Влияние процесса кипения в разряженной полости на эффективность работы вакуумного котла Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.181.123

Е. Н. СЛОБОДИНА

Омский государственный технический университет

ВЛИЯНИЕ ПРОЦЕССА КИПЕНИЯ В РАЗРЯЖЕННОЙ ПОЛОСТИ НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ РАБОТЫ ВАКУУМНОГО КОТЛА

Процесс кипения имеет большое значение при работе вакуумного котла. В статье рассмотрено влияние теплообмена при кипении в разряженной полости на коэффициент полезного действия вакуумного котла. Представлены расчетные зависимости температуры насыщения, коэффициентов теплоотдачи при кипении в различном диапазоне давлений.

Ключевые слова: вакуумный котел, кипение, теплоотдача, давление, тепловые потери, коэффициент полезного действия.

Эффективность работы вакуумного котла определяется процессами кипения и конденсации в разряженной полости. В данной статье будет рассмотрено влияние процесса кипения на эффективность работы вакуумного котла.

Кипение — сложный процесс, условия протекания которого определяются различными тепло-физическими факторами. Интенсивность кипения зависит от давления и теплофизических свойств жидкости. Параметром, оказывающим наибольшее влияние на процесс кипения, является давление. С увеличением давления насыщения интенсивность теплообмена повышается, уменьшаются размеры пузырька в момент возникновения и отрыва, увеличиваются число центров и частота отрыва пузырей в этих центрах. С приближением термодинамического состояния к критическому воздействие этих факторов возрастает и, соответственно, наблюдается рост влияния давления на теплоотдачу.

Существенное влияние на теплообмен оказывают теплофизические свойства жидкости, которые напрямую зависят от давления и температуры. Со снижением давления из-за увеличения критического радиуса парового пузырька создаются значительные трудности в образовании паровой фазы на поверхности нагрева, что приводит к существенному изменению внутренних характеристик процесса кипения — скорости роста, отрывного диаметра, частоты отрыва паровых пузырьков. При этом растягивается переходный режим кипения, характеризующийся неустойчивостью, нестабильностью процесса парообразования и нестационарностью теплообмена [1].

Температура насыщения Т5(р) является характерным параметром при тепловых расчетах модели газотрубного котла. С помощью корреляционной зависимости Антуана, применяемой для практических расчетов температуры насыщения в широком диапазоне давлений, рассчитана температура насыщения для теплоносителей вода (Н20) и этиленгли-коль (С2Н602).

Полученные результаты подтверждают взаимосвязь температуры насыщения и давления. С понижением давления температура насыщения уменьшается (рис. 1).

Давление ниже атмосферного влияет на интенсивность теплообмена со стенкой.

Переход к конвективным явлениям в областях с пониженным давлением связан с дальнейшим ухудшением теплообмена вследствие уменьшения числа соударений молекул с поверхностью и между собой [2, 3].

Изменения механизма и интенсивности теплообмена приводят к возникновению кризисов кипения. Определяющими факторами всех трех кризисов кипения являются: критическая плотность теплового потока, коэффициент теплоотдачи и температурный напор. В соответствии с литературными данными [4, 5] критическая плотность теплового потока во избежание кризиса кипения не должна превышать 200 кВт/м2, а значения температурного напора не должны превышать 30 К, должны соблюдаться неравенства д < д < дкр1, АТкр3 < АТ < АТГ В этом случае кипение соответствует пузырьковому режиму.

При увеличении температурного напора, а также давления на поверхности нагрева увеличивается число активных центров парообразования. В итоге все большее количество пузырьков непрерывно возникает, растет и отрывается от поверхности нагрева, увеличивается турбулизация и перемешивание пристенного пограничного слоя жидкости. В процессе своего роста на поверхности нагрева пузырьки так же интенсивно забирают теплоту из пограничного слоя, все это способствует улучшению теплоотдачи. При понижении давления наблюдается обратный эффект [1, 5].

С понижением давления снижается интенсивность процесса теплообмена, увеличивается критический радиус парового пузырька, создаются значительные трудности в образовании паровой фазы на поверхности нагрева и как следствие изменение внутренних характеристик процесса кипения — скорости роста, отрывного диаметра, частоты отрыва паровых пузырьков [5].

