close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Теплообмен при капельном кипении жидкости в технологических аппаратах

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
ВАСИЛЬЕВ ПЁТР СЕРГЕЕВИЧ
ТЕПЛООБМЕН ПРИ КАПЕЛЬНОМ КИПЕНИИ ЖИДКОСТИ
В ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ АППАРАТАХ
05.17.08 – Процессы и аппараты химических технологий
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание учёной степени
кандидата технических наук
Казань – 2018
Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном
учреждении высшего образования «Волгоградский государственный технический
университет».
Научный руководитель:
доктор технических наук, профессор,
Голованчиков Александр Борисович
Официальные оппоненты:
Решетников Александр Васильевич, доктор физикоматематических наук, федеральное государственное
бюджетное учреждение науки Институт теплофизики
Уральского отделения Российской академии наук,
ведущий научный сотрудник Лаборатории фазовых
переходов и неравновесных процессов
Щелчков Алексей Валентинович, доктор технических наук, доцент, федеральное государственное
бюджетное образовательное учреждение высшего
образования «Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. ТуполеваКАИ», профессор кафедры теплотехники и энергетического машиностроения
Ведущая организация:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «СанктПетербургский государственный технологический
институт (технический университет)»
Защита состоится «28» сентября 2018 г. в 1500 на заседании диссертационного
совета Д 212.080.15, созданного на базе ФГБОУ ВО «Казанский национальный исследовательский технологический университет» (420015, г. Казань, ул. К. Маркса, д. 68,
Зал заседаний Учёного совета – каб. 330).
С диссертацией можно ознакомится в библиотеке ФГБОУ ВО «Казанский
национальный исследовательский технологический университет» и на сайте
www.kstu.ru.
Автореферат разослан «___» августа 2018 г.
Учёный секретарь диссертационного
совета Д 212.080.15,
кандидат технических наук
Минибаева
Лилия
Радиковна
2
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы исследования. Испарение широко распространено в различных технологиях переработки веществ и используется для разделения жидких
смесей или очистки веществ, являясь как основным, так и сопутствующим процессом,
совмещённым с теплообменом, гидродинамикой и химическими реакциями.
Так как при испарении происходит переход вещества из жидкого состояния в
парообразное, то для проведения процесса необходим нагрев и подвод дополнительного количества тепла для осуществления фазового перехода. Вследствие этого испарение является весьма энергозатратным процессом. Для обеспечения высокой производительности в технологическом оборудовании необходимо создавать большие
площади теплообменных поверхностей, что увеличивает габариты аппаратов, их металлоёмкость, трудовые затраты на изготовление, обслуживание и ремонт и, соответственно, увеличивает экономические затраты. Эти обстоятельства вызывают необходимость дальнейших исследований процесса испарения.
Разновидность процесса испарения – кипение – отличается высокой интенсивностью теплоотдачи по сравнению с конвекцией однофазной жидкости. В технике
кипение является одним из способов высокоэффективного отвода теплоты. Интенсивность теплообмена при испарении, в том числе и кипении, определяет размеры,
стоимость и производительность технологического оборудования.
Ускорение темпов роста производительности труда на основе совершенствования техники и технологии производства, экономии материальных ресурсов и улучшение качества выпускаемой продукции невозможно без создания высокоэффективных,
надёжных и безопасных машин и аппаратов, современных технологических процессов и их внедрения в промышленность. В связи с этим исследование процесса испарения, анализ условий проведения технологических процессов и конструктивного исполнения аппаратов для выявления путей интенсификации процесса и повышения его
эффективности является актуальным.
Степень разработанности темы исследования. Актуальность исследования
тепловых процессов постоянно поддерживается тем обстоятельством, что в мировом
промышленном комплексе доля потребления тепловой энергии составляет по разным
оценкам 70÷75 % от общего энергопотребления. При этом доля различного теплообменного оборудования в химической, нефтехимической и нефтеперерабатывающей
отраслях промышленности составляет примерно 40÷60 %. При создании безотходных
производств особое значение приобретает утилизация вторичных энергетических ресурсов, рациональное использование которых способствует значительному снижению
эксплуатационных затрат на топливо и максимальному уменьшению теплового загрязнения окружающей среды. В таких производствах теплообменные аппараты
очень часто выполняют роль утилизаторов тепла, в которых осуществляется процесс
кипения жидкостей. Хотя кипение можно отнести к древнейшим теплотехническим
процессам, теоретические расчёты в этой области менее надёжны, чем в большинстве
3
других процессов теплообмена. Необходимо также отметить, что процесс кипения
постоянно сопряжён с крайне нежелательными технологическими последствиями,
связанными с резким падением коэффициентов теплоотдачи, перегревом теплообменных поверхностей, паровым взрывом.
Анализ литературных источников показывает, что одним из перспективных направлений интенсификации процесса испарения является переход от испарения жидкости в объёме, ограниченном стенками сосуда, или испарения при плёночном течении жидкости к испарению в режиме кипения жидкости, периодически подаваемой на
теплоотдающую поверхность в виде капель, – капельному кипению. Согласно литературным данным, при капельном кипении возможно реализовать очень высокие значения коэффициентов теплоотдачи порядка α ~ 30 000 ÷ 50 000 Вт/(м2·°С) и достичь
при этом огромных значений отводимого от теплоотдающей поверхности удельного
теплового потока порядка q ~ 106 ÷ 107 Вт/м2. Необходимо отметить, что процесс
капельного кипения позволяет избегать упомянутые выше крайне нежелательные
технологические последствия.
Целью диссертационной работы является увеличение эффективности работы
теплообменных аппаратов за счёт повышения интенсивности процесса испарения.
Для реализации цели исследования в диссертации поставлены и решены следующие задачи:
1.
Выявить физическую картину поведения капли жидкости при попадании
её на теплоотдающую поверхность и в процессе её испарения в режиме кипения при
влиянии различных факторов.
2.
На основе физической картины капельного кипения разработать методику проведения экспериментальных исследований для определения основных гидродинамических и тепловых параметров процесса.
3.
Разработать математическую модель процесса капельного кипения для
прогнозирования его основных количественных характеристик в зависимости от воздействия основных влияющих факторов.
4.
На основе полученной математической модели разработать методику
расчёта аппаратов, работающих по технологии капельного кипения.
Научная новизна диссертационного исследования заключается в следующем:
