авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 |

Исследование процесса конденсации водяного пара из парогазовых смесей различного состава в кожухотрубных теплообменных аппаратах

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

ДУДНИК НАТАЛИЯ МИХАЙЛОВНА

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА КОНДЕНСАЦИИ ВОДЯНОГО ПАРА ИЗ ПАРОГАЗОВЫХ СМЕСЕЙ РАЗЛИЧНОГО СОСТАВА В КОЖУХОТРУБНЫХ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТАХ

Специальность: 05.14.04- “Промышленная теплоэнергетика”

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени

кандидата технических наук

Москва – 2010.

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,

ст. науч. сотрудник

Бабич Владимир Иванович

Ведущая организация: Исследовательский центр проблем энергетики

КЦН РАН (Академэнерго)

Защита диссертации состоится «24» июня 2010 г. в 15:30 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 « » мая 2010 г.

Ученый секретарь

Диссертационного совета к.т.н., доцент

Степанова Т.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность работы. Кожухотрубные теплообменные аппараты, на поверхности трубок которых происходит пленочная конденсация пара из парогазовой смеси (далее ПГС), широко распространены в промышленности.

Наличие неконденсирующихся газов различного состава (далее НКГ) в паре в установках технологических линий различных производств, например, заводов по производству сахара, ряда химических производств, целлюлозно-бумажного производства, обусловлено особенностями данных технологий. Присосы НКГ в пар в теплообменных аппаратах энергетических и холодильных установок неизбежны при работе данных теплообменников при давлениях ниже барометрического. Однако практическое использование поверхностных конденсационных теплообменных аппаратов при наличии НКГ затруднено из-за сложности и недостаточной точности методов их расчета.

Вопросу интенсивности тепломассообмена в присутствие НКГ было посвящено большое количество исследований, которые охватили ПГС различные по составу. Известно, что даже при небольшом содержании примеси, например, 1% воздуха в смеси с водяным паром, коэффициент теплоотдачи снижается примерно вдвое. Однако вопрос о влиянии теплофизи-ческих свойств и молярной массы НКГ на передаваемый тепловой поток в теплообменном аппарате является недостаточно изученным. В настоящий момент нельзя сказать, как вид НКГ, содержащегося в смеси, повлияет на передаваемый тепловой поток, в частности, насколько он будет отличаться от значения при конденсации смеси пара с воздухом.

В расчетно-теоретических работах подобные исследования проводились на основе моделей, учитывающие различные особенности процессов тепло-массообмена. При этом многие результаты были получены для теплообменной поверхности, температура которой принималась постоянной, а изменение параметров ПГС не учитывалось, что редко наблюдается в реальных теплообменниках. Для упрощения алгоритма расчета в некоторых методиках либо вовсе не учитывалось термическое сопротивление пленки конденсата (при небольших содержаниях пара в смеси), либо его рассчитывали по формуле Нуссельта для чистого пара с различными поправками. Это ведет к искажению реального распределения температур и концентраций пара в сечениях теплообменного аппарата, неверному определению передаваемого теплового потока и площади теплообменной поверхности. В конечном итоге данные ошибки в расчетах могут привести к снижению эффективности работы оборудования и снижению КПД установок или к ухудшению качества получаемого продукта. Таким образом, исследование конденсации водяного пара из ПГС различного состава с учетом особенностей работы реальных кожухотрубных теплообменных аппаратов является актуальной задачей.

Целью настоящей работы является исследование закономерностей и разработка рекомендаций для расчета конденсации ПГС различного состава в кожухотрубных теплообменных аппаратах.

Научная новизна.

1. Определены значения относительного снижения коэффициента теплоотдачи при конденсации водяного пара из ПГС в присутствии неконденсирующихся газов с различной молярной массой (воздуха, CO2, NH3, CH4) в диапазоне массовой концентраций НКГ 0-10%. Отличие переданного в теплообменном аппарате теплового потока при конденсации смеси, содержащей одинаковые объемные концентрации СО2, NH3, CH4, от теплового потока при конденсации смеси с примесью воздуха достигало 12- 25%.

2. Показано, что не существует монотонной функциональной связи между молярной массой НКГ и снижением передаваемого в теплообменнике тепловой потока, что объясняется сложным влиянием молярной массы НКГ на коэф-фициент взаимной диффузии пар – НКГ и на парциальное давление пара в смеси.

3. Установлено, что при конденсации пара из ПГС термическое сопротив-ление отложений на поверхности теплообмена оказывает меньшее влияние на передаваемый в аппарате тепловой поток, чем при конденсации чистого пара. Степень снижения теплового потока при этом зависит от рода НКГ.

4. Получены новые количественные результаты о влиянии интенсификации теплообмена на передаваемый в теплообменном аппарате тепловой поток при наличии в ПГС различных неконденсирующихся газов. Показано, что наличие НКГ снижает эффект от интенсификации теплообмена со стороны холодного теплоносителя.

5. Разработан безразмерный вид диаграммы режимов работы горизонтальных кожухотрубных теплообменных аппаратов с конденсацией водяного пара из ПГС, позволяющей выбрать наименьший по сложности и обеспечивающий требуемую точность алгоритм расчета данного теплообменника.

Практическая ценность работы.

Разработанные математическая модель, алгоритм и программа могут быть использованы для расчета и проектирования кожухотрубных теплообменников с конденсацией пара из смеси с различными неконденсирующимися газами.

Полученные результаты численных исследований позволяют оценить необходимость учета термического сопротивления пленки конденсата в расчетах вертикальных кожухотрубных теплообменных аппаратов, а также определить целесообразность интенсификации теплообмена при конденсации пара из ПГС различного состава.

Получен способ представления диаграммы режимов работы горизонтальных кожухотрубных теплообменных аппаратов конденсационного типа в безраз-мерном виде, обобщающий ее вид для различных скоростей потока ПГС и различных характерных размерах теплообменных поверхностей.

Достоверность и обоснованность полученных результатов обеспечива-ются корректным использованием теории переноса тепла и массы, а также удовлетворительными результатами сопоставления полученных в работе данных с экспериментальными данными.

На защиту выносятся:

- математическая модель и алгоритм расчета процессов пленочной конденсации ПГС в вертикальном кожухотрубном теплообменном аппарате;

- результаты численных исследований влияния рода неконденсирующегося газа на передаваемый в теплообменнике тепловой поток;

- результаты численных исследований влияния термического сопротивления пленки конденсата и отложений на поверхности теплообмена на передаваемый в теплообменнике тепловой поток при наличии различных НКГ;

- оценка влияния интенсификации теплоотдачи со стороны холодного теплоносителя на суммарный тепловой поток, передаваемый в вертикальном кожухотрубном теплообменном аппарате при конденсации пара из ПГС различного состава;

- обобщенная диаграмма режимов работы кожухотрубного теплообменного аппарата конденсационного типа, позволяющая определить оптимальный алгоритм расчета теплообменного аппарата при заданных параметрах ПГС и температуры поверхности конденсации.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были доложены на 12,13,14-ой Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов. Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. Москва, 2006-2008 гг; на 3-й Международной научно-практической конференции «Современные энергосберегающие тепловые технологии (сушка и термовлаж-ностная обработка материалов) СЭТТ-2008».

Публикации. Основные научные положения и выводы изложены в 5 опубликованных работах.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, приложений и списка литературы, состоящего из 80 наименований. Общий объём диссертации составляет 150 страницы, включая 42 рисунка, 12 таблиц и 2 приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении рассмотрены особенности расчета процессов тепло- и массообмена в кожухотрубных теплообменных аппаратах при конденсации пара из смеси с различными неконденсирующимися газами. Сформулированы цели, обоснована актуальность, показана научная новизна и практическая ценность работы. Отражены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе рассмотрены теплообменные аппараты теплотехноло-гических и энергетических установок различных производств и технологий, в которых происходит конденсация пара из ПГС различного состава. Рассмотрены различия между процессами конденсации чистого пара и пара, содержащего примесь НКГ.

Приведен обзор современного состояния исследований процессов тепло- и массообмена при конденсации пара из ПГС и анализ научных работ, посвященных исследованию основных механизмов этих процессов, влияния поперечного потока вещества на интенсивность тепло- и массообмена (Л.Д.Берман, В.П.Исаченко, С.С.Кутателадзе, А.И.Леонтьев, Д.В.Роуз, С.К.Парк, И.И.Гогонин и др.). Исследования охватили ПГС различные по составу. Однако вопрос о влиянии теплофизических свойств и молярных масс НКГ на передаваемый тепловой поток в настоящее время является недостаточно изученным.

Проведен анализ работ, в которых разработаны математические модели и методы расчета тепло- и массообмена в рассматриваемых случаях, проводились исследования влияния на величину передаваемого теплового потока термических сопротивлений пленки конденсата и отложений на поверхности теплообмена при конденсации чистого пара и пара из ПГС. Проанализирован ряд эмпирических зависимостей для расчета коэффициента теплопередачи в конденсаторах паровых турбин (ВТИ, ИТО, КТЗ, УГТУ-УПИ), а также инженерные методики расчета промышленных конденсаторов ПГС (А.П.Кольборн - О.А.Хоуген, Д.И.Уард). Отмечены области их применения и недостатки. По вопросу влияния переменности температуры стенки на теплоотдачу при конденсации чистого пара рассмотрены результаты теоретического исследо-ваний Д.А.Лабунцова, А.П.Солодова.

По результатам обзора сформулированы задачи, которые необходимо решить в диссертационной работе:

- разработать математическую модель, алгоритм и программу расчета процессов тепло- и массообмена при конденсации водяного пара из ПГС различного состава в кожухотрубных теплообменных аппаратах и проверить адекватность математической модели путем сопоставления с экспериментами и с расчетными методиками других авторов;

- численно исследовать процесс конденсации пара из ПГС в вертикальном кожухотрубном теплообменном аппарате и определить влияние рода НКГ на передаваемый тепловой поток;

- оценить влияние различных факторов на величину среднего удельного теплового потока при конденсации ПГС в вертикальном кожухотрубном теплообменном аппарате: термического сопротивления пленки конденсата и отложений на поверхности теплообмена в зависимости от рода НКГ, фактора неизотермичности поверхности теплообмена ;

- определить степень повышения теплопередающей способности ПГС различного состава при интенсификации теплообмена со стороны холодного теплоносителя.

Во второй главе рассматривается и моделируется процесс конденсации пара из смеси с НКГ различного рода в вертикальном кожухотрубном теплообменном аппарате.

При записи модели сделаны следующие основные допущения: течение считается одномерным, т.е. температура и концентрация пара в потоке изменяются по координате х; коэффициенты тепло- и массоотдачи определяется по критериальным зависимостям как функция чисел Re и Pr; режим течения пленки ламинарный либо ламинарно-волновой; режим течения пленки конденсата не зависит от состава паровой фазы; трение на границе раздела фаз не приводит к сдуванию пленки.

Постановка задачи: Рассмотрен элемент проточной части конденсацион-ного теплообменного аппарата (рис.1). Парогазовая смесь с массовым расходом G1 движется сверху вниз вдоль вертикальных трубок в корпусе теплообменного аппарата со скоростью U1. В состав смеси входят водяной пар и неконденсирующийся газ.

В трубках движется охлаждающая вода с массовым расходом G2 и температурой на входе t20. Температура поверхности труб имеет значение ниже точки росы для данных параметров ПГС. В процессе конденсации на поверхности теплообмена образуется пленка конденсата толщиной , которая стекает вниз под действием силы тяжести и силы трения потока газа. Температура поверхности пленки равна температуре насыщения пара у поверхности раздела фаз.

Рассматриваемый процесс может быть описан при помощи следующей системы уравнений, включающей в себя:

- дифференциальные одномерные уравнения энергии для охлаждающей воды и ПГС:

x=0 : t2=t20 ; (1)

x=0 : h1=h10; (2)

- дифференциальное уравнение сохранения массы пара и выражение для массового потока конденсирующегося пара с учетом потока Стефана:

x=0 : G1=G10, mП=mП0 ; (3)

. (4)

Для диффузионного числа Нуссельта предлагается зависимость, полученная Д.В.Роузом для конденсации на вертикальной поверхности, учитывающая влияния поперечного потока массы на распределение скорости, концентрации и температуры в ПГС. Для учета влияния рода газа на тепло- и массообмен в уравнение, полученное Д.В.Роузом, введен корректирующий множитель (RНКГ/Rвоздух)-0,1:

, где , (5)

;, (6)

где и . (7, 8)

Связь парциального давления пара в смеси и температуры на линии насыщения

; (9)

- баланс тепловых потоков на поверхности пленки конденсата:

; (10)

; (11)

- уравнения для расчета коэффициентов теплоотдачи от ПГС к пленке, со стороны охлаждающей воды и от пленки конденсата к поверхности трубки:

, где , Re<2300; (12)

, где , Re >104; (13)

, где Re <1600, (14)

, (15)

где средняя скорость стекания пленки конденсата:

. (16)

- дифференциальное уравнение роста пленки записано с учетом трения на границе пленка – ПГС:

x=0: =0. (17)

Математическая модель дополняена уравнениями для определения физических свойств ПГС в зависимости от ее температуры и состава. В качестве граничных условий задавались параметры теплоносителей на входе в теплообменный аппарат. Толщина пленки конденсата в начальном сечении равна нулю.

Данная модель может быть использована также для расчета процесса конденсации пара из ПГС при поперечном обтекании вертикальных трубок и поперечном обтекании горизонтальных трубок при подаче ПГС сверху. Для каждого случая обтекания и положения теплообменных трубок необходимо использовать соответствующие уравнения для расчета средней интегральной скорости пленки, дифференциальное уравнение роста пленки, выражения для диффузионного числа Нуссельта и для безразмерного конвективного коэффициент теплоотдачи от ПГС.

На базе математической модели создан алгоритм и программа расчета, позволяющие находить распределения температур и концентраций пара, толщины пленки и удельного теплового потока в теплообменном аппарате. Пример распределения температур теплоносителей и концентраций пара вдоль теплообменной поверхности при конденсации ПГС различного состава представлен на рис.2. Система уравнений (1-17) решалась методом Адамса.

Для проверки адекватности разработанной математической модели результаты расчетов были сопоставлены с данными Л.Д.Бермана (рис.3) и А.Ф.Миллса (рис.4) при конденсации на горизонтальных трубках для смеси водяного пара с воздухом и с данными Ф.Н.Филипповой (рис.5,6) для смесей водяного пара с углекислым газом СО2, аммиаком NH3 и воздухом в вертикальном теплообменном аппарате.

Результаты настоящих расчетов совпадают с экспериментальными данными с отклонением 5-18%. На рис.7 также для сравнения представлены результаты расчетов по инженерным методикам А.П.Кольборна-О.А.Хоугена и Д.И.Уарда.

Глава 3 посвящена численному исследованию процесса конденсации пара из смеси с различным НКГ в вертикальном кожухотрубном тепло-обменном аппарате на основе математической модели, описанной в главе 2.

Расчеты теплообменника, в котором конденсировалась ПГС, содержащая примесь СО2 (Mr=44 г/моль), воздуха (Mr=28,9 г/моль), паров аммиака NH3 (Mr=17 г/моль) и паров метана CH4 (Mr=16 г/моль), показали, что при заданных ниже условиях отличие среднего удельного теплового потока от смеси с примесью воздуха составило от 12% до 25%. Это свидетельствует о необходимости учета рода неконденсирующегося газа в расчетах рассматриваемых теплообменников уже при его малых концентрациях. Результаты получены в диапазоне PПГС=0,8-2атм, U1=0,3-4м/с, t’2=10-95оС. Результаты, приведенные в таблице 1, получены при условиях: PПГС=1атм, U1=0,4 м/с и температуре воды на входе в аппарат t20 =30оС.

Таблица 1.

Изменение среднего удельного теплового потока в зависимости

от рода НКГ при равных объемных концентрациях пара.



Pages:   || 2 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.