Существуют различные методики для расчета коэффициентов теплоотдачи (а) при кипении жидкости.

При расчете процесса кипения в большом объеме в диапазоне давлений от 1 до 200 бар

Рис. 1. Зависимость температуры насыщения различных теплоносителей от давления насыщенных паров

Рис. 2. Зависимости коэффициентов теплоотдачи при кипении жидкости от давления насыщенных паров:

1 — М. А. Михеев, И. М. Михеева; 2 — В. П. Исаченко, В. А. Осипов, А. С. Сукомел; 3 — Ю. М. Липов, Ю. М. Третьяков

Рис. 3. Изменение температуры уходящих газов с понижением давления насыщенных паров

Рис. 4. Изменение коэффициента полезного действия котла с понижением давления насыщенных паров

возможно применение соотношения М. А. Михеева и И. М. Михеевой [6]:

а л „0,18 3,4Р „2/3

1 - 0,0045р

1

или, согласно авторам В. П. Исаченко, В. А. Осипо-ву, А. С. Сукомелу [5]:

а = 3,Од°7р01

?

где р — давление насыщенных паров, ность теплового потока.

При расчете теплоотдачи в зоне развитого кипения и при более высоких тепловых потоках и давлении целесообразно применять расчетную зависимость Ю. М. Липова и Ю. М. Третьякова [7]:

а = 0,9^ 4,34^ о°'7(р014+1,35^Ш-2р2).

Результаты расчетов представлены в виде графической зависимости на рис. 2.

Расчет коэффициента теплоотдачи по трем разным методикам [5 — 7] подтвердил влияние давления ниже атмосферного на интенсивность теплообмена в разряженной полости вакуумного котла, с понижением давления происходит снижение коэффициента теплоотдачи.

Уменьшение коэффициента теплоотдачи с понижением давления насыщенных паров в полости с разряжением оказывает влияние на температуру уходящих газов и, как следствие, на величину тепловых потерь с уходящими газами (д2). Из всех тепловых потерь, входящих в расчетную формулу для определения КПД брутто вакуумного котла, величи-

на ц2 — самая значительная, напрямую зависящая от коэффициента избытка воздуха, температуры уходящих газов Т и забалластированности негорючими газами газообразного топлива.

Проведенные расчетные исследования показали, что с увеличением разряжения насыщенных паров температура уходящих газов увеличивается (рис. 3) и превышает установленный верхний допустимый предел 170 оС [8]. Это объясняется уменьшением коэффициента теплоотдачи со стороны стенки к кипящей воде.

Температуру уходящих газов необходимо поддерживать строго в заданном интервале температур, так как при низкой температуре возможна конденсация водяных паров на поверхностях нагрева, что приводит к интенсивной кислотной коррозии [9]. Температура уходящих газов оказывает влияние на коэффициент полезного действия котла брутто. КПД котла брутто, рассчитанный методом обратного баланса с учетом суммы тепловых потерь при его работе [7].

С увеличением разряжения и ростом тепловых потерь д2 происходит снижение КПД котла, это наглядно видно из графической зависимости представленной на рис. 4.

Полученные расчетные данные позволяют сделать вывод о необходимости применения методов интенсификации в полости с разряжением [10]. Снижение температуры уходящих газов в пределах 15 — 20 % приводит к уменьшению потери д2 и к росту КПД котла на 1 %.

Использование интенсификации для процесса кипения в разряженной полости вакуумного котла позволит сократить тепловые потери д2 и создать энергоэффективный образец вакуумного котла, не уступающий известным аналогам.

Библиографический список

1. Влияние теплофизических свойств материала оребрен-ной поверхности на выбор ее оптимальных геометрических характеристик / С. Д. Корнеев [и др.] // Известия МГИУ. — 2006. - № 1 (2). - С. 56-61.

