CC BY
60
ТЕПЛООБМЕН
УДК 536. 24
Н. В. Селиванов, О. Н. Селиванова, И. А. Агафонова Астраханский государственный технический университет
ГИДРОДИНАМИКА И ТЕПЛООБМЕН В ТУПИКОВОМ ПОДОГРЕВАТЕЛЕ
Введение
При хранении и перевозке высоковязких жидкостей для выполнения отдельных технологических операций (выгрузка, погрузка, слив и налив) их подогревают с целью уменьшения вязкости. В связи с этим емкости для хранения и транспортировки оборудуют системами подогрева. Конструкции подогревателей весьма различаются в зависимости от назначения и принципа действия. Анализ недостатков существующих систем подогрева привел к необходимости поиска новых, более экономичных, удобных в эксплуатации конструкций подогревателей. На наш взгляд, одним из таких типов подогревателей является «тупиковый». Конструкция и принцип действия тупикового подогревателя, а также его преимущества по сравнению с другими приведены в [1].
Двухфазные потоки с нисходящим гравитационным течением пленки жидкости и восходящим течением газа или пара встречаются в различных тепломассообменных аппаратах. Для обеспечения устойчивой работы таких устройств необходимо знать предельные параметры двухфазного потока. Как известно, предельным режимом противоточного движения пленки жидкости и потока газа или пара является режим «захлебывания», при котором происходит срыв жидкости и унос ее потоком газа. При этом интенсивность теплообмена резко падает. Тупиковый подогреватель относится к одним из таких устройств, в которых наблюдаются данные явления. Для нормальной работы тупикового подогревателя важно знать критические тепловые нагрузки, при которых возникает режим «захлебывания» подогревателя. Знание границ этого режима позволяет определить предельные режимы эффективной работы подогревателя в зависимости от его геометрических параметров.
Теоретическим и экспериментальным исследованиям этого явления в вертикальных и горизонтальных каналах посвящены работы [2-5]. В [2, 3] определены границы режима «захлебывания» для открытых газожидкостных систем, работающих при атмосферном давлении. Опытные данные [2, 3], полученные на воде, этиловом спирте, глицерине и водных растворах диэтиленгликоля при взаимодействии с потоком воздуха в трубах диаметром 6-309 мм, показали, что критерий устойчивости Кутателадзе к для верхней границы «захлебывания» в вертикальном канале практически не зависит от диаметра трубы и равен 3,2. Некоторая тенденция к уменьшению к
обнаружена лишь при малых диаметрах [2]. В [4-5] для закрытых парожидкостных систем различных жидкостей в широком диапазоне изменения давлений установлено, что на величину критерия устойчивости к оказывает влияние давление парожидкостного потока. Это влияние на количественные характеристики учитывается с помощью критерия давления Кр Экспериментальные данные обобщены зависимостью типа [4-5]:
к = Сі Кр ~°Д7 при Кр< 5-104; к = С2 при Кр > 5104, (1)
где С1 и С2 - постоянные, зависят от границ режима «захлебывания»; Кр = =р1[^(р' -р")] - критерий давления; р - давление; а - коэффициент поверх-
ностного натяжения; р' и р" - плотность конденсата и пара соответственно.
Экспериментальная установка и методика исследования
Целью экспериментального исследования является определение предельных по тепловой нагрузке режимов устойчивой работы тупикового подогревателя, при которых еще не происходит явления «захлебывания», заброса конденсата в тупиковый конец трубы. В основу методики экспериментального исследования положен метод калориметрирования в стационарном режиме. Экспериментальные исследования работы тупикового подогревателя проведены на стенде, состоящем из модели трубы подогревателя, парогенератора, питательной сети, калориметра и измерительной схемы. Подогреватель выполнен в виде теплообменника «труба в трубе». Внутренняя труба - паровая, с внутренним диаметр 16 мм и длиной Ь = 2 м, наружная - корпус калориметра. Через кольцевой зазор про качивалась охлаждающая жидкость (вода и вазелиновое масло). Температура жидкости, стенки трубы и конденсата измерялась медьконстантано-выми термопарами, расход конденсата измерялся объемным методом, расход охлаждающей жидкости - ротаметром. Температура стенки трубы измерялась 24-мя термопарами по периметру трубы в четырех сечениях, а также между сечениями по нижней образующей, давление пара - образцовым манометром с классом точности 0,4. ЭДС термопар измерялась потенциометром Р368 и КСП. Опыты проведены в следующем диапазоне изменения параметров: тепловой поток - 0,500-6 кВт; давление конденсации -1,2-2,2 бар; угол наклона подогревателя к горизонту ф = 5-40°. Для визуального наблюдения была изготовлена прозрачная модель тупикового нагревателя.
