса тонкого слоя конденсата с учетом его реальных физических свойств: вязкости, плотности, поверхностного натяжения. Получена зависимость для расчета расстояния между планками, при котором возникает резонанс вязкого конденсатного слоя и значительное увеличение его

эффективной теплопроводности.

Разработана и создана экспериментальная установка, на которой проведено исследование термогидродинамических процессов на внутренней поверхности вращающегося сушильного цилиндра. Выполнено сравнение полученных в работе теоретических зависимостей с собственными экспериментальными данными и с экспериментальными данными других исследователей. В результате предложен инженерный метод для проектирования и установки планок с целью организации резонансного метода интенсификации теплообмена.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.......................................................................................................5

1. АНАЛИЗ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ РАБОТ ПО ГИДРОДИНАМИКЕ ВОЛНОВЫХ ТЕЧЕНИЙ ТОКИХ СЛОЕВ ЖИДКОСТИ И ТЕПЛООБМЕНУ НАВНУТРЕННЕЙ ПОВЕРХНОСТИ СУШИЛЬНОГО ЦИЛИНДРА БУМАГОДЕЛАТЕЛЬНОЙ МАШИНЫ...............................................11

1.1. Обзор основных технических решений...................................11

1.2. Теоретические и экспериментальные исследования...................18

2 . ГИДРОДИНАМИКА И ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ ТОНКОГО СЛОЯ КОНДЕНСАТА ПРИ ЕГО ВОЛНОВОМ ТЕЧЕНИИ НА ВНУТРЕННЕЙ ПОВЕРХНОСТИ СУШИЛЬНОГО ЦИЛИНДРА.....................................................49

2.1. Постановка задачи и вывод исходных уравнений.....................49

2.2. Периодическое решение и область его существования...............56

2.3. Вывод замыкающего уравнения............................................61

2.4. Волновое движение в канале конечной длины..........................65

2.5. Теплопроводность конденсатного слоя при его волновом течении на внутренней поверхности сушильного цилиндра.........72

2.6. Выводы по главе................................................................74

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЗОНАНСНОГО МЕТОДА ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА В СУШИЛЬНОМ ЦИЛИНДРЕ.....................76

3.1. Экспериментальная установка и методика проведения эксперимента....................................................................76

3.2. Результаты экспериментального исследования........................86

3.3. Математическая обработка результатов эксперимента...............88

4. СРАВНЕНИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ЗАВИСИМОСТЕЙ С ОПЫТНЫМИ ДАННЫМИ..................................................................................................94

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...............................................................................................108

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ.............................................................................111

ПРИЛОЖЕНИЕ...............................................................................................121

ВВЕДЕНИЕ

Интенсификация процессов сушки бумажного полотна является важной проблемой в целлюлозно-бумажной промышленности. Из существующего многообразия устройств, интенсифицирующих процесс теплообмена внутри сушильных цилиндров, широкое распространение в настоящее время имеют планки (термопланки, ребра, spoiler bars).

Необходимость их применения обусловлена большим термическим сопротивлением кольцевого конденсатного слоя на внутренней поверхности цилиндров контактных сушильных установок скоростных бумагоделательных маши (БДМ).

Принцип действия планок заключается в организации в конденсатном слое, движущемся к месту забора в канале, образованном гранями соседних планок и внутренней поверхностью цилиндра, резонансного волнового колебания, приводящего к турбулизации конденсата и вызывающего снижение его термического сопротивления. Данный метод интенсификации назовем резонансным.

На настоящий момент все теоретические подходы к изучению резонансного метода основываются на предположении, что конденсат является идеальной жидкостью, не имеющей реальных физических свойств (вязкости, плотности, поверхностного натяжения). Такого рода предположение существенно упрощает математическое описание явления, но при этом

возникают трудности практического порядка, связанные с определением реальных условий возникновения и существования резонанса.

Таким образом, актуальными являются:

• разработка математического описания волнового движения тонкого слоя конденсата (с учетом его реальных физических свойств) на внутренней поверхности вращающегося сушильного цилиндра;

• определение реальных условий организации резонанса в тонком слое конденсата, движущегося в инерционно-гравитационном поле.

• разработка расчетного метода установки планок с целью создания резонанса конденсатного слоя, движущегося на внутренней поверхности сушильного цилиндра, и, как следствие, значительного увеличения теплопроводности этого конденсатного слоя.

Цель работы и задачи исследования. Целью диссертационной работы является интенсификация теплообмена в сушильных цилиндрах БДМ путем выявления и устранения недостатков при использовании резонансного метода, связанных с неучетом реальных физических свойств конденсата.

