автореферат диссертации по энергетике, 05.14.05, диссертация на тему:Стабилизация теплообмена в пленочных процессах

- пд

2 7 ОКТ 1998 На правах рукописи

ППРОГОВА Ольга Юрьевна

СТЛЬИЛН1ЛЦИЯ Т Е11Л ООБМ ЕЯ Л й ПЛЕНОЧНЫХ ПРОЦЕССАХ

О.У 14.05 - Теоретические основы теплотехники

А пгореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Томск 1998

Рибога выполнена в Томском нолшсхннчсском yiiiuicpoucic

Научный руководитель: Доктор технических наук.

профессор Л.Р. Дорохов.

Официальные оппоненты: Доктор технических наук.

профессор П.Т.Псфнк:

Канлмдаг фишко-м.пематческих наук

A.M. Шиляев.

Ведущая организация: ОАО "Новосибирск!!!!НХИММА1II"

Защита состоится " IV " «у.у.ул' /___1998 I. к " /Г " часов

" СС " мину! на заседании дисссрктионнот С(>ве1а К063.80.06 при Томском политехническом упмперептен' по адресу: 634034. Томск-34.пр. Ленина. 30.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Томского политехнического университета

Автореферат разослан tC-U-rt/JliГ//% |998 г.

Ученый ceKpeiapb

диссертационного совета,

канд. ie»i. наук Заворин A.C. /. ') "

ОЫЦЛЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РА1ЮТЫ"

Акчуалышетт. к'мы. На современном пане рашншя техники научные и праыические проблемы дти промышленное!и н целом и для лнер1С1нки в 'шпиосш заключаю к'я н ^кономмн добываемых тнергоресурсов, а также в нахождении методов и ктможиостей уптчиинцш иторичних Л1ер|ешческих ресурсов (ЮР). Важный для сор,ременной энергетики 5ШЛЯС1СН применении абсорбционных 1еплоиы,х преобраювшелен, в рабою ьоюрмх процессы абсорбции и десорбции траки основную роль. Ишерес к 1аким абсорбционным снегемам ешпан с их способностью |1сао:)1.н11<!11ь бросонос Iсило различных технологически* процессов, а ыкжс к'пло сетеетвенных неточниьон с невысоком температурой, чем досы1 ,кчс!1 .'иачик-.и.иое шер| осГ«фс:кение. В абсорбционной холодильной ю.чнике исиодыуется широкая гамма рабочих веществ. однако в установках болииоп единичной ХОЛОДОНРОН №ОДИ I счьнос» и неполыуюгея п основном

водные рас 1 воры бромиетою .пиля, Мелодики расчетов х!емснтои ДЬХМ

*

основаны на винолисит тх и 70-х ¡одах 1соретнческмх и зкенеримежальных нсслодоманнял, которые достаточно полно оп)б;шк-ов;шы а научной ни¡ераIуре.. Имеете с !ем, до настяшего времени не вполне выясненными ¡а'лион 1 мин;;,ни адеьианю! о илюетанлення Н'ории и ткснернмента, моделировании процессов совместного тснло-мдссонереиоса а пучках труб с учеюм процессов. происходящих а пространстве между трубами, а также нсследонанин параметров, влияющих на стабилизацию теплообмена с пеаыо повышение ючноети расчетных .методик тепдомассообменных ашыракш к-рш> 1 раасформ.иорои, поскольку пи аппараты работают при малых |емиер;иурных напорах н, как следствие, имеют большую меыллоемкосп,.

Цель работы. Основной целью настоящей работы является:

1. Изучение теплообмена в стекающей по вертикальной поверхности пленки жидкости и определение коэффициентов теплоотдачи на стенке и на поверхности пленки в зависимости от способа задания температурного напора.

2. Исследование процесса стабилизации теплообмена при пленочном течгиии жидкости в условиях ее вынужденного течения пол воздействием движущегося потока газа.