2. Термодинамика и теплопередача : учеб. для вузов /

A. В. Болгарский [и др.]. — 2-е изд., перераб. и доп. — М. : Высш. школа, 1975. — 495 с.

3. Кутателадзе, С. С. Основы теории теплообмена / С. С. Кутателадзе. - 5-е изд. перераб. и доп. - М. : Атомиз-дат, 1979. - 416 с.

4. Кутателадзе, С. С. Теплопередачи при кипении и конденсации / С. С. Кутателадзе. - М. : МАШГИЗ, 1952. - 236 с.

5. Исаченко, В. П. Теплопередача : учеб. для вузов /

B. П. Исаченко, В. А. Осипова, А. С. Сукомел. - 4-е изд., пере-раб. и доп. - М. : Энергоиздат, 1981. - 416 с.

6. Михеев, М. А. Основы теплопередачи / М. А. Михеев, И. М. Михеева. - 2-е изд. - М. : Энергия, 1977. - 344 с.

7. Липов, Ю. М. Котельные установки и парогенераторы / Ю. М. Липов, Ю. М. Третьяков. - М., Ижевск : НИЦ Регулярная и хаотическая динамика, 2003. - 592 с.

8. Сидельковский, Л. Н. Котельные установки промышленных предприятий / Л. Н. Сидельковский, В. Н. Юренев. -М. : Энергоатомиздат, 1988. - 528 с.

9. Лариков, Н. Н. Теплотехника : учеб. для вузов / Н. Н. Лариков. - 3-е изд., перераб. и доп. - М. : Стройиздат, 1985. - 432 с.

10. Слободина, Е. Н. Интенсификация процессов кипения и конденсации в рабочем объеме вакуумного котла / Е. Н. Слободина // Динамика систем, механизмов и машин. -2014. - № 2. - С. 134-136.

СЛОБОДИНА Екатерина Николаевна, ассистент

кафедры теплоэнергетики.

Адрес для переписки: [email protected]

Статья поступила в редакцию 02. 09. 2015 г. © Е. Н. Слободина

УДК 629083 А. М. СМИРНОВ

П. А. СЕНЬКИН Н. И. ПРОКОПЕНКО

Омский автобронетанковый инженерный институт

ОЦЕНИВАНИЕ ИЗНОСА ПЛУНЖЕРНЫХ ПАР БЕЗ РАЗБОРКИ ТОПЛИВНОГО НАСОСА ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ ДИЗЕЛЯ

Предложен новый метод диагностики плунжерных пар непосредственно на двигателе. Приведены результаты расчетно-экспериментальных исследований, подтверждающие возможность диагностики плунжерных пар на ранних стадиях износа.

Ключевые слова: топливная аппаратура, топливный насос высокого давления, плунжерная пара, диагностика, гидравлическая плотность, износ.

Возможность проведения технического обслуживания, диагностирования основных элементов военной техники, к которым относится и силовая установка. Одним из основных узлов силовой установки является топливная система.

Основным узлом топливной системы дизеля является топливный насос высокого давления (ТНВД). Работу по дозированию количества впрыскиваемого топлива в ТНВД выполняет плунжерная пара (ПП). При производстве ПП соблюдается строгая геометрия прецизионных поверхностей плунжеров и втулок. Величина зазора в сопряжении обеспечивается парным шлифованием. В процессе технической эксплуатации основным узлом, определяющим уровень функциональной надежности ТНВД, является ПП. В среднем около 80% от общего числа неисправных ПП бракуется по причине износа

прецизионных поверхностей. Основная причина износа — абразивные частицы, которые попадают в надплунжерное пространство и в зазор между плунжером и втулкой во время разборки сборки ТНВД. Износ приводит к потере гидравлической плотности и как следствие, к таким проблемам как затруднение пуска дизеля, ухудшение рабочего процесса в цилиндре, разжижение масла топливом.

Многочисленными исследованиями показано, что влияние износа ПП на утечки топлива между ее прецизионными поверхностями имеет резко нелинейный характер [1]. Значительная часть жизненного цикла ПП сопровождается незначительным износом, который практически никак не сказывается на характере впрыскивания топлива и рабочего процесса дизеля в целом. При достижении некоторого критического значения происходят