автореферат диссертации по кораблестроению, 05.08.05, диссертация на тему:Исследование теплоотдачи при конденсации водяного пара на вертикальных трубах судовых конденсаторов

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ МОРСКОЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛООТДАЧИ ПРИ КОНДЕНСАЦИИ ВОДЯНОГО ПАРА НА ВЕРТИКАЛЬНЫХ ТРУБАХ СУДОВЫХ КОНДЕНСАТОРОВ

05.08.05 — судовые энергетические установки и их элементы (главные и вспомогательные)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ШИЛОВ

Андрей Григорьевич

УДК 621.175.1

На правах рукописи

Санкт-Петербург 1992

Диссертационная работа выполнена на кафедре судовых энергетических установок, систем и оборудования Государственного морского технического университета Санкт-Петербурга.

Научный руководитель кандидат технических наук, профессор

ЧИСТЯКОВ В. А.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор АНДРЕЕВСКИЙ А. А. кандидат технических наук КОВАЛЕВСКИИ В. П.

Ведущее предприятие НПО ЦКТИ им. И. И. Ползунова.

Защита диссертации состоится «55» М в Я (992 г.

в часов в ауд. — на заседании специализированного со-

вета Д053.23.02 по присуждению ученых степеней доктора технических паук,при Государственном морском техническом университете по адресу: 190008, Санкт-Петеребург, Лоцманская ул., 3.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государственного морского технического университета Санкт-Петербурга.

Автореферат разослан » га луэ

! 992 г.

Ученый секретарь специализированного совета канд. техн. наук, доцент ДИДЕНКО В. Ф.

ОЩЛЯ ЗОРАКГШЮТЙКА РАБОТЫ

Аотуадьность работа Энергооборудованнз для кондеп-сацни пара (конденсаторы,подогреватели,испарители и др.) характеризуется значительной ыеталлоемкостыо, круглима гебарзта-131,кспользованкви для его изготовления дефицитны: цветных нэ-таллов и , как следствие, высокой стокшстыо. Это трэбуе? поиска методов рационального проектирования такого оборудования на основе глубокого изучения происходят в ней теплогкдраз-лических процессов.

^пользование в судовой энергетике традиционных конденсаторов пара с горетонтадьнын расшшданием труб и верхний подводон пара в ряде случаев не удовлетворяет требованиям, предъявляешь к судовым конденсаторам, из-за ухудазгктхся по пере движения паровоздушной еиеси условий конденсация пара: 0алЕваа1зости юивреспологгнных труб юопденсатоя, стекэзо-е^ем с выээрасполояенных, сиитвюш скорости паровоздугаой «э-си по «ере конденсация на нее па|4а Это приводит к ушкьпепта эффективности процесса конденсации пара и, следовательно, к увеличения габаритов и кассы конденсаторов.

Расчеты показывают, что, если коз№адиевт теплоотдача . при конденсации двияусэгося пара на одиночной трубе пршшть равный 15000 Вг/( кв. ы град), что вполне достигаю еэ толы® для горизонтальной, чо и для вертикальной трубы, обтекаемой боковым потоком пара, значение коэффициента теплоотдачи со стороны охладдавдей воды принять одинаковым со значением коэффициента теплоотдачи со стороны пара, что не требует' каких-либо особых мероприятий по организации движения охлаждающей воды внутри одиночных труб я труб пучка, а термическое сопротивление стенки труб полагать равным 3-10 кв. к град/Вт, то обний достижимый коэффициент теплопередачи от чистого насыщенного конденсирующегося пара к охлаядаицэй воде составит значение 6100 Вг/(кв.м град). В реальных судовых конденсаторах пара с горизонтальными пучками труб коэффициент теплопередачи не превышает 2800*ЗОООВг/(кв.м град). Следовательно, в конденсаторах паре имеется существенный резерв побыюния их тешовой эффективности, который шлет бить реализован оря со-ответствугарм расположении охлаждавдта труб и организации

движения потока паровоздушной смеси.

Один из способов' повышения тепловой эффективности конденсаторов состоит в изменении их конструкции и переходе от горизонтальных' конденсаторов к вертикальным с боковым подводом вара В вертикальных конденсаторах с боковым подводом пара отсутствует валивание труб конденсатом, образующимся на соседних трубах, а скорость паровоздушной смеси может поддерживаться постоянной по глубине пучка ва счет уменьшения площади проходного сечения для парового потока путем установки в паровой полости соответствующих профильных щитов. В результате этого вся поверхность охлаждения может работать так хе эффективно, как и отдельная вертикальная труба, обтекаемая поперечным паровым потоком. Однако, при этом возникает трудности с расчетом теплоотдача при конденсации в таких аппаратах, так как имеющиеся в литературе работы, посвященные данному вопросу, малочисленны и нуждаются в проверке. В нормативных материалах расчет теплоотдачи при проектировании вертикального конденсатора рекомендуется проводить по формулам для конденсации двикущегося пара на вертикальной трубе при спутном течении пара и конденсатной пленки. Это приводит к занижению коэффициента теплоотдачи,а,следовательно,к завышению массы и габаритов аппарата. Шзтому настоящая работа, посвященная теоретическому и экспериментальному исследованию теплоотдачи при конденсации движущегося водяного пара на вертикальных трубах, обтекаемых поперечным потоком,обладает неоспоримой актуальностью.

