Расчетно-экспериментальное исследование конденсации пара в воздушно-конденсационных установках в условиях опасности замерзания тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

Перечень условных обозначений, единиц, символов и сокращений.

Введение.

Глава 1. Аналитический обзор современного состояния проблемы исследования тепломассообмена при конденсации пара с частичным переходом в твердую фазу.

1.1. Теоретические и экспериментальные исследования процесса конденсации.

1.2. Особенности конструкции и эксплуатации воздушно-конденсационных установок.:.

1. 3. Выводы.

Глава 2. Экспериментальное исследование теплоотдачи при конденсации водяного пара с частичным переходом в твердую фазу.

2.1. Описание экспериментального стенда, методики проведения экспериментов.

2.2. Методика обработки результатов испытаний. Оценка погрешностей определения основных параметров.

Глава 3. Результаты экспериментального исследования теплоотдачи при конденсации водяного пара с частичным переходом в твердую фазу

3.1. Результаты испытаний.

3.2. Выводы.

Глава 4. Физическая и математическая модели процесса тепломассообмена при конденсации пара из паровоздушной смеси на вертикальной

ПОВЕРХНОСТИ В ЗАМКНУТОМ ОБЪЕМЕ. МЕТОДИКА РАСЧЕТА И СРАВНЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ И РАСЧЕТНЫХ ДАННЫХ.

4.1. Физическая и математическая модели процесса тепломассообмена при конденсации пара из паровоздушной смеси на вертикальной поверхности в замкнутом объеме.

4.2. Методика расчета теплоотдачи при конденсации водяного пара из паровоздушной смеси в замкнутом объеме. сравнение экспериментальных и расчетных данных.

Глава 5. Анализ процесса образования ледяной пробки и разрушение труб.

5.1. Механизм разрушения труб при замерзании воды.

5.2. Анализ процессов тепломассообмена при образовании твердой фазы.

5.3.Качественные эксперименты, иллюстрирующие замерзание жидкости в трубах.

5.4.Выводы.

Актуальность работы: Теплообмен при конденсации пара с частичным переходом в твердую фазу реализуется в воздухоохлаждаемых конденсаторах паротурбинных установок, элементах оборудования ПТУ, химических технологиях, а также в системах пассивной защиты АЭУ. Встречаясь в технологическом цикле современных паротурбинных установок в условиях штатной эксплуатации, этот процесс присутствует в аварийных режимах ПТУ, связанных с выпадением льда на поверхности трубок конденсатора, поэтому исследование тепломассообмена при конденсации пара с частичным переходом в твердую фазу и разработка расчетных методик является весьма актуальной задачей. Спектр соответствующих теплофизических задач в ядерной энергетике достаточно широк: выпадение льда на поверхности теплообмена может привести к аварийным ситуациям и иногда является причиной выхода из строя элементов оборудования АЭУ.

Интерес к конденсационным установкам с воздушным охлаждением (ВКУ) в настоящее время резко возрос в связи с дефицитом охлаждающей воды и ужесточением экологических требований. Кроме того, необходимо иметь в виду положительный опыт эксплуатации ВКУ, работающих в составе циклов химической технологий и на ряде электростанций в зарубежных странах (ЮАР, ФРГ, Япония, США, Италия и др.)

Тепловое загрязнение рек и естественных водоемов Европейской части России столь существенно, что дальнейший рост мощностей на электростанциях, химических и металлургических предприятиях, газопроводах следует ориентировать либо на оборотные системы водоснабжения с брызгальными бассейнами, градирнями, либо на воздушно-конденсационные установки. При этом в брызгальных бассейнах и градирнях имеет место унос воды в виде капельной влаги и выпара в весьма значительных размерах.

Существующие инженерные методики расчета, основанные, главным образом, на аналогии процессов тепло- и массообмена, не учитывают некоторых специфических особенностей конденсации при температуре стенки ниже точки замерзания конденсата.