1.
Экспериментально обоснованы особенности физической картины капельного кипения в зависимости от воздействия влияющих факторов: теплофизических свойств жидкости, температуры поверхности нагрева, размера капли, начальной
температуры жидкости в капле, высоты падения капли на поверхность нагрева, состояния поверхности, определяемого её шероховатостью, и её адгезионных свойств –
позволяющие использовать его в технологических процессах.
2.
Экспериментально определён диапазон температурного напора, соответствующий максимальным значениям коэффициентов теплоотдачи процесса капельного кипения.
4
3.
На основе обработки экспериментальных данных получена математическая модель, с помощью которой можно рассчитать основные параметры аппаратов,
работающих по технологии капельного кипения.
Практическая значимость диссертационной работы:
1.
Разработана методика расчёта аппаратов, работающих по технологии капельного кипения.
2.
Предложен ряд принципиальных конструкций высокоэффективных, надёжных и безопасных аппаратов, работающих по технологии капельного кипения и
отвечающих современным требованиям энерго- и ресурсосбережения.
3.
Результаты диссертационной работы приняты к использованию в конструкторском отделе ОАО «Волгограднефтемаш» при проектировании и конструировании испарителей с применением технологии капельного кипения и внедрены в учебный процесс на кафедре «Процессы и аппараты химических и пищевых производств»
Волгоградского государственного технического университета.
Методы исследования. Методы физического и математического моделирования, методы корреляционного и регрессионного анализа.
Достоверность полученных результатов и выводов подтверждается использованием фундаментальных законов сохранения импульса, массы и энергии; применением в экспериментальных исследованиях сертифицированных и поверенных приборов; хорошим качественным и количественным совпадением собственных экспериментальных данных с экспериментальными данными других авторов; хорошей
корреляцией опытных данных с полученными расчётными уравнениями, достоверность которых подтверждается критериями математической статистики.
Личный вклад автора состоит в непосредственном участии в проведении экспериментальных исследованиях, в том числе в выявлении физической картины процесса капельного кипения; дальнейшей математической обработке полученных опытных данных; определении численных значений коэффициентов прогнозирующих
уравнений, составляющих математическую модель процесса, их статистическом анализе; разработке в составе коллектива авторов конструктивных технологических решений проведения процесса капельного кипения на практике и методики их расчёта.
Положения, выносимые на защиту:
1.
Физическая картина капельного кипения и методика обработки экспериментальных данных для определения основных гидродинамических и тепловых параметров как обоснование его использования в технологических процессах.
2.
Математическая модель процесса капельного кипения, позволяющая
прогнозировать основные количественные характеристики: время испарения капли на
поверхности нагрева, диаметр пятна контакта кипящей капли с поверхностью нагрева, коэффициент теплоотдачи, температуру начала перехода капли в сфероидальное
состояние – в зависимости от влияющих факторов: теплофизических свойств жидкости, температуры поверхности нагрева, размера капли, начальной температуры жид5
кости в капле, высоты падения капли на поверхность нагрева, состояния поверхности,
определяемого её шероховатостью, и её адгезионных свойств.
3.
Принципиальные схемы конструкций высокоэффективных, надёжных и
безопасных аппаратов, работающих по технологии капельного кипения и обладающих по сравнению с существующими аналогами химического машино- и аппаратостроения значительно меньшими габаритами и металлоёмкостью.
4.
Методика расчёта аппаратов, работающих по технологии капельного кипения.
Апробация результатов работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных конференциях:
«Инновационные наукоёмкие технологии», г. Тула, 2010 г.; XIX Менделеевский съезд
по общей и прикладной химии, г. Волгоград, 2011 г.; «Нефть и газ – 2015», г. Москва,
2015 г.; на всероссийских конференциях: «Интенсификация тепло-массообменных
процессов, промышленная безопасность и экология», г. Казань, 2012 г.; Всероссийский конкурс научно-исследовательских работ студентов и аспирантов в области химических наук и наук о материалах, г. Казань, 2012 г.; «России – творческую молодёжь», г. Камышин, 2013 г.; на региональных конференциях: Региональная конференция молодых исследователей Волгоградской области, г. Волгоград, 2011 г., 2012 г.;
«Нижнему Поволжью – творческую молодёжь», г. Камышин, 2012 г.; Конкурс молодёжных научных проектов по энергосбережению и повышению энергоэффективности
в Волгоградской области, г. Волгоград, 2014 г.
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликована 21 работа, их них 10 статей, из которых 5 статей из перечня рецензируемых научных журналов, 5 статей в сборниках научных трудов. Получены 1 патент РФ на изобретение,
5 патентов РФ на полезные модели и 1 свидетельство РФ о государственной регистрации программы для ЭВМ.
Структура и объём работы. Диссертационная работа изложена на 245 страницах основного текста и приложений. Состоит из введения, 4 глав, заключения и
3 приложений на 29 страницах. Работа содержит 64 рисунка, 23 таблицы и библиографию из 207 наименований.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы исследования, представлена степень её разработанности, сформулированы цель и задачи диссертационной работы,
изложены научная новизна, практическая значимость и положения, выносимые на
защиту диссертации, приведены сведения о структуре диссертационной работы.
В первой главе «Современное состояние исследований капельного кипения
жидкостей» даётся краткая историческая справка исследований капельного кипения
до XX века, начиная ещё со времён И.Г. Лейденфроста (1715-1794 гг.), а также приводятся сведения по исследованию испарения в режимах плёночного и пузырькового
6
кипения капель жидкости на поверхности нагрева, выполненных различными авторами, начиная с XX века и до настоящего времени.
Однако, несмотря на достаточно длительный исторический опыт наблюдений и
экспериментальных исследований капельного кипения, многочисленные исследования различных авторов не доведены до конкретных расчётных зависимостей, позволяющих определить основные количественные характеристики процесса капельного
кипения. Исследования различных авторов ограничиваются в своих публикациях
представлением и обсуждением только собственных экспериментальных данных, что
не позволяет провести их обобщение. Как следствие, это, возможно, является тем обстоятельством, что нет инженерных конструкций и практически не применяется промышленное оборудование с использованием капельного кипения на теплоотдающей
поверхности, а анализ патентной литературы показал полное отсутствие соответствующих патентозащищённых технических решений.
