CC BY
27
;; УДК 621.365.5
I НАГРЕВ И ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ЖИДКОСТЕЙ В ИНДУКЦИОННЫХ СИСТЕМАХ С КОАКСИАЛЬНЫМИ ЦИЛИНДРАМИ
B.C. Чередниченко
Новосибирский государственный технический университет
§ш
К.В. Хацевский
1| Павлодарский государственный университет Щ им. С. Торайгырова
- С Осы жумыста суйъщтарды вцдеуде индукцияльщ жылыту жуйелерш
Si цоядану проблемасы царастырылган жене этепйн термохимиялын; 111 ypdicmepze талдау жасалган.
В настоящей работе рассмотрена проблема применения индукционных нагревательных систем для обработки жидкостей и приведен анализ происходящих термохимических процессов.
The problem of application of induction heating systems for processing liquids and the analysis occurring tennochemical processes is considered in this paper.
1. Постановка задачи.
Использование 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 об-
ласти без насыщения, нагрев при объемном или поверхностном кипении с одновременным протеканием термохимических процессов.);
3) движение нагреваемой жидкости за счет объемнораспределенных элек тромагнитных сил, действующих локально на паропроводящую смесь рабочем пространстве индукционных систем 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 теплоотдающей (г) и тепловоспринимающей (¿ж) сред, формы и геометрических размеров нагревающих стенок, характера движения жидкости, физических свойств жидкости (теплоемкости (с), теплопроводности (Я), плотности (р\вязкости (77), скорости (Уж), увеличивающейся за счет действия 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 совместно с электродинамическими процессами 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 химикотермических процессов, протекающих в жидкости при ее нагреве, зависит от скорости нагрева и характера процессов, развивающихся в поверхностных слоях, которые могут рассматриваться как дополнительные 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 механи-
-ескую и, как следствие, в электрохимическую при интенсификации хими-:-:отермических 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 соле-.удержания.
2. Термохимические процессы при нагреве воды.
Одновременность протекания термохимических и теплофизических взаимодействий в нагреваемой воде определяет необходимость изучения влияния на эти процессы напряженностей электромагнитного поля и электродинамических сил, возникающих в гидродинамических потоках нагревае-4011 воды. В качестве модельного объекта исследований будем рассматри-г лть водопроводную воду со стандартным солесодержанием 6.. .7 мг-экв/кг.
Направленность термохимических процессов и интенсивность их про-~г;-:ания можно оценить на основе анализа эксплуатационных характеристик наиболее распространенных на практике систем нагрева воды. Отопительные электроустановки, выпускаемые промышленностью, обеспечива--:т нагрев воды при плотностях теплового потока (4...8)-104 Вт/м2. Длительность безремонтного периода работы такой системы на основе труб-:иых электронагревателей (ТЭН) ограничивается скоростью роста отложений (накипи) на поверхности нагревателя и при толщине отложений в .5 мм составляет 800.. .1000 часов. Электродные электрокотлы, в которых -¿грев воды осуществляется за счет пропускания через воду электрическо-тока, сохраняют свои нагрузочные характеристики в течение 80..Л00 ~ Затем происходит снижение мощности из-за накопления на элект-:•<: -¿х отложений. Эти же процессы формирования отложений протекают е ?ой теплосети, включая системы централизованного теплоснабжения ТЭЦ и котельных.
Химический анализ отложений показывает, что к основным составляю-н относятся карбонатные соединения (Са, Mg, Ре)-С03, сульфатные Гь50 ЗН20, оксиды железа в различных формах (гидроокиси Ре(ОН)3, г^ОНК, гематиты Ре203, вюситы БеО), шпинелиды, магнетиты Ре304. Си-- -->г ¿.ты в отложениях встречаются как в виде безводных соединений, так и г ~ иле гидратированных молекул.
Коррозионная агрессивность воды определяется содержанием диокси-.:,.!} глерода СО,, кислорода Ог, сероводорода Н28, оксидов железа и ионов
С1 и 8042". Химический состав воды в системах отопления может изменяться в процессе эксплуатации за счет коррозии металла труб в теплосети, взаимодействия воды с воздухом и поступлением добавочной вбды. 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+2С0,+2Н20 = Ре(НС03)2+Н2, с последующим образованием оксидов железа и вторичной двуокиси углерода 4Ре(НС03)2+02 = 2Ре203+8С02+4Н20.