3. Обобщение экспериментальных данных по теплообмену при течении двухфазного потока жидкости в канале и при расположении горизонтальных труб в пенном слое.

4. Предложен метод расчета процесса адиабатной абсорбции на каплях, струях и пленках.

5. Создан алгоритм расчета абсорбера ЛБХМ и определены г/арамстрь/. оказывающие влияние на стабилизацию теплообмена в горизонтальном трубном пучке.

Научная новизна.

1. Впервые разработана методика расчета изменения температуры жидкости при еесгекашш струей в межтрубном пространстве горизонтального пучка Труб.

2. Разработана методика расчета теплообмена в пленочном абсорбере с горизонтальным пучком труб с учетом теплообмена, происходящего на струях в пространстве между трубами, а также исследованы в широком диапазоне параметры, оказывающие влияние на теплообмен.

3. Провешено численное исследование теплоотдачи при гравитационном и вынужденном течении пленки жидкости и определены условия применимости известных аналитических зависимостей. Показана невозможность использования понятия эффективного коэффициента

теплооздачп и угюииях совместного тепломассопереноеу на начальном участке

4, Получены обобщенные зависимости дня расчета теплообмена к поверхности, р icno;i;¡[аемой в пенном слое, и при течении двухфазного потоки в канале.

Практическая ценность.

1. Разработанный алгоритм н программа численного расчета ш-шмоленоиич днга.уин'тогч потока raía и п:генки жидкости позволяют проводин, расчет тамообмеиа о учетом реальной длнны поверхности гешкмбмеи», » том чт: te с учетом начального теплимого участка, что нрежгаичясчся »алш м при анаши«: процессов на поверхностях небольшой протяженности, например, при расположении цилиндров и пенном слое.

2. Предложен меюд расчета изменения концентрации водного раствора бромистого лнгия в адиабатическом: струйном абсорбере при абсорбции иодяиого пара," определены уел опия сопоставления дашедх по изменению KOHueinpaumi pací ¡sopa бромистого лития в адиабатических струйном и пленочном абсорберах.

3. Предложен метод расчета процесса абсорбции на каплях,.который может бич. исиользомн при практических расчетах.

4. Разработан алгоритм определения параметров, характеризующих процесс абсорбции водяного пара водным раствором бромистого лития в пучке горизонтальных труб, показана принципиальная возможность сущеа пенного увеличения зф4 жтивиости абсорбера из пути оптимального выбора геометрических параметров трубного пучка.

Аиробациа работы. Основные результаты работы докладывались на Научно-техническом семинаре "Энергетика, экология, надежность, безопасность", Томск, 1996 г. IIa международном форуме

"Тепломассообмен - ММФ-96". Минск, 1996 г. На X-научной конференции, посвященной 40 лстию юргинского филиала Томского политехническою университета, Юрга, 1997. На международном симпозиуме "Физика теплонереноса при кипении и конденсации", Москва, 1997. На Всероссийской конференции "Фундаментальные и прикладные проблемы современной механики", Томск, 1998. На Второй российской национальной конференции, Мо.сква. 1998. На научно-практических конференциях студентов, аспирантов к молодых ученых Томского политехнического университета "Современные техника и технологии", Томск. 1997-199Я гг.

Публикации но теме диссертации составляю ! семь наименований.

Результаты работы.

1. Результаты работы включены в учебные пособия : Л.Р. Дорохов, B.C. Логинов "Теплообмен при испарении и конденсации", Томск, 1998 i.; Г1.Т. Петрик, А.Р. Дорохов "Тепло- и массообмен п пленках жидкости" . Кемерово, 1997. .

2. Результаты работы используются в учебном процессе по курсам: "Математическое моделирование теплоэнергетических систем". "Математическое моделирование тешюмассообмеипых процессов", "Теории тсплофтичсскнх свойств веществ", "" iiiepioicxiinjioi нческос оборудование ТЭС, АЭС и САПР".