Целью работы является проведение теоретического и экспериментального исследования теплообмена при конденсации водяного пара с частичным переходом в твердую фазу на одиночных вертикальных и наклонных трубах в замкнутом объеме, разработка соответствующих рекомендаций по расчету теплоотдачи при конденсации водяного пара из смеси с воздухом вблизи точки замерзания конденсата.

При этом решаются конкретные задачи: 1. Разработка физической и математической модели конденсации паровоздушной смеси в трубах с образованием твердой фазы и разработка на этой основе программного продукта.

2. Верификация программы расчета с использованием экспериментальных данных.

3. Анализ процессов разрушения труб при образовании льда.

Научная новизна. В настоящей работе выполнено целенаправленное исследование теплоотдачи при конденсации водяного пара из паровоздушной смеси в ограниченном объеме (при отсосе паровоздушной смеси) на вертикальных и наклонных поверхностях, в рамках которого:

- разработана математическая модель конденсации водяного пара из паровоздушной смеси;

- в широком диапазоне режимных параметров проведено экспериментальное исследование теплоотдачи при конденсации водяного пара из смеси с воздухом на вертикальных и наклонных трубах и пучках;

- предложены рекомендации по расчету теплоотдачи при конденсации водяного пара с воздухом;

- дан анализ процесса разрушения материала труб с учетом сил трения между льдом и стенкой трубы.

Практическая ценность работы. Применительно к процессу конденсации пара из паровоздушной смеси с частичным переходом в твердую фазу в замкнутом объеме реализована математическая модель, учитывающая трехфазное состояние рабочего тела на переменных режимах. Показано, что данная модель дает достаточно близкое соответствие экспериментальным данным. В результате проведенного исследования с использованием разработанной программы даны рекомендации по расчету теплоотдачи при конденсации водяного пара из смеси с воздухом на вертикальных трубах и пучках в замкнутом объеме.

Результаты работы использованы на ОАО «Калужский турбинный завод» для расчета и проектирования воздушно-конденсационных установок.

В первой главе диссертации рассмотрено современное состояние проблемы исследования теплообмена при конденсации пара с частичным переходом в твердую фазу на вертикальных поверхностях, в результате чего очерчен круг вопросов для решения в данной работе.

Во второй главе дано описание экспериментальной установки, методики проведения экспериментов, обработки результатов испытаний, а также оценка погрешностей определения основных параметров.

В третьей главе представлены результаты экспериментального исследования теплообмена при конденсации водяного пара из смеси с воздухом на вертикальных трубах и пучках в замкнутом объеме.

В четвертой главе приведена математическая постановка задачи исследования, представлено решение двумерной сопряженной задачи конденсации пара из паровоздушной смеси на вертикальной плоскости, на основании результатов решения предложена приближенная интегральная двумерная модель процесса. Данная глава также содержит основные результаты настоящего исследования в виде предлагаемой конкретной методики расчета, рекомендации по ее практическому применению, а также графики сравнения результатов расчета по разработанной программе и результатов эксперимента.

В пятой главе рассмотрен и проанализирован на основе экспериментов, процесс образования льда, а также конкретные примеры разрушения конструкций и теплотехнические процессы происходящие при этом процессе.

На защиту выносятся следующие положения.

1. Математическая двумерная модель конденсации пара из паровоздушной смеси на вертикальных поверхностях в замкнутом объеме.

2. Результаты систематических экспериментальных исследований теплоотдачи при конденсации водяного пара из смеси с воздухом в замкнутом объеме:

- на одиночной вертикальной трубе;

- на пучке труб.

3. Рекомендации по расчету теплоотдачи при конденсации водяного пара из смеси с воздухом на вертикальных трубах и пучках в замкнутом объеме.

