Разработка методов интенсификации процессов теплообмена при конденсации пара в поверхностных и контактных теплообменниках тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

На правах рукописи

Семенов Владимир Петрович

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛООБМЕНА ПРИ КОНДЕНСАЦИИ ПАРА В ПОВЕРХНОСТНЫХ И КОНТАКТНЫХ ТЕПЛООБМЕННИКАХ

Специальность 01.04.14 - Теплофизика и теоретическая теплотехника

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Екатеринбург - 2009

003459860

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Магнитогорский государственный университет»

Официальные оппоненты: Лауреат государственной премии России,

Заслуженный деятель науки и техники России, доктор технических наук, профессор Мильман Олег Ошеревич

доктор технических наук, профессор Солодов Александр Павлович

доктор технических наук, профессор Толмачев Евгений Михайлович

Ведущая организация Институт теплофизики Уральского отделения РАН

Защита диссертации состоится 20 февраля 2009 г. в 1400 на заседании диссертационного совета при ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет-УПИ имени первого Президента России Б.Н. Ельцина» по адресу: г. Екатеринбург, ул. С.Ковалевской, 5, 8 учебный корпус УГТУ-УПИ, ауд. Т - 703

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «УГТУ - УПИ».

Ваши отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим направлять по адресу: 620002, г. Екатеринбург, ул. Мира, 19, ГОУ ВПО «УГТУ-УПИ», Ученому секретарю совета. Телефон (343) 3754574, факс (343) 3743884, E-mail: lta ugtu@mail.ru, tot@mail.ustu.ru.

Автореферат разослан 15 января 2009 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета ¿¡^^----К.Э.Аронсон

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы и цель работы. Основным стратегическим направлением энергетической политики развитых стран является максимальное ресурсо- и энергосбережение при производстве различных видов продукции, в том числе тепловой и электрической энергии на тепловых и атомных электростанциях, в паровых и водогрейных котельных. Наиболее перспективными путями экономии ресурсов являются уменьшение весогабаритных характеристик теплообменников, в частности, конденсаторов, и экономия топливно-энергетических ресурсов при использовании теплоты конденсации уходящих газов при их глубоком охлаждении.

Процесс конденсации пара нашел широкое применение в различных областях техники и особенно в энергетике. Так, конденсаторы паровых турбин являются неотъемлемой частью ТЭЦ, ГРЭС и АЭС. Они же являются наиболее громоздкими, металлоемкими и дорогостоящими частями паротурбинной установки (ПТУ). Доля конденсаторов в общем весе ПТУ достигает 40-50 %, а их габариты во многом определяют размеры и компоновку всей установки. С конденсацией пара связаны процессы регенеративного подогрева питательной воды в смесительных и поверхностных теплообменниках. Рост единичных мощностей энергетических блоков сопровождается дальнейшим возрастанием габаритов конденсаторов. Так, для турбин мощностью 1200 МВт необходимая поверхность охлаждения в конденсаторах и подогревателях питательной воды достигает 9104м2, а число трубок в конденсаторах - 5-Ю4. Жесткие требования предъявляются к массогабаритным характеристикам конденсаторов судовых паросиловых турбоустановок.

Существующие методы расчета поверхности теплообмена конденсаторов не позволяют конструктору в полной мере изменять при расчете различные параметры, влияющие на теплообмен, особенно с паровой стороны.

Теоретические работы, объясняющие расхождение экспериментальных данных между собой и с теорией Нуссельта, не позволяют сделать однозначных выводов о влиянии натекающего конденсата на теплоотдачу. Это

свидетельствует о недостаточной изученности рассматриваемого вопроса и необходимости дальнейшего накопления экспериментальных данных. Практически не исследовано влияние конфигурации поперечного сечения гладких трубок на их теплообменные характеристики при конденсации пара.

Утилизация теплоты при конденсации пара, содержащегося в уходящих газах котельных агрегатов, позволяет существенно экономить топливо. По имеющимся оценкам теплота, полученная за счет регенерации, в этом случае обходится в три раза дешевле, чем при непосредственном сжигании топлива. Перспективным способом решения этой проблемы является применение контактных теплообменников, в которых уходящие газы непосредственно контактируют с теплоносителем. Удельные капиталовложения в мероприятия по утилизации теплоты уходящих газов контактными теплообменниками в 2-3 раза ниже удельных капиталовложений в добычу и транспортировку топлива. Вместе с тем контактные теплообменники в качестве утилизаторов теплоты уходящих газов из-за ряда недостатков не нашли достаточного применения, соответствующего их высоким потенциальным возможностям.

Таким образом, исследования процессов гидродинамики и теплообмена при конденсации пара на трубных пучках, на гладких некруглых трубках, а также между свободной жидкостной пленкой и потоком газа с целью повышения эффективности работы и уменьшения массы и габаритов вновь проектируемых конденсаторов и создания эффективных контактных теплообменников для утилизации теплоты уходящих газов являются актуальными задачами, решение которых связано с проблемами энергосбережения.

Целью работы являются аналитическое и экспериментальное исследование влияния натекающего конденсата на процесс теплообмена при конденсации пара на горизонтальных трубных пучках, теоретическое изучение гидродинамики и теплообмена на гладких трубках с различной конфигурацией поперечного сечения, а также аналитическое и экспериментальное исследование процессов тепломассообмена при обтекании свободной

жидкостной пленки поперечным потоком газа в контактном теплообменнике с рециркуляцией нагреваемой жидкости и разработка контактных теплообменников с пониженным аэродинамическим сопротивлением.

Поставлены следующие задачи, решение которых выносится на защиту:

- разработка физической модели конденсации пара, основанной на дискретном характере течения конденсата, и экспериментальное исследование влияния дискретного стекания на теплообмен при конденсации пара в широком диапазоне изменения вертикального шага между трубками пучка;

- получение экспериментально обоснованных соотношений для расчета локальных коэффициентов теплоотдачи в коридорных и шахматных горизонтальных трубных пучках с учетом дискретной модели стекания конденсата;

- разработка моделей процессов гидродинамики и теплообмена при конденсации пара на гладких трубках с различной конфигурацией поперечного сечения;

- исследование влияния сил гравитации и поверхностного натяжения на гидродинамику и теплообмен при конденсации пара для различного пространственного расположения трубок с изменяющейся кривизной профиля поперечного сечения;

- проведение экспериментальных исследований и расчет тепломассообмена между сплошной пленкой жидкости и поперечным парогазовым потоком;

- разработка методики расчета и экспериментальное исследование влияния рециркуляции нагреваемой жидкости на эффективность работы теплообменников контактного типа для утилизации теплоты уходящих газов при их глубоком охлаждении;

- разработка и промышленные испытания контактных аппаратов с повышенными теплотехническими характеристиками.

Научная новизна работы:

1. Впервые проведена качественная и количественная оценка влияния дискретного характера течения конденсата на теплообмен при конденсации чистого неподвижного пара в горизонтальном трубном пучке. Аналитическим путем установлена взаимосвязь локальных коэффициентов теплоотдачи с характеристиками падающей капли: ее массой тк, временем контакта капли с трубкой Тк и средней площадью 5, залитой этой каплей на поверхности трубки за время тк. Экспериментально установлена зависимость характеристик перетекающей капли тк, Тк, 5 от физических свойств конденсата, диаметра трубок и вертикального шага трубного пучка.

2. Впервые в широком диапазоне изменения межтрубного расстояния исследовано влияние вертикального шага на теплоотдачу пучка трубок при конденсации медленно движущегося пара в области малых чисел Рейнольдса пленки. Установлено, что уменьшение коэффициентов теплоотдачи по высоте ряда оказывается гораздо более слабым, чем это следует из теории Нуссельта. Обнаружено существование оптимального шага трубок /¡~ 6 мм, при котором средний коэффициент теплоотдачи увеличивается на 6-12 % в зависимости от номера ряда.

3. Разработана математическая модель и впервые проведено аналитическое и экспериментальное исследование теплообмена при конденсации пара на гладких горизонтальных трубках с непрерывно уменьшающейся кривизной профиля поперечного сечения с учетом влияния сил гравитации и поверхностного натяжения. Выявлено наличие максимума коэффициента теплоотдачи при последовательном изменении сечения трубки от круглой формы до конфигурации, вытянутой в направлении вектора гравитационной силы. Установлено, что для оптимальной формы поверхности средний коэффициент теплоотдачи увеличивается на 30 %, а в условиях пониженной гравитации более чем в два раза.

4. Впервые численными методами исследованы гидродинамика течения жидкостной пленки и теплообмен при конденсации пара на наклонных и вертикальных трубках с произвольным профилем поперечного сечения. Установлено, что неравномерное распределение толщины пленки, обусловленное силами поверхностного натяжения, лишь незначительно (на 2-3 %) увеличивает средний коэффициент теплоотдачи.

5. Разработана и экспериментально подтверждена новая аналитическая модель тепломассообмена между сплошной пленкой жидкости и поперечным потоком газа. Получены критериальные зависимости, обобщающие результаты лабораторных исследований и промышленных испытаний контактных теплообменников с различными вариантами камер контактного теплообмена в широком диапазоне изменения начальных параметров. Установлено, что применение рециркуляции нагреваемой жидкости в контактных теплообменниках является эффективным способом повышения их тепловой мощности и других теплотехнических характеристик.

6. Опытным путем впервые установлено наличие двух характерных режимов работы контактного теплообменника с пленочными форсунками. Данное явление объяснено неустойчивостью жидкостной пленки, взаимодействующей с поперечным парогазовым потоком. Определены значения критерия Вебера (\¥е=6.5), определяющего смену режимов.

Достоверность результатов обусловлена применением современных физических представлений и математических методов анализа, объективным согласованием теоретических и экспериментальных данных, сопоставлением результатов тестовых опытов с данными других исследователей, использованием современных технических средств для сбора, обработки информации и проведения численных расчетов.

Практическая ценность работы и реализация ее результатов

- С учетом представлений о дискретном стекании конденсата получены зависимости для расчета локальных коэффициентов теплоотдачи при конденсации чистого медленно движущегося пара в горизонтальном трубном

пучке. Эти результаты могут быть использованы при проектировании конденсаторов ПТУ и горизонтальных теплообменников с конденсацией пара.

- Предложен новый способ интенсификации теплообмена при конденсации пара, заключающийся в использовании пучка с оптимальным вертикальным шагом между трубками.

- Разработан новый способ интенсификации теплообмена при конденсации пара, заключающийся в применении гладких трубок с переменной кривизной профиля поперечного сечения.

- Теоретические и экспериментальные материалы по процессам тепломассообмена между свободной пленкой жидкости и поперечно натекающим потоком газа могут быть использованы и используются для расчета и проектирования теплообменных аппаратов в энергетике и других отраслях промышленности и служат основой для разработки новых численных методик расчета камер смешения при оптимизации их конструкции.

- Разработанная, прошедшая апробацию и реализованная новая комбинированная конструкция контактного теплообменника с пленочными форсунками и рециркуляцией нагреваемой жидкости рекомендуется к широкому использованию в качестве утилизатора теплоты уходящих газов за котельными установками различного назначения, нагревательными печами и т.п., использующими в качестве топлива природный газ.

Результаты теоретических и экспериментальных исследований использованы в научно-исследовательских и производственных организациях, в том числе на крупнейших российских предприятиях ОАО «Калужский турбинный завод» и ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат», а также в учебном процессе высших учебных заведений.

Автор внес личный вклад в разработку физической модели дискретного стекания конденсата, в проектирование и изготовление экспериментальных установок, в разработку методик проведения опытов, в непосредственное проведение экспериментов, в обработку и анализ их результатов. Автором была предложена и подтверждена аналитически и экспериментально идея

интенсификации теплообмена при конденсации пара путем применения гладких горизонтальных трубок с непрерывно уменьшающейся кривизной профиля поперечного сечения. Автор принимал непосредственное участие в постановке задач, анализе результатов и написании статей по тепломассообмену в контактных теплообменниках и при конденсации пара на горизонтальных, наклонных и вертикальных трубках с различными профилями поперечного сечения. Численные расчеты задач, сформулированных в параграфах 3.3, 3.4 и У1-ой главе выполнены под научным руководством автора аспирантом Н.Н.Никитиным.

Апробация работы. Основные результаты работы опубликованы в 60 статьях, в том числе 11 по списку ВАК, и докладывались на XXI Сибирском Теплофизическом семинаре (Новосибирск, 1978г.); VI Всесоюзной конференции по теплообмену и гидравлическому сопротивлению при движении двухфазного потока в элементах энергетических машин и аппаратов (Ленинград, 1978 г.); II Всесоюзном совещании по конденсаторам паровых турбин (Калуга, 1981 г.); Всесоюзной конференции по теплофизике и гидродинамике процессов кипения и конденсации (Рига, 1988 г.); Отраслевом совещании главных энергетиков (Киев, 1988 г.); П1 Всесоюзной конференции по двухфазным потокам в энергетических машинах и аппаратах (Ленинград, 1985г.); VII Всесоюзной конференции по двухфазным потокам в энергетических машинах и аппаратах (Ленинград, 1990 г.); III Всесоюзной конференции по проблемам энергетики и энергосбережению в промышленной теплотехнологии (Москва, 1997 г.); Российском Национальном симпозиуме по энергетике (Казань, 2001 г.); IV Международной теплофизической школе (Тамбов, 2001 г.); Международной научно-практической конференции «80 лет Уральской теплоэнергетике. Образование. Наука» (Екатеринбург 2003 г.); XXVII Сибирском теплофизическом семинаре, посвященном 90-летию академика С.С.Кутателадзе (Новосибирск, 2004 г.); V Международной Балтийской конференции по теплопередаче (С-Петербург, 2007 г.) и целом ряде межвузовских научных конференциях, проводимых в Магнитогорском

государственном университете. Материалы по влиянию натекания конденсата на интенсивность теплообмена удостоены диплома 1-й степени на конкурсе Московского областного правления НТО им. академика А.Н. Крылова.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, приложений и списка литературы, включающего 212 источников, изложена на 302 страницах, включает 92 рисунка и 3 таблицы. Ключевые слова: теплообмен, тепломассообмен, конденсация, пар, гидродинамика, дискретное стекание, поверхностное натяжение, пучок труб, поверхностный теплообменник, контактный теплообменник.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении на основе научных работ ведущих отечественных и зарубежных ученых проанализированы наиболее значимые причины, обусловливающие многочисленные отклонения экспериментальных данных по теплообмену при конденсации пара от классической теории Нуссельта. К числу таких факторов можно отнести влияние поверхностного натяжения, особенно проявляющееся при конденсации на криволинейных поверхностях. Этот фактор обусловливает не учитываемое в теории дискретное (капельное или струйное) стекание конденсата в пучке трубок. Отмечаются противоречивость сведений и недостаточная изученность роли сил поверхностного натяжения.

В первой главе рассматриваются представления о процессах теплообмена и гидродинамики при конденсации пара в пучках горизонтальных трубок, основанные на результатах экспериментальных и теоретических исследований различных авторов, и обосновывается разработанная автором новая модель конденсации чистого неподвижного пара на вертикальном ряде горизонтальных трубок, дополняющая теорию Нуссельта учетом дискретного стекания конденсата.

Отмечается, что уменьшение коэффициента теплоотдачи при переходе от трубок, расположенных в верхней части пучка, к нижерасположеным трубкам, принято объяснять тремя основными причинами:

- во-первых, при движении пара в глубину пучка происходит его конденсация, следовательно, уменьшение объемного расхода и скорости движения пара, что приводит к ухудшению процесса теплообмена;

- во-вторых, по мере последовательной конденсации пара возрастает концентрация неконденсирующихся газов. Это затрудняет подход пара к поверхности конденсации и уменьшает коэффициент теплоотдачи;

- в-третьих, на трубки, лежащие в глубине пучка, поступает конденсат с вышерасположенных трубок, при этом увеличивается средняя толщина жидкостной пленки и уменьшается коэффициент теплоотдачи.

Во многих исследованиях осуществляется дифференцированный подход к изучению проблемы, т.е. выделяется воздействие каждого из названных выше факторов, хотя в реальных аппаратах комплексное воздействие этих факторов на конденсацию пара бывает гораздо сложнее.