Формулируется техническая задача диссертационного исследования с указанием основных этапов её решения.
Во второй главе «Экспериментальное определение основных гидродинамических и тепловых параметров при кипении одиночной капли жидкости на поверхности нагрева» приводится описание экспериментальной установки для исследования капельного кипения на поверхности нагрева, одним из основных элементов
которой является высокоскоростная видеокамера с частотой съёмки до 5000 кадров в
секунду, и методика проведения экспериментальных исследований с использованием
компьютерной обработки. Последнее обстоятельство позволило измерить время испарения и диаметр пятна контакта капли с поверхностью нагрева с большой точностью. В проведённых опытах значения времени в секундах и линейных размеров в
миллиметрах были ограничены с точность до третьего знака после запятой. Частота
съёмки при этом составляла 200 кадров в секунду, что было вполне достаточно для
обеспечения необходимой точности. В экспериментах использовались имеющие разную шероховатость стальные, алюминиевые и латунная поверхности нагрева, температура которых изменялась в диапазоне от 100 °С и до 260÷280 °С с шагом 10÷20 °С.
Опыты проводились при атмосферном давлении с использованием капель дистиллированной воды. Начальная температура жидкости в капле составляла 20, 50, 80 и
95 °С. Высота падения капли изменялась от высоты, примерно равной радиусу капли,
до высоты, равной 350÷400 мм. Проведение экспериментальных исследований согласно разработанной методике с использованием технического оснащения экспериментальной установки позволило визуально детально выявить физическую картину
процесса капельного кипения. В качестве примера на рисунке 1 приведены возможные варианты поведения конкретных капель воды при их кипении на поверхности нагрева. Необходимо отметить следующее важное обстоятельство: площадь пятна контакта жидкости с поверхностью нагрева на протяжении всего третьего периода кипения капли остаётся примерно постоянной.
7
а
б
1, 2, 3, 4 – периоды процесса испарения капли:
1 – образование «тороида» при соударении капли с поверхностью (0,005÷0,01 с);
2 – трансформация «тороида» в полусферу и её прогрев до температуры кипения;
3 – кипение капли вплоть до выкипания основного объёма жидкости,
после чего на поверхности остаётся влажное пятно;
4 – высыхание влажного пятна за счёт испарения с поверхности
а – dк=3,783 мм, tн=20 °С, h=100 мм, Δt=60 °С;
б – dк=4,840 мм, tн=20 °С, h=40 мм, Δt=80 °С
Рисунок 1 – Изменение диаметра пятна контакта кипящей капли
со стальной поверхностью нагрева для Ra=2,269 мкм, Sm=170,4 мкм, θ=46 °
В каждом периоде процесса испарения капли можно выделить как средний
диаметр и, соответственно, площадь пятна контакта кипящей капли с поверхностью
нагрева, так и определить среднеинтегральный диаметр (площадь) за весь период
процесса кипения. Эти обстоятельства позволили предложить очень простую методику обработки экспериментальных данных для определения значений основных количественных параметров процесса капельного кипения: времени протекания процесса,
площади поверхности контакта кипящий капли с греющей поверхностью и коэффициента теплоотдачи от греющей поверхности к кипящей на ней капли жидкости.
Причём была заложена возможность получения как средних значений этих параметров, так и их значений для каждого характерного периода процесса капельного кипения, показанного на рисунке 1. Значение общей относительной погрешности определения среднего коэффициента теплоотдачи при этом составило 5,86 %.
Представляет интерес сравнение полученных результатов с известными данными для кипения жидкости в объёме, ограниченном стенками сосуда. На рисунке 2
показаны общеизвестные графики зависимостей α=f(Δt) и q=f(Δt) при кипении воды.
Сравнение собственных экспериментальных данных по капельному кипению с вышеуказанными зависимостями показывает, что характер изменения коэффициентов теплоотдачи и удельной тепловой нагрузки при капельном кипении аналогичен кипению
жидкости в объёме, ограниченном стенками сосуда. Для капельного кипения диапазон температурного напора сдвинут вправо на оси абсцисс и находится в пределах
20÷160 °С, а максимальные значения α и q практически на порядок превышают максимальные значения при кипении жидкости в объёме.
8
Кипение в объёме,
ограниченном
стенками сосуда (линии):
1 – график значений
α=f(Δt),
2 – график значений
q=f(Δt)
Капельное кипение
для h=(dк/2)÷350 мм,
tн=20÷95 °С,
Ra=0,374÷16,943 мкм,
Sm=28,7÷551,5 мкм,
θ=46÷80 ° (условные
обозначения):
3 – область значений α=f(Δt),
4 – область значений q=f(Δt)
– dк=2,333 мм
– dк=2,567 мм
– dк=2,800 мм
– dк=3,783 мм
– dк=4,234 мм
– dк=4,840 мм
– dк=5,692 мм
I – область пузырькового кипения;
II – область плёночного кипения
Рисунок 2 – Графики зависимостей α=f(Δt) и q=f(Δt) для воды
1 – график α=f(q)
по данным академиков
С.С. Кутателадзе и
В.Е. Накорякова;
2 – область значений
αср=f(q) при капельном
кипении для
h=(dк/2)÷350 мм,
tн=20÷95 °С,
Ra=0,374÷16,943 мкм,
Sm=28,7÷551,5 мкм,
θ=46÷80 ° (условные
обозначения):
– dк=2,333 мм
– dк=2,567 мм
– dк=2,800 мм
– dк=3,783 мм
– dк=4,234 мм
– dк=4,840 мм
– dк=5,692 мм
Рисунок 3 – Совмещённый график α=f(q)
9
На рисунке 3 показано сравнение собственных экспериментальных данных по
капельному кипению с графиком α=f(q) при кипении воды в объёме, ограниченном
стенками сосуда по данным академиков С.С. Кутателадзе и В.Е. Накорякова. В малом
объёме капли, в связи с отсутствием ограничивающих её стенок, плёночный режим
кипения не развивается во всём диапазоне температурного напора вплоть до значений, соответствующих переходу капли в сфероидальное состояние. Это обстоятельство позволяет осуществлять процесс в режиме капельного кипения при значительно
больших значениях удельной тепловой нагрузки, температурного напора и коэффициентов теплоотдачи, избегая крайне нежелательных технологических последствий,
таких как резкое падение коэффициентов теплоотдачи, вызывающее перегрев теплообменных поверхностей, паровой взрыв и т. п.
Необходимо также отметить, что для капельного кипения практически полностью отсутствует тепловая инерционность процесса, т. к. при прекращении подачи
капель испаряемой жидкости в технологический аппарат из-за очень небольшого
времени их испарения процесс кипения останавливается почти мгновенно.
В третьей главе «Математическая обработка экспериментальных данных» даётся подробное описание получения математической модели капельного кипения в виде совокупности расчётных уравнений для прогнозирования значений основных количественных характеристик процесса в зависимости от влияющих факторов: теплофизических свойств жидкости, температуры поверхности нагрева, размера
капли, начальной температуры жидкости в капле, высоты падения капли на поверхность нагрева, состояния поверхности, определяемого её шероховатостью, и её адгезионных свойств.
В результате проведённого статистического обобщения экспериментальных
данных были получены следующие расчётные уравнения для прогнозирования:
– значений времени полного испарения капли:
2, 370
1, 025
S 
W 
 
