автореферат диссертации по энергетике, 05.14.04, диссертация на тему:Моделирование процессов тепло- и массообмена при утилизации высоковлажных тепловых вторичных энергоресурсов

На правах рукописи

НЕФЕДОВА НАДЕЖДА ИГОРЕВНА

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛО- И МАССООБМЕНА ПРИ УТИЛИЗАЦИИ ВЫСОКОВЛАЖНЫХ ТЕПЛОВЫХ ВТОРИЧНЫХ ЭНЕРГОРЕСУРСОВ

Специальность 05.14.04 - Промышленная теплоэнергетика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Москва - 2006

Работа выполнена на кафедре Тепломассообменных процессов и установок Московского энергетического института (технического университета).

Научный руководитель

кандидат технических наук, доцент Гаряев Андрей Борисович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Галактионов Валерий Витальевич

кандидат технических наук, доцент Бабич Владимир Иванович

Ведущая организация

Всероссийский научно-исследовательский проектно-конструкторский институт атомного энергетического машиностроения

(ВНИИАМ).

Защита диссертации состоится «3» марта 2006 г. в 17:00 в аудитории Г-406 на заседании диссертационного совета Д 212.157.10 при Московском энергетическом институте (техническом университете) по адресу: Москва, Красноказарменная ул., д. 17.

Отзывы на автореферат в 2-х экземплярах, заверенные печатью организации, просим направлять по адресу: 111250, Москва, Красноказарменная ул., д. 14, Ученый Совет МЭИ (ТУ).

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

Автореферат разослан «¿С»,1и ¿¡,.2006 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

д.т.н., профессор Кулешов Н.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Одним из важных направлений экономии тепловой энергии является утилизация теплоты влажных газов. Наибольшего энергосберегающего эффекта при этом можно достичь при их высоком влагосодержании (свыше 200 г/кг сухого воздуха). Такие газы образуются в результате сушки высоковлажных материалов, в производстве бумаги, цемента, при работе аппаратов с погружными горелками и т.д.

Для утилизации теплоты влажных газов наряду с контактными аппаратами применяются трубчатые рекуперативные теплообменники конденсационные теплоутилизаторы (КТУ) с вертикальными и горизонтальными трубами, позволяющие утилизировать как явную, так и скрытую теплоту. Методы расчета таких теплообменников разработаны в основном для случаев небольшого содержания пара, невысокой и слабо изменяющейся по длине температуре теплообменной поверхности, а также при отсутствии на ней пленки конденсата. С ростом влажности газа происходит усложнение механизмов процессов тепло- и массообмена в КТУ, что связано с увеличением доли теплоты конденсата в тепловом балансе теплообменников, ростом Стефанова потока, влиянием поперечного потока массы на пограничный слой газа и с возникновением пленки конденсата, термическое сопротивление которой начинает оказывать заметное влияние на тепломассообмен. Режим течения пленки, ее толщина зависят от параметров теплоносителей и существенно изменяют коэффициенты тепло- и массоотдачи. Условия, при которых наличие пленки конденсата начинает существенно влиять на процессы тепло- и массообмена в КТУ, а также степень этого влияния на настоящий момент не определены.

Несмотря на то, что конденсации из парогазовой смеси посвящено большое количество исследований, полученные в них результаты чаще всего соответствуют постоянным температурам стенки, температуре и концентрации в потоке парогазовой смеси, что редко наблюдается в реальных теплообменных аппаратах. Поведение тепловых и массовых потоков в теплообменнике при изменении температур и концентраций на стенке, внутри межтрубного пространства не полностью научно обосновано. Методы расчета КТУ для утилизации тепла газов с высокой влажностью, учитывающие термическое сопротивление пленки конденсата, а также локальное изменение температур и концентраций в потоке газа и на поверхности теплообмена, в настоящее время отсутствуют.

Для правильного расчета, проектирования, успешной эксплуатации и оценки технико-экономических показателей теплоутилизационной установки необходимо исследовать процессы тепло- и массообмена при конденсации пара из парогазовых смесей (ПГС) в рекуперативных КТУ с учетом термического сопротивления пленки конденсата.

Целью работы является расчетно-теоретическое—исследование процессов тепло- и массопереноса в гладкотр;

БИБЛИОТЕКА 1

2$Ы: л

СП«

теплоты высоковлажных газов с учетом пленочной конденсации пара из парогазовой смеси на поверхности вертикальных труб и горизонтальных трубных пучков.

Научная новизна.

1. Разработана математическая модель и программа расчета процессов тепло- и массообмена при утилизации теплоты высоковлажных газов в трубчатых неоребренных КТУ при конденсации пара из парогазовой смеси на поверхности вертикальных и горизонтальных труб, позволяющая учитывать изменение количества конденсирующегося пара за счет Стефанова потока в парогазовой смеси, влияние отсоса вещества при конденсации на поверхности теплообмена, термическое сопротивление пленки конденсата.

2. Получено аналитическое решение дифференциального уравнения роста пленки конденсата при конденсации пара из ПГС, справедливое для условий выполнения аналогии между тепло- и массообменом и позволяющее с достаточной точностью определять ее толщину, тепловые и массовые потоки при пленочной конденсации пара из парогазовых смесей на поверхности вертикальных и горизонтальных труб.

3. Впервые определены условия, при которых термическое сопротивление пленки конденсата не оказывает влияния на процессы тепло- и массообмена в КТУ при ламинарном и ламинарно-волновом режимах течения пленки конденсата для ламинарного и турбулентного режимов течения парогазовой смеси.

4. Предложена карта режимов работы теплообменных аппаратов конденсационного типа, позволяющая оценить степень влияния таких факторов, как отсос пара, Стефанов поток и термическое сопротивление пленки конденсата на тепло- и массоотдачу.

Практическая ценность работы. Разработаны математическая модель и программа расчета теплообмена при пленочной конденсации из парогазовой смеси, которые могут быть использованы для проектирования и выбора режимов работы КТУ, предназначенных для утилизации теплоты паровоздушных смесей с высоким влагосодержанием в различных отраслях промышленности.

Получены рекомендации о необходимости учета влияния термического сопротивления пленки на коэффициенты тепло- и массоотдачи при конденсации пара из парогазовой смеси в КТУ.

Разработана карта режимов работы КТУ, которая даёт возможность выбора оптимального по сложности метода расчета теплообменника. На карте наглядно представлены возможные режимы работы аппаратов с конденсацией влаги и нанесены границы, разделяющие эти режимы на области, в которых один или несколько из выше перечисленных факторов оказывают заметное влияние на тепломассообмен.

На защиту выносятся: • Модель и программа расчета процессов тепло- и массообмена при

утилизации теплоты высоковлажных газов на теплообменных

поверхностях гладкотрубных КТУ с вертикальными и горизонтальными трубками при подаче парогазовой смеси сверху или сбоку.

• Аналитическое решение дифференциального уравнения роста пленки конденсата при конденсации пара из ПГС.

• Результаты численного исследования влияния режимных параметров КТУ на тепловые и массовые потоки на стенку, на толщину пленки конденсата и на температуру поверхности пленки койденсата.

• Карта режимов работы КТУ с указанием областей, в которых необходимо учитывать влияние отсоса вещества из пограничного слоя, Стефанова потока и термического сопротивления пленки конденсата на суммарный тепловой поток, передаваемый от пара к стенке. Апробадия работы. Основные результаты диссертационной работы

были доложены на национальных и международных конференциях: 9,10 и 11 Международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов. Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. Москва, 2003-2005гг.; Третьей Международной конференции "Проблемы промышленной теплотехники". Киев, 2003 г.; Второй Всероссийской школе-семинаре молодых учёных и специалистов "Энергосбережение - теория и практика". Москва, октябрь, 2004 г.; 15-й Школе-семинаре молодых учёных и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева " Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках", Калуга, 2005 г.