Цель работы. Исследование условий отдачи тепла насыщенным паром низкого давления,конденсирующимся на вертикальной трубе при поперечном ее обтекании потоком пара; получение методики для расчета коэффициента теплоотдачи при проектировании судового вертикального конденсатора с боковым подводом пара на основе теоретического и экспериментального исследования процесса;повышение тепловой эффективности конденсаторов пара энергоустановок и другого теплообменного оборудования с конденсацией пара на пучках труб.

Научная новизна работы. Предложена теоретическая формула для коэффициента теплоотдачи при конденсации движущегося пара на поперечно обтекаемой вертикальной трубе.учитывающая влияние всех основных сил,действующих на пленку в процессе конденсации.а также наличие на поверхности трубы двух зон конденсации, отличающихся условиями теплообмена и гидродинамики. Зависимость позволяет расчитывать коэффициент теплоотдачи на любой трубе пучка при конденсации движущегося пара в вертикальных конденсаторах с боковым подводом пара. Получены экспериментальные данные по конденсации водяного пара на вертикальных трубах, обтекаемых поперечным потоком,- подтверждающие правильность теоретической модели. Создана инженерная методика для расчета коэффициента теплоотдачи при проектировании вертикального конденсатора с боковым подводом пара.реализованная в виде пакета прикладных прогреми.

Практическая ценность работы заключается в возможности использования при проектировании вертикальных конденсаторов с боковым подводом пара методики определения коэффициента теплоотдачи при конденсации.

Реализация работы. Результаты выполненной работы использованы на ПО "Калужский турбинный завод" при проектировании конденсатора с вертикальным пучком труб.

Автор защищает результаты теоретического и экспериментального исследования теплоотдачи при конденсации движущегося пара на вертикальной трубе .обтекаемой поперечным паровым потоком.

Апробация работа Основные материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ЛКИ 1987,1988 и 1989 гг., на конференции "Повышение надежности и эффективности судового теплообменного оборудования^Севасто-

еоаЬ,1887 г. ),ш VII Езесогапой Еколе-соыииаре "Соврекаккые пробела гааодвваизкз и теплоьгоссообызна и пути повыгзнкя зф-фиггквносуи ешргогичэскак ycsaEOBOK"(Ka¡iaa,l989 г.).на III Бгйсоазной ганхсрашеш ¡¿оладья ксслодователэй "Актуальные вопросы теплофизики а ссзичземой гкдрогаводашаинкн'ЧНэвоси-6íspcK, 1389 г.), из секзшарэ "Теплофизика и теплоэкергети-Лэншград, 1S89 г.), на VIII Всесоазкой кон4арвнции"Двух-QzzviLi поток г энергетических шиииах и ахшарахйх'Ч Лаюшг-рад,1920 г.).

Пубдгкащд!. основное содержание диссертации отрадно в 8 пэчаишх работах к однсу авторской свидетельстве.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из ВЕодеиш,' пяти глав,ааключэшт, списка исеольбоВ&неой литературы I®' 114 накаливаний и двух -приложений. Обгец работы 146 страниц швшошсного текста, в тоы числа 46 рисунков и 6 таблиц.

ОСВОЕШЕ СОДЕРЗШШИЗ РАБОТЫ

Во ввздэшш обоснована актуальность работы, определив цель ксмэдованш и сформулированы научная новизна и цр&жпгеэскаа данность работа

В порсой главе на основе анализа гвдродашшлаих об-текаянз одиночного даяпндра потоком однофазной гэдкости показано, «его для получают теоретического ресэния эадачи конденсации деигусзгося пара на вертикальной трубе .обтекаешй по-парочньи пароаш иот«»и .необходим рассмотреть ряд частных вед&ч , а ншнно: опрздзгевке касательного вапряханиа ка граница .гадкой и перовой фаз;спрэдаловко теплоотдачи при конден-саздии нэподаиетого вара па вертикальной стенке; определение скоростей потока,при которых отсутствует срыв гэдкости с по-Еэрлюсти кондзЕсатвой пленки и другие. Представлен обзор работ, иосвягзнЕыг ресзвио каздой из перечисленных проблем. Кау-чэпшы Еопосрздствешо конденсации двшзуЕргося пара на верти-

б

калькой трубе,обтекаемой поперечным паровым потоком,занимался ограниченный ряд авторов: Бродов Ю. М.,Буглаев В. Т., Марушкин В. М. и другие. Проведенный анализ работ показал, что теоретические и экспериментальные исследования указанных авторов дают разнящиеся между собой результаты и не могут удовлетворить нужды инженерной практики. Отсутствует теоретическое решение задачи,учитывавшее сложный двухмерный характер течения кон-денсатной пленки при поперэчном ее обтекании потоком конденсирующегося пара. Предложенные различными авторами формулы проверены экспериментально лишь в узком диапазоне скоростей пара, при давлениях, выше или равной атшсферному. Обоснована необходимость проведения новых исследований в данной области.

