CC BY
22
УДК 532
ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛООБМЕНА ПРИ КОНДЕНСАЦИИ ПАРА В МОДЕЛЯХ АППАРАТОВ С РАЗЛИЧНОЙ СТРУКТУРОЙ ПОТОКА
А.Р. Ляндзберг (КамчатГТУ), А.С. Латкин (КамчатГТУ, НИГТЦДВОРАН), Г.В. Секисов (Институт горного дела, г. Хабаровск)
Комплексное использование ресурсов геотермальных теплоносителей требует разработки аппаратов с активными гидродинамическими режимами при наличии оптимальных режимноконструктивных параметров. С этой целью проводились комплексные исследования теплообмена при конденсации пара на моделях с различными структурами потоков в рабочих объемах. Получены значения коэффициентов теплообмена в зависимости от режимных параметров, разработаны принципиальные методики расчета технологических аппаратов
The complex use of resources of aeomep Monbuux heat-carriers requires the development of the active hydrodynamical modes with optimum design data. For this purpose the complex researches of heat exchange were carried ou or condensation of the steam on models with various structures offlows in working volumes. The results of heat exchange factors are received depending on working conditions, the basic techniques of account of technological devices are developed.
В настоящее время в мире прослеживается тенденция освоения месторождений геотермальных теплоносителей со все большими термодинамическими параметрами. Это связано с повышением эффективности энергоизвлечения из теплоносителя с повышением его термодинамических параметров. Однако с ростом температуры геотермального теплоносителя резко возрастает количество удерживаемых им минеральных соединений. Поэтому высокотемпературные геотермальные флюиды необходимо рассматривать как жидкие руды - новый вид минерального сырья.
Извлечение минеральной составляющей из высокотемпературных геотермальных флюидов возможно на основе процессов частичной конденсации, являющихся «полифункциональным обогащением», т. к. они позволяют одновременно получать конденсат с высокой насыщенностью химическими соединениями, повышать степень чистоты основной части потока, сохранять его энергию для дальнейшей утилизации, а также улучшать экологическую обстановку. Однако технологии комплексной переработки высокотемпературных геотермальных флюидов разработаны недостаточно. В то же время их реализация в условиях регионов с большими запасами геотермального сырья, в частности Камчатской области, может быть весьма перспективной. В этих условиях развитие горной инфраструктуры возможно только при выполнении двух условий:
- привлечения нетрадиционных источников сырья, в т. ч. таких, как высокотемпературные геотермальные теплоносители, что требует модернизации технологических схем;
- повышения эффективности переработки сырья, что требует создания новых технологических аппаратов.
Эти условия смыкаются с экономическими и экологическими проблемами. Эффективно они могут быть решены только в комплексе, при совместном рассмотрении всех составляющих.
В Курило-Камчатском регионе наиболее перспективным источником тепло- и электроэнергии являются парогидротермальные ресурсы. Они содержат существенную долю растворенных химических компонентов, что при существующих технологических схемах переработки носит негативный характер. Реализация схем комплексной переработки позволяет одновременно получать ценные химические реагенты, электро- и тепловую энергию меньшей себестоимости (за счет снижения коррозии и засоления теплотехнического оборудования геотермальных станций) и снизить экологическое воздействие сброса отработанного теплоносителя за счет его очистки.
По химическому составу многие геотермальные флюиды являются носителями ценных химических соединений, в частности ультракислые геотермальные растворы и конденсаты вулканических газов могут использоваться в качестве готовых реагентов в гидрометаллургических технологиях. Определенные типы высокотемпературных геотермальных теплоносителей содержат до нескольких граммов серной кислоты на литр конденсата и до нескольких миллиграммов плавиковой. Например, конденсаты вулканического геотермального теплоносителя вулкана Мутновский представляют концентрат следующего состава, кг/м3: 2п - 7,5; Сd - 0,75; В1 - 0,05; В
- 0,012; Au - 0,0025; НБ - 28; НС1 - 344; H2SO4 - 550 [1].
При рассмотрении характеристик геотермальных флюидов было выделено несколько параметров, определяющих возможность их комплексной утилизации. Установлено, что основные свойства флюида тесно связаны, поэтому возможно систематизировать геотермальные флюиды по физико-химическим свойствам (табл. 1), откуда следует, что для извлечения химических соединений из геотермальных теплоносителей рациональными для освоения будут месторождения термальных вод с рН < 7, геотермального пара с рН < 7 и температурой > 400°С или рН > 7 и температурой > 150°С.