t t 
; (1)
Ноv  2
 2,256  10 29  Ra 1,933  Oh 11,572  Rе 0, 231   кип н 
  m 
  a 
dк  
 t 
 Wк 
 Ra 
– значений среднего диаметра пятна контакта испаряющейся капли с поверхностью нагрева:
0, 243
Г ср 
d п,ср
dк
 14,829  Ra
0, 045
 Oh
0 , 498
 Rе
0 ,127
t t 
  кип н 
 t 
0, 019
S
  m
 Ra



0 , 024
W
  a
 Wк



0 , 312
;
(2)
– значений среднего коэффициента теплоотдачи:
0,138
0,106
 ср  d к
S 
W 
t t 
; (3)
Nu ср 
 2,924  109  Ra 0,906  Oh 3,688  Rе 0,073   кип н 
  m 
  a 

 t 
 Wк 
 Ra 
– значений температуры начала перехода капли в сфероидальное состояние:
1  t кип  t н 
13
6 ,100
0 , 317  S m


9
,
671

10

Oh

Rе
 
Ra  t ст , L  t кип 
 Ra
10



1,165
W
  a
 Wк



0, 700
2 ,198
.
(4)
Аналогично были получены уравнения для прогнозирования основных количественных характеристик для каждого из характерных периодов процесса. Теплофизические свойства жидкости в уравнениях (1)÷(4) берутся при температуре её кипения.
Корреляционный и регрессионный анализ экспериментальных данных проводился в следующем порядке:
1) выполнялось исключение резко выделяющихся данных из генеральной совокупности N и для оставшихся выборок n доказывалось не отвержение гипотезы о
нормальном распределении случайной величины с использованием критериев согласия Пирсона и Колмогорова;
2) для каждого уравнения определялись значения коэффициентов регрессии и
коэффициента линейной множественной корреляции, значимость которого доказывалась с использованием z-преобразования Фишера, имеющим статистику распределения Стьюдента, а также относительные ошибки: δср; δmin; δmax.
3) выполнялась проверка не отвержения основных статистических гипотез: об
однородности дисперсий случайной величины – с помощью критерия Кохрена, о значимости коэффициентов регрессии – с помощью критерия Стьюдента, об адекватности регрессионного уравнения – с помощью критерия Фишера;
4) для каждого уравнения определялись доверительные интервалы индивидуальных значений зависимой переменной (с использованием свойств нормального
распределения остатков случайной величины) и значения относительных стандартных ошибок коэффициентов регрессии.
В таблице 1 представлены укрупнённые результаты проведённого корреляционного и регрессионного анализа для уравнений (1)÷(4).
Таблица 1 – Укрупнённые результаты корреляционного и регрессионного анализа
№ уравнения п/п
(1)
(2)
(3)
(4)
№ уравнения п/п
(1)
(2)
(3)
(4)
* по величине
N
1027
1027
1027
129
Gp
0,0034
0,0017
0,0027
0,0132
Gкр
0,0290
0,0157
0,0238
0,0931
δср, %
13,31
8,23
11,29
21,07*
n
296
593
371
76
tp**
≥1916
≥763
≥976
≥236
δmin, %
-29,70
-20,12
-33,19
-41,62*
tкр
1,9640
1,9620
1,9632
1,9757
δmax, %
+30,64
+20,37
+31,64
+48,39*
Fp
1,0389
1,0076
1,0731
1,0427
ry.1-k
0,9949
0,8219
0,9789
0,9575
Fкр
1,1786
1,1231
1,1581
1,3831
su
0,1570
0,0989
0,1403
0,2551
1  t кип  t н 
(по величине tст,L – δср=5,69 %; δmin=-10,99 %; δmax=+15,52 %

