Невозможно было выяснить что где-нибудь в закономерностях теплообмена при кипении в трубах до тех пор, пока не были получены данные об изменении коэффициента теплоотдачи по высоте кипятильных трубы в зависимости от
гидродинамического режима. Главным методологическим недостатком исследования процесса кипения было то, что в них определялось среднее значение a для всей Кипятильник трубы.
Метод дифференциального (зонального) определение a по высоте трубы для изучения теплоотдачи в контурах испарителей с организованной циркуляцией был впервые предложен и использован в опытах в институте энергетики В.И.Толубинським. Скоро этот метод начал применяться в работах других киевских исследователей (А.Г.Бондар, М.О.Кичигин и Н.Ю.Тобилевич), а дальше получил широкое распространение.
Конструктивно исследовательские установки этого вида выполнялись или разделу паровой камеры на ряд самостоятельных секций, или приварки к Кипятильник трубы в различных местах по высоте сборников конденсата греющего пара. Первый вариант конструктивно сложнее второй, но более надежный и универсальный. Он позволяет работать с различными температурными напорами и плотностями теплового потока по высоте трубы и обеспечивает высокую достоверность результатов исследований (вследствие надежной деаэрации небольших паровых камер и др..)
Опытная установка этого вида представляла собой замкнутый контур с естественной циркуляцией. Основной ее частью была вертикальная паровая камера, делилась на 6 секций по высоте, и размещена в камере (соосно с ней) вертикальная труба с внешним нагревом ее поверхности. Внутри трубы снизу вверх двигалась жидкость и паро жидкостная смесь. Поверхность нагрева выполнена в двух вариантах: а) Латунная труба Н = 1500 мм, d = 35 × 32 мм б) стальная труба Н = 1500 мм, d = 38 × 32 мм.
Опыты выполнялись при различных тепловых и гидродинамических режимах с целью получения характеристик работы контура в целом и отдельных участков Кипятильник трубы в широком диапазоне изменения скорости циркуляции от минимального до максимального значения ее при различных тепловых нагрузках нагрева и физических свойств кипящей жидкости. В опытах определялись относительная скорость пара и подробно изучались прямоточные и близкие к ним режимы.
Опыты по кипению воды выполнялись при характерных для промышленных испарителей тепловых нагрузках от 10 до 90 кВт/м2 при давлениях вторичного пара от 20 до 100 кПа и скоростях циркуляции в пределах 0,01 ... 0,75 м / с (высота пьезометрического уровня жидкости находилась в пределах 7 ... 100% от высоты кипятильных трубы).
Основные характеристики контура с естественной циркуляцией приведены в обобщающем виде на рис.24.3, где показано изменение a по высоте трубы Н при различных скоростях циркуляции w0 (и соответствующим изменениям высоты пьезометрического уровня hn). Эти зависимости дают ясные качественные и количественные представления о картине процесса и о причинах изменения aпо высоте трубы при различных гидродинамических режимах. На этой же опытной установке выполнены исследования по кипению сахарных растворов. Общей целью этих опытов было выяснение влияния вязкости жидкости на интенсивность теплообмена при кипении и выяснения взаимосвязи между теплообменом и гидродинамическим режимом при кипении вязких растворов. Заодно решалась существенная практическая задача - получение надежных данных по a для сахарных растворов в вертикальных испарителях. Выполненные исследования охватывали область концентраций растворов до 65% СВ (сухих веществ) и низких температур кипения до 60 ° С, которые соответствуют условиям промышленной практики.
Обнаружено, что характер изменения a по высоте трубы при различных гидродинамических режимах для тепловых потоков q> 20 кВт/м2 остаются такими же, как при кипении воды (см. рис.24.3), но при hn = 100% a в верхней части трубы значительно выше среднего a оптимального режима. Влияние большей скорости потока для сахарных растворов значительный, чем при кипении воды, вследствие низких абсолютных значений a при кипении растворов в условиях свободного движения.
Вместе с тем исследования показали, что при определенных соотношениях температурного напора, геометрических размеров труб и свойств кипящей жидкости возможны случаи, когда кривая изменения a по высоте трубы с оптимального режима приобретает необычный вид. Вместо кривой, которую можно аппроксимировать прямой линией, параллельной оси абсцисс, зависимость a = a (Н) выражается кривой, повернутой выпуклостью вверх. Наблюдается явно выраженный максимум a в средней по высоте части трубы. Економайзерна участок с уменьшенными a существует при пониженных значениях a на верхнем участке.
Такие зависимости получены в опытах кипении сахарных растворов высокой концентрации при низких температурных напорах и малых q. Причиной этого является относительно большое влияние при вакууме увеличение гидростатического давления в нижней части трубы при небольшой DТ, и большей высоте hn (из-за малого тепловой нагрузки). Определенный вклад вносит рост концентрации по высоте трубы при малой кратности циркуляции.
Основным фактором, определяющим возможность такой конфигурации кривой a = a (Н), является соотношение между повышением гидростатического давления в нижней части трубы и температурным напором. Подобная конфигурация возможна при кипении в длинных трубах (в случае значительной скорости жидкости при прямоточном режиме и большом отношении длины трубы к диаметру).
При заданных свойствах жидкости существует целесообразность сочетания давления вторичного пара, температурного напора и геометрических размеров труб, при которых величина економайзернои участка в условиях оптимума может быть сведена к минимуму (практически исключена). Решение этой задачи облегчается в многокорпусных выпарных установках, когда жидкость поступает из предыдущего корпуса перегретым.