Большинство предлагаемых моделей натекания лишь уточняют теорию, разработанную Нуссельтом, путем рассмотрения дополнительных условий. В теории Нуссельта стекание конденсата осуществляется в виде непрерывной пленки, равномерно распределенной во всей длине трубки. Движение конденсата по поверхности каждой трубки предполагается ламинарным, пар считается неподвижным, влиянием трения между паром и жидкой пленкой пренебрегается, температурный напор для всех трубок принимается постоянным, дополнительная конденсация на пленке в межтрубном пространстве не учитывается. Л.Д. Берманом было показано, что теоретические представления Нуссельта приводят к простому выражению для расчета локальных коэффициентов теплоотдачи на ряду трубок с номером г:

а.

= [/0Л5-(/-1)0'75],

а

(1)

где

(2)

Анализ зависимости (1) показывает существенное снижение коэффициента теплоотдачи по высоте ряда за счет стекающего конденсата (коэффициент теплоотдачи на второй трубке ряда оказывается на 32 % ниже, чем на верхней). Анализ опытов, в которых обеспечивается конденсация чистого практически неподвижного пара, показывает, что теоретические расчеты значительно завышают роль натекающего конденсата. Как отмечают Чен и Исаченко, такое несоответствие аналитических расчетов и опытных данных обычно объясняется тем, что в теории Нуссельта не учитываются некоторые явления, имеющие место при конденсации пара на вертикальном ряде горизонтальных трубок, в частности:

1. Средняя температура пленки, стекающей с трубок, меньше температуры насыщения, что приводит к дополнительной конденсации пара на пленке, стекающей в межтрубном пространстве.

2. Пленка при падении ускоряется и приобретает дополнительное количество движения, что уменьшает толщину пленки на нижележащей трубке.

3. Действие поверхностных сил обусловливает стекание конденсата в виде отдельных капель и струй, в то время как Нуссельтом предполагается непрерывное по всей длине трубки стекание пленки.

В настоящее время не представляется возможным построение аналитического решения задачи о конденсации пара в пучке горизонтальных трубок, одновременно и полностью учитывающей влияние перечисленных факторов. По этой причине роль перечисленных факторов, как правило, анализируется отдельно.

Влияние переохлаждения конденсата на средний коэффициент теплоотдачи на основе приближений пограничного слоя было учтено Ченом, Спэрроу и Грогом, которыми учитывалось изменение количества движения за счет массы конденсирующихся паров, т.е. «эффект торможения». При температурных напорах, характерных для реальных конденсаторов, расчеты дают результаты, практически не отличающиеся от теории Нуссельта, то есть эффект дополнительной конденсации не может удовлетворительно объяснить

тот факт, что значения коэффициентов теплоотдачи, рассчитанные по теории Нуссельта, существенно меньше многих экспериментально определенных коэффициентов. Введение поправки на тепловой поток за счет переохлаждения конденсата предложенное в работах Гогонина, существенно сближает опытные данные с результатами, полученными при условии постоянного температурного напора по высоте ряда.

Предложенная Исаченко аналитическая модель основывается на том, что весь передаваемый импульс приводит к уменьшению толщины пленки, что, по-видимому, переоценивает реальное влияние добавочного импульса на теплообмен. Слабое влияние на теплообмен передаваемого импульса подтверждается и опытами Кутателадзе, в которых увеличение расстояния между трубками ряда совершенно очевидно обусловливало рост передаваемого импульса. Увеличения коэффициента теплоотдачи пучка при этом не наблюдалось.

Аналитические модели Чена и Исаченко не учитывают и такого фактора, как дискретное стекание конденсата в виде отдельных капель.

Влияние сил поверхностного натяжения при конденсации пара в трубных пучках иногда характеризуется критерием о/р(1. Этот критерий не отражает тот факт, что теплоотдача к трубкам в пучке будет зависеть от вертикального шага, так как при изменении этого шага могут возникнуть такие условия, когда силы поверхностного натяжения будут менять характер отрыва капель и оказывать влияние на теплообмен.

Имеющиеся в литературе сведения позволяют сделать вывод о том, что влиянием сил поверхностного натяжения частично можно объяснить расхождение экспериментальных и теоретических результатов. Комплексные исследования теплообмена, сопровождаемые визуальным наблюдением за характером течения жидкой пленки на гладких и оребренных трубках, проведенные Гогониным и Кабовым в широком диапазоне изменения паровых нагрузок при конденсации паров хладонов, показали, что отвод конденсата осуществляется в виде капель и струй, а при больших паровых нагрузках

конденсат стекает практически сплошной пленкой. Такой характер течения, обусловленный крайне низким коэффициентом поверхностного натяжения хладонов, сближает картину стекания конденсата с классической моделью Нуссельта. В этом случае, по-видимому, требуются дополнительные уточнения для переноса полученных результатов на случаи конденсации паров жидкостей со значительными коэффициентами поверхностного натяжения.

Влияние дискретного течения пленки на теплообмен оценивается в работе Шкловера и Буевича, где сток конденсата предполагается в виде непрерывной пленки, но в отличие от теории Нуссельта, заливающей нижерасположенную трубу лишь частично. Средний для всей поверхности каждой трубки коэффициент теплоотдачи определяется с учетом площади поверхности, подверженной натеканию капель. Предложенная схема расчета не учитывает дискретный характер стекания пленки в виде капель и применима лишь для тех случаев, когда течение конденсата осуществляется в виде отдельных непрерывных струек и расстояние между трубками невелико.

В настоящей работе предложена модель процесса конденсации пара на вертикальном ряде горизонтальных трубок. В основе этой модели лежат основные предпосылки теории Нуссельта о конденсации пара на вертикальном ряде горизонтальных трубок. Дополнительно предполагается, что силы поверхностного натяжения существенно влияют на гидродинамику и теплообмен, обеспечивая стекание конденсатной пленки в виде капель и струй. Расчет теплоотдачи по этой модели основывается на дискретном течении конденсатной пленки и требует знания массы отрывающейся капли и геометрических размеров поверхности, которую занимают перетекающие капли. Такие сведения в литературе практически отсутствуют. Существенной чертой предлагаемой модели является наличие двух типов зон, для каждой из которых существуют свои расчетные зависимости - зоны, залитой конденсатом, и свободной зоны, в которой теплоотдачу можно рассчитывать по известной формуле Нуссельта (2).

Величина площади 5, занятой перетекающей каплей, оказывается меняющейся во времени так, как это схематически изображено на рис. 1: Г/(т)>0 при РТ<х<хк +РТ

S{ т) =

(3)

Рис. 1. Характер изменения площади, залитой перетекающими каплями

|0 при %х+РТ<т<(Р+1)Т где Р = 0; 1; 2...

Усреднение коэффициента теплоотдачи по поверхности у-й трубки и среднестатистическому периоду Т приводит к следующему выражению для коэффициента теплоотдачи:

а,=

F

1-

1-

fj

о /

(4)

где oto - средний коэффициент теплоотдачи для поверхности, не залитой

л

натекающим конденсатом; F = F,CB YtJ - площадь полной

i

поверхности трубки, F¡CB. - площадь свободной зоны j-ii трубки; п - количество

отрывающихся капель в единицу времени; /. = = - функция

J р р

натекания, которая характеризует относительную долю площади, занятой перетекающим конденсатом. Произведение Тп S представляет собой среднюю по времени суммарную площадь, залитую перетекающими каплями на рассматриваемой трубке, /г/-зт = TnS .

Верхняя трубка с единицы поверхности в единицу времени генерирует Т| капель, отрывающихся от трубки, которые зальют на второй трубке площадь F2 зт. = Tr\FS. Тогда /2 =Ti\S, а площадь свободной зоны второй трубки равна F2 се. = F - F23m.= F( 1 - Гг) S ). Свободная зона второй трубки будет заливать на третьей трубке площадь F^ =Tr\SF2t[ =Tr\S F(\-f2).

На третьей и последующих трубках будут дополнительно существовать зоны, залитые каплями, которые образовались на предыдущей трубке не в результате конденсации, а путем перетекания (рис. 2), что приводит к следующему

окончательному выражению для функции натекания любой трубки ряда: ¿=1-(1~/2У-'. (5)

Это выражение означает, что функция натекания любого ряда, а значит, и коэффициент теплоотдачи, могут быть выражены через функцию натекания второго ряда. Величина площади поверхности, заливаемой одиночной каплей, зависит от среднего периода образования и перетекания капли. Для того, чтобы эта площадь определялась только характеристиками перетекающей капли, необходимо перейти от усреднения площади по периоду отрыва и перетекания капли к усреднению по времени непосредственного перетекания капли по трубке тк(см. рис. 1).

Такое усреднение приводит к тому, что функция натекания /2 может быть выражена через среднюю массу капли тк и расход конденсата, образующегося на единичной поверхности верхней трубки ряда 61:

/2 = ^5" = ^—^. (6)

При расчетах использовались результаты нашего экспериментального исследования величин, характеризующих перетекающую каплю, J = т^б", средней площади 5 и средней массы капель тк, отрывающихся от трубок

в-

.11111111 -

Рис. 2. Модель дискретного стекания конденсатной пленки в горизонтальном трубном пучке

различных диаметров. Расчеты теплоотдачи пучка трубок, выполненные по дискретной модели натекания, показывают, что снижение коэффициента теплоотдачи по высоте ряда незначительно по сравнению с теорией Нуссельта.

При выводе зависимости (6) для определения функции натекания не учитывалось влияние конденсата, дополнительно образующегося в залитых зонах. Расчет функций натекания, полученных по упрощенной модели, и с учетом конденсации в залитой зоне показал, что эти результаты расходятся не более чем на 3 %; следовательно, допущение (Хзх./(Хо « 1 справедливо и выражение для среднего коэффициента теплоотдачи вертикального ряда из горизонтальных трубок примет вид

а=—Уа,=—^-(7)

где N - число трубок в ряду, А = 1 - -^-С,.

т.

Таким образом, предложенная в диссертации безразмерная функция натекания, учитывающая дискретный характер стекания конденсата, позволяет установить связь между распределением коэффициентов теплоотдачи по высоте ряда и функцией натекания, зависящей от удельной паровой нагрузки и параметров капель в трубном пучке: массы тк, времени контакта средней площади 5 и величины 3, названной автором для краткости терминологии интегралом натекания.

Во второй главе приводятся описание методики эксперимента и результаты исследования теплообмена при конденсации пара на вертикальном ряде круглых горизонтальных трубок с целью проверки дискретной модели стекания конденсата и подробного изучения влияния вертикального шага между трубками.

Для решения перечисленных задач была спроектирована и изготовлена экспериментальная установка, схема которой приведена на рис. 3. Установка состоит из двух контуров: замкнутого с естественной циркуляцией и открытого

контура охлаждающей воды. Электрический парогенератор имеет 6 трубчатых электронагревательных элементов (ТЭНов) мощностью 6,3 кВт каждый. Включение одного из нагревателей через регулятор напряжения обеспечивало плавный набор электрической мощности. Электрический пароперегреватель мощностью 1 кВт позволял осуществить перегрев пара на 1-1,5 °С.

Рис. 3. Схема экспериментальной установки: 1 - конденсатор, 2 - парогенератор, 3 - электрический пароперегреватель, 4 -теплообменник-воздухоохладитель, 5 - экспериментальные трубки, 6 - мерный бак, 7 - щит управления, 8 - бак постоянного напора, 9 - вакуумный насос РВН-20

Конденсатор был установлен на металлической опоре, конструкция которой позволяла менять угол установки аппарата от 0 до 20° по отношению к горизонту. Предусматривалось удаление неконденсирующихся примесей вакуумным насосом 9 и влаги из отсасываемой паровоздушной смеси в вынесенном теплообменнике-воздухоохладителе 4. Стабильность расходов и температуры охлаждающей воды в контуре достигалась применением бака постоянного напора 8. Необходимый уровень температуры охлаждающей воды поддерживался девятью ТЭНами с раздельным включением мощностью 3,6 кВт каждый. Три ТЭНа были включены в электрическую схему регулировки

температуры, управляемую термоконтактным датчиком температуры и электромагнитным реле. Необходимая температура поддерживалась с погрешностью ±0,1 °С.

Корпус конденсатора выполнен в виде прямоугольного короба проходным сечением 940x170 мм со смотровыми окнами. При максимальной

2 л

паровой нагрузке динамическии напор р\\> не превышает 0,04 кг/(м-с ), что позволяет считать пар практически неподвижным. Необходимое расстояние между трубками ряда выставлялось при помощи калиброванных вставок. Конденсация пара проводилась на мельхиоровых трубках диаметром 12 мм с рабочим участком длиной 690 мм. Для интенсификации теплообмена со стороны охлаждающей воды применялись турбулизирующие вставки.

При проведении экспериментов измерялись температура стенки рабочих трубок, температура охлаждающей воды на входе и выходе из каждой трубки, температура и давление пара в конденсаторе, расход охлаждающей воды, суммарное количество конденсата, образовавшегося на экспериментальном ряде. Специально сконструированным прибором по методике Фукса периодически определялось массовое содержание воздуха в паре.

Температура стенок рабочих трубок измерялась методом термометра сопротивления, когда датчиком была непосредственно рабочая трубка, что позволило измерять сразу среднюю температуру. При обработке опытных данных учитывались поправка на толщину стенки и неравномерность распределения температуры по трубке. Расход охлаждающей воды измерялся объемным методом при помощи мерного бака постоянного объёма. В процессе проведения экспериментов контролировалось соответствие температуры насыщения и давления.

Особенность предложенной автором экспериментальной методики состояла в том, что измерения на каждом заданном режиме проводились в два непрерывных этапа. На первом этапе установка располагается горизонтально, и работа каждой трубки определяется её расположением в вертикальном ряде. На втором этапе конденсатор без остановки работы стенда наклоняется так, что

трубки образуют с горизонтом угол до 7°. Слабый наклон трубок, по данным Ю.М. Бродова и нашим собственным предварительным опытам, не приводит к изменению коэффициента теплоотдачи при конденсации пара. Отнесение результатов, полученных на каждой горизонтальной трубке, работающей в вертикальном ряду, к результатам, полученным на этой же трубке, но слабонаклоненной к горизонту, позволяет объективно судить о влиянии натекающего конденсата и избавляет от ошибок, связанных с индивидуальной особенностью работы каждой трубки.

Тепловой поток через каждую трубку при определении среднего коэффициента теплоотдачи определялся в соответствии с общепринятой методикой расчета по расходу и изменению температуры охлаждающей воды. Погрешность измерения коэффициента теплоотдачи при различных режимных параметрах составляла от 4,6 до 10 %.

При экспериментальном исследовании теплообмена скоростной кинокамерой «Пентацет 16а» и осуществлялась киносъемка процесса с последующей обработкой опытных данных на микроскопе «Пентацет» с координатным устройством. Это позволило установить зависимость среднего расстояния между отрывающимися каплями € от геометрического положения трубки в ряду и от снимаемой тепловой (или соответствующей ей паровой) нагрузки и получить геометрические и временные характеристики процесса перетекания упавшей капли по горизонтальной трубке.

Увеличение паровой нагрузки от 1,6Т0"2 до 5,ОТО"2 кг/(м2-с) приводит к уменьшению £ от 48 до 32 мм. При дальнейшем росте нагрузки значение £ остается постоянным. Значения £ на второй и пятой трубках ряда не зависят от величины паровой нагрузки.

На рис. 4 приведена зависимость безразмерного расстояния между струями Шо от числа Рейнольдса пленки (гидравлической нагрузки), определенного по

" Г

средней скорости течения и средней толщине пленки: Яел1 = £—, где Г-, -

линеиная плотность орошения на I -й трубке. Линейный размер отнесен к длине волны наиболее «опасного» возмущения на плоской границе раздела между средами, определенной Гогониным,

= 2я\

За

Обработка

V

V . т* 2 • •

Re«*

Рис. 4. Зависимость среднего расстояния между отрывающимися каплями от числа Рейнольдса: 1 - аппроксимирующая кривая; 2 - по данным И.И.Гогонина

iscp'-p')'

опытных данных показала, что существуют две области чисел Рейнольдса, в которых характер изменения величины { различен. При небольших числах Rera среднее расстояние между каплями убывает с ростом €. На этом участке наши опытные данные аппроксимируются степенной зависимостью

1 = _i_= 1,6 Re „-0'25, 1 < Re < 5 . (8)

^ о

При дальнейшем увеличении гидравлической нагрузки расстояние между отрывающимися каплями остается постоянным и совпадает с длиной волны неустойчивости по Тэйлору, что объясняется переходом ламинарного режима течения пленки в ламинарно-волновой при Re,»™ = 5.