Ra  t ст , L  t кип 
** указано наименьшее расчётное значение из семи (пяти для уравнения (4)) полученных
На рисунке 4 приведено сравнение собственных экспериментальных данных с
расчётными по уравнению (3) данными в координатах αср=f(q) с указанием границ
доверительных интервалов значений αср и q. Как видно из рисунка, эксперименталь11
ные данные в своём большинстве лежат внутри области, ограниченной предельными
линиями. Отдельные экспериментальные значения выбиваются из этой области, но не
выходят за границы доверительных интервалов уравнения (3).
1 – график уравнения (3)
для dк=2,333 мм, tн=20 °С,
h=350 мм, Ra=0,374 мкм,
Sm=28,7 мкм, θ=80 °;
2 – нижняя граница
доверительного интервала
значений αср по
уравнению (3) для
dк=2,333 мм, tн=20 °С,
h=350 мм, Ra=0,374 мкм,
Sm=28,7 мкм, θ=80 °;
3 – график уравнения (3)
для dк=5,692 мм, tн=95 °С,
h=(dк/2), Ra=8,964 мкм,
Sm=255,5 мкм, θ=46 °;
4 – верхняя граница
доверительного интервала
значений αср по
уравнению (3) для
dк=5,692 мм, tн=95 °С,
h=(dк/2), Ra=8,964 мкм,
Sm=255,5 мкм, θ=46 °
– dк=2,333 мм;
– dк=2,567 мм;
– dк=2,800 мм;
– dк=3,783 мм;
– dк=4,234 мм;
– dк=4,840 мм;
– dк=5,692 мм
Рисунок 4 – Общее сравнение экспериментальных данных
с расчётными по уравнению (3) данными в координатах αср=f(q)
Аналогичные результаты наблюдаются и для других вариантов расчёта по
уравнениям (1)÷(4), как для отдельных периодов протекания процесса, так и при анализе других влияющих на него факторов.
Сравнение расчётных по полученным уравнениям данных с собственными экспериментальными данными, а также с экспериментальными данными других авторов
подтвердило их достоверность и универсальность математической модели процесса
капельного кипения в диапазоне температур поверхности нагрева от 1,2 температуры
кипения испаряемой жидкости до 0,9 температуры начала перехода капли в сфероидальное состояние.
В четвёртой главе «Новые технологические и конструктивные решения
промышленной реализации процесса капельного кипения» приведены практические
рекомендации по переходу от испарения в режиме кипения одиночной капли жидкости к множественному капельному кипению.
12
Описаны принципиальные схемы конструкций испарителей и парогенератора
трубчатого типа с электрическими нагревательными элементами, предназначенного
для получения насыщенного и перегретого пара (рисунок 5, таблица 2).
Приведена методика расчёта величины площади теплообменной поверхности
технологических аппаратов с использованием капельного кипения, блок-схема которой представлена на рисунке 6. Исходными данными для расчёта являются: теплофизические свойства испаряемой жидкости; начальная температура жидкости в каплях
tн [°С], требуемый массовый расход получаемого пара Gп [кг/с]; толщина теплоотдающей поверхности δст [м], коэффициент теплопроводности поверхности нагрева
λст [Вт/(м·°С)], термическое сопротивление загрязнений поверхности нагрева со стороны подвода тепла (горячего теплоносителя) rз [(м2·°С)/Вт]; диаметр капель dк [м],
высота падения капель на поверхность нагрева h [м], коэффициент плотности укладки
капель на поверхности нагрева εк [м2/м2].
Расчёт проводится в следующим порядке.
1.
Задаёмся параметрами шероховатости Rа [мкм], Sm [мкм] и адгезии
θ [град.] поверхности нагрева.
2.
Задаёмся величиной единичной площади поверхности нагрева F1 [м2].
3.
Определяем минимальную и максимальную границы температур поверхности нагрева, при которых целесообразно использовать капельное кипение:
miп
t ст
(5)
, х  1, 2  t кип [°С],
тax
t ст
, х  0,9  t ст , L [°С],
(6)
где tст,L [°С] рассчитывается по уравнению (4).
miп
тax
4.
Если t ст
, х  t ст , х , то корректируем параметры шероховатости и адгезии
поверхности нагрева по п. 1.
Дальнейший расчёт ведём для двух температур поверхности нагрева: минимальной и максимальной.
5.
Определяем значения: dп,ср [м] по уравнению (2), τ [с] по уравнению (1),
2
αср [Вт/(м ·°С)] по уравнению (3). Рассчитываем площадь круглого пятна контакта капли с поверхностью нагрева Fп,ср [м2]. Определяем периодичность подачи капель:
(7)
 п  1,2  [с].
6.
Определяем количество капель единичной подачи:
пк 
F1  1   к 
,
Fп ,ср
(8)
их общую массу:
тп   ж 
  d к3
6
 пк [кг]
(9)
и массовый расход жидкости, приходящийся на единичную площадь:
G1 
13
mп
п
[кг/с].
(10)
Температура поверхности нагрева в 1,2÷2,3 раза превышает
температуру кипения испаряемой жидкости.
Периодичность капельной подачи испаряемой жидкости соответствует 1,1÷1,3 времени
испарения капель.
D  0,7  1  d ф
– условие распределения капель
испаряемой жидкости по всему
сечению обогреваемой трубы.
L  2  5  lф
– условие обеспечения заданной производительности обогреваемой трубы по получаемому пару.
1 – корпус; 2 – электрический нагреватель; 3 – поверхность нагрева;
4 – форсунка; 5 – дроссельное устройство; 6 – паровой коллектор
Рисунок 5 – Принципиальная схема конструкции электрического
парогенератора трубчатого типа
Таблица 2 – Сравнение проектируемых парогенераторов со стандартными аппаратами
№ пункта
сравнения
Тип (марка)
парогенератора
Производительность
Величина
теплообменной
поверхности
F, м2
Масса*
Gп, кг/час
М, кг
Проектируемый трубчатый
2000
1,01 ÷ 5,47
31 ÷ 169
электрический парогенератор
1**
Топливный парогенератор
2000
25,92
2107
Clayton SF 125 Standard
Проектируемый трубчатый
40
0,020 ÷ 0,109
0,3 ÷ 1,7
электрический парогенератор
2***
Электрический парогенератор
40
0,414
155
ЭПГ-40
* расчёт массы проектируемых трубчатых парогенераторов проводился без учёта электронагревателей и тепловой изоляции корпуса
**Краткая техническая характеристика парогенераторов производительностью 2000 кг/час:
Clayton SF 125 Standard
Проектируемый аппарат
Затрачиваемая мощность
1500 кВт
1441 кВт
Габариты
1842×1933×2322 мм
2 трубы 250×4,0 мм длиной 643 мм
4 трубы 250×4,0 мм длиной 1743 мм
***Краткая техническая характеристика парогенераторов производительностью 40 кг/час:
ЭПГ-40
Проектируемый аппарат
Затрачиваемая мощность
30 кВт
28,8 кВт
Габариты
1842×1933×2322 мм
2 трубы 25×2,0 мм длиной 232 мм
6 труб 25×2,0 мм длиной 129 мм
14
Рисунок 6 – Блок-схема методики расчёта
15
Определяем долю единичной площади поверхности нагрева по отношению к
площади теплообменной поверхности технологического аппарата:
N1 
Gп
.
G1
(11)
7.
Если для максимальной температуры поверхности нагрева N<Кз, где
Кз – некоторый коэффициент запаса поверхности, то корректируем величину единичной площади поверхности нагрева по п. 2.
8.
Определяем тепловую нагрузку (мощность):
(12)
N  Gn  c р , ж  t кип  t н   Gп  r [Вт],
удельный тепловой поток:
q
N
[Вт/м2]
F1  N 1
(13)
и перепад температуры по толщине теплоотдающей поверхности:


