автореферат диссертации по кораблестроению, 05.08.05, диссертация на тему:Теплоотдача при конденсации пара на сплошных струях жидкости в конденсаторах смешивающего типа

pro од

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ МОРСКОЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИВАНОВ Валерий Игоревич

УДК 621.175.1

На правах рукописи

ТЕПЛООТДАЧА ПРИ КОНДЕНСАЦИИ ПАРА

НА СПЛОШНЫХ СТРУЯХ ЖИДКОСТИ В КОНДЕНСАТОРАХ СМЕШИВАЮЩЕГО ТИП.А

05.08.05 — судовые энергетические установки_и_их_элегменты-__(главные-и-вспомогательные)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 1993

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

Научней руководитель кандидат технических наук, профессор

ЧИСТЯКОВ В. А.

Научный консультант канд. техн. наук, доцент ВОЛКОВ Д. И. Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Д 053.23.02 по присуждению ученых степеней кандидата технических наук при Государственном морском техническом университете по адресу: 190008, Санкт-Петербург, Лоцманская, 3.

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

ДЯДИК А. Н„

кандидат технических наук, начальник сектора СКВ «Турбина» АО «ЛМЗ» •НАЗАРОВ В. В.

Ведущее предприятие АО «Кировский завод». Защита диссертации состоится « 14 »

1993 г.

в часов

на заседании специализированного совета

Автореферат разослан « %% » Сои-у-е.-^ 1993 г.

Ученый секретарь специализированного совета доктор технических наук, профессор

НАРЕЖНЫИ Э. Г.

ОЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Повышение экономичности и надежности энергоустановок является водной научно-технической и народнохозяйственной задачей. ........,..

В современных судовых: 'и стационарных паротурбинных установках (ПТУ) основные агрегаты - парогенераторы, турбины близки к своей максимальной экШойичности;' Существенно повысить экономичность, надежность, уменьшить массо-габаритше характеристики современной ПТУ можно главным образом за счет совершенствования вспомогательного оборудования: конденсаторов, регенеративных подогревателей питательно"! воды и др.

Недостатками применяемых в настоящее время поверхностных конденсаторов, подогревателей питательной воды являются:

- пониженная надежность-из-за частого повреждения трубок в результате коррозии, эрозии, наличия продольных усилий и вибрации, а также дефектов, допущенных при изготовлении и монтаже; - .;* /-

- недогрев основного конденсата до ченпературы насыщения греющего пара вследствие термического сопротивления теплопередачи от пара к охл«5ааго< # воде и ¡тноутствия неконденсирующихся газов;

- загрязнение основного к"-нденептл оксидами металлов, из которых изготовляют трубные <:учки;

- обрастание трубок во вран,-' ^ксплуати'ии, что увеличивает термическое сопротивление теплопередачи;

- высокая стоимость и большая г: оудоемкость изготовления и ремонта. --- ■ " "■""-Всех этих недостатков лишены-- тепл^:Именные "аппараты еда-

шиваювдего типа, где охлаядаюча? вода ке: следственно соприкасается с конденсирующимся паром и сышивгштея с, образующимся конденсатом. В качестве охла>еда}йцеЙ-зсды в этом" случае применяется дистиллят,- предварительно охлажденный забортной водой. К достоинствам смешивающих ?нп"Г)п,?ов следует отнести также их значительно меньшие по сравнению с поверхностными __ конденсаторами массо-габариткые характеристики." ТЗто достигается за счет!

Л отсутствия развитых трубных пучков;

2) большей эффективности теплопередачи от конденсор- .--)-щегося пара к охлаждающей воде.

Широкому использованию смешивающих теплообменник аппаратов препятствует недостаточная изученность происходящих в них сложных.теплогвдравлических и массообменных процессов, а также отсутствие опыта конструирования и эксплуатации подобных.аппаратов.

Охлаждающую воду в конденсатор смешивающего типа, можно подавать в виде сплошных струй, веерообразных пленок или в виде мелкодисперсных капель. Однако, аппараты струйного типа предпочтительнее по сравнению с другими из-за их относительной простоты, низкой стоимости, надежности и устойчивости в работе.

Изучением'гидродинамики струй и процессов тепло- и мас-сообмена при конденсацин пара на струях жидкости занимались многие исследователи. Различные подходы разных авторов к решению задачи о теплообмене струй с конденсирующимся паром приводят к существенно различающимся результатам. Некоторые авторы рассматривают вопросы тепломассообмена без учета распада струи жидкости на определенной длине. Репения задачи, полученные большинством авторов подтверждены опытными данными, как правило, этих же авторов, причем, в достаточно узких диапазонах режимных параметров. Для практически важного случая конденсации пара из парогазовой смеси на сплошной струе жидкости, что характерно для зоны воздухоохладителей конденсаторов смешивающего типа, деаэраторов и др. имеются весьма немногочисленные экспериментальные данные, а достаточно корректное их обобщение пока не удалось сделать.

Исходя из вышеизложенного, настоящая работа была посвящена исследованию актуальной задачи теплообмена при конденсации чистого пара и пара из паровоздушной смеси на сплошной струе жидкости с учетом вопросов устойчивости струи.

