CC BY
6
VJK521.18l.123
АНАЛИЗОСОБЕННССТЕЙ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССА КИПЕНИЯ В ВАКУУМНОМ КОТЛЕ
КН. Слооодппа, А.1. Михайлов Омский государственный технический университет, г. Омск. Россия
Лчнотаиия. - Выполнен лнпп; развития котельной техники малой п средней мощности. обозначены возможные нлпрлЕлеЕпя развитая котлоагрегатов с целью повышения энергетической эффективности. Пролетавлепы технические оооспоолпня для использования вакуумных котлов. Рассмотрсиы процессы теплообмена в ваку>*мвюм котле, где рабочее тело - кипящая водя. Рассмотрен метод интенсификации теплообмена при клиента с максимальным коэффициентом теплоотдачи.
R |i«*ty.iKi rite njHtKt- it*nnKi\ |1иг<м>1нм\ нпмгдпканмп по.пчрнм крикмс ишнненин kimiJiiJii une и i о к теплоотдачи. в зависимости от давления, рассчитанные с использованием аналитической п численной методик.
Сделал оывол о возможности использоолпия числсппого метода расчета с использованием КР1 ANSYS СГХ для описания пронесся кипения в разреженной полосгп вакуумного котла.
К.тшекые г.нми: мкууинмй koic.ii. кнш-ние жидкигггя. кани.шрнаи иогнмнния, leiuidoi дичи, ojH'iï-ренне.
I. ВВЕДЕНИЕ
В развитии хстсльнон техники малой н срсднсн мощности выделяют несколько направлений
• к>кы1 1гниг мнгримичгской эффгьтикнопи iiyirAi гнижгнии iriLitiKMX iimrjiK н наиПолгс iiiuhdii) и:> лслыовзнна энергетического потенциала топлива;
• уменьшение габаритных размеров хотлоагрегата за счет интенсификации процесса сжигания топлива и теплообмена d топке п па поиерхпсстях нагрева;
• снижсннс токсичных 'зредных) высроссв:
• ловьпденне надежности ргботы коглоггрегата.
Анализ котельной техники малой н средней мощности от отечественных н зарубежных производителей по-каззл, что в настоящее время наибольшее распространение получали горизонтальные жаротрубные котлы для протмщпи ггяра и горячей тюлы [I -
Котлы данного вида требуют серьезных мер по химводоподгоговке подлиточней веды. Для умягчения н ооессоливаиия подпиточной воды используются весьма сложные установки, треЪующне для своей раОоты дорогостоящих компонентов. Также при эксплуатации возможны штрафные платы за сбросы солевого концентрата, который, помимо всего прочего, оказывает губительное воздействие на окружаюлрто среду Г11 -Данных лро-Олем можно избежать, используя вакуумный водогрейный котел.
Особенность ра&лы котла заключаете* в том. чш хорошо очищенная вида не выводится из кохда в лроцохе работы. Нет необходимости в регулярной химической подготовке котловой воды, качество которой является непременным условием надежной и длительной работы котельного агрегата [1].
Использование за&уумнохо зудихуейнихо когда в качестве источника гши можех решить ряд проблем, возникающих з процессе эксплуатации траднцноннсгс знда котельных агрегатов.
Эффективная работа вакуумного котла связана с интенсивным течением процессов кипения и конденсации. При лом за счех снижения рабочею давления в хаком кохле с учехом темисрах>ры к имения и досхиження нри этом максимальных коэффициентов теплоотдачи при кипення н конденсации пара, возможно значительное снижение маесогабаритных характеристик котельного агрегата Но, как известно, при давлениях ниже атмосферного процесс теплообмена ухудшается вследствие изменения интенсивности процессов кипения и конденсация. Данная статья пссвяцсна вопросам интенсификации кипения.
Высокие значения коэффициентов теплоотдачи при давлениях ниже атмосферного возможно достичь только за счет использования способов интенсификации.
В далиой статье рассмотрены особенности процесса кипения, а также предложен возможный метод лнгеа гификагии процесса килечия при дяяленнгх ниже атмосферного
П. ПОСТАНОВКА ЗЛДЛЧИ
Кипение - сложнчтй процесс, условия протекания которого определяются различными теплофи.зичеокими факторами. Интенсивность кипения зависит от ряда термодинамических параметров и теплофнзическнх свойств жидкости Параметром, оказывающим наибольшее влияние на процесс кнлелоя, ялляется давление.
Со снижением лаяления из-за увеличения чритичегкогл радиуса парового лузырмса создаютгя значительные трудности з образовании ларэвой фазы на поверхности нагрева, что приводит к существенному изменению внутренних характеристик процесса кипения - скорости роста, отрывного диаметра, частоты отрыва паровых пузырьков При атом растягивается лереходный режим -сипения, харагтертгеутолптйгя неустойчивос-ью, нестабильностью процесса парообразования и нссгацнонарностью теплообмена [41.
Поэтому для интенсификации лроиесса кнлення необходимо использовать метод, учитывающий все изменения. происходящие при пониженном давлении, и снижающий риски возникновения неустойчивого кипения. 3 качестве метода интенсификации возможно использовать орсбрсннс (рис.1).
Геометрические характеристики ребра (высота (Н), длина (1), толщина (о), а также зазор между соседними ребрами (Ь)), для получения максимального эффекта, должны рассчнтывзгься с высокой точксстью. определяющим фактором язлясхох давление. К примеру, зазор между ребрами не должен ирезыхххать величины ка.хил-
дярноп постоянной кипящей жидкости, во избежание, в том числе возникновения кризиса кипения. Данная статья посвяшена исетедованию геометрических параметров ребра, с целью получения максимального эффекта при интенсификации процесса кипения лилкос-и в разреженном объеме вакуумного котла
Ш. ТЕОРИЯ
Гущес-вуют различные методики ятя расчета коэффициент.™ теплоотдачи (а) при килек ни жидкости Так как коэффициент теплоотдачи жидкости зависит только от режимных параметроь р), поэтому для практических расчетов применяются эмпирические зависимости [4 Расче~ы показали, что при использовании различных методик результат ч? изменяется Наблюдается тенденция снижения коэффициентов теплоотдачи лри уменьшении давления [5] Снижение коэффициентов теплоотдачи свидетельствует о снижении интенсивности процесса теплообмена к целом Данный факт недопустим, поэтому/ принято решение интенсифицировать про-
це;-г г причинением ореореним к чоне кипения
При организации процесса гниения в сиг-теме каттиглярньтх щелелых каналов для лллучечия наибольшего эффекта учитывается значение величины капиллярной постоянной кипящей жилкостн которое расгчитывяется ми формуле [7]
I,
где а - коэффициент лгшерхностного натяжения кипящей жидкости; v. - ускорение силы тяжести; рж рЕ- глот-ность жидкости к пара.
Параллельно учитывается критический радиус парового пузырька который изменяется пропорционально изменению дчкпени» Формула дли ]м: мпи 1^икгд»и ниже
т> = (2)
* rpndt-rj
где <7 - коэффициент поверхностного натяжения жидкости; р,- плотность пара; г — тсллстг парообразования; Г, - температура стснки; Г„- температура насыщения [4].
ОсноЕываясь на значениях выше указанных характеристик. делаем вывел о том. что величина шелевого зазора подбирается с учетом критического радиуса пузырька к при этом не должна превышать величину капиллярной постоянной хипяшей жидкости [4.7].
Что касается, еыссты ребра оптимальную величину можно подобрать с учетом эффективности осбра. формула лля расчета приведена ниже:
* = (з)
R работе [7] представлено расчетное уравнение для нахождения коэффичиента теплоотдачи при кипении жидкости на оребренной поверхности в капиллярных каналах лри двумерной постановке. Данное выражение позволяет оценил, получаемый эффект от оребрення.
Но аналитическое ретпение задачи о распространении теплоты в ребре и объеме жидкости при многомерной постановке связано со значительными трудностями. Не всегда возможно учитывать теплообмен с торцевой по-верхнос-и ребра
Для получения наиболее достоверных результатов необходимо использовать сочетания двух методик - аналитической и численной.
R качеств? численной методики возможно использовать модель кипения KPT R дачной модели процесс ки-нени>, сопрочолдчющиж-м кпикекцией ¿ыггмхфикягтеи к сипгмг кинашж RPT cmniwi m у[ыкнений
неразрывности для жидкой и газовой фаз, урар нения -охранения импульса для жидкой и газовой фаз уравнения сохранения энергии лля жидкой фазы уравнения для концентраций на границе раздела фаз и уравнений в
ЧЧГ1НЫК П])1 )И ' КОД НЫХ ДЛИ TVpOyjieH I НСЧ ЧИ К ЖИДКОЙ фнче [F] Также ЧИДИКТГГХ НМЧДЛЧЧЫе И |ряничиыг услпкия
IV PfvW.TTbT^TbT 3KrTTF?/TMFFTOR
R pr.tV.IKIHir ИрОКГДеННЫХ рж чп ных ИГГЛеДОКЛНИЙ иолучгнч крикыг ИХМГНГННМ мхчмфидигн оч 1П1ЛСК1Т-
дачи л зависимости от давления рассчитанные г использованием аналитической и численной методик
На ри:: 0. иредпчклены крикыг ¡■рпьнени* рж.чпнчх г ншолксок^ниги корреляционных урчннений, и мм> исрнмсн1»ил>ныА данных. ааиров (В П. Ис а ненки. В. А. Осшюь. А.С. Суксмсл. Ю.М. Янисв. Ю.М. Трс1Ь>.ков) [б] Сракчгние ск-у цгггчлилен-к г рдгчпчми 1Ц1И подобных углокиих полученными к и]К)|ри1\1МНом комплексе ATiSYSCFX Нчриг ^ предо ¡инлено расчетное < чшгношение л^л-^, где л^ — кл*]|фицигн1 тиюигднчи нд оре-
бренной новерхносш. коаффииненх гсшшшдачн на . лаадой поверхности. переменной величиной авлжпла давление б разреженном объеме. Расчеты производились с корректировкой для давлений ниже атмосферного.