t ст  q   ст  rз  [°С].
 ст

(14)
В завершении рассчитываем температуру поверхности нагрева со стороны подвода тепла (горячего теплоносителя):
(15)
t ст ,г  t ст , х  t ст [°С].
В заключении представлены научные и практические результаты, полученные
в диссертационной работе:
1.
Использование капельного кипения позволяет в несколько раз повысить
интенсивность процесса испарения и, соответственно, увеличить эффективность работы теплообменных аппаратов, уменьшить их габариты и металлоёмкость.
2.
Анализ физической картины процесса капельного кипения позволил
предложить достоверную методику определения его основных гидродинамических и
тепловых параметров, а также показал, что, во-первых, капельное кипение не сопровождается крайне нежелательными технологическими последствиями, характерными
для кипения жидкости в объёме, ограниченном стенками сосуда, такими как резкое
падение коэффициентов теплоотдачи, перегрев теплообменных поверхностей, паровой взрыв, а, во-вторых, для капельного кипения практически полностью отсутствует
тепловая инерционность процесса.
3.
Анализ полученных экспериментальных данных показал, что для капельного кипения воды при атмосферном давлении рабочий диапазон температурного
напора лежит в пределах Δt=20÷160 °С против Δt=5÷30 °С для кипения
воды в объёме, ограниченном стенками сосуда, при этом максимальные значения
коэффициентов теплоотдачи и удельной тепловой нагрузки при капельном кипении
жидкости практически на порядок превышают максимальные значения при кипении
жидкости в объёме: при температурном напоре Δt=100÷120 °С соответственно
α=90÷100 кВт/(м2·°С) и q=10÷12 МВт/м2.
16
4.
Получена математическая модель процесса капельного кипения в виде
совокупности уравнений в числах и симплексах подобия, позволяющих прогнозировать основные количественные характеристики процесса: время испарения капли на
поверхности нагрева, диаметр пятна контакта кипящей капли с поверхностью нагрева, коэффициент теплоотдачи, температуру начала перехода капли в сфероидальное
состояние – в зависимости от основных влияющих факторов: теплофизических
свойств жидкости, температуры поверхности нагрева, размера капли, начальной температуры жидкости в капле, высоты падения капли на поверхность нагрева, состояния поверхности, определяемого её шероховатостью, и её адгезионных свойств.
5.
Разработана методика расчёта основных параметров аппаратов, работающих по технологии капельного кипения, в диапазоне температур их поверхности
нагрева от 1,2 температуры кипения испаряемой жидкости до 0,9 температуры начала
перехода капель в сфероидальное состояние, что соответствует максимальной интенсивности протекания процесса.
6.
На основе технологии капельного кипения предложен способ повышения
интенсивности теплоотдачи в испарителе (патент РФ на изобретение № 2619684), а
также ряд принципиальных конструкций высокоэффективных, надёжных и безопасных технологических аппаратов – испарителей (патенты на п. м. №№ 114864, 124173,
131637, 131983, 162273), отвечающих современным требованиям энерго- и ресурсосбережения и обладающих по сравнению с существующими аналогами химического
машино- и аппаратостроения значительно меньшими габаритами и металлоёмкостью.
7.
Дальнейшее развитие темы предполагает исследование капельного кипения растворов и суспензий, при котором на поверхности нагрева выделяется твёрдая
фаза, что потребует корректировки полученной математической модели процесса и,
возможно, его аппаратурного оформления.
Условные обозначения:
ср  удельная массовая теплоёмкость, Дж/(кг·°С); dк – диаметр капли, характерный линейный размер, м; dn – диаметр пятна контакта капли с поверхностью нагрева, м; dф – диаметр факела распыла
жидкости, м; D – диаметр, конструктивный линейный размер, м; Fn – площадь пятна контакта капли с поверхностью нагрева, м2; Fр, Fкр – расчётное и критическое значения критерия Фишера;
F1 – единичная площадь поверхности нагрева, м2; g – ускорение свободного падения, м/с2; G – массовый расход, кг/с; Gр, Gкр – расчётное и критическое значения критерия Кохрена; h – высота, линейный размер, м; L – длина, конструктивный линейный размер, м; lф – длина факела распыла
жидкости, м; n – количество; N – тепловая нагрузка, Вт; N1 – доля единичной площади поверхности нагрева; q – удельный тепловой поток, Вт/м2; Q – количество теплоты, Дж; r – удельная теплота фазового перехода, Дж/кг;
ry.1-k – коэффициент линейной множественной корреляции;
Ra – среднее арифметическое отклонение профиля, мкм; su – стандартное отклонение остатков случайной величины; Sm – средний шаг неровностей профиля по средней линии, мкм; t – температура,
°С; tн – начальная температура жидкости в капле, °С; tр, tкр – расчётное и критическое значения
критерия Стьюдента; α – коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2·°С); β  коэффициент объёмного расширения, °С-1; δ – толщина, линейный размер, м; εк – коэффициент плотности укладки капель на
поверхности нагрева; θ – краевой угол смачивания при натекании жидкости, град.; λ – коэффициент теплопроводности, Вт/(м·°С); μ  динамический коэффициент вязкости, Па∙с; π – отношение
длины окружности к её диаметру; ρ – плотность, кг/м3; σ – коэффициент поверхностного натяжения, Дж/м2; τ – время, с; τп – периодичность подачи, с.
17
Числа и симплексы подобия:
Ноv    
  – приведённое число подобия гомохронности;
Nu    d к  – число подобия Нуссельта;

