CC BY
109
УДК 621.225.223
А. В. Романов Астраханский государственный технический университет
МОДЕЛИРОВАНИЕ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА В СУДОВЫХ ОПРЕСНИТЕЛЬНЫХ УСТАНОВКАХ
Введение
Работа энергетического и технологического оборудования современных рыбопромысловых судов связана с потреблением значительного количества пресной воды. Вынужденным при водообеспечении судна является пополнение запасов воды при пребывании и стоянке в порту. Приобретение береговой воды для судовладельцев весьма дорого. Естественный путь получения необходимого количества пресной воды - это опреснение морской воды.
Современная опреснительная установка, независимо от принципа ее действия, представляет собой сложное инженерное сооружение, технологическая схема которого определяет состав входящих в него элементов, взаимодействие между ними и последовательность происходящих процессов. Ее функционирование зависит от энергообеспечивающего источника, в качестве которого может использоваться вспомогательный или утилизационный котёл, теплота охлаждающей воды или уходящих газов дизелей [1].
Основным элементом установки является опреснитель, который, в зависимости от его типа, состоит из головного подогревателя, испарительных аппаратов или камер вскипания, промежуточных подогревателей, охладителей дистиллята, конденсатора и насосов, обеспечивающих перекачку рабочих сред. Этот перечень элементов энерготехнологической схемы относится к термическим установкам.
Процессы термического опреснения сопровождаются нагреванием исходной воды до температуры, превышающей температуру при данной концентрации солей в ней, с последующим кипением и испарением. Термические методы опреснения являются наиболее распространенными, т. к. требуют во много раз меньше энергетических затрат и проще для выполнения с технической точки зрения.
Наиболее характерными установками с кипящими испарителями следует считать утилизационные глубоковакуумные испарительные установки серии Д, установленные на судах РДОС типа «Моряна», РДОМС типа «Волга», ЖМЗ типа «Енисей», «Дон», БМРТ типа «Север» и др.
Автором проведены расчеты расходов запаса пресной воды судна ПКЗ РДОС «Бузан-ский», переоборудованного в плавучий консервный завод, подтверждаемые опытом эксплуатации. Расчеты показали, что для такого типа судов суточная потребность пресной воды на производственные, технологические и бытовые нужды в несколько раз превышает паспортную производительность установленных водоопреснительных установок Д3У. Их реальная эксплуатационная производительность с учетом остановок на ремонт и техническое обслуживание оказывается еще ниже. Производительность опреснителей дистилляционного типа зависит от расхода греющей воды, а следовательно, мощности двигателя, от которого идет отбор охлаждающей воды [2]. В данных условиях работы судна дизель-генераторы (ДГ), питающие греющей водой опреснительные установки (ОУ), недогружены, что также является причиной снижения производительности ОУ, которая по результатам испытаний в промысловых рейсах составляет около
3 т/сутки вместо паспортных 6,3 т/сутки.
В этой связи возникла задача увеличить производительность существующих опреснительных установок путем их модернизации. Реальным при модернизации ОУ, с нашей точки зрения, является существенное улучшение показателей производительности дистилляцион-ных опреснителей Д3У, имеющихся на рассматриваемых нами судах, путем интенсификации в них теплообмена.
Был рассмотрен вопрос об интенсификации теплообмена современным и эффективным методом направленного действия ультразвуковыми колебаниями на теплоотдающие поверхности теплообменников ОУ и пристеночный (пограничный) слой.
Отсутствие глубоких теоретических положений о процессах и механизме воздействия физических полей, четких рекомендаций, касающихся области применения этих методов, проектирования и эксплуатации таких аппаратов, вызвало необходимость исследования ряда процессов, протекающих в водных средах при воздействии физических полей, изучение механизма их влияния на интенсификацию теплообмена.
Согласно ряду гипотез [3-5], ультразвуковые колебания увеличивают теплоотдачу от греющей поверхности за счет повышения скорости потока воды из-за снижения гидродинамического сопротивления труб поперечными колебаниями стенок. Под действием ультразвука улучшается отвод пузырьков пара от поверхности нагрева и дегазация воды вследствие лучшего перемешивания пристенного (пограничного) слоя жидкости, что также способствует увеличению теплоотдачи. Необходимо также отметить эффект переизлучения ультразвука в воду теплоотдающей поверхностью, который вызывает дополнительное перемешивание воды вблизи границы раздела - перемешивающиеся потоки воды нагреваются быстрее, и это приводит к интенсификации процесса теплообмена.
До настоящего времени не найден надежный, физически обоснованный метод описания эффектов ультразвуковой обработки. Все это является и следствием, и причиной отсутствия обоснованных теоретических положений о механизме изменения свойств технических водных растворов при ультразвуковой обработке. Разрыв между теорией и практикой не позволяет четко определить область эффективного использования этой технологии водообработки, оптимальные параметры ультразвуковых аппаратов и доказать физическую обоснованность влияния ультразвуковых волн на процессы интенсификации теплообмена.