Апробация работы Результаты работы представлены на 2-ой и 3-ей Всероссийских конференциях по теплообмену. Эксперименты, проведенные на ОАО

Калужский турбинный завод», подтвердили основные результаты работы. Проведены доклады в лаборатории теплофизики КТЗ, КФ МГТУ им. Н.Э.Баумана, на кафедре кондиционирования воздуха Академии холода (ЛТИХП).

Структура и объем работы

Работа выполнена на 155 страницах машинописного текста. Состоит из введения, пяти глав основного текста с выводами по каждой главе и общего заключения с приложением. Работа включает 38 рисунков, 7 таблиц, список использованной литературы из 46 наименований.

Личный вклад автора

При непосредственном участии автора разработана математическая модель процесса и программное обеспечение для данной модели.

Работа выполнена на кафедре физики Калужского государственного педагогического университета под руководством доктора технических наук, профессора Федорова В.А.

Выводы

В настоящей главе приведен анализ процесса образования льда и разрушения труб при замерзании в них воды.

Установлено, что:

1. Вероятность разрушения труб возрастает при наличии большого трения между ледяной пробкой и трубкой. Трубы, имеющие большую наработку с шероховатостью эррозионного происхождения на внутренних поверхностях, особенно уязвимы при замерзании.

2. Сопоставление интенсивности тепломассопереноса с поверхности жидкости различными механизмами: теплопроводностью, естественной конвекцией, диффузией показало, что в начальной стадии наиболее интенсивно идет отвод тепла диффузией, а после образования ледяной корки - естественной конвекцией. Теплопроводность газовой фазы не оказывает существенного влияния на тепловой поток.

3. Скорость образования льда при условиях, характерных для ВКУ, на стенках существенно выше, чем с поверхности.

4. Качественные опыты по исследованию процессов образования льда в стеклянных и металлических трубах подтвердили более высокую интенсивность роста ледяной корки на стенках по сравнению с поверхностью и зависимость разрушения от трения между стенкой и ледяной коркой.

6. Заключение

6.1. Анализ технической и патентной литературы подтверждает актуальность решения задач, связанных с образованием твердой фазы в трубах воздушно-конденсационных установок (ВКУ).

6.2. На стенде натурного модуля проведено экспериментальное исследование теплоотдачи при конденсации водяного пара из смеси с воздухом в трубах ВКУ при отрицательных температурах атмосферного воздуха.

Получены и обобщены экспериментальные данные по переохлаждению паровоздушной смеси и конденсата в трубах ВКУ, что обуславливает возможности выбора безопасных режимов работы при отрицательных температурах наружного воздуха.

6.3. Разработана математическая модель конденсации пара из паровоздушной смеси с частичным переходом в твердую фазу на вертикальных поверхностях в замкнутом объеме, имеется хорошее совпадение результатов расчета с экспериментальными данными, полученными на стенде, математическая модель может быть использована для оценки режима образования льда на стадии проектирования ВКУ.

6.4. Разработана программа и предложена методика расчета теплоотдачи при конденсации водяного пара из смеси с воздухом на вертикальной поверхности - одиночных вертикальных трубах и вертикальных пучках труб проведена верификация программы в следующих диапазонах режимных параметров: Р = 0,004.0,035 МПа, qnapa = 0,2.4 кг/(м2ч), qBCW(yxa = 0,0077.2,3 кг/(м2ч), гвоздут = -25.+20 °С.

6.5. Приведен анализ процесса образования льда на поверхности и разрушения труб при замерзании в них воды. Установлено, что в начальной стадии наиболее интенсивно идет отвод тепла диффузией, а после образования ледяной корки - естественной конвекцией. Теплопроводность газовой фазы не оказывает существенного влияния на тепловой поток. Скорость образования льда при условиях, характерных для ВКУ, на стенках существенно выше, чем с поверхности. Качественные опыты по исследованию процессов образования льда на стеклянных и металлических трубах подтвердили более высокую интенсивность роста ледяной корки на стенках по сравнению с поверхностью и зависимость разрушения от трения между стенкой и ледяной коркой.

