автореферат диссертации по кораблестроению, 05.08.05, диссертация на тему:Теплоотдача при конденсации водяного пара внутри вертикальных труб судовых теплообменных аппаратов

РГБ ОД

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ МОРСКОЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Г-

ч.ЛМ

1 3 МАЙ 133В чистяков

Дмитрий Вячеславович

УДК 621.175.1

На правах рукописи

ТЕПЛООТДАЧА ПРИ КОНДЕНСАЦИИ ВОДЯНОГО ПАРА ВНУТРИ ВЕРТИКАЛЬНЫХ ТРУБ СУДОВЫХ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ

Специальность 05.08.05 - "Судовые энергетические установки и их элементы (главные и вспомогательные)".

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 1996

Диссертационная работа выполнена на кафедре теплофизических основ судовой энергетики Санкт-Петербургского государственного морского технического университета.

Научный руководитель кандидат технических наук, доцент

Б.В. СУДАРЕВ.

Научный консультант кандидат технических наук, доцент

Д.И. ВОЛКОВ.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

В.Б. ХАБЕНСКИЙ.

кандидат технических наук

О.П. КРЕКТУНОВ.

Ведущая организация - АО "Калужский турбинный завод".

Защита состоится " "14 " ЦУОУЛ^ 1996 г. в 4 Ц часов в актовом зале на заседании специализированного ученого совета Д 053.23.02 по присуждению ученых степеней кандидата технических наук при Санкт-Петербургском государственном морском техническом университете по адресу: 190008, Санкт-Петербург, ул. Лоцманская, 3.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного морского технического университета.

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью, просим присылать в адрес ученого специализированного совета.

Автореферат разослан

»18 ••

^¿Х 1996 г.

Ученый секретарь специализированного совета доктор технических наук, профессор А.Н. ДЯДИК

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

:. Судовые теплообменные аппараты с конден

сацией пара внутри труб относятся к аппаратам нового поколения. Они обладают преимуществами по сравнению с традиционными теплообмен-ными аппаратами, в которых пар конденсируется на наружной поверхности горизонтального пучка труб. В новых аппаратах паровой объем ограничен стенками труб, благодаря чему возникает направленное движение пара, уменьшающее толщину конденсатной пленки и термическое сопротивление передаме теплоты от конденсирующегося пара к стенкам труб. В них отсутствует заливание нижерасположенных труб пучка конденсатом, стекающим с вышерасположенных труб, что существенно повышает их тепловую эффективность. Кроме того, при конденсации пара внутри труб давление греющего пара может быть сколь угодно большим без увеличения толщины стенок, массы корпуса аппарата и без увеличения тепловых потерь в окружающую среду.

Принципиальная возможность создания теплообменных аппаратов с конденсацией греющего пара внутри труб была ранее подтверждена данными Кружилина Г.К., Бойко Л.Д., Миропояьского З.Л., Кректунова О.П. и др. В работах этих авторов по изучению теплообмена при конденсации пара внутри прямых одиночных труб были зарегистрированы коэффициенты теплоотдачи от греющего пара, достигающие 30+40 кВт/(м2-К). Однако проектирование теплообменных аппаратов с конденсацией пара внутри прямых труб требует совершенствования методики теплового и гидравлического расчета. Разработка научных основ такой методики является актуальной практической и научной

исследование локальной теплоотдачи при конденсации движущегося водяного пара внутри одиночной вертикальной трубы в условиях ламинарного режима течения конденсатной пленки и получения аппроксимирую-

задачей.

теоретическое и экспериментальное

щей зависимости, пригодной для инженерных тепловых расчетов аппара тов с вертикальными трубами при подаче пара в трубы сверху и егс полной конденсации в этих трубах.

1. Впервые выполнено теоретическое решение задачи расчета локального теплообмена при конденсации движущегося пара внутри вертикальной трубы в условиях ламинарного течения конденсатной пленки.

2. В решаемой задаче трение на межфазной поверхности, связанное с изменением локальной скорости пара, а также трение, связанное с притоком пара к поверхности конденсатной пленки, вошло в единук комплексную зависимость, учитывающую оба эти явления.

3. В теоретическом решении учтен градиент давления, вызванный оттоков пара из ядра к поверхности пленки.

