Разработка методики расчета тепло- и массообмена при конденсации пара из вынужденного потока парогазовой смеси на пластине тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

Основные обозначения.^

Введение.?

Глава I. Анализ состояния изучения исследуемых проблем конденсации пара из парогазовых смесей и постановка задачи исследования.II

1.1, Физическая модель процесса . II

1.2, Математическая модель процесса

1.3, Методы расчета

1.3.1, Численное решение полной системы дифференциальных уравнений.

1.3.2, Решение дифференциальных уравнений пограничного слоя на проницаемой пластине

1.3.3, Использование интегральных соотношений

1.3.4, Пленочная теория

1.3.5, Использование теории подобия

1.3.6, Анализ теплового баланса на границе раздела

1.4, Ламинарно-волновое движение пленки конденсата

1.5, Выводы и постановка задачи исследования.

Глава 2, Методика расчета тепло« и массообмена при ламинарной пленочной конденсации пара из вынужденного потока ПГС на произвольно ориентированной пластине

2.1. Предварительные замечания и допущения, принятые при разработке методики.

2.2. Толщина пленки конденсата.

2.2.1. Горизонтальная пластина.

2.2.2. Произвольно ориентированная пластина

2.3. Методика определения температуры межфазной поверхности.

2.3.1. Конденсация пара из ПГС произвольного состава.

2.3.2. Конденсация паров воды из ПВО.

2.3.4. Учет теплоты, вносимой конвективным переносом со стороны потока ПГС.

2.4. Анализ полученных расчетных формул.

2.5. Результаты решения, полученные по разработанной методике, и сравнение их с данным других авто« ров. Анализ влияния различных факторов.

2.6. Выводы.

Глава 3. Экспериментальная установка, методика проведения эксперимента и обработки экспериментальных данных.

3.1. Экспериментальная установка.

3.2. Измерительный участок.

3.3. Датчики и регистрирующие приборы.

3.4. Тарировка датчиков.

3.4.1. Тарировка датчиков теплового потока.

3.4.2. Тарировка термопар.

3.5. Методика подготовки и проведения эксперимента.

3.6. Диапазон исследованных режимов.

3.7. Методика обработки экспериментальных данных.

3.8. Погрешности определения режимных параметров и результатов обработки экспериментальных данных.

§

Глава 4. Результаты аналитического и экспериментального исследования тепло- и массообмена при конденсации пара из ПГС.1.

4.1. Результаты экспериментального исследования локального теплообмена. Сопоставление экспериментальных данных с расчетами по разработанной методике.

4.2. Влияние отдельных параметров процесса на теплообмен при конденсации пара из ПВС.

4.3. Выводы.

Процессы конденсации широко используются в элементах энергетических установок, технологических процессах химической и пищевой промышленности и т.д. Углубление знаний о процессах конденсации и совершенствование методов расчета теплообмена при протекании этих процессов является основой для проектирования более производительных и более надежных конденсационных устройств. В инженерной практике довольно часто приходится сталкиваться с конденсацией не чистого пара, а пара из смеси с неконденсирующимся газом (ПГС). В ряде устройств наличие неконденсирующегося газа является нежелательным и от него стараются избавиться, но сделать этого полностью не удается. Характерным примером таких устройств являются конденсационные установки паровых турбин. В других случаях неконденсирующийся газ является составной частью рабочего тела и его присутствие становится неизбежным.

Известно [1,2], что даже незначительное количество примесей неконденсирующихся газов приводит к снижению коэффициента теплоотдачи при конденсации. Его уменьшение, по сравнению с коэффициентом теплоотдачи при конденсации чистого пара, объясняется возникновением у поверхности пленки конденсата температурного и диффузионного пограничных слоев. Сопротивление, которое оказывают эти слои тепло- и массообмену, и вызывает уменьшение коэффициента теплоотдачи.

