автореферат диссертации по энергетике, 05.14.05, диссертация на тему:Исследование тепло- и массообмена между свободной пленкой жидкости и поперечным потоком газа в контактном теплообменнике

МАГНИТОГОРСКИЙ ОРДЕНА "ЗНАК ПОЧЕТА" ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

О ^ ^ На правах рукописи

Платонов Николай Иванович

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛО - И МАССООБМЕНА МЕЖДУ СВОБОДНОЙ ПЛЕНКОЙ ЖИДКОСТИ И ПОПЕРЕЧНЫМ ПОТОКОМ ГАЗА В КОНТАКТНОМ ТЕПЛООБМЕННИКЕ

Специальность 05.14.05 - Теоретические основы теплотехники

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Магнитогорск - 1998

Работа выполнена в лаборатории теплофизики и гидродинамики кафедры прикладной математики и вычислительной техники Магнитогорского ордена "Знак Почета" государственного педагогического института - МГПИ, г. Магнитогорск.

Научный руководитель - кандидат технических наук, доцент

В.П.Семенов.

Официальные оппоненты: - доктор технических наук, профессор

Ю.М.Бродов;

- кандидат технических наук Е.Г.Решетников.

Ведущая организация - ОАО Калужский турбинный завод,

г.Калуга.

Защита состоится июня 1998 г. в /У часов О С/ минут на за-

седании специализированного совета (шифр К.063.14.09) при теплоэнергетическом факультете Уральского государственного технического университета -УПИ в ауд. Т-210.

Отзыв в одном экземпляре, заверенный печатью, направлять по адресу: 620002, г. Екатеринбург, к-2, ученому секретарю университета.

Автореферат разослан " " мая 1998 г.

Ученый секретарь специализированного совета, кандидат технических наук,

доцент / 1 —" Л.К.Васанова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Одним из наиболее перспективных путей экономии энергетических ресурсов является утилизация тепла уходящих газов котельных агрегатов контактными теплообменниками. Существующие контактные теплообменники не нашли достаточно широкого применения из-за относительно высокого аэродинамического сопротивления, существенно зависящего от режима работы контактного аппарата, выноса из контактной камеры аппарата мелкодисперсной влаги, а ,также, из-за отсутствия надежных теоретических и экспериментальных данных, необходимых для их расчета и проектирования. По этой причине тематика диссертационной работы, направленная на исследование и создание высокоэффективных контактных теплообменников для утилизации теплоты уходящих газов, является актуальной.

Кроме того, актуальность исследования подтверждается и тем, что ее тематика соответствует современной межвузовской научно-технической программе "Энерго- и ресурсо- сберегающие технологии добывающих отраслей промышленности", утвержденной приказом Министерства общего и профессионального образования России от 16 марта 1998 года № 717.

Цель работы. Проведение теоретического и экспериментального исследования процессов тепломассообмена при обтекании свободной жидкостной пленки поперечным потоком газа в контактном теплообменнике с рециркуляцией нагреваемой жидкости. Разработка новых высокоэффективных контактных теплообменников с пониженным аэродинамическим сопротивлением, предназначенных для утилизации теплоты уходящих газов.

• ! Научная новизна.

1. Разработана и экспериментально подтверждена новая аналитическая модель для расчета процессов тепломассообмена между свободной пленкой жидкости и поперечным потоком газа.

2. Впервые, применительно к контактным камерам со сплошной свободной пленкой, проведен анализ краевой задачи и определены вид и перечень безразмерных параметров, описывающих процессы тепломассообмена.

3. Получены новые критериальные зависимости, обобщающие результаты лабораторных и промышленных испытаний контактных теплообменников в широком диапазоне изменения физических и геометрических параметров.

4. Впервые экспериментальным путем исследовано влияние сил поверхностного натяжения на характер изменения коэффициентов тепло- и массоотда-чи при обтекании сплошной свободной пленки жидкости поперечным потоком

газа и определены критерии, отражающие изменение интенсивности процессов гетто- и массообмена под действием этих сил.

5. Впервые исследовано влияние рециркуляции нагреваемой жидкости на теплотехнические показатели контактных теплообменников.

Практическая ценность работы:

- накоплен и обобщен обширный экспериментальный материал по тепло-и массообмену между свободной пленкой жидкости и потоком газа;

- получены критериальные зависимости, описывающие процессы тепло-и массообмена между свободной пленкой жидкости и поперечным потоком газа, которые могут быть использованы для расчета и проектирования тепломас-сообменных аппаратов;

- получено приближенное аналитическое решение задачи о прогреве сплошной жидкостной пленки, которое может служить основой для разработок новых численных методик расчета контактных камер при оптимизации их конструкций;

- предложен способ увеличения тепловой эффективности контактных теплообменников путем рециркуляции нагреваемой жидкости, который может быть рекомендован для применения в существующих и вновь проектируемых контактных утилизаторах тепла с целью существенного улучшения теплотехнических характеристик;

- разработаны и внедрены новые конструкции контактных теплообмен-ных аппаратов с пленочными форсунками, обладающие пониженным аэродинамическим сопротивлением.

Результаты проведенных исследований внедрены в СКТБ "Сектор" г. Калуга и используются при выполнении проектных работ по модернизации промышленных котельных.

Автор защищает:

1) предложенную аналитическую модель для расчета процессов тепло- и массообмена между сплошной свободной пленкой жидкости и потоком газа;

2) новые критериальные соотношения для расчета коэффициентов тепло-и массоотдачи для сплошных жидкостных пленок, обтекаемых поперечным потоком газа;

3) полученные экспериментальные данные по влиянию сил поверхностного натяжения на эффективность тепло- и массообмена в контактном аппарате со свободной жидкостной пленкой;

4) результаты аналитического и экспериментального исследования по влиянию рециркуляции нагреваемой жидкости на теплотехнические показатели

контактных теплообменников;

5) полученные критериальные зависимости, обобщающие результаты лабораторных исследований и промышленных испытаний контактных теплообменников с пленочными форсунками.

