Процессы кипения жидкости в трубах и каналах различной формы широко используются в теплотехнологических установках и теплообменных аппаратах различного целевого назначения, в том числе, в испарителях систем теплоснабжения, в выпарных аппаратах, в системах испарительного охлаждения высокотемпературных топливных печей металлургического и стекольного производства и т.д. В последнее время наблюдается место тенденция расширения области применения пластинчатых теплообменников, которые, по сравнению с трубчатыми аппаратами, имеют улучшенные массогабаритные показатели, отличаются высокой технологичностью при изготовлении, монтаже и эксплуатации [1]. Повышение энергоэффективности систем пароснабжения промышленных предприятий технологическим паром от ТЭЦ, использование низкопотенциального пара систем испарительного охлаждения высокотемпературных топливных печей связано с необходимостью разработки компактных и эффективных теплообменников-паропреобразователей пластинчатого типа [2, 3].
Проектирование и внедрение пластинчатых теплообменников в теплотехнологические схемы в качестве испарителей требует определения параметрических характеристик аппаратов, в которых реализуются сложные для исследования процессы с фазовыми переходами, включая кипение и конденсацию. Анализ публикаций показал необходимость проведения научных исследований в этом направлении. Нами предложено использовать в качестве испарителя пластинчатые теплообменные аппараты. В данной работе представлены результаты теоретических и экспериментальных исследований процессов теплообмена в испарителе пластинчатого типа с вертикальными каналами. Предложено увеличить ширину каналов для этих аппаратов до 8–10 мм, что позволило учесть особенности развития процессов кипения в плоских вертикальных каналах. Практический интерес представляет определения паросодержания смеси на выходе из пластинчатого испарителя, определение интенсивности теплообмена при кипении жидкости в вертикальных каналах в определенном интервале давлений рабочей среды.
Отметим, что эти вопросы являются актуальными для систем испарительного охлаждения высокотемпературных агрегатов различного целевого назначения,например стекловаренных печей ванного типа, парогенерирующие контуры которых работают в сходных условиях [3].
Испарители с пластинчатой греющей камерой имеют, как правило, замкнутый циркуляционный контур и относятся к аппаратам с многократной циркуляцией ( рис. 1). Особенности развития процессов кипения в плоских вертикальных каналах испарителя пластинчатого типа рассмотрены и проанализированы нами в работе [2].
Одной из важных характеристик работы таких аппаратов является кратность циркуляции жидкости по рабочему контуру аппарата, величина которой определяет паросодержание смеси ? при движении рабочего тела в каналах и, особенно, на выходе из испарителя. Между кратностью циркуляции жидкости и паросодержанием смеси существует зависимости.
Рисунок 1 - Схема циркуляционного контура испарителя
1 – сепаратор; 2 – обратная циркуляционная труба; 3 – камера пластинчатого испарителя;
4–пароводяной патрубок
Характерной особенностью пластинчатых испарителей является малое проходное сечение плоских вертикально расположенных каналов, в которых протекает процесс кипения. В этом случае имеет место резкий рост величины паросодержание смеси по высоте каналах и на выходе из них. Это обстоятельство при неправильном выборе размеров элементов циркуляционного контура может вызвать большое гидравлическое сопротивление контура в целом и повлиять на развитие процессов кипения жидкости и снизить эффективность работы теплообменника в целом.
В этой связи возникла необходимость изучения факторов, определяющих массовое паросодержание смеси в каналах и на выходе из щелевых каналов пластинчатых испарителей, интенсивность теплообмена при кипении жидкости в вертикальных каналах, что имеет большое практическое значение при проведении теплотехнических и гидравлических расчетов аппаратов и технологических линий.
Особый интерес представляют испарители, в которых имеет место пузырьковое кипение в щелевых каналах, осуществляемое в условиях направленного движения потока жидкости, например, в пластинчатых аппаратах с естественной или принудительной циркуляцией. Как известно, процесс испарения жидкости – это изобарный процесс, протекающий в объеме жидкости, который можно разделить на две стадии: первая стадия – зарождение паровых пузырей в центрах парообразования; вторая стадия – испарение в оторвавшемся от центра парообразования паровом пузыре, который всплывает в объеме окружающей его жидкости. Таким образом, этот процесс повторяется [4, 5].
Из сказанного следует, что процесс испарения в испарителях имеет цикличный характер – образование и рост парового пузыря, его отрыв от центра парообразования и освобождение центра для подхода к нему новой порции жидкости и повторения процесса парообразования. Это способствует пульсирующему характеру движения парожидкостной смеси в канале, играющему решающую роль в интенсивности переноса тепла. Для зарождения парового пузыря и дальнейшего испарения в него паровой фазы необходимо обеспечить неравновесное состояние системы пар-жидкость (жидкость должна быть перегрета относительно температуры насыщения ts на величину t), при котором имеет место возрастание энтропии системы.