d к2
Oh  

    d к – число подобия Онезорге;
Ra  g  d к3   2  с р    t     – число подобия Рэлея;
Rе  w  d к    – число подобия Рейнольдса;
t кип  t н  t – симплекс подобия, учитывающий влияние температурных факторов;
S m Ra – симплекс подобия, учитывающий влияние шероховатости поверхности нагрева;
Wа Wк – симплекс подобия, учитывающий влияние адгезионных свойств поверхности нагрева;
Г ср  d п,ср d к – геометрический симплекс подобия.
Расчётные комплексы:
Δt = tст – tкип – температурный напор, °С;
Wa = σ · (1 + cos θ) – работа адгезии, Дж/м2;
Wк = 2 · σ – работа когезии, Дж/м2.
Индексы:
«L» – соответствует началу перехода капли в сфероидальное состояние; «max» – соответствуют
максимальному значению; «min» – соответствуют минимальному значению; «кип» – соответствует
кипению жидкости; «п» – относится к пару; «ср» – соответствует среднему значению; «ст» – относится к пристенной зоне или соответствует параметрам стенки; «х» и «г» – относятся к холодной
и горячей поверхностям теплообмена.
Примечание:
Обозначения (размерности) отдельных коэффициентов, расчётных величин и индексов приводятся в
тексте автореферата.
Автор выражает глубокую благодарность своему научному консультанту
кандидату технических наук, доценту Леониду Саввичу Реве за помощь в выполнении экспериментальных исследований и постоянное внимание к работе.
По теме диссертации опубликованы следующие работы:
в изданиях из перечня рецензируемых научных журналов Минобрнауки России:
1.
Критериальная зависимость для испарения одиночной капли жидкости на поверхности нагрева / П.С. Васильев, С.Л. Рева, Л.С. Рева, А.Б. Голованчиков // Известия ВолгГТУ. Сер. Актуальные
проблемы управления, вычислительной техники и информатики в технических системах. – Волгоград, 2012. – № 10 (97). – С. 13-18.
2.
Математическое моделирование работы капельного испарителя / П.С. Васильев, А.Б. Голованчиков, С.Л. Рева, Л.С. Рева // Известия ВолгГТУ. Сер. Актуальные проблемы управления, вычислительной техники и информатики в технических системах. – Волгоград, 2015. – № 13 (177). –
С. 7-12.
3.
Определение времени испарения кипящей на поверхности нагрева капли / П.С. Васильев,
Л.С. Рева, С.Л. Рева, А.Е. Новиков, А.Б. Голованчиков // Вестник технологического университета. –
2016. – Т. 19. – № 5. – С. 121-126.
4.
Определение площади пятна контакта кипящей на поверхности нагрева капли жидкости
/ П.С. Васильев, Л.С. Рева, С.Л. Рева, А.Е. Новиков, А.Б. Голованчиков // Вестник технологического
университета. – 2016. – Т. 19. – № 13. – С. 116-123.
5.
Экспериментальное исследование теплоотдачи при кипении капли жидкости на поверхности
нагрева / П.С. Васильев, Л.С. Рева, С.Л. Рева, А.Б. Голованчиков // Вестник технологического университета. – 2017. – Т. 20. – № 22. – С. 28-33.
18
в других журналах и материалах конференций:
6.
Методика обработки экспериментальных исследований капельного кипения / С.Л. Рева,
П.С. Васильев, Л.С. Рева, А.Б. Голованчиков // Известия ВолгГТУ. Сер. Реология, процессы и аппараты химической технологии. – Волгоград, 2012. – № 1 (88). – С. 42-45.
7.
Экспериментальная установка для исследования капельного кипения растворов и суспензий
на обогреваемом вращающимся диске / П.С. Васильев, С.Л. Рева, Л.С. Рева, Н.Н. Коваль // Известия
ВолгГТУ. Сер. Реология, процессы и аппараты химической технологии. – Волгоград, 2013. –
№ 1 (104). – С. 22-24.
8.
Определение предельной высоты падения капли, при которой не происходит нарушения
сплошности объёма жидкости на поверхности / П.С. Васильев, С.Л. Рева, Л.С. Рева, В.В. Савин,
А.Б. Голованчиков // Известия ВолгГТУ. Сер. Реология, процессы и аппараты химической технологии. – Волгоград, 2014. – № 1 (128). – С. 111-114.