Достоверность полученных данных подтверждается хорошим согласием расчетных и экспериментальных данных во всем диапазоне исследуемых параметров и хорошей воспроизводимостью результатов эксперимента. Достоверность полученных экспериментальных данных подтверждается и тем, что разброс опытных данных не превышал максимально возможной оценки погрешности эксперимента.

Апробация работы. Основные результаты докладывались на Отраслевом совещании главных энергетиков (Киев, 1988), VII Омской научно-практической конференции "Новые информационные технологии в учебном процессе и управлении" (Омск, 1990), VII Всесоюзной конференции "Двухфазный поток в энергетических машинах и аппаратах" (Ленинград, 1990), 3-й Всесоюзной конференции по проблемам энергетики теплотехнологии "Интенсивное энергосбережение в промышленной теплотехнологии" (Москва, 1991), Межвузовской научно-практической конференции "Проблемы физико-математического образования в педагогических вузах России на современном этапе" (г. Магнитогорск -1996 и г. Уфа - 1997), XLIX научно-технической конференции Челябинского государственного технического университета (г. Челябинск - апрель 1997), а также ежегодных научно-практических конференциях Магнитогорского государственного педагогического института (г. Магнитогорск).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 работ.

Объем работы. Диссертация изложена на 155 страницах, включая 6 таблиц, 40 рисунков, список использованной литературы из 136 наименований, и состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографии и приложений.

- ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы, определены цели работы и основные положения, выносимые на защиту, указана научная новизна и практическая ценность полученных результатов.

В пеппой главе рассматривается современное состояние вопросов тепломассообмена и гидродинамики в контактных аппаратах со свободными жидкостными пленками.

Анализ литературных работ показывает, что применение контактных теп-

лообменников с пленочными форсунками и рециркуляцией нагреваемой жидкости устраняет недостатки существующих аппаратов. Вместе с тем расчет и проектирование таких теплообменных аппаратов затруднены из-за отсутствия: теоретических моделей и необходимых экспериментальных данных, описывающих процесс тепломассообмена между свободной пленкой жидкости и потоком газа; данных о влиянии рециркуляции на эффективность процессов тепломассообмена в контактных аппаратах.

Решение задачи тепломассообмена со свободной границей и относительно большим набором действующих сил представляет сложную проблему. Вместе с тем существуют особенности режима течения кольцевой струи, которые могут быть использованы для построения упрощенных моделей процесса. В частности, установлено, что неравномерный профиль скорости в жидкостной пленке, вытекающей из кольцевой щели, на малом расстоянии от форсунки переходит практически в равномерный. Кроме того, по результатам опубликованных исследований можно считать, что форма свободной жидкостной пленки в достаточно широком диапазоне скорости поперечного потока газа близка по форме к диску. Эти данные послужили основой построения модели и решения приближенной задачи нагрева свободной жидкостной пленки потоком газа, рассматриваемые в диссертационной работе.

На основании анализа литературных данных сформулированы следующие задачи исследования:

1) разработка аналитической модели процесса тепломассообмена между свободной пленкой жидкости и потоком газа, необходимой для расчета и проектирования контактных теплообменников нового типа;

2) проведение экспериментальной проверки этой модели в лабораторных условиях;

3) разработка на основе результатов теоретических и экспериментальных исследований опытно-промышленной установки и ее испытание;

4) исследование влияния рециркуляции на теплотехнические показатели контактных теплообменников;

5) обобщение результатов исследований в широком диапазоне изменения основных параметров.

Во второй главе проведен анализ задачи о тепло- и массообмене между свободной пленкой жидкости и потоком газа, сформулирована и аналитически решена приближенная задача прогрева свободной жидкостной пленки потоком газа.

Схема взаимодействия свободной жидкостной пленки с поперечным

потоком газа в реактивном пространстве контактной камеры представлена на рис.1. Для рассматриваемой модели стационарного процесса в осесимметричной постановке задачи уравнения движения, неразрывности, энергии и мас-сообмена в безразмерном виде и в приближении теории пограничного слоя получены в виде:

^Х1-1

Рис. 1. Схема взаимодействия пространственной жидкостной пленки с поперечным потоком газа.

ш

д2Ш

IV

дБ

- + Г

Г'

жп

дЕи

- -Ргсоза +

дЕи

IV,.

СЖ;, IV2

г!

ш

■ - Рг.чт а -

дЫ

н-Ж, „--Ег соя а+ V,--

г" дЫ дЫ2

дЯ2 ¿>5 ' дЕи,

= - Рг5/п а - -

дЕи _2_

т

Рг

Рг

г ^

ж*дБ жп дЫ

„, д© ... д®

IV — + № -

" дБ г" дЫ

= V,

д_

_ д2е ~ж2'

д2Э дЫ2'

дБ *

0)

Ргг

дС .. дС

К. — + -

" дЫ

■V,-

д2С 'дМ2'

В системе уравнений (1) величина обозначает радиус кри-

визны сечения срединной поверхности меридианной плоскостью. Координаты дуги поверхности вращения Н, и 2, и граничных поверхностей пленки связаны с цилиндрическими координатами соотношениями:

^ = а, § = со5а, Д(0)=1, 2.(0) = 0; = 8,{0) = 5„, (2)

аъ ал аЬ

где индекс 1—1, 2 относится соответственно к внутренней и внешней поверхностям жидкостной пленки.

Принятые в модели граничные условия на межфазных поверхностях отражают наличие касательных напряжений, скачок нормальных напряжений за счет действия сил поверхностного натяжения и условия тепло- и массообмена:

дШ , \1 -=- = /<.—N=5(5)- Ей =Еи +(-1)-N = 3(8);

я

2 сова с1а

Я< Ир) ¿Я'

а{0) = ао, (3)

звж , двг - лтк ас ас

дЫ дЫ Ыи0 дЫ 8Ы

На внешних границах условия однозначности сформулированы как для неограниченной области, так и для ограниченного пространства контактной камеры, и имеют стандартный вид.