Заданными величинами для расчета теплообмена при конденсации пара из ПГС являются: состав смеси, температура, скорость и концентрация смеси в набегающем потоке, а также температура охлаждаемой поверхности. В результате расчета по этим величинам следует определить величину теплового потока. Для этого необходимо знать параметры ПГС на границе раздела фаз и толщину пленки конденсата. Эти параметры могут быть найдены из решения системы дифференциальных уравнений, описывающих задачу конденсации пара из ПГС [3,4] . Аналитическое решение такой системы не представляется возможным. Численные же решения с использованием ЭЦВМ, хотя и возможны, но получены для ограниченного количества значений задаваемых параметров и, в основном, только применительно к конденсации паров воды из паровоздушной смеси (ПВС). Для расчета теплообмена широко применяются эмпирические соотношения, полученные на основе обработки экспериментальных данных методами теории подобия [5,б]. Расчет по этим соотношениям ведется методом последовательных приближен ний с применением таблиц термодинамических свойств компонентов. Применяются для расчетов также методы, основанные на предположениях упрощающих физику явления [7]. Как правило, такие методы дают большую погрешность в расчетах.

Экспериментальные исследования конденсации пара из парогазовой смеси, в основном, посвящены определению средних характеристик тепло- и массообмена, которые не дают полной картины протекания процесса. Во многих же случаях при проектировании конденсационной аппаратуры требуется знание локальных характеристик тепло- и массообмена.

Для расчета тепло- и массобмена при конденсации пара из ПГС применяются результаты экспериментальных и теоретических исследований пограничных слоев с отсосом. Использование их затрудняется тем обстоятельством, что они проведены в отсутст-в вие пленки конденсата и не учитывают взаимодействие пленки с потоком парогазовой смеси.

Таким образом тепло- и массобмен при конденсации пара из

ПГС при взаимодействии потока с пленкой конденсата требует дальнейшего изучения с целью создания более совершенной методики расчета и её соответствующей экспериментальной проверки.

Настоящая работа посвящена исследованию тепло- и массоб-мена при конденсации пара из потока ПГС, взаимодействующего с пленкой конденсата. Течение в пленке конденсата и в пограничном слое ПГС ламинарное. Работа состоит из введения, 4-х глав, и общих выводов.

В первой главе проведен анализ публикаций по' изучаемой проблеме и сформулирована задача исследований.

Во второй главе приводится обоснование и вывод зависимостей для расчета тепло- и массобмена при конденсации пара из ПГС, а также представлены результаты решения по предлагаемой методике и сравнение их с данными других авторов.

В третьей главе описана экспериментальная установка, приведена методика проведения эксперимента и обработки результатов измерений, а также представлены результаты анализа погрешностей измерений.

В четвертой главе проведен анализ полученных экспериментальных данных и сопоставление их с расчетами по методике, предложенной в главе 2, и с данными других авторов.

В общих выводах сформулированы основные результаты теоретического и экспериментального исследования процесса тепло- и массобмена при конденсации пара из парогазовой смеси с учетом воздействия потока ПГС на движения пленки конденсата.

Автором данной работы впервые;

I.Предложено трансцендентное уравнение для расчета температуры межфазной поверхности при конденсации пара из ПГС любого состава на произвольно ориентированной пластине непосредственно по заданным параметрам процесса.

2. Предложена явная аналитическая зависимость для расчета температуры на границе раздела фаз при конденсации паров воды из паровоздушной смеси на произвольно ориентированной пластине. Полученная зависимость учитывает динамическое воздействие потока ПГС на пленку конденсата.

3. Проведено экспериментальное исследование теплообмена при конденсации пара из паровоздушной смеси на горизонтальной наклонной и вертикальной пластине с помощью батарейных датчиков теплового потока в диапазоне изменения массовой концентрации пара от 0,75 до 0,99 и скоростей ПВС от 1,5 до 7,0 м/сек.

Автор защищает результаты теоретического анализа, подтвержденные экспериментальными данными, и инженерную методику расчета теплообмена при конденсации пара из ПГС с учетом воздействия потока на движение пленки конденсата.

Работа выполнена на кафедре термодинамики и теплопередачи МВТУ имени Н.Э.Баумана и является частью комплексной работы по исследованию тепло- и массообмена при фазовых переходах.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

1. Разработана методика расчета тепломассообмена при пленочной конденсации пара из вынужденного потока ПГС на произвольно ориентированной пластине. Течение в парогазовом пограничном слое и в пленке конденсата - ламинарное. Методика пригодна для расчета в области изменения значений: а) относительного закона массообмена ^р ^ 1,23; б) диффузионного параметра проницаемости В^ 0,3.