В этой связи сформулированы и решены следующие задачи:

1. Разработка дифференциальных уравнений гидродинамики волновых течений тонких слоев вязкой жидкости на внутренней поверхности вращающегося сушильного цилиндра.

2. Определение области существования волновых течений и реализуемых (оптимальных) параметров для этих течений.

3. Определение условий резонанса волновых течений тонких слоев вязкой жидкости на внутренней поверхности вращающегося сушильного цилиндра.

4. Разработка и создание экспериментальной установки для изучения термогидродинамических процессов на внутренней поверхности сушильного цилиндра.

5. Проведение исследования влияния планок на процессы теплообмена в сушильных цилиндрах БДМ с целью анализа и обобщения базы экспериментальных данных.

6. На основе вышеизложенного разработка инженерных методов для проектирования и установки турбулизирующих планок.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. На основе системы дифференциальных уравнений гидродинамики и соответствующих граничных условий выведено дифференциальное уравнение движения тонких слоев вязкой жидкости на внутренней поверхности вращающегося сушильного цилиндра.

2. Впервые получены основные зависимости, характеризующие движение вязкой жидкости в условиях (см. п.1.), и формулы, определяющие расстояние между планками, при котором возникает резонанс вязкого конденсатного слоя и значительное увеличение его эффективной1 теплопроводности.

1_во всех случаях (здесь), когда речь идет о теплопроводности жидкости, имеется в виду эффективная теплопроводность, учитывающая молекулярный, конвективный, волновой и турбулентный перенос тепла

3. Теоретически установлена и впервые подтверждена экспериментально возможность использования второй гармоники для организации резонансного колебания вязкого слоя жидкости в указанных условиях.

Практическая ценность работы. На основе проведенных исследований разработаны следующие рекомендации для практического использования, позволяющие значительно повысить интенсификацию теплообмена в сушильных цилиндрах Б ДМ:

• предложено интенсифицировать теплопроводность конденсатного слоя на внутренней поверхности вращающегося сушильного цилиндра за счет установки планок. Это ведет к росту полного коэффициента теплопередачи от пара к бумажному полотну, что позволяет сократить поверхность теплообмена при неизменной производительности машины;

• организация резонансного колебания конденсатного слоя за счет второй гармоники вынужденных колебаний позволяет увеличить расстояние между планками и тем самым значительно сократить их количество без снижения эффективности использования резонансного метода интенсификации теплообмена;

• размещение планок в местах максимальной влажности бумажного полотна по длине цилиндра позволяет увеличить равномерность поперечного профиля влажности бумаги;

• в цилиндрах с планками предложено использовать сифоны более простых и надежных конструкций с большим зазором между внутренней

поверхностью и головкой сифона без увеличения термического сопротивления сушке со стороны конденсатного слоя.

Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы приняты к внедрению в 1999 г. на ОАО "Волга" (Балахнинский целлюлозно-бумажный комбинат).

Достоверность результатов подтверждается сравнением результатов расчетов, выполненных по полученным теоретическим зависимостям, с собственными экспериментальными данными и с экспериментальными данными других исследователей.

Автор защищает:

1. Математическую модель, описывающую гидродинамику волнового течения тонких слоев вязкой жидкости на внутренней поверхности вращающегося сушильного цилиндра.

2. Способ расчета (формулу) расстояния между планками, необходимого для организации режима резонанса слоев конденсата и значительного снижения их термического сопротивления с учетом реальных физических свойств жидкости: вязкости, плотности, поверхностного натяжения.

3. Способ установки планок на внутренней поверхности сушильного цилиндра при использовании второй гармоники вынужденных колебаний жидкости с сохранением эффективности резонансного метода интенсификации теплообмена.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на Международной научно-технической конференции «VIII Бенардосовские чтения», Иваново, ИГЭУ, 1997 г., Юбилейной научно-технической конференции «Повышение эффективности теплоэнергетического оборудования», Иваново, ИГЭУ, 1997 г., на научно-методических семинарах кафедры ПТЭ ИГЭУ в 1996-99 гг.

1. АНАЛИЗ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ РАБОТ ПО ГИДРОДИНАМИКЕ ВОЛНОВЫХ ТЕЧЕНИЙ ТОКИХ СЛОЕВ ЖИДКОСТИ И ТЕПЛООБМЕНУ НА ВНУТРЕННЕЙ ПОВЕРХНОСТИ СУШИЛЬНОГО ЦИЛИНДРА БУМАГОДЕЛАТЕЛЬНОЙ МАШИНЫ.

