WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |

На правах рукописи

Лавриков александр владимирович

ИССЛЕДОВАНИЕ кипения водных растворов При повышенных давлениях и усовершенствование методики расчета испарителей кипящего типа при Закритической Минерализации

Специальность:01.04.14– " Теплофизика и теоретическая теплотехника "

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

МОСКВА – 2008

Работа выполнена в Московском энергетическом институте (техническом университете) на кафедре инженерной теплофизики.

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор Кузма-Кичта Юрий Альфредович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор,

Ковалев Сергей Алексеевич

доктор технических наук, Бухаров Александр Васильевич

Ведущая организация:

Московский государственный университет инженерной экологии

Защита состоится 23 мая 2008 года в 10 часов 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.157.04 при Московском энергетическом институте (техническом университете) по адресу: 111250, Москва, Красноказарменная ул., д.17, корп. Т, кафедра инженерной теплофизики, комн. Т-206.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке Московского энергетического института (технического университета).

Автореферат разослан апреля 2008

Отзывы на автореферат с подписями, заверенными печатью учреждения, просим направлять на имя ученого секретаря совета.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.157.04

к.ф.–м.н., доцент __________ Мика В.И.

Актуальность темы. В настоящее время термический метод водоподготовки на ТЭС реализуется с помощью испарителей кипящего типа с естественной циркуляцией. Исследование работы испарителей при глубоком концентрировании питательной воды выявило ряд особенностей их гидродинамического и теплового режима по сравнению со случаем маломинерализованной среды, не учитываемых моделями1,2

. Основными причинами обнаруженных особенностей являются изменения теплофизических свойств рабочей среды, теплоотдачи при кипении, истинного объёмного паросодержания и сопротивления при движении парожидкостной смеси.

Ограниченность данных по истинному объёмному паросодержанию и отсутствие данных о скорости всплытия одиночных и групп паровых пузырей, фактору взаимодействия для водных растворов при повышенном давлении не позволяют построить кинематическую модель парожидкостного потока. Известные методики расчёта не учитывают захват пара в опускную щель, особенности взаимодействия и характеристики паровых пузырей для водных растворов в испарителях кипящего типа при закритической минерализации.

Таким образом, представляется актуальным исследование отрывных диаметров, скорости всплытия и взаимодействия паровых пузырей в водных растворах при атмосферном и повышенном давлениях и усовершенствование методики для случая закритической минерализации.

Целью работы является:

Экспериментальное исследование внутренних характеристик кипения водных растворов в большом объеме при атмосферном и повышенном давлении применительно к условиям в испарителях кипящего типа, а также перепада давления при кипении водных растворов в трубе при низких массовых скоростях.

Усовершенствование методики расчета испарителя с естественной циркуляцией при закритической минерализации концентрата.

Научная новизна.

- Впервые обнаружено увеличение частоты отрыва паровых пузырей при кипении в большом объеме водного раствора Na2SO4 по сравнению с водой при атмосферном давлении;

- впервые получены экспериментальные данные по скорости всплытия паровых пузырей и фактору взаимодействия для водного раствора Na2SO4 в диапазонах давлений от 0.15 до 1 МПа и концентраций от 0 до 40 г/л;

- впервые получена зависимость для фактора взаимодействия при кипении водного раствора Na2SO4 в греющей секции испарителя, учитывающая минерализацию концентрата, для опускной щели испарителя предложено считать фактор взаимодействия равным единице в случае закритической минерализации испарителя;

- впервые определены составляющие полного перепада давлений в вертикальной трубе при кипении водного раствора Na2SO4. Обнаружено, что основной вклад в увеличение полного перепада давления по сравнению с водой вносят потери на трение;

- усовершенствованная методика расчета гидродинамики в испарителе с естественной циркуляцией может быть применена для различных аппаратов.

Достоверность полученных в диссертации данных обеспечивает­ся обоснованностью методики экспериментального исследования, ис­пользованием статистических методов при обработке опытных данных, их воспроизводимостью и анализом погрешностей измерения. Полученные результаты по перепаду давлений при кипении в трубе, скорости всплытия, отрывным диаметрам и частоте отрыва паровых пузырей для воды согласуются с известными.