Публикации. Основные научные положения и выводы изложены в 6 опубликованных работах.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы, состоящего из 60 наименований. Общий объём диссертации составляет 135 страниц, включая рисунки и таблицы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении рассмотрены проблемы, возникающие при расчете процессов тепло- и массообмена в КТУ, предназначенных для утилизации тепла газов с высоким содержанием влаги.

Сформулированы цели, обоснована актуальность, показана научная и практическая ценность работы. Отражены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе рассмотрены существующие инженерные методы расчета рекуперативных теплообменных аппаратов, предназначенных для утилизации теплоты влажных газов. Показано, что заложенные в них допущения позволяют применять их для расчета теплообменных аппаратов с низкой температурой поверхности теплообмена (до 40°С), в которых движется парогазовая смесь с невысоким содержанием пара (ниже 200 г/кг). Расчетные зависимости, используемые в данных методах, разработаны для постоянных

температур теплообменной поверхности, температур и концентраций в газовом потоке, и без учета термического сопротивления пленки конденсата.

Приведен обзор современного состояния исследований процессов тепло- и массообмена при конденсации пара из парогазовой смеси на поверхности теплообмена и анализ научных работ, посвященных исследованию основных механизмов этих процессов, таких как определение границ аналогии между процессами тепло- и массообмена (Э.П. Волчков, В.В. Терехов, В.И. Терехов) при влиянии потока Стефана на полный тепловой поток, изменение коэффициентов тепло- и массоотдачи вследствие отсоса пара из пограничного слоя (А.И. Леонтьев, С.С. Кутателадзе, Л.Д. Берман). Обсуждены условия проявления этих процессов и возможная степень их влияния на работу КТУ.

Проведен анализ работ, в которых разработаны математические модели и методы расчета тепло- и массообмена в рассматриваемых случаях (Л.Д. Берман, J.W. Rose). Анализ показал отсутствие детальных исследований, определяющих условия, при которых необходимо учитывать влияние пленки конденсата и степень этого влияния на коэффициент теплопередачи при конденсации пара из парогазовых смесей в КТУ.

Для детального рассмотрения динамики образования и стекания пленки конденсата рассмотрены результаты теоретических и экспериментальных исследований, посвященных вопросам течения пленки конденсата на вертикальных и горизонтальных трубах при конденсации чистого пара (Т. Fujii, H.Uehara). Так как при конденсации чистого пара термическое сопротивление пленки определяет интенсивность процесса конденсации, в работах, посвященных этой теме, уделяется больше внимания процессу образования и стекания пленки конденсата. В работах, посвященных исследованию динамики стекания пленок жидкости (C.B. Алексеенко, С.С.Кутателадзе), показано, что на поверхности пленки жидкости наблюдается волнообразование при достаточно небольших числах Рейнольдса пленки.

По результатам обзора сформулированы задачи, которые необходимо решить в диссертационной работе. К их числу относятся:

- разработка математической модели и программы расчета процессов тепло- и массообмена при утилизации теплоты высоковлажных газов в трубчатых неоребренных КТУ при конденсации пара из парогазовой смеси на поверхности вертикальных и горизонтальных труб;

- численное исследование конденсации пара из парогазовых смесей и оценка влияния различных факторов на суммарный тепловой поток: Стефанова потока, отсоса пара из пограничного слоя, гидродинамического воздействия потока газа на пленку конденсата, термического сопротивления пленки конденсата;

- определение областей рабочих параметров (концентрация пара в ПГС, температура теплообменной поверхности, скорость ПГС), в которых можно пренебречь одним или несколькими выше перечисленными факторами;

- разработка метода для упрощенной оценки толщины пленки, температуры ее поверхности и коэффициента теплопередачи в КТУ;

Во второй главе рассматривается и моделируется процесс конденсации пара из парогазовой смеси на поверхностях вертикальных и горизонтальных труб.

Проведено обоснование выбранного метода исследования процессов тепло- и массообмена в КТУ с высоким содержанием влаги в парогазовой смеси. Рассмотрено три основных подхода к решению задачи о расчете теплообменников с выпадением влаги:

- решение системы дифференциальных уравнений переноса тепла и массы пара, записанных в форме Навье - Стокса или в приближении пограничного слоя (для сомкнутых течений - приближение «узкого канала»);

- решение системы одномерных уравнений для температуры и концентрации теплоносителей с использованием критериальных уравнений для коэффициентов теплоотдачи и массоотдачи;

использование критериальных уравнений для безразмерных коэффициентов тепло- и массоотдачи и средних по длине каналов значений температуры и концентрации теплоносителя.

В настоящей работе используется второй метод расчета. Заметно более простой по сравнению с первым методом алгоритм решения дает возможность решать задачи о переносе тепла и массы через пограничный слой газа и пленку жидкости совместно.

Предложены математические модели для описания процессов тепло- и массообмена при утилизации теплоты высоковлажных газов в трубчатых неоребренных КТУ при конденсации пара из парогазовой смеси на поверхности вертикальных и горизонтальных труб. При выводе математических моделей сделаны следующие допущения: режим течения пленки ламинарный (ламинарно-волновой); режим течения пленки конденсата не зависит от состава паровой фазы (чистый пар, либо парогазовая смесь); трение на границе раздела фаз умеренное (не приводит к сдуванию пленки); температура теплообменной поверхности, а также температура, концентрация пара и скорость парогазовой смеси постоянны по поверхности теплообмена.

При этом рассмотрены различные случаи обтекания теплообменной поверхности КТУ, соответствующие разным взаимным направлениям движения пленки, газового потока и силы тяжести:

Для случая конденсации пара на вертикальной поверхности (трубке) при движении ПГС сверху вниз постановка задачи следующая:

Парогазовая смесь с параметрами С0,11о движется сверху вниз вдоль вертикальной поверхности (трубки). Температура стенки постоянна по всей длине. На поверхности стенки возникает конденсация пара, так как температура стенки ниже температуры точки росы для данных параметров парогазовой смеси. В процессе конденсации на поверхности теплообмена образуется пленка конденсата, которая стекает вниз под действием силы тяжести и силы трения потока газа. Температура поверхности пленки равна температуре насыщения пара у поверхности раздела фаз. Очевидно, что интенсивность процессов тепло- и массоотдачи определяется температурой

Рис 1. Схема процесса конденсации Рис.2 Схематичное изображение пара из ПГС на вертикальной процесса конденсации пара на поверхности. горизонтальном цилиндре.

поверхности пленки tg > tw, которая неизвестна. В свою очередь, температура поверхности пленки определяется толщиной пленки и тепловым потоком через пленку. Получается замкнутая задача, которая решается путем последовательных приближений.

Для моделирования процесса роста пленки используется приближение Нуссельта. Отличие от модели Нуссельта состоит в учете влияния трения потока газа на пленку конденсата.

В общем случае, при расчете конденсации на поверхностях различной формы, можно в первом приближении воспользоваться аналогией между теплообменом и трением. Тогда коэффициент трения будет равен:

С 2а" f Cp-p„U (1)

При записи моделей коэффициенты массоотдачи от пара к пленке конденсата рассчитываются по зависимостям, предложенным в (J. W. Rose) для конденсации на вертикальной пластине и горизонтальной трубе. Данные зависимости аппроксимируют точные численные решения полных дифференциальных уравнений переноса, полученные Е.М. Sparrow, с максимальной погрешностью 2%.

В результате для случая подачи ПГС сверху получены следующие системы уравнений:

Г 1. Конденсация на

вертикальной трубке: -(О -'») = <*„,„ -('о +

Л?

Л />„С/2

У"

С г ■8 + gpж■8г

{

№ = Р

с„-с, 1-е,

(2)

А*) =

1+4 57-5с""» •<? (1-Й))/Й)}"2-1 2.28-5с°м(1-<ы)

•Яе.'