Цель работы. Аналитическое исследование теплообмена при конденсации чистого пара и пара из парогазовой смеси на сплошной струе жидкости, втекающей в паровое пространство; экспериментальное исследование конденсации чистого пара и пара из парогазовой смеси на-сплошной струе жидкости при расширенных диапазонах режимных параметров; исследование границ устойчивости струи жидкости в парочой среде; анализ и обобщение результатов экспериментального исследования; анализ влияния на теплообмен различных режимных параметров; выра-

ботка практических рекомендаций для проектирования смешивающих конденсаторов струйного типа.

Научная новизна работы. В диссертационной работе предложен новый подход к обработке опытных данных по теплообмену при конденсации пара на струях охлаждающей жидкости, отличающийся от существующих методов тем, что к обработке и обобщению опытного материала привлекаются только данные, полученные для сплошных участков струй. Это позволяет систематизировать накопленный экспериментальный материал и разграничить две различные задачи - по конденсации пара на сплошной струе и на раздробленной струе жидкости.

На основе проведенных опытов и анализа литературных данных предложен способ определения сплошной части струи жидкости, втекающей в паровое пространство.

Получены ноше экспериментальные данные по конденсации чистого водяного пара и пара из паровоздушной смеси на сплошной струе воды в широких диапазонах режимных параметров и геометрических размеров сопл. При этом охвачен малоисследованный интервал относительных длин цилиндрического сопла 1с/с10 = 4-ь20.

С помощью математической формулировки сопряженной задачи для случая конденсации чистого пара и пара из дзуххомпо-нентной парогазовой смеси на сплошной струе, используя теорию подобия и методы математической статистики предложены дта критериальных уравнения, позволяющие рассчитывать нагрев сплошной струи конденсирующемся паром в аппаратах смешивающего типа.

Практическая ценность работы заключается в возможности использования методики расчета нагрева струи жидкости конденсирующимся паром при проектировании смешивающих конденсаторов струйного типа. .

Реализация работы. Результаты выполненной работы использованы на ПО "Калужский турбинный завод" при проектировании судового струйного охладителя паровоздушной смеси, на ПО "Ленинградский металлический завод" при проектировании смешивающего конденсатора для Мутновской ГеоТХ и в ПО "Кировский завод" при создании экспериментального конденсатора смешивающего типа.

Автор защищает результаты аналитического и экспериментального исследования теплоотдачи при конденсации чистого пара и пара из парогазовой смеси на сплошной струе жидкости.

Апробация работы. Основные материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ЛКИ 1987, 1988 и 1989 гг., на семинаре "Теплофизика и теплоэнергетика" (Ленинград, 1989 г.), на УШ Всесоюзной конференции "Двухфазный поток в энергетических машинах и аппаратах" (Ленинград, 1990 г.).

Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 10 печатных работах.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников из 71 наименования и трех приложений. Объем работы 177 страниц машинописного текста, в том числе 31 рисунок и

5 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы и определена цель исследования.

В первой главе диссертации на основе литературных данных анализируются и обобщаются .теоретические и экспериментальные работы по исследованию теплоотдачи при конденсации пара на сплошной струе жидкости, а также работы по изучению' гидродинамической устойчивости свободной незатопленной струи жцдкости.

К решению задачи о теплоотдаче при' конденсации пара на салопной струе жидкости исследователи подходили в основном по двум различным направления». Сторонники первого направления стремились найти решение, используя известные методы.расчета свободных затопленных струй жидкости, истекающих в пространство, заполненное жидкостью той же плотности. Считалось, что определяющим фактором в теплоотдаче является турбулентная теплопроводность в-пограничном слое смеаения, возникающем на поверхности струи при выпадении конденсата. Это направление в реоеиии задачи представлено в работах Г.Н.Абрамовича и А.П.Проскурякова; С.Д.Духовлинова, В.И.Вишнякова,

К.В.Дементьевой и A.M.Макарова. Для работ этого направления характерно, что в целях максимального упрощения уравнений энергии и движения струи авторы отказались от полной математической формулировки краевой задачи. Так, в уравнении дви-яения не учитывались силы давления, гравитации, а также диссипация механической энергии. Перенос тепла молекулярной теплопроводностью считался пренебрегло малым. Для парового потока вообще не рассмотрены уравнения движения, энергии, неразрывности. Вместо условий сопряжения на границе пар -струя приведены упрощенные граничные условия, з частности не бнло учтена молекулярное трение на границе пар - струя, не учитывалось волнообразование на поверхности струи.

Сторонники второго направления считали, что в струе жвд-кости, вытекающей через отверстие или сопло в паровое пространство с небольшой начальной скоростью под действием силы тяжести, пренебрежимо малы поперечные градиента скорости.Ин-тенсивность теплообмена в струе при конденсации пара обусловлена молекулярной и турбулентной теплопроводностью. Турбулентная теплопроводность определялась по "новой" теории свободной турбулентности Прандтля. Этот путь решения задачи представлен в работах С.С.Кутателадзе и В.М.Боршанского, К.В.Дементьевой и A.M.Макарова, В.П.Исаченко, А.П.Солодова и Ю.З.Самойлозича. Как и в первом случае авторы не сформулировали и соответственно не решали сопряженную задачу, ограничиваясь приближенными решениями уравнений движения и энергии для струи жидкости при задании граничных условий Ш рода. Лри этом не учитывались силы вязкостного трения в струе, не принимались во внимание возмущения, вносише в струю выпадающим конденсатом, пренебрегалось трением на границе пар - струя, не принимались в расчет процессы волнообразования на поверхности струи и отклонения формы струи от строго цилиндрической.