Проведенный анализ химико-термических процессов накипеобразования 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 скоростей, 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 оптимальные напряженности электромагнитного поля в областях солеоб-разования. Взаимодействие пароводяной смеси с электромагнитным полем, величина электродинамических сил, возникающих при этом взаимодействии, во многом определяются электропроводностью этой смеси, которая зависит от интенсивности теплофизических режимов нагрева воды.
3. Магнитогидродинамические явления в индукционных системах нагрева воды.
В электромагнитном поле, создаваемом индуктором, на электропроводную жидкость действует объемнораспределенная сила направленная перпендикулярно вектору плотности тока 5 и вектору магнитной индукции Эта сила максимальна при взаимной перпендикулярности тока и силовых линий поля (вектора магнитной индукции В) в условно непод-
вижной жидкости и в конкретном случае определяется электропроводностью воды и частотой тока индуктора/. Взаимная ориентация векторов ра, , Ва соответствует известному правилу левой руки и приведена на векторной диаграмме рис. 1, а.
Векторные диаграммы силовых воздействий на движущуюся жидкость, вызванных изменениями магнитного поля во времени (а) и движением жидкости относительно магнитного поля {б)
а б
Рис. 1
При принудительном движении проводящей жидкости в магнитном поле в жидкости индуктируется электрическое поле ЁГ) и возникает ток ]6, направление которых определяется по правилу правой руки (рис. 1, б). При взаимной перпендикулярности направлений движения (Уб) и линий магнитного поля (Вг) возникающие силы максимальны по величине и направлены против движения жидкости. При других углах между скоростью движения и линиями поля силы имеют также и компоненту, нормальную к скорости движения ( Уг). Эта составляющая усиливает турбулентность движения потока жидкости.
Рассмотренные эффекты проявляются как в постоянных, так и в переменных полях (в последнем случае процессы взаимодействия определяются мгновенными значениями величин). В переменном магнитном поле возникают дополнительные силовые взаимодействия между полем и токами, наведенными в жидкости колебаниями этого поля. При этом силы действуют в направлении распространения электромагнитной энергии в жидкости.
Как установлено экспериментально для интенсификации термохимических реакций в жидкости определяющим являются не столько абсолютные значения возникающих электродинамических сил, сколько вихревой характер поля этих сил. При этом скорости движения элементарных объемов
жидкости должны быть соизмеримы со скоростями протекающих химических реакций в жидкости. Обеспечивая в цилиндрической системе индукционного нагрева оптимальный угол а между направлениями . В и V. = f(z,r,<p)7 создаются условия трехмерного характера растекания тока, составляющие которого зависят как от Ва, так и от V .
В рабочем пространстве индукционных систем нагрева воды присутствует пароводяная смесь, имеющая градиенты параметров (температуры, соотношений паровой и водяной составляющих от 0 до 10%, электропроводности, плотности и др.). Точный учет этих свойств при теоретическом рассмотрении внутренних связей параметров практически невозможен. Поэтому анализ магнитогидродинамичееких явлений будем проводить для конкретного сечения при z = const, а радиальные градиенты усреднять в пределах рассматриваемых объемов путем введения эффективных значений параметров (средних для конкретных объемов).
Магнитогидродинамические явления, имеющие место при нагреве электропроводящих жидкостей, описаны уравнениями Максвелла для движущихся сред, Навье - Стокса и уравнениями непрерывности. Эта система уравнений не решена до настоящего времени и анализ процессов проводится с использованием методов подобия и моделирования. Основные явления в электропроводящей жидкости можно описать следующей системой уравнений:
Р
д'т V ;
дВ
-Vp + TjAV + p-q + F,,. (1)
^ (2)
где В - магнитная индукция, тл; Рэт = (ду х 5г)+ у(Ух х Д.)х Вх - мгновенное значение объемной электромагнитной силы; 8 - плотность тока, А/м2; р - гидродинамическое давление, Н/м2; У, Р, Л - удельная электрическая проводимость, 1/Ом-м; плотность, кг/м3, коэффициент динамической вязкости, н*с/м2; д - ускорение силы тяжести, м/с2; у - скорость движения жидкости, м/с, (д. - магнитная проницаемость жидкости, Гн/м.
В пределах поставленной задачи общего рассмотрения магнитодина-мических явлений используем безразмерную форму уравнений (1), (2) с критериями подобия. В соответствии с безразмерной формой уравнений магнитогидродинамики определяющими критериями являются относительные параметры: проводимость у = утцл/р; напряженность электрического
поля Е = р- сРу0,5Е/г|и; индукция (критерий Гартмана) В = В- с!/(у/т|)05; относительная скорость (критерий Рейнольдса) Яе = V = р- У/т|.