£ = 5с"2 • (27.8 + 75.9 ■ 5с°** + 657 ■ &)"'

V

<уЧяТ

С 2. Конденсация на горизонтальной трубке: -(О-'») = ««».-('о+

<

/?„£/ я- о , • я-х ^—С^ + яяп —

Р. О

= "«) (3)

(1-й>)/4"2-1 ,/2 д^р

2(1-©) ^ а

а км = 0.52-1?.е"-РгО37- —

^ = 0.2б-Ке°6Рг037 -й

^ а„(х) = 0.88 Яе,;0 25-----

(и2/*)"

Свойства парогазовой смеси и пленки конденсата определяются для каждой точки по известным температуре и составу смеси, а также температуре пленки конденсата.

Для подтверждения адекватности разработанных математических моделей проведено сравнение результатов расчетов с экспериментальными данными. Сравнения проведены с результатами двух экспериментальных работ: А.Ф.Миллса и Л.Д.Бермана. Условия проведения опытов совпадают с постановкой задачи для случая горизонтальной трубы. Результаты сравнения сведены в таблицы и графики, некоторые из которых представленные ниже.

Рис.3 Отклонение результатов расчета от эксперимешальных данных Л.Д. Бермана для конденсации на трубе пятого ряда трубного пучка с диаметром трубок (1=19 мм.

Рис.4 Отклонение результатов расчета от экспериментальных данных А.Ф. Миллса для конденсации на горизонтальной трубе <1=15 мм.

Результаты настоящих расчетов совпадают с экспериментальными данными с точностью 10%. Поэтому настоящую математическую модель можно считать адекватной и пригодной для численных исследований, в том числе для оценки термического сопротивления пленки конденсата. Так как на практике температура теплообменной поверхности и параметры парогазовой смеси (температура, концентрация пара и скорость) изменяются по ходу теплоносителей, полученные математические модели дополнены дифференциальными уравнениями, учитывающими изменение выше указанных параметров.

В третьей главе представлено аналитическое решение задачи о конденсации пара из парогазовой смеси, полученное в предположении о выполнении аналогии между тепло- и массообменом.

Данное решение является обобщением задачи Нуссельта на случай течения парогазовой смеси. Анализируя задачу о совместном тепло- и массообмене на поверхности пленки конденсата, стекающей под действием силы тяжести (и трения на поверхности газа и жидкости) и считая слабо изменяющимся по продольной координате отношение полного и явного тепловых потоков, можно получить выражение для определения толщины пленки, температуры на ее поверхности и суммарного теплового потока. Метод может быть использован при ламинарном режиме течения пленки конденсата. В случае сильного изменения температур и концентраций в потоке и на стенке метод может быть использован, если поверхность теплообмена разбить на отдельные участки.

Рассмотрим случай конденсации на вертикальной или горизонтальной трубке. Влиянием трения потока на пленку конденсата можно пренебречь, так как в процессе проведенных в главе 4 численных исследований было

и

выяснено, что в области выполнения аналогии (соответствует области I на карте режимов) влияние трения потока на пленку несущественно.

При выводе решения использовались следующие допущения: выполняется аналогия между тепло- и массообменом; трение на границе раздела фаз пренебрежимо мало; пленка конденсата ламинарная; теплообмен в пленке происходит за счет теплопроводности; температура поверхности пленки слабо меняется по х;

Для того чтобы решить задачу аналитически, введем понятие коэффициента влаговыпадения.

„ «Со-ts) + ^"{C,-Cs)-r

£ = _?I_ =__ЧР_ =1 I r'(C4~Cs>

a-ih-h) ~'s) (4)

Приближенно коэффициент влаговыпадения можно вычислить так: с _ я0-я, ^ H0-Hw

~cp-(t,-ts) QK'o-O (5)

При этом Е, является функцией х, а значит, и tg.

Будем считать, что на небольшом участке поверхности tg = const, а значит, и \ = const. На практике это означает, что изменение теплового потока связано только с изменением толщины пленки, и что ДН = Но - Hg и At = to - tg меняются слабо. Надо отметить, что и tg, и Hg меняются в одну и ту же сторону - растет tg, растет и Hg. Из этого следует, что ошибка, получаемая вследствие этого допущения, невелика. Полное решение может подтвердить, либо опровергнуть данное предположение.

В результате получаем следующие уравнения роста пленки:

А 4

для вертикальной трубки ——S3 + S* -

3

для горизонтальной трубки + S* =

L f £-1

4Дt -Х-и

-----х,

r-p2g

(6)

2Д/ • Я • //

-j-^-n-d, (7)

rp g

где дг = <0 -V

Данные уравнения позволяют оценить среднюю толщину пленки конденсата, а также величину суммарного теплового потока на стенку с достаточной точностью без использования метода последовательных приближений для условий, соответствующих выполнению аналогии между тепло- и массообменом и слабому изменению температуры теплообменной поверхности.

Глава 4 посвящена численному исследованию процесса конденсации пара из парогазовой смеси на основе математических моделей, описанных в главе 2.

Проведено численное исследование влияния режимных параметров конденсационных теплоутилизаторов на характеристики процессов переноса тепла и массы. Пределы изменения режимных параметров достаточно велики.

Это связано с разнообразием технологических процессов, в результате которых получаются парогазовые смеси и для которых планируется использовать этот низкопотенциальный источник энергии.

Рассматривается следующий диапазон изменения режимных параметров:

1. Температура ПГС: ^ = 40 - 150 °С;

2. Массовое содержание пара в ПГС: С = 0,05 - 0,9995 кг/кг смеси;

3. Давление ПГС: В = 8 -101,3 кПа;

4. Скорость ПГС: и = 0,1 - 7 м/с;

5. Температура теплообменной поверхности: ^ = 0 - 99 °С;

На рис.5 изображено влияние концентрации неконденсирующихся газов в ПГС на суммарный тепловой поток. При появлении в чистом паре неконденсирующихся примесей суммарный тепловой поток, определяемый, в основном, массовым потоком пара на стенку (рис.6), начинает резко падать. Температура поверхности пленки уже не равна температуре насыщения чистого пара, она начинает снижаться (рис.8). При дальнейшем увеличении концентрации газа наблюдается более пологое снижение массового потока пара на стенку, а влияние термического сопротивления пленки конденсата на процесс вырождается. На рис.8 нанесена кривая насыщения пара С5(^) при заданном давлении смеси. Конденсация будет происходить до тех пор, пока температура поверхности пленки конденсата не превысит температуру насыщения смеси (температура точки росы).

На рис.8 данной характерной точке (начало «сухого теплообмена) соответствует точка пересечения кривой температуры поверхности пленки с кривой насыщения. При дальнейшем уменьшении концентрации пара будет наблюдаться либо «сухой теплообмен», либо испарение пленки конденсата, если она изначально имеется. На рис.5 точке начала «сухого теплообмена» соответствует резкий излом кривой Яг(Со). В данной точке = яконв, а дальнейшее едва заметное уменьшение теплового потока связано с изменением теплоёмкости и теплопроводности парогазовой смеси из-за изменения состава смеси. На рис.6 началу режима «сухого теплообмена» соответствует равенство массового потока нулю, или, графически, пересечение кривых .¡(Со) с осью Ох.

На рис.7 представлена зависимость средней по диаметру толщины пленки конденсата от концентрации пара в ПГС. Так как массовый поток пара на стенку определяет толщину пленки конденсата, характер изменения толщины пленки и массового потока схож. В зоне начала «сухого теплообмена» наблюдается более резкое падение толщины пленки при дальнейшем уменьшении концентрации пара в ПГС. Это связано с тем, что в переходной зоне «сухого теплообмена» на поверхности цилиндра локально возникают зоны, где наблюдается процесс испарения пленки, поэтому средняя толщина пленки конденсата уменьшается.

