Вопросы теплообмена при конденсации в разряженном объеме вакуумного котла Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

определить количество теплоты, переданное теплоносителю. На рис. 5 изображено изменение средних значений плотностей теплового потока д на граничной поверхности в зависимости от скорости окислителя при постоянном расходе топлива для топок различных профилей — эллипса и круга. Во всем исследуемом интервале данных величин изменение величины д определяется законом изменения температур в объеме. Поэтому максимальные значения этих величин соответствуют топке с профилем эллипс.

Выводы.

1. Численное решение уравнений, входящих в к-е модель турбулентного горения, позволяет определить значения тепловых характеристик работы топки.

2. На основе полученных данных можно утверждать, что вариации формы профиля топки приводят к изменению её тепловых характеристик — температуры газовой смеси в объёме и плотности теплового потока на стенке.

3. Данные величины являются начальными данными при расчете эффективности работы газотрубного котла.

Библиографический список

1. Соколов, Б. А. Паровые и водогрейные котлы малой и средней мощности / Б. А. Соколов. — М. : Академия, 2008. — 128 с.

2. Брюханов, О. Н. Газифицированные котельные агрегаты / О. Н. Брюханов, В. А. Кузнецов. - М. : ИНФРА-М, 2005. -329 с.

3. Липов, Ю. М. Котельные установки и парогенераторы / Ю. М. Липов,

Ю. М. Третьяков. — М. — Ижевск : НИЦ Регулярная и хаотическая динамика, 2005. — 592 с.

4. Михайлов, А. Г. Вопросы выбора теплогенераторов / А. Г. Михайлов,

Д. С. Романенко, С. В. Теребилов // Омский научный вестник. Сер. Машины, приборы и технологии. — Омск : ОмГТУ. — 2008. — № 2 (68). — С. 54 — 56.

5. Михайлов, А. Г. Методы расчета теплообмена в топках котлов / А. Г. Михайлов // Омский научный вестник. Сер. Машины, приборы и технологии. — Омск : ОмГТУ. — 2008. — № 3 (70). — С. 81—84.

МИХАИЛОВ Андрей Гаррьевич, кандидат технических наук, доцент (Россия), заведующий кафедрой теплоэнергетики.

НОВИКОВА Эллина Эдуардовна, студентка гр. Б-411 энергетического института. ТЕРЕБИЛОВ Сергей Викторович, старший преподаватель кафедры теплоэнергетики. Адрес для переписки: sergyjxxx@ya.ru

Статья поступила в редакцию 10.09.2015 г. © А. Г. Михайлов, Э. Э. Новикова, С. В. Теребилов

УДК 621181123 А. Г. МИХАЙЛОВ

Е. Н. СЛОБОДИНА С. В. ТЕРЕБИЛОВ

Омский государственный технический университет

ВОПРОСЫ ТЕПЛООБМЕНА

ПРИ КОНДЕНСАЦИИ В РАЗРЯЖЕННОМ

ОБЪЕМЕ ВАКУУМНОГО КОТЛА

Продолжительное время процессам конденсации при работе теплотехнического оборудования не уделялось должного внимания, предполагалось, что процесс не нуждается в применении развитых поверхностей нагрева и других методов интенсификации. В статье отображены результаты исследования влияния процесса конденсации в разряженной полости на эффективность работы вакуумного котла. Изучение процесса конденсации в разряженной полости позволит выделить недостатки и подобрать рациональные методы интенсификации теплообмена.

Ключевые слова: вакуумный котел, конденсация, теплоотдача, давление, коэффициент полезного действия.

Рационализировать использование и достигнуть экономически оправданной эффективности использования энергетических ресурсов возможно благодаря разработке и внедрению новых технологий и оборудования. В качестве такого оборудования для систем автономного теплоснабжения рассматривается вакуумный водогрейный котел, который не требует больших материальных затрат при экс-

плуатации, прост в конструкции и безопасен в использовании.

Вакуумный водогрейный котел — это герметичная емкость, наполненная определенным количеством хорошо очищенной воды (рис. 1). Особенность работы котла заключается в том, что в котел при первом запуске после монтажа единственный раз заливается химически очищенная вода.

Вентилятор

Рис. 1. Принципиальная схема устройства вакуумного газотрубного котла

Рис. 2. Определяющие параметры коэффициента теплоотдачи при конденсации

Рис. 3. Соотношение площадей и тепловых потоков при процессах кипения и конденсации

Нагреваясь при сгорании топлива, вода испаряется, пароводяная смесь по подъемным экранным трубам поступает в сборную камеру прямоугольного сечения, откуда отсепарированный пар поступает в паровой объём. В паровом объёме установлены два теплообменника: один — для подогрева воды на отопление, второй — для подогрева воды на ГВС. Тепло пара передается поверхностям на-

грева теплообменников, образующийся при этом конденсат стекает в водный объём сборной камеры. Конденсат, смешиваясь с котловой водой, поступает по опускным экранным трубам в нижний коллектор. При этом нижний коллектор, подъёмные топочные трубы, верхний сборный коллектор, опускные экранные трубы образуют замкнутый контур естественной циркуляции [1—3].

Конденсация является важнейшим процессом, влияющим на эффективность работы котла, представляя собой процесс перехода пара (газа) в жидкое или твердое состояние.

Существует несколько видов конденсации:

1. Пленочная конденсация, конденсат образует непрерывную пленку на охлаждаемой поверхности.

2. Гомогенная конденсация, при данном виде пар конденсируется на каплях, взвешенных в газовой фазе, образовывая туман.

3. Капельная конденсация происходит в том случае, когда конденсат образуется в виде капель на охлаждаемой поверхности.

4. Конденсация при прямом контакте наблюдается, если пар контактирует с холодной жидкостью.

5. Конденсация смесей паров, образующих не-смешивающиеся жидкости, структуры, образуемые в жидкой фазе, при этом сложны [4].

Наиболее высокое значение коэффициента теплоотдачи, возможно, получить при капельной конденсации, которую сложно удерживать. Конденсация может происходить в объеме пара или на охлаждаемой поверхности теплообмена. В вакуумных котлах речь идет о конденсации насыщенных паров в жидкое состояние на охлаждаемой поверхности теплообмена, при условии, если температура поверхности меньше температуры насыщения при данном давлении. Выделение при фазовом превращении теплоты неразрывно связывает процесс конденсации пара с теплообменом [5, 6].

В вакуумных котлах насыщенные пары конденсируются на наружной поверхности горизонтальных труб, при этом интенсивность процесса оказывает влияние на эффективность работы вакуумного котла. На рис. 1 представлена графическая зависимость

коэффициента теплоотдачи от давления насыщенных паров, рассчитанная по формуле:

а = 0,7984

л 3 2

^ж Рж д »ж (к - К ^'

где Хж — теплопроводность жидкой фазы; р — плотность жидкой фазы; д — ускорение свободного падения; |1 — динамическая вязкость; tн — температура насыщения; tс — температура стенки; й — характерный размер [5].

Коэффициент теплоотдачи при конденсации зависит от множества факторов, в первую очередь от температуры (давления) насыщенных паров и температурного напора (рис. 2).

На работу котла, помимо конденсации, большое влияние оказывает процесс кипения, поэтому для эффективной работы вакуумного котла необходимо соблюдение следующего равенства:

Ч КИП Ч КОНД

Fv¡

F„

(1)

где а

^ ^кип

а —

ции; Р

— плотность теплового потока при кипении; плотность теплового потока при конденса-— площадь поверхности теплообмена при кипении; Ршнд — площадь поверхности теплообмена при конденсации. Неразрывная связь этих двух процессов требует соблюдения особого соотношения площадей и плотности тепловых потоков; графически данная зависимость представлена на рис. 3.