Учитывая прикладной характер работы, в первой части главы приводится обзор известных автору основных технических решений, направленных на интенсификацию теплообмена внутри сушильного цилиндра и их классификация. Обосновываются преимущества резонансного метода и устройств по его организации. Во второй части главы анализируются теоретические и экспериментальные исследования: 1) волновых течений тонких слоев идеальной и вязкой жидкости в различных физических, геометрических и временных условиях применительно к теме диссертационной работы; 2) условий образования кон-денсатного кольца на внутренней поверхности сушильного цилиндра бумагоделательной машины; 3) резонансного метода снижения термического сопротивления конденсатного кольца. В заключительной части указаны общие недостатки существующих работ и сформулированы цель и задачи настоящего исследования.

1.1. Обзор основных технических решений.

Сушка бумажного полотна на многоцилиндровых сушильных установках является на сегодняшний день основным методом сушки в непрерывно действующих бумагоделательных машинах. По этой причине в обзор основных технических решений вошли только конструкции интенсифицирующих тепло-

обмен устройств, предназначенные для сушильных цилиндров, в которых греющим агентом является насыщенный водяной пар.

В работе [7] приводится следующая классификация интенсифицирующих устройств:

1. Механические устройства, предназначенные для искусственной

турбулизации конденсата в кольцевом слое, принцип действия которых заклю-

»

чается в использовании азимутального движения конденсата относительно какой-либо неподвижной механической системы или на использовании циклического движения конденсата относительно корпуса вращающегося цилиндра;

2. Устройства, увеличивающие скорость течения и рассредоточивающие движение конденсата к месту забора;

3. Конденсатоотводящие системы и сифонные оголовки новых конструкций.

Обзор литературных источников [11, 43-58, 63, 67, 74-81] показывает тенденцию развития инженерной мысли в решении данной проблемы и позволяет на характерных примерах проиллюстрировать ее современное состояние.

Согласно приведенной классификации, типичным представителем устройств первого типа является ворсовой элемент [58], расположенный в полости сушильного цилиндра вдоль его образующей с некоторым зазором относительно внутренней поверхности корпуса и укрепленный на неподвижном стержне под углом к вертикальной оси цилиндра. Движущийся конденсат, проходя через ворс, турбулизируется и его эффективная теплопроводность возрастает. Недостатком такого рода устройств являются малая надежность и низкая эффек-

тивность работы из-за невозможности воздействовать на кольцевой слой конденсата малой толщины вследствие наличия зазора между корпусом цилиндра и турбулизирующим элементом.

К устройствам, принцип действия которых основан на использовании относительного движения конденсата в полости вращающегося цилиндра, относятся также и планки. На рис. 1.1 показаны экспериментальные образцы планок и разъемных зажимных колец для цилиндра диаметром 0,386 м и длиной 0,650 м. Геометрические размеры одной планки: 14 х 9 х 450 (мм). Подробное описание и принцип действия данных устройств приведены во введении настоящей работы.

Поиск условий использования планок с максимальной эффективностью был вызван следующими причинами: простотой, надежностью, универсальностью, относительной дешевизной, возможностью оснащения ими действующих установок в период текущих и капитальных ремонтов. При этом отпадает необходимость дополнительного переоборудования сушильной части Б ДМ.

Следуя принятой классификации, к первому типу интенсифицирующих устройств можно отнести конденсатоотводящие шины, предложенные Жучковым [10], который, проводя опыт с использованием шин, заметил, что при закрытии конденсатного вентиля и накоплении в цилиндре значительного количества конденсата температура внешней поверхности цилиндра не снижалась. Данное обстоятельство свидетельствовало о неизменности теплового сопротивления, несмотря на рост толщины конденсатного кольца. Это явление исследователь

Рис. 1.1 Комплекты зажимных колец с планками: а) 42 планки; б) 6 планок.

объяснил влиянием шины на движущееся около нее конденсатное кольцо. Возникающий при этом гребень воды вызывает поверхностную волну, турбулизи-рующую конденсатную пленку.

Конденсатоотводящие шины Жучкова можно считать прототипом гребенчатых турбулизирующих элементов, описанных Никитиным [7] (рис. 1.2). Разница заключается в способах крепления, установки, размерах зубьев и интервалах между ними. Принцип действия гребенчатых турбулизирующих элементов заключается в том, что движущийся в азимутальном направлении относительно корпуса вращающегося цилиндра конденсат переходит из пространства между соседними элементами в пространство между элементом этой пары и соседним с ним элементом через промежутки между зубьями, обтекая их при этом и турбулизируясь. В указанной работе приводятся расчетные формулы для определения геометрических характеристик данных элементов и расстояния между ними.

В качестве недостатка указанных устройств можно отметить отсутствие какой- либо теоретической базы у Жучкова и отсутствие экспериментального > опыта у Никитина. Вызывает также сомнение эффективность их работы при высоких скоростях БДМ по причине малой амплитуды циклических колебаний конденсатного кольца относительно внутренней повер