CC BY
27
Войнов Н. А., Жукова О. П., Кожухова Н. Ю., Богаткова А. В., Дерягина Н. В. Интенсификация теплообмена ...
УДК 66.015.23
Хвойные бореальной зоны. Том XXXVI, № 1. С. 28-31 ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ТЕПЛООБМЕНА В ПЛЕНОЧНОМ ИСПАРИТЕЛЕ Н. А. Войнов, О. П. Жукова, Н. Ю. Кожухова, А. В. Богаткова, Н. В. Дерягина
Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
Е-mail: [email protected]
Установлено, что наибольшее применение в промышленности нашли трубчатые испарительные установки, с гравитационным пленочным течением, которые имеют сравнительно низкое гидравлическое сопротивление и высокую производительность. Они работоспособны в широком диапазоне расходов пара и жидкости имеют малую разность температур и низкие эксплуатационные расходы.
Представлены результаты исследования теплоотдачи при кипении пленки воды, стекающей по поверхности труб и данные, полученные в большом объеме жидкости. Струйное орошение поверхности осуществлялось путем пропускания жидкости через отверстия диаметром 2 мм, выполненные тангенциально в трубах для подачи жидкости. В ряде экспериментов струям жидкости обеспечивалось вращение. Кипение жидкости в большом объеме осуществлялось при атмосферном давлении в камере, выполненной в виде змеевика из витков медной трубы. При определении коэффициентов теплоотдачи при кипении использовались экспериментальные данные величин коэффициента теплопередачи и коэффициента теплоотдачи при конденсации водяного пара. Тепловой поток определялся исходя из расхода конденсата, образованного в полости труб змеевика.
Как выявлено при кипении жидкости, в стекающей пленке и удельной тепловой нагрузке более 20 000 Вт/м2 происходит оголение теплопередающей поверхности, что приводит к снижению величины коэффициента теплоотдачи по сравнению с кипением в большом объеме жидкости, это согласуется с известными данными полученными при пленочном течении жидкости по шероховатой и гладкой поверхности.
В случае струйного орошения, путем подачи жидкости из отверстий неподвижных труб, величина коэффициента теплоотдачи составила равной этой величине, полученной в большом объеме жидкости.
Установлено, что при струйном орошении теплопередающей поверхности и обеспечении вращательного движения струй жидкости достигается интенсификация теплоотдачи в 2,2 раза по сравнению с гравитационным пленочным течением. А также на порядок повышается удельная тепловая нагрузка, при котором сохраняется смачиваемость поверхности.
Результаты исследования рекомендуются использовать при конструировании пленочных выпарных аппаратов, экономайзеров, паровых котлов.
Ключевые слова: пленка жидкости, испаритель, кипение, струйное орошение, интенсификация, коэффициент теплоотдачи.
Conifers of the boreal area. Vol. XXXVI, No. 1, P. 28-31 HEAT EXCHANGE INTENSIFICATION IN FILM EVAPORATOR N. A. Voinov, O. P. Zhukova, N. Ju. Kozhuhova, A. V. Bogatkova, N. V. Derjagina
Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: [email protected]
It is established that the greatest application in the industry was found by tubular vaporizing installations, with a gravitational film current, which have rather low hydraulic resistance and high efficiency. They are efficient in the wide range of expenses of steam and liquid have the small difference of temperatures and low operational costs.
Results of a research of a thermolysis when boiling a film of the water, which is flowing down on a surface ofpipes and data, obtained in the large volume of liquid are presented. Jet irrigation of a surface was carried out by transmission of liquid through the openings with a diameter of 2 mm executed tangentsialno in pipes for liquid supply. In a number of experiments rotation was provided to streams of liquid. Boiling of liquid in large volume was carried out with an atmospheric pressure in the camera executed in the form of a coil from rounds of a copper pipe. When determining coefficients of a thermolysis when boiling experimental data of sizes of coefficient of a heat transfer and coefficient of a thermolysis were used at condensation of water vapor. The thermal stream was defined proceeding from a consumption of the condensate formed in a cavity ofpipes of a coil.
As it is revealed when boiling liquid, in the flowing-down film and specific thermal loading more than 20000 W/sq.m occur stripping of a heat-transmitting surface that leads to decrease in size of coefficient of a thermolysis in
comparison with boiling in the large volume of liquid, it will be coordinated with the known data obtained at a film current of liquid on a rough and smooth surface.
In case ofjet irrigation, by supply of liquid from openings of motionless pipes, the size of coefficient of a thermolysis was to the equal this size of the liquid received in large volume.