3. Результаты работы вошли в отчет "Совместный тен ю- и массоиеренос » элементах теплоутилизационных установок", работы, выполненной п рамках федеральной программы "Тсхннчсскнс уннперенпч ы" пункт 2.2

4. Результаты работы использованы ниучно-исс.чсдовше.тьской проектно-стронтелыюй фирмой "ЭКСО" (г. Кемерово) при рассчек И проектировании системы кондениоиировиння воздуха п производственных помещениях Кемеровского шнол.ч "Хпмиоиокно".

Объем диссертации. Диссертация состоит из списка условных »бозначений, введения, четырех глав, заключения, списка литературы и филожения. Общий объем диссертации составляет 181 страницы текста, в ом числе 58 рисунков и графиков. Список литературы включает 135 шименоеаний.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе рассматривается современное состояние вопроса о отработке конструкций АБХМ и ее отдельных элементов. Практические онструкцнн АБХМ и других термотрансформаторов основаны на спользовашш так называемых тонкопленочных (или оросительных) епломассообменнмх аппаратов. О процессах, когда одновременно роисходит теплообмен и массообмен, принято говорить как о совместном епло- и массопереносе. Исследования совместного тепломассопереноса 'ыли начаты сравнительно недавно. Первые теоретические результаты олучены » середине 70-х годов В.Е. Накоряковым и Н.И. Григорьевой. Эти аботы явились основой для обобщения результатов экспериментальных сследонанпй процесса абсорбции водяного пара водными растворами ромистого лития при его сгеканин по горизонтальным и вертикальным рубам.

Определены основные этапы работ по моделированию бсорбццоаных термотрансформаторов. Здесь необходимо отметить ервые работы в этом направлении, выполненные Б.И.Псахнсом, ¡.С. Тимофеевским, А.В.Поповым.

На основе анализа литературных данных формулируются задачи сследопаний.

Во второй главе в численном эксперименте исследуется теплообмен в стекающей по вертикальной поверхности пленке жидкости и определяются коэффициенты теплоотдачи на стенке и на .поверхности пленки в зависимости от способа задания температурного напора. На рис. I. сопоставлены результаты численного определения коэффициента теплоотдачи на стенке с аналитическим решением (I) для расчета коэффициентов теплоотдачи на стенке

при Ке = 30 и различных значениях температуры набегающей жидкости. Как видно, еслй длина х не превышает 0.01 м, между ними имеет место хорошее согласие. При этом начальная температура раствора не влияет на определяемый коэффициент теплоотдачи.

При этом для определенности рассмотрена задача о стекании пленки жидкости по вертикальной стенке длиной которая при малых значениях этой длины с достаточным приближением моделирует реальные процессы при стекании пленки по горизонтальным трубам.

Разработан алгоритм и программа численного расчета, позволяющая проводить расчет теплообмена с учетом реальной длины теплообмеиной поверхности, в том числе с учетом начального теплового участка, что представляется важным при анализе процессов на поверхностях небольшой протяженности. Показано, что с достаточной точностью при расчете теплообмена в пленках жидкости определение теплового потока на стенке и на поверхности пленки можно проводить с использованием закономерностей, полученных для начального теплового участка. При этом температурный напор определяется как разность начальной температуры жидкости и температуры стенки, если рассчитывается тепловой поток на стенке, и, соответственно, как разность термодинамически равновесной

(1)

кмифпурм распчфа я ею начальной температуры*- прн расчете теплового потока на поверхности пленки.

6000 г

♦ Ряд1 " РЯД2 д РядЗ

i

^ 4000 Í га 2000 ;

\

Vi

Л___

Ряд4

—Л

0

0,01 0,02 0,03 Х,м

Рис. i. Соиосганлсинс численною расчета коэффициента теплоотдачи с аналитическим расчетом (ЛТ - Т« - То , Re=30). Ряд 1-3: начальная температура То =28, 32 и 40 °С.

Линия - аналитический расчет.