4. Выполнено экспериментальное исследование и получены новые опытные данные по локальной теплоотдаче при полной конденсации движущегося пара внутри вертикальной трубы.

5. Теоретические и экспериментальные результаты настоящей работы и опытные данные других авторов обобщены однопараметрической зависимостью для инженерных расчетов теплообмена при конденсации движущегося пара внутри прямых вертикальных труб в условиях ламинарного течения конденсатной пленки и полной конденсации пара внутри труб.

Практическая ценность работы. Предложена методика расчета локального теплообмена при конденсации движущегося вертикально вниз насыщенного водяного пара внутри вертикальной трубы в условиях ламинарного течения конденсатной пленки и полной конденсации пара в трубе. Данная методика используется в технических материалах теплового и гидравлического расчета теплообменных аппаратов, разработанных в Санкт-Петербургском государственном морском техническом университете (СПбГМТУ), и применяется при проектировании конденсаторов на ведущих предприятиях соответствующего профиля, например, АО

"Ленинградский металлический завод", АО "Калужский турбинный завод", ПО "Кировский завод".

Апробация работы, Основное содержание диссертации отражено в трех публикациях. Результаты данной работы докладывались на ежегодной научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава СПбГМТУ 3-6 февраля 1993 г., на научно-техническом семинаре по состоянию координации исследований в области создания конденсаторов паротурбинных установок в СПбГМТУ (1993 г.), на Первой Российской национальной конференции по теплообмену (Москва, 1994 г.).

ключения и приложений. Объем работы 174 страницы, 8 том числе 32 рисунка, 8 таблиц и список использованной литературы из 57 наименований.

Во введении показаны актуальность, цель и задачи проведенных теоретических и экспериментальных исследований теплообмена при конденсации водяного пара, движущегося сверху вниз, внутри вертикальных труб теплообменных аппаратов знергетических установок. Раскрыта практическая необходимость создания надежной методики расчета локального теплообмена для уточненного метода теплового и гидравлического расчета конденсаторов при характерном, например, ламинарном течении конденсатной пленки. Показано преимущество такого подхода перед теми методами расчета, которые основаны на определении среднего по длине трубы коэффициента теплоотдачи в условиях смешанного ла-минарно - турбулентного течения конденсатной пленки по длине трубы.

В первой главе приводится обзор теоретических и экспериментальных работ, посвященных исследованиям теплообмена при конденсации движущегося сверху вниз пара внутри вертикальной трубы при ламинарном течении конденсатной пленки. Сформулированы вытекающие из проведенного обзора задачи исследования.

. Диссертация состоит из введения, четырех глав, за

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Из выполненного обзора сделаны следующие выводы:

1. Наиболее изученной является средняя теплоотдача при конденсации движущегося сверху вниз пара внутри вертикальной трубы, главным образом, в турбулентной области течения конденсатной пленки либо при смешанном течении конденсатной пленки: в верхней части трубы -ламинарном, в нижней - турбулентном. В любом случае модель процесса конденсации значительно упрощена и не учитывает принципиальных вопросов, таких как влияние поперечного переноса массы, изменения давления по длине трубы и др.

2. Экспериментальные зависимости для локального теплообмена при полной конденсации пара внутри вертикальной трубы в ламинарной области течения конденсатной пленки (Василенко С.А., Исаченко В.П., Саломзода Ф.) чрезвычайно сложны и неудобны для инженерных расчетов, т.к. требуют предварительного знания неисследованных величин: касательного напряжения на межфазной границе, длин участков трубы с ламинарным течением конденсатной пленки, происходящим только за счет динамического воздействия пара на текущую конденсатную пленку или только за счет силы тяжести и т.п.

3. Результаты единственного, известного из литературы, теоретического исследования локального теплообмена при конденсации движущегося пара внутри вертикальной трубы в ламинарной области течения конденсатной пленки (Мествиришвили Ш.) получены для одного предельного значения коэффициента сопротивления трения при конденсации движущегося пара и без учета градиента давления, вызванного оттоком массы пара к поверхности конденсатной пленки.