It is established that at jet irrigation of a heat-transmitting surface and ensuring rotary motion of streams of liquid the thermolysis intensification by 2,2 times in comparison with a gravitational film current is reached. And also much specific thermal loading at which the wettability of a surface remains raises.
Results of a research are recommended to use when designing film evaporating devices, economizers, boilers.
Keywords: liquid film, evaporator, boiling, jet irrigation, intensification, heat transfer coefficient.
ВВЕДЕНИЕ
Пленочные трубчатые испарители широко используются в технологиях переработки биомассы древесины при концентрировании суспензий, обработке гидролизатов древесины, очистке сточных вод, получении дистиллированной воды [1-3].
В настоящее время применяются пленочные выпарные аппараты со стекающей и восходящей пленкой. Наибольшее применение нашли трубчатые выпарные установки, с гравитационным пленочным течением обрабатываемой жидкости, схема потоков, в контактном устройстве которой представлена на рис. 1, а.
Испарители со стекающей пленкой имеют сравнительно не большое гидравлическое сопротивление, высокую производительность. Они могут работать в широком диапазоне производительности при малой разности температур, низком термическом сопротивлении и высокой турбулентности по жидкой фазе. Общие эксплуатационные расходы, включающие пар, электроэнергию, охлаждающую воду и вторичный пар у испарителей со стекающей пленкой ниже по сравнению с известными аппаратами данного типа. Увеличение потребления электроэнергии, вследствие рециркуляции раствора компенсируются более низким потреблением пара и расширенными рабочими циклами, а эксплуатационные расходы на единицу массы воды, выпаренной из раствора примерно на 20 % ниже [1]. Преимуществом испарителя со стекающей пленкой является также менее трудоемкое обслуживание операторами благодаря стабильной его работе, которая также дает им возможность легко реагировать на изменение нагрузки без остановок, что сводит к минимуму потери твердых элементов раствора в конденсате и снижает нагрузку на водоочистные установки.
В этой связи данные установки постоянно совершенствуются и исследуются. Для интенсификации процесса кипения в стекающей пленке жидкости на теплопередающей поверхности обеспечивают дополнительные центры парообразования, например, путем создания шероховатой, пористой структуры или нанесения нанопокрытий [4-6]. Для обеспечения смачиваемости этой поверхности и повышения удельной тепловой нагрузки представляет интерес осуществлять струйное орошение контактных устройств.
Целью данной работы является исследование теплоотдачи при кипении в стекающей пленке воды при струйном орошении теплопередающей поверхности.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Схема потоков в контактном устройстве испарителя при струйном орошении представлена на рис. 1, б. Рабочая жидкость подается в трубы, установленные соосно, в контактных устройствах испарителя и поступает через тангенциально выполненные отверстия в них на теплопередающую поверхность. При таком орошении обеспечивается смачиваемость труб при достаточно высокой удельной тепловой нагрузке.
Исследования проводились на установке, разработанной нами ранее и представленной в работе [7]. Схема потоков пара, газа и жидкости в контактном устройстве установки представлена на рис. 1, в. Контактное устройство включает змеевик внутренним диаметром 0,18 м, выполненный из десяти плотно установленных витков медной трубы диаметром 22*1 мм, во внутрь, которой подавался насыщенный водяной пар. В полость змеевика устанавливалась труба, в которой выполнялись отверстия в количестве 1-4 шт. для прохода жидкости диаметром равным 2 мм. В ряде случаем осуществлялось вращение трубы в полости змеевика путем его присоединения к валу электродвигателя.
Ч>
ч> -о
I
<ъ -о
<н ч>
<н ч>
f
а б в
Рис. 1. Схема потоков в контактном устройстве трубчатого испарителя при пленочном орошении (а), струйном орошении (б) и в экспериментальной установке (в):
—►-жидкость; —> -упаренный раствор; —О - пар первичный; —3> - пар вторичный; ^-конденсат; 1 - корпус; 2 - труба; 3 - отверстие; 4 - змеевик
Войнов Н. А., Жукова О. П., Кожухова Н. Ю., Богаткова А. В., Дерягина Н. В. Интенсификация теплообмена
Давление жидкости в патрубке поддерживалось равным 0,2-0,4 МПа, а ее температура составила равной 96-99 °С.