Тем не менее работами В. Г. Добржанского, В. Н. Слесаренко [6], И. Б. Карастелева, И. В. Клименюка, А. Т. Богорош, А. Н. Митюряева, А. М. Полетаева, Б. П. Жилкина, В. В. Тюльпы [4] и других исследователей было установлено, что ультразвуковая обработка в ряде случаев снижает интенсивность накипеобразования на теплопередающей стенке за счет усиления шлакообразования в объеме раствора и интенсифицирует локальные теплообменные процессы. На рис. 1 приведено распределение локального коэффициента теплоотдачи по данным А. М. Полетаева, Б. П. Жилкина, В. В. Тюльпы [4].
От.
кВт (м2 К)
0,7
0,6
0.5
0.4
0.3
0,2
О 10 20 К 38*
Рис. 1. Распределение локального коэффициента теплоотдачи:
-•- - без акустического воздействия;
-о- - при акустическом воздействии
Но механизм этого явления, процессы, протекающие под действием ультразвука, изучены недостаточно полно, что препятствует научно обоснованному применению этой технологии в теплообменных системах.
С учетом вышеизложенного нами была разработана и реализована программа экспериментальных исследований для определения степени интенсификации теплообмена.
Экспериментальные исследования представляют собой физическое моделирование процессов интенсификации теплообмена при воздействии источника высокочастотных ультразвуковых колебаний на специально созданной установке (рис. 2), в состав которой входят: магнито-
стрикционный преобразователь колебаний - 1, расширительный бак - 2, электронагреватель - 3, высокочастотный генератор - 4, осциллограф - 5, трансформатор - 6, выпрямитель - 7, вариатор - 8, центробежный насос - 9, мультиметр - 10, расходомер - 11, автотрансформатор - 12, термометры на входе и выходе 2-х контуров воды, термометр в экспериментальной камере, термопары на медной пластине.
Рис. 2. Схема экспериментальной установки
Установка представляет собой 2-контурную систему, в которой контур горячего теплоносителя замкнут, а циркуляция в нем осуществляется центробежным насосом. Контур холодной воды проточный, циркуляция воды - от системы водоснабжения испытательной лаборатории. Предусмотрено изменение скоростей и расходов жидкостей обоих контуров с одновременным измерением этих величин. Общий вид установки показан на рис. 3.
Рис. 3. Общий вид установки
Проводилось измерение тепловых потоков через стенку в экспериментальном теплообменном аппарате, расчеты тепловых балансов.
Тепловые балансы по результатам экспериментов показывают удовлетворительную сходимость.
1. Количество теплоты, отдаваемое горячей водой:
0г.в = Св • втв •А/ = 4,19 • 0,111 -(85 - 83,5) = 698 Вт ,
где Св - теплоемкость воды, кДж(кг • К); Gгв - расход воды (кг/с); А/ - разность температур на входе и выходе, полученная экспериментально.
2. Количество теплоты, получаемое холодной водой:
2х в = Св • Охв • А/ = 4,19 • 0,00278 • (77 - 20) = 664 Вт .
3. Мощность теплового потока в процессе теплоотдачи:
Q = аГ • А/, Вт,
где Г = I • Ь = 6,12 • 10-3 м2 - площадь теплоотдающей поверхности. Следовательно, коэффициенты теплоотдачи можно выразить как:
^в = 698 — = 50 690 Вт/(м °С),
_________^г.в _____________ _ ___________________________________________
((г.в - С )• 1' ~ (84,2 - 82)- 6,12 • 10-
ахв = ,
хв IV ст
бх.в =_____________664
((хтв -^)• Р (80,5 - 60)-6,12 • 10-
= 5 292 Вт/(м • °С),
где ґ - температура у стенки.
4. Коэффициент теплопередачи:
(
к =
1
1
V «г.в
5
1
0,005
1
N-1
50 690 398 5 292
= 4 522 Вт/(м • °С).
5. Мощность теплового потока в процессе теплопередачи:
Є = к • Р • АґСр, Вт,
А - А
где А( = - тах т1П
(85 - 20)-(83,5 - 77)
1п
А
1п
(85 - 20)
= 25,5 °С.
0тт (83,5 - 77)
Следовательно, Є = 4 522 • 6,12 • 10-3 • 25,5 = 705 Вт,
1
или е = 5. Р • ((" - ("в ) =
398
--------6,12 • 10-3 • 1,5 = 730
0,005
Вт.
По данным экспериментов определены локальные коэффициенты теплоотдачи при воздействии ультразвукового вибратора (УЗВ) и без воздействия УЗВ (рис. 4).
40 000 | 35 000
£ 30 000
§ & 25 000 20 000 | т 15 000
Щ 10 000
% 5 000
о
* 0
без УЗВ с УЗВ
0 30 50 70 102,5
Длина пластины, мм
Рис. 4. Экспериментальные значения коэффициентов теплоотдачи
3
Критериальные уравнения, описывающие процессы теплоотдачи, также показывают хорошую сходимость результатов.