Для вертикальной трубы с подачей пара сверху и при ламинарном течении конденсатной пленки теоретических решений задачи расчета локального теплообмена, учитывающих комплексное влияние "сухого" трения и трения, вызванного поперечным потоком массы пара к поверх-, ности конденсатной пленки, а также влияние градиента давления, вызванного оттоком массы пара и последующей его конденсацией, в

литературе не имеется. Поэтому требуются дальнейшие теоретические и экспериментальные исследования локального теплообмена при конденсации движущегося пара внутри вертикальной трубы, выполненные в более точной постановке задачи.

Во второй главе изложено теоретическое решение задачи о локальном теплообмене при конденсации внутри вертикальной трубы насыщенного водяного пара, подаваемого в трубу сверху, и ламинарном режиме течения конденсатной пленки.

Как будет показано ниже, в отличие от теоретического решения Мествиришвили Ш.. решение, выполненное автором данной работы, учитывает ранее указанные факторы.

В настоящей работе задача решалась в следующей постановке (рис.1).

пара в трубе.

В вертикальную трубу с внутренним диаметром с!0 и длиной I. подается сверху вниз насыщенный пар давлением р, который, двигаясь по трубе, полностью в ней конденсируется. На внутренней поверхности трубы образуется симметричная пленка жидкости, стекающая под действием силы трения, силы тяжести и давления.

Скорость пара в трубе V/" = фс), где х - координата по высоте трубы, уменьшается от величины \л/£, соответствующей скорости пара на входе в трубу, до нуля в выходном сечении. Эпюра \«" приведена на рис.1.

Расход образующегося в трубе конденсата возрастает от нуля во входном сечении трубы до величины в выходном сечении, причем йк = О/г, где О - тепловой поток, Вт; г - теплота парообразования, Дж/кг.

Принимается, что конденсатная пленка, толщина которой обозначена 84, течет ламинарно. Толщина ее мала, волнообразование на поверхности считается аналогом абсолютной шероховатости твердой стенки.

Решение выполнялось при следующих допущениях по аналогии с моделью В. Нуссег.ьта:

1. Силы инерции, возникающие в пленке конденсата, пренебрежимо малы по сравнению с силами вязкости, трения и тяжести.

2. Конвективный перенос теплоты в пленке и теплопроводность вдоль нее несущественны по сравнению с теплопроводностью поперек пленки.

3. Температура внешней поверхности пленки конденсата постоянна и равна температуре насыщения при заданном давлении пара во входном сечении трубы.

4. Переохлаждение конденсата не учитывается. Температура конденсата по толщине пленки изменяется линейно.

5. Плотность пара мала по сравнению с плотностью конденсата.

6. Толщина пленки мала по сравнению с внутренним диаметром трубы.

7. Статическое давление изменяется только в осевом направлении.

Система координат и силы, действующие на элемент конденсатной пленки, показаны на рис,2. Из рисунка видно, что конденсатнзя пленка движется в направлении равнодей- I

ствующей сил тяжести д, трения ат |

!

и давления йр. |

Жидкость со скоростью втекает в элементарный объем пленки через грань площадью 1 = я-5х - (с10 - 5Х) и через противоположную грань вытекает. Приращение расхода вытекающей жидкости равно количеству пара, сконденсировавшегося на межфазной поверхности сЗР = л • выделенного объема.

Следовательно,

После подстановки I и с!? получим, что

с] * 71 ■ (с}« — 2 • 5 ^ V сЗх , — , чч

-—^—= Л • <10 -(р' -бх .(¿о -5Х)).

Рис.2. Силы, действующие на элемент конденсатной пленки.

(1)

(2)

олагая р' - сог^ и 5Х « с!0, имеем Ч

dx

(< -5Х).

(3)

р -г

Для скорости оттока пара из ядра парового объема можно записать

\Уст = ч/(|-'Р")- (4)

Уравнение движения конденсатной пленки:

, д2ы[ (др , ^

Граничные условия:

при у = 5Х; М (6)

при у = 0; м/^ = 0.