По данным скоростной киносъемки определялись форма и площадь поверхности, занятой растекающейся на трубке каплей, в различные моменты времени для диаметров трубок от 8 до 25 мм и величины зазора между трубками вертикального ряда h от 3 до 24 мм. Покадровый анализ показал, что в зависимости от расстояния между трубками возникают три характерных варианта падения и перетекания капель, отличающиеся формой капли в межтрубном пространстве перед касанием с нижней трубкой (рис.5). Изменения формы перетекающих капель отражают изменения в соотношении сил поверхностного натяжения и гравитационных. Максимальная ширина

дорожки {тах, занятой перетекающей каплей, зависит от величины зазора А

между трубками. Эта зависимость, обработанная в безразмерном виде = /(И), представлена на рис.6.

Безразмерная величина И представляет собой критерий Вебера Жг, а линейные размеры ¿тах и к отнесены к масштабу капиллярно-гравитационного взаимодействия (капиллярной постоянной), использованному Кутателадзе, Гогониным и Шкловером при обработке данных.

Три зоны, разделенные на рис.6 пунктирными линиями, соответствуют различному

характеру изменения массы капель в зависимости от величины зазора между трубками:

1. При /г г 5 масса перетекающей капли остается неизменной. Ширина - дорожки уменьшается из-за

ггт—р— г~п-г.......

! [ возрастания скорости падения

' „ —V, ■■,},._(сапли на трубку при увеличении

| вертикального шага,

|[| » н ^ —».--^ г

__II Ь П. При 2,2 < /г < 5 на

г а 6 г 4 ,

формирование и отрыв капель

Рис. 6. Максимальная ширина дорожки.

„ ' начинает оказывать воздействие зал итои перетекающей каплей

нижележащая трубка. Масса

Рис. 5. Перетекание капель при различных расстояниях между трубками ё = 12 мм; а) И = 24 мм; б) Ь = 16 мы; в) Ь = 4 мм

р 1 1 ( 1

1 и I к

Рис. 6. Максимальная ширина дорожки, залитой перетекающей каплей

3 9- Z'^is о-

N

Y

\;

/ * 1

\ 0 V / > \ V

К о/ \ □ s

/ 1 с Ä

Рис. 7. Обобщение опытных данных по измерению интеграла натекания 1 -d - 8 мм; 2-12 мм; 3-16 мм; 4-25 мм

перетекающей капли и максимальная ширина дорожки, которую она занимает, с ростом шага h увеличиваются.

III. При 1,47 < h < 2,2 силы поверхностного натяжения

способствуют более полному перетеканию капель на нижележащую трубку, увеличивая массу перетекающих капель по мере уменьшения шага.

Данные по массе тк перетекающих капель, полученные взвешиванием и косвенно подтвержденные обработкой киноматериалов, аппроксимируются с погрешностью, не превышающей 8 %, зависимостью

'(8,lft-i-8,l/rI+2,73)Weow тх _ при 1,47 < h < 5

~ r_'l,3WeM (9)

при h >5.

Значения средних площадей S3m, залитых перетекающей каплей, и интеграла натекания У, необходимые для расчета по дискретной модели, определялись графическим интегрированием экспериментальных зависимостей Sim- Так же, как и для массы перетекающей капли, можно выделить три характерных участка, каждый из которых аппроксимируется степенными зависимостями (см. рис.7):

J = с,/7п> We2'5, S = c2hmi Weu, (10)

где с, = 0,047, сг = 6,8, п = - 0,5 от = - 0,26 при 1,5 < h < 2,2; с, = 0,017, с2 = 3,5, п = 0,9, т = 0,59 при 2,2 < h < 5,0); ci = 1,120, С2 = 33,5, л = -1,7, от = -0,7 при 5,0 <h <9,0).

«г„ = -

'2 f Га4

Максимальные отклонения экспериментальных значений 7 и 5 от аппроксимирующих зависимостей (10) не превышают 15 %, а относительная погрешность определения функции натекания не превышает 5 %.

Для экспериментального исследования теплоотдачи было проведено 12 серий измерений и получено более 800 опытных точек. Эксперименты проводились при следующих режимных параметрах: /„ = 50 °С, г) = 4... 16 °С, рн = 1,25-Ю4 Па, q = (50...115)-103 Вт/м2. Скорость пара и> не превышала 0,7м/с, а динамический напор ри>2 оставался меньше 0,04 кг/(м2-с). Результаты экспериментов подтвердили, что уменьшение коэффициентов теплоотдачи по высоте ряда оказывается гораздо более слабым, чем это следует из теории Нуссельта (рис.8), а расстояние между трубками к слабо влияет на характер относительного изменения теплоотдачи по высоте ряда, что согласуется с

результатами расчетов,

выполненных в соответствии с дискретной моделью натекания конденсата. При сближении трубок до 5-6 мм происходит увеличение интенсивности теплообмена, что связано с увеличивающимся влиянием сил поверхностного натяжения, уменьшением массы перетекающей капли, увеличением частоты отрыва и, следовательно, интенсивности волнообразования. Волновые процессы снижают среднюю толщину пленки и увеличивают коэффициент

теплоотдачи. Анализ

экспериментальных зависимостей показывает, что изменение коэффициентов теплоотдачи по высоте ряда зависит

Рис. 8. Изменение коэффициента теплоотдачи по высоте ряда: г9 = 14 °С

1.Л = 4мм; 2.6 мм; 3.9 мм; 4.24 мм; 5.5 мм; 6. 16 мм; 7. - по зависимости Фукса; 8 - теория Нуссельта

от величины температурного напора «пар-стенка»: коэффициент теплоотдачи по высоте ряда с ростом температурного напора уменьшается сильнее. Это подтверждается и расчетами, сделанными по предложенной в первой главе дискретной модели.

Дискретный характер течения конденсатной пленки предполагает, что на поверхности трубки имеются участки, залитые перетекающим конденсатом, для которых характерны повышенные значения чисел Рейнольдса и участки, свободные от воздействия натекающего конденсата. Предложенное в диссертации обобщение опытных данных в координатах Ш-Ке*, где число Ие* определяется с учетом функции натекания, устраняет расслоение экспериментальных точек.

В третьей главе рассматриваются вопросы гидродинамики и теплообмена при конденсации пара на гладких горизонтальных трубках с переменной кривизной профиля. Отмечается, что действие гравитационных сил, всегда способствует уменьшению толщины конденсатной пленки, в то время как силы поверхностного натяжения (действие которых зависит от формы поверхности) могут как способствовать, так и препятствовать стеканию конденсата. Сделан вывод о существовании таких форм поверхности, которые обеспечивают оптимальное сочетание действия сил гравитации и поверхностного натяжения, при котором обеспечивается максимальное значение коэффициента теплоотдачи.

Наиболее известными видами поверхностей, на которых осуществляется интенсификация теплообмена при конденсации пара, являются оребренные трубки. Аналитические и экспериментальные исследования (Исаченко, Солодов, Мильман, Бродов, Гогонин, Кабов и др.) показывают, что эта интенсификация в значительной степени объясняется капиллярными эффектами.

Автором предложено общее условие, всегда обеспечивающее интенсификацию теплоотдачи на гладких горизонтальных трубках за счет поверхностных сил. Для этого кривизна поверхности должна непрерывно

уменьшаться от верхней образующей к нижней, при этом возникает градиент давления, способствующий более быстрому стеканию конденсатной пленки.

Исходная система уравнений гидродинамики и теплообмена при конденсации пара в классической постановке с дополнительным предположением о том, что лапласовское давление в пленке, обусловленное силами поверхностного натяжения, определяется кривизной поверхности трубки к{х) , имеет вид

ЭЧ о ¿к _

Нж "Т1Г+ Р» 8 сюр - о— = 0, ау скс

Э2± Эу2

= 0, р=ак{х)

с граничными условиями

>>=0: =(70/1^,1^=0; у = 8:

Эй»,

"э7

= 0.

(И)

(12)

Считая кривизну поверхности вдоль координаты у неизменной, получим параболический профиль скорости

.2 Л

(13)

V 2 у

где Ь(х) = соБр - -

¿к

Рх8

Выполнив интегрирование с учетом баланса теплоты на поверхности конденсата, можно получить выражение для локальной толщины конденсатной пленки на поверхности произвольной формы:

¡в{х)чх

(14)

где Л = — = 5/^

3 Х = х

Р 2ж8г ' I

безразмерные толщина и координата

соответственно; В(Х) = совР ———, Во = ^ж^ - число Бонда.

Во (IX а

Для конкретных расчетов необходимо задаться формой изучаемой поверхности через функцию В(Х).

В частности, получено аналитическое решение задачи с формой профиля в виде отрезка логарифмической спирали (рис. 9), симметричного относительно вертикальной оси. Уравнение спирали в полярных координатах записывается в виде

р = Pexp((pcfg 7), (15)

где у и Р - параметры логарифмической спирали

Выражение для толщины конденсатной пленки (14) для этого профиля в полярных координатах получено в виде:

(16) где

B(cp) = -cos(Y+(p)+ 1 exp{-2ctg[Y((p-(p, )]]{exp[ctg[^2 -cp, )]}-l}2. Во ctgy

Толщина пленки на верхней образующей, вычисленная по (16), равна

Л о = ictS ["/(Ф2 - Ч>,)]~ l}J|l - ^¡-{exp {ctg [у(ф2 - ф,)]}-1}2 J ,

а определяющий размер (полупериметр логарифмической спирали) /-2-

I = р —— exp [ctg (уф , )]ехр {ctg [у(ф 2 - ф, )]- 1 }.

ctg у

Полученные формулы позволили автору провести расчеты, которые подтвердили возможность интенсификации теплообмена путем соответствующего изменения конфигурации профиля гладкой горизонтальной

У \х

¿QV__9

ß Р(<Р) Й2 Ч

х 1

8

У

Рис. 9. Профиль трубы (ТПК) с

непрерывно уменьшающейся

кривизной поверхности

V3 J, exp {ctg [у(ф - ф,)])- 1

трубки. Вычисления были выполнены в диапазоне изменения температур

насыщения от 50 до 100 °С при температурных напорах 20-60°С. Угол ф изменялся от 45 до 90°, а значения Р выбирались таким образом, чтобы изучаемые трубки имели ту же поверхность, что и круглые трубки с заданным наружным диаметром & Сравнение проводилось с круглыми трубками с диаметрами 6, 12 и 20 мм. Анализ результатов вычислений показывает, что силы поверхностного натяжения приводят к существенному перераспределению толщины пленки и локальных коэффициентов теплоотдачи по периметру трубки (рис.10). Эти силы увеличивают локальные коэффициенты теплоотдачи в верхней части трубки в 1,5-3 раза в зависимости от геометрических параметров трубки. Такой рост объясняется тем, что в верхней части трубки градиент лапласовского давления максимален и отвод пленки осуществляется преимущественно под действием сил поверхностного натяжения.

Влияние лапласовских сил на теплоотдачу убывает по периметру трубки и при X >0,2-0,3 значения толщины пленки и локальных коэффициентов теплоотдачи определяются в основном гравитационными силами.

Увеличение среднего коэффициента теплоотдачи обусловлено суммарным эффектом действия гравитационных сил, зависящих от формы геометрической поверхности и практически не зависящих от температурного

30

Ят— \

ТГграЬ 1

75 к ! 70

> -/ а-ГО к

Н

Ю %

о и.1 гя о.з с<> ал с.г ев ач л-——

Рис. 10. Распределение коэффициентов

теплоотдачи по периметру трубки:

1 - расчет выполнен для ТПК с учетом сил

поверхностного натяжения (0^0),

7 = 75 °,Г„ =100 "С, ДГ = 60 "С;

2 - то же, без учета сил поверхностного

натяжения (о = 0);

3- расчет для ТПК при а * 0;

у. = 85°,Г, =100 "С, АТ = 60 "С;

4 -то же при (7 = 0

напора, температуры насыщения и диаметра сопоставляемых круглых трубок, и сил поверхностного натяжения, существенно зависящих от параметра 7 и геометрических размеров поперечного сечения. Детальный анализ показывает, что увеличение среднего коэффициента теплоотдачи только за счет сил поверхностного натяжения может достигать 10-15% при общем увеличении коэффициента теплоотдачи на 20-30% по сравнению с соответствующими круглыми трубками.

Результаты расчетов были экспериментально проверены на трубке с логарифмическим профилем, изготовленной путем прокатки круглой трубки диаметром 12/10 мм через специально изготовленные валки. Исследуемая трубка была установлена на стенде, описанном во второй главе. Параллельно в экспериментальном конденсаторе была установлена круглая трубка, аналогичная той, из которой была изготовлена экспериментальная трубка. Измерения проводились одновременно на двух трубах. Такая методика позволила в прямом эксперименте сопоставить эффективность теплоотдачи на исследуемых трубах. Опыты подтвердили, что коэффициент теплоотдачи при конденсации пара на ТПК увеличивается в среднем на 20-30 % по сравнению с круглой трубой.

Численные расчеты в широком диапазоне изменения геометрических параметров показывают, что при последовательной деформации профиля трубки от круглой формы (у=90°) до практически вертикальной охлаждаемой плоскости (у=0°) наблюдается максимум теплоотдачи при у=11 (30 %-ное увеличение по отношению к исходной круглой трубке (рис.11,а). Дальнейшее деформирование уменьшает средний коэффициент теплоотдачи до значения, определенного по теории Нуссельта для вертикальной пластины. Нижняя кривая на рис. 11, а иллюстрирует расчеты, учитывающие только силы гравитации. Очевидно, что именно влияние сил поверхностного натяжения на теплообмен приводит к существованию оптимального профиля трубки.

100%

I* 20 10"'« Х-18

К» 44 <Ч» КО

а„

•10!)°/..

g 4,8м/с-

— --ж Г 9.1 10 'м/с'

— - я -9.8 10

1 4 /

« ч

/ 1 ! 1* * ■ ч \ *\ \

С \ 1 \ Ч 1 ч ;

20 4П <у> 8 С» у

а б

Рис. 11. Зависимость среднего коэффициента теплоотдачи от формы трубки: а - при различных значениях полупериметра Ь, эквивалентного полупериметру круглой трубки; б - при различных уровнях гравитации

В условиях пониженной гравитации эффективность некруглых трубок по сравнению с круглыми становится еще выше (рис. 11,6). Для трубок с малым периметром поперечного сечения Ь = 8 мм даже небольшая деформация исходной круглой трубки в условиях микрогравитации приводит к существенному возрастанию коэффициента теплоотдачи. Например, для трубки с деформацией 7= 80° при ускорении свободного падения g = 9,81-Ю'3 м/с2 коэффициент теплоотдачи в три раза больше, чем для круглой трубки при тех же условиях. Данное явление может быть использовано при оптимизации конструкций конденсирующих устройств, работающих в условиях пониженной гравитации.

Расчеты были выполнены также для некруглых трубок с другими профилями поперечного сечения (с постоянным градиентом кривизны и эллиптических). Характер зависимости коэффициента теплоотдачи от геометрических параметров для различных типов трубок различен.

Так, при переходе от круглой формы трубки к более вытянутым профилям для логарифмических и эллиптических трубок наблюдается четко выраженный максимум зависимости коэффициента теплоотдачи от гидравлического диаметра, причем максимальное значение коэффициента теплоотдачи логарифмической

трубки выше, чем эллиптической. В то же время расчеты, сделанные без учета сил поверхностного натяжения, не выявляют таких максимумов, то есть именно сочетание гравитационных сил и сил поверхностного натяжения и приводит к существованию оптимальной формы поперечного сечения.

Максимум коэффициента теплоотдачи для логарифмической трубки смещен в сторону больших значений гидравлического диаметра, при которых трубки имеют меньшее гидравлическое сопротивление со стороны охлаждающей жидкости. Это позволяет говорить о более высокой эффективности трубок с логарифмическим профилем поперечного сечения в сравнении с эллиптическими трубками и трубками с постоянным градиентом кривизны профиля и о возможности сопоставления тепловой эффективности некруглых трубок в зависимости от их гидравлического диаметра.

Следует подчеркнуть, что по данным многих зарубежных исследователей (Янг, Хсу, Мемори, Адаме, Сом и др.) тепловая эффективность некруглых труб становится еще более существенной в условиях движущегося пара и наличия в нем примесей неконденсируемых газов.