По результатам проведенных оценок была построена карта режимов работы конденсационных аппаратов (рис.9). Данная карта соответствует следующим исходным данным:

Рис 5. Зависимость суммарного теплового потока на стенку от концентрации газа в парогазовой смеси при различных значениях температуры стенки.

Рис 6. Зависимость интенсивности массового потока пара на стенку от концентрации газа в парогазовой смеси при различных значениях температуры стенки.

Рис 7. Зависимость толщины пленки конденсата от концентрации газа в парогазовой смеси при различных значениях температуры стенки.

-»- Л/у = 20 С — 1\л/=40С — Ь«=60С — ^=80с! Сгаз„ кг/кг

Рис 8. Зависимость температуры поверхности пленки конденсата от концентрации газа в парогазовой смеси при различных значениях температуры стенки.

Скорость ПГС и = 1, 3, 5 м/с;

Температура ПГС to = 99,58 °С;

Давление ПГС В = 100 кПа;

• Горизонтальная трубка d = 19 мм при подаче ПГС сверху. Как видно из диаграммы (рис.9), при увеличении скорости ПГС линии учета Стефанова потока, термического сопротивления пленки и трения потока перемещаются в область более низких паросодержаний. Это связано с общей интенсификацией процессов переноса импульса, тепла и массы в паровой фазе, что является причиной повышения температуры поверхности пленки конденсата.

Для анализа характерных зон расчета теплообменников с выпадением влаги рассмотрим диаграмму, на которую нанесены линии постоянных погрешностей при скорости течения парогазовой смеси U0 = 5 м/с (рис.10). На диаграмме выделено шесть основных зон, в которых одни из факторов следует учитывать, а другими можно пренебречь.

Зона I соответствует области выполнения аналогии между процессами тепло- и массообмеяа, влиянием Стефанова потока также можно пренебречь вследствие низкой температуры поверхности теплообмена и малой концентрации пара вблизи нее. В области П, где велик массовый поток на стенку из-за большой разности концентраций, следует учитывать отсос пара из пограничного слоя газа, влиянием Стефанова потока можно пренебречь. Зона III характерна тем, что можно не учитывать влияние отсоса пара из пограничного слоя газа на коэффициенты тепло- и массоотдачи. Влияние Стефанова потока необходимо учитывать. В области IV необходимо учитывать и отсос пара из пограничного слоя, и Стефанов поток.

Зоны I - IV характерны тем, "ЧТО айгоритм расчета процессов тепло- и массообмена в этих зонах не включает в себя определение температуры межфазной поверхности путем последовательных приближений. Это заметно упрощает порядок расчета целого ряда конденсационных теплоутилизаторов.

В зоне V появляется необходимость учитывать термическое сопротивление пленки конденсата при вычислении массового и теплового потоков на стенку. Расчет теплового и массового потоков производится ьо по параметрам смеси на стенке, а по температуре насыщения пара на границе раздела фаз. Данная температура определяется путем последовательных приближений из уравнения баланса тепловых потоков на границе пар - пленка. Влиянием трения потока газа На пленку конденсата в области V можно пренебречь.

В зоне V можно выделить еще две зоны: зона V' и зона V", которые образуются в результате пересечения кривых постоянных погрешностей. В зоне V' можно пренебречь потоком Стефана, а в зоне V" - отсосом пара из пограничного слоя газа.

В зоне VI кроме указанных выше факторов необходимо учитывать и влияние трения потока на пленку. Для каждой из характерных зон

Рис 9. Карта режимов работы теплообменных аппаратов с выпадением влаги. Конденсация на горизонтальной трубке (1 = 19 мм при подаче ПГС сверху.

кг/кг

о.6

0.5

04 0 3

"Г; - ■

0 0 I 11^1 и!,.?-'*^.'^тт-Г

10 20 30 40 50 60 70 80

Ст

Рис 10 Характерные области на карте режимов работы теплообменных аппаратов с выпадением влаги для скорости ПГС II = 5 м/с.

рекомендованы уравнения, позволяющие провести расчет теплообменного аппарата с достаточной точностью.

В пятой главе рассмотрены теплообменники с выпадением влаги на поверхности теплообмена, используемые в различных отраслях промышленности. В таблице 1. приведены наиболее часто встречающиеся теплообменные аппараты с выпадением влаги с указанием границ рабочих параметров для каждого вида аппаратов. На основе карты режимов и расчетного алгоритма, приведенного в главе 2, проведена оценка влияния Стефанова потока, отсоса пара и термического сопротивления пленки конденсата на суммарный передаваемый тепловой поток для каждого из приведенных теплообменных аппаратов по (8) и (9):

Чгч -9г

9г

100%, (8)

д„ =

9г.с ч.

92.

100%,

(9)

где - суммарный тепловой поток на стенку, вычисленный с учетом всех факторов, оказывающих влияние в данной области режимных параметров; - суммарный тепловой поток на стенку, вычисленный по зависимостям, рекомендованным для зоны I; с&.иш - суммарный тепловой поток, вычисленный без учета термического сопротивления пленки.

Наименование процесса. Рабочие параметры Зона на карте Рекомендации по расчету тепломассообмена.

Утилизация продуктов сгорания после котельных установок. То = 120-140 °С С = 0,08 - 0,12 Т„ = 10-20 °С I Сохранение аналогии между процессами тепло- и массообмена. р-а!Ср

Системы кондиционирования воздуха. Т0 = 20-28 °С С = 0,01 -0,18 Т„ = 5-20 °С I Сохранение аналогии между процессами тепло- и массообмена. /} = а/Ср

Утилизация теплоты отходящих газов клинкерной печи при мокром способе производства цемента. То = 160-180 °С С = 0,2 - 0,25 Тж = 40-70 °С III,IV Учет Стефанова потока у _ -Допускается 1 -С№ расчет /} = а/Ср Де = 10 - 15 % Апл=0-1.5%

Утилизация тела отходящих газов после аппарата погружного горения в производстве хлора и каустической соды. То = 100-200 "С* С = 0,11 -0,89 Т„ = 40-70 °С III,IV, V Так как разброс концентраций очень велик, необходимо проводить анализ для каждого отдельного случая. ДЕ = 6 - 82 % А„л=0.5 - 8% Обязательный учет Стефанова потока, отсоса пара, термического сопротивления пленки и трения потока. Де = 60 - 90 % ^=2 - 20%

Утилизация тепла и очистка парогазовых выбросов при сульфатном способе варки целлюлозы. То = 85-125 иС С = 0,7 - 0,95 Т„зх= 10-25 °С Т>у,вых34-75 С У,У1

Конденсаторы паровых турбин, работающие в режиме подсоса Т0 = 100-140 "С С = 0,97 - 0,999 VI Обязательный учет Стефанова потока, отсоса пара, и

воздуха. Tw= 15-70 иС термического сопротивления

Конденсаторы пароэжекторных пленки.

холодильных установок. Возможен расчет по

¡ависимостям для конденсации

тастого пара с поправкой на

неконденсирующиеся примеси.

Д^ 90-100%

Д„л=30 - 230%

При больших концентрациях пара увеличение массового потока пара на стенку за счет отсоса пара и Стефанова потока компенсируется уменьшением массового потока за счет термического сопротивления пленки, поэтому Дщ, может превышать Д^. При оценке погрешностей были учтены скорости ПГС, характерные для конкретного вида теплообменных аппаратов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ

Проведен комплекс теоретических исследований процессов тепло- и массообмена при глубокой утилизации теплоты высоковлажных газов в гладкотрубных конденсационных теплоутилизаторах. Проанализированы факторы, влияющие на тепловые и массовые потоки при конденсации из парогазовых смесей в широком диапазоне влагосодержаний и температур поверхности теплообмена. Определены условия, при которых термическое сопротивление пленки конденсата не оказывает существенного влияния на суммарный коэффициент теплопередачи.