9.
Экспериментальное исследование испарения капли с поверхности нагрева / С.Л. Рева,
П.С. Васильев, Л.С. Рева, А.Б. Голованчиков // Инновационные наукоёмкие технологии: теория, эксперимент и практические результаты: докл. междунар. науч.-практ. конф. / РХТУ им. Д.И. Менделеева, ТулГУ [и др.]. – Тула, 2010. – С. 24-28.
10.
Васильев, П.С. Энергоэффективность при переходе от плёночного к капельному кипению
/ П.С. Васильев, А.Б. Голованчиков // Энергосбережение и энергоэффективность. Волгоград – 2014:
сб. докл. и вытупл. межрегион. форума / Правительство Волгоградской обл., ГБУ ВО «Волгоградский
центр энергоэффективности», Выставочный центр «Царицынская ярмарка». – Волгоград, 2014. –
С. 138-143.
11.
Интенсификация тепло- и массообмена при капельном кипении жидкости / С.Л. Рева,
П.С. Васильев, Л.С. Рева, А.Б. Голованчиков // XIX Менделеевский съезд по общей и прикладной
химии. В 4 т. Т. 3 / РАН, РХО им. Д.И. Менделеева, Администрация Волгоградской обл. [и др.]. –
Волгоград, 2011. – С. 500.
12.
Васильев, П.С. Исследование капельного кипения жидкости на горячей поверхности
/ П.С. Васильев, С.Л. Рева / Интенсификация тепло-массообменных процессов, промышленная безопасность и экология: матер. III всерос. студ. науч.-техн. конф. / КНИТУ, ИХНМ. – Казань, 2012. –
С. 38-40.
13.
Рева, С.Л. Экспериментальное исследование процесса капельного кипения жидкостей
/ С.Л. Рева, П.С. Васильев // Всероссийский конкурс научно-исследова-тельских работ студентов и
аспирантов в области химических наук и наук о материалах: сб. аннотаций науч. работ финалистов
конкурса. В 2 ч. Ч. 1 / КНИТУ. – Казань, 2012. – С. 48-50.
14.
Коваль, Н.Н. Экспериментальная установка для исследования капельного кипения растворов
и суспензий на обогреваемом вращающимся диске / Н.Н. Коваль, П.С. Васильев, Л.С. Рева // Нефть и
газ – 2015: сб. тез. 69-й междунар. молодёжной науч. конф. / РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина. –
Москва, 2015. – Т. 2. – С. 167.
получены патенты:
15.
Пат. 2619684 RU, 2016115172 Способ повышения интенсивности теплоотдачи в испарителе
/ П.С. Васильев, В.В. Савин, А.Б. Голованчиков. – заявл. 19.04.2016; опубл. 17.05.2017. Бюл. № 14.
16.
П. м. 114864 RU, 2011146569/05 Испаритель / А.Б. Голованчиков, Л.С. Рева, С.Л. Рева,
П.С. Васильев. – заявл. 16.11.2011; опубл. 20.04.2012. Бюл. № 11.
17.
П. м. 124173 RU, 2012125095/05 Испаритель / Л.С. Рева, С.Л. Рева, А.Б. Голованчиков,
П.С. Васильев. – заявл. 15.06.2012; опубл. 20.01.2013. Бюл. № 2.
18.
П. м. 131637 RU, 2013112965/05 Испаритель / П.С. Васильев, С.Л. Рева, Л.С. Рева, А.Б. Голованчиков, В.А. Панов. – заявл. 22.03.2013; опубл. 27.08.2013. Бюл. № 24.
19.
П. м. 131983 RU, 2013112970/05 Испаритель / П.С. Васильев, С.Л. Рева, Л.С. Рева, А.Б. Голованчиков, Н.Н. Коваль. – заявл. 22.03.2013; опубл. 10.09.2013. Бюл. № 25.
20.
П. м. 162273 RU, 2015155766/05 Испаритель / П.С. Васильев, С.Л. Рева, Л.С. Рева, А.Б. Голованчиков. – заявл. 24.12.2015; опубл. 10.06.2016. Бюл. № 16.
выдано свидетельство о государственной регистрации программ для ЭВМ:
21.
Васильев, П.С. Программа для расчёта кинематических характеристик процесса нестационарного осаждения сферической частицы в поле действия силы тяжести / П.С. Васильев, А.Б. Голованчиков, Л.С. Рева // № 2015660064 от 21.09.2015 г.
19
Подписано в печать 05.07.2018 г. Формат 60×84 1/16. Бумага офсетная.
Печать офисная. Тираж 100 экз. Отпечатано в ООО «Печатный двор»,
400120, г. Волгоград, ул. Чембарская, д. 16.
20
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
3
Размер файла
967 Кб
Теги
технологическая, теплообмена, капельного, аппарата, кипение, жидкости
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа