CC BY
9Температурный режим стенки при турбулентном движении жидкости в вертикальной трубе
Келбалиев Руфат Фаиг оглы
д.т.н., Азербайджанский научно-исследовательский и про-ектно-изыскательный институт энергетики, rufatkel@rambler.ru
Мамедова Джамала Паша кызы
к.т.н., Азербайджанский государственный университет нефти и промышленности, cemile_adna@mail.ru
Исследовался температурный режим стенки при подъемном движении толуола в вертикальной трубе до и сверхкритического давлениях. В опытах с толуолом перед входом в экспериментальную трубу он предварительно нагревался. Данные по температурному режиму стенки, полученные, с нагретой жидкостью при до и сверхкритических давлениях отличаются друг от друга и подтверждают существование нормального, улучшенного и ухудшенного режимов теплоотдачи с различными изменениями температуры стенки. При Р<РФ фазовый переход, при определенных значениях режимных параметров, сопровождаются кризисом кипения и скачкообразным увеличением температуры стенки. При Р>Рр переход от жидкого состояния в пар осуществляется постепенно, и при больших тепловых нагрузках надежность аппарата сохраняется. Поэтому целесообразно высокотемпературные поверхности аппаратов охлаждать жидкостью при Р>Ркр.
Ключевые слова: температурный режим, кипение, ухудшенный режим теплоотдачи.
Увеличение мощности и эффективности работы теплоэнергетических установок вызывает необходимость повышения параметров рабочего тела. С увеличением давления увеличивается плотность вещества, соответственно увеличивается расход рабочего тела проходящего через единичное сечение энергетической установки.
Надежность теплоэнергетических установок определяется в основном температурой их стенок. Поэтому при проектировании и эксплуатации теплоэнергетических установок необходимо сохранять нормальный температурный режим стенки. В теплообменных аппаратах при нарушении режимов работы возможно возникновение кризиса теплоотдачи и скачкообразное возрастание температуры металла, что может разрушить стенки аппарата.
При создании аппаратов применяемых в современной технике, учитывается выше сказанное. В этих аппаратах принимаются различные жидкости, встречаются различные закономерности конвективного теплообмена. При создании новых аппаратов, а также при эксплуатации существующих установок назревает потребность в изучении закономерности конвективного теплообмена. В процессе конвективного теплообмена осуществляется передача тепла от жидкости к стенке аппарата или наоборот.
Температурный режим стенки исследовалась при подъемном движении толуола в вертикальной трубе. В опытах с толуолом перед входом в экспериментальную трубу он предварительно нагревался.
На рис. 1 представлены графики изменения температуры стенки и значения относительной энтальпии (массовое расходное паросодержа-ние) толуола по длине трубы при давлении Р/Ркр = 0,71. При умеренных тепловых потоках и изменение температуры стенки соответствует закономерностям конвективного теплообмена однофазного потока (кривая 1). С увеличением теплового потока она достигает значения температуры насыщения толуола, и на графике зависимости ^ = /(х/с() образуется горизонтальный участок АВ, характерный для процесса кипения (кривая 2).
При определенном значении теплового потока и относительной энтальпии х = (Лсм - Л5)/г возникает кризис кипения, сопровождающийся ухудшением теплоотдачи и резким возрастанием температуры стенки (участок ВС). С дальнейшим увеличе-
0
В
>
£
55 П П 1
9
7
и
у
а
нием теплового потока характер распределения температуры стенки по длине трубы не меняется (кривая 3). Однако место расположение кризиса кипения перемещается в направлении, обратном движению жидкости. При этом кризисе температура стенки возрастает примерно на 200 оС, что может привести к ее разрушению.
Сс
450 350 250
с 1 - 2 а 3 г-
1 /с
А в у _в/
—с Д п
□
25
50
х/с!
1-
-0.541 -0.426 -0.307 -0.189 -0.075 -0.038
-0.383 -0.132 -0.062 0.258 0.448 0.733
-0.357 -0.086 0.136 0.361 0.694 0.948
Рис. 1 Изменение температуры стенки по длине трубы при Р = 3,0 МПа; ри = 328,7 кг/(м2с); сСн/сСв = 6,0/4,0 мм; 10бсеР = 300 мм; ц-10'5, Вт/м2: 1 - 0,406; 2 - 2,175; 3 - 2,573.
Результаты опытов, проведенных в области давлений, близких к критическому (Р/Ркр = 0,94), свидетельствуют об ином характере изменения температуры стенки по длине трубы (рис. 2) [1].