Таблица 1
Классификация геотермальных флюидов
Фазовое состояние pH Температура, °С Минерализация, мг/кг
pH < 7 < 100 > 600
Жидкость pH = 7 < 100 < 50
pH > 7 < 100 50-600
< 150 < 600
pH < 7 150-400 600-6 000
Пар > 400 > 6 000
pH > 7 < 150 < 3 600
> 150 > 3 600
Существующие химические и сорбционные методики извлечения химических соединений из геотермальных флюидов труднореализуемы даже в лабораторных условиях в связи с высоким расходом флюидов, их значительной начальной температурой (до 300°С и более) и высокой минерализацией (более 30 г/кг). Поэтому, учитывая преобладающую растворимость химических соединений в жидкой фазе потока, оптимальным методом их извлечения является частичная конденсация. При этом химические соединения накапливаются в образующемся конденсате в виде концентрата, а энтальпия основной части потока сохраняется для получения электроэнергии. Ведение процесса частичной конденсации возможно в устройствах, реализующих сепарацию капель влаги фракционным составом менее 20 мкм и высокими характеристиками теплопередачи. Таким требованиям отвечают аппараты со взаимодействующими закрученными потоками (ВЗП). Обзор существующих результатов изучения процесса конденсации показал, что в настоящее время отсутствуют работы по исследованию тепломассообмена при конденсации в полях центробежных сил [2]. При работе с высокотемпературными геотермальными флюидами процессы частичной конденсации могут рассматриваться как процессы полифункционального обогащения как в плане получения очищенного, высококачественного теплоносителя, так и получения объединенного концентрата химических соединений. Получение аналогичных концентратов традиционными методами на несколько порядков дороже при учете затрат на добычу минерального сырья, его измельчение, обогащение и применение гидрохимических процессов.
На основании базовой системы дифференциальных уравнений состояния среды (Навье-Стокса, Фурье, энергии и неразрывности) нами предложена модель конденсации водяного пара в поле центробежных сил как теоретический аналог обработки геотермальных флюидов в вихревых аппаратах. Рассмотрение комплекса допущений, характерных для исследуемого процесса, показало, что вихревая конденсация на внутренней поверхности охлаждаемого аппарата качественно не отличается от конденсации на плоской вертикальной поверхности, однако требует учета поверхностных сил и неравномерности распределения температуры по длине охлаждаемой поверхности. Схема элементарного участка конденсации представлена на рис. 1.
Из соотношений теплового и массового балансов нами получены расчетные зависимости, позволяющие теоретически смоделировать процесс вихревой конденсации исходя из его внешних параметров [3]:
- длина поверхности полной конденсации:
Ь = ОпГп/асрпБ АГ„_а; (1)
- толщина конденсатной пленки в зависимости от координаты по длине аппарата при линейной или логарифмической интерполяциях:
3 3
3(х) = -тх. Х;3(Х) =—=-----(Пх -1); (2)
Ь (пЬ )-1
- коэффициент теплоотдачи в зависимости от координаты по длине аппарата при линейной и логарифмической интерполяциях:
Л ( ) Л-L ( ) Л-((lnL) — 1)
a(x) = , ч => а( x) =-; a(x) =---------- ---- ----—. (3)
5(x) W 5 - x V ’ 5 - ((lnx) — 1)
\ / max max ' ' / /
Рис. 1. Схема элементарного участка конденсации
С целью проверки адекватности расчетных данных проведена серия экспериментов на стенде, схема которого представлена на рис. 2. Она состоит из следующих основных блоков: паровой и водяной систем, циклона (вихревой камеры) и приборной доски (13). Циклон состоит из двух сопловых обойм с тангенциальными вводами (1) и (2), четырех рабочих секций (А-О), представляющих собой цилиндрические обоймы с рубашками охлаждения и встроенными термопарами, и приемного бака с трубопроводами дренажа жидкости и пара (3).