После двойного интегрирования уравнения (5) по у при указанных граничных условиях (6) для локальной скорости течения жидкости в конденсатной пленке \«' получаем:

Средняя скорость жидкости в сечении трубы, отстоящем на расстоянии х от входа в трубу, равна

= (8) 5Х £ 3-ц' ^х ) 2 • ц

Коэффициент трения на границе пар - пленка в области турбулентного течения пара определяется по уравнению Уоллиса

Г ж 4

4= 1-Ы7,5-Пе"а25--=^|при Не? £2300, (9)

где Пе£ = |р" ■ уу^' -(с!0 -2-5^)^" - число Рейнольдса пара в сечении х;

\«С7.. радиальная скорость пара, обусловленная переносом массы из

парового ядра в конденсатную пленку, м/с; £,0 - коэффициент "сухого" трения пара о пленку конденсата. Коэффициент "сухого" трения определяется по формуле Блази-уса для турбулентного потока пара

=0,31б4/яе;д25. (10)

Касательное напряжение на границе пар - жидкость в ламинарной области течения пара принимается по зависимости Мееровича И.Г. и Зайчика Л.И. для движения жидкости в канале с проницаемыми стенками ^ = 8-\л/ст/\< при Ие" <2300. (11)

Градиент давления по высоте трубы списывается уравнением движения потока переменной массы, полученным в работе Быстрова П.И. и Михайлова В.Г. при исследовании гидродинамики коллекторных тепло-обменных аппаратов. Это уравнение применительно к паровому потоку имеет вид:

р" dx dxLV Н 4 * J 2-(d0-2.5x)

где ß и у - коэффициенты неравномерности потока количества

движения в продольном и радиальном направлении, соответственно,

принимаемые по рекомендации Баджура P.A. и Джоунза Е.Ж. равными

ß = 1,025; у =1,0.

Окончательно для изменения давления по высоте трубы получаем

dp dx

o"-E-w" , ч — dw"

2-dn

dx

(13)

Уравнение неразрывности

%-äl

■4 ___ ^

Отсюда можно записать выражение для средней по сечению скорости жидкости в пленке

p^d^O

4-р'А

(15)

U0-2-5j r-d0-p" х!

Система уравнений, включающая в себя уравнение энергии (3), уравнение движения (8) и уравнение неразрывности (15), составляет формулировку математической модели процесса пленочной конденсации пара в вертикальной трубе.

Используя выражение для линейного изменения скорости пара по высоте трубы в виде

4-д-Ц 1о-Р"

можно существенно упростить решение системы уравнений (3), (8) и (15).

На линейный характер изменения скорости пара при q = const указывают авторы ряда работ по конденсации пара внутри труб.

Локальную толщину пленки конденсата 5Х можно определить е результате решения уравнений (3), (8) и (15):

Зц' Vdx

= p"-(d-2-6x) 4 ■ р' • 5Х

при граничных условиях:

dp , > £-p"-wi' -5 + Р -9 +"

4-ц'

4-q-l

- — w

d-2-5 J r-d-p" x

x = 0; x = L;

5^=0; w" = 0.

(17]

(18)

Решение (17) при граничных условиях (18) производилось при помощи метода Ньютона с использованием персональной ЭВМ. Текст программы расчета представлен в приложении 1 диссертации.

В качестве исходных данных задавались четыре параметра процесса конденсации: давление конденсации р, МПа; тепловой поток q, Вт/м2 ; длина трубы L, м; внутренний диаметр трубы d0, м.

Локальный коэффициент теплоотдачи определяется по выражению

<хх = У/5Х. (19)

Средний коэффициент теплоотдачи находится интегрированием локальных толщин пленки по высоте трубы

'1

а = А.7 |J5X • dx

(20)

На рис. 3 приведено сравнение расчета по предложенной в настоящей работе математической модели с расчетами по моделям Нуссельта для двух случаев: конденсации неподвижного пара на вертикальной

стенке и конденсации пара, движущегося около вертикальной стенки с постоянной скоростью.

250000

225000 200000 175000 150000 125000 100000 75000 50000 25000 0

- расчет по модели Нуссельта для случая конденсации неподвижного пара

- расчет по модели Нуссельта для случая конденсации движущегося пара

- расчет по модели настоящей работы

I ! Nj i i H

! i ! i

Rei

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

Рис. 3. Сравнение результатов расчета по математической модели настоящей работы с расчетами по моделям работы Нуссельта для случаев конденсации на вертикальной поверхности неподвижного пара и движущегося^ постоянной скоростью пара при параметрах конденсации: р=0,1 МПа; q=2-105 Вт/м2; L= 1,5 м; d=0,01 м.