Практическая ценность работы. Полученные данные для характеристик кипения и соотношение для фактора взаимодействия, и усовершенствованная методи­ка расчета гидродинамики в испарителях кипящего типа могут быть использованы при анализе влияния минерализации концентрата на режимы работы испарительных установок.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы были доложены: на одиннадцатой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов “Радиоэлектроника, Электротехника и Энергетика”, МЭИ 2005 г.; XV международной школе-семинаре молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева, Калуга 2005 г; восьмой международной научно-технической конференции “Оптические Методы Исследования Потоков (ОИМП-2005)”, МЭИ 2005 г.; четвертой российской национальной конференции по теплообмену (РНКТ-4), Москва, МЭИ, октябрь 2006г.; XVI международной школе-семинаре молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева, Санкт Петербург 2007г.; девятой международной научно-технической конференции “Оптические Методы Исследования Потоков (ОИМП-2007)”, МЭИ 2007 г.; четырнадцатой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов “Радиоэлектроника, Электротехника и Энергетика”, МЭИ 2008 г.; на заседании кафедры ИТФ МЭИ 5 марта 2008 г.

Публикации. Основное содержание работы отражено в 8 публикациях.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка использованной литературы и приложе­ний. Работа содержит 151 страниц основного машинописного текста, 89 рисунков, 5 таблиц, 17 страниц приложений, библиография содержит 59 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении обоснована актуальность диссертационной работы.

В первой главе анализируются имеющиеся данные по работе испарителей кипящего типа в режимах со сниженным уровнем жидкости в опускной щели, рассматривается влияние минерализации на скорость циркуляции, характеристики барботажного слоя, скорость всплытия одиночного парового пузыря, описаны имеющиеся представления по условиям появления пены и границам перехода к вспененной структуре.

Показано, что существует критическое солесодержание концентрата, при достижении которого происходит снижение весового уровня в опускной щели и интенсивности циркуляции, и изменяются характеристики барботажного слоя.

На основе рассмотрения имеющихся представлений выделены следующие проблемы:

- отсутствуют данные по скорости всплытия и эквивалентным диаметрам паровых пузырей, фактору взаимодействия для водных растворов при повышенных давлениях;

- известные методики расчета гидродинамики в испарителе кипящего типа не учитывают особенности взаимодействия паровых пузырей с потоком жидкости при закритической минерализации концентрата в трубах греющей секции и опускной щели и не применимы для различных аппаратов.

Во второй главе приводятся описания экспериментальных стендов, методик исследования.

Для исследования пузырькового кипения в большом объёме при атмосферном давлении усовершенствована установка, применявшаяся ранее для изучения механизма теплоотдачи при плёночном кипении. Установка (рис. 1) состоит из рабочего контура, оптической системы и измерительно-вычислительного комплекса. Оптическая система, состоит из гелий-неонового лазера (2), пучок излучения которого проходит через коллиматор (1), диафрагму и рабочую камеру (7). После рабочей камеры пучок излучения попадает на фотоприёмник (5), сигнал которого регистрируется цифровым быстродействующим вольтметром В7-43 (4) и измерительно-вычислительным комплексом (3). Рабочая камера представляет собой цилиндр, по торцам которого закреплены кварцевые стёкла. В качестве поверхности нагрева использовалась трубка (6) из стали 1Х18Н9Т наружным диаметром 3 мм, толщиной стенки 0,5 мм, длиной 80 мм. Нагрев рабочего участка осуществляется переменным электрическим током. Сигнал фотодатчика обрабатывается с помощью специально написанной программы, которая позволяет получать распределения частот отрыва, скоростей всплытия и отрывного диаметра парового пузырька для большого массива данных. Достоверность полученных данных проверялась в опытах на воде.

Исследование диаметров и скорости всплытия паровых пузырей для воды и водных растворов в диапазоне давлений 0.1-1 МПа проведено на установке, схема которой представлена на рис. 2. Рабочая камера (2) представляет собой толстостенный цилиндр, по торцам которого прикреплены кварцевые стекла. Кипение происходит на внутренней поверхности рабочей камеры, которая нагревается охранным нагревателем (1). Пар, образующийся в рабочей камере, поступает в холодильник (10). Давление в рабочей камере измеряется манометром (7). Сигналы датчиков поступают на измерительную карту(8) и компьютер (9).

Для измерения диаметров и скорости всплытия паровых пузырей применялась скоростная видеосъемка с помощью цифровой камеры (6). Съемка осуществляется в проходящем свете. Фокусное расстояние объектива (5) составляло 150 мм. Скорость съемки составляла 1000 кадров в секунду. Гильза (3) служила масштабом видеосъемки.