Обсуждение результатов
Визуальные наблюдения на прозрачной модели тупикового подогревателя при тепловых нагрузках ниже критических показали, что процесс конденсации идет по всей рабочей поверхности подогревателя. Конденсат стекает в виде ручья в области нижней образующей трубы. Толщина ручья зависит от тепловой нагрузки подогревателя, относительной длины подогревателя и угла наклона подогревателя к горизонту. При увеличении тепловой нагрузки подогревателя при прочих равных условиях толщина ручья увеличивается, при этом возрастает и скорость относительного движения между паром и конденсатом. По мере увеличения скорости движения фаз на поверхности пленки конденсата появляются гладкие капиллярные волны,
высота ручья возрастает и расход конденсата увеличивается. Нижняя граница режима «захлебывания» тупикового подогревателя начинается с увеличением амплитуды капиллярно-гравитационных волн и уменьшением их длины в конце ручья и со срыва капель с поверхности пленки конденсата. Капли, попадая на поверхность пленки конденсата, вызывают дополнительные пульсации ее толщины. Волновые пульсации пленки распространяются вверх по течению ручья, т. е. вызывают возникновение на ее поверхности капиллярно-гравитационных волн, характеризующих процесс потери устойчивости двухфазной структуры. Дальнейшее увеличение тепловой нагрузки приводит к увеличению срыва капель конденсата и амплитуды волн на поверхности ручья. При достижении тепловой нагрузки (скорости пара) критической величины наблюдается неустойчивый режим работы подогревателя. При этом на входе в трубу, где толщина пленки самая большая и скорость пара максимальная, амплитуда капиллярно-гравитационных волн резко возрастает вплоть до образования конденсатных пробок, забрасываемых в тупиковый конец подогревателя. Возникает режим «захлебывания» тупикового подогревателя (верхняя граница).
Неустойчивость работы проявляется в виде заброса конденсата потоком пара в тупиковую часть трубы, где он удерживается импульсным воздействием выбрасываемых от начала трубы конденсатных пробок. Непрерывно следующие циклы стекания и заброса конденсата организуют некоторую границу, до которой заходит пар в трубу и идет процесс конденсации (активная зона). От этой средней границы до тупикового конца труба, залитая конденсатом, практически выключается из процесса теплообмена. Данный процесс сопровождается ударным изменением давления в тупиковом подогревателе, вызванным конденсацией пара в паровой полости, что приводит к возникновению ударного давления. При нагрузках меньше критических тепловой поток с ростом температурного напора возрастает, а при достижении критических тепловых нагрузок влияние температурного напора на тепловую нагрузку резко уменьшается, и при дальнейшем увеличении температурного напора тепловая нагрузка остается практически постоянной.
Сопоставление полученных результатов режима «захлебывания» тупикового подогревателя с зависимостью (1) при различных углах наклона тупикового подогревателя приведено на рис. 1а, б. Из рис. 1 видно, что значения критерия гидродинамической устойчивости к для наклонной трубы превышают его значения для горизонтальной трубы. С ростом угла наклона трубы это различие возрастает, но темп роста критерия устойчивости к уменьшается. При углах наклона подогревателя 35-40° величина критерия к достигает значений, полученных для нижней границы режима «захлебывания» в вертикальной трубе, и даже немного их превосходит. С ростом критерия давления К критические тепловые нагрузки возрастают, а граница режима захлебывания сдвигается в область меньших значений критерия устойчивости к. Это характерно как для нижней, так и для верхней границ «захлебывания».
Рис. 1. Влияние давления конденсации на критерий устойчивости для нижней (а) и верхней (б) границ «захлебывания» при различных углах наклона. Опытные данные: 1-40°; 2-35°; 3-30°; 4-25°; 5-20°; 6-15°; 7-10°;
8-5°; расчет: 9-0°; 10-90°; 11-0°; 11, 12-90° [4-5]
Результаты наших исследований, а также данные других авторов [2, 4, 5], полученные для вертикальных каналов, обобщаются следующей зависимостью (рис. 2):
к = С Крп 8т1/4ф, (2)
при Кр < 4104 п = -0,17; С = 9,45 - для нижней границы «захлебывания»; С = 12,2 для верхней границы «захлебывания»; при Кр > 4104 п = 0; С = 1,57 и С = 2,0 соответственно.
к / Ёпр
Р ис. 2. Влияние угла наклона на критерий устойчивости.
Наши данные: 1, 7 - нижняя граница; 2, 6 - верхняя; 3 - данные [2, 3];
4, 5 - данные [4, 5]
Зависимость (2) позволяет определить нижние и верхние критические тепловые нагрузки для тупикового подогревателя, а также его геометрические параметры (относительную длину L/d и угол наклона j) в зависимости от тепловой нагрузки подогревателя. Геометрические параметры тупикового подогревателя определяются из теплового баланса и формулы (2).
Так, предельная относительная длина тупикового подогревателя
( L Л < 5,04^(sinj)1/4 ( d л
V di J
к,, AT
d 2 J
(3)
где кн - коэффициент теплопередачи от пара в подогревателе к нефтепродукту, Вт/(м2К);
АТн - среднетемпературный напор между паром и нефтепродуктом;
Ь - длина трубы подогревателя, м;
d1, а?2 - внутренний и наружный диаметр соответственно, м.