/с,°С
450
350
250
о 1
л 2 • 3 4 С_-1
/ /
- 1- в/
25
50
Ш
*
а о
-2.93 -2.15 -2.56 -2.36 -2.17 1.97
-2.91 -2.64 -2.37 -2.12 -1.857 -1.62
-2.84 -2.46 -2.00 -1.72 -1.34 -0.966
Рис. 2 Изменение температуры стенки по длине трубы при Р = 4,0 МПа; ри = 246,5 кг/(м2с); с1,/с1в = 6,0/4,0 мм; 1сбсгр ■ 300 мм; ц-10'5, Вт/м2: 1 - 0,233; 2 - 0,744; 3- 1,080.
Как следует из рис. 2 при 4 < 4 температура стенки по длине трубы изменяется монотонно (кривая 1). При 4 = 4 и определенном значении теплового потока возникает кризис кипения толуола и возрастает температура стенки. Однако последнее обстоятельство носит плавный замедленный характер и отличается от данных, полученных при Р/Ркр = 0,71. С увеличением давления граничное значение относительной энтальпии уменьшается, и при давлении Р/Ркр = 0,94 кризис кипения толуола возникает при отрицательных значениях массового паросодер-жания.
Множество экспериментальных данных по температурному режиму металла были получены при турбулентном движении жидкости сКд в вертикальной трубе. Ниже приводится некоторые результаты, полученные в опытах с нагретой жидкостью (толуол).
Графики изменения температуры стенки по длине трубы (<Свн = 4,0 мм, 1сбсг = 300 мм, 1сбщ = 500 мм), представленные на рис. 3 и рис. 4 в опытах с нагретым толуолом показывают, что как с холодной жидкостью так и с нагретой при температуре стенки меньше псевдокритической изменение 4 по длине трубы соответствует нормальному режиму конвективного теплообмена (кривая 1).
Сс
/
Т1 2
1
500
400
*т
300
200
100 200 и мм
Рис.3. Изменение температуры стенки по длине трубы при постоянном массовом расходе: Р = 4,5 МПа, 1Ж = 251 "С, ри = 253 кг/(м2 с), ц10'5Вт/м2:1-0,43; 2-0,99; 3-1,8; 4-2,6
При некоторых значениях теплового потока, когда 4 = т нарушается монотонный характер распределения температуры стенки. В таких опытах в начальной части 4 увеличивается, в средней части ее при 4 = ^ изменяется не значительно, а в конечной части возрастает (кривая 2). По мере увеличения ц наступает такой ре-
жим, при котором по всей длине трубы и распределение температуры стенки отличается от тех, которые имели место при и ^ = tm. В таких опытах при малых массовых скоростях (например, при pu = 253 кг/(м2с)) ^ возрастает по всей длине трубы (кривая 3, рис.3), а при больших массовых скоростях (pu = 313 кг/(м2с)) до середины трубы ^ возрастает умеренно, а выше середины сильнее (кривая 3, рис. 3.11). С дальнейшим повышением теплового потока наступает такой режим, в котором температура стенки возрастает по всей длины трубы (кривые 4, рис. 3 и 4). Возрастание температуры стенки (кривые 3 и 4) соответствуют ухудшенному режиму теплоотдачи.
Характер изменения температуры стенки хорошо иллюстрируется на графике ^ = построенные для нагретого толуола при давлении 4,5 и 5,0 МПа, которые показаны на рис. 5. Он построен для сечения трубы, находящийся на расстоянии х = 190 мм от входа в трубу.
500
400
*т 300
/ 3
// / 2
1 —4
200
100 200 и мм
Рис. 4. Изменение температуры стенки по длине трубы при постоянном массовом расходе: Р=5,0МПа, 1 Жх =265 С,
ри=313кг/(м2с), ^10'5Вт/м2: 1-0,49; 2-1,2; 3-2,1; 4-2,5
Из рисунка 5 следует, что при температуре стенки меньше чем ^ изменение ^ соответствует нормальному режиму конвективного теплообмена. В точке Б температура стенки приближается к псевдокритической температуре исследуемой жидкости. После точки Б с увеличением теплового потока температура стенки изменяется незначительно и получается слабонаклонный участок БВ. В конце участка БВ температура стенки достигает псевдокритического значения. Изменение характера кривой на участке БВ может быть объяснен изменением теп-лофизических свойств жидкости, а также влиянием свободной конвекции на интенсивность
теплоотдачи. С переходом ^ псевдокритической температуры (^>т) увеличение теплового потока приводит к возрастанию температуры стенки и образуется участок ВГ графика. Этот участок соответствует условиям при котором в пристеночном слое теплофизические свойства жидкости переходят через псевдокритическое состояние и с увеличением теплового потока ^ возрастает.