6.6. Результаты исследований внедрены на ОАО "Калужский турбинный завод" при проектировании ВКУ геотермальной электростанции -"Камчатка-12".

1. Агафонов В.А., Ермилов В.Г., Панков Е.В. Судовые конденсационные установки. JL: Судпромгиз, 1963.

2. Берман Л.Д. О критериях подобия для совместно протекающих процессов тепло- и массообмена в гетерогенных системах. //ЖТФ. 1958. - Т.28. -Вып. 11.-С.2617-2629.

3. Берман Л.Д. К определению коэффициента массотдачи при расчете конденсации пара, содержащего примесь воздуха.//Теплоэнергетика. -1969.-№10.-С. 68-71.

4. Бродов Ю.М., Аронсон К.Э., Ниренштейн М.А. Концепция системы диагностики конденсационной установки паровой турбины. //Теплоэнергетика. -1997. № 7. - С.34-38.

5. Бродов Ю.М., Савельев Р.З. Конденсационные установки паровых турбин. М.: Энергоатомиздат, 1994.

6. Варгафтик Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. М.: Физматиздат, 1963. - 708 с.

7. Воздухоохлаждаемый конденсатор водяных паров. Авторское свидетельство ЧССР (CS), № 242554. МКИ4 F 28В, 9/08, 1986.

8. Гарен В., Пал. Г., Тидекен С. Пленочная конденсация и испарение за случайными и отраженными ударными волнами в водяном паре. (Ун-т Остфрисленд, Германия), 1997.

9. Гущик Г.В., Котли Т.А., Куусик Х.А., Рауде А.В. Теплообменный аппарат воздушного охлаждения. Авторское свидетельство СССР, № 162170. М. Кл3. F 28В, 1/06, 1963.

10. Донт, Дитрих. Поверхностный конденсатор. Патент, ФРГ, № 345700. МКл3 F 28В, 1/06, 1969.

11. Ефимочкин Г. И. Сравнение воздушных насосов разных типов для конденсационных установок большой мощности.//Теплоэнергетика. -1971.-№ 10.

12. Жебровский А. К., Трубецков М. К. Математическая модель конденсации газа в твердое состояние на оребренной поверхности. ИФЖ, август 1992. - Т.63. - № 2.

13. Занобини А., Александро. Пароконденсатор с воздушным охлаждением. Патент № 1269750, Италия. MKH4F 28В, 1/06, 1982.

14. Исаченко В. П., Осипова В. А., Сукомел А. С. Теплопередача. М.: Энергоатомиздат, 1981.- 417с.

15. Кирсанов И.Н. Конденсационные установки. М.: Энергия, 1965. - ?с.

16. Конденсатор с "воздушным охлаждением. Авторское свидетельство ЧССР (CS), № 236050. MKH3F 28В, 1/06, 1985.

17. Кондратов А. П., Шестопалов Е. В. Основы физического эксперимента и математическая обработка результатов измерений. М., Атомиздат, 1977. -197 с.

18. Кэйс В.М. и Лондон A.JI. Компактные теплообменники. 3-е изд. Нью-Йорк, 1984.

19. Лабунцов Д.А. О влиянии конвективного переноса тепла и сил инерции на теплообмен при ламинарном течении конденсатной пленки. //Теплоэнергетика. 1956. - №12. - С.47-50.

20. Лабунцов Д.А. О влиянии на теплоотдачу при пленочной конденсации пара зависимости физических параметров конденсата от температуры.//Теплоэнергетика. 1957. - № 2. - С.49-51.

21. Лу К. и Сурянараян Н. Пленочная конденсация в горизонтальном прямоугольном канале. (НАС А, Кливленд, Огайо), 1997, http://www.nasa.com

22. Мильман О.О., Федоров В.А., доктора техн. наук, Лавров В.И., Демочкин В.А., Герасимов А.В., Сережкин Н.И., Хочкин И.А., инженеры. Воздушныеконденсаторы для паротурбинных установок малой и средней мощности.//Теплоэнергетика. 1998. - № 1. - С.35-39.

23. Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи. М.: Энергия, 1973.

24. Справочник по теплообменникам, т.2, под ред. Мартыненко О.Г., Михалевича А.А., Шикова В.К. М.: Энергоатомиздат, 1987. - С89-96.

25. Спэрроу, Лин. Теплоотдача конденсацией в присутствии неконденсирующегося газа.//Теплопередача (русск. перевод J. Heat Transfer -1964. -С.430-436), -1964.- №.3.- С.160-168.

26. Теплообменник воздушного охлаждения. Авторское свидетельство СССР, № 1164543. MKH4F 28М, 1/06, 1985.

27. Теплотехнический справочник, Т.2, Энергия, 1976. 896 с.

28. Тихонов Б.А. Исследование воздушно-конденсационных установок, дисс. на соискание уч. ст. канд. техн. наук. М.: МЭИ, 1973.

29. Чепурной М. Н., Ломакин В. Н., Синюк Н. И. //Пищевая промышленность, Киев. 1987. - N 33. С.7-10.

30. Шкловер Г.Г., Мильман О.О. Исследование и расчет конденсационных устройств паровых турбин. М.: Энергоатомиздат, 1985. - 240 с.

31. Aoki К., Hattori I., Iton T.//Bull., JSME. 1986. - Vol.29. - №251. - pp.14991505.

32. Burmeister A. V.//Journal of Heat Transfer. Vol.101. - №3. - 1979.

33. Denny V. E. Jusionis V. J. Effects of noncondensable gas and forced flow on laminar film condensation.// Int. J. Heat and Mass Transfer. Vol.15. - pp. 315 -326.

34. Denny V. E., Mills A. F., Jusionis V. J. Laminar film condensation from a steam-air mixture undergoing forced flow down a vertical surface.//J.Heat Transfer. 1971. - pp. 297 - 304.

35. Ham A. J., West L. A. ESKOMS Forschritt in der Trockenkuhlung VGB Kraftwerkstechn. 1988. - 68. - № 9. - pp. 912 - 917.

36. Kays, W. M., and A. L. London, Compact Heat Exchangers, 3rd ed., McGraw-Hill, New York. 1984.

37. Lacitignala P., Mei G., Zanabini Q., Valeri B. "Antifreezing, Air-cooled Steam Condenser and Test". Quaderni Pignone № 33 PROM 441/2.

38. Mincowycz W. J., Sparrow E. M. Condensation Heat Transfer in the presence of noncondensables, interfacial resistance, superheating, variable properties and diffusion.//Int. J. Heat and Mass Transfer. Vol.9. - 1966. - pp. 1125-1144.

39. Nusselt, W., "Die Oberflachenkondensation des Wasserdampfes," Z. Ver. Deut. Ing., 541.-1916.

40. Patankar S. V., Spalding О. B. A finite difference procedure for solving the equations of the two-dimensional boundary layer.//Int. J. Heat and Mass Transfer. Vol.10. - 1967. - pp. 1389-1411.

41. Patankar S. V., Sparrow E. M.//Journal of Heat Transfer. Vol.101. - №3. -1979.

42. Schulenberg F. Die Bedeutung der Luftkuhlung in Kraftwerken und in der Verfahrenstechnik. Brennst-Warme-Kraft. 1988.-40. - № 9. - pp. 349-352.

43. Toner M., Kilic A., Onat K. Warme und Stoffubertrag. 1983. Bd.17

44. Van Cleve, H.H. Die. Luftgekuhlte Kondensationsanlage des 4000-MW-Kraftwerkes Matimba. Sudafrika VGB Kraftwerke, 1983, Kongress (1983 Hamburg) Vovtvage.