Решение сформулированной задачи математическими методами в настоящее время представляет собой трудно разрешимую проблему. Вместе с тем представленная модель служит основой для постановки и проведения экспериментальных исследований. В этом случае тепло- и массообмен между свободной жидкостной пленкой и поперечным потоком газа в реактивном пространстве контактной камеры может быть представлен в виде общих критериальных зависимостей:

= /(Кож Дег ^г,Еиж, Ей,, \Уе?хж ,Ргс ¿и у, Д, Д ,Ьф Л ). (4)

Полученные критериальные уравнения (4) содержат большое количество параметров, что делает практически невозможным проведение полномасштабного эксперимента и его обобщение. С целью упрощения экспериментальных исследований был сделан ряд допущений, учитывающих особенности режимов работы контактных теплообменников в реальных условиях, в том числе:

- несущественность влияния свободноконвекгивных процессов и сил тяжести при вынужденном движении теплоносителей;

- постоянство числа Прандтля для газов;

- незначительность изменения давления теплоносителей в объеме контактной камеры;

- постоянство теплофизических свойств жидкости и газа;

- равномерность профиля скоростей в жидкостной пленке.

Анализ гидродинамических и тепловых условий взаимодействия жидкостной пленки с поперечным потоком газа в контактном теплообменнике с учетом принятых допущений позволил получить упрощенный вид критериальных уравнений:

Ии

к

= Аре ,Ре ,1¥е,Ь ,Ь ); Ыи = Аре ,Ре е,Ь ,Ь ). (5)

\ г ж ф к к]' О \ £> ж ф к. к I 4 '

Безразмерные переменные, входящие в уравнения (5), предопределили методику проведения и обобщения эксперимента.

В этой же главе сформулирована и решена приближенная задача о нагреве свободной жидкостной пленки парогазовым потоком. Решение получено в предположении, что жидкостная пленка имеет форму диска и поле скоростей в жидкостной пленке равномерно. В результате получены аналитические зависимости, описывающие распределение температур и концентраций водяных паров, в виде:

/

У

У

/

И г1- - теоретт - завис еская зав им ость из ЛСИМОСТЬ опыта

Рис.2. Корреляционный график для (ж.

в (К,1)=1-ег1

© (Я,г)=1 + ег/

М(Я,2)=1 + ег/

® -Г )/(! -Г )■

& =(1 -I )/(! -X );

г г г.о по в гд

М ~(т-т ) /(т -т ) .

(6)

Формулы (6) позволили определить толщины теплового и диффузионного пограничных слоев, длину участка термической стабилизации в жидкостной пленке, среднюю температуру свободной жидкостной пленки, локальные коэффициенты тепло- и массоотдачи. Анализ решения показывает: а) сплошная жидкостная пленка в зависимости от безразмерных параметров Реж и Ьф успевает нагреться на сплошном участке до момента ее распада на ~60~90% от максимально возможного нагрева; б) толщины теплового и диффузионного пограничных слоев в газе составляют порядок ~10<?о; г) основное термическое сопротивление сосредоточено в газовой фазе.

Результаты приближенного решения задачи были подтверждены нашими экспериментальными данными (рис.2) и поэтому могут служить основой построения методики аналитического или численного расчетов контактного аппарата с пространственными жидкостными пленками.

В третьей главе подробно описаны лабораторная установка и методика экспериментального исследования тепломассообмена между свободной пленкой жидкости и поперечным потоком газа, а также проведен анализ погрешности опытных данных.

вода _Ь-ф<г_г-М-21 из сети г

Рис.3. Схема экспериментальной установки. I - вентилятор; 2 - термоанемометр; 3 - регулятор напряжения; 4 - измеритель мощности типа К-505; 5 - термостат; б - насос; 7,10 - термопара типа ХК; 8 - микроманометр ММН; 9,16 - датчик температуры "сухого" и "мокрого" термометров; 11 - датчик расхода жидкости; 12 - форсунка; 13 - контактная камера; 14 - ловушка; 15 - форсунка линии рециркуляции; 17 - электронагреватель; 18 - теплообменник; 19 - горелочное устройство; 20 - мерный сосуд; 21 - топливный бак.

Схематический чертеж и измерительная схема стенда показаны на рис.3. При проектировании экспериментальной установки основное внимание уделялось моделированию процессов, близких к условиям работы контактного теплообменника, предназначенного для утилизации тепла уходящих газов. С этой целью в экспериментальной установке реализован один из вариантов получения горячих дымовых газов: путем сжигания топлива в горелочном устройстве и последующего охлаждения продуктов сгорания в поверхностном теплообменнике до температуры «200 °С и ниже. Для расширения диапазона изменения теплофизических свойств и параметров газа предусмотрен второй вариант получения горячего газа: за счет подогрева воздуха электрическим нагревателем.

Цилиндрическая контактная камера состоит из нескольких частей (рис.3).

Верхняя и нижняя части изготовлены из стального листа толщиной 1мм и с внешней стороны теплоизолированы от окружающей среды асбестовой тканью и стекловатой. Центральная часть камеры выполнена из оргстекла, что позволяет проводить наблюдения и кино-фотосьемки. Там же имеется люк для установки и регулировки пленочной форсунки 12.

В центральной части контактной камеры имеется ловушка для сбора жидкости, вытекающей из кольцевой щели форсунки. Форсунка крепится на продольной оси контактной камеры стойками, которые фиксируются на различном удалении от ловушки. Это позволяет исследовать влияние высоты контактной зоны на процессы тепломассообмена.

Разработанная конструкция стенда предусматривает включение контура рециркуляции нагреваемой жидкости. В этом случае в контактной камере устанавливается вторая форсунка 15. К ней подается жидкость насосом 6 из бака термостата 5.

На лабораторном стенде была проведена серия опытов, насчитывающая 178 режимов. При этом основные физические параметры процесса в опытах изменялись в следующих пределах: г, „/=17,7+274,4 °С; тех=0,002+0,065 кг/кг; ¿ж.га=6,2-=-54,8 "С.; и>г=0,19-^0,8 м/с; ^=1,0+7,65 м/с; (вж.реч/вж)=0+2,5. Геометрические параметры основных элементов экспериментального стенда в опытах составляли: диаметр контактной камеры - 210 и 290 мм; диаметр пленочных форсунок - 30, 39 и 57 мм; размер кольцевой щели - 0.31, 0.43, 0.52, 0.63 и 0,83 мм; отношение высоты зоны контакта к диаметру камеры - Ьк=0-г 1,05.

Анализ погрешности экспериментальных данных был проведен методами математической статистики и путем оценки максимально возможной погрешности параметров процесса. Полученные оценки погрешности находились в пределах, допустимых в практике теплотехнического эксперимента.

В четвертой главе приведены анализ и результаты обобщения лабораторных опытных данных по тепло- и массообмену между свободной пленкой жидкости и поперечным потоком газа.

Методом множественной корреляции для безразмерных коэффициентов тепло- и массообмена получены новые критериальные уравнения в виде:

N11 = О.ОПЗРе08' Реом Же'0110Я, (6)

к г ж ф

Ыи = 0.0038Рео аз Ре0Аа Же'01 Ь01'. (7)

О О ж ф к '

Относительная погрешность аппроксимации, рассчитанная по уравнению (6) составляет 11,3%, а по уравнению (7) - 12,6%. Полученные зависимости обобщают опытные данные при следующих значениях безразмерных парамет-

ров: Рег=1300-6400, /'еж=4460-17900, №<.<=12-270, ¿ф=18-68, Ьк*0+1,2, 11кя5,1-ь7; Рев=\ 100+5400. Корреляционный график для безразмерного коэффициента теплообмена представлен на рис.4.

С целью объективной оценки влияния (значимости) безразмерных параметров на интенсивность процессов тепло- и массообмена были применены методы математической статистики. Значимость каждого из факторов, входящих в уравнения (6) и (7), определялась по изменению коэффи-, циента множественной корреляции. Анализ полученных опытных данных 10Ш 10000 показал, что наиболее существенное

__ влияние на интенсивность тепло- и

Рис.4. Корреляционный график для конвектив- массообмена оказывают конвективное ного числа Нусссльта №„. и диффузионное числа Пекле газа, в

меньшей степени - критерий Вебера. По степени влияния основных параметров на интенсивность процессов тепло- и массообмена число Пекле жидкости и симплекс Ьк занимают промежуточное значение. Такие оценки значимости каждого фактора объективно подтверждают доминирующую роль процессов, происходящих в газовой фазе, в общем процессе тепломассообмена между свободной жидкостной пленкой и парогазовым потоком.

Визуальные наблюдения показали, что в контактном теплообменнике существуют два характерных режима течения свободной жидкостной пленки. В одном случае сплошность жидкостной пленки сохраняется практически до соприкосновения со стенкой аппарата. Во втором случае происходит разрушение жидкостной пленки на небольшом удалении от форсунки. Сопоставление визуальных наблюдений с результатами измерений параметров процесса подтверждает вывод о возможном влиянии условий распада жидкостной пленки на интенсивность теплообмена.

В экспериментах выявлено влияние неустойчивости (по Гельмгольцу) и условий распада жидкостной пленки на интенсивность тепло- и массообмена. Из рисунка 5 видно, что зависимость интенсивности тепломассообмена от числа Вебера имеет два характерных участка, которые соответствуют формам распада жидкостной пленки в реактивном пространстве контактной камеры.

В первом из них наблюдается зависимость интенсивности тепломассообмена от числа Вебера. Критерий Вебера в этом режиме отражает эффект изменения поверхности контакта теплоносителей за счет раннего разрушения жидкостной пленки на капли. Рассматриваемый режим отличается развитой поверхностью контакта фаз и его можно рекомендовать для проведения тепломас-сообменных процессов.

Во втором - интенсивность тепломассообмена не зависит от числа Вебера, так как жидкостная пленка занимает практически все поперечное сечение контактной камеры и величина поверхности контакта теплоносителей изменяется незначительно за счет разрушения пленки. В этом режиме в большей степени проявляются сепарирующие свойства тепломассообменного аппарата.

в "1 О -2 в -3 □ -4

- / 4- 1 1 • у, = 0,0071 ТЛЬ^-М"

V С? о

Ил ЕЯ Э п

* с

\

|у, = 0,00456№л-14"| }у4 = 0,0022\ЛЬ °'0003

юоо

Рис.5. Зависимость комплексов Г^Гг-тЛРе™ Рех

а%а5'А

Г3=Г<=Хи0/(Ре0°-«3 Рех«'%фа") от числа Вебера УУе\ 1,3- \¥е^г<гк)<}Уеч 2, 4 - ПеАг<гк)>\Уеч:, 0^=6,5.

В работе показано, что предельное значение числа Вебера Же, соответствующее переходу из одного режима в другой, можно определить из простого соотношения Же -К \Уе , где 1¥е - число Вебера - определяется по начальной

к хр.

толщине жидкостной пленки.

Экспериментальные данные, представленные на рис.5, подтверждают возможность конструирования контактного теплообменного аппарата с повышенными теплотехническими или с повышенными сепарирующими показателями, путем выбора соответствующего режима, определяемого характером неустойчивости свободной жидкостной пленкой.

В этой же главе аналитически и экспериментально исследован метод повышения теплотехнических характеристик контактных теплообменников за счет рециркуляции нагреваемой жидкости.

Общая принципиальная схема работы контактного теплообменника с линией рециркуляции нагреваемой жидкости приведена на рис.6. Тепловая эффективность такого теп лообменника зависит от расхода жидкости на линии рециркуляции Стяс.рец., так как от величины этого параметра в общем случае зависит время и поверхность контакта теплоносителей.

о. <'.

Рис.6. Схема контактного теплообменника с рециркуляцией нагреваемой жидкости: 1 - ороситель; 2 - контактная камера; 3 - влагосборник; 4 - насос линии рециркуляции.

На основе балансовых соотношений была проведена предварительная оценка эффективности рециркуляции. В качестве показателя тепловой эффективности использовалась величина относительного изменения тепловой мощности контактного теплообменника (¿Рщ /£? , где <2 - тепловая мощность с отключенным контуром рециркуляции, <2РЩ - с включенным.

Рассчеты показывают, что зависимость относительного изменения мощности контактного теплообменника от кратности

рециркуляции СжрецЮж может быть выражена в аналитическом виде:

1

в.

2 I а¥ Ос

е.

а с

ж р.лс

1 2п + 1 1

■, где п = -

Ст

(8)

•1<(п+1)

в с

г р.г

л+/ О с

ж р .ж

е^е

На рис.7 приведено сравнение опытных данных с аналитическим расчетом по формуле (8). Сопоставление показывает, что изменение тепловой мощности в зависимости от кратности рециркуляции носит одинаковый характер как для аналитических так и для экспериментальных данных. На основе этих зависимостей сделан вывод о том, что применение рециркуляции эффективно при относительно небольших значениях крат-

Рис.7. Зависимость относительного изменения тепловой мощности 0.ргц /<2 от кратности рециркуляции жидкости Юж в контактном теплообменнике с пленочными форсунками: 1, 2, 3 -опытные данные; Гг=210-230 "С, ¿«,=6-24 "С, Ог= 11-14 г/с, 0^80-110 г/с <4=0,52 мм, £=0.31 мм, «4,ч=30 мм, 1 - 8Р.Ц =0.417 мм, 2 - 0.45 мм, 3 -0.52 мм; 4 - расчет по формуле (8); 5 - расчет по формулам (9).

ности рециркуляции (п не превышает 2-г2.5). При этом в данном диапазоне расхождение опытных и аналитических зависимостей не превышает 14% , что вполне приемлемо при инженерных оценках влияния ре-

циркуляции.

Характер зависимости (8) вместе с тем показывает, что существует тен-

денция расхождения расчетных и опытных данных при увеличении кратности рециркуляции. Причина такого расхождения связана с тем, что с целью получения простых аналитических зависимостей был использован среднеарифметический температурный напор. В работе показано, что для более точной оценки влияния рециркуляции необходимо в качестве среднего температурного напора использовать его среднелогарифмическое значение, как это принято при проти-воточной схеме движения теплоносителей. В этом случае величина ()ре11 Ю не выражается конечной аналитической зависимостью, но может быть вычислена по рекуррентным формулам вида:

Л1рец(п + 1)

-Г

Г-Г

Г ~Г

О

г' -г

■а

V-г

Г' -V

ж.рец ж

г"

гдеЛг =

\ г ж/ у г ж)

у г эк.рец!

Л1

Г +п-Г

_ ж ж.рец

грг» П+1

(9)

1п

г -г"

г ж

С- V

у

1п

г-г"

г

\ греу

V +п-Г

ж ж.рец

п + 1

Результаты расчета параметров теплоносителей представлены на рис.7, из которого видно, что опытные и теоретические данные согласуются между собой во всем исследованном диапазоне.

На основе полученных балансовых соотношений были проведены оценки эффективности и целесообразности применения рециркуляции нагреваемой жидкости в различных типах контактных теплообменников. Показано, что применение рециркуляции позволяет повысить тепловую мощность безнасадочного контактного теплообменника до величины мощности теплообменника с насадкой. При этом кратность рециркуляции жидкости в зависимости от параметров теплоносителей не превышает величины 1+3.

Опыты подтвердили, что величина аэродинамического сопротивления контактных камер с пленочными форсунками крайне мала: значение Ар на всех режимах находились г га уровне чувствительности микроманометра с наклонной трубкой типа ММН-240 и не превышали 10 Па. Визуальные наблюдения подтвердили данные о высоких сепарационных свойствах свободной жидкостной пленки, взаимодействующей с поперечным потоком газов. Во всех проведен-

ных опытах отсутствовал вынос мелкодисперсной влаги из реактивного пространства контактной камеры.

Результаты теоретических и экспериментальных исследований явились основой разработки опытно-промышленного контактного теплообменника с пленочными форсунками и рециркуляцией нагреваемой жидкости.

В пятой главе представлены результаты испытаний опытно-промышленных контактных теплообменников с пленочными форсунками и рециркуляцией нагреваемой жидкости, а также проведено обобщение результатов лабораторных исследований и опытно-промышленных испы-

вода потребителю

Рис.8. Опытно-промышленный контактный теплооб- Т2НИИ.

Общее устройство теплообменника и схема измерения приведены на рис.8. В его конструкции предусмотрена

менник и схема измерения параметров тепло- и массообмена. 1,2 - тягонапоромер ТНЖ-Н; ЗД5 - датчик температуры "сухого" и "мокрого" термометров; 4 - пневмометрическая трубка; 5 - насос рециркуляционный 2К-6; 6,11,12 - термометр ТМ,; 7,10 - манометры оросителей типа МТП; 8,9 -счетчик воды ВТ-50; 13 - ороситель линии рециркуляции; 14 -ороситель входной воды. возможно~ст1ГшёШ1эсновнь1х

элементов контактной камеры. Это фактически позволило реализовать на одном опытно-промышленном образце три варианта контактных теплообменников

(рис.9) и испытать их в одинаковых условиях. Особенностью контактных теплообменников являлось примене-. ние пленочных водораспределителей и включение в схему аппарата линии рециркуляции нагреваемой жидкости.

Корпус теплообменника (рис.8), выполнен из листовой стали толщиной 3-5мм и имеет пропускное сечение размером 1400x1400, высотой

^ис.9. Устройство контактных"'камер испытанных в промышленных условиях: а) комбинированная; б) насадочная (кольца Ра-шига 25x25x3, Л„,„»=240 мм, Иатр.=160 мм); в) пленочная.

3970мм. Контактный теплообменник имеет решетку, предназначенную для засыпки теплообменной насадки из колец Рашига. Над насадкой установлены два водораспределителя: пленочный - на линии холодной воды; пленочный или

струйный - на линии рециркуляции нагреваемой жидкости.

Значения основных параметров в опытах изменялись в пределах: <3г=1,36*2,74 кг/с, Сж=0,97-2,47 кг/с, /гм=104+155°С, Гг.еыг=48ч-95°С, ^*.и=9,5+10,2°С, ?ж.вы1=28,5-г52,4°С, от„=0,049-Я), 12 кг/кг, «™=0,049-0,12 кг/кг.

Опытно-промышленные испытания трех различных контактных теплооб-мешшков, представленных на рис.9, показали, что применение рециркуляции увеличивает тепловую эффективность аппаратов. Для разных конструкций контактных теплообменников при различных соотношениях расходов газа и воды существуют два характерных участка: 1) участок, на котором происходит существенное увеличение температуры жидкости при изменении кратности рециркуляции ажрС1/(!ж от 0 до 3; 2) участок, на котором температура жидкости практически не изменяется. Данные промышленных испытаний также соответствуют полученным ранее аналитическим зависимостям (8) и (9) для расчета тепловой мощности теплообменника С учетом рециркуляции.

Опыты показали существенное влияние конструкции контактного аппарата на эффективность применения рециркуляции (рис.10). В частности, опытно-промышленные испытания подтвердили, что применение рециркуляции позволяет существенно повысить тепловую эффективность теплообменника без насадки. В одинаковых условиях за счет применения рециркуляции тепловая мощность теплообменника с комбинированной контактной камерой практически достигает мощности наса-дочного теплообменника (рис.10). При этом расход жидкости в линии рециркуляции был относительно небольшим ((Сж,;„,/Сж.)=1н-2).

На рис.11 приведена зависимость аэродинамического сопротивления Ар испытанных контактных теплообменников от кратности рециркуляции Ож.рЩЮж.. Опыты показали, что наибольшее значение величины Ар имеет наса-дочная контактная камера. Её аэродинамическое сопротивление изменяется в пределах 290-440 Па и возрастает с увеличением кратности рециркуляции. Это

(О^-Ю^/О,

Рис.10. Зависимость мощности теплообменника @ от кратности рециркуляции жидкости (СдеретО^.Ю,,с: Ог&2,4 кг/с ,<3^=1,4-^-1,5 кг/с, контактная камера (рис.9): 1 - комбинированная; 2 -пленочная;3 - насадочная.

объясняется влиянием плотности орошения на свободное сечение насадки. Существенное изменение аэродинамического сопротивления при изменении расходов теплоносителей и затрудняло запуск контактного теплообменника, и требовало оперативной регулировки разрежения в топке котла.

Аэродинамическое сопротивление безнасадочных теплообменников практически не зависит от кратности рециркуляции Ож.рецЮж и плотности орошения {Сж,Рщ+ Сж )Юг. Во всех опытах величина Ар не превышала 100 Па (рис.11). Данное значение находится на уровне погрешности приборов, регулирующих

необходимый уровень разрежения в

Рис.11. Зависимость аэродинамического сопротивления Ар от кратности рециркуляции жидкости С^р^Ю^ для теплообменников (рис.9): 1 -комбинированный; 2 - пленочный; 3 - насадоч-ный.

топке котельного агрегата.

Таким образом, очевидное преимущество безнасадочных теплообменников состоит в том, что их установка не требует проведения дополнительных мероприятий по установке и переналадке контрольно-регулирующей аппаратуры даже на действующих котельных.

Для контактного теплообменника с насадкой во всех исследованных режимах, независимо от расхода жидкости на линии рециркуляции, наблюдался вынос мелкодисперсной влаги. Напротив, во всех проведенных опытах с комбинированной и пленочной контактными камерами вынос мелкодисперсной влаги из теплообменников отсутствовал.

На основе результатов опытно-промышленных испытаний трех различных теплообменников, представленных на рис.9, сделан вывод о том, что лучшие теплотехнические показатели имеет теплообменник с комбинированной контактной камерой: с пленочным водораспределителем на линии холодной воды и струйным - на линии рециркуляции. Этот теплообменник имеет низкое аэродинамическое сопротивление при высокой тепловой эффективности (не уступающей по мощности традиционному теплообменнику с насадкой), что достигнуто путем добавления контура рециркуляции охлаждающей жидкости и установки специальных форсунок, создающих свободные жидкостные пленки. Наличие этих пленок, обладающих высокой сепарирующей способностью, существенно снижает влаговынос охлаждающей жидкости и улучшает условия эксплуатации газоходов и дымовой трубы.

При обобщении опытных данных неопределенность величины поверхности контакта теплоносителей часто является причиной расхождения опытных данных с аппроксимирующими зависимостями. Поэтому обобщение лабора- , торных данных и результатов опытно-промышленных испытаний проведено по методике Е.И.Андреева. Предлагаемый им метод расчета процессов тепло- и массообмена не требует определения поверхности контакта теплоносителей и локальных значений параметров, при этом позволяет оперировать интегральными величинами, характеризующими общие потоки теплоты и массы.