Сс
500 400
300 200
2
(,,'С 500 400
300 200
б
1 р
/
/ Я
г
у г
Ас г
1,0 2,0 3,0 ч-КГ " ],о 2,0 3,0 ч-1(Г Вт/м: ВтЛГ
Рис. 5. Зависимость температуры стенки трубы от плотности теплового потока при давлении: а) Р = 4,5 МПа; б) Р = 5,0 МПа [2].
В опытах с нагретой жидкостью наблюдается резкий рост температуры стенки и ухудшается теплоотдача. При определенных значениях режимных параметров, температура стенки увеличивается, что представляет опасность для надежности работающего оборудования.
Данные по температурному режиму стенки, полученные, для указанных групп отличаются друг от друга и подтверждают существование нормального, улучшенного и ухудшенного режимов теплоотдачи с различными изменениями температуры стенки. При до критическом давлении переход от жидкого состояния в пар сопровождается поглощением тепла (удельная теплота парообразования), а при сверхкритическом - фазовые переходы сопровождаются без поглощения тепла. Кроме того, при Р<Ркр фазовый переход, при определенных значениях режимных параметров, сопровождаются кризисом кипения и скачкообразным увеличением температуры стенки. Возрастание температуры стенки отрицательно влияет на надежность работы аппаратов. При Р>Ркр переход от жидкого состояния в пар (фазовый переход второго рода) осуществляется постепенно, и при больших тепловых нагрузках надежность аппарата сохраняется. Поэтому целесообразно высокотемпературные поверхности аппаратов охлаждать жидкостью при Р>Ркр.
Список обозначений
сС - диаметр трубы, мм; Р - давление, МПа; q - тепловой поток, Вт/м2; I - расстояние от входа трубы, м; t - температура, оС; t - температура насыщение; 1т- температура соответствующую
О 85 К* £
65 т П 1
9
7
максимуму теплоемкости при СКД жидкости; ри
- массовая скорость, кг/(м2с).
Индексы: ж - жидкость, с - стенка, обогр -обогреваемая, в - внутренняя, н - наружная, вх
- вход.
Литература
1. Келбалиев Р.Ф. Повышение тепловой эффективности паротурбинных электростанций: Дис. докт. тех. наук. Баку, 2005, 459 с.
2. Мамедова Д.П., Рзаев М.А., Келбалиев Р.Ф., Рагимов Ф.А. Теплоотдача в парогенери-рующих трубах при сверхкритических давлениях вещества. // Изв. вузов СССР. Нефть и Газ. 1991, № 8, С. 53-56.
Temperature mode of the wall at the turbulent motion of the liquid in the vertical pipe
Kelbaliyev R.F., Mamedova Ja.P.
Azerbaijani research and design and surveying institute of power, Azerbaijani state university of oil and industry
The temperature regime of the wall was studied with lift motion of toluene in a vertical pipe up to and supercritical pressures. In experiments with toluene, before entering the experimental tube, it was preheated.
Data on the temperature regime of the walls obtained with heated liquid at pre and supercritical pressures differ from each other and confirm the existence of normal, improved and worsened heat transfer regimes with various changes in wall temperature. At P <Pcr the phase transition, with certain values of the regime parameters, is accompanied by a boiling crisis and an abrupt increase in the wall temperature. At P> Pcr the transition from the liquid state to the vapor is carried out gradually, and for large thermal loads the reliability of the apparatus remains. Therefore, it is expedient to cool the high-temperature surfaces of the apparatus with liquid at P> Pcr.
Keywords: temperature regime, boiling, deteriorated heat transfer regime.
References
1. Kelbaliyev R.F. Increase in thermal efficiency of steam-turbine
power plants: Yew. flOKT. technical sciences. To a tank, 2005.
2. Mamedova D. P., Rzayev M.A., Kelbaliyev R.F., Ragimov of
F.A. Teplootdach in steam-generating pipes with supercritical pressure of substance.//M3B. higher education institutions of the USSR. Oil and Gas. 1991, No. 8, S. 53-56.
у
a
s
*
a б