Величина коэффициента теплоотдачи при кипении рассчитывалась по известному выражению:
1 (1)
1
Кпт
1
X
акон = 0,1 ■ К1,2 ■ Q а7,
: 3,2 • р01 • д01
(3)
Q
Сп - 'кип ) • F
(4)
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Для расчета величины коэффициента теплоотдачи при кипении в стекающей пленке жидкости предложено достаточно большое количество зависимостей, характерное из них согласно [2; 3] имеет вид
Nu = — = 1,85 • Rea1 X
д •б
XT
Л0
(5)
где акщ - коэффициент теплоотдачи при кипении, Вт/(м-К); Коп - опытный коэффициент теплопередачи; 5 - толщина стенки змеевика, м; X - коэффициент теплопроводности меди, Вт/(м-К); а^ - коэффициент теплоотдачи при конденсации, Вт/(м-К).
Коэффициент теплоотдачи при конденсации водяного пара в трубе, из которой был выполнен змеевик, рассчитывался по зависимости, полученной нами ранее [7] в виде
(2)
где д - удельная тепловая нагрузка, Вт/м ; К - критерий фазового перехода.
Интенсивность кипения в большом объеме жидкости рассчитывалась согласно зависимостям [8; 9]
где р - барометрическое давление, ат; д - удельная тепловая нагрузка, Вт/(м2-К).
Опытные значения коэффициента теплопередачи определялись по зависимости:
где ^ - температура водяного пара, оС; 4ип - температура кипения, оС; Е - поверхность теплобмена, м2.
Тепловой поток Q определялся исходя из расхода конденсата, образованного в змеевике при конденсации первичного пара подаваемого из парогенератора с учетом тепловых потерь установки и теплового потока расходуемого на нагревание жидкости до температуры кипения, размещенной на теплопередающей поверхности.
где Ми - критерий Нуссельта; а - коэффициент теплоотдачи, Вт/м-К; 5 - толщина, стекающей плёнки, м; X - коэффициент теплопроводности жидкости, Вт/(м-К); д - удельная тепловая нагрузка, Вт/м2; Re -критерий Рейнольдса плёнки жидкости; ^ - температура насыщенного пара, °С.
Значения акип, рассчитанные по уравнению (5) согласуются (рис. 2, точки 1) с экспериментальными данными полученными нами ранее [2].
Согласно представленным экспериментальным данным на рис. 2 интенсификация процесса теплообмена при кипении в стекающей пленке жидкости осуществляется при сравнительно низких удельных тепловых нагрузках д < 20000 Вт/м2. При дальнейшем увеличении д величина коэффициента теплоотдачи снижается, по сравнению с кипением в большом объеме жидкости (рис. 2, пунктирная линия), что обусловлено появлением на теплопередающей поверхности не смоченных участков [3]. Аналогичные результаты были получены в работе [10] (рис. 2, точки 2).
В случае струйного орошения, без вращения трубы, величина коэффициента теплоотдачи оказалась равной величине акип, полученной в большом объеме жидкости (рис. 2 точки 5).
При вращении трубы 1 (рис. 1) достигнуто повышение величины коэффициента теплоотдачи в сравнении с пленочным течением в 2,2 раза. С увеличением числа оборотов трубы величина коэффициента теплоотдачи возрастает (рис. 2, точки 3 и 4). При этом удельная тепловая нагрузка достигала до 350 000 Вт/м2, тогда как в стекающей пленке эта величина не превышала 50 000 Вт/м2.
Вт /(м2К)
20000 -
15000
10000
5000
0
100000
200000
300000 q, Вт/м2
Рис. 2. Зависимость коэффициента теплоотдачи при кипении от удельной тепловой нагрузки при расходе жидкости (0,14-0,042) кг/с. Экспериментальные точки (1-2): стекающая пленка 1 - данные авторов при Ке = 5000, 2 - [10]; (3-4): струйное орошение 3 - п = 900 об/мин, 4 - 2600 об/мин, 5 - без вращения. Пунктирная линия - кипение в большом объеме, расчет по уравнению (3)
Таким образом, орошение теплопередающей поверхности струями жидкости позволяет интенсифицировать процесс теплоотдачи и увеличить тепловую нагрузку, при котором процесс кипения протекает интенсивнее, чем при кипении в стекающей пленке жидкости.
Рассмотренный выше способ орошения имеет преимущество перед организацией кипения в большом объеме вследствие снижения массы жидкости в аппарате, а перед пленочным течением - в достижении большей удельной тепловой нагрузки.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Высокие значения коэффициента теплопередачи по сравнению с пленочным течением достигающие 20 000 Вт/(м2-К) показывают перспективность использования струйного орошения в пленочных испарителях.