В численном эксперименте исследован процесс стабилизации i еплообмена при пленочном течении жидкости в условиях ее вынужденного течения под воздействием движущегося потока газа; Результаты расчетов ноказынают, что имеются все основания считать возможным использование пленочных закономерностей при расчете*сложного процесса теплообмена при вынужденном движении двухфазного потока в канале. Было ' также проведено сопоставление численного расчета с формулой Накорякова,

обнаружено удовлетворительное согласие обеих зависимостей для расчета теплообмена на начальном участке рис. 3.

На рис. 2. сопоставление численного расчета с экспериментом проведено в безразмерных координатах

i j

(2)

Ыи

аналогичных использованным при обобщении экспериментальных данных по кондеисацмн движущегося пара, наблюдается их удовлетворительное согласие..

На основе обобщения экспериментальных данных по теплообмену при течении двухфазного потока жидкости в канале н при расположении горизонтальных труб в пенном слое определены основные факторы, влияющие на процесс стабилизации теплообмена в двухфазном потоке. В третьей главе исследуется теплообмен при конденсации и абсорбции пара на струях, стекающих с горизонтального пучка труб конденсатора и абсорбера. По эмпирическим профилям температур при конденсации пара получена теоретическая зависимость дая расчета теплообмена пп свободно падающей струе конденсата, которая при рекомендуемом значении константы турбулентного перемешивания обеспечивает

удовлетворительное согласие с опытными данными.

Гг)

■ ) ■ 8х 16 _. ездн—----сРг

' \ %е„Рг 5

И1'

(4)

Рнс. 2. Соиоетаглени« данных эксперимента с численным расчетом в безразмерных координатах. Лшшя - 'шслетгнАьа расчет; точки - данные эксперимента

1800

1600

1400

,_. 1200

1000

со 800

■а" 600

400

200

■ \ \

V "» -----

■ Г»"«» 1 "в ■

О 0,005 0,01 01015 0,02 0,025 0,03

Рис. 3. Сопоставление тигле', иго го- расчета с расчетом по формуле (2). Лшшя I - расчет по аналитической формуле; я тип 2- численный расчет.

{'одмшршшется одномерная- модель расчета теплообмена при конденсаци»' пара на струе при ее свободном падении в поле силы тяжести. Предложи метод получения среднего значения числа Стеитона для свободн ь . |101дих сгрун, который обеспечивает приемлемую точность расчеч среднемассовой температуры по длине струи.

Па основе допущения о равенст ве температуры на границе разлит фаз и процессе абсорбции термодинамически равновесному зиаченш рассчитывается процесс абсорбции водяного пара водным растноро' бромистого лития при его стекшиш в виде пленок, сгрун или капил' Предложен метод расчета процесса абсорбции на каплях, который можс быть использован при практических расчетах.

В четвертой главе разработана мак-матическая модель расчет,1 процессов совместного тенлоиереноса в пленочном абсорбер! абсорбционного термотрансформатора с горизонтальным пучком труб При стекаани пленки раствора по горизонтальным трубам расчет процесс;! абсорбции разбивается на два этапа. I ¡срыли - расчет тепломассообмена ь пленке раствора на горизонтальной трубе, второй - расчет на стекающих с труб струях в пространстве между трубами. Разработано программное обеспечение расчета абсорбера бромисто-литиевого термотрансформатора, с использованием которого определены поправки к средиелогарифмическму температурному напору. Проведено исследование влияния различных факторов на процесс абсорбции водяного пара водным раствором бромистого лития, В частности, исследовано влияние начальной температуры раствора, расстояние между трубами пучка, плотности орошения на величину коэффициента теплоотдачи и на изменение концентрации раствора на струе н на пленке при ею а екании но пучку труб (Рис.4, 5).

эооо

О 2 4 в в 10

N

Рис. 4.Изменение коэффициента теплоотдачи по глубине пучка при изменении начальной температуры.