2. Расчет тепломассообмена по предлагаемой методике ведется с учетом интенсивности процесса кондесации и динамического воздействия потока ПГС на движение пленки конденсата. Температура межфазной поверхности рассчитывается: а) в случае конденсации ПГС произвольного состава по трансцендентному уравнению; б) в случае конденсации паров воды из ПВС по явной аналитической зависимости.

3. Экспериментальное исследование локального теплообмена, проведенное с помощью датчиков теплового потока батарейного типа, показало удовлетворительное совпадение экспериментальных данных с расчеташ по разработанной методике. Диапазоны исследованных режимов составляют: а) по массовым концентрациям пара: Pfl1co « 0,75* 0,99; б) по скоростям ПВС: Woo » 1,5* 7 м/с; в) по температурному напору: Too — «= з* 26 К; г) по углу наклона пластины: ** О*Я/2; д) давление ПВС: Р©о « атмосферное.

4. Результаты расчетов теплообмена по предложенной методике удовлетворительно согласуются с результатами других авторов, полученныш путем численных решений полной системы дифференциальных уравнений, описывающих процесс конденсации пара из ПГС.

5. Экспериментально и теоретически исследовано влияние различных параметров на интенсивность тепло- и массообмена при конденсации пара из ПГС. При увеличении скорости движения ПГС и концентрации пара интенсивность тепло- и массообмена растет, а с увеличением продольной координаты падает. Более резкое падение теплоотдачи с увеличением продольной координаты при одинаковых заданных параметрах наблюдается для горизонтально ориентированной поверхности конденсации. При увеличении угла наклона пластины от горизонтального положения до вертикального наблюдается некоторое уменьшение теплоотдачи по сравнению с конденсацией чистого пара.

6. Предложенная методика может быть использована при расчетах тепломассообмена в конденсационных устройствах паровых турбин, элементах конструкций регенераторов растворителей хиш-ческой промышленности, систем опреснения соленой воды и т.д.

1. Теория теплообмена: Учебник для ВУЗов/С.И.Исаев, И.А.Кожи-нов, В.И.Кофанов и др.; под ред.А.И.Леонтьева.« М.: Высшая школа, Г979. - 495 с.

2. Кирсанов И.Н. Конденсационные установки. М.-Л.: Энергия, 1965. - 376 с.

3. Дэнни,Миллс,Джусионис. Ламинарная пленочная конденсация воздушно-паровой смеси при вынужденном течении вниз по верти« кальной поверхности.- Теплопередача, 1971, т.93,^3, с.41-48.

4. Исаченко В.П. Теплообмен при конденсации.« М.: Энергия, 1977.« 240 с.

5. Берман Л.Д. О критериях подобия для совместно протекающих процессов тепло- и массообмена в гетерогенных системах.« Журнал технической физики, 1958, т.28,MI, с.2617 2629.

6. Лабунцов Д.A. О влиянии конвективного переноса тепла и сил инерции на теплообмен при ламинарном течении конденсатной пленки.« Теплоэнергетика, 1956, №12, с.47 « 50.

7. Кружилин Г.Н, Уточнение нуссельтовской теории теплообмена при конденсации.« Журнал технической физики, 1937, т.7, вып. 20/21, с. 20II«20I7.

8. Ю.Воскресенский К.Д. Расчет теплообмена при пленочной конденсации с учетом зависимости физических свойств конденсата оттемпературы.- Изв.АН С ССР^ Отделение техн.наук, 1948, 17, с. 1023-1028.

9. П.Лабунцов Д.А. О влиянии на теплоотдачу при пленочной конденсации пара зависишсти физических параметров конденсата от температуры.«- Теплоэнергетика, 1957, $2, с.49 51.

10. Исаченко В.П. Ламинарная пленочная конденсация неподвижного пара на вертикальной стенке с учетом зависимости плотности конденсата от температуры.- Труды/ МЭИ, 1980, $451, с.73-76.

11. Spa?tow E.M.jM'mowicz W.X, Saddy M. Faced convection condensation in the presence of noncondensaBPes and Lniez-faciat res/stance. -Int. 1 Heat Mass Tzansfez^SSJ, v-Щрр. /6294№5

12. Benny V.LJusionis IП. Effects of noncondensoBtes gas and fozced fiow on taminax fitm condensation.-Int. 0. Heat

13. Mass Tzansfez, 1972, v. 15, pp. -326.

14. Bzauez H.,Muhte J. SiofuBezgany Bel faminazez &zenz~ schichtstomung, an den en PfQHen.—Chemie.-lng.-Techn №7, B.39, Ni5/61 S. 326-334.