В работах Н. С. Мочало вой, Л.П.Холпанова с соавторами представлено решение задачи о теплоотдаче при конденсации пара на ламинарной и турбулентной струе жидкости с учетом входного участка, на котором происходит стабилизация поля скоростей и температур в предположении наличия в струе поперечного градиента скорости, вызванного молекулярным трением на фазовой границе. В граничных условиях авторы не учитывали перенос количества движения вместе с выпадающим конденсатом. В уравнении энергии не учтена диссипация механической энер-

гии. Процессы, происходящие в паровой фазе, не рассматривались, т.е. задача решалась несопряженная с паровым потоком. Не принималось в расчет волнообразование на поверхности струи.

В работах А.П.Солодова с соавторами построены линейная теория; устойчивости меафазовой границы при наличии фазового превращения, расчетная модель межфазной турбулентности, математическая модель контактной конденсации в двухмерной сопряженной постановке. Автор впервые применительно к задаче прогрева сплошной струи жидкости конденсирующимся паром учел роль волновых возмущений на поверхности раздела фаз, изменение интенсивности турбулентности вдоль струи. Однако использование в.практических расчетах при проектировании теплооб-менных аппаратов смешивающего типа значительных результатов, достигнутых А.П.Солодовым в теоретическом ранении задачи станет возможным, если удастся автоматизировать процесс расчета в виде системы автоматизированного проектирования САПР.

Из обзора теоретических работ следует, что довести поставленную задачу о теплоотдаче при конденсации пара на спяш-ной струе жвдкости до практического результата чисто теоретическим путем удается только ценой очень сильных упрощений в отношении физической природы турбулентности в струе истекающей жидкости, а также за счет искусственно принятых граничных условий. Полученные при этом два предельных решения задачи (в рамках первого и второго направлений) либо плохо согласуются с обширными экспериментальными данными, либо если и согласуются, то только, для выборочных опытов ограниченного круга условий (например, решение Вишнякова В.И., Дементьевой К.В. и Макарова A.M. согласуются только с опытными данными Н.М.Зингера, или решение С.С.Кутателздзе и В.М.Бори-.шанского согласуется только с опытами Захарова A.A. и Черной Р.Г.). Весь остальной обширный арсенал опытных данных (например, данные Ермолова В.Ф. (ЦКТИ), Исаченко В.П. и др. (МЭИ), Шкловера Г.Г. и Родивилина М.Д. (ПО КТЗ), данные СПбГМТУ и др.) не согласуются с теоретическим решением ни в рамках первого, ни в рамках второго направлений.

Общим недостатком экспериментальных работ Н.Г.Морозова, Е.Я'.Соколова, Н.М.Зингера, И.В.Васильева, А.А.Захарова и Р.Г.Черной, В.Ф.Ермолова, И.А.Труба и О.П.Литвина, Г.Г.Шкло-

вера и М.Д.Родивилина является недостаточное внимание авторов к вопросу устойчивости струи жидкости. АЕТорк отмечал::, что струи в их опытах не сохраняли сплошность на всей рабочей длине, но тем не менее обобщали свои экспериментальные данные едкнтгвт уравнениями. В большинстве работ исследователи недостаточно тщательно произзодили измерения температуры нагреваемой струи жидкости по длине при конденсации пара. Температура струй измерялась либо в сборнике конденсата за струями, либо с помощью спал термопары, помещаемого непосредственно в струю жидкости. Оба эти способа ттзпркгоду. так не определяют равпозееиу» температуру з езчении струи. Б ряде случаев влияющие на теплоотдачу числа подобия были получены авторами с помощью метода размерностей, что не может быть признано достаточно строгим.

Отличительной особенностью экспериментальных исследований В.П.Исаченко, А.П.Солодова, Ю.З.Самойловича, С.А.Сотско-ва и Е.В.Якушевой является то, что в опытах были применены цилиндрические сопла с отношением длины сопла к его диаметру более 50. Это делалось с целью получения гидродинамически стабилизированного режима течения жидкости в формируемой егдте после выхода ее из сопла. Естественно, что при этом одновременно обеспечивалась непрерывность струи практически на всем рабочем участке экспериментального конденсатора. При обобщении экспериментов авторы использовали_в качестве определяющего критерия подобия число Стактона . Это предполагает, что известна площадь поверхности контакта пара со стд>~ ей охлаждающей жидкости. Авторы рассчитывали эту площадь как боковую площадь цилицдра с диаметром, равным выходному диаметру сопла. В действительности эта площадь может существенно отличаться от этого значения из-за конусности струи, волнообразования, различных возмущений на поверхности струи, что может привести к значительным ошибкам при обобщении опытных данных.