В четвертой главе представлена математическая модель для описания гидродинамической картины течения конденсатной пленки и расчета теплоотдачи при конденсации на некруглых наклонных и вертикальных трубках с учетом действия сил поверхностного натяжения. Задача о пленочной конденсации неподвижного пара на гладкой наклонной некруглой трубке с углом наклона ^ рассматривается в классической постановке Нуссельта, но с учетом влияния сил поверхностного натяжения, определяемых формой поверхности конденсации. Постановка и решение задачи проводится в ортогональной криволинейной системе координат, связанной с поверхностью конденсации. На участке трубки с ламинарным режимом течения уравнения движения имеют вид

Щв-г-Г + рле£СО8рСО8 0-О—= 0, Ц.

э/

IЬс

'ж

где координатная ось т. направлена вдоль образующей трубки, ¡3 - угол между плоскостью, касательной к точке поверхности, и вертикальной плоскостью, проходящей через ось ъ (см. рис. 9). Граничные условия с учетом гипотезы прилипания и допущения о пренебрежимо малом действии сил трения на границе раздела жидкой и паровой фаз принимают вид

,=0: мх=м> =0; у = 8: ^=^- = 0.

ду ду

Решения задачи для частных случаев позволяют получить выражения для толщин конденсатной пленки и средних коэффициентов теплоотдачи в виде:

а) для трубки с профилем в виде участка логарифмической спирали

где 2- длина трубки; 5 - площадь поверхности конденсации, Ь - полупериметр;

б) для трубки, имеющей в сечении эллиптический профиль:

где е - эксцентриситет эллипса;

в) для трубки, имеющий профиль с постоянным градиентом кривизны:

8М, Л

V гр^соэй 5 ооО[х,г)

При расчете поля скоростей были получены линии тока. Анализ течения конденсатной пленки показывает, что на трубках с уменьшающейся кривизной профиля поперечного сечения, движение жидкости носит нисходящий характер, независимо от того, учитываются силы поверхностного натяжения или нет. Действие сил поверхностного натяжения на верхней части сечения таких трубок приводит к уменьшению длины линий тока, делая их менее пологими. Для трубок с увеличивающейся кривизной профиля в нижней части поперечного сечения (в частности, эллиптических) (рис.12) существует симметричное восходящее течение конденсатной пленки в поддонном слое, полностью

обусловленное силами поверхностного натяжения. По всей видимости, это ведет к его «разбуханию» и, как следствие, росту полного термического сопротивления.

Решение задачи для вертикально расположенных некруглых гладких трубок, с переменными градиентами кривизны профиля, показало, что действие сил поверхностного натяжения приводит к отклонению направления движения конденсата от вертикали.

Отекание конденсата на эллиптических трубках имеет особенности. Уменьшение кривизны пот эллипса к малой приводит к возниковению соответствующих горизонтальных составляющих течения конденсата. Наличие встречного горизонтального движения приводит к возникновению симметричных локальных утолщений пленки. Такому характеру течения пленки соответствует немонотонное распределение локальных значений коэффициента теплоотдачи по поверхности вертикальных эллиптических трубок (рис. 13). Сравнение с круглыми трубками показывает, что на боковых поверхностях в области главной полуоси эллипса происходит увеличение коэффициента теплоотдачи по сравнению с круглыми трубками, а в области малой полуоси - его уменьшение.

Расчеты средних по высоте коэффициентов теплоотдачи вертикальных трубок показали, что перераспределение толщины конденсатной пленки, обусловленное действием сил поверхностного натяжения, приводит лишь к незначительному (на 2-3%) увеличению коэффициента теплоотдачи эллиптических трубок по сравнению с круглыми на небольшом начальном

Рис. 12. Линии тока конденсатной пленки по поверхности трубки с поперечным сечением в виде эллипса: а - линия тока без учета сил поверхностного натяжения, Ь - линии тока - конденсатной пленки, рассчитанные с учетом сил поверхностного натяжения

речного сечения от большой полуоси

участке, и не дает сколько-нибудь заметного увеличения среднего коэффициента

I

теплоотдачи,

(

г

I I

I [

I

I

1

I

1 си

! I

Рис, 13. Распределение относительного коэффициента теплоотдачи по поверхности эллиптической трубки: а) - пространственное распределение, б) - распределение в

I

поперечных сечениях; /--— = 67,75; 2-1355; 3 - 203,25:4-271 О.

о

Пятая глава посвящена исследованию процессов тепломассообмена между свободной жидкостной пленкой и поперечным потоком газа и рециркуляции нагреваемой жидкости, как способе повышения тепловой эффективности контактных теплообменников.

Для построения математической модели контактного теплообменника предполагается, что он представляет собой вертикальный канал цилиндрической формы, внутри которого снизу вверх движется поток нагретого газа (рис. 14).

I I

I

Рис .14. Схема взаимодействия свободной жидкостной пленки с потоком газа 8 реакционном пространстве контактного теплообменника

На оси контактной камеры установлена форсунка, из кольцевой щели которой вытекает жидкость в виде свободной куполообразной струи. Система уравнений стационарного тепло- и массообмена для жидкостной пленки и газа и граничных условий на межфазных поверхностях сесимметричного течения записывалась в цилиндрической системе координат, связанной с осью контактной камеры. Постановка краевой задачи с её последующим анализом методами теории подобия и размерностей приводят к критериальным уравнениям с большим количеством определяющих критериев, что делает невозможным проведение полномасштабного эксперимента и его обобщение. Аналитическое же решение рассмотренной сопряженной краевой задачи не представляется возможным из-за отсутствия экспериментальных и аналитических результатов, позволяющих описать распределение скоростей в газе и в жидкостной пленке при наличии фазового перехода на поверхности. Поэтому были сформулированы упрощенные модели нагрева жидкости паром и парогазовым потоком в контактных теплообменниках, в основу которых положены следующие предпосылки: свободная жидкостная пленка имеет форму диска; поле скоростей в жидкостной пленке практически равномерно; радиальная скорость и теплофизические параметры жидкости постоянны; осевой градиент температур много больше радиального; толщина жидкостной пленки настолько велика, что поток теплоты нагрева жидкости не проникает до срединной поверхности струи. Эти предположения позволяют использовать для расчета нагрева свободной жидкостной пленки классические решения задачи прогрева слоя жидкости в квадранте плоскости г>г0, 0<г<°° (рис.15) при граничных условиях первого рода. В безразмерных переменных эта задача имеет вид:

= 0-(Л = 1) = 0' 0ж(^ = О) = 1, вж(г->~) = 0, (18)

ак Реж д2

Г 7 ? — £

где /? =—, 7 =-—, 0 =-—, 50 - поперечный размер струи на выходе из

гф 5» * К

, , р

сопла форсунки; гж0 - начальная температура жидкости, геж =-- число

Пекле, Ь .= — - геометрическая характеристика форсунки. гф

Для случая конденсации чистого пара на поверхности жидкостной пленки из краевой задачи (18) методом интегрального преобразования получены

безразмерная толщина пограничного слоя (на границе которого температурный напор отличается от максимального на 1%) и длина участка термической стабилизации:

г1 1 ' яакхпь 1 "ж 1—* !'-

1 | с —. Г

1 1 И5 |-» 'а. 1

Рис.15. Схема прогрева жидкостной пленки газовым потоком

= 3,64

V Л,

2 Л,

-— = 3,64

Ре

(19)

Расчеты показывают, что тепловой пограничный слой заполняет поток жидкости на расстоянии /?„ „=1,2-3. Среднюю температуру свободной жидкостной пленки в сечении К можно определить путем последовательных приближений по уравнению

=—]в,с1г = егш 1 А) о

+

л/я

1-ехр

1

где а =4

'и

к. (20)

Ре.

Если учесть, что сплошность пленки воды сохраняется на расстояниях 11= 1-5, то в этом диапазоне температурный напор струи составляет 60-90 % от

максимального. С увеличением безразмерного комплекса

Ре,

прогрев

жидкостной пленки увеличивается, причем наиболее существенное влияние оказывает начальная толщина жидкостной пленки, которая входит в безразмерный комплекс во второй степени.

В случае нагрева жидкостной пленки парогазовым потоком температура поверхности жидкостной пленки не достигает температуры насыщения пара, а

принимает некоторое промежуточное значение между температурой насыщения и температурой жидкости в ядре потока. Для оценки реальной температуры поверхности жидкостной пленки предлагается модель взаимодействия свободной жидкостной пленки с поперечным потоком газа, в которой учитываются процессы тепломассообмена в пограничном слое и предполагается, что в газовой фазе величины осевых градиентов температуры и влагосодержания много больше радиальных; газ движется вдоль оси Ог с постоянной скоростью м>гг; температура и влагосодержание газов на удалении от пленки равны соответственно температуре и влагосодержанию газов на входе; физические параметры газа не зависят от температуры.

Решение сопряженной задачи было получено так же, как и при конденсации чистого пара, методом интегральных преобразований, а температура на границе раздела жидкости и газа вычислялась методом последовательных приближений. Расчет этой температуры показывает, что ее значение незначительно отличается от температуры жидкости в ядре потока, то есть основное термическое сопротивление, определяющее интенсивность теплообмена, сосредоточено в газовой фазе.

Проведенные нами лабораторные эксперименты показали, что в исследованном диапазоне режимов работы контактного теплообменника температура свободной жидкостной пленки за пределами участка термической стабилизации изменяется незначительно. В этом случае расчет теплообмена в газовой фазе упрощается и сводится к решению задачи с граничными условиями первого рода. В диссертации получены выражения для расчета толщин теплового и диффузионного пограничных слоев в газе.

Расчеты показывают, что формирование профиля скоростей газового потока происходит в небольшой по размерам зоне, прилегающей к пленке жидкости, сопоставимой с размерами начальной толщины жидкостной пленки, а начальное распределение скоростей газа на входе в контактную камеру на толщину пограничного слоя существенно не влияет. В реальных режимах работы контактного теплообменника начальная толщина жидкостной пленки

составляет 0,8-2 мм, а толщина гидродинамического пограничного слоя не превышает 15 мм, то есть процессы, определяющие интенсивность тепло- и массообмена, происходят в относительно малой, по сравнению с поперечными размерами контактной камеры, зоне, непосредственно прилегающей к поверхности свободной жидкостной пленки.

На базе проведенных исследований на основе баланса тепловых потоков, передаваемых теплопроводностью и конвекцией, получены критериальные уравнения тепло- и массообмена

X 1) ' " э р1ф(/?-1) ■

Проведенные в наших экспериментах визуальные наблюдения показывают, что в контактном теплообменнике существуют два характерных режима течения свободной жидкостной пленки. В первом из них сплошность жидкостной пленки сохраняется практически до соприкосновения со стенкой контактной камеры. Во втором случае происходит разрушение жидкостной пленки на небольшом удалении от форсунки. Анализ режимов течения и

разрушения жидкостной пленки показал, что существенную роль на гидродинамику жидкостной пленки оказывают силы поверхностного натяжения.

Результаты лабораторных исследований позволили

получить количественную оценку влияния сил поверхностного натяжения на интенсивность тепломассообмена (рис. 16) и определить критерий перехода от режима работы контактного теплообменника в зоне повышенных тепло-и

¥1=у2=Мик/(РеГ Реж0А%^'), Г3=У4=то/(Рео™Реж0'4%™)

от числа Вебера \¥е: 1,3- \Уег{г<гк)<\Уе>:р,; 2,4 - \Уе,(г<гк)>\Уе1:р;, \Уекр= 6,5

Г', = (

массообменных характеристик к зоне работы с повышенными сепарирующими свойствами.

В шестой главе представлены результаты лабораторных и опытно-промышленных испытаний контактных теплообменников. Одним из перспективных способов повышения теплотехнических характеристик контактных

теплообменников является метод рециркуляции нагреваемой

жидкости. Предварительные исследования были проведены на лабораторном стенде, условная схема которого приведена на рис. 17. Из балансовых соотношений были получены уравнения для расчета тепловой эффективности

рециркуляции, в качестве которой использована величина О™., где £>п -

М—

Рис.17. Схема контактного теплообменника с рециркуляцией нагреваемой жидкости: 1 - ороситель; 2 - контактная камера; 3 - влагосборник; 4 - насос линии рециркуляции

тепловая мощность с включенным контуром

рециркуляции, а 2 - с отключенным. Результаты лабораторных исследований влияния рециркуляции на относительное изменение тепловой мощности

контактного теплообменника с пленочными форсунками показали хорошее согласие с расчетами (рис.18) и высокую эффективность применения

1.5 м 1,3 и 1.1 •__'

■ ^ •__——

■ / У.- д

• -1 О -2

й -3

0,5 1 1,5 2 2,£ С х.р*ч & ж

Рис.18. Зависимость относительного изменения тепловой мощности от кратности рециркуляции в контактном теплообменнике с пленочными форсунками: 1г= 210-230 °С, Гж= 6-24 °С, С,= 11-14 г/с, 0*= 80-110 г/с, ¿с= 0,52 мм, 8 =0.31 мм, г/сре„ = 30 мм

рециркуляции. Применение рециркуляции нагреваемой жидкости не только повышает тепловую эффективность теплообменника, но и позволяет уменьшить его габариты. При кратности рециркуляции ~2 высота реакционной камеры теплообменника может быть уменьшена в два раза. Результаты этих исследований послужили основой для разработки опытно-промышленного образца контактного теплообменника с рециркуляцией нагреваемой воды, предусматривающего возможность испытания нескольких вариантов конструкций контактных камер (рис.19), отличающихся типом водораспределителей и наличием или отсутствием насадки (рис.20). Опыты были проведены практически при одинаковых параметрах теплоносителей (табл. 1) и показали, что температура воды на выходе из контактного теплообменника возрастает, достигая максимального значения (ограниченного температурой мокрого термометра) при кратности рециркуляции - 2-3.

Рис.19. Общий вид опытно-промышленного контактного теплообменника и схема измерения параметров тепло- и массообмена: 1,2 - тягонапоромер ТНЖ-Н; 3,15 - датчики температуры "сухого" и "мокрого" термометров; 4 - пневмометрическая трубка; 5 - рециркуляционный насос 2К-6; 6,11,12 - термометры ТбЬ; 7,10 - манометры оросителей типа МТП; 8,9 - счетчик воды ВТ-50; 13 - ороситель линии рециркуляции; 14 -ороситель поступающей воды

Дальнейший рост кратности рециркуляции не приводит росту температуры. Опытно-промышленные испытания подтвердили, что применение рециркуляции позволяет существенно повысить

тепловую эффективность безнасадочных

теплообменников. Тепловая мощность теплообменника с комбинированной контактной насадочного теплообменника при относительно небольшом расходе жидкости в

линии рециркуляции жре" =1-2.

Таблица 1

Предельные значения параметров тепломассообмена испытанных контактных

теплообменников

Основные параметры Варианты контактных камер (см. рис.20)

комбинированная насадочная пленочная

Расход газов, кг/ч 4900-9880 7820-9800 8040-9700

Расход воды, кг/ч 3480-6340 4050-6600 4700-8900

Кратность рециркуляции, кг/кг 0-10,3 0-4,3 0-3,2

Температура газов, °С на входе 104-128 125-132 130-155

на выходе 48-80 42^8 52-95

Температура воды, °С: на входе 9,5-10,0 9,6-10,0 9,6-10,2

на выходе 28,5-45,0 45,3-52,4 34,2-42,9

Влагосодержание газов, кг/кг на входе 0,053-0,092 0,088-0,120 0,049-0,080

на выходе 0,042-0,078 0,048-0,069 0,044-0,095

Аэродинамическое сопротивление, Па 10-70 290-440 20-95

Одним из недостатков традиционных контактных теплообменников с насадкой является высокое аэродинамическое сопротивление. Предложенный в данной работе контактный теплообменник с линией рециркуляции нагреваемой жидкости имеет значительно меньшее аэродинамическое сопротивление (рис. 21).

Л

2/ 2/

а) б) в)

Рис.20. Устройство контактных камер, испытанных в промышленных условиях: а)

комбинированная; б) насадочная; в) пленочная; 1- корпус

контактного теплообменника, 2 - пленочный водораспределитель, 3- струйный водораспределитель, 4 -теплообменная насадка, 5 - каплеулавливающая насадка

камерой практически достигает мощности

Тепловая эффективность контактного теплообменника в значительной мере зависит от глубины охлаждения дымовых газов. Вероятность конденсации влаги за контактным теплообменником определяется разностью температур сухих газов и точки росы, которая в зимних условиях должна превышать критический уровень в 5 °С. Результаты промышленных испытаний показали, что одним из главных преимуществ, разработанных нами контактных аппаратов без насадки с контуром рециркуляции, оснащенных пленочными и пленочно-струйными водораспределителями (рис.22), является тот факт, что за ними не происходит конденсации влаги практически во всем диапазоне режимов работы.

В диссертации показано, что использование рециркуляции в контактных

камерах с пленочными и струйными водораспределителями экономически гораздо более выгодно, чем в контактных камерах с насадками. Контактный теплообменник с пленочными и струйными водораспределителями и

рециркуляцией жидкости

рекомендован для охлаждения дымовых газов за

существующими паровыми и водогрейными газовыми

А у А

9 •1

* -э

п а

И дД и. в сх> 0

0 О

0 2 4 в в 10 12

Рис. 21. Аэродинамическое сопротивление

контактных теплообменников: 1 - комбинированный; 2 - пленочный; 3 -насадочный

^ж.рег/^'ж

Рис.22. Зависимость разности температур сухих газов и точки росы на выходе из контактного теплообменника от кратности рециркуляции:

1 -контактная камера: с пленочными водораспределителями;

2-е пленочным и струйным водораспределителями;

3-е пленочным и струйным водораспределителями и

насадкой из колец Рашига

котлами. Вариантами использования нагретой воды являются подача ее в баки-аккумуляторы подпиточной воды или деаэраторы закрытых систем водоснабжения; подогрев холодной воды для нужд горячего водоснабжения; добавление питательной воды для котлов низкого и среднего давления.

В заключении сформулированы основные выводы по работе:

1. Разработана новая модель конденсации чистого неподвижного пара на вертикальном ряде горизонтальных трубок, учитывающая дискретный характер стекания конденсата. Впервые проведена качественная и количественная оценка влияния дискретного течения конденсатной пленки на теплообмен и установлена связь между локальными коэффициентами теплоотдачи и характеристиками капли - ее массой тк, временем контакта с поверхностью трубки тк, средней площадью Б, залитой этой каплей на поверхности трубки за время контакта.

2. Впервые получены обширные экспериментальные данные о характеристиках перетекающей капли тк, тк, 5 и установлена их зависимость от физических свойств конденсата, диаметра трубок и вертикального шага трубного пучка.

3. Показано, что среднее расстояние между отрывающимися каплями I не зависит от расположения трубки в ряде, а определяется теплофизическими свойствами конденсата и гидродинамическим режимом течения конденсатной пленки. Установлено, что в ламинарном режиме течения пленки (Яе < 5) при увеличении паровой нагрузки среднее расстояние I уменьшается до величины, определяемой длиной волны тейлоровской неустойчивости, и остается неизменным в ламинарно-волновом режиме (5<Яе < 20).

4. Экспериментально подтверждена модель дискретного стекания конденсата. Предложен модифицированный критерий Яе* , в состав которого входит безразмерная функция натекания , учитывающая дискретный характер течения конденсата. Установлено, что обобщение опытных данных в координатах Ыи - /?е* устраняет расслоение точек, наблюдающееся при обработке опытных данных в координатах Ии - Ие.

5. Установлены влияние сил поверхностного натяжения на теплообмен при конденсации пара на горизонтальных трубных пучках и эффект интенсификации теплообмена на 6-12%, возникающий при сближении трубок

ряда до расстояний между ними к » 2.

6. Впервые исследовано влияние рядности при конденсации пара в области малых чисел Яе (2<Яе<20) и установлено влияние дискретности стекания конденсата на теплообмен.

7. Создана математическая модель расчета теплообмена при конденсации пара на трубках с произвольным профилем переменной кривизны. Получены общие зависимости для расчета толщины конденсатной пленки.

8. Аналитически исследован теплообмен при конденсации пара на горизонтальных трубках с профилем поперечного сечения в виде логарифмической спирали. Показано, что силы поверхностного натяжения приводят к увеличению локальных коэффициентов теплоотдачи на верхней образующей трубки в 1,5-3 раза в зависимости от геометрических параметров трубки. Установлено, что влияние лапласовских сил быстро убывает по периметру трубки и при X = 0,2-0,3 значения толщины пленки и локальных коэффициентов теплоотдачи определяются в основном гравитационными силами. Интенсификация теплообмена в верхней части трубки приводит к увеличению среднего коэффициента теплоотдачи при конденсации пара на 2030 % по сравнению с круглыми трубками.

9. Выявлен четко выраженный максимум теплоотдачи при последовательной деформации профиля трубки от круглой формы до практически вертикальной плоскости. Показано, что именно сочетание гравитационных сил и сил поверхностного натяжения приводит к существованию оптимальной формы сечения.

10. Проведено экспериментальное исследование теплообмена при конденсации чистого неподвижного пара на поверхности гладких горизонтальных трубок с профилем поперечного сечения в виде отрезка логарифмической спирали. Опытным путем подтверждено увеличение коэффициента теплоотдачи на 20-30% по сравнению с круглыми трубками.

11. Установлено, что максимальное значение коэффициента теплоотдачи для логарифмических трубок выше чем для эллиптических трубок или трубок с постоянным градиентом кривизны поверхности, причем экстремум для логарифмических трубок смещен в сторону больших значений гидравлического диаметра, при котором трубки имеют меньшее гидравлическое сопротивление со стороны охлаждающей жидкости.

12. Установлено, что с понижением уровня гравитации коэффициент теплоотдачи трубок с логарифмическим профилем существенно ( в 1,5-2,5 раза) возрастает.

13. Сформулирована задача расчета теплоотдачи при конденсации неподвижного пара на наклонных и вертикальных некруглых трубках с произвольным профилем поперечного сечения. Численные решения нелинейных дифференциальных уравнений в частных производных позволили рассчитать распределения толщины конденсатной пленки по поверхности трубок, определить значения средних коэффициентов теплоотдачи, построить линии тока на поверхности трубок с различными профилями поперечного сечения. Аналитическим путем обнаружено наличие восходящего потока конденсата в поддонном слое эллиптических трубок.

14. Получены критериальные уравнения тепло- и массообмена между жидкостной пленкой и парогазовым потоком, которые могут служить основой инженерной методики расчета контактного аппарата с пространственными жидкостными пленками.

15.Опытным путем показано наличие двух характерных режимов работы контактного тепломассообменного аппарата, обусловленных неустойчивостью жидкостной пленки, взаимодействующей с поперечным потоком газа, и установлены предельные значения критерия Вебера, определяющего смену указанных режимов.

16.Подтверждена возможность конструирования контактного теплообменного аппарата как с повышенными теплообменными характеристиками, так и с повышенными сепарирующими свойствами, путем выбора соответствующего режима, определяемого характером неустойчивости свободной жидкостной пленки.

17. Исследовано влияние рециркуляции нагреваемой жидкости на теплотехнические показатели теплообменников контактного типа, разработан опытно-промышленный теплообменник контактного типа и проведены его испытания в натурных условиях с различными типами контактных камер. Установлено, что применение рециркуляции является простым и эффективным способом повышения тепловой мощности контактных теплообменников.

Основное содержание диссертации изложено в статьях и трудах конференций

1. Semenov, V. Effect of tube pitch and diameter on condensate film flow in horizontal tube bundles Heat Transfer / V. Semenov, G. Shklover // Soviet research. - ¡980. - Vol. 12. -P. 143-144

2. Semenov, V. The flow-mode of condensate in a multirow horizontal tube bundle Heat Transfer/V. Semenov, G. Shklover//Soviet research.-1981. - Vol. 13.-Ns3.-P. 127-133.

3. Шкловер, Г.Г. Исследование теплообмена при течении конденсатной пленки /Г.Г. Шкловер, В.П. Семенов, A.M. Усачев// Теплоэнергетика. -1983. -№ 3.-С. 13-16.

4. Шкловер, Г.Г. Теплоотдача при конденсации пара на горизонтальной трубе с профиле.и переменной кривизны /Г.Г. Шкловер, В.П. Семенов, В. Пряхин // Теплоэнергетика.

- 1985. - Лг 3.

5. Семенов, В.П. Интенсификация теплоотдачи при конденсации пара на горизонтальной некруглой трубе/В.П. Семенов, Н.И Платонов, В.М. Лимитовский // Изв. вузов. Энергетика. -1988. -Ne 12. - С. 80-83.

6. Семенов, В.П. Эффективность контактных теплообменников с рециркуляцией нагреваемой воды / В.П. Семенов, Н.И. Платонов, В.М. Лимитовский // Судостроительная промыипенность. Сер. Промышленная энергетика, охрана окружающей среды и энергоснабжение судов. -1991. - Вып. 35. - С. 13-17.

7. A.c. 15779 Российская Федерация, МКИ 7F24H1/00. Водогрейный котел / В.П. Семенов, Т.П. Семенова Заявл. 10.11.2000 г., бюл.№31.

8. Семенов, В.П. О влиянии сил поверхностного натяжения на процессы тепломассообмена / В.П. Семенов, О.Н. Скуратова // Вестник МАГУ. Естественные науки.

- Магнитогорск, 2004. - Вып. 5. - С. 273-276.

9. Семенов, В.П. Исследование тепловых и гидравлических характеристик некруглых горизонтальных труб при конденсации пара / В.П. Семенов, H.H. Никитин // Теплоэнергетика. - 2008. -№ 3.-С. 23-27.

10. Никитин, H.H. Оценка эффективности интенсификации теплообмена методом деформации поперечного сечения гладких горизонтальных труб / H.H. Никитин, В.П. Семенов // Инженерная физика. - 2006. -№ 4.- С. 7-9.

И. Никитин, H.H. Определение оптимальной формы поперечного сечения некруглых горизонтальных труб при конденсации / H.H. Никитин, В.П. Семенов, О.В. Петрова // Инженерная физика. - 2007.-№ 1.-С. 15-17.

12. Никитин H.H. Влияние сил поверхностного натяжения на течение пленки и теплоотдачу при конденсации пара на наклонных некруглых трубах / H.H. Никитин , В.П. Семенов//Изв. вузов. Проблемы энергетики. - 2007. -№ 11-12. - С. 3-11.

13. Никитин, H.H. Тепловая эффективность различных типов некруглых горизонтальных труб при конденсации пара / H.H. Никитин, В.П. Семенов // Инженерная физика. - 2007. - №3. - С.21-24.

14. Семенов. В.П. Критериальное обобщение результатов измерений коэффициента теплопроводности ультразвуковым методом / В.П. Семенов // Вестник МаГУ. Естественные науки. - Магнитогорск, 2000. Вып. 1. - С. ¡45-149.

15. Semenov, V. Condensation Heat Transfer on Noncircular Pipes in Stationary Vapor / V. Semenov. N. Nikitin //Heat Transfer Research. - 2008. - Vol. 39. 4.-P. 317-326.

16. Никитин, H.H. Течение пленки и теплоотдача при конденсации пара на наклонных и вертикальных некруглых трубах / H.H. Никитин, В.П. Семенов // Теплоэнергетика. - 2008. -№3.-С. 28-33.

17. Платонов, Н.И. Некоторые результаты промышленных испытаний контактных теплообменников с рециркуляцией нагреваемой воды / Н.И. Платонов, В.П. Семенов, Е.С. Федяиина // Вестник МАГУ. Естественные науки. - Магнитогорск, 2004. Вып.5. - С. 268-272.

18. Колдин, A.B. Некоторые технико-экономические показатели контактного теплообменника с пленочными форсунками / A.B. Колдин, Н И. Платонов, В.П. Семенов // Вестник УГТУ-УПИ. Теплоэнергетика. - Екатеринбург, 2004. -№3 (33). - С. 76-79.

19. Платонов, Н.И. Технико-экономические особенности эксплуатации контактных теплообменников с рециркуляцией нагреваемой воды / Н.И. Платонов, В.П. Семенов // Энергосбережение, теплоэнергетика и металлургическая теплотехника : сб. науч. тр. / под ред. Б.К. Сеничкина. - Магнитогорск: МГТУ, 2003. - С. 8-12.

20. Платонов, Н.И. Некоторые эксплуатационные показатели контактных теплообменников с рециркуляцией нагреваемой воды / Н.И. Платонов, В.П. Семенов // Доклады РНСЭ / под ред. акад. РАН В.Е. Алемасова. - Казань, 2001. — С. 223-225.

21. Семенов, В.П. Анализ задачи о тепло- и массообмене между свободной жидкостной пленкой и потоком газа / В.П. Семенов, Н.И. Платонов // Фундаментальные и прикладные исследования / под ред. В.А. Кузнецова. - Магнитогорск : МГПИ, 1998. - С. 7489.

22. Семенов, В.П. Экспериментальное исследование процессов тепломассообмена между свободной жидкостной пленкой и потоком газа / В.П. Семенов, Н.И. Платонов // Фундаментальные и прикладные исследования / под ред. В.А. Кузнецова. - Магнитогорск : МГПИ, 1998. - С. 81-89.

23. Семенов, В.П. Экспериментально обоснованная расчетная модель тепломассообмена между газом и свободной жидкостной пленкой, вытекающей из кольцевой щели / В.П. Семенов, Н.И. Платонов // Вестник МАГУ. - Магнитогорск, 20012002. - Вып. 2-3. - С. 208-214.

24. Платонов, Н.И. Исследование гидродинамики газового потока в реактивном пространстве контактного теплообменника с пленочными форсунками / Н.И. Платонов, В.П. Семенов, АЛ. Хорее 1/ Вестник УГТУ-УПИ. - Екатеринбург. 2003. - № 8 (28). - С. 150154.

25. Семенов, В.П. Теплообмен и гидравлическое сопротивление в контактных теплообменниках с рециркуляцией нагреваемой воды / В.П. Сешнов, Н.И. Платонов, В.З. Баязитов //Двухфазный поток в энергетических машинах, и аппаратах : тез. докл. VII Всесоюз. конф. -JI., 1990. -Т.З.- С. 72-73.

26. Контактный теплообменник с рециркуляцией нагреваемой воды / Семенов В.П. [и др.]. -Деп. в ЦНИИТЭИТяжмаш, 1988. № 222-ТМ.

27. Опытно-промышленные испытания безнасадочного контактного теплообменника с рециркуляцией нагреваемой воды / Семенов В.П. [и др.]. - Деп. в ЦНИИТЭИТяжмаш. 1988, Яе 317-ТМ.

\

основные обозначения

а, Вт _ коэффициент теплоотдачи; "к, _Вт___ коэффициент мг-К м К

теплопроводности; р, J2L - плотность; (J. , н'с — коэффициент динамической

м' ЛГ

2 2

вязкости; v, - коэффициент кинематической вязкости; D - коэффициент

>

с с

диффузии; О, Л_- коэффициент поверхностного натяжения; г, В?10.. - удельная м- кг

теплота парообразования; w, ^L - скорость; Gi_ кг - расход конденсата,

с м1 -с

образующегося на единичной поверхности верхней трубки; Т - температура, С;

р JL. - давление; б , м - толщина пленки конденсата; L, м - длина полупериметра ) 2 м

профиля трубки; d, м - диаметр трубки; Г - линейная плотность орошения, кг/(м-с); h =j- - безразмерное расстояние между трубками по высоте;

/ = /—;-г - капиллярная постоянная, м; We = d|. —-,-г - число Вебера;

Ыр'-р") / и(р'-р")

Р т, ^ V

Во=--число Бонда; К.е =-- число Рейнольдса; Рг =--число Прандтля;

а V а

Ре = Яе- Рг - число Пекле.

Регистрационный № 0250 от 27.07.2006 г. Подписано в печать 11.01.2009 г. Формат 60x84'/]б. Бумага тип № 1. Печать офсетная. Усл. печ. л. 1,0. Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 09. _Цена свободная.__

455038, Магнитогорск, пр. Ленина, 114 Типография МаГУ

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

ПРЕДИСЛОВИЕ.

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. ДИСКРЕТНАЯ МОДЕЛЬ ПРОЦЕССА КОНДЕНСАЦИИ ПАРА НА ВЕРТИКАЛЬНОМ РЯДЕ ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ ТРУБ.

1.1. Теплообмен при конденсации пара в пучках горизонтальных труб.

1.2. Характер течения конденсатной пленки в горизонтальных трубных пучках.

1.3. Дискретная модель стенания конденсата по трубам вертикального ряда.

1.4. Выводы.

Глава 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРА ТЕЧЕНИЯ КОНДЕНСАТНОЙ ПЛЕНКИ И ТЕПЛООБМЕНА ПРИ КОНДЕНСАЦИИ ПАРА НА ВЕРТИКАЛЬНОМ РЯДЕ КРУГЛЫХ ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ ТРУБ.

2.1. Экспериментальная установка, методика измерений и проведения эксперимента.

2.1.1. Методика измерений

2.1.2. Методика проведения экспериментов.

2.1.3. Обработка опытных данных, оценка погрешности измерений.

2.1.4. Методика кинематографического исследования.

2.2. Влияние тепловой нагрузки на величину расстояния между отрывающимися каплями

2.3. Исследование дискретного стекания конденсатной пленки в горизонтальном трубном пучке

2.4. Исследование теплообмена при конденсации пара на вертикальном ряде горизонтальных труб

2.4.1. Теплоотдача на одиночных горизонтальных и наклонных трубках.

2.4.2. Теплоотдача при конденсации пара на вертикальном ряде горизонтальных труб.

2.5. Выводы.

Глава 3. ГИДРОДИНАМИКА И ТЕПЛООБМЕН ПРИ КОНДЕНСАЦИИ ПАРА НА ГЛАДКИХ ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ ТРУБАХ С ПЕРЕМЕННОЙ КРИВИЗНОЙ ПРОФИЛЯ ПОПЕРЕЧНОГО СЕЧЕНИЯ.

3.1. Постановка и общее решение задачи расчета теплообмена при конденсации пара на трубах с переменной кривизной профиля.

3.2. Теплообмен при конденсации на гладких горизонтальных трубах с профилем сечения в виде логарифмической спирали

3.3. Оптимизация формы труб с логарифмическим профилем поперечного сечения при конденсации пара.

3.4. Теплообмен при конденсации неподвижного пара на гладких горизонтальных трубах с поперечным сечением произвольного профиля.

3.5. Выводы.

Глава 4. ГИДРОДИНАМИКА И ТЕПЛООБМЕН ПРИ КОНДЕНСАЦИИ ПАРА НА НЕКРУГЛЫХ НАКЛОННЫХ И ВЕРТИКАЛЬНЫХ ТРУБАХ.

4.1. Влияние сил поверхностного натяжения на гидродинамику и теплообмен при конденсации пара на наклонных некруглых трубах

4.2. Характер течения пленки и теплоотдача при конденсации пара на вертикальных некруглых трубах.

4.3. Выводы.

Глава 5. ГИДРОДИНАМИКА И ТЕПЛООБМЕН В КОНТАКТНЫХ ПЛЕНОЧНЫХ ТЕПЛООБМЕННИКАХ.

5.1. Гидродинамика и теплообмен между жидкостной пленкой и парогазовым потоком в реакционном пространстве контактного теплообменника.

5.2. Экспериментальная установка для исследования тепломассообмена между сплошной пленкой жидкости и поперечным потоком газа

5.2.1. Описание лабораторного стенда.

5.2.2. Измерения и измерительные приборы.

5.2.3. Методика проведения опытов.

5.2.4. Методика обработки опытных данных.

5.3. Модель тепломассообмена между газом и свободной жидкостной пленкой, вытекающей из кольцевой щели.

5.3.1.Нагрев жидкостной пленки чистым насыщенным паром.

5.3.2.Нагрев свободной жидкостной пленки парогазовым потоком.

5.3.3. Влияние неустойчивости течения свободной жидкостной пленки на интенсивность тепломассообмена.

5.4. Выводы.

Глава 6. ПРОМЫШЛЕННОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КОНТАКТНЫХ ТЕПЛООБМЕННИКОВ С РЕЦИРКУЛЯЦИЕЙ

НАГРЕВАЕМОЙ ЖИДКОСТИ.

6.1. Возможности применения контактных теплообменников для утилизации теплоты уходящих дымовых газов при их глубоком охлаждении.

6.2. Исследование влияния рециркуляции жидкости на тепловые характеристики контактных теплообменников.

6.3. Рекомендации по применению контактного теплообменника с рециркуляцией нагреваемой жидкости.

6.4. Выводы.

Основным стратегическим направлением энергетической политики развитых стран является максимальное ресурсо- и энергосбережение при производстве различных видов продукции, в том числе тепловой и электрической энергии на тепловых и атомных электростанциях, паровых и водогрейных котельных. К числу перспективных путей экономии ресурсов можно отнести уменьшение весогабаритных характеристик теплообменников, в частности конденсаторов пара, габариты которых резко возрастают с увеличением мощности энергетических блоков, и использование теплоты конденсации уходящих газов при их глубоком охлаждении.

Процесс конденсации пара нашел широкое применение в различных областях техники и особенно в энергетике. Так, конденсаторы паровых турбин являются неотъемлемой частью ТЭЦ, ГРЭС и АЭС. Они же являются наиболее громоздкими, металлоемкими и дорогостоящими частями паротурбинной установки (ПТУ). Доля конденсаторов в общем весе ПТУ достигает 40-50 %, а их габариты во многом определяют размеры и компоновку всей установки. С конденсацией пара связаны процессы регенеративного подогрева питательной воды в смесительных и поверхностных теплообменниках. Рост единичных мощностей энергетических блоков сопровождается дальнейшим возрастанием габаритов конденсаторов. Так, для турбин мощностью 1200 МВт необходимая поверхность охлаждения в конденсаторах и подогревателях питательной воды достигает 9-104 м2 [1], а число трубок в конденсаторах достигает 5-104. Жесткие требования предъявляются к весогабаритным характеристикам конденсаторов судовых паросиловых турбоустановок.

Существующие методы расчета поверхности теплообмена конденсаторов основаны на определении среднего коэффициента теплопередачи по эмпирическим формулам, полученным по результатам испытаний конкретных конструкций [2-5]. Имеющиеся зависимости не позволяют конструктору в полной мере варьировать при расчете различные факторы, влияющие на теплообмен, особенно с паровой стороны [6].

Теоретические работы, объясняющие расхождение экспериментальных данных между собой и с теорией Нуссельта, крайне немногочисленны и не позволяют сделать однозначных выводов * о влиянии натекающего конденсата на теплоотдачу. Это говорит о недостаточной изученности рассматриваемого вопроса и необходимости дальнейшего накопления' экспериментальных и аналитических данных.

Практически не исследовано влияние конфигурации гладких некруглых труб на их теплообменные характеристики при конденсации пара. Работ, ' посвященных этому вопросу, крайне мало, а выводы о влиянии конфигурации на теплообмен весьма противоречивы.

Утилизация теплоты при конденсации пара, содержащегося в уходящих газах котельных агрегатов, позволяет существенно экономить топливо. По имеющимся оценкам теплота, полученная за счет регенерации, в этом, случае обходится в три раза дешевле, чем при непосредственном сжигании топлива

П.

Перспективным способом решения этой проблемы является применение контактных теплообменников, в которых уходящие газы непосредственно контактируют с теплоносителем (водой, водными растворами). Удельные капиталовложения в мероприятия по утилизации теплоты уходящих газов контактными теплообменниками в 2-3 раза ниже удельных капиталовложений в добычу и транспортировку топлива. Текущие затраты на производство единицы тепловой энергии в утилизационных установках также значительно ниже, чем в основных энергетических установках. Это обусловлено тем, что в контактных теплообменниках коэффициент теплопередачи на один-два порядка выше по сравнению поверхностными теплообменными аппаратами [8].

Вместе с тем контактные теплообменники в качестве утилизаторов теплоты уходящих газов не нашли адекватного применения, соответствующего их высоким потенциальным возможностям. Причинами этого являются:

- относительно высокое аэродинамическое сопротивление наиболее известных в теплоэнергетике конструкций контактных аппаратов с различными видами насадок типа колец Рашига, сильно зависящее от режима работы контактного аппарата;

- вынос мелкодисперсной влаги из контактной камеры аппарата, значительно снижающий надежность работы газоходов, дымососов и дымовой трубы из-за резкого повышения скорости их коррозии;

- отсутствие надежных теоретических и экспериментальных данных, необходимых для расчета и проектирования пленочных контактных теплообменных аппаратов, что связано со сложностями аналитического описания процессов тепломассообмена в условиях неопределенности поверхности контакта фаз;

- практическое отсутствие исследований процессов тепломассообмена I между сплошной жидкой пленкой и поперечным потоком дымовых газов при их глубоком охлаждении, сопровождающемся конденсацией водяных паров.

Кроме того, в литературе отсутствуют какие-либо данные о рециркуляции нагреваемой жидкости как способе повышения тепловой эффективности контактных теплообменников.

Таким образом, исследования процессов гидродинамики и теплообмена при конденсации пара на трубных пучках, гладких некруглых трубах, а также между свободной жидкой пленкой и потоком газа с целью повышения эффективности работы и уменьшения веса и габаритов вновь проектируемых конденсаторов и создания эффективных контактных теплообменников для утилизации теплоты уходящих газов являются актуальными, поскольку в ходе этих исследований находится эффективное решение задач, связанных с проблемами энергосбережения.

Целью данной диссертационной работы является аналитическое и экспериментальное исследование влияния дискретно стекающего конденсата на процесс теплообмена при конденсации пара на горизонтальных трубных пучках, теоретическое изучение гидродинамики и теплообмена на гладких трубках с различной конфигурацией поперечного сечения, аналитическое и экспериментальное исследование процессов тепломассообмена при обтекании свободной жидкостной пленки поперечным парогазовым.потоком в контактном теплообменнике с рециркуляцией нагреваемой жидкости, разработка контактных теплообменников с пониженным- аэродинамическим сопротивлением.

Поставлены и решены следующие задачи:

- разработана дискретная модель процесса стекания конденсата на вертикальном ряде горизонтальных труб круглого сечения и проведены экспериментальные исследования' гидродинамики и теплообмена на каждой трубке ряда;

- разработана модель процессов гидродинамики и теплообмена при конденсации пара на трубах с различными профилями сечений и проведены численные расчеты этих процессов;

- разработана методика расчета тепломассообмена между свободной пленкой жидкости и поперечным потоком газа и проведены экспериментальные исследования теплообмена между газом и жидкостью на модели аппарата, контактного типа;

- разработана методика расчета влияния^ рециркуляции нагреваемой жидкости на эффективность работы контактного теплообменника с глубоким охлаждением парогазового потока и использованием скрытой теплоты конденсации, проведены промышленные испытания контактных аппаратов различного типа, позволившие рекомендовать к использованию аппарат с оптимальными теплотехническими характеристиками.

Работа выполнена в Магнитогорском государственном университете в соответствии с программой ГКНТ и Министерства образования РФ «Человек и окружающая среда», «Экологически чистая ТЭЦ», межвузовской научно-технической программой - «Энерго-ресурсо-сберегающие технологии добывающих отраслей ' промышленности», утвержденной приказом Министерства образования РФ от 16 марта 1998 года № 717, и в соответствии с федеральной целевой программой «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники на 2002-2006 гг., разработанной по распоряжению Правительства Российской Федерации от 25 января 2001г. №105Р по приоритетному направлению: Энергетика и энергосбережение (в рамках мероприятия 1.6 Проведение проблемно-ориентированных поисковых исследований и создание научно-технического задела в области энергетики и энергосбережений).

Научная новизна работы:

1. Впервые проведена количественная оценка влияния дискретного течения конденсатной пленки на теплообмен при конденсации неподвижного пара в горизонтальном трубном пучке и установлена взаимосвязь локальных коэффициентов теплоотдачи с характеристиками отдельной капли: ее массой тк, временем контакта Тк капли с трубой и средней площадью S, залитой этой каплей на поверхности трубы за время тк. Впервые получены экспериментальные данные о характеристиках перетекающей капли mK, Тк, S и установлена их зависимость от физических свойств конденсата, диаметра труб и вертикального шага трубного пучка.

2. Впервые установлено влияние величины просвета между трубами вертикального ряда на теплообмен при конденсации неподвижного пара в горизонтальных трубных пучках и обнаружено увеличение на 6-12 % среднего коэффициента теплоотдачи пучка при оптимальном сближении труб ряда.

3. Впервые исследовано влияние рядности при конденсации неподвижного пара в области малых чисел Рейнольдса пленки 2 < Re < 20 и установлено влияние на теплоотдачу дискретности стекания конденсатной пленки.

4. Создана математическая модель расчета теплообмена при конденсации пара на трубах переменного сечения с учетом влияния сил гравитации и поверхностного натяжения. Показано, что именно сочетание этих сил приводит к существованию оптимальной формы поперечного сечения трубы. Выявлен четко выраженный максимум коэффициента теплоотдачи при последовательной деформации трубы от круглой формы до практически вертикальной плоскости.

5. Установлено, что энергетическая эффективность труб с логарифмическим профилем сечения растет с понижением уровня гравитации по сравнению с трубами других профилей.

6. Впервые исследованы гидродинамика течения жидкой пленки и теплообмен при конденсации пара на наклонных и вертикальных трубах с произвольным профилем поперечного сечения. Установлено наличие восходящих потоков жидкости в поддонной части труб эллиптического профиля, обусловленное силами поверхностного натяжения для труб с возрастающей кривизной поверхности в нижней части. Показана возможность возникновения боковых горизонтальных течений конденсатной пленки при ее стекании по некруглым вертикальным трубам, приводящее к неравномерному распределению толщины пленки по периметру сечения, которое слабо влияет на средний коэффициент теплоотдачи.

7. Разработана и экспериментально подтверждена новая аналитическая модель тепломассообмена между свободной пленкой жидкости и поперечным потоком газа, позволяющая получить критериальные зависимости, обобщающие результаты лабораторных исследований и промышленных испытаний контактных теплообменников в широком диапазоне теплофизических и геометрических параметров. Установлено, что применение рециркуляции нагреваемой жидкости в контактных теплообменниках является простым и эффективным способом повышения их тепловой мощности и других теплотехнических показателей.

Практическая ценность работы - На базе представлений о дискретном стекании конденсата получены зависимости для расчета локальных коэффициентов теплоотдачи при конденсации чистого неподвижного пара в горизонтальном трубном пучке. Они могут быть использованы при расчете конденсаторов ПТУ и горизонтальных теплообменников с конденсацией для различных отраслей промышленности, например, химической, пищевой и др.

- Новый способ интенсификации теплообмена на вертикальном ряде горизонтальных труб, заключающийся в сближении труб до оптимальных расстояний между ними, и установленные значения этих расстояний в зависимости от теплофизических свойств конденсата могут быть использованы при конструировании эффективных теплообменников с пониженными весогабаритными характеристиками.

Новый способ интенсификации теплообмена при конденсации пара, заключающийся в применении труб с логарифмическим профилем сечения, может быть рекомендован для создания теплообменников спецназначения, работающих в условиях пониженной гравитации.

Теоретические и экспериментальные материалы по процессам тепломассообмена между свободной пленкой жидкости и поперечным потоком газа могут быть использованы для расчета и проектирования теплообменных аппаратов энергетической и других отраслей промышленности и служить основой для разработки новых численных методик расчета контактных камер при оптимизации их конструкции.

- Разработанная и внедренная новая конструкция контактного теплообменника с пленочными форсунками и рециркуляцией нагреваемой жидкости рекомендуется к использованию в качестве охладителя уходящих газов за котельными установками различного назначения, нагревательными печами и т.п., использующими в качестве топлива природный газ.

Автор внес личный вклад в разработку физической модели дискретного стекания конденсата, в проектирование и изготовление экспериментальных установок, в разработку методик проведения опытов, в непосредственное проведение экспериментов, в обработку и анализ их результатов. Автором была предложена, а затем подтверждена теоретически и экспериментально идея интенсификации теплообмена при конденсации пара путем применения гладких горизонтальных трубок с непрерывно уменьшающейся кривизной профиля поперечного сечения. Автор принимал непосредственное участие в постановке задач, анализе результатов и написании статей по тепломассообмену в контактных теплообменниках и при конденсации пара на горизонтальных, наклонных и вертикальных трубках с различными профилями поперечного сечения. Численные расчеты задач, сформулированных в параграфах 3.3, 3.4 и главе VI выполнены под научным руководством автора аспирантом Н.Н. Никитиным.

Реализация работы. Результаты теоретических и экспериментальных исследований использованы в научно-исследовательских и производственных организациях, в том числе на крупнейших российских предприятиях ОАО «Калужский турбинный завод» и ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат», а также в учебном процессе высших учебных заведений.

В частности, результаты диссертационных исследований используются при реализации программы научно- технической модернизации производства ОАО « ММК» по направлению «Энерго- и ресурсосбережение. Экология» в рамках мероприятия «Использование вторичных источников энергорессурсов».

Результаты исследований гидродинамики и теплообмена между свободной пленкой жидкости и поперечным потоком газа легли в основу создания опытно-промышленного контактного теплообменника с рециркуляцией нагреваемой жидкости, который был испытан и внедрен на паровой котельной СКТБ «Сектор», г.Калуга.

Автор защищает:

- Новую физическую модель конденсации пара, основанную на дискретном характере течения конденсатной пленки, результаты экспериментального исследования дискретного течения и полученные соотношения для расчета локальных коэффициентов теплоотдачи в горизонтальном трубном пучке и характеристик перетекающей капли.

- Обобщение опытных данных по теплообмену на основе дискретного характера- течения конденсатной пленки введением безразмерной функции натекания fi в критерий Re*.

- Результаты экспериментального исследования теплообмена при конденсации пара на вертикальном ряде горизонтальных труб и установленную связь локальных коэффициентов теплоотдачи с силами поверхностного натяжения и расстоянием между трубами.

- Способ интенсификации теплообмена путем установления оптимального шага между трубами вертикального ряда.

- Результаты численного моделирования влияния на гидродинамику течения пленки и теплообмен при конденсации пара сил гравитации и поверхностного натяжения, профиля труб и их ориентации относительно к потоку пара.

- Физическую модель расчета процессов тепломассообмена между сплошной свободной пленкой жидкости и потоком газа.

- Результаты аналитического и экспериментального исследования влияния рециркуляции нагреваемой жидкости на теплотехнические характеристики контактных теплообменников.

Достоверность результатов обусловлена применением современных физических представлений и математических методов анализа, хорошим согласованием теоретических и экспериментальных данных, сопоставлением результатов с данными других исследователей, использованием современных технических средств для сбора, обработки информации и проведения численных расчетов.

Основные результаты работы опубликованы в 60 статьях и докладывались на XXI Сибирском теплофизическом семинаре (г. Новосибирск, 1978 г.); на VI Всесоюзной конференции по теплообмену и гидравлическому сопротивлению при движении двухфазного потока в элементах энергетических машин и аппаратов (г. Ленинград, 1978 г.); на II Всесоюзном совещании по конденсаторам паровых турбин (г. Калуга, 1981 г.); на Всесоюзной конференции по теплофизике и гидродинамике процессов кипения и конденсации (г. Рига, 1988 г.); на Отраслевом совещании главных энергетиков (Киев, 1988г.); на 1П

Всесоюзной конференции по двухфазным потокам в энергетических машинах и аппаратах (Ленинград, 1985 г.); на VII Всесоюзной конференции по двухфазным потокам в энергетических машинах и аппаратах (Ленинград, 1990 г.); на III Всесоюзной конференции по проблемам энергетики и энергосбережению в промышленной теплотехнологии (Москва, 1997 г.); на Российском Национальном симпозиуме по энергетике (Казань, 2001 г.); на IV Международной теплофизической школе (Тамбов, 2001 г.); на Международной научно-практической конференции «80 лет Уральской теплоэнергетике. Образование. Наука» (Екатеринбург 2003г.); на XXVII Сибирском теплофизическом семинаре, посвященном 90-летию академика С.С.Кутателадзе (Новосибирск, 2004 г.); на V Международной Балтийской конференции по теплопередаче (С.-Петербург, 2007 г.) и целом ряде межвузовских научных конференций, проводимых в Магнитогорском государственном университете. Материалы по влиянию натекания конденсата на интенсивность теплообмена удостоены диплома 1-й степени на конкурсе Московского областного правления НТО им. академика А.Н. Крылова.

Диссертационная работа выполнялась с 1982 по 2008 г. в лаборатории "Теплофизики и гидродинамики" Магнитогорского государственного университета.

Автор искренне благодарен заведующему кафедрой физики и методики обучения физики МаГУ, кандидату технических наук Н.И.Платонову за многолетнюю совместную работу по исследованию процессов в контактных теплообменниках и помощь в оформлении диссертации.

ВВЕДЕНИЕ

Важным моментом в совершенствовании конденсаторов является разработка надежных расчетных методик, наиболее полно учитывающих физические особенности процесса теплообмена при конденсации пара в трубных пучках. Эти методики при проектировании конденсаторов должны обеспечить возможность изменения конфигурации трубного пучка с тем, чтобы сделать ее оптимальной.

В соответствии с теорией Нуссельта [9] слив конденсата приводит к существенному уменьшению коэффициента теплоотдачи по высоте ряда при конденсации пара на пакете горизонтальных труб. Так, на второй трубе ряда коэффициент теплоотдачи снижается на 32 % по сравнению с верхней трубой. Эту зависимость подтверждают опытные данные [10,11].

Результаты других исследований [12-14], напротив, свидетельствуют о слабом влиянии натекающего конденсата на теплообмен при конденсации пара. Имеются сведения и о том, что слив конденсата на трубы может приводить к относительному возрастанию коэффициента теплоотдачи на нижележащих трубах [15,16].

Теоретические и экспериментальные работы, объясняющие расхождение экспериментальных данных между собой и с теорией Нуссельта, не позволяют сделать однозначных выводов о влиянии натекающего конденсата на теплоотдачу. Это говорит о недостаточной изученности рассматриваемого вопроса и необходимости дальнейшего накопления экспериментальных и аналитических данных.

Увеличение коэффициента теплоотдачи при конденсации пара может быть достигнуто применением трубок с искусственной шероховатостью поверхности (профильных витых трубок). Интенсификация теплообмена при этом объясняется уменьшением средней толщины пленки конденсата за счет поверхностного натяжения и турбулизации потока пара [17,18].

Вместе с тем, практически не исследовано влияние конфигурации поперечного сечения гладких трубок как способа повышения эффективности процессов теплообмена при конденсации пара на горизонтальных и наклонных трубах.

Использование скрытой теплоты, выделяющейся при конденсации водяных паров, содержащихся в уходящих газах котлоагрегатов, позволяет существенно повысить эффективность применения теплообменников для утилизации тепла этих газов. Тем не менее, среди различных способов утилизации тепла уходящих газов традиционный метод использования поверхностных теплообменников до сих пор не нашел широкого применения в промышленности. Это связано с тем, что из-за низкой температуры уходящих газов (120. 180 °С) между теплоносителями создаются лишь небольшие температурные напоры, при которых утилизация этой теплоты поверхностными теплообменниками становится экономически невыгодной, а выпадающая влага значительно усиливает возможность коррозии.

Перспективным способом решения этой проблемы является применение контактных теплообменников, в которых уходящие газы непосредственно контактируют с теплоносителем (водой, водными растворами).

Вместе с тем контактные теплообменники в качестве утилизаторов теплоты уходящих газов из-за ряда недостатков не нашли достаточного применения, соответствующего их высоким потенциальным возможностям.

Таким образом, диссертационная работа направлена на исследование процессов гидродинамики и теплообмена при конденсации пара на трубных пучках, на гладких некруглых трубках в поверхностных теплообменниках, и изучение тепло- и массообмена между сплошной жидкостной пленкой и потоком газа с целью повышения эффективности работы и уменьшения массы и габаритов вновь проектируемых конденсаторов и создания эффективных контактных теплообменников для утилизации теплоты уходящих газов.

Следует подчеркнуть, что общей идеей, объединяющей столь различные по своему характеру исследования процессов теплообмена при конденсации пара на твердых поверхностях и процессов тепло- и массообмена на сплошных жидких пленках, является предположение об обязательном учете влияния сил поверхностного натяжения на эти процессы. Влияние этих сил необходимо учитывать не только в тех случаях, когда характерные геометрические размеры поверхностей теплообмена малы настолько, что начинают проявляться ярко выраженные капиллярные эффекты, но и в случаях, когда геометрические размеры поверхностей значительно превышают значения капиллярной постоянной.

Изучение основных закономерностей теплообмена при конденсации пара в горизонтальных трубных пучках во многом основывается на результатах, полученных при теоретических и экспериментальных исследованиях процесса конденсации пара на одиночных цилиндрах.

Классическая теория, разработанная Нуссельтом [9], не учитывает

- инерционных сил,

- конвективного переноса тепла в пленке,

- передачу тепла вдоль пленки за счет теплопроводности,

- переохлаждение конденсата относительно температуры насыщения,

- трение на границе раздела паровой и жидкой фаз,

- изменение теплофизических свойств конденсата по сечению пленки,

- изменение температурного напора по периметру трубы,

- скачок температуры и поверхностное натяжение на границе раздела фаз. В этом приближении для коэффициента теплоотдачи было получено выражение

3 2

Последующие теоретические и экспериментальные работы были направлены на уточнение и проверку основных положений теории Нуссельта. В работах Кружилина [22], Бромли с сотрудниками [23,24], Лабунцова [25], Чена [21] показано, что инерционные силы, конвективный перенос тепла в пленке и переохлаждение конденсата не оказывают существенного влияния на теплообмен при конденсации паров жидкостей (Pr > 1) при критерии фазового перехода К > 5. Незначительны также влияние касательного напряжения, возникающего на поверхности раздела фаз при Pr > 1 и любых значениях К [21,25], изменение температурного потока по периметру трубы для малотеплопроводных нержавеющих сталей [24] и температурный скачок на границе раздела фаз [26].

В то же время такие факторы, как изменение физических свойств конденсата, связанное с распределением температуры по сечению пленки, и изменение температуры поверхности при постоянной плотности теплового потока, q = const, приводит к отклонениям от теории Нуссельта.

Корректировку теоретических результатов в первом случае предлагается проводить соответствующим выбором определяющей температуры [27,28]. Для практических расчетов в качестве таковой Лабунцовым [25] предложено использовать температуру насыщения t„, а изменение физических свойств учитывать поправочным множителем 8t:

Vcm. Кст.

Влияние переменной температуры стенки при q = const приводит к уменьшению постоянного коэффициента в (1) до значения, равного 0,693 [29].

Теория Нуссельта предполагает ламинарное течение пленки. Капица установил, что при числах Рейнольдса, равных ст. ~ п

2) при Г

Re

0,6 i

Лз сг j. \ ^ж J возникает периодическое волновое движение пленки [30], которое может приводить к увеличению теплоотдачи.

Для труб, диаметры которых удовлетворяют соотношению Г d> 20 а

VP ж8;

0,5

4) волновое движение следует учитывать при помощи корректирующей поправки к формуле (1)

Su ~ Ке (5)

Таким образом, подробные теоретические разработки рассматриваемого вопроса не приводят к принципиальным расхождениям с теорией Нуссельта, а некоторые количественные расхождения учитываются введением уточняющих поправок. Экспериментальные же значения, полученные различными авторами, значительно отличаются между собой и часто не соответствуют аналитическим расчетам.

Это иллюстрируется сравнением опытных данных нескольких авторов с теоретическими результатами, выполненными в [31]. На рис.1 экспериментальные значения коэффициентов теплоотдачи отнесены теоретическим. Отклонения опытных данных от коэффициентов теплоотдачи, рассчитанных по формуле Нуссельта, достигают ~ 80 %. Такой большой разброс экспериментальных результатов не устраняется и учетом дополнительных факторов, отмеченных выше.

К основным причинам, вызывающим расхождение опытных данных, можно отнести: наличие на поверхности очагов капельной конденсации, влияние скорости пара и присутствие в паре небольших примесей неконденсирующихся газов. Авторами [31] сделан вывод о том, что достаточно

Sr-c---------

SL

1—,------:------л л

4 л

--—------—--п-Z-Ja---ст-2-о------о ° 0 ■?-о ^ о<Ь 0 Го 0 ^ оо о» % U0 0

Л О t^?-" /f О 25 о Ofo ofoQ • Ч о 500 *

--Р-*—^—1--- о N! 1 2 3 4 5 6 7 & 9

W 0 ' ----------о' wi------------

Рис. 1. Сравнение опытных данных по теплоотдаче при конденсации неподвижного пара на одиночной горизонтальной трубе [31]: 1- Мак-Адаме и Фрост; 2 - Отмер; 3 - Морис и Уитмен; 4 - Лауренс и Шервуд; 5 - Бэйкер и Мюллер; б - Отмер и Берман; 7 - Городинская; 8 - Хемпсон; 9 - Берман и Туманов равномерное рассеяние опытных данных вокруг теоретических значений, скорее всего, может служить подтверждением формулы (1) и выводов, вытекающих из аналитических исследований, о практической незначительности или взаимной компенсации факторов, не учтенных в классической теории.

В литературе, посвященной исследованию конденсации неподвижного пара на горизонтальной трубе, менее всего исследован вопрос о роли сил поверхностного натяжения, а имеющиеся немногочисленные теоретические и экспериментальные исследования носят противоречивый характер.

В работах [32,33] рассматривается влияние сил поверхностного натяжения на теплообмен при конденсации пара на горизонтальных и наклонных трубах. Численные расчеты показывают, что поверхностные силы уменьшают толщину пленки конденсата, причем влияние сил поверхностного натяжения уменьшается с увеличением диаметра труб. Теоретический анализ для труб небольших диаметров [33] качественно согласуется с результатами единственно известных нам экспериментов, в которых исследовано влияние g ct а •

Л fc Л л >4 л ♦ • * о * ♦ г°\ О ♦ 8 , 0 I о о о э о О 0 ° < 3 о ио 0 о о °0 л ^ оС о о о а* ° % о 00 - г л 0 о р о

0°lfi So и *в л о О , г,° О S*^ >° 0 « г" о & 2 о сР л в ° 1 5 о о Ю 35 о °40 о ° i ° ° 1 „ 1 о | о | 0° о J 5 V тгртпи? 1 о oJPSDi р о в 0 с Nt! 1 О О ? 3 4 ♦ * 5 6 * ■ 7 в » 9 ? о' d> диаметра на теплообмен при конденсации пара фреона-21 на горизонтальных трубах [34]. Увеличение коэффициентов теплоотдачи по сравнению с расчетными значениями достигает 15 % на трубах малого диаметра (рис. 2).

Ш 3,0

2,0 Ю

2 5 4 5 6 7S940 SO 30 40 SO S070

Рис. 2. Зависимость коэффициента теплоотдачи от диаметра трубки [35]: -----теоретическая зависимость; о - эксперимент

Принято считать, что теория Нуссельта справедлива при значениях We » 1. Опытные данные [35], на наш взгляд, не подтверждают этого, поскольку с ростом диаметра, а значит и числа We, наблюдается все большее расхождение с теорией Нуссельта (см. рис. 2). Отсутствие в литературе аналогичных опытных данных по конденсации водяных паров и паров других жидкостей не позволяет сделать вывод о том, насколько общий характер носят результаты работы [35].

Более низкие, по сравнению с теоретическими, значения коэффициентов теплоотдачи в [36] объясняются влиянием поверхностного натяжения жидкости, которое приводит к увеличению средней толщины пленки конденсата на нижней части трубы.

Значительный разброс экспериментальных данных различных авторов Хендерсон и Марчелло [37] объясняют только влиянием сил поверхностного натяжения и пытаются обобщить опытные данные путем введения корректирующего фактора, который учитывал бы влияние этих сил. По мнению авторов [37], таким фактором является число Онезорге: а влияние поверхностного натяжения описывается эмпирической зависимостью:

Результаты обработки опытных данных разных авторов, выполненные в [37] и приведенные на рис. 3, показывают, что влияние сил поверхностного натяжения увеличивается по мере увеличения диаметра труб. При этом отклонения от теории Нуссельта достигают 70 %. Этот вывод противоречит как теоретическим расчетам, учитывающим влияние сил поверхностного натяжения [33], так и экспериментальным данным [35]. Вероятнее всего, отклонения опытных данных, анализируемых в [37], от теоретических расчетов, объясняются методическими погрешностями, а не силами поверхностного натяжения. Это косвенно подтверждается и тем, что все анализируемые эксперименты выполнены в условиях слабого влияния сил поверхностного натяжения, роль которых оценивается критерием Вебера. Во всех случаях, рассмотренных в [37], выполняется условие We » 1.