15. PatanHaz 5.1/., SpoPding, D.&. A finite differencepzoce-duze fox sotvi'nfy tfie equations of {fie two-dimensional Boundaiy fayez.-Int X Heat Mass Transfer }№1, Щ pp. i3S9-m.

16. Волков Ю.А.»Никитин В.M.,Метод расчета процесса конденсации из парогазовой смеси.-Изв.АН СССР, Энергетика и транспорт,1981, Ю, с.158-161,

17. Emons H.W., Leigh D. TaBuPotion ofifte BPasius function wiïft Blowing and suction. — AezonauticaP Research,Coun-c¿ej Cuzzent Paper, №k} N /57, pp. 1-88.

18. Кутателадзе С.С. Основы теории теплообмена,- 5-е изд.переработанное и дополненное.-М.: Атомиздат, 1979. 416 с,

19. Тепло- и массообмен в парогазовой фазе при конденсации пара из смесей паров и парогазовых смесей /Л,С,Бобе,Д.Д.Малышев,

20. В.В.Раков и др.у- В кн.:Тепломассоперенос- ГУ.Шнек, 1972, т.2, 4.1, с.475 480.

21. Koh 7. С. Vv Gzafton P.E. S«in friction, heat transfer and condensation rate foz Sinaza cryogenic ffow over a fPat pPate.-Advance in Cryogenic Engine earing,} /962, V.7, pp.367 -376.

22. Аскегтапп \tJaimeü8ezgang, und тоРекиРаге Stoffußeztzayunfy in gleichen FePd Bei großen Temperatur und PaitiaPcfzucKdifezenzen .—VI) I —1. Fozsch.; №1, Н.Ъ82.

23. Леонтьев А.И. Инженерные методы расчета трения и теплообмена на проницаемой поверхности,- Теплоэнергетика, 1972, J^9,с.19 24.

24. СоЕвигп А.Р. Relation ßetween mass tzansfez(Qßsozp-tion) and fCuid f7iction.~IndustziaC and engineezin$ chemistzy. ,1330, v. 22,n9j pp. 967-970.

25. Codßuzn A.P. A method of cozzefatlny fozceoi convecfion heai tzansfez data and compazison With jtuid fziction. -TzansacUon of the AIChE, \9ЪЪ, l/.29} pp.m-209.

26. Берман JI.Д. К определению коэффициента массоотдачи при расчете конденсации пара, содержащего примесь воздуха.- Теплоэнергетика, 1969, НО, с.68-71.

27. Берман Л,Д. Обобщение опытных данных по тепло- и массообме-ну при конденсации пара в присутствии неконденсирующегося газа. Теплофизика высоких температур, 1972, т.10, ИЗ, с.587-594.

28. Берман Л.Д. К обобщению опытных данных по тепло- и массооб-мену при'испарении и конденсации.- Теплоэнергетика, 1980, М, с.8-13.

29. BaCtmeyer H.Sioff-und wäzrneüßextzagunfy Bei der Kondensation eines dampf es aus einem gemisch Mit einem nicht Konden siezenden gas in Eaminazez und tur-ßuPentw Strömungsgzenzchicßt. V/ J>J — Fozschung*., /570,ß.36, N539, s.5-24.

30. Сполдинг Д.Б. Конвективный массоперенос. Пер. с англ. З.П. Шульмана.- М.-Л.: Энергия, 1965,- 384 с.

31. Андреевский A.A. Волновое течение тонких слоев вязкой жидкости,- В кн.:Температурный режим и гидравлика парогенераторов. Л. Наука, 1978, с.181-230,

32. Капица П.Л. Волновое течение тонких слоев вязкой жидкости.-Журнал экспериментальной и теоретической физики, 1948, т.18, М, с.>28.

33. ЙГкадов В.Я. Волновые режимы течения тонкого слоя вязкой жидкости под действием силы тяжести.- Изв.АН СССР, Механика яид-кости и газа, 1967, J6I, с.43-51.