—'—а пр.' ил (АКЗУЭСГХ) —аир/а гл № психи)
• а пр.' а гл (Лппов;
2 2
2,1 ->
60.80 70,92 81,06 91,101,33 р'кПа
Рис. 2. Сравнение результатов расчета относктс ль ныч коэффициентов теплоотдачи при кипении пс различным методикам
Зафиксировав давление на максимальном значении коэффициента теплоотдачи (60 кПа). проведен анализ влияния геометрии ребра. При фиксированном значении высоты изменялась дли па ребра, диапазон изменений составил ст 0,005 до 0,1 м, при этом щелевой зазор находится в диапазоне от 0,001 - 0.01 м. Полученные расчетные данные ттгтевптотн выделить геометрические характеригтихи с максимальным эффектом ст презрения
л=о по и
л=0 ГШ м
л=0 ГИ 7 м
л=0 ГН V
2 50
2-15
7 40
2 35
Ь- 2.10
« 2 25
с 2 20
2 15
2 10
7.М
2 СО
2,- й-
«Ь7 •й- "V
1.М
Рис 4 Зависимость приведенного коэффициента теплоотдачи от геометрических тракте рис тик оребреиной поверхности
На рис 3. отображена зависимость приведенного коэффициента теплоотдачи от геометрических харахтеря-стик презренной поверхности
V. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ С реднее расхождение значений коэффициентов теплоотдачи (рис. 3), полученных лри расчетном моделировании ттроцеггл теплообмена при кипении находится ч пределах от 7 до 17. % гри заданном давлении от 60 до 101 кПа
Максимальное расхождение между численными значениями н аналитическими, рассчитанными но методике Ю.М. Лилова. Ю.М. Третьяков?, минимальны лри заданных начальных и граничных условиях. Что объясняется ылишнем ьераьномернши риихрс^елених хемиедегур на на!решаемой поверхности н н&хичнем конаел. хинных
ЯБЛСННЙ
Согласно расчетным данным, можно сделать вывод, что уменьшение длины ребра (1) (рис. 4) приводит к увеличению удельного влияния теплообмена на боковой поверхности прн условии, что величина площади торцевой поверхности ребра стремится к минимальным значениям. Таким образом можно утверждать о том, что наиболее эффективный вариант оребрення для интенсификации процесса кипения жидкости является применение ребер в виде шипов прямоугольного профиля с учетом щелевого зазора, который не должен превышать капиллярной постоянной. При данных условиях происходит рост приведенного коэффициента теплоотдачи.
VI ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЯ
Проведенные исследования показали, что прн моделировании процесса теплообмена с использованием методики кипения RPI по сравнению с аналитическими методиками находится в пределах от 2 до 12 % прн заданном давлении от 60 до 101 кПа. Минимальные расхождения наблюдаются при сравнении с методикой Ю.М. Лилова, Ю.М. Третьякова, при заданных начальных и граничных условиях, с корректировкой для давлений ниже атмосферного. Таким образом, численный метод расчета RPI ANS YS С FX возможно использовать для описания процесса кипения в разреженной полости вакуумного котла.
По результатам расчета можно сделать вывод о том. что наиболее эффективный вариант оребрения для интенсификации процесса кипения жидкости является применение ребер в виде шипов прямоугольного профиля с учетом щелевого зазора, который не должен превышать капиллярной постоянной. Данное техническое решение возможно для применения в разреженном объеме вакуумного котла для интенсификации процесса кипения, приводящее к уменьшению габаритных размеров котлоагрегага.
Работа выполнена е рамках НИР ЛЬ 16123В «Молодой ученый ОмГТУ».
СПИСОК ЛИГЕРАГУРЫ
1. Соколов Б. А. Котельные установки и их эксплуатаци. М.: Академия. 2005. 432 с.
2. Atinara tone D. Steam generators. Springer-Verlag. Berlin Heidelberg. 2OOS. 434 p.
3 Mikhailov A. G., Batrakov P. A., Terebilov S. V., Slobodiua E. N. Gas-tube boilers: issues of classification and thermal calculation // Dynamic? of Systems. Mechanisms and Machines. 2014. P. 1—1.
4. Исаченко В. П.. Оснпова В. А., Сукомел А. С. Теплопередача. 5-е нзд. М.: Арис. 2014. 416 с.
5. Feldnianií Н , Luke A. Nucleate boiling ш water for different pressures // Lit er national Refrigeration and Air Conditioning Conference at Purdue. July. 2008. P. 14-17.
6. Слободина E. H. Влияние процесса кипения в разряженной полости на эффективность работы вакуумного котла!! Омский научный вестник. Сер. Приборы, машины н технологии 2015 № 3(143) С. 185-1S7.
7. Корнеев С. Д. Пнменова Е. Л. Костюков В. М. [и др.] Влияние тепло физических свойств материала ореб-ренной поверхности на выбор ее оптимальных геометрических характеристик // Известия МГИУ. 2006. № 1(2).
S Inc. ANS YS. ANSYSCFX-Solver Theory Guide. 12.1 edn., November 2009.