4 • /
ё экв= = 0,030, м - эквивалентный диаметр,
где/ = 0,001194 м2 = 0,02 • 0,0597 = Ь • к - площадь поверхности; Р = 0,1594 м - периметр.
Охв 0,00278 • 10-3
V в = —— =---= м/с - скорость холодной воды.
хв / 0,001194
м • I 2,33 • 10-3 • 102,5 • 10-3
ке х в = —^— =---------------- -------= 500 - число Рейнольдса.
ухв 0,478 • 10 -6
№ хв = 0,17 • Яе^3 • • Ргх°в43 • (РГхв )0,25 = 12,3 - число Нуссельта при вынужденной
■ ' ' ' Ргст
конвекции.
.ь = 5,11 • 10-4 • 9,8 • (0,03)б32 V2 (0,478 10 -6)2
Огхв =Ь------------------2^ •Ь = 5,11 • 10- -’ -6 2 • (77 - 20) = 1,126 • 10 - критерий Грасгофа.
Ргвх = 3,03 - критерий Прандтля.
Ргст = 2,23.
№хввк = 0,5 • (Огхв • Ргхв)0,25 = 120 - число Нуссельта при свободной конвекции.
Анализ работ по влиянию колебательных воздействий на теплообмен при свободной конвекции показал, что данный класс явлений можно отнести к теплообмену при смешанной конвекции. Поэтому число Нуссельта при смешанной конвекции, согласно [7]:
(Ки4в.к+м<ч )1/4 = ми„
7 »1.
Ми = Е • Ми = 2 • 121 = 242, где Е - поправочный коэффициент.
Таким образом, коэффициент теплоотдачи холодной воды
1- Михв 0,65 • 242 2 0ч
ах в =------------------------------— =-= 5 243 Вт/(м • с ), что удовлетворительно сходится с результатами,
. ё экв 0,03
полученными по теплобалансовым расчетам.
Заключение
На основании вышеизложенного, а также опираясь на результаты проведенного моделирования, можно утвердительно говорить о несомненной интенсификации теплообмена при воздействии ультразвуковых волн, которая может описываться вышеприведенными критериальными зависимостями.
Необходимо также отметить, что ультразвуковая технология, в отличие от ряда других, позволяет задействовать сразу несколько механизмов, влияющих как на процессы формирования накипи в толще воды и оседания ее на теплообменной поверхности, так и на уже образовавшийся слой отложений. При обработке воды ультразвуком достаточной интенсивности в ней создается большое количество кавитационных пузырьков, возникновение и схлопывание которых сопровождается выделением энергии, достаточной для распыления в воде частиц солей и примесей, т. е. происходит разрушение, раскалывание образующихся в нагреваемой воде кристаллов солей жесткости. Появление в воде большого количества зародышей кристаллов приводит к более интенсивной кристаллизации солей в толще нагреваемой воды, росту и последую-
щему разрушению под действием ультразвука кристаллов солей. Ультразвуковая технология
позволяет существенно снизить скорость образования накипи, а в ряде случаев и обеспечить
безнакипный режим работы теплообменного оборудования.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Неплюев И. Ф. Основы научной эксплуатации судовых водоопреснительных установок. - Калининград, 1980. - 45 с.
2. Слесаренко В. Н., Слесаренко В. В. Судовые опреснительные установки. - Владивосток: Морской гос. ун-т, 2001. - 448 с.
3. К механизму влияния магнитной обработки воды на процессы накипеобразования и коррозии / О. И. Мартынова, А. С. Копылов, Е. Ф. Тебенихин, В. Ф. Очков // Теплоэнергетика. - 1979. -№ 6. - С. 67-69.
4. Полетаев А. М., Жилкин Б. П., Тюльпа В. В. Влияние акустического воздействия на гидродинамику и теплоотдачу в газовых пристенных струях // Электронный журнал «Исследовано в России», 2001.
5. Коржаков А. В., Лойко В. И. Исследование эффективности акустомагнитной обработки водных систем. - Майкоп: Адыгейский гос. ун-т, 2002.
6. Добржанский В. Г., Слесаренко В. Н. Особенности накипеобразования при кипении морской воды // Тр. ДВО РИА. - Вып. 2. - Владивосток: Изд-во ДВГТУ, 2000. - С. 16-33.
7. Селиванов Н. В. Моделирование тепломассообмена высоковязких жидкостей в колеблющейся ёмкости: Автореф. дис. ... д-ра техн. наук. - Воронеж, 2002. - 33 с.
Получено 20.11.2006
THE INTENSIFICATION OF HEAT EXCHANGE IN SHIP DESALINATION INSTALLATIONS
A. V. Romanov
The article represents some data of an experimental research of intensification methods of heat exchange in ship desalination installations of a distillation type in order to increase their productivity. An intensive scum collapse is observed together with the intensification of heat exchange at the application of high-frequency physical influences in the zone of ultrasonic fluctuations. It is the additional positive factor of the application of the given method. The author develops and approves an original experimental installation to research the suggested method. Unusual results, which have a special scientific interest, have already been received on this installation.