0 0,05 . 0.1 0,15 0.2

Рис. 5. Изменение концентрации в зависимости от межтрубного расстояния при 1?е=30, 0=0.05 м (десятирядньш пучок труб).

1- суммарное изменение концентрации; 2- пленочная составляющая; 3- изменение концентрации в струе.

Для тестовых условий результаты расчетов хорошо согласуются с известными экспериментальными данными (Рис.6). Показано, что в аависимости от расстояния между трубами наблюдается максимум изменения концентрации раствора в пределах пучка заданной геометрии. Этот фактор является важным при размещения труб в пучке.

Г,кг/(м с)

Рис. 6. Зависимость концентрации от плотности орошения.

Точки - экспериментачьные данные; линия - расчег. Давление Р=2,66 кПа

ВЫВ0ДЫ

1. На основе численного анализа взаимодействия движущегося потока газа и пленки жидкости проанализированы локальные значения коэффициенты теплоотдачи в процессах с фазовыми переходами на поверхности пленки. Разработанный алгоритм и программа численного расчета позволяют проводить расчет теплообмена с учетом реальной длины поверхности теплообмена, в том числе, с учетом начального теплового участка, что представляется важным при анализе процессов на поверхностях небольшой протяженности, например, при расположении цилиндров в пенном слое. Для сопоставления с экспериментальными данными при расположении цилиндров в барботажном слое проведена

обработка ре >у вы аз ов численного расчета по величине среднего коэффициент теплоотдачи, который определялся интегрированием локальных -значений но длине поверхности. Установлено, что при рекомендуемых п литературе значениях коэффициента сопротивления имеет место удовлетворительное согласие расчета н эксперимента.

2. На основе аналогии процессов конденсации и абсорбции, сопровождаемой значительмм выделением тепла предложен метод расчета изменения концентрации водного раствора бромистого лития в адиабатическом струнном абсорбере при абсорбции водяного пара. Определены условия сопоставления данных по изменению концентрации раствора бромистого лития в адиабатических струйном и пленочном абсорберах. Показано, что при малых числах Рейнольдса пленки эффективность процесса абсорбции в пленочном и струйном абсорберах примерно одинакова. (!ри более высоких числах Рейнольдса пленки более эффективным является процесс абсорбции п струйном абсорбере.

3. Предложен метод расчета процесса абсорбции на каплях, который может быть использован при практических расчетах, например для оценки изменения концентрации водного раствора бромистого лития в прост ранете между трубами горизонтального пучка абсорбера. Рассмотрена простая модель свободного падения капли в гравитационном ноле при отсутствии динамического взаимодействия с окружающих! паром.

•) Рафабокш алгоршм и программа определения параметров, харакгсршующнх процесс абсорбции водяного пара водным раствором бромисюю лпшя в пучке горизонтальных труб. Тестовые результаты расчетом изменения концентрации удовлетворительно согласуются с ишестными 1ксисримс1иальнымн данными. В результате исследования мл клинической модели установлено влияние на изменение концентрации и 1смисра1уры раствора рашитых параметров.

Поыиаиа приищшиалыыя возможность существенного у»ш«чаш> эффективности абсорбера на пугн оптимальною выбора геометрически* шрамегров трубного лучка (диаметра труб и рассюяния между цтубамн) 5. У результате исследования работы абсорбера ЛЬХМ с иомопн.к программы, выполненной в системе обшсшо-пшуалыюи программирования Е>е!]'>1п - "ЛЬ$01Ьсг" получены следующие резуш/пи и: ашошно, 'ио в общем случае увеличение рассгояши- между трубами иучк! нрньодиг 1. шпеишфикацим «-енлообыеиа, чю связан.) с увеличение юшера^рмою напора ьеледавне прогрева ар>и рай вора > ироараисзье между трубами, имеете с тел) «»шелш, что ^фф^ю иитеиенфикавдт имеет ыеезо только ирн достаточно оольшш расстояниях между трубами, на практике не реализуемых; между тепловыми потоками на стенке и на новерхиосги пленки имса место дисбаланс, который предложено характеризовать коэффицигнюл-эффективности абсорбера;