Величину оптимального значения hn нельзя считать постоянной для данного корпуса выпарной станции и такой, что зависит только от концентрации раствора. Оптимальная высота hn - сложная функция не только концентрации раствора, но и ряда других факторов: тепловой нагрузки, давления вторичного пара и др..
Конструкция опытной установки позволила выполнить серии опытов при прямоточном и близкого к нему режимах. Исследование поставленные с целью определения интенсивности теплообмена в верхней части кипятильных трубы при кратности циркуляции К = 1 ... 3 и для нахождения оптимальных значений скорости циркуляции w0 и высоты пьезометрического уровня жидкости hn.
Опытным путем получено изменение во времени скорости и кратности циркуляции К, высоты hn, коэффициента теплоотдачи a в верхней (шесть) секции, среднего a для трубы (исключая шестую секцию) и температурного напора между поверхностью нагрева и жидкостью. Кроме этого отдельно изучено влияние недогрева жидкости циркулирующей на интенсивность теплообмена в нижней части трубы. Многократное повторение исследований позволили точно определить величины w0 и hn, соответствующие максимальным значением a для всей Кипятильник трубы.
Опытами установлено, что даже при такой малой циркуляции, как К = 1,4, т.е. при массовых паросодержание в выходном сечении порядка 70%, средний коэффициент теплоотдачи a в шестой (последний) секции высотой 250 мм сохраняется относительно большое значение, которое составляет 60. .. 70% нормального значения a для данного теплового режима.
В то же время установлено, что при малых крайностях циркуляции, хотя среднее значение a для верхней секции и сохраняется достаточно высоким, но растут пульсации и происходят резкие колебания температурного напора между стенкой и жидкостью (даже в сечении, расположенном на 80 мм ниже выходного сечения трубы ) и величина a вследствие неполного и периодического смачивания поверхности нагрева жидкой пленкой с последующим полным или частичным ее исчезновением.
При прямоточном режиме даже значительный недогрев жидкости, поступающей в трубы, практически не влияет на интенсивность теплообмена в нижней части трубы, а ведет только к небольшому повышению hn. При многократной циркуляции и недогрева жидкости теплообмен в нижней части резко ухудшается, а hn очень растет.
По режимов, близких к прямоточных, потери на входе на трение и ускорения малы, и величина hn определяется содержанием жидкой фазы в кипятильных трубе. Для этих условий работы трубы (в отношении физических свойств рабочих тел, температурного режима и др.). Существует критическое содержание воды, ниже которого интенсивность теплообмена и надежность охлаждения верхней части трубы уменьшаются. Величину этого содержания воды практически можно выразить через высоту пьезометрического уровня.
Опытами на установках с латунной и стальной поверхностями нагрева обнаружена физическая картина прохождения процесса в кипятильных трубе с
естественной циркуляцией при различных гидродинамических режимах. Опытно обнаружено существование такого гидродинамического режима, когда економайзерна участок практически отсутствует, кипение происходит по всей длине трубы. При этом режиме прохождения процесса в трубе относительно его физической сути аналогичное таковому в условиях свободного движения (в большом объеме жидкости) и подчиняется тем же закономерностям. Оптимальный режим работы трубы наступает при малой абсолютной скорости циркуляции и соответствующем водо содержании в конечном сечении трубы. В этих условиях локальные значения a, отнесенные к разнице между температурой стенки и температурой кипения жидкости при давлении в паровом пространстве сепаратора, по высоте трубы практически одинаковы и численно равны значениям a при кипении в большом объеме жидкости; економайзерна участок практически отсутствует; обеспечено наличие смачивания пленкой родни поверхности нагрева в верхней части трубы.
Условиям оптимума соответствует определенная высота пьезометрического уровня жидкости hn. При снижении hn наступает ухудшение теплообмена в верхней части трубы, при повышении hn економайзерна участок приобретает заметных размеров и происходит уменьшение интенсивности теплообмена в нижней части трубы.
При оптимальном режиме изменения гидродинамических условий по высоте трубы в связи с переменным паросодержание практически не происходит изменение локальных a, что объясняется малыми абсолютными значениями скорости жидкой фазы как в начале, так и в конце трубы, несмотря на значительное относительное ускорение жидкости. При повышенных скоростях w0> 0,5 м / с (при режимах близких к hn = 100%) происходит рост значения a в зоне кипения - в верхней части трубы. Этот рост зависит от соотношения величин скорости циркуляции w0 и a при кипении в условиях свободного движения и особенно заметно при малых абсолютных значениях a. Поэтому паросодержание сам по себе не характеризует процесс в разных сечениях Кипятильник трубы. До тех пор пока существует пленка жидкости смачивает поверхность, паросодержание не влияет на интенсивность процесса. Существенно может влиять связано с изменением паросодержание ускорения жидкой фазы в тех случаях, когда абсолютные значения скорости жидкости достаточно велики. То же касается и паросодержание в выходном сечении трубы. Рекомендовать определенное цифровое значение максимального паросодержание нельзя, потому что он может меняться в зависимости от абсолютных значений приведенных скоростей жидкости и пара.
Средние значения a при кипении в трубе существенно и сложно зависят от скорости циркуляции, о чем свидетельствует рис.24.4. При значениях w0 сильно отличных от оптимального, величина a уменьшается примерно до 0,7 от оптимального a. В результате изучения процесса можно сделать вывод о влиянии геометрических факторов (диаметра и длины трубы) на величину a при кипении в трубах испарителей с естественной циркуляцией. В области оптимальных режимов геометрические факторы не влияют на интенсивность процесса.
Сравнительными опытами при кипении в отношении гладкой латунной и шероховатой стальной трубе не выявлено однозначна и имеющая практическое значение зависимость a от материала трубы при одинаковых q.
Загрузка...