Многофакгорный регрессионный анализ позволил получить новое критериального уравнение тепломассообмена, обобщающее данные лабораторных и промышленных испытаний безнасадочных контактных теплообменников с пленочными форсунками и рециркуляцией нагреваемой жидкости, в виде:

Кт=6,56-Вт-°-27Яг'"''Ь

-0,1 т -0,24

(о \Ь

I ж.рец ж ]/ м

(10)

Средняя погрешность аппроксимации опытных данных уравнением (10) составляет 5,9%. Зависимость (10) обобщает данные при следующих значениях безразмерных параметров: Вт=1,1-ь41, Дег=1900+125000, /,¿,=18-68, ({(¿Ж.рщ+Сж)! (}ж)= 1 + 1 1,3.

Результаты опытов подтверди-

д, '''А у*

/-в Ш"

4

1>

в -1 О -2 □ -3

Д-

ли справедливость гипотезы, лежа- Рис.12. Зависимость А( от Д„, полученная при обобще-с- нии опытных данных для контактных теплообменни-

щеи в основе обработки опытных , £ _ п ,

' ков: 1 - лабораторные стснд; 2, 3 - опытно-

ДЭННЫХ, об аналогии процессов теп- промышленный контактный теплообменник, соотвст-

ло- и массопереноса. Это выражает- ственн0' с ко;,би"нрсша"ио" и контактны-

ми камерами (рис,9).

ся в совпадении экспериментальных

данных с корреляционной зависимостью А=Д, (рис.12).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В настоящей работе проведен широкий комплекс научных работ, включающий теоретические исследования, лабораторные опыты и опытно-промышленные испытания, направленные на создание высокоэффективных контактных теплообменников для утилизации теплоты уходящих газов. По результатам этих исследований сделаны следующие выводы:

1. В работе проведен подробный анализ научных публикаций, посвященных исследованию тепломассообмена и гидродинамики свободной жидкостной пленки при ее взаимодействии с потоком газа. Показано,.что контактные аппараты со сплошной жидкостной пленкой, обтекаемой поперечным потоком газа, имеют высокие теплотехнические характеристики, но при этом отсутствуют необходимые теоретические и экспериментальные данные для их расчета и проектирования. ■ 1

2. Предложена физическая модель процесса тепломассообмена между свободной жидкостной пленкой и поперечным потоком газа, учитывающая силы тяжести, вязкое взаимодействие и действие сил поверхностного натяжения. На основе этой модели сформулирована общая математическая постановка краевой задачи. Анализ этой задачи позволил определить вид и максимально возможный перечень безразмерных комплексных переменных, описывающих рассматриваемый процесс. Путем выделения физических факторов, существенно влияющих на процессы тепло-и массообмена, получена зависимость, позволяющая наиболее просто спланировать эксперимент и провести обработку опытных данных.

3. Сформулирована задача о прогреве свободной жидкостной пленки потоком газа и получено приближенное аналитическое решение. При этом показано, что сплошная жидкостная пленка в зависимости от безразмерных параметров Реж и Ьф успевает нагреться на сплошном участке до момента ее распада на «60+90% от максимально возможного нагрева. Второе важное следствие решения данной задачи, существенное при построении любых аналитических методик расчетов контактных камер, состоит в том, что основное термическое сопротивление сосредоточено в газовой фазе.

4. Создана оригинальная экспериментальная установка для исследования процессов тепло- массообмена между свободной пленкой жидкости и поперечным потоком газа. Особенность установки состоит в том, что на ней моделируют поток реальных дымовых газов, и при этом возможно проведение опытов на воздухе в режимах нагрева и охлаждения жидкостной пленки с целью расширения диапазона изменения физических параметров процесса. Кроме того, выполнение контактной камеры из оптически прозрачных материалов позволило проводить непрерывные визуальные наблюдения, которые существенно расширили и дополнили физическую картину моделируемого процесса.

5. Проведен комплексный эксперимент, включающий опыты на различных теплоносителях (продукты сгорания органического топлива, воздух), в том числе с рециркуляцией нагреваемой жидкости. Получены эмпирические крите-

риальные зависимости для коэффициентов тепломассообмена при взаимодействии свободной пленки жидкости с потоком газа. Полученные зависимости могут быть рекомендованы при расчете, оптимизации и проектировании контактных камер со свободными жидкостными пленками.

6. Установлено экспериментально, что характер изменения коэффициентов тепло- и массоотдачи при обтекании сплошной свободной пленки жидкости поперечным потоком газа зависит от сил поверхностного натяжения, обуславливающих развитие неустойчивых возмущений поверхности жидкостной пленки и режим распада. Показано, что такое изменение интенсивности процессов тепло- и массообмена определяется критериальным числом Вебера Же и безразмерным комплексом Ек={г^Гф).

7. Исследовано влияние рециркуляции нагреваемой жидкости на теплотехнические показатели контактных теплообменников. Показано, что применение рециркуляции является простым и эффективным способом повышения тепловой мощности контактных теплообменников. Это открывает возможности использования безнасадочных контактных теплообменников для утилизации теплоты уходящих газов. Установлено, что оптимальное значение кратности рециркуляции находится в пределах (Ожрец/Стж)=\^Ъ.

В. Разработан опытно-промышленный контактный теплообменник с пониженным аэродинамическим сопротивлением и проведены его испытания в натурных условиях с различным Исполнением контактных камер. Установлено, что наилучшие теплотехнические показатели имеет безнасадочный контактный теплообменник с пленочными форсунками на линии холодной воды и струйным оросителем на линии рециркуляции. Показано, что такой аппарат по тепловой эффективности не уступает традиционному контактному теплообменнику с насадкой и, вместе с тем, значительно превосходит его по эксплуатационным показателям.

