ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛООБМЕНА В АППАРАТАХ С ВЕРТИКАЛЬНЫМИ ТЕПЛООБМЕННЫМИ УСТРОЙСТВАМИ Текст научной статьи по специальности «Физика»

Процессы и аппараты

УДК 66.013:66.047

Andrey A. Gyulumyan, Aleksandr N. Verigin, Nikolay A. Nezamaev

RESEARCH OF HEAT EXCHANGE IN DEVICES WITH VERTICAL HEAT EXCHANGING EQUIPMENT

St. Petersburg State Institute of Technology (Technical University), Moscovsky pr., 26, St. Petersburg, 190013, Russia e-mail: [email protected]

The results of experimental studies of fluid flow and heat transfer as applied to devices with a mixer and vertical heat exchange devices are presented. Their high thermal efficiency is shown. Experimental data are summarized on the basis of the earlier obtained theoretical dependence for the calculation of the heat transfer coefficient to the mixed medium.

Keywords: heat transfer, heat transfer surface, the apparatus, mixing, power, efficiency

А.А. Гулумян1, А.Н. Веригин2, Н.А. НезамаевЗ

ИССЛЕДОВАНИЕ

ТЕПЛООБМЕНА

В АППАРАТАХ С

ВЕРТИКАЛЬНЫМИ

ТЕПЛООБМЕННЫМИ

УСТРОЙСТВАМИ

Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет), Московский пр., 26, Санкт-Петербург, 190013, Россия e-mail: [email protected]

Приведены результаты экспериментальных исследований гидродинамики и теплообмена применительно к аппаратам с перемешивающим устройством и вертикальными теплоо-бменными устройствами. Показана их высокая тепловая эффективность. Экспериментальные данные обобщены на основании полученной ранее теоретической зависимости для расчета коэффициента теплоотдачи к перемешиваемой среде.

Ключевые слова: теплообмен, теплопередача, поверхность, аппарат, перемешивание, мощность, эффективность

Теоретические основы расчета теплообмена в аппаратах с вертикальными теплообменными устройствами были рассмотрены ранее [1]. Экспериментальные исследования проводились с целью оценки влияния теплоотдачи от конструктивных и режимных параметров с учетом неравномерности диссипации энергии по радиусу и высоте аппарата с вертикальными теплообменными элементами. Основные геометрические размеры аппаратов, в которых проводились эксперименты, приведены в таблице 1.

Таблица 1. Характеристики исследуемых аппаратов

№ Диаметр Полный Число верти- Наружный диа-

п/п аппарата, мм объем, м3 кальных труб метр труб, мм

А1 295 2010-3 110+236 10

А2 345 3010-3 36 20

A3 600 11510-3 140 25

Обозначение Л1 Л2 Л3 Л4 Л5 Л6 Т1 Т2

Наружный диаметр, мм. 120 120 120 120 120 200 100 120

Высота, мм. 200 100 50 150 100 230 20 25

Число лопастей 4 4 4 4 2 4 6 6

Вводимая в перемешиваемый объем мощность определялась по уравнению

N = N0 - Nx,

(1)

Геометрические размеры использованных перемешивающих устройств приведены в таблице 2.

Таблица 2. Размеры использованных перемешивающих устройств (л - лопастные, т - турбинные)

где N0, N,1 - мощность на валу в заполненном и пустом аппарате.

Схема экспериментальной установки приведена на рисунке 1. В экспериментах измерялись частота вращения мешалки по тахометру 3 и мощность на валу мешалки по ваттметру 4.

Эксперименты по определению поля скоростей жидкости проводились в аппарате 1 (таблица 1). На валу устанавливались мешалки следующих типов: Л1, Л2, ЛЗ, Л5, Т2, число эмитирующих стержней составляло 110, 160, 230. Для измерения скоростей жидкости использовалась двухканальная пьезометрическая трубка 5, соединенная с дифференциальным манометром 6. Каналы пьезометрической трубки были направлены в противоположные стороны, и поэтому дифференциальный манометр показывал удвоенный динамический напор потока. Диаметр каналов составлял 0,8 мм, а база трубки - 5 мм, что позволяло с достаточной точностью измерять скорость перемешиваемой среды. Измерительная трубка вводилась внутрь аппарата через отверстия в корпусе.