Уменьшение давления в разряженной полости в интервале 608—10 кПа оказывает влияние на температурный напор при конденсации и, как следствие, на коэффициент теплоотдачи, что приводит к нарушению равенства (1) и снижению КПД котла брутто в пределах 5 %.

В настоящее время применяются различного рода интенсификаторы, предотвращающие образование пленки. Теплоотдача при капельной конденсации в 5—10 раз выше, чем при пленочной [7, 8].

Поэтому использование интенсификаторов процесса конденсации в разряженной полости создает предпосылки для создания энергоэффективного вакуумного котла.

Библиографический список

1. Каталог котельного оборудования фирмы Б008ТЕК [Электронный ресурс]. — Режим доступа : http://www. booster-rus.ru (дата обращения: 01.09.2015).

2. Михайлов, А. Г. Вопросы выбора теплогенераторов /

A. Г. Михайлов, Д. С. Романенко, С. В. Теребилов // Омский научный вестник. Сер. Приборы, машины и технологии. — 2008. — № 2 (68). — С. 54 — 56.

3. Пат. 149712 Российская Федерация, МПК Б24 Н 1/28. Жаротрубный котел / Михайлов А. Г., Теребилов Т. С. ; заявитель и патентообладатель Омский гос. техн. ун-т. — № 2014134687/06 ; заявл. 25.08.14 ; опубл. 20.01.15, Бюл. № 2. — 7 с.

4. Справочник по теплообменникам. В 2 т. Т. 1 / Под ред. О. Г. Мартыненко ; пер. с англ. — М. : Энергоатомиздат, 1987.— 560 с.

5. Кутателадзе, С. С. Теплопередачи при кипении и конденсации / С. С. Кутателадзе. — М. : МАШГИЗ, 1952. — 236 с.

6. Исаченко, В. П. Теплопередача : учеб. для вузов /

B. П. Исаченко, В. А. Осипова, А. С. Сукомел. — 4-е изд., пере-раб. и доп. — М. : Энергоиздат, 1981. — 416 с.

7. Калинин, Э. К. Эффективные поверхности теплообмена / Э. К. Калинин, Г. А. Дрейцер, И. 3. Копп. — М. : Энерго-атомиздат, 1998. — 408 с.

8. Слободина, Е. Н. Интенсификация процессов кипения и конденсации в рабочем объеме вакуумного котла / Е. Н. Слободина // Динамика систем, механизмов и машин. — 2014. — № 2. — С. 134 — 136.

МИХАИЛОВ Андрей Гаррьевич, кандидат технических наук, доцент (Россия), заведующий кафедрой теплоэнергетики.

СЛОБОДИНА Екатерина Николаевна, ассистент кафедры теплоэнергетики.

ТЕРЕБИЛОВ Сергей Викторович, старший преподаватель кафедры теплоэнергетики. Адрес для переписки: slobodina_e@mail.ru

Статья поступила в редакцию 02.09. 2015 г. © А. Г. Михайлов, Е. Н. Слободина, С. В. Теребилов

Книжная полка

621.45/К65

Конструкция и проектирование комбинированных ракетных двигателей на твердом топливе : учеб. для вузов / Б. В. Обносов [и др.] ; под ред. В. А. Сорокина. - 2-е изд., перераб. и доп. - М. : Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2014. - 303 с.

Изложены основы комплексного проектирования и экспериментальной отработки комбинированных ракетных (ракетно-прямоточных) двигателей на твердом топливе. Центральное место в книге занимает методология расчетно-конструкторской разработки двигателей различных схем для выбора базовой компоновки на этапе технического предложения. Приведены конструктивно-компоновочные схемы и конструкции узлов комбинированных двигателей. Для студентов старших курсов и аспирантов авиа- и ракетостроительных специальностей высших технических учебных заведений, научных работников и инженеров, занимающихся разработкой, проектированием и испытаниями высокоскоростных летательных аппаратов и комбинированных ракетных двигательных установок на основе ракетно-прямо-точного двигателя на твердом топливе.