Во второй главе приводится приближенное теоретическое решение задачи конденсации движущегося пара на вертикальной трубе,обтекаемой поперечным паровым потоком.

3 горизонтальной плоскости картина обтекания охлаждаемой вертикальной трубы поперечным потоком конденсирующегося водяного пара представляется в виде,изображенном на рис, 1.

Рис. 1. Физическая модель и система координат

За счет конденсации пара на поверхности трубы возникает пленка жидкости,движение которой происходит в направлении равнодействующей трех сил ,а именно: силы тяжести,силы трения и градиента давления. При этом сила трения действует на конден-сатную пленку только до точки отрыва парового пограничного слоя. За точкой отрыва касательные напряжения принимаются рав-

Ш

V

s

ныт нулю. Следовательно,на поверхности трубы можно выделить две зоны конденсации пара, различающиеся характером течения конденсата я условиями теплообмена. В первой или лобовой зоне при анализе теплообмена необходимо учитывать динамическое воздействие парового потока на конденсатную пленку , во второй или кормовой зоне »южно предполагать, что конденсация осуществляется аналогично конденсации неподвижного пара на вертикальной стенке.

Исходя из такой модели для общего коэффициента теплоотдачи при конденсации пара на вертикальной трубе можно записать следуадаа выражение: - _ -

Ги(1-р) . CD

При этой для расчета обдего коэффициента теплоотдачи необходимо определить три составляющие формулы (1): средний коэффициент теплоотдачи при конденсации движущегося пара на жхйвой' поверхности трубы /средний коэффициент теплоотда-ш яри конденсации неподвижного пара на кормовой поверхности ■"руби ÁÜ . i vaKzn средний по высоте трубы отсчитанный от ло-5оаой точки угол.определазшй границу -¿ежду лобовой л хормо-wtf -гогеохностяш груйн

.'редкий коэффициент теплоотдачи зри конденсации движу-гвгсся пара за лобовой поверхности трубы d'-i определялся при "ледувдих яопуезешх: режим течения кшденсатной планки вдоль линий тока считался ла^ннарш«; силы инерции не учитываются; тришшалось: -саеа?ол>ное запрягание на границе лар-стенка со-лветствует тренна при "переносе импульса". тоддика конденсат-¡ой пленки üHoro ашызз диаметра трубы, а температура аовсрх-юсти пленки равна температур насыщения.

isa определения локального коэффициента теплоотдачи з хоСовоа зоне необходимо установить связь между изменением локальной толзшш конденсатной пленки по периметру трубы и углом <? , то четь зависимость i -t'( € ). Поскольку в настоящее ípeiffl зисперк&зятальаш данные о действительной распредеяэнии ,-норссгн по аеримет.ру трубы отсутствует, течение пара до гоч-отрыза прюашалось потенциальным, а изменение скорости naja по oüípyasocTH трубы лодчиюнвдиая закону У* sin € ,

где - скорость набегаюцего потока пара. Градиент давления в конденсатной пленке можно выразить формулой Вернулли:

Система координат и силы , действующие на конденсатную пленку, показаны на рис. 1. Проекции сил на оси X и 2 запишутся соответственно в виде:

МхММ - ¿Рс12с1» = 0 ; ( 2 )

+ , (3)

Учитывая,что сила трения определяется по формуле:

можно получить выражения для средних по толщине пленки проекций скорости конденсатной пленки в направлении осей X и г. Из уравнения (3} с учетом граничных условий

• <¿=0 2^ = 0 ; 4-ь $£ =0

после интегрирования получаем для составляющей скорости в направлении оси 1 ' ,

. (5)

Другую составляющую скорости течения конденсатной пленки е направлении оси X можно получить из уравнения (2) с учетом граничных условий:

а=о иг?.О; ц-Ь =2 * 5ш<е.

При формулировании граничных условий напряжение трения по сечению пленки принималось постоянным и равным То . Оно обусловлено переносом количества движения внешнего потока, имеющего скорость с поперечным потоком массы 5>%тс.

Из уравнения (2) после интегрирования получаем для составляющей скорости в направлении оси X:

ш* - ± (г ± - • ^ ) ' ( 6 >

Для расчета теплообмена необходимо связать внешние условия конденсации пара с условиями движения пленки. Для этого рассмотрим в текуи^эй вдоль линий тока конденсатной пленке элементарный объем жидкости с размерами § , и , где р - угол медцу осью X и касательной к линии тока текущей жидкости . Через грань площадью Г- жидкость со

скоростью V* втекает в элементарный объем,через противоположную грань - вытекает. Прирадение расхода вытекающей жидкости равно количеству пара,сконденсировавшегося на свободной поверхности Р-Яс^й выделенного объема жидкости. В результате, принимая ч-сопб!, ¿2-1 и учитывая,что V/ - V* • соб_$ , имеем

М_±/Бг<т¿Р ) ¿5 гз' /'(¿¿ПГ ] 5 ш2)

( 7 )

г» к^1

Решение уравнения (7) производилось методом Рунге-Кут-та с использованием персональной ЭВМ. Начальные условия при решении уравнения (7) были следуюаями:

Уравнение (?) позволяет получить локальные значении толлины конденсатной пленки по перюетру трубы. Осреднение локальных значений дает среднюю по периметру толцину кондеясат-яой пленки 8 .