Измерение скоростей проводились с шагом по радиусу и по высоте аппарата - 10 мм. При различных числах оборотов п = 3-6 об/сек в одной и той же точке были получены одинаковые значения относительной ско-

1 Гулумян Андрей Александрович , аспирант, каф. машин и аппаратов химических производств, e-mail: [email protected] Andrey А. Gulumyan, a graduate student, Department of machinery and equipment for the chemical industry

2 Веригин Александр Николаевич, д-р техн. наук, профессор, зав. каф. машин и аппаратов химических производств, [email protected] Aleksandr N. Verigin, Dr. Sci. (Eng.), Professor, Head of Department of machinery and equipment for the chemical industry

3 Незамаев Николай Александрович канд. техн. наук, доцент, каф машин и аппаратов химических производств, e-mail: [email protected] Nikolay A. Nezamaev, PhD (Eng.), Associate Professor, Department of machinery and equipment for the chemical industry

Дата поступления - 05 октября 2016 года

рости жидкости ш/юого. Тарировка пьезометрической трубки осуществлялась путем измерения скорости жидкости, движущейся в трубе.

Рисунок 1. Схема экспериментальной установки: 1 - аппарат; 2 - электродвигатель; 3 - тахометр; 4 - ваттметр;

5 - пьезоэлектрическая трубка; 6 - динамометр; 7, 8 - ротаметры;

9 - кондуктометр; 10 - V- образные трубки; 11 - имитационные трубки; 12 - мешалка; 13 - емкость с горячей водой; 14 - емкость с холодной водой; 15 - насосы

В результате было установлено, что для расчета скорости по показаниям дифференциального манометра может быть использована зависимость ™ = , где ДЛ - разность уровней жидкости в коле-

нах дифференциального манометра 6, м; Кг, - поправочный коэффициент Кш = 1^1,1.

Радиальная и окружная составляющие относительной скорости ш/юого при установке в аппарате мешалок различного типа представлены на рисунке 2. Из рисунка видно, что в любой части объема аппарата хотя бы одна составляющая относительной скорости жидкости имеет достаточно высокие значения, близкие к единице. Радиальные скорости сравнимы с окружной скоростью жидкости. В верхней части аппарата радиальная скорость направлена к центру и имеет достаточно высокие значения. При использовании мешалок, имеющих большую высоту, увеличивается ширина радиальной струи жидкости в центральной области, окружная скорость убывает вниз и вверх от центра медленнее, а гидродинамическая обстановка становится более равномерной. В центральной части аппарата наблюдается интенсивное движение жидкости. Для того, чтобы не допустить снижение скоростей у дна и крышки, высота цилиндрической части корпуса аппарата не должна значительно превосходить его диаметр.

3 4

Рисунок 2. Эпюры для радиальных (а) и окружных (б) скоростей при использовании 1 турбинной Т1 и 2, 3, 4 лопастных Л1, Л2, Л3 мешалок масштаб относительной скорости Мш0г0

Измерение скоростей позволило рассчитать значение и построить графические зависимости коэффициентов, учитывающих неравномерность диссипации энергии по высоте К, и радиусу К аппарата от удельной поверхности теплообмена F/V. Для расчета коэффициентов КГ и К,, объем, в котором расположены трубы, разбивался на 3 участка по радиусу и 7 участков по высоте аппарата. Принималось, что в пределах каждого участка радиальная и окружная скорости не изменяются по величине и соответствуют значениям Шг и Шт в центре участков. Количество труб в пределах каждого участка П (/' = 1, 2, 3), рассчитывалось в соответствии с принятыми его внутренними границами гт

гт: гт + (Я - гт)/3 , гт + 2(Я - гт )/3 , Й.

Величины Кг и К,, рассчитанные с учетом и без учета коэффициента сопротивления £(Л,г), оказались приблизительно одинаковыми. Поэтому окончательно они определялись по уравнениям [2]

(2)

Графические зависимости К^/У) и (ри-

сунок 3), полученные для различных типов перемешивающих устройств были в дальнейшем использованы для расчета коэффициентов теплоотдачи.

Эксперименты по определению коэффициентов теплоотдачи от одиночных труб, расположенных на различном расстоянии от оси аппарата, проводились в аппарате А1. В качестве модельной среды была использована вода и 65 %-ный водный раствор глицерина. На днище аппарата установлены и-образные медные трубки, по которым циркулирует горячая вода, подаваемая из емкости. Для перекачивания воды по трубам использовался насос термостата. Температура горячей воды на входе и выходе

из труб измерялась ртутными термометрами с ценой деления 0,2 °С, которые устанавливались непосредственно перед входом и на выходе воды. С внутренней стороны крышки в резьбовые отверстия устанавливались алюминиевые стержни диаметром dcm = dm = 10 мм, имитирующие теплообменные устройства.

(3)

К а, ХсТ

где 5ст и Лст - толщина и теплопроводность стенки, м, Вт/К;

Коэффициент теплопередачи К находится по уравнению

Q

К = -

F-AT

(5)

где с - теплоемкость воды при средней температуре в трубах, дж/кг. К; в и tвых - температура воды на входе и выходе из труб.

