CC BY
13
ш
УДК 621.365.5
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КОАКСИАЛЬНЫХ ИНДУКЦИОННЫХ СИСТЕМ ДЛЯ очистки И НАГРЕВА ЖИДКОСТЕЙ
I К.В. Хацевский
Павлодаский государственный университет им. С. Торайгырова B.C. Чередниченко
Новосибирский государственный технический университет
Апшлмыш жумыспш суйьщтарды вцдеуд'щ иидущияльщ; жылыту Щ® жуйелерш naùdanaiiy моселгщп царастырылган жене жылытылатыи ортада термохимияльщ; урЫстерге талдау жасалган.
В настоящей работе рассмотрены вопросы использования индукционных нагревательных систем для обработки жидкостей и приведен анализ термохимических процессов в нагреваемой среде.
The questions about use of induction heating systems for processing liquids and the analysis termochemical processes in heated up environment are given in this paper.
Применение индукционных систем с коаксиальными цилиндрами для нагрева воды позволяет одновременно с нагревом снижать солесодержа-ние в нагреваемой воде за счет интенсификации химикотермических процессов в электромагнитном поле с получением нерастворимых порошковых продуктов из веществ, растворенных в воде. Общий анализ рабочих режимов обработки жидкости в рассматриваемых устройствах позволил выделить три одновременно протекающих взаимосвязанных процесса: 1) движение и нагрев жидкости в рабочем объеме за счет перепада давлений жидкости на входе и выходе устройства; 2) нагрев и конвективное движение жидкости при взаимодействии непосредственно с нагревающей поверхностью (нагрев в температурной области без насыщения, нагрев при объемном или поверхностном кипении с одновременным протеканием термохимических процессов); 3) движение нагреваемой жидкости за счет объемнораспределенных электромагнитных сил, действующих локально на паропроводящую смесь в рабочем пространстве индукционных систем
№3, 2003 г.
175
нагрева (электромагнитное вихревое перемешивание), с одновременной интенсификацией термохимических процессов в электромагнитном поле. Рассмотрим последовательно эти три процесса.
Принудительное движение жидкости за счет перепада давлений на входе и выходе нагревательного устройства определяет циркуляцию потока жидкости и интегральный теплообмен с коаксиальными цилиндрами. Теплообмен жидкости с нагревающими цилиндрами определяется законом Ньютона и, следовательно, коэффициентом теплоотдачи. Коэффициент теплоотдачи в этом случае зависит от целого ряда факторов: температур теплоотда-ющей (/,) и тепловоспринимающей (Гж) сред, формы и геометрических размеров нагревающих стенок, характера движения жидкости, физических свойств жидкости (теплоемкости (с), теплопроводности ( ), плотности ( ), вязкости ( ), скорости (Уж) и электродинамических сил, возникающих при взаимодействии электропроводной воды с электромагнитным полем.
Взаимодействие жидкости с нагревающей поверхностью зависит от удельной плотности теплового потока при теплообмене и определяет характер движения жидкости непосредственно около поверхности нагрева (объемное или поверхностное кипение, нагрев без парообразования). Величина теплового потока, поступающего в жидкость, в свою очередь, определяется тепловыделением в короткозамкнутых витках индукционной системы нагрева и оценивается на основе решения уравнения теплопроводности с внутренними источниками тепла. Кинетика химикотермичес-ких процессов, протекающих в жидкости при ее нагреве, зависит от скорости нагрева и характера процессов, развивающихся в поверхностных слоях, и могут рассматриваться как оптимизационные параметры для процессов снижения солесодержания в теплоносителе.
Неотъемлемым свойством любой индукционной системы нагрева является наличие интенсивных электромагнитных полей, которые определяют не только интенсивность преобразования электрической энергии в тепловую, но и магнитогидродинамические явления непосредственно в нагреваемой жидкости с преобразованием части электрической энергии в механическую и, как следствие, в электрохимическую при интенсификации хими-котермических процессов. Взаимосвязи этих процессов изучены недостаточно, а исследовать их экспериментально в пространстве индукционной системы нагрева воды практически невозможно. Поэтому потребовалось разработать расчетно-экспериментальный метод оценки режимов работы индукционных систем нагрева воды с одновременным снижением ее солесодержания.