Исследование закономерностей движения расплавленных металлов в электромагнитных полях вакуумных дуговых печей и индукционных электропечей показали, что критерий относительной проводимости у следует считать определяющим для рассматриваемой системы уравнений (1) и (2). Для оценки этого критерия необходимо знать абсолютные значения электропроводности пароводяной смеси, находящейся в электромагнитных полях индукционной системы для нагрева воды.
При атмосферном давлении электропроводность паровой фазы значительно ниже электропроводности водяной фазы. Поэтому пароводяную смесь можно рассматривать как систему, состоящую из двух компонент -проводящей электрический ток и диэлектрика. Электропроводность такой гетерогенной системы зависит от проводимости водяной фазы, объемного паросодержания и структуры пароводяной смеси. Для конкретной объем-ноодинаковой пароводяной смеси можно аналитически рассчитать электропроводность на основе теории Максвелла для проводников с диэлектрическими включениями. Такой расчет обеспечивает достаточную точность, если паровая фаза (диэлектрик) присутствует в проводнике в виде равномерно распределенных шаровых пузырей одного размера при небольшом объемном содержании пара в смеси.
При реализации нагрева воды в индукционных системах проточного типа пароводяная смесь имеет сложную структуру, включающую пузыри размерами от долей миллиметра до миллиметра с последующим исчезновением после взаимодействия с менее нагретыми объемами воды. Кроме этого, температура воды и, следовательно, паросодержание в пароводяной смеси изменяется от входа потока воды в установку до ее выхода. Для таких сложных структур определять электропроводность пароводяной смеси можно только экспериментальным путем.
Электропроводность пароводяной смеси существенно зависит от плотностей теплового потока и формирующегося характера (структуры) развивающегося теплообмена. Для рассматриваемых задач представляет интерес определение электропроводности пароводяной смеси при такой гидродинамике на обогреваемых поверхностях, которая может препятствовать образованию отложений непосредственно на этих поверхностях, но интенсифицировать термохимические процессы в прилегающих слоях воды. Электротеплофизическая проблема в этом случае сводится к организации режимов пузырькового кипения в движущихся слоях воды, которое возни-
кает при плотностях теплового потока свыше 6...8 Вт/см2 независимо от температуры нагреваемой воды. Эти режимы нагрева характеризуются трехслойной структурой гидравлического потока, показанного на рис. 2. Зона I определяется действием сил поверхностного натяжения, в которой теплообмен происходит за счет теплопроводности тонкого слоя воды протяженностью перекрывающего шероховатость поверхности нагрева (например, А = 0,05 мм для нержавеющей стали или меди). Движение воды в пределах этой зоны за счет гидродинамических сил не происходит, а влияние на воду в этом слое электромагнитного поля ограничивается первым
Область . Область Область
I II III
Рис. 2. Структура гидравлического потока
слагаемым в выражении для объемной электромагнитной силы Fjr-SxB с учетом угла между нагреваемой поверхностью и направлением магнитной составляющей поля, создаваемого индуктором. К этой зоне примыкает область вихревой циркуляции (II), где транспорт тепла обеспечивается образованием паровых пузырьков, а их перенос в область внешнего потока воды (зона III) самоорганизован конвективными потоками в направлении, нормальном к поверхности нагрева. На организацию движения этого потока накладывается объемное силовое поле от действия электродинамических сил РЭТ = (<? х в)+ у{у х в)х В. Протяженность этой области Д 2.
Структура магнитогидродинамической модели завершается областью III внешнего относительно нагревающей поверхности потока, где закономерности циркуляции воды определяются перепадом давлений на входе и выходе воды в нагревающее устройство и гидравлическим сопротивлением системы нагрева. Процессы в этой области не влияют на область вихревой пристеночной циркуляции II. В области III магнитогидродинамические процессы определяются направлением и скоростью расходного потока воды и индукцией магнитного поля, создаваемого индуктором в этой области:
При такой организации магнитогидродинамических процессов у поверхностей нагрева выпадение растворимых в воде солей будет происходить в зонах, где температура раствора достигает насыщения (область II) и распространяться на объемы воды с протяженностью слоя Л(., зависящего от теплового потока и интенсивности температурной депрессии насыщения. Кинетика термохимических процессов будет определяться температурными условиями, локальными скоростями деструктуризации пароводяной смеси в зонах насыщения и увеличением скоростей протекания реакций в зависимости от напряженностей электрического и магнитного полей.