Распределения скорости всплытия паровых пузырей для воды при давлении 1 МПа, полученные в результате автоматической (а) и ручной обработки (б), представлены на рис. 3. В случае автоматической обработки распределение построено по данным для 300 паровых пузырей и при ручной обработке – 200 паровых пузырей. Наиболее вероятные значения, полученные при ручной и машинной обработке, отличаются не более 30%. Интересно отметить, что длительность ручной обработки составляет в данном случае ~10 часов и автоматической обработки ~2 часа..

Исследование гидродинамики при кипении водных растворов в трубе при пониженных массовых скоростях проведено на автоматизированном экспериментальном стенде (рис. 4). Установка обеспечивает проведение измерений в диапазонах давлений 0.1 – 7 МПа, массовых скоростей 10 – 650 кг/(м2с), тепловых нагрузок до 1.5 МВт/м2. Рабочий участок представляет собой трубу (1) с технически гладкой поверхностью из стали Х18Н10Т с внутренним диаметром 6.89 мм и толщиной стенки 0.55 мм. Нагреваемая длина трубы составила 1775 мм. Для разгрузки от давления канал помещен в толстостенный кожух (2). На входе в рабочий участок установлен сильфон (3). После холодильника (5) рабочая среда подается насосом (6) через ресивер (7) в рабочий участок. Расход жидкости измеряется датчиком Метран (4), перепад давления на рабочем участке - датчиком давления “Сапфир 22Д” (5). Данные измерений обрабатываются с помощью измерительно-вычислительного комплекса.

В третьей главе приводятся результаты экспериментального исследования. Распределения отрывных диаметров паровых пузырей при различных тепловых нагрузках для воды и водного раствора Na2SO4 с концентрациями 8 г/л и 30г/л представлены на рис.5 и рис.6. В кружках на рисунках показано количество обработанных паровых пузырей. По вертикали отложены доли паровых пузырьков данного диаметра в общем количестве пузырей на распределении. Из анализа распределений установлено влияние тепловой нагрузки и концентрации раствора на дисперсию. С ростом тепловой нагрузки дисперсия отрывных диаметров паровых пузырей уменьшается (рис. 5). Распределение отрывных диаметров паровых пузырей для раствора Na2SO4 с концентрацией 8 г/л имеет меньшую дисперсию, чем для воды и водного раствора Na2SO4 с концентрацией 30 г/л при примерно одинаковой тепловой нагрузке.

Полученные распределения позволяют надежно определить наиболее вероятные значения измеряемых характеристик процесса кипения. Сравнение опытных данных по отрывным диаметрам паровых пузырей при атмосферном давлении для воды с расчетными (рис.7) показало, что формула Ягова В.В. описывает результаты с отклонением до 30%. Каждая точка на графике является наиболее вероятной величиной, полученной при обработке распределений, построенных по массивам из 600-5000 значений.

Данные измерений частоты отрыва парового пузырька приведены на рис.8. Результаты, полученные в опытах на воде, удовлетворительно согласуются с известными данными. По сравнению с водой для водных растворов получены большие частоты отрыва, что согласуется с данными по теплоотдаче.

Видеокадры всплытия паровых пузырей для воды и водного раствора Na2SO4 с концентрацией 20 г/л и 40 г/л показаны на рис. 9. На одном из кадров (рис. 9в) отмечена пена вблизи зеркала испарения. В работе впервые проведены измерения скорости всплытия и диаметра всплывающих паровых пузырей для водного раствора Na2SO4 с концентрацией до 40 г/л при давлениях 0.1-1 МПа.

Рис. 5. Распределения отрывных диаметров паровых пузырей для водного раствора Na2SO4, C= 8 г/л, при различных тепловых нагрузках, р=0.1 МПа. а) q=50 кВт/ м2; б) q=96 кВт/ м2 ; в) q=150 кВт/м2

Рис. 6. Распределения отрывных диаметров паровых пузырей для воды и водного раствора Na2SO4, 8 г/л и 30 г/л соответственно. р=0.1 МПа. а) q=98 кВт/м2; б) q=96 кВт/ м2; в) q=100 кВт/м2

При кипении водных растворов в случае повышенных давлений выделены три группы паровых пузырьков:

-с диаметром d>1 мм, их скорость всплытия меньше, чем для воды и зависит от концентрации раствора;

-с диаметром 0.5 мм<d<1 мм, для этой группы паровых пузырей влияние концентрации водного раствора на скорость всплытия не проявляется;

-пена, состоящая из паровых пузырей диаметром d<0.4 мм, движется с жидкостью или увлекается большими паровыми пузырями.

Наличие пены позволяет предположить, что групповая скорость всплытия паровых пузырьков может быть меньше скорости циркуляции в испарителе.

Pages:     || 2 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»