Для среднего коэффициента теплоотдачи при ламинарной пленочной конденсации двилувдзгося пара на вертикальной тру-Зе,обтекаемой безотрывным поперечным паровым потоком, мояно записать: ,

- 7\ ~ -4- (в)

Средний коэффициент теплоотдачи при конденсации неподвижного пара на корковой поверхности трубы определялся из баланса сил,действующих на конденсатную пленку в направлении оси 2 (уравнение (3)),откуда можно получить выражение для средней по толщине пленки скорости конденсата,стекающего в

направлении оси К уравнение >,5)). Уравнение (5) полностью совпадает с аналогичным уравнением,полученным Нуесельтом при визоде зависимости для коэффициента теплоотдачи при конденсации неподвижного пара на Еертккакной стенке.

Средний по высоте трубы стсчит&чяый от лобовой точки угод,определяющий границу между лобовой к ксрмоБой поверхностям® трубы вычислялся по схедугег? схеме. По мере роста толщины коядеясатяой пленки по окружности трубы растет значение вертикальной составляющей скорости конденсата,тс есть увеличивается влияние силы тяиксти. Следовательно,при некотором значений угла сила тяжеста может превысить скоростной напор,и конденсат потечет гни?. Это значение угла и является граничным. Для каждого сечения по высоте трубы определялись значения вертикальней V* и горизонтальной составлявших ско-■рости конденсата, причем V/ расчитывалась с учетом конденсата, стетающе^ с- сверху. Принималось,что значение угла V , при котором /V* } > ( К / с!), является граничным зна-

чением на данной высоте. Полученные таким образом локальные значения <р„ осреднялисы Среднее по высоте значение подставляется в расчетную фор:/улу С).

Формула (1) позволяет расчитывать среднюю теплоотдачу при конденсации движущегося пара на вертикальной трубе,обтекаемой поперечным потоком, фи этом предполагается,что на конденсатную пленку оказывает Действие как сила тяжести,так и градиент давления и сила трения. Показано,что в случае неподвижна:.- пара теоретическая зависимость (1) трансформируется в-выраж. ни? для конденсации неподвижного пара на вертикальной стенке, ь.если скорость пара велика,расчет теплоотдачи при конденсации яа вертикальной трубе по формуле (1) дает хорошее совпадение с расчетной теплоотдачей при конденсации движущегося пара на горизонтальной трубе. Следовательно,полученное теоретическое решение имеет два предельных перехода,что указывает на правильность исходных предположений, заложенных в основу физической модели.

В третьей глазе приведено описание и результаты математического эксперимента,проведенного с целью исследования теоретического решения и предварительной оценки влияния виде-

генных факторов (скорости набегаюцзго потока пара,давления пара,удельного среднего теплового потока,диаметра трубы,высоты трубы,шстополокения трубы в пучке) на расчетный коэффициент теплоотдачи при конденсации. С помощью разработанной математической модели выполнен широкий коьжлекс исследований.

Для учета влияния местоположения трубы в пучке на теплоотдачу в математическую модель процесса были внесены изменения: считалось, что воздействие парового потока на кондек-саткую пленку глубинных труб пучка начинается не с лобовой точки, а с некоторого начального угла. В соответствии с этим формула дяе среднего по поверхности коэффициента теплоотдачи при конденсации движущегося пара на любой трубе вертикального ряда труб, обтекаешх поперечным паровым ■ потоком, получает сягдутазШ вид:

7 Та ( + 7к /, _ % 4. А) . ( 9 )

<£=оСд, 1-дг—/ (А тсш + Ц /

Здесь (£„ - средний по высоте трубы угол в поперечном сечении, отсчитанный от лобовой точки до точки начала воздействия парового потока на кондексатную пленку. Роль экспериментальной установки играла ЭЕА Эксперимент проводился по плану полнофакторного эксперкмэнта типа 2К, позволяюаэго реализовать все возможные неповторяющиеся сочетания факторов. Значения факторов ка каждом уровне .разыгрывались по нормальному закону распределения вероятностей случайной величина Количество реплик при этом составляло 10. Доверительные интервалы для каждого фактора были приняты из опыта проведения аналогичных натурных экспериментов. Математическая модель конденсации движущегося пара на вертикальных трубах,обтекаемых поперечным паровым потоком. Сила программно реализована ка языках Фортран и Си применительно к персональной ЭШ типа 1ВМ РС-АТ. Программное обеспечение,построенное по структурно-иерархической схеме, позволяет расчитывать коэффициент теплоотдачи при конденсации по формуле (9) при варьировании значений факторов в соответствии с планом эксперимента,а таюке проводить статистическую обработку результатов. Дисперсионный анализ результатов математического эксперимента показал наибольшую значимость скорости пара Согласно расчетным данным изменение скорости

пара с 5 м/с до 80 м/с при давлении 0,003 Ш1а и среднем удельном тепловом потоке 100 кВг/кв. м приводит к увеличению коэффициента теплоотдачи примерно в 2,5 раза. Влияние остальных факторов менее вырахзно. Введение в расчетную формулу поправки на местоположение трубы в пучке (угол -10 град.)изменяет общй расчетный коэффициент теплоотдачи на 2*3 X. Изменение высоты трубы в исследуеыом диапазоне от 1 м до 5 м уменьшает теплоотдачу при прочих равных условиях на 3*5Х. Расчет показал незначительное влияние давления и среднего удельного теплового потока на теплоотдачу. Увеличение радиуса трубы в три раза с 0,008 м до 0,020 и уменьшает расчетный коэффициент теплоотдачи примерно на 10%. Таким образом,проведенное исследование теоретической зависимости показало, что при конденсации движущегося водяного пара на вертикальной трубе, обтекаемой поперечным паровым потоком, скорость пара является главным фактором, определяющим теплоотдачу. Результаты исследования позволили обосновать условия и исходные данные для проведения теплотехнического эксперимента.

В четвертой главе приведено описание опытной установки, методика проведения теплотехнического эксперимента и обработки опытных данных. Экспериментальный участок, покаванный на рис. 2 .представлял собой модель конденсатора,состоящую из однорядного пучка вертикальных труб, укрепленных в двух неподвижных трубных досках с помощью уплотнительных колец,корпуса, двух коллекторов. Активная длина труб составляла 1000 мм,диаметр труб - 12 мм.толшина стенки - 1,5 мм,материал -медь. В модели были предусмотрены два ряда фальшьтруб, которые обеспечивали подобие условий работы экспериментального участка и реального конденсатора. Низкое давление в модели поддерживалось с помощью водяного эжектора. Поверхность охлаждения экспериментального участка состояла из девяти охлаждаемых труб,пять из которых были оснащены датчиками температуры (термопарами и термометрами сопротивления). Температуры пара на входе и выходе из экспериментального участка,а также температуры охлаждающей вода замерялись термопарами.Расходы ох-

Охладдаюадя ♦ вода

• *

СИ

п

А Р О Г А 3 О

в

А Я

ы

Е С Ь

Конденсат

ергтгтг ФГФГ

Рис. 2. Экспериментальный участок

лаждавдей воды и конденсата измерялись объемным способом мерными оаками. Все измерительные каналы были предварительно отградуированы.

Коэффициент теплоотдачи в эксперименте расчэтывагся по формуле: _ а

В сбою очередь температурный напор определялся как ¿Ъ-- I з - I ег , где "Е Ст - средняя по поверхности трубы температура стенки и Ь 5 - температура насьпдения. По замеренным в опыте расходу и разности температур охдаддавдэй воды расчитывался средний удельный тепловой поток:

ц = б^рл^Атр

Погрешность определения коэффициента теплоотдачи в эксперименте составила 16.9%. Проводились градуировочные опыты, в которых надежность работы экспериментальной установки была подтверждена совпадением оезульгатов опытсг,проведенных при конденсации неподвижного пара,с расчетом по формуле Нуссельта для конденсации неподвижного пара на вертикальной стенке с учетом поправки на волнообразование и переменность физических свойств конденсата

При исследовании конденсации движущегося пара основные параметры изменялись в следующих диапазонах: давление в конденсаторе 0,01+0,001 1Ша, скорость набегающего потока пара на входе в установку 2->80 м/с, средний удельный тепловой поток 50+200 кйг/кв. м, температурный напор л I- 3+12 С.

В пятой главе рассматриваются результаты экспериментального исследования теплоотдачи .сопоставление их с расчетными данными. Приведено описание расчетной методики. 4

На графике рис. 3 опытные точки для мерных труб пучка (то есть для первой,третьей,пятой,седьмой и девятой трубы по ходу движения пара) представлены в координатах <? - т( р ) для значений среднего удельного теплового потока я - 1СЮ кВг/кв. м . Дня сравнения сада ж нанесены аппроксимации расчетов при указанных параметрах по теоретической зависимости настоящей работы. Как видно из графика ,изменение давления в исследованном диапазоне не приводит к существенному изменению

Л , кВт/(кв. м град)

20

10

с ..а С п . 1

Л .. о ^ 5

С 43-— ____в . п. -в-в— П и_ 7

=А= Чд

0.1 0.2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,с

0,9 . 2 р-Ю ,Ша

Рис.3. Зависимость коэффициента теплоотдачи при конденсации от давления пара при ц - 100 кйг/кв. м .

о.в.п.в,.Д. - опытные точки для первой (V»- 70 м/с), третьей (40 м/с), пятой (30 м/с), седьмой (V»- 25 м/с), девятой 20 м/с) по ходу движения пара труб вертикального пучка соответственно ;

-- расчет по формуле (1) для указанной трубы пучка.

Л. Вг/( кв. м град)

Ю

- 10

<

1 « >

1 V,

1

10

10

д^град

Рис. 4. Зависимость коэффициента теплоотдачи при конденсации от температурного напора пар-стенка .

- опытные точки;

- расчет по формуле (1) .

коэффициента теплоотдачи при конденсации, что полностью соответствует результатам расчета по теоретической зависимости; совпадение опытных значений г расчетными удовлетворительное для всех мерных труб пучка.

На графике рис. 4 показаны экспериментальные значения коэффициента теплоотдачи для ме:ььл- труб пучка и результаты теоретического расчета теплоогг. .-^и го формуле (1) в координатах - К л Ь). Явно падающий характер представленной зависимости, а также совпадение опытных и расчетных данных позволяет сделать вывод о правильности предположения о ламинарном режиме отекания конденсатной пленки.

Анализ опытных данных позволяет заключить,что средний удельный тепловой поток практически не влияет на теплоотдачу при конденсации движущегося пара на вертикальной трубе,обтекаемой поперечным потоком, что объясняется,по-видимому,определяющим влиянием скорости пара , так как по условиям эксперимента скорость пара определялась параметрами энектора и практически не зависела от теплового потока

На графике рис. С> экспериментальные точки и результаты расчета по формуле г Л при давлении р- 0,3 -10 ЫПА, среднем удельном тепловом потоке 100 кВт/кв. м нанесены в координатах «Г - П VI, ; . Кроме того, на графике показано значение коэффициента теплоотдачи ::рт конденсации неподвижного пара на вертикальной стенка, подсчитан«.-;!- по формуле Нуееельта для указанных значений р и ц (уаечетнз»; точка условно смещена левее оси ординат). График показывает,что изменение'скорости пара от 2 до 70 м/с приводи! к значительному увеличению коэффициента теплоотдачи.При бликой к нулю кривая, аппроксимирующая опытные значения, хорошо согласуется со значением,полученным для неподвижного пара.

В эксперименте не была достигнута критическая скорость пара, приводящая к срыву и уносу капель конденсата. Расчет критической скорости срыва проводился при параметрах эксперимента по формуле Кутателадзе,предназначенной для определения критической скорости в случае,если вектор скорости парового потока и сила тяжести перпендикулярны.

Сравнение собственных экспериментальных данных и опы-

36

оС ,кВт/(кв. м град.)

з —■

¿5»

а

30 20

10

■»-

о о

Рис. 5.

10

20

30

40

50

60

70

80

90 \£,М/С

Зависимость коэффициента теплоотдачи при конденсации от скорости пара при 5 - 100 кВт/кв. м и р- 0,003 МПо. о,<э,а,в,Д- опытные точки для первой, третьей, пятой, седьмой, девятой по ходу движения пара труб вертикального пучка соответственно ;

- - расчет по формуле (1) ;

+ - расчет по формуле Нуссельта.

4 10

3 10

2 10

4</оп. Вт/(кв.м град.)

1 10

о У а/01

а/ о/и

1 10

2 10

4 4

3 10 4 10

г , Вг/( кв. м град,)

Рис. 6. Сравнение результатов опытов настоящей работы и опытов УралВТИ с расчетом по зависимости (1).

° - опытные точки настоящей работы; в.в.о - опытные точки УралВТИ для высоты трубы 0,395 м, 0,735 м и 1,130 м соответственно.

тов УралВГИ,проводившихся на одиночных трубах длиной 0,395 м; 0,735 м-, 1,13 м и диаметром 0.01С м при атмосферном давлении, с результатами теоретического решения настояний работы (рис. 6) показало блиячое их согласование. Расхождение между экспериментальными и житными данными не превышает ± 10 % , что лежит в пределах погрешности эксперимента. Как следует из графика, теоретическая зависимость одинаково хорошо обобщает как первую по ходу движения тара трубу, так и последующие. Кроме того, график показыв"т чувствительность теоретической формулы настоящей работы к иг-иенекию геометрии труб.

Дяя проверки работсопосзбносги теоретической зависимости настоящей работы было лрсведено сравнение расчетного коэффициента теплопередачи,полученного с использованием формулы (1) ,с реэультаГзми ¡¡спктаний опытной -«сдели судового конденсатора ПО "Калунекий турбинный завод". Расчет коэффициента теплопередачи Сыд выполнен по формула:

1

к-.---

1 1 ———- Rct + -г-

п <£%

где коэффициент теплоотдачи от пара к стенке расчитывался по формуле (2), а коэффициент теплоотдачи от стенки трубы к охлаждающей воде Ug у. термическое сопротивление стенки RCr были получены по зависимостям, используемым при проектировании конденсаторов на ПС'Калужский турбинный завод". Все расчеты выполнены для параметров испытаний опытного конденсатора: высота труб Н- 0,69 м; диаметр TpjtS d - 16 ш ¡давление пара р - 0,01т0,04 Ша; скорость пара У" - 10+20 м/с. Результат сравнения .представлений на графике рис.7., показывает совпадение расчетных и экспериментальных данных что дает основание предложить расчетную методику настояией работы для ее использования при проектировании вертикальных конденсаторов.

В заключении главы дано описание методики расчета коэффициента теплоотдачи при конденсации в конденсаторах с вер-

К, кВг/(кв. м град.)

а ■ а я. t-а а

-Я-"*

50

100

150

200

Ч,кВг/кв.

Рис. 7. Сразнение расчетного коэффициента теплопередачи, полученного с использованием формулы (1),е результатами испытани опытного вертикального конденсатора ПО КТЗ".

в - расчет с использованием формулы (1);

в - опытные точки ПО "КТЗ";

--аппроксимация опытов ПО "КТЗ".

Рис. 8. Расчетная зависимость относительной теплоотдачи при конде сации движущегося пара на вертикальных трубах, обтекаемых поперечным потоком, от числа Рейнольдса пара.

тикальными пучками труб, обтекаемых поперечным паровым потоком. Для автоматизации расчетов был создан пакет прикладных программ. Пакет организован в виде отдельного независимого загрузочного модуля для персональной ЭШ типа IBM РС-АТ и выполнен с учетом принципов "дружественного интерфейса" и современной методологии ведения диалога с пользователей. Исполь-. зование пакета не требует специальных знаний в области программирования. Для оценочных расчетов коэффициента теплоотдачи при конденсации в пучке-вертикальных труб при ботовом подвод-; пара рекомендована зависимость отношения Л / от числа Рейнольдса пара (рис.8), полученная в результате аппроксимации расчетных значений теплоотдачи по формуле (1), где JL* -коэффициент теплоотдачи при конденсаоди неподвижного пара на вертикальной стенке, расчитанный по формуле Нуссельта при q-const.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

"..Вертикальные конденсаторы с боковым подводом пара и поперечным обтеканием пучка труб паровым' потоком обладают зыбкой эффективностью работы,так как з них отсутствует залива-iMOCTb труб конденсатом, образуются за пзрвшс по году дзи-яения пара трубах, з т&куё зозмогзго поддер э.я® достоянной скорости пара за счет конструктивных мероприятий. Однаюз, отсутствие инженерной методики расчета теплоотдачи при конденсации движуиэгося пара на вертикальных трубах,обтекаемых по-зерэчяым потоком пара, сдергивает проектирование вертикальных «¡шзактных конденсаторов судового назначения.

2. Разработана физическая и математическая модели конденсации двюсуагзгося пара на вертикальной трубе,обтекаемой :опо речным паровым потоком. Дзпут5эния, зааоявнякв з шде--хях, приняты на основании анализа гнтературша даднЬас по исследуемому вопросу. Иодели учитывают влияние sees основных сил, действующих на кондеясатную плекку: силы трэюш, chzh тяжести и градиента давления.

3. Разработан алгфитм и создааа прогреми да рзвзага дайеренциального уравнения (7) ло реализации вшэназваквой

модели. Это позволило получить решение для коэффициента теплоотдачи при конденсации движущегося пара на вертикальной трубе, обтекаемой поперечным паровым потоком.

4. На основе численного решения системы дифференциальных уравнений, описывающих процесс конденсации пара на вертикальной трубе при поперечном обтекании проведен математический эксперимент, в ходе которого выявлено влияние основных факторов на интенсивность теплоотдачи.

5. Проведено экспериментальное исследование теплоотдачи при конденсации в пучке вертикальных труб при боковом подводе пара Скорость пара составляла 2480 м/с,давление 0,01*0,001 ЫПа, средний удельный тепловой поток 50*200 кйг/кв. м. Установлено влияние основных факторов на теплоотдачу при конденсации пара, таких, как давление пара, удельный тепловой поток, тем-ператерньй перепад пар-стенка, скорость пара. Абсолютные значения коэффициентов теплоотдачи весьма высоки и составляют значения (1*3) 10 йг/(кв. м град) .

6. Проведено сопоставление результатов теоретического решения с опытными данными, которое показало хорошее их согласование. Максимальное отклонение результатов экспериментов от расчетной зависимости не превышает Z0X.

7. Разработан пакет прикладных программ для расчетов коэффициента теплоотдачи при конденсации движущегося пара на вертикальных трубах, обтекаемых поперечным паровым потоком. Пакет организован в виде отдельного независимого загрузочного модуля для персональной ЭВЫ типа IBM РС-АТ. Модульная организация пакета позволяет подключать его практически без изменений к программам позонного расчета теплообменной поверхности, применякдимся при проектировании конденсаторов.

8. Результаты работы, проведенной автором, использованы в проекте опытного высокоэффективного судового вертикального конденсатора, изготовленного в ПО "Калужский турбинный завод". Результаты испытаний опытного конденсатора подтвердили

. теоретическое решение и основные выводы настоящей работы. Ожидаемый эффект от применения результатов работы составляет 30 тысяч рублей в год.

Усдогньгз обозначения: <£ - средякй ксэйлщзят теплоотдачи пра !со2дозсгц:ш дающегося пора Еерт:жальной трубз.сЗ-текгвюй поп-зречнна готокоа; oí^ - сродаяй кссф£зц;:еят теплоотдачи пргмюздевеации ЛЕМдусргссл пера на лебозей поверхности трубы; <£* - ерздвий коэффщнент теплоотдачи прп конденсации поподв'стого пара на коркой поверхности трубы; -средний по зисоте трубы отсчиташшй от лобовой точки угол, определяйте границу юлду лобовой и коршзой повер:шостяш1 трубы; , St - проекции силы трения па оси X н Z соответственно; 7с.. сСг - опытный и расчетный коэффициенты теплоотдачи при конденсации двияузегося пара на верпгальной трубе,обте-¡»лай поперзчньа потоком, соответственно; R , И - иаруяшй радиус и высота грубы; $ - ускорение свободного падения; ?' , ?" - плотность конденсата и пара соответственно; /*' - коэффициент динамической вязкости- конденсата; \£те- скорость отсоса пара га погразшчного слоя; % - напрягенпе трэшш; G¡ - расход охлаждающей воды; \Уо°- скорость набегавшего потока пара; ZtíK , Vf*, Itf?- скорость конденсата и проекции скорости конденсата па оси К и Z соответственно; Re - - число Рейнольдса пара

Основные результаты диссертации излоиены а следукгзо: работах:

1. Соверпзенствозание штодкга проектирования судовых конденсационных установок на основе исследования теплооб^па при конденсации и оптимизации паршжтров энергетического оборудования (отчет) f ШЖ, рук. темы Чистяков В.А.,пив.N 0287. COI6268, JL : 1S85 ,105 с.

2. Соверизнстзовапие методики проектирования судовых конденсационных установок на основе ксследоважм теплооб!*зна при конденсата! и оптимизации парсиэтров энергетического оборудования (отчет) / ЛНИ, рук. теыы Остяков ЕА.,гшз. N 0S88.002В86 , JL : 1987, 120 с.

3. Совершенствование ыэтодики проектирования судовых конденсационных уст&човок на основе исследования теплообигна при конденсации и оптшизацни параметров энергетического обо-

рудования (отчет) / ЛКИ, рук темы Чистяков В. А., инв. N 0289.0008377 , Л. : 1988, 153 с.

4. Разработка методики комплексного проектирования судовой конденсационной установки на основе физического моделирования теплообмена при конденсации и математического моделирования работы судовой конденсационной установки в составе энергетического комплекса (отчет)/ЛКИ, рук. темы Чистяков В. А., инв. N 290. 0031276, Л. : 198S, 92 с.

5. Исследование теплообмена при пленочной конденсации движущэго водяного пара на поперечно обтекаемых вертикальных трубах/А. Г. Шилов// Актуальные вопросы теплофизики' и физической гидрогазодинашки: Тезисы докладов III Всесовеной конференции молодых исследователей,Новосибирск,март 1989. Новосибирск, 1989. с. 76-77

6. Исследование пленочной конденсации двилбгщзго водяного пара на поперечно обтекаемой вертикальной трубе/А. Г. Ши-лов//Современные проблемы газодинамики и тепломассообмена и пути повышения эффективности энергетических установок: Тезисы докладов на VII Всесоюзной школе-семинаре,Канев,9-19 мая 1989 г. ,М.: Изд-во МГУ ,1989 -160с.

7. Теплообмен при конденсации двилдаго пара в вертикальном конденсаторе при поперечном обтекании трубного пуч-ка/Д. iL Волков, К А. Чистяков, А. Г. 1Шиюв//Двухфазный поток в энергетических машинах и аппаратах:Тезисы докладов VIII Всесоюзной конференции, Лзнинград, 23-25 октября. Л. ,1990. Т. 2. ,

с. 160-161.

8. Теплообмен при конденсации движущего пара на вертикальной трубе, обтекаемой поперечным потоком / Д. И. Волков, В. А. Чистяков,А. Г. Шиов//Расчет и конструирование энергооборудование с конденсацией пара: Сб. научн. тр. /ЛКИ. Л., 1990.,

с. 106-112.

а. А.с. 1539488 ,ЫКИ F 28 В 1/02, F 28 F 9/22. Вертикальный конденсатор. / RA. Чистяков, М. Г. Клементьев, 0. И. Макаров , А. Г.Шилов (СССР). N4326607/24-06;Заяв. И. 12.87;Опубл. 30.01.90 . BBILN 4.

Зак. р-2. Тир. ВО. Уч. -изд. л. : г. ¡¡КО Мегас".

Лоцманская, 10.