Результаты исследования будут полезны при конструировании пленочных выпарных аппаратов, экономайзеров, паровых котлов.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЕ ССЫЛКИ
1. Таубман Е. И. Выпаривание. Процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии. М. : Химия, 1982. 328 с.
2. Войнов Н. А., Жукова О. П., Николаев А. Н. Теплоотдача при конденсации и кипении в пленочном трубчатом испарителе // Теоретич. основы хим. тех-нол. 2012. Т. 46, № 3. С. 1-9.
3. Войнов Н. А., Николаев А. Н. Теплосъем при пленочном течении жидкости. Казань : Отечество. 2011. 224 с.
4. Pranoto I., Leong К. C., Jin L. W. The role of graphite foam pore structure on saturated pool boiling enhancement // Appl. Therm. Eng. 2012. Ш. 42. P. 163.
5. Saeidi D., Alemrajabi A. A. Экспериментальное исследование теплоотдачи при кипении большого объёма и критический тепловой поток нанострукту-рированных поверхностей // Int. J. Heat and Mass Transfer. 2013. Vol. 60. P. 440.
6. Sakashita Hiroto. CHF and near-wall boiling behaviors in pool boiling of water on a heating surface coated with nanoparticles // Int. J. Heat and Mass Transfer. 2012. Vol. 55, № 23-24. P. 7312.
7. Войнов Н. А., Ледник С. А., Жукова О. П. Тепломассообмен на вихревой контактной ступени // Химия растительного сырья. 2012. № 4. С. 209-213.
8. Арнольд Л. В., Михайловский Г. А., Селиверстов В. М. Техническая термодинамика и теплопередача. 2-е изд., перераб. М. : Высш. шк., 1979. 446 с.
9. Исаченко В. П. Теплообмен при конденсации. М. : Энергия, 1977. 240 с.
10. Гандзюк Ю. М., Григоренко И. П., Зубрий О. Г. Уравнение для расчета средней толщины пленки жидкости, стекающей по наружной поверхности длинных труб // Хим. машиностроение. 1982. № 36. С. 49.
REFERENCES
1. Taubman E. I. Vyparivaniye. Protsessy i apparaty khimicheskoy i neftekhimicheskoy tekhnologii. M. : Khimiya, 1982. 328 s.
2. Voinov N. A., Zhukova O. P., Nikolayev A. N. Teplootdacha pri kondensatsii i kipenii v plenochnom trubchatom isparitele // Teoret. osnovy khim. tekhnol. 2012. T. 46, № 3. S. 1-9.
3. Voinov N. A., Nikolayev A. N. Teplos"yem pri plenochnom techenii zhidkosti. Kazan' : Otechestvo. 2011. 224 s.
4. Pranoto I., Leong K. C., Jin L. W. The role of graphite foam pore structure on saturated pool boiling enhancement // Appl. Therm. Eng. 2012. Vol. 42. P. 163.
5. Saeidi D., Alemrajabi A. A. Eksperimental'noye issledovaniye teplootdachi pri kipenii bol'shogo ob"yema i kriticheskiy teplovoy potok nanostrukturirovannykh poverkhnostey // Int. J. Heat and Mass Transfer. 2013. Vol. 60. P. 440.
6. Sakashita Hiroto. CHF and near-wall boiling behaviors in pool boiling of water on a heating surface coated with nanoparticles // Int. J. Heat and Mass Transfer. 2012. Vol. 55, № 23-24. P. 7312.
7. Voinov N. A., Lednik S. A., Zhukova O. P. Teplomassoobmen na vikhrevoy kontaktnoy stupeni // Khimiya rastitel'nogo syr'ya. 2012. № 4. S. 209-213.
8. Arnol'd L. V., Mikhaylovskiy G. A., Selivers-tov V. M. Tekhnicheskaya termodinamika i teplopereda-cha. 2-e izd., pererab. M. : Vyssh. shk., 1979. 446 s.
9. Isachenko V. P. Teploobmen pri kondensatsii. M. : Energiya, 1977. 240 s.
10. Gandzyuk Yu. M., Grigorenko I. P., Zubriy O. G. Uravneniye dlya rascheta sredney tolshchiny plenki zhidkosti, stekayushchey po naruzhnoy poverkhnosti dlinnykh trub // Khim. mashinostroyeniye. 1982. № 36. S. 49.
© Войнов Н. А., Жукова О. П., Кожухова Н. Ю., Богаткова А. В., Дерягина Н. В., 2018
Поступила в редакцию 18.10.2017 Принята к печати 26.02.2018