Проблеме гидродинамической устойчивости свободной неза-топленной струи жидкости посвящено большое число работ, однако до. настоящего времени нет единого представления о механизме разрушения струи. Причинами, вызывающими распад струи на определенных стадиях дробления могут быть турбулентные пульсации, кавитация, капиллярные силы, внешние инерционные силы. Однако в первом"приближении, используя зависимости

А.С.Лыесеского нозео определить бед распада свободно!; ару и еедкостя, истекасцей в ивпсдвлжвкЁ воздух; к оценить длину сяяозшсго участка струн. -

Итак, ни 1еоретпчеокне, ва егспериыентальнае работы по ЕсслздОЕаппд теплоотдачи пря копдепссцка пара иа спяоааой струе вЕдкосга пе лисеяы ряда серьезных недостатков, пзло-аеспых вине"к пс сбобдаят опытны! матерная.

Учитывая все сказанкое, возникает необходимость нового исследования теплоотдачи пря конденссции как чистого пара, таг. в вадного для практики случая конденсации пара кз парогазовой смеси на сплошной струг гидксстн с выявлением причин сдсг.ивзегося положения. По наиену мнению такой причиной является неадекватность условий проведения опытов из-за проис-ходедего распада струй, не учитываемого исследователями.

Во второй главе диссертации выполнена математическая формулировка краевой кадачи отдельно для случая теплоотдачи пр;5 ковденаацкя чистого пара па сплошной струе кидкости (рес.1) к для случая «еплоогаачн при конденсации пара из парогазовой сг:еси на сплошной струе ейдкостй (рис.2).

?Х

Рис.1, фнапческая модель конденсации движущегося чистого пара на сплошной струе кидкости

П( 7

1

Тпо

" '1Чг7, г

Рис.2. Физическая модель конденсации .пара из паровоздушной смзся - на сплошной струе жидкости

-С!Г~/.-1;1рогча задача о теплоотдаче гфк ^онценсрлг.тк Гчэч~ ;~г~егосл п.'Х" "ценного олтго^от ;;а п о в-,: .к л'ос

сп.'.одно*! струг? ости з^лпчлот урпвь- и;.

н;:п, я»р.53Г!1Счосту для ил гСнтактигл^леЛ грзи;,~-

1«с усяоччн длк пара на бесксвтензста. струн ка ере; сопла ч ус.:сетя зспрякекил. 3 ур^знгзнии энергии учтен псиное тепла гстозкцией, теплопроводностл» и дчзстоапи» мехгк/-чзскоЯ энергкк. 3 уравнении движения учтены силы инегаши. гравитгцич, дазлепил к вяакости. И уравнении неразрывности для паровой фазы учтена гягз- " условие сстря-

теяхя учтеи*: ¿озиузе-тя т-китс г» стр\» ¡ри зыпэденик ;со.ч~ деь'сато., ть'деленио 1'епла фазовог-о перехода. Принято, что для поверхности раздела пар - струя отсутствует скольжение и нет скачка температуры.

С помопап теорий гтодебття катс.маткчтек?.я форкуяирезка задачи приведется к безразмерной *<шиси. 3 итоге д.»я средне:: безразмерной -геуасрагуры струи получена з°виси"ость:

Ъ 1с Ь

¿а '

,Пе,Ке(1,Рг,Ргп,Ее,,Еа,

9е ?(

. г> ч«. К —

а>

Для случая кодденсации пара из движущейся двухкомпо-нентной парогазовой смеси на поверхности сплошной струи жидкости в уравнении энергии дополнительно появляется слагаемое, учитывающее перенос тепла концентрационной диффузией, а для определения поля концентраций пара в парогазовой смеси следует добавить уравнение массообмена. В условиях сопряжения также добавлено уравнение сохранения массы, при допущении, что поверхность раздела фаз непроницаема для газа.

Математическая формулировка задачи о теплоотдаче при конденсации пара из парогазовой смеси на сплошной струе жидкости также приведена к безразмерной записи с помощью теории подобия. Окончательно для средней безразмерной температуры струи получена зависимость:

§ = f Ü7' d7' Re' RecM.^c«.PrD, Ее,Ga, (2)

Wjt .peno vCM Леи Cperi '

Таким образом теоретически обоснованно получены перечни определяемых и определяющих чисел подобия для случая конденсации чистого пара и пара из парогазовой смеси на сплошной струе жидкости, строго отражающие специфику изучаемых процессов.

В третьей главе диссертации приведено описание устройства и принципа работы экспериментальной установки, на которой с целью получения новых опытных данных по конденсации чистого водяного пара и пара из паровоздушной смеси на сплошной струе воды при расширенных диапазонах режимных параметров было проведено наше исследование.

"Экспериментальная установка включала модель смешивающего конденсатора (рис.3) и оборудование, обеспечивающее, подвод водяного пара или паровоздушной смеси, а также охлаждающей воды к модели опытного конденсатора, отвод снеси конденсата с охлаждающей водой и отсос паровоздушной смеси. Конденсация происходила на одиночной струе вода, вытекающей через одиночное цилиндрическое сопло сверху вниз. Пар двигался спутно струе воды.