Величина А = г[а(р/-р^)]0’335/^0’17 зависит от давления пара при конденсации и в диапазоне давлений от 1 до 6 бар для водяного пара аппроксимируется зависимостью
A = 6,76 1 06 p 0 2. (4)
С учетом соотношения (4) максимальная относительная длина тупикового подогревателя определяется по зависимости
3,40-10° p0
( Т \ Ъ ЛС\ 1П^0,2 ( d Л
V d 2 J
L
d1
<
, кнАТн
У max н н
(sinj)1/4. (5)
Зависимость (5) можно использовать при проектировании тупикового подогревателя для определения его предельных геометрических параметров.
Экспериментальные данные по средней теплоотдаче при конденсации в тупиковом подогревателе при тепловых нагрузках меньше критических позволили сделать вывод, что процесс теплообмена происходит при турбулентном режиме течения пленки конденсата. Угол наклона подогревателя в диапазоне изменения ф = 5-40° не оказывает влияния на интенсивность теплообмена. Это связано с тем, что при отклонении от горизонтали толщина пленки конденсата по периметру поверхности трубы, не занятой ручьем, увеличивается вследствие стекания конденсата под углом к поперечному сечению трубы, а с другой стороны, толщина ручья по длине трубы уменьшается из-за увеличения проекции гравитационной силы на направления движения ручья. В связи с этим средняя интегральная толщина пленки конденсата по поверхности трубы практически не зависит от угла наклона нагревателя.
Экспериментальные данные по теплообмену при конденсации водяного пара при устойчивой работе тупикового подогревателя обобщаются уравнением (рис. 3):
= 0,021 ЯеШ10,8Рг0,4ж (К + 1)0,85 е , (6)
где Nu = ad/l- число Нуссельта; Яепл = qL/(rmO - число Рейнольдса; Pr = n/a - число Прандтля; К = r/(cDT) - число фазового перехода; Є = (1c/1x)3 8/(mx/mc)18 - температурная поправка; с - изобарная удельная теплоемкость; a - коэффициент температуропроводности; r - теплота фазового перехода; 1 - коэффициент теплопроводности; m и v - динамическая и кинематическая вязкость.
Nu^PPA4(1 + К)0,85е]
Рис. 3. Теплообмен при конденсации в тупиковом подогревателе:
1 - расчет по (6); 2 - по (7)
При тепловых нагрузках выше критических интенсивность теплообмена при конденсации снижается почти в 2 раза, а степень влияния числа Рейнольдса и критерия фазового перехода на теплоотдачу возрастает.
Экспериментальные данные по теплообмену для этих режимов обобщаются следующим уравнением (рис. 3):
= 0,0082 Яеш0,85 Рг0,4ж (К + 1) є, (7)
Заключение
В результате исследований работы тупикового подогревателя установлены нижняя и верхняя границы режимов «захлебывания».
Границы режима «захлебывания» определяются критерием устойчивости. Величина критерия устойчивости зависит от угла наклона подогревателя и критерия давления. С ростом давления величина критерия устойчивости уменьшается.
Получены зависимости для определения нижней и верхней границ режима «захлебывания» в зависимости от угла наклона канала к горизонту.
Получены уравнения для расчета среднего коэффициента теплоотдачи при конденсации водяного пара в тупиковом подогревателе при устойчивой и неустойчивой работе.
СПИСОК ЛИТЕРА ТУРЫ
1. Селиванов Н. В. Исследование работы тупикового подогревателя // Энергосбережение в Поволжье. - 2000. - Вып. 3. - С. 99-101.
2. Пушкина О. Л., Сорокин Ю. Л. Опрокидывание движения пленки жидкости в вертикальных трубах // Тр. ЦКТИ им. И. И. Ползунова. - 1969. - Вып. 96. -С. 34-39.
3. Уоллис Г., Маккенчери Р. Явление висячей пленки в вертикальном кольцевом двухфазном течении // Тр. Амер. об-ва инж.-механиков. Сер. Д. - 1974. - № 3.
- С. 218-219.
4. Безродный М. К. О режиме захлебывания при противоточном течении пленки жидкости и потока газа в вертикальных трубах // Химическое и нефтяное машиностроение. - 1980. - № 5. - С. 30-32.
5. Безродный М. К., Подгорецкий В. М. Предельный теплоперенос в горизонтальном двухфазном термосифоне // Инженерно-физический журнал. - 1990.
- Т. 58, № 1. - С. 63-67.
Получено 25.10.05
THE HYDRODYNAMICS AND HEAT EXCHANGE IN THE DEADLOCK HEATER
N. V. Selivanov, O. N. Selivanova, I. A. Agafonova
The influence of a tilt angle of a heater on the borders of the “flood” mode at the heat and condensate counterflow movement is investigated in the work. It is established that the borders of the “flood” mode are defined by Kutateladze’s stability criterion. Criterion equation for the calculation the borders of "flood" depending on a tilt angle of a heater and pressure criterion is received. A tilt angle does not have any influence on heat irradiation at condensation at all operating modes of a heater. The intensity of heat exchange at condensation is reduced almost twice at heat loads that are more than critical. Criterion equations for the calculation of heat-transfer coefficient at condensation inside a heater are received. The geometrical parameters of a heater providing steady modes of its work are determined there.