Паровая система включает: автоклав-парогенератор (4); сепаратор пара циклонного типа (5); систему догревания пара, состоящую из догревателя (6) и терморегулятора (7). Водяная система охлаждения является оборотной и состоит из верхнего напорного (8) и нижнего приемного (9) баков; насоснорегулирующей станции (10); радиатора (11); бака охлаждающей воды с холодильником (12), не включенного в систему циркуляции.
ПРИБОРНАЯ
холодильник
Рис. 2. Схема экспериментальной вихревой установки (обозначения в тексте)
Методика проведения экспериментов по исследованию тепломассообмена в вихревых условиях состоит в следующем. В парогенераторе производится водяной пар, в сепараторе от него отделяется паразитная жидкость. В догревателе пар доводится до необходимой температуры. Поступая в циклон через сопла, поток пара приобретает вращательное движение в объеме аппарата и при этом конденсируется на охлаждаемых стенках. Полученная жидкость собирается в приемном баке. При повышенной подаче пара несконденсировавшийся остаток выпускается из
бака через дополнительный холодильник.
В процессе эксперимента фиксировались температура, давление и расход пара и охлаждающей воды. В опытах варьировались следующие характеристики: режимные - расход и температура пара и охлаждающей воды; конструктивные - способ ввода пара в аппарат (прямой, циклонный, ВЗПс и ВЗПп). Всего было проведено семь серий экспериментов, каждая включала 17-20 отдельных опытов.
Полученные данные позволили определить характер развития процесса конденсации закрученного потока. В начальных (по ходу подачи пара) участках аппарата насыщенный пар заполняет весь его внутренний объем, толщина конденсатной пленки минимальна, скорость конденсации максимальна. Далее, при конденсации некоторой части пара, несконденсировавшийся остаток продолжает движение в пристенных областях, а в центре аппарата возникает разрежение, куда подсасывается смесь влажного пара и воздуха в приемном баке. По ходу движения вдоль аппарата пар конденсируется, граница пара и внешней среды смещается к периферии. На конечных участках весь пар сконденсирован, по стенке стекает конденсатная пленка максимальной толщины, сечение аппарата полностью заполнено внешней средой.
При определении гидравлического сопротивления аппаратов установлено, что сопротивление циклонных конденсаторов заметно меньше сопротивления прямоточных аппаратов, сопротивление аппаратов ВЗП еще ниже, причем минимальные значения потерь давления наблюдались у аппаратов ВЗПп. На основании экспериментальных данных проводился расчет коэффициента теплопередачи при циклонной конденсации. Результаты в виде его зависимости от температуры конденсатной пленки представлены на рис. 3.
Рис. 3. Зависимость коэффициента теплоотдачи а от температуры конденсатной пленки
Полученные нами экспериментальные данные показывают, что основными параметрами, влияющими на эффективность теплоотдачи при конденсации закрученного потока, являются теплофизические характеристики конденсата, определяемые его температурой. Критериальное уравнение теплоотдачи для данных условий выглядит так:
Ж
0,02 ■ Оа0’84 ■ Рг-3’4
(4)
Все характеристики в уравнении (4) относятся к свойствам конденсатной пленки. Его графическая интерпретация представлена на рис. 3 в виде сплошных линий: первая является обобщенным описанием серий опытов 1-2 и 6, вторая - серий опытов 3-5 и 7. Изменение массовых
и скоростных характеристик потока учитывается в формуле (4) косвенно, через изменение в Ки и Оа характерного размера, равного учетверенной толщине пленки конденсата.
Сравнение эффективности теплоотдачи при конденсации в различных аппаратах показало:
при малых расходах рабочей среды вихревой конденсатор менее эффективен, чем прямоточный; при больших расходах (когда в процесс конденсации вовлекается вся теплообменная поверхность) их эффективность сравнивается; на критических режимах (при конденсации с заметным количеством избыточного пара, что соответствует процессу частичной конденсации при полифункциональном обогащении геотермальных флюидов или при малом температурном напоре хладоносителя) вихревые устройства превосходят традиционные прямоточные аппараты. При этом аппараты ВЗПп наиболее эффективны, коэффициент теплоотдачи в них может достигать максимально возможных для пленочной конденсации значений - до 20 000 Вт/(м2 • °С) и более [4].