34. Калязин A.JI,, ЛамденД.И., Мостинский И:.Л. Волнообразование на поверхности пленки жидкости с переменной вязкостью при её течении под действием горячего газового потока,- Теплофизика высоких температур, 1982, т.20, Ю, с.529-537.

35. Юнсал, Томас. Линеаризованное решение задачи об устойчивости ламинарной пленочной конденсации на вертикальной стенке.-Теплопередача, 1978, т.100, JS4, с.73-80.

36. Юнсал, Томас. Нелинейный анализ устойчивости пленки конденсата.- Теплопередача, 1980, т.102, №3, с.108-115.

37. Мак-Адамс В.Х. Теплоотдача. Пер. с англ. Б.Л.Маркова.-М,: Металлургиздат, 1961.- 689 с.

38. Лабунцов Д.А. Теплоотдача при пленочной конденсации чистых паров на вертикальных поверхностях и горизонтальных трубах.-Теплоэнергетика, 1957, Л7, с.72-80.

39. Капица П.Л.,Капица С.П. Волновое течение тонких слоев вязкой жидкости.- Журнал экспериментальной и теоретической физики, 1949, т.19, $2, с.105-120.

40. Шекриладзе И.Г. Пленочная конденсация движущегося пара,-Сообщения АН ГССР, 1964, т.35, Ю, с.619-626.

41. Ше.криладзе И.Г. К вопросу анализа процессов ламинарной пленочной конденсации движущегося пара.- Инженерно-физический журнал, 1977, т.32, $2, с.221-225.

42. Леонтьев А.И., Малышев Д.Д. Анализ процессов трения и теплообмена в бинарном пограничном слое на проницаемой поверхности. Труды/МЛТИ, 1977, Ы02, с.115-131.

43. Бобе Л.С.,Малышев Д.Д. К вопросу об аналогии процессов тепло- и массообмена при конденсации пара из парогазовой смеси.- Теплофизика высоких температур, 1973, т.II, Л?6,с.1240~ 1244.

44. Леонтьев А.И., Хамадов А. Экспериментальное исследование тепло- и массообмена при естественной конвекции в щелевой прослойке.- Теплофизика высоких температур, 1974, т.12,Л5, с.1045-1051.

45. Бобе Л.С., Солоухин В.А. Тепло- и массообмен при конденсации пара из парогазовой смеси при турбулентном течении внутри трубы.- Теплоэнергетика, 1972, £9, с.27-30.

46. Варгафтик Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей.- 2-е изд.перераб. и доп.- М.:Наука,1972.-720с.

47. Добровольский М.В. Жидкостные ракетные двигатели. Основы проектирования.- М.:Машиностроение, 1968,- 396 с.-1з9

48. ГОСТ 13045-67. Ротаметр с местными показаниями типа РМ- 16с.

49. Геращенко O.A. Основы теплометрии,- Киев: Наукова думка, 1971.- 191 с.

50. Преображенский В.П. Теплотехнические измерения и приборы.-3-е изд.перераб,- М.: Энергия, 1978,- 703 с.

51. Геращенко O.A., Федоров В.Г. Техника теплотехнического эксперимента.- Киев.: Наукова-думка, 1964.- 164 с.

52. Геращенко O.A., Карпенко В.Г., Чишсов Ю.М. Учет влияния термического сопротивления датчика при измерении конвективных потоков.- В кн.: Конвективный теплообмен, Киев.:Наукова думка, 1968, с.139-146.

53. Волков Ю.А., Никитин В.М., Школа В.В. О тарировке датчиков теплового потока по месту их установки для исследования процесса конденсации из парогазовой смеси.- Промышленная теплотехника, 1983, J&I, с.26-29.

54. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике.-М.: Наука, 1964,- 608 с.

55. Шенк X. Теория инженерного эксперимента. Пер. с англ.Е.Г. Коваленко.- М.: Мир, 1972.- 381 с.65.3айдель А.Н. Элементарные оценки ошибок измерений.-JI.:Hay-ка, 1967.- 89 с.

56. Сквайре Д. Практическая физика.- М.:Мир, 1971.- 946 с. 67.0сипова В.А. Экспериментальные исследования процессов теплообмена.- М.: Энергия, 1979.« 319 с.