CC BY
81
УДК 621.181.123
Е. Н. СЛОБОДИНА А. Г. МИХАЙЛОВ
Омский государственный технический университет
ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССА ТЕПЛООБМЕНА ПРИ КИПЕНИИ ЖИДКОСТИ В РАЗРЯЖЕННОЙ СРЕДЕ
В статье рассмотрены особенности теплообмена при кипении жидкости в разряженной среде, влияющие на эффективность работы теплообменного оборудования. Предложен метод интенсификации процесса теплообмена при давлениях ниже атмосферного.
Ключевые слова: вакуумный котел, кипение, теплоотдача, давление, оребре-ние, капиллярная постоянная.
В настоящее время широкое распространение получили теплообменные аппараты, в которых происходит кипение теплоносителя. Подобные теплообменники используются в самых разнообразных теплотехнологических установках в различных отраслях промышленности: микробиологической, химической, пищевой, металлургической, а также в теплоэнергетике.
Эффективность функционирования подобных устройств зависит от интенсивности теплоотдачи в зоне кипения, в том числе и при давлениях ниже атмосферного.
Примером теплоэнергетического оборудования является вакуумный котел.
Давление ниже атмосферного влияет на интенсивность теплообмена со стенкой. Переход к процессу кипения в областях с пониженным давлением связан с ухудшением теплообмена вследствие уменьшения числа соударений молекул с поверхностью и между собой. При разряжении создаются значительные трудности в образовании паровой фазы на поверхности нагрева, уменьшается число активных центров парообразования, увеличивается критический радиус парового пузырька, изменяются характеристики процесса кипения (скорость роста, отрывной диаметр, частота отрыва паровых пузырьков) [1].
В дальнейшем будет рассмотрен процесс кипения при естественной конвекции в замкнутом объеме при различных давлениях насыщенных паров. Переход к конвективным явлениям в областях с пониженным давлением связан с дальнейшим ухудшением теплообмена.
Температура насыщения определена с использованием модификации уравнения Клапейрона предложенной Антуана для диапазона давлений от 1 до 200 кПа:
Р = ехр| А +
В
+ Я • Т + Е • Т2 + Т • 1п(Т)
1п ру = А -
В
Т + с
С + Т
где константы О, Е и F — справочные величины [2].
Уравнен—е Анруана демонстрирует неразрывную взаимосвязь между такими параметрами, как давление и температура.
Существуют различные методики для расчета коэффициентов теплоотдачи (а) при кипении жидкости. Так как коэффициент теплоотдачи жидкости зависит только от режимных параметров (д, р), то для практических расчетов применяются эмпирические зависимости.
При расчете процесса кипВния в большом объеме в диапазоне да в лений от 1 до 200 бар возможно применение соотношения М. А. Михеева и И. М. МихеевоР
3 4 _е,18 3,4Р „2/3
1 - 0,0045 р
Л
где Т — температрра нас +1Щения, к+Естанты А, В и С.
Значения констант определены методом регрессии экспериментальных данных.
При давлениях свыше 200 кПа температуры насыщения определяется по расширенной формуле:
или, согласно авторам В. П. Исаченко, В. А. Осипо-ву, А. С. Сукомелу:
а = 3,0д0,7р0,15.
При расчете теплоотдачи в зоне развитого кипения и при более высоких тепловых потоках и давлении целесообразно применять расчетную зависимость Ю. М. Липова и Ю. М. Третьякова:
а = 0,9^ 4,34^ д°'7(р014+1,3540-2р2),
где р — давление насыщенных паров, д — плотность теплового потока [3].
Вопросы расчета коэффициентов теплоотдачи также рассмотрены в трудах других авторов [4].
Изменения механизма и интенсивности теплообмена приводят к возникновению кризисов кипения, наличие которых отрицательно сказывается на общей эффективности вакуумного котла. Одним из определяющих факторов возникновения кризисов кипения и параметров, свидетельствующих о интенсивности процесса теплообмена, является коэффициент теплоотдачи, который уменьшается с понижением давления. Возникает необходимость
Рис. 1. Расчетная схема оребренной поверхности
Рис. 4. Расчетные зависимости для пузырькового кипения жидкости
Рис. 2. Зависимости коэффициентов теплоотдачи при кипении жидкости от давления насыщенных паров: 1 — М. А. Михеев, И. М. Михеева; 2 — В. П. Исаченко, В. А. Осипов, А. С. Сукомел; 3 — Ю. М. Липов, Ю. М. Третьяков
Рис. 5. Влияние давления на относительную эффективность оребрения
/ =
£ (Рж - Рп )'
Рис. 3. Влияние давления на величину капиллярной постоянной кипящей жидкости
применения интенсификаторов. Наиболее эффективный метод интенсификации — это организация процесса кипения в системе капиллярных щелевых каналов. Данные каналы могут быть образованы путем формирования поверхности теплообмена системой ребер, размещаемых со стороны кипящего теплоносителя [5, 6].
Организация процесса кипения в системе капиллярных щелевых каналов требует соблюдения условия, при котором величина щелевого зазора между соседними ребрами не превышает величины капиллярной постоянной кипящей жидкости. Капиллярная постоянная кипящей жидкости рассчитывается по формуле:
где а — коэффициент поверхно стного натяжения кипящей жидкости; £ — ускоеение силы тяжести; рж, рп — плотность жидкости и пара.
Величина щелевого зазора должна подбираться с учетом критического радиуса парового пузырька, которые меняются с понижением давления. Формула для расчета критического радиуса парового пузырька:
п = В
кр~ гРп (е - е)'
где а — коэффициент поверхностного натяжения кипящей жидкости; рп — плотность пара; г — теплота парообразования; Тс — температура стенки; Тн — температура насыщения [1].