Основные результаты, полученные в диссертационной работе:

1. Разработана математическая модель и программа расчета процессов тепло- и массообмена при утилизации теплоты высоковлажных газов в трубчатых неоребренных КТУ при конденсации пара из парогазовой смеси на поверхности вертикальных и горизонтальных труб. Качественное отличие настоящей математической модели от аналогичных расчетов процесса конденсации пара из парогазовых смесей других авторов (Л.Д. Берман, J.W. Rose) состоит в том, что для определения термического сопротивления пленки конденсата нами не используются зависимости для конденсации чистых паров, как это делалось ранее. Дифференциальное уравнение роста пленки, полученное в результате анализа уравнения движения, включает в себя не только действие силы тяжести, но и силу трения потока газа. Зависимости для определения коэффициентов тепло- и массоотдачи учитывают изменение толщины гидродинамического пограничного слоя вследствие отсоса пара. Введена поправка на поток Стефана.

Адекватность предложенной математической модели подтверждена хорошим соответствием результатов настоящих расчетов и экспериментальных данных Л.Д. Бермана и А.Ф. Миллса, а также расчетов по моделям В.И. Терехова и Э.П. Волчкова.

2. Предложено аналитическое решение дифференциального уравнения роста пленки конденсата при конденсации пара из ПГС на поверхности вертикальных и горизонтальных труб. Данное решение основано на введении

понятия коэффициента влаговыпадения, равного отношению полного теплового потока к конвективному. Для случая конденсации чистого пара -у =о) решение преобразуется в формулу Нуссельта, для случая течения сухого газа (£-И) уравнение имеет единственное решение: <У = 0. Границы использования предложенной зависимости могут быть расширены путем введения поправок на Стефанов поток, отсос пара и волнистость пленки конденсата.

3. В результате проведенных численных исследований процесса конденсации определены условия, при которых термическое сопротивление пленки конденсата не оказывает влияния на тепло- и массообмен в КТУ для случая конденсации на вертикальных и горизонтальных трубах при ламинарном и ламинарно-волновом режимах течения пленки конденсата для ламинарного и турбулентного режимов течения парогазовой смеси. Выявление границ влияния термического сопротивления пленки позволяет заметно упростить алгоритм расчета целого ряда аппаратов с выпадением влаги, что имеет большую практическую ценность.

4. Предложена карта режимов работы теплообменных аппаратов конденсационного типа, позволяющая оценить степень влияния таких факторов, как отсос пара, Стефанов поток и термическое сопротивление пленки конденсата на тепло- и массоотдачу. На карте наглядно представлены все возможные режимы работы аппаратов с конденсацией влаги и нанесены границы, разделяющие эти режимы на области, в которых один или несколько из выше перечисленных факторов оказывают заметное влияние на тепломассообмен.

5. Для каждой из характерных областей, выделенных на карте режимов, предложены оптимальные по сложности и точности алгоритмы расчета процесса конденсации пара из парогазовых смесей, даны рекомендации по учету тех или иных факторов, влияющих на процесс передачи тепла.

6. Проведена оценка изменения суммарного теплового потока за счет Стефанова потока, отсоса пара и термического сопротивления пленки конденсата для конденсационных утилизаторов, работающих в различных отраслях промышленности: в производстве цементного клинкера, при получении хлора и каустической соды, при сульфатном способе варки целлюлозы.

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

С - массовая концентрация пара в ПГС, кг /кг смеси; С^ - массовая концентрация газа в ПГС, кг /кг смеси; С{ -коэффициент трения; с! -наружный диаметр трубки, м; ] - массовый поток пара на стенку, кг/м2с; Н -удельная энтальпия парогазовой смеси, Дж/кг смеси; Яг - суммарный тепловой поток на стенку, включающий в себя поток тепла за счет конденсации пара и конвективный тепловой поток, Вт/м \ цконв — конвективный тепловой поток на стенку Вт/м2; ^ - температура ПГС в свободном объеме газа, °С; ^ -температура поверхности пленки конденсата, °С; - температура

теплообменной поверхности, С; U - скорость ПГС, м/с; о^онв - конвективный коэффициент теплоотдачи,

Вт/м2К;

аш - коэффициент теплоотдачи в пленке конденсата, Вт/м2К; ß - коэффициент массоотдачи от ПГС к пленке конденсата, отнесенный к разности концентраций, кг/м2с; 5 - толщина пленки конденсата, м; - скорость стекания пленки конденсата, м/с; ю -безразмерный концентрационный напор по неконденсирующемуся компоненту; £ - коэффициент влаговыпадения (5), коэффициент в уравнении (2); ф - угол между вертикалью и точкой приложения силы тяжести, рад.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ

1. Нефёдова Н.И., Гаряев А.Б. Особенности тепло- и массообмена при конденсации из парогазовой смеси// Девятая Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов. Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Тез. докл. - М., - 2003. - С. 294-295.

2. Нефёдова Н.И., Гаряев А.Б. Численное исследование процессов тепло- и массообмена при течении парогазовой смеси вдоль вертикальной поверхности// Десятая Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов. Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Тез. докл. — М., -2004.-С. 353-354.

3. Нефёдова Н.И., Гаряев А.Б. Расчет теплообмена при ламинарной пленочной конденсации пара из парогазовой смеси// Одиннадцатая Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов. Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Тез. докл. - М., -2005. -С. 391.

4. Нефёдова Н.И., Гаряев А.Б., Данилов O.JI. Моделирование процесса конденсации пара из парогазовой смеси на вертикальной пластине// Промышленная теплотехника. -2003. -Т.25. -№4, -С. 415 -417.

5. Нефёдова Н.И., Гаряев А.Б. Оценка влияния термического сопротивления пленки конденсата на суммарный коэффициент теплоотдачи при конденсации пара из парогазовой смеси// Вторая Всероссийская школа-семинар молодых учёных и специалистов "Энергосбережение - теория и практика": Сб. трудов. -М., -2004. -С. 328-332.

6. Нефёдова Н.И., Гаряев А.Б. Расчет теплообмена при ламинарной пленочной конденсации пара из парогазовой смеси на вертикальной стенке// Пятнадцатая Школа-семинар молодых учёных и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева "Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках": Сб. трудов. - М., -2005. -Т.2, -С. 253-256.

Печ. л. /j 5 Тираж 100 Заказ зс

Типография МЭИ, Красноказарменная ул., д. 13.

Содержание.

Основные обозначения.

Введение.

Глава 1. Современное состояние исследований процесса конденсации пара из парогазовых смесей в конденсационных теплоутилизаторах (КТУ).

1.1 Применение конденсационных теплоутилизаторов для утилизации теплоты высоковлажных выбросов.

1.2 Результаты численных и экспериментальных исследований процесса конденсации пара из парогазовой смеси и методы расчета конденсационных теплоутилизаторов.

1.2.1 Методы расчета КТУ, основанные на аналогии процессов теплообмена и массообмена.

1.2.2 Нарушение аналогии процессов тепло- и массообмена.

1.2.3 Методы, основанные на прямом численном решении дифференциальных уравнений переноса в парогазовой смеси и пленке конденсата.

1.2.4 Исследование динамики стекания пленок жидкости.

1.2.5 Исследования пленочной конденсации чистого насыщенного пара.

1.3 Выводы по результатам литературного обзора.

1.4 Постановка задачи исследования.

Глава 2. Математическая модель процесса конденсации пара из парогазовой смеси на поверхности теплообменного аппарата.

2.1 Обоснование выбранного метода исследований.

2.2 Математическая модель процесса пленочной конденсации пара из ТТГС на вертикальной поверхности.

2.3 Математическая модель процесса пленочной конденсации пара из ПГС на одиночной горизонтальной трубе.

2.4 Математические модели процесса конденсации пара из ПГС на вертикальной и горизонтальной трубах при подаче парогазовой смеси сбоку.

2.5 Определение теплофизических и термодинамических свойств паровоздушной смеси в математической модели.

2.6 Экспериментальное подтверждение адекватности полученной математической модели.

2.7 Пример использования математической модели для расчета тепломассообмена в аппаратах с изменяющимися по длине параметрами теплоносителей.

Выводы по главе 2.

Глава 3 Аналитическое решение задачи о конденсации пара из парогазовой смеси.

3.1 Конденсация пара из ПГС на вертикальной и горизонтальной трубах при подаче парогазовой смеси сбоку. Постановка задачи и решение.

3.2 Вывод аналитического решения для случая подачи ПГС сверху вдоль вертикальной трубы.

3.3 Вывод аналитического решения для случая подачи ПГС сверху поперек горизонтальной трубы.

3.4 Проверка адекватности полученных решений. ^

Выводы по главе 3.

Глава 4. Результаты численного исследования процесса тепло- и массообмена при пленочной конденсации.

4.1 Исследование влияния режимных параметров конденсационных теплоутилизаторов на процесс пленочной конденсации.

4.1.1 Влияние концентрации пара в парогазовой смеси.

4.1.2 Влияние температуры стенки.

4.1.3 Влияние скорости парогазовой смеси, анализ влияния трения потока на толщину пленки.

4.2 Карта режимов работы теплообменников с выпадением влаги.

Глава 5. Анализ процессов тепломассообмена в конденсационных аппаратах в различных отраслях промышленности.

5.1 Обоснование применения карты режимов для инженерных расчетов теплообменников с выпадением влаги.

5.2 Применение карты режимов для выбора оптимального алгоритма расчета некоторых видов конденсационных аппаратов.

Актуальность работы. Одним из важных направлений экономии тепловой энергии является утилизация теплоты влажных газов. Наибольшего энергосберегающего эффекта при этом можно достичь при их высоком влагосодержании (свыше 200 г/кг сухого воздуха). Такие газы образуются в результате сушки высоковлажных материалов, в производстве бумаги, цемента, при работе аппаратов с погружными горелками и т.д.

Для утилизации теплоты влажных газов наряду с контактными аппаратами применяются трубчатые рекуперативные теплообменники конденсационные теплоутилизаторы (КТУ) с вертикальными и горизонтальными трубами, позволяющие утилизировать как явную, так и скрытую теплоту. Методы расчета таких теплообменников разработаны в основном для случаев небольшого содержания пара, невысокой и слабо изменяющейся по длине температуре теплообменной поверхности, а также при отсутствии на ней пленки конденсата. С ростом влажности газа происходит усложнение механизмов процессов тепло- и массообмена в КТУ, что связано с увеличением доли теплоты конденсата в тепловом балансе теплообменников, ростом Стефанова потока, влиянием поперечного потока массы на пограничный слой газа и с возникновением пленки конденсата, термическое сопротивление которой начинает оказывать заметное влияние на тепломассообмен. Режим течения пленки, ее толщина зависят от параметров теплоносителей и существенно изменяют коэффициенты тепло- и массоотдачи. Условия, при которых наличие пленки конденсата начинает существенно влиять на процессы тепло- и массообмена в КТУ, а также степень этого влияния на настоящий момент не определены.

Несмотря на то, что конденсации из парогазовой смеси посвящено большое количество исследований, полученные в них результаты чаще всего соответствуют постоянным температурам стенки, температуре и концентрации в потоке парогазовой смеси, что редко наблюдается в реальных теплообменных аппаратах. Поведение тепловых и массовых потоков в теплообменнике при изменении температур и концентраций на стенке, внутри межтрубного пространства не полностью научно обосновано. Методы расчета КТУ для утилизации тепла газов с высокой влажностью, учитывающие термическое сопротивление пленки конденсата, а также локальное изменение температур и концентраций в потоке газа и на поверхности теплообмена, в настоящее время отсутствуют.

Для правильного расчета, проектирования, успешной эксплуатации и оценки технико-экономических показателей теплоутилизационной установки необходимо исследовать процессы тепло- и массообмена при конденсации пара из парогазовых смесей (ПГС) в рекуперативных КТУ с учетом термического сопротивления пленки конденсата.

Целью работы является расчетно-теоретическое исследование процессов тепло- и массопереноса в гладкотрубных КТУ при утилизации теплоты высоковлажных газов с учетом пленочной конденсации пара из парогазовой смеси на поверхности вертикальных труб и горизонтальных трубных пучков.

Научная новизна.

1. Разработана математическая модель и программа расчета процессов тепло- и массообмена при утилизации теплоты высоковлажных газов в трубчатых неоребренных КТУ при конденсации пара из парогазовой смеси на поверхности вертикальных и горизонтальных труб, позволяющая учитывать изменение количества конденсирующегося пара за счет Стефанова потока в парогазовой смеси, влияние отсоса вещества при конденсации на поверхности теплообмена, термическое сопротивление пленки конденсата.

2. Получено аналитическое решение дифференциального уравнения роста пленки конденсата при конденсации пара из ПГС, справедливое для условий выполнения аналогии между тепло- и массообменом и позволяющее с достаточной точностью определять ее толщину, тепловые и массовые потоки при пленочной конденсации пара из парогазовых смесей на поверхности вертикальных и горизонтальных труб.

3. Впервые определены условия, при которых термическое сопротивление пленки конденсата не оказывает влияния на процессы тепло-и массообмена в КТУ при ламинарном и ламинарно-волновом режимах течения пленки конденсата для ламинарного и турбулентного режимов течения парогазовой смеси.

4. Предложена карта режимов работы теплообменных аппаратов конденсационного типа, позволяющая оценить степень влияния таких факторов, как отсос пара, Стефанов поток и термическое сопротивление пленки конденсата на тепло- и массоотдачу.

Практическая ценность работы. Разработаны математическая модель и программа расчета теплообмена при пленочной конденсации из парогазовой смеси, которые могут быть использованы для проектирования и выбора режимов работы КТУ, предназначенных для утилизации теплоты паровоздушных смесей с высоким влагосодержанием в различных отраслях промышленности.

Получены рекомендации о необходимости учета влияния термического сопротивления пленки на коэффициенты тепло- и массоотдачи при конденсации пара из парогазовой смеси в КТУ.

Разработана карта режимов работы КТУ, которая даёт возможность выбора оптимального по сложности метода расчета теплообменника. На карте наглядно представлены возможные режимы работы аппаратов с конденсацией влаги и нанесены границы, разделяющие эти режимы на области, в которых один или несколько из выше перечисленных факторов оказывают заметное влияние на тепломассообмен. На защиту выносятся;

• Модель и программа расчета процессов тепло- и массообмена при утилизации теплоты высоковлажных газов на теплообменных поверхностях гладкотрубных КТУ с вертикальными и горизонтальными трубками при подаче парогазовой смеси сверху или сбоку.

• Аналитическое решение дифференциального уравнения роста пленки конденсата при конденсации пара из ПГС.

• Результаты численного исследования влияния режимных параметров КТУ на тепловые и массовые потоки на стенку, на толщину пленки конденсата и на температуру поверхности пленки конденсата.

• Карта режимов работы КТУ с указанием областей, в которых необходимо учитывать влияние отсоса вещества из пограничного слоя, Стефанова потока и термического сопротивления пленки конденсата на суммарный тепловой поток, передаваемый от пара к стенке. Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были доложены на национальных и международных конференциях: 9,10 и 11 Международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов. Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. Москва, 2003-2005гг.; Третьей Международной конференции "Проблемы промышленной теплотехники". Киев, 2003 г.; Второй Всероссийской школе-семинаре молодых учёных и специалистов "Энергосбережение - теория и практика". Москва, октябрь, 2004 г.; 15-й Школе-семинаре молодых учёных и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева " Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках".

Публикации. Основные научные положения и выводы изложены в 6 опубликованных работах.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы, состоящего из 60 наименований. Общий объём диссертации составляет 135 страниц.

Основные результаты, полученные в диссертационной работе:

1. Разработана математическая модель и программа расчета процессов тепло- и массообмена при утилизации теплоты высоковлажных газов в трубчатых неоребренных КТУ при конденсации пара из парогазовой смеси на поверхности вертикальных и горизонтальных труб. Качественное отличие настоящей математической модели от аналогичных расчетов процесса конденсации пара из парогазовых смесей других авторов [36,38,48] состоит в том, что для определения термического сопротивления пленки конденсата нами не используются зависимости для конденсации чистых паров, как это делалось ранее. Отказ от использования уравнений, связывающих передаваемый тепловой поток с температурным напором Д/ = /0 — при конденсации чистого пара, обуславливается возрастающей погрешностью вычислений при использовании таких зависимостей для парогазовых смесей с концентрацией пара С < 0,97 кг/кг. Нарастание погрешности связано, прежде всего, с появлением конвективной составляющей теплового потока при увеличении содержания воздуха в смеси, в то время как при конденсации чистого пара и тепловой поток, и толщина пленки конденсата определяются исключительно массовым потоком пара на стенку. В настоящем алгоритме расчета процесса конденсации парогазовых смесей предложено численно решать дифференциальное уравнение роста пленки. Дифференциальное уравнение роста пленки, полученное в результате анализа уравнения движения, включает в себя не только действие силы тяжести, но и силу трения потока газа. Зависимости для определения коэффициентов тепло- и массоотдачи учитывают изменение толщины гидродинамического пограничного слоя вследствие отсоса пара. Введена поправка на поток Стефана.

Адекватность предложенной математической модели подтверждена хорошим соответствием результатов настоящих расчетов и экспериментальных данных [37,50], а также расчетов по моделям [23,24].

2. Предложено аналитическое решение дифференциального уравнения роста пленки конденсата при конденсации пара из ПГС на поверхности вертикальных и горизонтальных труб. Данное решение основано на введении понятия коэффициента влаговыпадения, равного отношению полного теплового потока к конвективному. Для случая конденсации чистого пара со) решение преобразуется в формулу Нуссельта, для случая течения сухого газа->1)уравнение имеет единственное решение: <5 = 0. Границы использования предложенной зависимости могут быть расширены путем введения поправок на Стефанов поток, отсос пара и волнистость пленки конденсата. Также получено аналогичное решение, учитывающее влияние трения потока газа на толщину пленки конденсата которое при использовании выше упомянутых поправок даст возможность оценки толщины пленки конденсата и передаваемых тепловых и массовых потоков во всем диапазоне концентраций пара в ПГС.

3. В результате проведенных численных исследований процесса конденсации определены условия, при которых термическое сопротивление пленки конденсата не оказывает влияния на тепло- и массообмен в КТУ для случая конденсации на вертикальных и горизонтальных трубах при ламинарном и ламинарно-волновом режимах течения пленки конденсата для ламинарного и турбулентного режимов течения парогазовой смеси. Выявление границ влияния термического сопротивления пленки позволяет заметно упростить алгоритм расчета целого ряда аппаратов с выпадением влаги, что имеет большую практическую ценность.

4. Предложена карта режимов работы теплообменных аппаратов конденсационного типа, позволяющая оценить степень влияния таких факторов, как отсос пара, Стефанов поток и термическое сопротивление пленки конденсата на тепло- и массоотдачу. На карте наглядно представлены все возможные режимы работы аппаратов с конденсацией влаги и нанесены границы, разделяющие эти режимы на области, в которых один или несколько из выше перечисленных факторов оказывают заметное влияние на тепломассообмен. Такое отображение влияния различных факторов является принципиально новым и удобно для применения в инженерной практике. Карты режимов могут быть разработаны для различных гидродинамических условий в аппаратах и выпускаться в виде сводных графиков.

5. Для каждой из характерных областей, выделенных на карте режимов, предложены оптимальные по сложности и точности алгоритмы расчета процесса конденсации пара из парогазовых смесей, даны рекомендации по учету тех или иных факторов, влияющих на процесс передачи тепла.

6. Проведена оценка изменения суммарного теплового потока за счет Стефанова потока, отсоса пара и термического сопротивления пленки конденсата для конденсационных утилизаторов, работающих в различных отраслях промышленности: в производстве цементного клинкера, при получении хлора и каустической соды, при сульфатном способе варки целлюлозы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ

Проведен комплекс теоретических исследований процессов тепло- и массобмена при глубокой утилизации теплоты высоковлажных газов в гладкотрубных конденсационных теплоутилизаторах. Проанализированы факторы, влияющие на тепловые и массовые потоки при конденсации из парогазовых смесей в широком диапазоне влагосодержаний и температур поверхности теплообмена. Определены условия, при которых термическое сопротивление пленки конденсата не оказывает существенного влияния на суммарный коэффициент теплопередачи.

1. Промышленная теплоэнергетика и теплотехника/ Под ред. В. А. Григорьева, В.М. Зорина. -М.: Энергоатомиздат, 1991. 588 с.

2. Теплотехника/ Под ред. А.П. Бакластова. -М.: Энергоатомиздат, 1991. 224 с.

3. Вольфберг Д.Б., Макаров A.A. Рациональное использование и экономия топливно-энергетический ресурсов// Современные проблемы энергетики/ Под ред. Д.Г. Жимерина. -М.: Энергоатомиздат, 1984.

4. Доброхотов В.И., Вольфберг Д.Б. Основные направления энергосберегающей политики на ближайшую перспективу// Изв.вузов. Сер. Энергетика. 1985. - №б. С. 3-7.

5. Эффективное использование электроэнергии / Под ред. К. Смита: Пер. с англ. под ред. Д.Б. Вольфберга. -М.: Энергоиздат. 1981. - 400 с.

6. Гомон В.И., Пресич Г.А., Навродская P.A. Утилизация вторичных энергоресурсов в отопительных котельных // Теплоэнергетика -1990. -№6. -€.22-25.

7. Капишников А.П. Определение коэффициента тепломассоопередачи конденсационного экономайзера// Промышленная энергетика. -1999. -№8. -С.55-58.

8. Кудинов A.A. Глубокое охлаждение продуктов сгорания в конденсационных теплоутилизаторах// Энергосбережение в теплотехнике и теплоснабжении. -1999. -№4. -С.31-34.

9. Кудинов A.A., Антонов В.А., Алексеев Ю.Н. Анализ эффективности применения конденсационного теплоутилизатора за паровым котлом ДЕ-10-14-ГМ // Промышленная энергетика. -1997. -№8. -С.8-10.

10. Кудинов A.A., Авинов В.В. Повышение эффективности работы конденсационных теплоутилизаторов поверхностного типа// Промышленная энергетика. —1999. -№ 7. -С. 165-167.

11. Аронов И.З. Использование тепла уходящих газов в газифицированных котельных. -М.: Энергия, 1967. 191 с.

12. Аронов И.З. Контактный нагрев воды продуктами сгорания природного газа. -Л.: Недра, 1990. 280 с.

13. Бухаркин E.H. Возможности экономии электроэнергии при использовании конденсационных теплоутилизаторов в водогрейных котельных // Промышленная энергетика. -1998. -№ 7. С. 34-37.

14. Бухаркин E.H. К вопросу обеспечения надёжных условий использования экономичных котлов с конденсационными теплоутилизаторами // Теплоэнергетика. -1987. -№ 5. С. 31-34.

15. Кудинов A.A., Калмыков М.В. Котельная установка с комбинированной утилизацией тепла уходящих газов и продувочной воды // Теплоэнергетика. -2000. -№ 1. С. 168-170.

16. Маньковский О.Н., Толчинский А.Р., Александров М.В./ Теплообменная аппаратура химических производств. -JL: «Химия», 1976.

17. Алабовский А.Н. Выпарные аппараты погружного горения. -Киев: Вища школа, 1980.

18. Романова JI.B., Гогонин И.И. Очистка парогазовых выбросов с помощью конденсатора// Теплоэнергетика. -1997. -№7. С.57-61.

19. Очистка и рекуперация промышленных выбросов / Сб. под ред. В.Ф. Максимова, И.В. Вольфа. -М.: Лесная промышленность, 1989.

20. Лендьел П., Морваи Ш. Химия и технология целлюлозно-бумажного производства. -М.: Лесная промышленность, -1989.

21. Соколов Е.Я., Зингер Н.М. Струйные аппараты. -М.: Энергия, 1989.

22. Шкловер Г.Г., Мильман О.О. Исследование и расчет конденсационных устройств паровых турбин. -М.: Энергоатомиздат, 1985. 240 с.

23. Волчков Э.П., Терехов В.В., Терехов В.И. Тепломассообмен в пограничном слое при вынужденном течении влажного воздуха с концентрацией пара на поверхности//Теплофизика и аэромеханика. -2000. -Т. 7. -№2. С. 257-266.

24. Терехов В.И., Терехов В.В., Шаров К.А. Тепло- и массообмен при конденсации водяного пара из влажного воздуха// ИФЖ. -1998. -Т.71. -№5.-С. 788-794.

25. Богословский В.Н., Кокорин О.Я., Петров JI.B. Кондиционирование воздуха и холодоснабжение. М.: Стройиздат, 1985. - 367 с.

26. Исаченко В.П. Теплообмен при конденсации. -М: Энергия, 1977. -240с.

27. Кэйс В.М., Лондон А.Л. Компактные теплообменники.(пер. с англ. под ред. Ю. В. Петровского). М.: Энергия, 1967. - 224 с.

28. Кудинов A.A. Энергосбережение в теплогенерирующих установках. -Ульяновск: УлГТУ, 2000. 148 с.

29. Бобе Л.С., Малышев Д.Д. К расчету конденсации пара при поперечном обтекании труб парогазовой смесью// Теплоэнергетика. -1971. -№12. -С.84-86.

30. Бобе Л.С., Солоухин В.А. Тепло- и массообмен при конденсации пара из парогазовой смеси при турбулентном течении внутри трубы// Теплоэнергетика. -1972. -№9. С. 27-30.

31. Леонтьев А.И. Инженерные методы расчета трения и теплообмена на проницаемой поверхности// Теплоэнергетика. -1972. -№9. -С. 19 — 24.

32. Кутателадзе С.С., Леонтьев А.И. Тепломассообмен и трение в турбулентном пограничном слое. -Н.: Изд. СО АН СССР, 1964.

33. Берман Л.Д. К определению коэффициента массоотдачи при расчете конденсации пара, содержащего примесь воздуха// Теплоэнергетика. -1969.-№10. -С. 68-71.

34. Берман Л.Д. Экспериментальные исследования конденсации пара в присутствии неконденсирующихся газов// Теплоэнергетика. -1957. -№6. -С. 43-50.

35. Берман Л.Д. К обобщению опытных данных по тепло- и массообмену при испарении и конденсации//Теплоэнергетика. -1980. -№4. -С. 8-13.

36. Берман Л.Д., Фукс С.Н. Массообмен в конденсаторах с горизонтальными трубами при содержании в паре воздуха// Теплоэнергетика. -1958. -№8. -С. 66-74.

37. Берман Л.Д. Определение коэффициентов массо- и теплоотдачи при расчете конденсации пара из парогазовой смеси// Теплоэнергетика. -1972. -№11. -С.52-54.

38. Берман Л.Д., Фукс С.Н. Расчет поверхностных теплообменных аппаратов для конденсации пара из паровоздушной смеси// Теплоэнергетика. -1959. -№7. -С.74-83.

39. Оборудование теплообменное АЭС. Расчет тепловой и гидравлический./ РТМ 108.031.05-84.

40. Берман Л.Д., Столяров Б.М. Опытные данные о влиянии потока вещества на тепло- и массообмен при конденсации// Теплоэнергетика, -1957. -№1. -С. 49 52.

41. Heyser A. Chemie-Ing.-Techn. -1956. -№3.

42. Сперроу, Лин. Теплоотдача конденсацией в присутствии неконденсирующегося газа// Теплопередача (русск. перевод J. Heat Transfer -1964, p. 430 - 436), -1964. -№ 3. -С. 160 - 168.

43. Koh J.C.Y., Sparrow E.M., Harnett J.P. The two phase boundary layer in laminar film condensation// Int. J. Heat and Mass Transfer. -1961. -V.2. -pp 69 -82.

44. Chen M.M An analytical Study of Laminar Film Condensation: Part 1 Flat Plates// Trans. ASME. Journal of Heat Transfer. -1961. -V.83. -pp 48 - 54.

45. Mincowycz W.J., Sparrow E.M. Condensation heat transfer in the presence of noncondensables, interfacial resistance, superheating, variable properties and diffusion// Int. J. Heat and Mass Transfer. -1966. -V.9. -pp 1125 1144.

46. Rose J.W. Condensation of a vapour in the presence of a non condensing gas// Int. J. Heat and Mass Transfer. -1968. -V.12. -pp 233 237.

47. Rose J.W. Approximate equations for forced-convection condensation in the presence of non-condensing gas on a flat plate and horizontal tube/ International Journal of Heat and Mass Transfer. -1980. -V23. -pp 539-546.

48. Sparrow E.M., Minkowycz W.J., Saddy M. Forced convection condensation in the presence of non-condensables and interfacial resistence// Int. J. Heat and Mass Transfer. -1967. -V.10. -pp 1829 1835.

49. Mills A.F., Tan C., Chung D.K. Experimental study of condensation from stem air mixture flowing over a horizontal tube: overall condensation rates/ 5th Int. Heat Transfer Conference. - Tokyo, 1974. - Vol. 5. - pp. 20 - 23.

50. Lee W.C., Rose J.W. Forced convection film condensation on a horizontal tube with and without non-condensing gases// International Journal of Heat and Mass Transfer. -1984. -V27. -pp 519-528.

51. Алексеенко C.B., Накоряков B.E., Покусаев Б.Г. Волновое течение пленок жидкости. Новосибирск: ВО Наука, 1992. -256 с.

52. Park S.K., Kim М.Н., YOO K.J. Effects of a wavy interface on steam-air condensation on a vertical surface// Int. J. Multiphase Flow. -1997. -V.23. -№6. -pp 1031-1042.

53. Fujii Т., Uehara H. Laminar fllmwise condensation on a vertical surface// Int. J. Heat and Mass Transfer. -1972. -VI5. -pp 217-233.

54. Fujii Т., Uehara H. Laminar fllmwise condensation of flowing vapour on a horizontal cylinder/ Int. J. Heat and Mass Transfer. -1972.V15.pp 235-246.

55. Fujii T. Theory of laminar film condensation. New York: Springer-Verlag, 1991.-212p.

56. Мак Адаме B.X. Теплопередача. -М.: Металлургиздат, 1961. - 423 с.

57. Кэйс В.М. Конвективный тепло- и массообмен (пер. с англ.). -М.: Энергия, 1972.

58. Гогонин И.И. Теплообмен и гидродинамика при пленочной конденсации пара// Теплофизика и аэромеханика. -1997. -№ 3. -С. 295-305.