• отличие коэффициента эффективности от единицы объясаяею процессами стабилизации тепломассообмена но глубине пучка; поправка к среднелогарифмическому напору в общем случае зависит 01 исех параметров, характеризующих работу абсорбера, числеииок значение этой поправки может быть получено при использовании даипо{ программы, если известны условия работы абсорбера; - наиболее полное представление о процессе стабилизации даег иналн; коэффициента эффективности абсорбера и поправочного коэффициента ь среднелогарифмическому температурному напору,

ОБОЗНАЧЕНИЯ

г

гг = — - число Фруда пленкк ЦХ

V = »/я - число Прандтля п

Ке — — - число Рсииольдса пленки V

Чео = —--число Рейнольдса струи

V

т

К" —-- критерий фазового превращения Кутателадзе

срЛТ

= /?е Рг • число Пекле для пленки ; - напряжение зрения; а - коэффициент температуропроводности жидкости, 1'7с; к = 9.81 - ускорение свободною паления, м/с2; х~х/Ив-"»езразмерная продольная координата; х - продольная координата в (»правлении течения жпдкосги; р - коэффициент динамической вязкости кндкости, Па с; V - коэффициент кинематической вязкости, м2/с; 1 • соэффициент теплопроподности, Вт/(м К); ( - температура,"С; Т -.•реднемассовая температура жидкости в струе),"С; 8 - толщина пленки кндкости, м: Л1 - температурный напор,"С; ср - теплоемкость жидкости, Цж/(кг К); г - удельная теплота ((арообразования, Дж/кг; е - константа урбулентпого перемешивания; и - температура насыщения.

IH

Оспошюе содержание днсссришни опубликован« в рабошх :

1 Ьурдуков А.П., Дорохов Л.Р., Гори» A.B., Килеева О.К). К обобщеник экспериментальных данных по теплообмену па цилиндре в пенном слое / Теплофизика и аэромеханика, 1997 - Т.4. - Л1> 3. - С. 319 • 323.

2 Курду ко и А.П., Дорохов Л.Р., Килеева О.К). Меюд расчет; горизонтального пленочного абсорбера абсорбционные (ермотрансформаторов II Тез. Докл. Научно-технич. семинара, - Томск.

1996, - С. 79.

S Гогоинн И.И., Дорохов А.Р., Нирогоеа 0.1С). Теплообмен на струях i пространстве между трубами горизонтального пучка кониенсазора I Тепломассообмен - ММФ - 96. - Т. 4, Часть 2. - Минск, 1996. - С. 83 - 87.

4 Дорохов Л.Р., Килеева О.Ю., Двороиенко 1I.B. Моделирование нроцессо) 1еиломассообмена в i орнзоигальноы пучке труб пленочного абсорбера / Вести. КузП'У. - 1998. - As I. - С. 33- 40.

5 Килеева O.IO. Исследование на математической моде.н тенломассонереноса в пленочном абсорбере с горизонтальным пучки». тр)б Н Груды 3-й обл. научи,- нракз. конф. езуденюв, аспиранта t молодых ученых. - Томск, 1997. - С. 39 - 40.

I» 'iaipouoo ¡O.A., Дорохов А.Р., Килеева О.Ю., llhaiuep Д.П., IIItuiiicj Г.И. Стабилизация зеиломассообмена в элемешах leniio aiepi етическои оборудования // Труды Х-научн. коиф., посвященной 40-нетик юр] tnic'KOi'O филиала Томскою полшсхническою универешета. - lOpia

1997. - С. 88-94.

1 Дорохов А.Р., Килеева О.Ю., Ьуфето» U.C. Аднабашческая абсорбции н; струях и пленках водною раствора бромисюго лншя II Теоретически! основы химической технолонш. - 1998. -Т. 32, М> 3. - С. 264- 2<>К.