Из рисунка видно, что имеется значительное расхождение численных значений локальных коэффициентов теплоотдачи, в особенности на начальном участке трубы, где наблюдаются высокие скорости пара. Очевидно, что значения ах =f[Re'), рассчитанные по математической

модели настоящей работы, представляют собой промежуточные значения по отношению к крайним значениям коэффициентов теплоотдачи, полученным по моделям Нуссельта для конденсации неподвижного и движущегося пара.

Из рис. 4 следует, что значения средних коэффициентов

#

Ыи т

расчет по

математической модели настоящей работы расчет по модели Нуссельта

0,1

100 200 300 400

500

Ие

теплоотдачи, рассчитанных по настоящей модели, выше, чем по модели Нуссельта, причем расхождение тем больше, чем больше значение числа Рей-

Рис.4. Сравнение средних коэффициентов ! нольдса Яе'. При больших (теплоотдачи при параметрах конденсации ) значениях числа Яе-|р=0,1 МПа; с1=0,01 м; I.—1,5 м. ( значениях числа не на-

<________| блюдается даже рост

значений средних коэффициентов теплоотдачи, рассчитанных по настоящей модели.Эти факты указывают на то, что средние коэффициенты теплооотдачи, рассчитанные по теоретическим моделям, не несут информации о теплофизической "картине конденсации движущегося пара внутри вертикальной трубы, т.к. их значения получаются расчетом без реальных ограничений интенсивности охлаждения трубы, плотности теплового потока и скорости пара на входе в трубу.

Отсюда вытекает важность проведения опытных исследований локального теплообмена при конденсации движущегося пара в трубе. При

этом обработку результатов опытного исследования и сопоставление их с результатами теоретического анализа удобно проводить в координатах ах/ао где а0 - локальный коэффициент теплоотдачи при

конденсации неподвижного пара (в одинаковых с движущимся паром условиях) на вертикальной стенке; Рг" - локальное число Фруда парового потока.

На рис. 5 сравниваются результаты расчета по математической модели настоящей работы (прямая линия) с данными Исаченко В.П. и других авторов. Из рисунка видно, что опытные данные Исаченко В.П. и др. по локальной теплоотдаче хорошо согласуются с результатами расчета.

исследований других авторов.

В третьей главе приводится описание экспериментального стенда, методика проведения экспериментов и обработки опытных данных, а также оценка погрешностей опытов.

Экспериментальное исследование было проведено с целью проверки адекватности разработанной математической модели реальным физическим процессам и получения новых данных по локальной теплоотдаче при конденсации водяного пара внутри вертикальной трубы. Опытный стенд, схема которого приведена на рис. 6, состоит из рабочего участка и обслуживающих его систем: подготовки пара, сбора и охлаждения конденсата, охлаждения рабочего участка и циркуляционной воды. Рабочий участок представляет собой теплообменный аппарат типа "труба в трубе", состоящий из двух соосно расположенных труб. Внутренняя труба - калориметр 1, изготовленная из меди, имеет охлаждаемую длину 400 мм, наружный диаметр 58 мм и внутренний - 8 мм. В ней по высоте

вдоль образующей вблизи внутренней и наружной поверхности запаяно 12 хромель-копелевых термопар. Термопары установлены в шести сечениях по высоте мерного участка с шагом 70 мм. Внешняя труба представляет собой корпус рабочего участка, образующий с внутренней толстостенной трубой кольцевое пространство, заполненное циркулирующей водой.

Рис.6. Схема экспериментального стенда: 1-толстостенная труба-калориметр; 2-участок подготовки пара; 3,5,11-клапаны; 4-конденсатосборник; 6-охладитель конденсата; 7-мерный бак; 8-центробежный насос; 9-водоподогреватель; 10-расходный бак.

При работе стенда сухой насыщенный пар от парогенератора с давлением 0,1*0,2 МПа поступает через клапан 3 во внешнюю камеру се-

паратора 2 и по кольцевому каналу между обечайками сепаратора движется вниз, разворачивается на 180° и во внутреннем пространстве внутреннего стакана направляется вверх, где перед поступлением в патрубок подвода к рабочему участку осуществляется очередной разворот потока на 180°. Во входном участке опытной трубы, находящемся внутри сепаратора, течение адиабатное, т.к. температуры пара и окружающей его среды одинаковы. Поступающий в трубу рабочего участка пар конденсируется на ее поверхности и в виде пленки стекает в сборник конденсата 4, откуда через клапан 5 направляется к охладителю 0 и мерному баку 7.