Экспериментальная установка обеспечивала удаление газов из пара и охлаждающей воды, при необходимости подвод к пару воздуха через критическое сопло, измерение температуры пара,

охладцащей воды, конденсата к среднемассовой геетература струи в ее различных сечениях с помошьв передвижного измери-

гедьного устройства "ловуззка*'. Также измерялась расходы охка-Д22?ей воды, пара, конденсата и вакуулзгричео^со давление в

«одели смешивающего конденсатора. „

С

Р-ГЙ-З-Ц

Л' 'Лг&п

<3 <з

I] <ь

1С!)

Рис.3. Модель смешивающего конденсатора

:'лл измерения среднемассозои температуры струи по длине .-'лук использозалссь подвижнее измерительное устройство -¿.набатная "лорушка", оснащенное термопарой. При атом исхлю----ался замер температуры заторможенного потока, и кроме того спай термопары защищался от теплового воздействия паровой гфедл.

Охлаждающая вода подводилась к цилиндрическому соплу самотеком из напорного бака на одних режимах, либо под напо-;.><*ч. создаваемым центробежным насосон, на других режимах.

Го^км образом .охспариментальная установка позволила провести исследование в широких диапазонах режимных параметров, для случая конденсации чистого пара на сплошной струе "сди:

- абсолютное давление в рабочей зоне экспериментального конденсатора Р = 0,0062+0,0756 МПа;

- начальная температура струи воды 10 = 12,5*32,5°С;

- начальная скорость струи воды \У0 = 1,06+23,8 м/с;

- начальная скорость парового потока \л/п = 1,364-37,5 и/с;

- диаметр цилиндрических сопл с!0 = 2*10 мм;

I2

- относительная длина цилиндрических сопл lc/d0 ■=

- длина струи L = КНЗДО ш.

' ¿zr случая когдепсгщЕЯ пара es паровоадуапой смеси на склонной струе веды:

- сбоолзтйое давление паревогдувноЁ сыссп в рабочей зоне окопсраысзтальпого конденсатора р с 0,0S94-»0,0844 МПа;

- канальная тешература струн воды to * 16,СИ25,1°С;

- тскзература насыщенного пара tn = 6I,Ot89',3°C;

- начальная скорость струи веды W0 » Э,37ч9,12 и/с;

- пвчыхзвя скорсеть ппрововдусного потока №'„ 1,55-}8,47 и/с;

- огпосктзяьаая иагсовая концентрация воздуха б паровоздупьо екзеи па входе в конденсатор fT!ro = 0,00226-Ю,357;

- дваагетр цилиндрических сопл do = 2*10 ма;

- длина струи Ь = 10*400 ias;

-относительная длина циллндрлчесхих аопл bc/d0 - 4+20.

В четвертой главе дасеертсдив выполнены анализ, сопоставление н обобщение вхсперЕмепталышх данных СПбГМТУ.

Используя методику, предлозепную А.С.Лышевскии вами был выполнен расчет устойчивости струй води в экспериментах СПбГМТУ. Определялся тнп распада к длина сплошного участка струи. Оказалось, что в соответствия с расчетом в опытах СПбГМТУ практически на всех реажкех струи воды на рабочее участке доданы были с охранять-своз сплошность п не распадаться. Однако, визуальные пабдвдення свидетельствовали о разрупенпв стру£ на определенной длнЕе. Такое расхождение расчетных и опытных данных иозно объяснить теи, что методика А.С.Лыпевсього относится к струяа, кстекаьцгшв воздуаное пространство и, следовательно, не учитывает возмуцегшй, возникавших ns-эа выпадения конденсата на поверхности струн.Даль-це£сай анализ ж расчеты позволила установить, что в опытах СПбГЙТУ начииая с определенного сечения струн ' происходило аномальное нелкнеИное увеличение плоцади контакта струе еид-ксоти и пера, о чем свидетельствовал нздоы на-ионотовно2"эа-впсниости приведенного чкела Стантонв от относительной длины струи. Такое резкое увеличение плоцади боковой поверхности струи еедкости мозет быть вызвано только карупением сплошности струп, началом дробления струи на капли. Следовательно, по эхетреиуиу на функциональной зависимости 5t'; =

ОшпкдЗг струи водц. втеккзтзпе в п&пог.па пиплттилФпо пл^яя»-

----- - , ^ Ц - ,М."-<>

1,с/с5 0 = 5 были раздробленшгии на всей кссяедовйшой длпие,

_____м | /_| ГА . »-Л * 1 ' ' *

(_______ - . — и — и шш ^ШШ ищил = ч; В* МММ и /иЛ Я

3-1С. По 1 > 11 г ч; и г* V- -'' I! хрИЕЗЯ

уости сплсгэюго участка струи от отношения Ъс/с! 0 (рис.4).

80 70 60 50

&)

*ао'смод

[

! ! / / !

--.—-'— / _ —;— 1 \ _ ____

с 3 :с * 15 18 20 22

.••. = осорао1.'ер;гои длины спвоеиого

•*:•••: г«а -Т'о'-Г;! воин, клещей э паровоз пространство от относительной длины сопла по опыт-

СПбгач''

спараметр Ц*/Со наиболее сильно влияем ¡а устойчивость струп жидкости, Еытекащей з паровое пространство тторег! цилиндрическое сопло.