Для роста образовавшегося парового пузыря необходимо, чтобы перегрев окружающей его жидкости был больше, чем величина потерь. Такой перегрев поддерживается высокой теплопроводностью жидкости и малой теплопроводностью пара. Из этого следует, что образование паровых пузырей и их рост, кроме ряда других факторов, определяются величиной потерь и общим перегревом жидкости (температурным напором, тепловой нагрузкой).
Перенос теплоты при пузырьковом кипении от поверхности нагрева осуществляется в две стадии. Первоначально имеет место конвективный перенос тепла за счет турбулизации пограничного слоя, оторвавшимися паровыми пузырями, а затем, при достижении жидкостью требуемой для зарождения пузыря температуры перегрева, – перенос тепла при парообразовании. Более интенсивный перенос тепла имеет место при парообразовании за счет высокого значения теплоты фазового перехода [5].
Процесс теплообмена при кипении в щелевых каналах сложен и недостаточно изучен. Отсутствуют данные о расчете и конструировании пластинчатых испарителей. В работах [5–7] представлено несколько систем дифференциальных уравнений, каждая из которых служит только для установления вида обобщённых переменных и функциональных связей между ними применительно к конкретным поставленным задачам.
В работе [8] нами описана постановка и представлено решение задачи переноса теплоты при движении кипящего теплоносителя в щелевом канале. Сформулированная математическая модели кипения жидкости в плоских каналах с учетом ряда допущений включала систему дифференциальных уравнений, описывающих сложные процессы теплообмена при кипении жидкости в плоских вертикальных каналах. На основании выполненного анализа физической модели процесса кипения, по нашему мнению, наиболее приемлемой является следующая система из восьми уравнений, более полно описывающая протекающие процессы при кипении жидкостей в щелевых каналах:
1. Уравнение энергии для двухфазного потока.
2. Уравнение движения двухфазного потока с переменным содержанием фаз.
3. Уравнение неразрывности потока.
4. Уравнение теплообмена в пристенном слое.
5. Условия неравновесности процесса фазового превращения (парообразования).
6. Вероятность образования паровых пузырей в центрах парообразования и их отрыва.
7. Условия механического взаимодействия на границе раздела фаз.
8. Масштаб оторвавшихся пузырей с определенными допущениями при соответствующих невысоких давлениях.
Приведенные уравнения и являются математической моделью, описывающей физическую сущность процесса испарения в щелевых каналах. Вместе с тем, система уравнений не может быть решена аналитически, так как в ней отсутствуют уравнения, которые характеризуют: количество центров парообразования; процесс зарождения и роста парового пузыря; частоту отрыва паровых пузырей от центров парообразования.
Таким образом, проведение расчетно-теоретических и экспериментальных исследований, обработка полученных опытных данных по разработанной методике позволило получить критериальные зависимости для определения параметрических характеристик процессов кипения в пластинчатом испарителе с вертикальными каналами, образованными гофрированными и плоскими пластинами. В этом случае созданы предпосылки для точного и надежного расчета пластинчатых испарителей, которые могут быть составной частью теплотехнологических систем и установок различного целевого назначения.
Список использованной литературы
1. Тарадай А.М. Основы разработки пластинчатых теплообменников для систем теплоснабжения. – Харьков: Основа, 1998. – 192 с.
2. Фокин В.С. Особенности теплообмена при кипении жидкости в щелевых каналах / В.С. Фокин, В.М. Кошельник, Л.И. Збараз // Вестник НТУ «ХПИ». – № 7. – 2001. – С. 261-266.
3. Товажнянский Л.Л. Интегрированные энергосберегающие теплотехнологии в стекольном производстве: Монография / Л.Л. Товажнянский, В.М. Кошельник, В.В. Соловей, А.В. Кошельник. Под ред. В.М. Кошельника. – Харьков: НТУ «ХПИ», 2008. – 628 с.
4. Толубинский В.И. Теплообмен при кипении / В.И. Толубинский. – Киев, 1980. – 315 с.
5. Новиков П.А. Течения и тепломассообмен в щелевых системах / П.А. Новиков, Л.Я. Любин, В.И. Новикова. – Минск: Наука и техника, 1991. – 358 с.
6. Васильев А.А. Теплообмен при пузырьковом кипении в условиях свободного движения жидкости / А.А. Васильев // Промышленная теплоэнергетика. – 1996. – Т. 18, № 2. – С. 18-25.
7. Кутепов А.М. Гидродинамика и теплообмен при парообразовании / А.М. Кутепов, Л.С. Стерман, Н.Г. Стюшин. – М.: Высшая школа, 1986. – 44 с.
8. Фокин В.С. К постановке и решению задачи переноса тепла при движении кипящих теплоносителей в щелевых каналах / В.С. Фокин, В.М. Кошельник, Л.И. Збараз // Коммунальное хозяйство городов. Киев?2001. – Выпуск 33. – С.173-178.