автореферат диссертации по энергетике, 05.14.14, диссертация на тему:Исследование влияния концентрации водного раствора сульфата натрия на теплообмен в испарителях и паропреобразователях

Г'- 7 * К / / г << г / л /

V - ■! , . !. ' : V / { х- '«*' ♦

(

МОСКОВСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

На правах рукописи

БУЯКОВ Дмитрий Викторович

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ВОДНОГО РАСТВОРА СУЛЬФАТА НАТРИЯ НА ТЕПЛООБМЕН В ИСПАРИТЕЛЕЯХ И ПАРОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯХ

Специальность 05.14.14 - Тепловые электрические станции

(тепловая часть)

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель : доктор технических наук, профессор Седлов А.С.

МОСКВА - 1999

СОДЕРЖАНИЕ

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ...........................................................................5

ВВЕДЕНИЕ..........................................................................................................7

ГЛАВА I. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ.......................................................................................................................9

1.1 Производительность и коэффициенты теплопередачи в испарителях кипящего типа......................................................................................................9

1.2. Особенности гидродинамики водяного объема испарителей, работающих в условиях глубокого концентрирования питательной воды.............12

1.3. Особенности ухудшения теплоотдачи в каналах при низких массовых скоростях и давлениях для воды................................................................21

1.4. Ухудшение теплоотдачи при течении водных растворов................25

1.5. Особенности теплоотдачи при кипении водных растворов в трубах......................................................................................................................40

1.6. Постановка задач исследования....................... .................................46

ГЛАВА П. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ...................................................................................................48

2.1 Экспериментальная установка и рабочий участок............................48

2.2 Теплофизические измерения..............................................................50

2.3. Оценка изменения статических характеристик пульсаций температуры по толщине стенки канала.........................................................................55

2.4. Методика проведения экспериментов..............................................56

2.5.Методика обработки экспериментальных данных..........................59

2.6 Результаты тарировок измеряемых величин.....................................61

2.7. Оценка погрешности измерений.......................................................66

ГЛАВА III. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ВОЗНИКНОВЕНИЯ УЧАСТКА УХУДШЕННОЙ ТЕПЛООТДАЧИ ДЛЯ ВОДНОГО РАСТВОРА NA2S04 В ВЕРТИКАЛЬНОЙ ТРУБЕ ПРИ НИЗКИХ МАССОВЫХ СКОРОСТЯХ........................................................................77

3.1. Особенности возникновения участка ухудшенной теплоотдачи..........................................................................................................................77

3.2.Характеристики переходной области................................................93

3.3.Оценка влияния на X* физических свойств раствора Na2S04......100

ГЛАВА IV. МЕТОДИКА ТЕПЛОГИДРАВЛИЧЕСКОГО РАСЧЕТА ИСПАРИТЕЛЕЙ И ПАРОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ....................................................102

4.1.Методика теплогидравлического расчета испарителя с естественной циркуляцией......................................................................................................104

4.2. Методика теплогидравлического расчета двухзонного испарителя...................................................................................119

4.3. Расчет коэффициентов теплопередачи в испарителе. Сопоставление расчетных и экспериментальных значений коэффициентов теплопередачи..................................................................................................122

ВЫВОДЫ..........................................................................................................132

ЛИТЕРАТУРА...................................................................................................134

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Таблица экспериментальных данных...............................144

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Программа проведения автоматизированного эксперимента........................................................................................................................147

ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Сопоставление экспериментальных и расчетных коэффициентов теплопередачи в испарителе И-600...................................................153

ПРИЛОЖЕНИЕ 4. Сопоставление экспериментальных и расчетных коэффициентов теплопередачи в испарителе И-1000.................................................159

ПРИЛОЖЕНИЕ 5. Сопоставление экспериментальных и расчетных коэффициентов теплопередачи в паропреобразователе П-585...................................162

ПРИЛОЖЕНИЕ 6. Результаты расчета испарителя повышенной производительности И-2000 ПП.......................................................................................164

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ.

Р - давление, МПа в - расход, кг/с

р\у - массовая скорость, кг/(м2с) \¥ - скорость, м/с

0 - тепловой поток, Вт

q - плотность теплового потока, Вт/м2 X - массовое паросодержание потока Т - температура, °С С - концентрация, г/кг Ь - энтальпия, Дж/кг а - коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2К) К - коэффициент теплопередачи, Вт/(м2К) С - коэффициент гидравлического сопротивления х - время, с

§ - ускорение свободного падения, м/с2

1 - сила тока, А

и - напряжение, V

Б* - среднеквадратическое отклонение Ср - изобарная теплоемкость, Дж/(кг К) г - теплота парообразования, Дж/кг р - плотность, кг/м3

ц - коэффициент динамической вязкости, (Н с)/м2 V - коэффициент кинематической вязкости, м2/с с - коэффициент поверхностного натяжения, Н/м X - коэффициент теплопроводности, Вт/(м К) 5 - толщина, м

- с ~

ВЕРХНИЕ ИНДЕКСЫ

' - вода "-пар

* - начало переходной области к ухудшенному теплообмену ** - начало зоны ухудшенного теплообмена

НИЖНИЕ ИНДЕКСЫ

р - равновесный б - балансовый вн - внутренний н - наружный и - испарителя

Введение

Для очистки сбросных вод на ТЭС широкое применение находят испарители поверхностного типа с естественной циркуляцией (испарители типа "И") [1-4]. Исследование процессов гидродинамики и теплообмена в испарительных установках

- проводилось и ранее. Научные разработки и технические решения работ [5-8] актуальны и сегодня.

Условия в испарителях характеризуются высокой концентрацией содержащихся в природных и сточных водах солей (до 100 г/кг). В этом случае особенно при высоких перепадах температур на греющей секции заметно снижаются коэффициенты теплопередачи в испарителях, что приводит к существенному снижению производительности и экономичности

водоподготовительных установок. Снижение коэффициента

- теплопередачи в испарителе происходит в результате возникновения на испарительных трубах участков с ухудшенной теплоотдачей. Однако условия возникновения режимов ухудшенной теплоотдачи в испарителях исследованы лишь для воды, рекомендации для их расчета даны для дистиллята автором работы [9].

Для повышения надежности расчета испарителей и усовершенствования их характеристик необходимо располагать данными по теплоотдаче при кипении и паросодержаниям, при которых происходит переход к участку ухудшенной теплоотдачи при низких давлениях и массовых скоростях, для водных растворов солей, присутствующих в концентрате испарителей.

Имеющиеся в литературе данные получены для различных водных растворов при давлениях 0.1-1 МПа и массовых скоростях

■у

100-1000 кг/(м с). Считается, что при кипении растворов в пристенном слое жидкости возможно увеличение концентрации примесей. При достижении критического солесодержания резко снижается интенсивность массообмена и паросодержание, при котором происходит переход к участку ухудшенной теплоотдачи, может существенно понизиться [40-44]. Ухудшение массообмена при кипении растворов с повышенным солесодержанием объясняется образованием в пристенном слое пенообразной структуры, препятствующей выходу пара из пристенного слоя в - ядро потока [40-44,50-54]. Толщина пенообразного слоя, размеры и прочность оболочек паровых пузырей, устойчивость пены зависят от режимных параметров и концентрации растворов. Кроме того, необходимо учитывать, что концентрация растворов меняется по длине и радиусу парогенерирующего канала.

Как показали исследования на воде [9-11], при низких массовых

л <

скоростях ( < 100 кг/(м с) ) паросодержание X*, при котором происходит переход к участку ухудшенной теплоотдачи, может быть существенно меньше единицы. Однако, для растворов данные " по величине X* крайне ограничены.

В водных растворах могут существенно измениться теплофизические свойства. Но имеющиеся данные малочисленны и это затрудняет обработку экспериментальных результатов и разработку расчетных рекомендаций.

Таким образом, исследование ухудшения теплоотдачи для водных растворов применительно к испарителям кипящего типа является актуальной задачей.

1. Обзор литературы. Постановка задач исследования .

1.1 Производительность и коэффициенты теплопередачи в испарителях кипящего типа.

Наиболее известен метод определения производительности испарительной установки [1], заключающийся в решении уравнений теплового баланса испарителя и его конденсатора. Коэффициент теплопередачи в испарителе определяется в ходе теплового и

- гидродинамического расчета испарителя, как правило, на основе нормативного метода расчета котельного агрегата [13,14], а также по методике, предложенной в [8], или, как представлено в [15], по сетке кривых, каждая из которых характеризует изменение коэффициента теплопередачи для заданной температуры вторичного пара от температурного напора в испарителе (в работе [16] представлены зависимости, описывающие эти кривые).

Совершенствование паропромывочных устройств испарителей и увеличение высоты парового пространства дали возможность

- существенно повысить кратности упаривания воды и работать при среднеэксплуатационном солесодержании концентрата, достигающем 30-75 г/кг. Экспериментальные данные, приведенные в работах [17,19], указывают на завышение рассчитанных коэффициентов теплопередачи при температурных напорах более 57 °С для длиннотрубных испарителей, работающих при высоком солесодержании концентрата.

|

В работе [18] представлены результаты испытаний, проведенных на паропреобразователях П-585 ТЭЦ-7 Ленэнерго. Коэффициент теплопередачи рассчитывался из теплового баланса паропреобразователя. Было отмечено уменьшение коэффициента теплопередачи с 1.3 кВт/(м^в0С) при температурном напоре 18 °С до 0.7-0.8 кВт/(м2*°С) при температурном напоре 28-30 °С. При анализе результатов теплотехнических испытаний, проведенных на испарителях И-600 Саранской ТЭЦ-2, И-1000 Омской ТЭЦ-5 [17], а также на паропреобразователях П-585 ТЭЦ-21 Мосэнерго [18] и испарителях ИСВ-350 Мироновской ГРЭС [19], было обнаружено, что коэффициенты теплопередачи в них резко уменьшаются с увеличением температурного напора.

На рисунке 1.1 представлены коэффициенты теплопередачи, рассчитанные согласно [8,15] и измеренные в [17]. Из рисунка 1.1 видно, что в области температурных напоров выше 7 °С имеется существенное расхождение опытных и расчетных данных. В работе [17] это различие связывается в первую очередь с особенностями гидродинамики испарителей в условиях глубокого концентрирования питательной воды.

Л^ оС

Рис.1.1. Расчетные и измеренные коэффициенты теплопередачи в испарителе И-600 и паропреобразователе П-585.

- расчет [8],-----расчет по [15].

1-Твт=95 °С, 2- Твт=120 °С, 3- Твт=140 °С. Данные [17]:

О -Твт=95 °С;(П-585), А- Твт=120 °С,0- Твт=140 °С.

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

Авторы работы [6], исследуя работу испарителей ИСВ-350 блока К-200-130, обратили внимание на то обстоятельство, что весовой уровень концентрата, измеренный по штатному водоуказательному стеклу, был на 100 - 200 мм ниже верхней трубной доски греющей секции. При уровне концентрата над греющей секцией, равном 10-90 мм, истинный уровень находится на высоте 300 - 400 мм, а уровень в опускной щели испарителя уходит из поля видимости вниз. Уровень в опускной щели испарителя появлялся в водоуказательном стекле только при уровне над греющей секцией 300 - 400 мм.

В работе [20] исследовали гидродинамику водяного объема испарителя ИСВ-120. В этой работе изучалось соотношение весовых уровней, измеряемых в опускной щели и над центром греющей секции. В результате проведенных исследований установлено, что существуют два различных по гидродинамике водяного объема режима работы испарителя. При низких солесодержаниж^ и щелочности концентрата уровень в опускной щели не намного ниже, чем над центром греющей секции, интенсивность циркуляции высокая, средняя плотность потока в щели близка к плотности воды.

I

__ы ,

При достижении щелочности концентрата значения-' 16-21 мг«экв/кг и солесодержания концентрата примерно 3000 мг/кг величины уровня концентрата в опускной щели и интенсивности циркуляции уменьшаются и при значениях щелочности 28-40 мг*экв/кг и солесодержании 4000-6000 мг/кг стабилизируются.

На рисунке 1.2 приведена зависимость относительного уровня в опускной щели (отношения весового уровня концентрата в опускной щели к высоте греющей секции) для испарителя ИСВ-120, взятая из [21]. Она получена для следующих условий:

- весовой уровень концентрата над греющей секцией Но=150-200 мм;

- производительность испарителя 6.5-12.5 т/ч;

- давление вторичного пара 0.17-0.28 МПа.

Пунктирными линиями на рисунке 1.2 показан диапазон, в который укладываются опытные точки, полученные авторами.

Возможной причиной, объясняющей резкое уменьшение весового уровня концентрата в опускной щели испарителя, авторы [20, 21] называют вспенивание концентрата, которое начинается при достижении критического солесодержания. Вспененная вода увлекается в кольцевую щель, что, с одной стороны, приводит к уменьшению средней плотности смеси до 250 - 350 кг/м3 [20] и, с другой стороны, к возрастанию гидравлического сопротивления опускного участка. Аналогичное явление наблюдалось автором [22] в барабанных котлах с естественной циркуляцией при щелочности котловой воды выше 25 - 28 мг®экв/кг.

В работе [23] проводились аналогичные исследования на модели аппарата с естественной циркуляцией. Нагрузка аппарата составляла 300, 600, 900 кг/ч, солесодержание концентрата изменялось введением раствора, содержащего 90% ИагЭОд и 10% ЫаОН. В результате исследований установлено, что существует еще одна область зависимости весового уровня в опускной щели при постоянном физическом уровне концентрата в корпусе, а именно: начиная с солесодержания примерно 75 г/кг, весовой уровень начинает расти. Зависимости весовых уровней в опускной щели и

I /

е.8

в.6

0.4

0.2

*_? 4 ч Ноп х^ч N Л ' ' \ Л X

• \ Л ■ \ \

1 \ 1 \ х\ \ X о ) \ о , О \ \ XX '--- - -------->

1 ^ 1 хо % ■-—V X о О

о 1 X О <> О Л <>

- _ 4 _<,_>> _ х- - Бю г/кг

10

15

20

Рис. 1.2. Зависимость относительного уровня жидкости в опускной щели от минерализации концентрата [21].

над центром греющей секции от солесодержания концентрата при постоянном физическом уровне в аппарате [23], приведены на рисунке 1.3.

Данные, полученные в работах [24-26], подтверждают, что весовой уровень в опускной щели испарителей кипящего типа меньше весового уровня концентрата над греющей секцией испарителя. Величина весового уровня зависит от солесодержания и щелочности концентрата, уровня концентрата над греющей секцией, производительности аппарата, давления в паровом пространстве аппарата.

В работе [25] приведены результаты исследований работы испарителей И-350-2 при нагрузке 18-19 т/ч и солесодержании . концентрата 32-63 г/кг. Из данных, приведенных в [25], следует, что на весовой уровень концентрата в опускной щели влияет весовой уровень над греющей секцией. При незначительном изменении последнего происходят значительные изменения уровня в опускной щели.

Таким образом, в опускной участок испарителей при солесодержании концентрата выше 6 - 8 г/кг попадает некоторое количество пара. Это приводит к снижению обуславливающего подъемное движение концентрата в трубах греющей секции - перепада давлений на греющую секцию (разность абсолютных давлений на входе и выходе из греющей секции), снижению скорости циркуляции в аппарате.

Существованию режимов со сниженным уровнем в опускной щели можно дать следующее объяснение. Наиболее часто такие режимы могут наблюдаться при низких весовых уровнях концентрата над греющей секцией и больших производительностях, при которых имеют место значительные динамические напоры

Рис. 1.3. Зависимости весовых уровней жидкости от минерализации концентрата. 1,2- над греющей секцией при давлении вторичного пара 0.15 и 0.6 МПа соответственно, 3, 4 -весовой уровень концентрата в опускной щели при давлении вторичного пара 0.15 и 0.6 МПа соответственно^].

пароводяных струй на выходе из труб греющей секции. В таких условиях скорость циркуляции лимитируется расходом среды в опускную щель и весовой уровень в щели уменьшается. Такие режимы можно рассматривать как режимы с "частичным разрывом" контура естественной циркуляции.

В работе [27] проводились исследования влияния концентрации различных растворов на другой процесс, имеющий место в испарителях, - унос при барботаже.

Интересно отметить, что для всех представленных в работе [27] растворов (№0, ИаОН, ИагБС^ и др.) характерно резкое увеличение уноса при солесодержании 3-6 г кг с последующей стабилизацией на несколько более высоком уровне, который прямо пропорционален скорости пара. Автор объясняет это возможностью образования коллоидных частиц. Хотя унос при барботаже имеет косвенное отношение к те