пя<т л»». —тс7Г-г, --ра не. еп.шмоП с-гр'/з

- •■• гос":. '.и"; по;:?.'.!-^: алалга экспериментального тат^иала, /, яолучейная ма рассмотрения математической 'сс^л'^фуо::'' задачи, ро*к» 6>.<ть упрезена следуюгглч образен;

О

(3)

Опытные данные СПбГШУ по конденсации чистого пара на сплошной струе жидкости после выбраковки экспериментальных точек, относящихся к раздробленным участкам струи, а также тех режимов,. на которых не выполнялся тепловой баланс, были обработаны в соответствии с числа»! подобия, входящими в уравнение подобия (3). С цельо получения обобщающего уравнения был шполнен многофакторный дисперсаонно-регрессыоганй анализ. Коэффициенты уравнения регрессии вычислялись с помощью метода наименьших квадратов. Автоматически отсеивались несущественные факторы, входящие в уравнение подобия (3). В результате дисперсионно-регрессионного анализа получено следующее критериальное уравнение:

Результаты обобщения графически представлены на рис.5. 2

ю" 8

6

б*« х-1 -2

т чм

Сел» Л 0

ох лз

<*> О < г

<м

' « /

/ 4 8расч

8 Он 2 3 4 6 « 100 2

Рис.5. Обобщение опытных данных СПбГШУ для случая конденсации чистого пара на сплошной струе жидкости: I - опытные данные СПбГШУ (<*0 = 2 мм); 2 -опытные данные СПбГШУ (с10 = 4 мм); 3 - опытные данные СПбГМТУ (с)0 - 6 ым); 4 - »линия соответствует расчету по обобщающему уравнению (4)

Среднеквадратическая ошибка оценки по уравнёнию регрессии (4)

равна 0,075. Средняя ошибка аппроксимации 19,0%. Уравнение(4) справедливо для следующих диапазонов безразмерных переменных:

4- = 5-г70 ; -^-=6,67 4-20; Ве = (2,444-8,56)-10« ; а0 а0

К = 8,12 -г 15,4 ; ЕС =(1,56 4-33,1)НО""; ^ -1,0-г7,0г.

Согласно выполненному дисперсионно-регрессионноцу анализу размерные резплгые параметры влияют следуп™з образом на нагрев сплошной струи зидкости ковденсирущиися чистый паром той же жидкости Д'Еъ = "Е

Л,.-Iм"; л!,-и0~0-21; ЛЬ~<Г0"1 (5)

Из рассмотрения теплового баланса сплошной струи жидкости при конденсации пара .следует, что коэффициент теплоотдачи от конденсирующего пара к струе жидкости с4~(\п/0с10,д1:1>У1..

С учетом зависимости (5) получаем, что

, . 0,79 - ,-0,1 - ,-0,563 - 1,16

с* ~ ; « ~с!0 ' : «.-Ъ ^-Т/п1 .

Отсюда следует, что при проектировании сиепявалщих теп-лообменных аппаратов струйного типа для интенсификации теплообмена необходимо выбирать высокие скорости струй яндкости и парового потока, малые диаметры сопл и малые длины струй иидкости.

Анализ экспериментальных данных СПбГМТУ по конденсации

пара из паровоздушной смеси на сплошной струе жидкости показал, что зависимость (2), полученная из рассмотрения матема-. тической формулировки краевой задачи может быть упрощена:

9 (6)

Опытные данные СПбГМТУ по конденсации пара из паровоздушной смеси на сплошной струе воды после выбраковки экспериментальных точек, относящихся к раздробленным участкам струи, а также тех режимов, на которых не выполнялся тепловой баланс, были обработаны в соответствии с числами подобия, входящими в уравнение подобия (б). С целью получения обобщающего уравнения также был выполнен многофакторный ди-

сперсионно-регрессионный анализ с автоматическим отсевом несущественных факторов. В результате получено следующее критериальное уравнение:

е = 3°40,556Рр"3'"тг~0,35 - (7)

Результаты обобщения графически представлены на рис.6. 3

ю' 8 6

А 3

10

0ÍKOI -х-2 О И; • •

-3 s о У * » ж Xх X*

ъ* X £ • X к

я*

iT» 1

• / ■

• / о

У • о В, юсч

Г2 2 3 4 5 t 1 0м 2 3 4

Рис.6. Обобщение опытных данных СПбГМТУ для случая конденсации паровоздушной смеси на сплошной струе явдкости: I - линия соответствует расчету по обобщающему уравнению; 2 - опытные данные (а0= 2 мм); 3 - опытные данные ( d0= 4 мм); 4 - опытные данные ( d0 = 6 мм)

Среднеквадратическая ошибка оценки по уравнению регрессии (7) равна 0,035. Средняя ошибка аппроксимации 32,1?. Уравнение (7) получено для следующих диапазонов безразмерных переменных:

I

do

■5-f 70; ^-=6,674-20.0; Re =(1.62 10*;

а0

Рг= 6,51*7,45; тго = 0,00226 т0,215.