Одновременность протекания термохимических и Теплофизичсских
■ г:
взаимодействий в нагреваемой воде определяет необходимость изучения влияния на эти процессы напряженносгей электромагнитного поля и электродинамических сил, возникающих в гидродинамических потоках нагреваемой воды. В качестве модельного объекта исследований будем рассматривать водопроводную воду со стандартным солесодержапием 6...7 мг-экв/кг.
Направленность термохимических процессов и интенсивность их протекания можно оценить на основе анализа эксплуатационных характеристик наиболее распространенных на практике систем нагрева воды. Отопительные электроустановки, выпускаемые промышленностью, обеспечивают нагрев воды при плотностях теплового потока (4...8)-Ю-4 Вт/м2. Длительность безремонтного периода работы такой системы на основе трубчатых электронагревателей (ТЭН) ограничивается скоростью роста отложений (накипи) на поверхности нагревателя и при толщине отложений в 0,5 мм составляет 800... 1 ООО часов. Электродные электрокотлы, в которых нагрев воды осуществляется за счет пропускания через воду электрического тока сохраняют свои нагрузочные характеристики в течение 80... 100 часов. Затем происходит снижение мощности из-за накопления на электродах отложений. Эти же процессы формирования отложений протекают в любой теплосети, включая системы централизованного теплоснабжения от ТЭЦ и котельных.
Химический анализ отложений показывает, что к основным составляющим относятся карбонатные соединения (Са, Ре)С03, сульфатные Са504-ЗН20, оксиды железа в различных формах (гидроокиси Ре(ОН)3, Ре(ОН)2, гематиты Рс203, вюситы РеО), шпинелиды, магнетиты Ре203. Силикаты в отложениях встречаются как в виде безводных соединений, так и в виде гидратированиых молекул.
Коррозионная агрессивность воды определяется содержанием диоксида углерода С02, кислорода О,, сероводорода НД окислов железа и ионов С1~ и 5042\ Химический состав воды в системах отопления может изменяться в процессе эксплуатации за счет коррозии металла груб в теплосети, взаимодействия воды с воздухом и поступлением добавочной воды. Поэтому несмотря на расход солей в процессе накипеобразования и формирования отложений в трубах, радиаторах и на нагревателях коррозионная способность воды самовосстанавливается, а формирование отложений происходит непрерывно. Этому способствуют реакции окисления железа с образованием бикарбоната: Ре+2С02+2Н20 = Ре(НС03)2+Н2, с последующим
№3, 2003 г.
177
образованием оксидов железа и вторичной двуокиси углерода: 4Ре(НС0,)2+02 = 2Ре20я+8С02+4Н20.
Проведенный анализ химико-термических процессов накипеобразова-ния в замкнутых системах отопления показал, что особенно перспективным является создание устройства, которое бы не только обеспечивало нагрев воды, но и интенсифицировало проведение рассмотренных химических реакций до скорос тей, превышающих скорость восстановления коррозионных способностей воды, с получением нерастворимых соединений в объеме нагреваемой воды без осаждения продуктов реакции на каких-либо поверхностях.
Проведенные исследования на кафедрах «Автоматизация технологических процессов и электропривод» Павлодарского государственного университета и «Электротехнологические установки» Новосибирского государственного технического университета показали, что такой практический результат возможно получить при реализации электронагрева в режимах поверхностного кипения в индукционных системах с движущимися слоями воды, если обеспечить необходимые критические тепловые потоки и напряженности электромагнитного поля. Взаимодействие пароводяной смеси с электромагнитным полем, величина электродинамических сил, возникающих при этом взаимодействии, во многом определяются электропроводностью этой смеси, которая зависит от интенсивности теплофизи-ческих режимов нагрева воды.