Циркуляция охлаждающей воды в межтрубном пространстве рабочего участка осуществляется принудительно за счет работы насоса контура охлаждения 8. После охлаждения трубы - калориметра в кольцевой iiu/iut- r и рабочего участка циркуляционная вода собирается в мерном 5аке.

Опыты имели цель изучить влияние тепловой нагрузки на местную теплоотдачу при конденсации пара внутри вертикальной трубы. Эксперименты проводились по классическому плану, согласно которому тепловая нагрузка варьировалась во всем диапазоне исследуемых значений.

Перед началом работы опытная труба продувалась паром в течение 1-5 минут. В дальнейшем, чтобы избежать накапливания воздуха в экспе->иментальном участке, во время опытов.хохранялась-небольшая продувка-iapa в атмосферу. Затем с помощью центробежного насоса 8 циркуляци-жная вода подавалась к потребителям: теплообменникам 6 и 9, и с юмощью парового клапана 11 пар подавался на водоподогреватель 9.

После этого установка выводилась на стационарный режим и в агам состоянии выдерживалась 204-30 минут, а затем производился пгсчет времени и снятие показаний всех контрольно-измерительных риборов. В конце опыта фиксировалось время режима, температура и бьем собранного за режим конденсата, а также температура циркуляци-

онной воды на входе и выходе из межтрубного пространства и объем собранной за режим циркуляционной воды.

Экспериментальная установка была предварительно оттарирована путем сравнения опытных данных для выходного сечения трубы, где по условиям постановки эксперимента скорость пара была близка нулю, с расчетными значениями по теории Нуссельта для случая конденсации неподвижного пара на вертикальной стенке.

Обработка опытных данных заключалась в определении для каждого опыта локальных и средних значений удельного теплового потока и д, коэффициента теплоотдачи ах и с., температурного напора Д1х и АТ . Локальный тепловой поток в опытах рассчитывался по методу "толстостенной трубы", в соответствии с которым локальные коэффициенты теплоотдачи находились через тепловой поток по известным из опытов распределениям температур стенок трубы и пара.

Была проведена оценка суммарной погрешности измерений, а также сопоставление долей, вносимых в общую погрешность отдельными измерениями. Максимальная погрешность измерения локальных коэффициентов теплоотдачи составила 13,6%, что приемлемо для теплофизиче-ских экспериментов,

В четвертой главе приводится сопоставление результатов экспериментального исследования теплоотдачи при конденсации водяного пара внутри вертикальной трубы с результатами теоретического исследования.

Сопоставление локальных коэффициентов теплоотдачи, полученных экспериментально, с результатами теоретического решения проводится в координатах а„/а0 - ^Рг*). гДе ао " локальный коэффициент теплоотдачи при конденсации неподвижного пара (тех же параметров) на вертикальной стенке; РгЦ - локальное число Фруда парового потока.

Величина а0 определялась по выражению

а0 =0,693-Не;"0'293, (21:

учитывающему волнообразование на поверхности пленки.

На рис. 7 представлены результаты сравнения расчетных данных по математической модели настоящей работы с экспериментальными данными для одного из девяти опытных режимов (остальные режимы аналогичны)- Во всех случаях наблюдается хорошее согласование результатов теоретического и экспериментального исследования. Погрешность при этом составляет +15%.

♦ опытные точки — расчетная кривая

Гг.

X

10

100

1000

10000

100000

Рис.7. Сравнение опытных и расчетных данных для режима при параметрах конденсации р=0,1104 МПа; я=5,237-105 Вт/Кти2; с!=0,008 м; 1=0,4 м.

Для практического использования результатов проведенного исследования предложена следующая критериальная зависимость:

а»,

а =

'ап

= 0,8- 1 + (р/,

о,31

•Рг"

(22)

■де п - функция значения числа Рейнольдса конденсатной пленки в

выходном сечении трубы Яе'.