Согласно выполненному дисперсионно-регрессионному анализу размерные режимные параметры влияют следующим образом на нагрев сплошной струи жидкости конденсирующимся паром из

паровоздушной смеси

1 1 0,84 , ,-0,556 - 1-1.1 7 -0,35 ...

ьЬь~Ъ ; л;Л1Ъ~С10 ;л\~тг0 . (8)

.На коэффициент теплоотдачи си при конденсации пара из паровоздушной смеси на струе явдкости резинные параметры будут влиять следующим образом, с учетом теплового баланса струи:

¿1 ~ VI™ ; а ~ «Г0М; « ~ ; « ~ т^33 .

Таким образом рекомендации по проектированию зоны воздухоохладителя смешивающего струйного тепдообыенного аппарата такие яе, что и для зоны конденсации. С ростом \*/0,с1о увеличивается количество эаектируемого струей воздуха. С увеличением Ъ уменьшается удельная концентрация воздуха в смеси, приходящаяся на единицу длины струи. Этим объясняется изменение в степенях влияния режимных факторов \*/0, с! 0 ,1» на интенсивность теплоотдачи, по сравнению с чистим паром. Следует отметить относительно слабое отрицательное воздействие на теплоотдачу массовой концентрации воздуха в паровоздушной смеси по сравнению с поверхностными кондеисаторапи. Это является важным характерным достоинством смешива»:?« теплообменник аппаратов.

Таблицы результатов проведенных опытов по конденсации чистого пара и пара из паровоздушной снеси на сплошной одиночной струе воды приведены в приложении I диссертации.

5 приложениях 2, 3 представлены распечатки результатов дисперсионно-регрессионного анализа.

основные швода

I. Смешивающие конденсаторы и подогреватели питательной воды обладают рядом достоинств: они экономичнее, надежнее в эксплуатации, имею? меньшие 12ЮС0-габаритные характеристики, не требуют для изготовления дорогостоящих цветных металлов или нержавеющих сталей. Сиезиваюцае конденсаторы стационарных установок могут работать по замкнутому циклу с сухой градирней, охлаадаемой воздухом. Судовые смешивающие конденсаторы могут охлаждаться промежуточным контуром, отдающим

тепло в забортном теплообменнике при самопротоке . забортной вода.

2. Существующие методы теплового расчета смешивающих аппаратов неудовлетворительны. Даже помещенные в нормативные документы расчетные зависимости не согласуются с имеющимися опытными данными по конденсации пара на струях жидкости. Сшт-ные данные различных авторов не согласуются друг с другом и не обобщаются экспериментальными зависимостями других авторов.

Теоретические решения из-за разных подходов к турбулентной теплопроводности в струе жидкости приводят авторов к двум предельным случаям теплообмена: либо к очень высоким значениям коэффициента теплоотдачи при конденсации пара на струе жидкости в решении Г.Н. Абрамовича и А.П.Проскурякова, либо к очень низким, приближающимся при малых скоростях истечения кцдкост'и из отверстия или сопла, к обычным, достигаемым при пленочной конденсации движущегося пара на твердых охлаждаемых поверхностях в решении С.С.Кутателадзе и В.Ы.Бо-ришанского.

3. Из-за неопределенности результатов теоретических решений задачи теплообмена при конденсации пара на струе жидкости, принято решение произвести на основе теории теплового подобия тщательную формулировку сопряженной задачи теплообмена при конденсации пара на сплошной струе жидкости, втекающей в паровое пространство, отдельно для случая конденсации на ней чистого насыщенного пара и пара, содержащего примесь неконденсирующегося газа. В такой постановке был .получен перечень определяемых и определяющих"критериев, отражающий специфику сопряженной задачи.

4. Была изготовлена опытная установка и. проведено обширное экспериментальное исследование теплообмена для случая конденсации практически чистого насыщенного пара и пара, содержащего воздух, на струе воды, вытекающей из цилиндрических сопл, в широком диапазоне режимных параметров, характерном для конденсаторов и подогревателей. Впервые охвачен диапазон относительных длин сопл, равный \,с/60 = 4 + 20.

. Анализ подученных /экспериментальных данных позволил установить границы устойчивости (сплошности) струй жидкости при истечении их в паровое пространство. Рассмотрение вопроса устойчивости струи жидкости в паровом пространстве, опре-

деление в каждом конкретном случае типа распада струи и длины сплошного участка струи позволяет систематизировать накопленные опытные данные с целью решения двух различных задач: о теплоотдаче при конденсации пара на сплошной струе жидкости и теплоотдачи при конденсатши пара на раздробленной (диспергированной) струе жидкости.

По результатам опытов построены графики зависимости сплошной части струи жидкости, вытекающей в паровое пространство, от скорости истечения струи жидкости и относительной ДЛПГДГ СОПЛ".

5. Произведено обобщение полученных апторск спттггтхданных для конденсации пара на сплошной струе жидкости с помощью методов математической статистики в виде многофакторного дисперсионно-регресионного анализа. В результате получены два обобщающих критериальных уравнения для нагрева струи отдельно для случая конденсации чистого пара на сплошной струе жидкости и для случая конденсации пара из парогазовой смеси на сплошной струе.