Сравнение существующих данных по эффективности сепарации в циклонно-вихревых аппаратах с полученными нами данными по теплоотдаче при конденсации позволило установить: у аппаратов ВЗПс - наилучшие сепарационные, у аппаратов ВЗПп - теплопередающие характеристики (в напряженных режимах работы). Таким образом, аппараты ВЗП по комплексу свойств являются наиболее эффективными для ведения технологических процессов конденсации-сепарации, в т. ч. при комплексной переработке геотермальных флюидов.
Анализ особых условий протекающего процесса (объемной конденсации в закрученном потоке, возможности возникновения капельного режима, конденсации на крышке циклона) показал, что ни одно из них не меняет внешней картины теплоотдачи при конденсации закрученного потока.
На основании проведенных комплексных исследований предложена конструкция вихревого конденсатора-сепаратора и разработана методика его инженерного расчета. Основные ее положения выглядят следующим образом:
1) диаметр аппарата определяется по оптимальной величине среднерасходной скорости Жср_р равной 10 м/с:
Ю =
40..
Ж -п
ср-р
40 - V (5)
м; (5)
Ж -п
ср- р
2) определяется тепловой поток в аппарате и режим его охлаждения, рассчитывается средний (среднелогарифмический) температурный напор;
3) определяется длина аппарата Ь: по формуле (1), где аср находится по формуле (4); длина аппарата Ь2 - по величине безразмерной длины = Ь/Ю, равной 1,5-2,5 - для циклонов и 3-4 -для аппаратов ВЗП; производится сравнение Ь: и Ь2, на основании чего оптимизируются окончательные диаметр и длина аппарата;
4) выбирается расположение и конфигурация сопел; рекомендуются два тангенциальных ввода с противозакруткой (аппарат ВЗПп), в каждом - два прямоугольных сопла с соотношением сторон, близким к соотношению 1 : 2 (ширина : высота);
5) определяется суммарная площадь сопел из условия ограничения в сопловом сечении скорости 0,1 М, определяются площадь и геометрические размеры каждого сопла;
6) выбирается схема отвода сконденсировавшейся жидкости;
7) размеры системы охлаждения рассчитываются из условия ограничения характерных скоростей движения охлаждающей среды: 40 м/с при охлаждении паром (рис. 4); 2-3 м/с при охлаждении водой.
Выводы
Развитие сырьевой базы становится более эффективным на основе вовлечения нетрадиционных видов и комплексного использования минерального сырья, одним из которых являются высокотемпературные геотермальные флюиды. Эффективность их использования резко возрастает с привлечением процессов обогащения, в частности процессов частичной конденсации. Для реализации данных процессов необходима их комплексная научная проработка, первые результаты которой приведены в предлагаемой работе. Кратко они сводятся к следующему:
1. Проведен анализ сырьевой базы высокотемпературных геотермальных флюидов, предложена их классификация как объектов комплексной переработки на основании физикохимических свойств.
2. Построена теоретическая модель процесса вихревой конденсации, получены математические зависимости, позволяющие рассчитать основные параметры данного процесса по предварительно заданным внешним условиям.
3. Установлено, что вихревые конденсаторы, в первую очередь ВЗП, более предпочтительны по теплопередающим характеристикам по сравнению с прямоточными аппаратами в напряженных тепловых и расходных режимах работы; имеют меньшее гидравлическое сопротивление на всех режимах.
4. Найдено критериальное уравнение, описывающие теплоотдачу при конденсации закрученного потока в различных режимах.
Литература
1. Латкин А.С., Шевкун Е.Б., Трухин Ю.П. Геотермальные теплоносители как сырьевая база северо-западной Пацифики // Тез. докл. Международного симпозиума «Тектоника, энергетические и минеральные ресурсы северо-западной Пацифики». - Хабаровск, 1989. - С. 116.
2. Латкин А.С. Вихревые процессы для модификации дисперсных сред. - Владивосток: Дальнаука, 1998. - 190 с.
3. Ляндзберг А.Р. Разработка рациональной технологии комплексного извлечения полезных компонентов при переработке высокотемпературных геотермальных флюидов: Дис. ... канд. техн. наук. - Чита, 2002. - 177 с.
4. Секисов Г.В., Латкин А.С., Ляндзберг А.Р. Исследование процесса обогащения высокотемпературных геотермальных флюидов методами частичной конденсации // Экологические проблемы и новые технологии комплексной переработки минерального сырья. Материалы международного совещания. - Чита, 2002. - С. 78-86.