9. Получена новая критериальная зависимость, обобщающая с высокой точностью (со средней погрешностью 6%) результаты как лабораторных исследований, так и промышленных испытаний контактных теплообменников в том числе с рециркуляцией нагреваемой жидкостью.

Ю.Результаты проведенных исследований внедрены в СКТБ "Сектор" г. Калуга и используются при выполнении проектных работ по модернизации промышленных котельных. Годовой экономический эффект от внедрения только одного контактного теплообменника тепловой мощностью 600 кВт составляет 26 тыс. рублей (в ценах 1990 года).

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1. Платонов Н.И., Семенов В .П., Шкловер Г.Г. и др. Контактный теплообменник с рециркуляцией нагреваемой воды. - Деп. в ЦНИИТЭИтяжмаш, № 222-ТМ 88. 5 с.

2. Платонов Н.И., Семенов В.П., Семенова Т.П. и др. Опытно-промышленные испытания безнасадочного контактного теплообменника с рециркуляцией нагреваемой воды. - Деп. в ЦНИИТЭИтяжмаш, № 317-ТМ 88.4 с.

3. Платонов Н.И., Семенов В.П. Безнасадочный контактный теплообменник с рециркуляцией нагреваемой воды и результаты его испытаний // Доклады отраслевого совещания главных энергетиков.-Киев, 1988.

4. Платонов H.H., Семенов В.П., Семенова Т.П. Исследование и разработка высокоэффективного контактного теплообменника для утилизации теплоты уходящих газов // Отчет по НИР. - Магнитогорск, МГПИ, 1988 г. - гос. per. № 01860055794, инвентарный № 02.88.0067385. 80 с.

5. Платонов Н.И. Обобщение опытных данных с помощью ЭВМ // Тезисы докладов VII Омской научно-практической конференции "Новые информационные технологии в учебном процессе и управлении".- Омск, 1990. С. 99.

6. Платонов Н.И., Семенов В.П., Баязитов В.З. Теплообмен и гидравлическое сопротивление в контактных теплообменниках с рециркуляцией нагреваемой воды // Тезисы докладов VÜ Всесоюзной конференции "Двухфаз-ный поток в энергетических машинах и аппаратах", Ленинград, 1990 - T.III - С.72-73.

7. Платонов Н.И., Семенов В.П., ЛимИтовский В.М. Эффективность контактных теплообменников с рециркуляцией нагреваемой воды // Судостроительная промышленность. Серия Промышленная энергетика, охрана окружающей среды и энергоснабжение судов.-1991.-Вып. 15.-С.13-17.

8. Платонов Н.И., Семенов В.П., Баязитов В.З. Утилизация теплоты уходящих газов в контактных теплообменниках с пространственными жидкостными пленками // Тезисы докладов 3-й Всесоюзной научной конференции по проблемам энергетики теплотехнологаи "Интенсивное энергосбережение в промышленной теплотехнологии". - М., 1991. С. 119.

9. Платонов Н.И., Семенов B.FL Методика расчета тепломассообмена в контактном аппарате с пространственной жидкостной пленкой. // Тезисы докладов межвузовской научно-практической конференции "Проблемы физико-математического образования в педагогических вузах России на современном этапе".-Мапштогорск, 1996. С.143.

10. Платонов Н.И., Семенов В.П. Теплообмен в пространственной пленке жидкости в контактных теплообменниках // Тезисы докладов межвузовской научно-практической конференции "Проблемы физико-математического образования в педагогических вузах России на современном этапе".-Уфа, 1997.

Условные обозначения, а - коэффициент температуропроводности, м7с; ср - изобарная теплоемкость, Дж/( кг-К); В - коэффициент диффузии, м2/с; с1 -диаметр, м; С - массовый расход, кг/с; g - ускорение свободного падения, м/с1; т - влагосодержание, кг/кг; Р - давление, Па; Ар - аэродинамическое сопротивление, Па; Q - тепловой поток, Вт; г - радиус, м; гит. - удельная теплота парообразования, Дж/кг; ? - температура, °С; ¿го 1гм - температура газового потока по показаниям "сухого" и "мокрого" термометров, °С; - температурный напор, °С; и1 - скорость, м/с; а - коэффициент теплоотдачи, Вт/( м2 К); р - коэффициент массоотдачи, м/с; 8 - толщина свободной жидкостной пленки, м; © - безразмерная температура; X - коэффициент теплопроводности, Вт/(м-К); М - безразмерная концентрация пара; р - коэффициент динамической вязкости, Па-с; у - коэффициент кинематической вязкости, м2/с; р - плотность, кг/м3; <у - коэффициент поверхностного натяжения, Н/м.

ас!

Безразмерные параметры: Ей

Лр .

; = Ш

рч?

ж

лг Р<*

; Ыи =!~—; а В

Ре =

У>Г Ре мг ; Рг V

а о а с

; К 11 ; Кт ? -_ Ж -V г.м

V - ж -V г.м

у« г р м> 8

_ гЖ Ж ' .

:-; Ге=-:—; V. = —

сг

Вм>

Вт = -—^- + 7;

О -с

7 + АГе

В™ =

" в -с

Ке =

г 1т' -от')

_ цся\ ,ц7?_м)

\ г.мЯ г.м/

Ли

или

Л*

¿1 т

г' -к" _ . ^ ^ _ гм гм

Аг =Г -V ;

пзах г. л сжт

Ат ~

т'+т" т' + т"

2

2

Ат -т' -т'

г р.г

V +Г

. ж ж

2

г

Я

Ь--— ^ Ьк—2(/•

Ф у

V

а

а

Подписано в печать 15.04.98 г. Формат 60x84 1/1б. Бумага тип. № 2.

Печать офсетная. Усл. печ. л. 1,3. Уч-изд. л. 1,0. _Тираж 100 экз. Заказ № 142. Бесплатно._

Издательство Магнитогорского государственного педагогического института 455000, Магнитогорск, пр. Ленина, 114 Типография МГПИ