В качестве функции отклика в этих уравнениях взят безразмерный нагрев струи 8. Использование этой величины г качестве определяемого критерия подобия представляется бол;" физичшм и обоснованным по сравнению с использованием для •.>:•••-го числа Стантона 31 или числа Нуссельта Мы ввиду неизбежной конусности струи, волнообразований и возмущений на -? поверхности и неопределенности площади последней при контакте струи жидкости с конденсирующимся на ней паром.

6. На основе анализа предложенных расчетных зависимостей для 0 с учетом теплового баланса струи можно регст:-:т." -зать при проект!грозании смешивающих теплообмекных аппар' : з струйного типа для 'интенсификации теплообмена выбирать высокие скорости струй жидкости и пара, малые диаметры сопл и малые длины струй жидкости.

Для формирования устойчивых сплошных струй жидкости обходимо учитывать зависимость длины сплошного участка струи

«т /чт^^^.гт^ ..„»г,».. л»« УСТТОВНМе Обп " ОТ1и>1-"!1 СТ *

9 = "Ь0) / С'ЬП - 10) - средняя безразмерная температура струи; - начальная температура струи; Ьп - температура

пара; Ъ длина сплошной' струи жидкости; с10 - диаметр цилиндрического сопла; Ъс - длина проточной части сопла; Ь -

параметр шероховатости проточной части сопла; Пе = \л(0с10/.» -число Рейнольдса; Рг - число Прандтля; Ргп - диффузионное число Прандтля; Ее = №0г/(срж (гп -"Ь0 )) - число Эккерта;

Оа - число Галилея; Ог „ - число Грасгофа пара; \л/е -число Вебера; К = г/(сржС1п-10)) - число фазового перехода; \д/0, V/л - начальная скорость соответственно струи жидкости и пара; 0 - кинематическая вязкость; срж - удельная изобарная теплоемкость жидкости; г - удельная теплота парообразования; глго- относительная массовая концентрация газа в парогазовой смеси вдали от поверхности раздела фаз; Л -теплопроводность; р - плотность.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Совершенствование методики проектирования судовых конденсационных установок на основе исследования теплообмена при конденсации и оптимизации параметров энергетического оборудования: Отчет о НИР (промежуточ.)/ЛКИ. Руководитель Чистяков В.А. Инв.Я 0288.002986. Шифр Х-97. Л., 1987.

2. Совершенствование методики проектирования судовых конденсационных установок на основе исследования теплообмена при конденсации и оптимизации параметров энергетического оборудования: Отчет о НИР (заключит.)/ЛКИ; Руководитель Чистяков В.А. Инв.Ф 0289.0008377. Шифр Х-97. Л., 1988.

3. Разработка методики комплексного проектирования судовой конденсационной установки на основе физического моделирования теплообмена при конденсации и математического моделирования работы судовой конденсационной установки в составе энергетического комплекса: Отчет о НИР (промежуточ.)/ ЛКИ; Руководитель Чистяков В.А. Инв.№ 0290.0031276.Шифр Х-388. Л., 1989.

4. Расчетное и экспериментальное исследование теплообмена при конденсации пара на струях охлаждающей воды при высоком массовом содержании в паре неконденсируемых газов в пределах 1*5/5: Отчет о НИР (заключит. )/ЛЮ'; Руководитель Чистяков В.А. Инв.№ 02.90.0033107. Шифр Х-347. Л., 1950.

5. Разработка методики комплексного проектирования судовой конденсационной установки на основе физического моделирования теплообмена при конденсации и математического моделирования работы судовой конденсационной установки- в со-

стазе *оги аасгол! С?"?;? с НИР (•^««»»»готпц. ) /

ЯКИ; Ру:;сЧп»якоз З.Л. У-2 55- ..

5. меточшги комплексного просятирооаьял

-.;)<-, Л JÎO:: '^ ^: ■ - уОг:' Û'-'C-B'IS КГ! 'л ' "О-1 Л """

липования теплоииыепа дри / :

ЖИ; Руководитель Чистяков В.А. Шифр X-3S8. Л., 1991.

7. .". »'•«"» n.Vi.. »outv,,..: С.".,

Теплоотдача при коидснсацкк пара м»

газдкости//Совераенствование методов преобразования энергии в ОЗУ: Сб.кауч.тр./ЖК. Л., 1987,

8. Волков Д.И., Иванов В.И.» Чистяков В.А. Теплообмен при конденсации пара на струе Еидкости//Тсплообмен в двухфазном потоке: Тр.ЦКТИ. Л., 1988. Вып.241.

9. Иванов В.И., Волков Д.И. Теплоотдача при ховденсации ГГ"а*1. ~~7Г-~~ Г. ^Г,^. ПС, СПЛСИГНОЙ CTT>ve

п«нд«ьсчции пара ;:а ox^v'v^ot.'jÎ zr;zr -

^cccoi'GM зо^орг.якич ь П-л н'сиопдснс'ТГ'У'.:^' '-"у

! поте:: з знергеткчесш-х мзггвиг и snnatmsx: хез. •pops

Л., 1990.

Tim "ТУ. с tw.-r, ол