На рис. 8 показана зависимость п = построенная на основе

опытных данных, которая аппроксимируется уравнением

т = 0,0932-(Ре')0Л65.

На рис. 9 опытные данные настоящей работы по средней теплоот-

1аче сопоставлены с зависимостью Нуссельта для неподвижного пара.

1иния, аппроксимирующая опытные точки, будет иметь восходящий

арактер с увеличением числа Рейнольдса Не'.

Таким образом, формула (22) хорошо согласуется как с результатами экспериментального исследования теплоотдачи при конденсации водяного пара внутри вертикальной трубы и результатами теоретического исследования настоящей работы, так и с экспериментальными данными других авторов (сопоставление проведено в главе 2 настоящего реферата). Это свидетельствует о достоверности результатов выполненного исследования и практической пригодности к использованию уравнения (22).

В заключении сформулированы выводы, вытекающие из исследования настоящей работы, и излагаются рекомендации по использованию полученных результатов.

В приложениях приведены таблицы опытных и расчетных данных исследования теплообмена при конденсации насыщенного водяного пара внутри вертикальной трубы при ламинарном режиме течения конденсат-ной пленки, а также тексты компьютерных программ.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Предложена новая методика расчета локальных и средних коэффициентов теплоотдачи от движущегося внутри вертикальной трубы насыщенного водяного пара при полной его конденсации и при ламинарном режиме течения пленки конденсата.

2. Разработана физико-математическая модель процесса теплообмена при конденсации пара внутри вертикальной трубы, учитывающая особенности гидродинамики процесса и массообмена. Теоретическое решение отличается тем, что, в частности, в отличие от известных моделей, учтены следующие факторы:

• вклад импульсной силы в распределение касательных напряжений по высоте трубы;

• влияние оттока массы пара к пленке конденсата на изменение момента, возникающего при конденсации пара.

3. Составлен алгоритм и программа компьютерного расчета локальных и средних значений коэффициентов теплоотдачи при полной конденсации водяного пара внутри вертикальных труб судовых и стационарных теплообменных аппаратов.

4. Выполнен численный анализ влияния различных факторов на интенсивность теплообмена. Установлено, что главными факторами, определяющими величину локальных и средних коэффициентов теплоотдачи, являются:

• количество теплоты, отводимое от конденсационной трубы;

• давление конденсирующегося пара;

• геометрические характеристики трубы (высота и диаметр).

Все эти величины учитываются комплексными параметрами - локальным числом Фруда конденсирующегося пара и числом Рейнольдса конденсатной пленки на выходе из трубы. Именно эти параметры использованы для обобщения экспериментальных данных настоящей работы.

5. Для проверки правильности предложенного теоретического решения на стенде, спроектированном автором, были проведены экспериментальные исследования. При капоритмировании использован метод "толстостенной трубы". Результаты опытов сопоставлены с расчетом по предложенной модели процесса и опытными данными других исследователей. Обобщение позволило предложить уравнение подобия, удобное для инженерных расчетов локальных коэффициентов теплоотдачи.

6. Анализ и сравнение теоретических и экспериментальных данных настоящей работы между собой, а также с опытными данными других исследователей, подтвердили правильность рабочей'гипотезы о возможности обобщения указанных данных единой критериальной зависимостью.

7. Предложенное теоретическое решение, экспериментальные результаты и аппроксимирующая их зависимость могут использоваться при проектировании и конструировании транспортных и стационарных теплообменных аппаратов с конденсацией пара внутри вертикально расположенных труб.

Перечень публикаций, в которых излагается основное содержание

диссертации:

1.Сударев Б.В., Волков Д.И., Чистяков Д.В. Локальный теплообмен при конденсации водяного пара внутри вертикальной трубы в ламинарной области течения конденсата // Труды Первой Российской национальной конференции по теплообмену. ТА/. Испарение, конденсация. М., 1994. С.147-150.

2. Сударев Б.В., Волков Д.И., Чистяков Д.В. К определению локальных коэффициентов теплоотдачи при конденсации пара внутри вертикальной трубы. // Судовая энергетика и охрана окружающей среды: Сборник трудов СПбГМТУ. СПб, 1993. Стр. 49-55.

3. Чистяков Д.В. и др. Нагревательный элемент. Патент России № 2027968, опубл. 24 февраля 1995 г.