Моделирование процесса кипения в разряженном объеме происходит в системе капиллярных щелевых каналов (рис. 1). Щелевые каналы образуются путем снабжения гладкой поверхности (О) системой ребер (Р). Главная задача обеспечить оптимальные геометрические параметры поверхности ребер. К ним относятся: высота ребра (Н), толщина ребра (5), щелевой зазор между ребрами (Ь).
Исследуемый диапазон давлений 10 — 608 кПа. Расчеты производились при постоянной высоте и толщине ребра. Щелевой забор между ребрами подбирался индивидуально для каждого давления.
Расчет коэффициента теплоотдачи по трем разным методикам подтвердил влияние давления
в
ниже атмосферного на интенсивность теплообмена в разряженной полости, с понижением давления происходит снижение коэффициента теплоотдачи (рис. 2). Снижение интенсивности процесса кипения в разряженной полости приводит к снижению КПД теплообменного аппарата в пределах 5 % [3].
Важной задачей является подбор геометрических характеристик оребрения таким образом, чтобы обеспечивался максимальный эффект. Необходимо учитывать динамику изменения величины капиллярной постоянной кипящей жидкости и критического радиуса парового пузырька в различном диапазоне давлений (рис. 3 — 4). С понижением давления капиллярная постоянная и критический радиус парового пузырька увеличивается вследствие уменьшения плотностей жидкости и пара.
Анализ полученных расчетных данных двух параметров, капиллярной постоянной кипящей жидкости и критического радиуса парового пузырька (рис. 4), позволил выделить диапазон давлений, где данный метод интенсификации эффективен. Рабочий диапазон давлений ограничен давлением 60 кПа. При дальнейшем понижении давлений критический радиус парового пузырька начинает превышать величину капиллярной постоянной кипящей жидкости, требуется более тщательный подбор метода интенсификации в диапазоне от 10 до 60 кПа, так как существует возможность попадания в режим неустойчивого кипения.
Применение оребрения со стороны кипящего теплоносителя увеличивает коэффициент теплоотдачи (рис. 5) и эффективность теплообмена в целом.
Данный метод эффективен для интенсификации процесса кипения в интервале давлений от 60 до 608 кПа.
Библиографический список
1. Исаченко, В. П. Теплопередача : учеб. для вузов / В. П. Исаченко, В. А. Осипова, А. С. Сукомел. — 4-е изд., пере-раб. и доп. — М. : Энергоиздат, 1981. — 416 с.
2. Reid, R. C. The Properties of Gases and Liquids / R. C. Reid, J. M. Prausnitz, B. E. Polling. - 4th edition, McGraw-Hill, New York, 1988. - 803 р.
3. Слободина, Е. Н. Влияние процесса кипения в разряженной полости на эффективность работы вакуумного котла / Е. Н. Слободина // Омский научный вестник. Сер. Приборы, машины и технологии. — 2015. — № 3 (143). — С. 185-187.
4. H. Feldmann, A. Luke, Nucleate boiling in water for different pressures // International Refrigeration and Air Conditioning Conference at Purdue, July 14—17, 2008. — P. 1 — 8.
5. Влияние теплофизических свойств материала оребрен-ной поверхности на выбор ее оптимальных геометрических характеристик / С. Д. Корнеев [и др.] // Известия МГИУ. — 2006. — № 1 (2). — С. 56 — 61.
6. Справочник по теплообменникам. В 2 т. Т. 1 / Под ред. О. Г. Мартыненко ; пер. с англ. — М. : Энергоатомиздат, 1987. — 560 с.
СЛОБОДИНА Екатерина Николаевна, ассистент кафедры теплоэнергетики.
МИХАИЛОВ Андрей Гаррьевич, кандидат технических наук, доцент (Россия), заведующий кафедрой теплоэнергетики.
Адрес для переписки: slobodina_e@mail.ru
Статья поступила в редакцию 13. 01. 2016 г. © Е. Н. Слободина, А. Г. Михайлов
Книжная полка
621.311/Г90
Грунин, В. К. Основы электроснабжения объектов. Расчет электрических нагрузок : [Электронный ресурс] / В. К. Грунин. - Омск : Изд-во ОмГТУ, 2015. - 1 о=эл. опт. диск (CD-ROM).
Рассмотрены характеристика и структура систем электроснабжения, классификация и характеристика как приемников, так и потребителей электрической энергии. Представлены графики электрических нагрузок и коэффициенты, характеризующие графики. Приведены методы расчета нагрузок на различных уровнях СЭС и даны рекомендации по их выбору.
Предназначен для студентов специальности 140211 «Электроснабжение» очной, очно-заочной и заочной форм обучения.
Суворин, А. Современный справочник электрика / А. Суворин ; под ред. Д. Волковой. - Ростов н/Д. : Феникс, 2016. - 517 c. - ISBN 978-5-222-26212-2.
В справочнике в доступной форме кратко изложены основные общетехнические положения, необходимые электротехнику. В книгу включены сведения по теоретической электротехнике, электротехническим материалам, электроснабжению потребителей, дано краткое описание силового и осветительного оборудования, технические характеристики и справочные данные, рассмотрены однофазные и трехфазные трансформаторы, асинхронные и синхронные машины, машины постоянного тока. Даны сведения по качеству электроэнергии, электронным приборам и их практическому применению. Кроме того, в справочнике представлены схемы различных полезных устройств для самостоятельного изготовления понравившейся конструкции.
Справочник предназначен для инженеров и техников по специальности электроснабжение по отраслям (городов, промышленных предприятий и сельского хозяйства), а также для электриков и электромонтеров, занимающихся монтажом, эксплуатацией и ремонтом электрооборудования и различных электрических сетей. Кроме того, он будет полезен и широкому кругу домашних мастеров.