Коэффициент теплоотдачи от труб к жидкости а2 определялся по уравнению:

(4)

Поскольку ^вх - tвых)/(tвых - tа) < 2, то средняя движущая сила процесса теплопередачи с достаточной точностью может быть определена по уравнению

ду^ _ у К; Ъ1Х _ ^

где ta

(6)

температура среды в аппарате, °С. Оценку относительной погрешности величины К можно получить из уравнения

^ = + ^ + 1м = (5с + + ,) + IF +

(7)

Расчет по уравнению (7), а также сравнение величин К при воспроизведении экспериментов свидетельствует о том, что во всех проводимых экспериментах величина относительной погрешности £„ не превышала 5 %. Коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности труб является более наглядной характеристикой гидродинамического режима в аппарате, поскольку он зависит от скорости течения жидкости по трубам. Теплоотдача при течении жидкости в каналах хорошо изучена и коэффициент а1 с достаточной точностью может быть определен по критериальным уравнениям [3].

Точность определения а1 по уравнению (4) будет зависеть от точности определения К и а1. С другой стороны, относительная погрешность величины а2 будет тем выше, чем меньше знаменатель дроби в правой части уравнения (4).

JcT

К

б

Рисунок 3. Зависимость коэффициентов К, (а) и Кь (б) от удельной поверхности труб в аппарате при установке мешалок: 1 - Л1, 2 - Л2, 3 - Л3, 4 - Т1

Эксперименты проводились при следующем числе устанавливаемых стержней - 110, 140, 160, 235, что соответствовало удельной поверхности теплообмена 46, 58, 68 и 98 м2/м3. Температура воды в аппарате измерялась термометром. На валу устанавливались турбинные и лопастные мешалки - Л1, Л2, Л3. Температура в аппарате поддерживалась в пределах 20-25 °С. Для этого в верхнюю часть аппарата дозировалась холодная вода. Аппарат работал в проточном режиме. При этом скорость изменения температуры в аппарате не превышала ± 0,1 °С в минуту.

Показания термометров измеряющих температуру воды на входе, выходе из труб и температуру в аппарате фиксировались одновременно. Количество тепла Q, переданного через поверхность труб, определялось по уравнению:

V

J___1_

К а.

то при К ^ а1 (теплообмен лимитируется теплоотдачей к внутренней поверхности труб) изложенная методика не может быть применена ввиду большой величины относительной погрешности £а2. Поэтому при проведении экспериментов обеспечивалась высокая скорость течения воды по трубам, которой соответствовало число Rе > 20500.

При величине Gв = 0,0237 кг/сек режим течения в трубе соответствовал переходной области (2300 < Re < 10000), в которой для расчета а1 использовалась графическая зависимость № ^е, Рг, Ргст) [3]. Для остальных значений Gв ^е > 10000) для расчета а1 использовалась зависимость

ч 0,25

РГ ^ . (8)

Nu = 0,021 • Re"'s- Рг0'43

Рг,,

Поскольку величина а2 инвариантна по отношению к скорости течения воды по трубам, то при одинаковых гидродинамических условиях в аппарате должны быть получены одинаковые значения величины а2 при любых расходах воды. Для оценки погрешности проводимых измерений были проведены эксперименты при четырех значениях расхода воды Gв. Условия проведений экспериментов и результаты оценки погрешности величины £а2 приведены в таблицах 3 и 4 (мешалка Л1, (таблица 2), количество труб 160), откуда видно, что во всех проводимых экспериментах средняя относительная погрешность определения а2, не превышала 4 %, а максимальное отклонение от среднего значения составило 10 %.

Таблица 3 Условия проведения экспериментов по оценке относительной погрешности определения величины а2

Расход воды в трубе Gb, кг/с Критерий Рейнольдса Re Коэффициент теплоотдачи к внутренней стенке трубы «1, вт/м2К

0,063 20500 7300

0,06 18220 6650

0,037 12530 4950

0,0237 8080 3400

Таблица 4. Условия проведения экспериментов по оценке относительной погрешности а2

Вводимая моЩность N, вт Коэффициент теплопередачи К, вт/м2К Коэффициент теплоотдачи а, вт/м2К а2, вт/ м2К Да2, вт/ м2К Z

Номер эксперимента Номер эксперимента

1 2 3 4 1 2 3 4

15 1650 2110 1930 1600 2300 3090 3170 3045 2900 300 10

44 2540 2450 2200 1810 3890 3870 3970 3880 3900 30 1,0

88 2945 2740 2375 1980 4940 4650 4580 4750 5255 115 2,5

140 3080 2910 2530 2070 5300 5170 5210 5340 5560 65 1,2

220 3220 3020 2615 2083 5760 5630 5570 5380 6135 100 1,8

300 3370 3210 2780 2145 6260 6200 6370 5800 6680 180 2,9

370 3445 3260 2920 - 6530 6360 7160 - 320 4,8

Эксперименты по определению коэффициента теплоотдачи а,2 от пучка труб при перемешивании сред с различными теплофизическими свойствами проводились в аппарате А2. На днище установлены шесть пучков труб: два рабочих и четыре имитационных. В каждом пучке собрано по 6 труб. Рабочие пучки изготовлены из нержавеющей стали, имитационные пучки - медные. В блок с последовательным соединением труб из емкости 13 насосом подавалась горячая вода. Для подогрева воды в емкости 13 установлены термостат и нагреватели общей мощностью 6 квт. Для поддержания постоянной температуры в аппарате из емкости 14 насосом в блок с параллельным соединением труб подавалась холодная вода. Для определения перепада температур горячего и холодного теплоносителей и движущей силы процесса теплопередачи в аппарате, на входе и выходе из тепло-обменных устройств были установлены термопары. Эксперименты проводились при полностью открытых вентилях, что обеспечивало постоянное значение величины гидравлического сопротивления и расхода в трубах. Расход воды в трубах теплообменных устройств определялся путем измерения времени заполнения емкости известного объема. Для уменьшения потерь в окружающую среду корпус и крышка аппарата были покрыты тепловой изоляцией.

При проведении экспериментов проводился контроль теплового баланса аппарата. При этом учитывались потери в окружающую среду и механически вводимая в аппарат энергия.

(9)

где Qx, Qr - количество тепла отводимое и подводимое соответственно холодным и горячим теплоносителем, Вт; Qп - потери в окружающую среду, Вт; Qм - энергия, вводимая в аппарат при перемешивании, Вт.

Для определения потерь в окружающую среду в течение 3-х ч при непрерывном перемешивании и при отключенных насосах 15 проводилось естественное охлаждение предварительно нагретой до 80 °С воды в аппарате. Через определенные промежутки времени фиксировалась температура в аппарате. Считая температуру стенок аппарата приблизительно равной

температуре воды и зная массу аппарата и залитой в него воды, по скорости охлаждения определяли величину Qп. Расхождения при расчете теплового баланса по уравнению (9) во всех экспериментах составляла не более 8 %.

Проведены эксперименты для сравнения эффективности теплопередачи в блоках с параллельным и последовательным соединением труб. Для этого обеспечивалась одинаковая скорость течения воды в трубах каждого блока. При этом во всём диапазоне частот вращения мешалки отличия в эффективности теплопередачи обнаружено не было. Величины К и а в обоих случаях имели одинаковое значение, При большем расходе воды блок с параллельно соединенными трубами обеспечивал большую величину теплового потока за счет большей средней движущей силы процесса теплопередачи. В качестве модельных сред при исследовании теплоотдачи от пучка труб были использованы вода, глицерин результаты экспериментов представлены на рисунках 4 и 5.

3 2 а 10. Вт м к

N/V, кВт м

Рисунок 4. Зависимость коэффициента теплоотдачи а от удельной вводимой мощности N/V. Аппарат А1; мешалка Л1; обрабатываемая среда глицерин; расстояние от центра аппарата до трубы: 1 - r = 0,6; 2 - r = 0,75; 3 - r = 0,9; 4 - для аппарата со змеевиками.

-3 2 а 10. Вт м к

1

ч

1

8 10 N/V, кВт

иг

Рисунок 5. Зависимость коэффициента теплоотдачи а от удельной вводимой мощности N/V. Обрабатываемая среда 1 - вода; 2 - глицерин 20 %

Полученные экспериментальные данные были обобщены следующим уравнением [2]

(10)

Поправка

_Рг

\ 1/4

необходима для учета на-

правления теплового потока. Расхождение экспериментальных и рассчитываемых по уравнению (10) значений не превышает ± 15 %.

Выводы

Показана высокая эффективность теплообмена в изучаемых аппаратах. Возможность повышения коэффициентов теплоотдачи от перемешиваемой среды были ограничены только подводимой к ней механической энергии (мощностью используемого электродвигателя). При величине удельной вводимой мощности 10 кВт/м3 в аппарате А2 величина коэффициента теплоотдачи от пучка труб к воде составила 6700 Вт/м2хК и 2800 Вт/м2хК при перемешивании чистого глицерина.

Литература

1 Данильчук В.С., Незамаев Н.А., Веригин А.Н. Теплообмен при перемешивании в аппаратах с вертикальными теплообменными устройствами // Журн. прикл. химии. 2009. Т. 82. Вып. 4. С. 608-611.

2. Гулумян А.А., Веригин А.Н., Лисицын Н.В. Влияние неоднородности поля скоростей на эффективность теплообмена в аппаратах с перемешивающими устройствами. // Химическая промышленность сегодня. 2014. № 4. С. 67-73.

3. Брагинский Л.Н., Бегачев В.И., Барабаш В.М. Перемешивание в жидких средах. Л.: Химия, 1984. 336 с.