Интенсивность теплообмена и расстояние между струйками отрывающихся капель при конденсации пара на горизонтальных трубах зависят от числа Вебера [37]. Из графиков, представленных на рис. 4 и 5, следует, что зависимости числа Нуссельта и среднего расстояния между струйками от числа We имеют максимум при We = 2, а при We >10 эти величины становятся автомодельными по отношению к числу We. а 0,057 N а б) о

40

9 $

6 5 v

Nu J/Л

7tS

Ю

1 1 •п£ К X* +

А- I --+ Т— W V |7 в

Ю{

6 8 10'

Рис. 4. Опытные данные по теплообмену при конденсации паров фреона-21 на горизонтальных цилиндрах различных диаметров [37]: I -#-=1,5 мм;2 -в- 2,5; 3 - А - 3,6; 4 - □ - 6,0; 5 -О- 7,0, 6- + - 17,0;7 - V - 45Д8 - х - 16,0; 9 - теоретический расчет; 10 - линия, усредняющая опытные данные о — /

• —а ^—з I

П — 5 т —6

2 4 6 8 имело ОНЕГЬОРГЕ,

Рис.3. Влияние числа Онезорге на коэффициент теплоотдачи при конденсации пара на горизонтальных цилиндрах [37]: а - экспериментальные значения коэффициента теплоотдачи; Cto - теоретическое значение коэффициента теплоотдачи; - Мак-Адамс и Фрост, 2 - Отмер; 3 - Уэллс и Дэвисон; 4 - Киркбрайд; 5 - Бэккер и

Тсао, 6 - Отмер и Уайт; 7 - Хеидерсон

Рис. 5. Относительное изменение длины волны от числа We [37]; \ - фреон-21; 2 - гексан; 3 - этанол; 4 - вода; 5 - линия, усредняющая эксперимент

Тепловые опыты были проведены на фреоне. Аналогичные опытные данные по теплообмену, полученные при конденсации паров других жидкостей, и в частности водяных паров, в известной нам литературе отсутствуют.

Следует подчеркнуть, что детальный теоретический анализ пленочной конденсации не только на круглых трубах, но и на различных криволинейных поверхностях, представленный в [19,20], подтверждает справедливость формулы Нуссельта. Отличие, в конечном итоге, состоит в том, что для цилиндрических поверхностей, наклоненных под разными углами, а также для сферы и для тора изменяются лишь значения численных коэффициентов (от 0,728 до 0,942) в формуле Нуссельта,

Таким образом, можно сделать вывод, что теоретические предпосылки Нуссельта для одиночной круглой трубы могут быть применены, с необходимой корректировкой на влияние сил поверхностного натяжения, для построения соответствующих моделей процессов конденсации пара на гладких трубах некруглой формы и в пучке труб.

6.4. Выводы

1. Предложен метод интенсификации процесса теплообмена в контактных аппаратах, заключающийся в том, что увеличение теплопередачи от одного теплоносителя к другому достигается за счет увеличения времени контакта между фазами путем рециркуляции нагреваемой жидкости

2. Проведены аналитическое и экспериментальное исследования в лабораторных и промышленных условиях, влияния рециркуляции нагреваемой жидкости на теплотехнические показатели теплообменников контактного типа. Показано, что применение рециркуляции является простым и эффективным способом повышения тепловой мощности контактных теплообменников.

3. Экспериментальным путем установлены оптимальные режимы работы контактных теплообменников с рециркуляцией нагреваемой жидкости и определено значение кратности рециркуляции, обеспечивающее наиболее эффективную работу теплообменного аппарата.

4. Разработан опытно-промышленный теплообменник контактного типа для утилизации теплоты уходящих дымовых газов при их глубоком охлаждении. Проведены испытания нескольких типов контактных камер в условиях промышленного предприятия в широком диапазоне изменения параметров теплоносителей.

5. Показано, что наилучшие теплотехнические характеристики имеет безнасадочный контактный теплообменник с пленочными форсунками на линии холодной волы и струйным оросителем на линии рециркуляции. Установлено, что такой теплообменник обеспечивает высокую тепловую эффективность, на уровне традиционных контактных теплообменников с насадкой, но при этом имеет существенно более низкое гидравлическое сопротивление, обладает высокой сепарирующей способностью, предотвращающей унос мелкодисперсной влаги, и значительно превосходит известные контактные насадочные теплообменники по эксплуатационным показателям.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Разработана новая модель конденсации чистого неподвижного пара на вертикальном ряде горизонтальных труб, учитывающая дискретный характер стекания конденсата. Впервые проведена количественная оценка влияния дискретного течения конденсатной пленки на теплообмен и установлена связь между локальными коэффициентами теплоотдачи и характеристиками отдельной капли - ее массой тк, временем контакта с поверхностью трубы тк, средней площадью S, залитой этой каплей на поверхности трубы за время контакта.

2. Впервые получены экспериментальные данные о характеристиках перетекающей капли mK, тк, S и установлена их зависимость от физических свойств конденсата, диаметра труб и вертикального шага трубного пучка.

3. Установлено, что среднее расстояние между отрывающимися каплями / не зависит от расположения трубы в ряде, а определяется теплофизическими свойствами конденсата и гидродинамическим режимом течения конденсатной пленки. Установлено, что в ламинарном режиме течения пленки (Re < 5) при увеличении нагрузки среднее расстояние / уменьшается до величины, определяемой длиной волны тейлоровской неустойчивости, а в ламинарно-волновом режиме (5<Re<20) / становится автомодельной по отношению к нагрузке.

4. Экспериментально подтверждена модель дискретного стекания конденсата, описывающая изменение коэффициента теплоотдачи по высоте вертикального ряда горизонтальных труб с учетом температурных напоров и величин вертикального шага между трубами. Предложен модифицированный критерий Re*, в состав которого входит безразмерная функция натекания ft, учитывающая дискретный характер течения конденсатной пленки. Установлено, что обобщение опытных данных в координатах Nu - Re* устраняет систематическое расслоение точек по номеру трубы в вертикальном ряде, наблюдающееся при обработке опытных данных в координатах и — Re.

5. Обнаружен эффект интенсификации (на 6-12 %) процесса теплообмена при конденсации пара на горизонтальных трубных пучках, возникающий при сближении труб ряда до расстояний между ними h ~2. Показано, что этот эффект обусловлен влиянием сил поверхностного натяжения на характер стекания конденсата в горизонтальных трубных пучках.

6. Впервые исследовано влияние рядности при конденсации пара в области малых чисел Re (2<Re<20) течения пленки и установлено влияние дискретности стекания конденсата на теплообмен.

7. Предложена математическая модель для расчета теплообмена при конденсации пара на гладких горизонтальных трубах с произвольным профилем поперечного сечения. Получены общие интегральные зависимости для расчета локальных толщин конденсатной пленки и локальных и средних коэффициентов теплоотдачи.

8. На основе предложенной модели численными методами исследован теплообмен при конденсации пара на гладких горизонтальных трубах, имеющих профиль поперечного сечения в виде логарифмической спирали. Установлено, что силы поверхностного натяжения приводят к увеличению локальных коэффициентов теплоотдачи на верхней образующей трубе в 1,5-3 раза в зависимости от геометрических параметров трубы. Показано, что интенсификация теплоотдачи на таких трубах обусловлена двумя факторами: увеличением действия гравитационных сил и дополнительным действием сил поверхностного натяжения. Установлено, что влияние лапласовских сил быстро убывает по периметру трубы и при относительной длине X = 0,2-0,3 значения толщины пленки и локальных коэффициентов теплоотдачи определяются в основном гравитационными силами. Интенсификация теплообмена в верхней части трубы приводит к увеличению среднего коэффициента теплоотдачи при конденсации пара на 20-30 % по сравнению с круглыми трубами.

9. Выявлен четко выраженный максимум теплоотдачи при последовательной деформации профиля трубы от круглой формы до практически вертикальной плоскости. Показано, что именно сочетание гравитационных сил и сил поверхностного натяжения приводит к существованию оптимальной формы поперечного сечения.

10. Установлено, что максимальное значение коэффициента теплоотдачи для логарифмических трубок выше, чем для эллиптических трубок или трубок с постоянным градиентом кривизны поверхности, причем экстремум для логарифмических трубок смещен в сторону больших значений гидравлического диаметра, при котором трубки имеют меньшее гидравлическое сопротивление со стороны охлаждающей жидкости.

11. Показано, что при нормальном уровне гравитации энергетическая эффективность логарифмических, эллиптических труб и труб с постоянным градиентом кривизны во всем диапазоне изменения гидравлического диаметра практически одинакова. С понижением уровня гравитации становится очевидным преимущество логарифмических труб, применение которых целесообразно в условиях микрогравитации.

12. Проведено экспериментальное исследование теплообмена при конденсации чистого неподвижного пара на поверхности гладких горизонтальных трубок, с профилем поперечного сечения в виде отрезка логарифмической спирали. Опытным путем подтверждено увеличение коэффициента теплоотдачи на 20-30 % по сравнению с круглыми трубками.

13.Сформулирована задача расчета теплоотдачи при конденсации неподвижного пара на наклонных и вертикальных некруглых трубках с произвольным профилем поперечного сечения. Численные решения нелинейных дифференциальных уравнений в частных производных позволили рассчитать распределения толщины конденсатной пленки по поверхности трубок, определить значения средних коэффициентов теплоотдачи, построить линии тока на поверхности трубок с различными профилями поперечного сечения. Аналитическим путем обнаружено наличие восходящего потока конденсата в поддонном слое эллиптических трубок.

14. Рассчитаны линии тока при стекании конденсатной пленки по некруглым гладким вертикальным трубам и отмечено наличие боковых горизонтальных течений, приводящих к неравномерному распределению толщины конденсатной пленки по периметру поперечного сечения. Установлено, что эта неравномерность в распределении толщины конденсатной пленки не приводит к существенному отличию средних значений коэффициентов теплоотдачи при конденсации пара на вертикальных круглых и некруглых гладких трубах.

15. Получены критериальные уравнения тепло- и массообмена между жидкостной пленкой и газовым потоком, которые могут служить основой инженерной методики расчета контактного аппарата с пространственными жидкостными пленками.

16. Опытным путем показано наличие двух характерных режимов работы тепломассообменного аппарата, обусловленных неустойчивостью жидкостной пленки, взаимодействующей с поперечным потоком газа, и установлены предельные значения критерия Вебера, определяющего смену указанных режимов.

17. Предложен метод интенсификации процесса теплообмена в контактных аппаратах, заключающийся в том, что увеличение теплопередачи от одного теплоносителя к другому достигается за счет увеличения времени контакта между фазами путем рециркуляции нагреваемой жидкости.

18. Проведено аналитическое и экспериментальное исследование, в лабораторных и промышленных условиях, влияния рециркуляции нагреваемой жидкости на теплотехнические показатели теплообменников контактного типа. Показано, что применение рециркуляции является простым и эффективным способом повышения тепловой мощности контактных теплообменников.

19. Экспериментальным путем установлены оптимальные режимы работы контактных теплообменников с рециркуляцией нагреваемой жидкости и определено значение кратности рециркуляции, обеспечивающее наиболее эффективную работу теплообменного аппарата.

20. Разработан опытно-промышленный теплообменник контактного типа для утилизации теплоты уходящих дымовых газов при их глубоком охлаждении.

Проведены испытания нескольких типов контактных камер в условиях промышленного предприятия в широком диапазоне изменения параметров теплоносителей.

21. Показано, что наилучшие теплотехнические характеристики имеет безнасадочный контактный теплообменник с пленочными форсунками на линии холодной воды и струйным оросителем на линии рециркуляции. Установлено, что такой теплообменник обеспечивает высокую тепловую эффективность, на уровне традиционных контактных теплообменников с насадкой, но при этом имеет существенно более низкое гидравлическое сопротивление, обладает высокой сепарирующей способностью, предотвращающей унос мелкодисперсной влаги и значительно превосходит известные контактные насадочные теплообменники по эксплуатационным показателям.

1. Тепловые и атомные электрические станции : справочник / под общ. ред. В.А. Григорьева и В.М. Зорина. М.: Энергоатомиздат, 1989. - Кн. 3. -608 с.

2. Агафонов, В.А. Характер течения конденсата в поверхностных конденсаторах / В.А. Агафонов // Судостроение. 1960. - № 5. - С. 25-26.

3. Агафонов, В.А. Судовые конденсационные установки / В.А. Агафонов, Б.Г. Ермилов, Б.В. Панков. Л. : Судпромгиз, 1963.

4. Берман, Л.Д. К инженерному тепловому расчету конденсаторов паровых турбин / Л.Д. Берман // Теплоэнергетика. 1975. - № 1. - С. 67-71.

5. Шкловер, Г.Г. К расчету коэффициента теплопередачи в конденсаторах паровых турбин / Г.Г. Шкловер, В.Г. Григорьев // Теплоэнергетика. — 1975.- № 1. С. 67-71.

6. Бродов, Ю.М. Анализ методик теплового расчета конденсаторов паровых турбин / Ю.М. Бродов, Р.З. Савельев // Теплоэнергетика. 1981. - № 7. -С. 57-59.

7. Елсуков, В.К. Оценка возможности утилизации теплоты уходящих газов котлов на примере сжигания канско-ачинских углей / В.К. Елсуков // Промышленная энергетика. 2007. - № 11. - С. 21-28.

8. Смешивающие подогреватели паровых турбин / В.Ф. Ермилов и др..- М.: Энергоатомиздат, 1982. 207 с.

9. Nusselt, W. Die oberflachenkondensation des wasserdampfes / W. Nusselt // Zeitschrift des Vereines Deutschern Ingenieure. 1916. - Vol. 60. - P. 27-28.

10. Кутателадзе, C.C. Теплопередача при конденсации и кипении / С.С. Кутателадзе. М. : Машгиз, 1952.

11. Short, В.Е. Condensation of vapor on vertical banks of horizontal tubes / B.E. Short, W.J. Broun // Proc. Gen. Disc, on Heat Transfer Inst. Mech. Eng. -London, 1951.-P. 27-41.

12. Берман, JI.Д. О теории теплообмена при конденсации пара в пучке горизонтальных труб / Л.Д. Берман // Известия ВТИ. 1953. - № 3. - С. 5-12.

13. Исаченко, В.П. Теплообмен при конденсации пара на горизонтальной трубе и натекании конденсата сверху / В.П. Исаченко, А.Ф. Глушков // Теплоэнергетика. 1969. - № 6. - С. 79-81.

14. Фукс, С.Н. Теплоотдача при конденсации движущегося пара в горизонтальном трубном пучке / С.Н. Фукс // Теплоэнергетика. 1957. - № 1. — С. 35-38.

15. Гогонин, И.И. Теплообмен при пленочной конденсации неподвижного пара / И.И. Гогонин, А.Р. Дорохов, В.И. Сосунов // Препринт № 48-80. Новосибирск : Ин-т теплофизики СО АН СССР, 1980.

16. Справочник по теплообменным аппаратам паротурбинных установок / под ред. Ю.М. Бродова. Екатеринбург, 2006. - 584 с.

17. Теплообменники энергетических установок / под ред. Ю.М. Бродова. Екатеринбург : Сократ, 2003. - 964 с.

18. Толмачев, Е.М. Разработка теории и методов расчета взаимодействия фаз рабочих тел энергетических и технологических установок : дис. . д-ра техн. наук. Екатеринбург, 2004.

19. Толмачев, Е.М. Задача Нуссельта для пленочной конденсации на криволинейной поверхности / Е.М. Толмачев // Труды II Российской национальной конференции по теплообмену. М. : Изд-во МЭИ, 1998. - Т.4. -С. 383-386.

20. Чен, М. Аналитическое исследование процесса конденсации при ламинарном течении пленки / М. Чен // Теплопередача (рус. перевод Trans ASME). 1961. -№ 1. - С. 60-78.

21. Кружилин, Г.Н. Уточнение нуссельтовской теории теплообмена при конденсации / Г.Н. Кружилин // ЖТФ. 1937. - Т. 7. - Вып. 20/21. - С. 20112017.

22. Bromley, L.A. Effect of Heat Capacity of condensate in Condensing / L.A. Bromley // Ind. Eng. Chem. 1952. - Vol. 44. - № 12.

23. Bromley, L.A. Heat transfer in condensation. Effect of temperature variation around a horisontal tube / L.A. Bromley, R.S. Brodkey, N. Fischman // Ind. Eng. Chem. 1952. - Vol. 44. - № 12.

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

25. Берман, Л.Д. Теплоотдача при пленочной конденсации пара на поперечно обтекаемых горизонтальных трубах / Л.Д. Берман // Сб. ст. под ред. В.М. Боришанского и И.И. Палеева. М.; Л.: Энергия, 1964. — С. 7-53.

26. Denny, V.E. Non similar solution for laminar film condensation on a vertical surface / V.E. Denny, A.F. Mills // Int. J. Heat and Mass transfer. 1968. -Vol. 12.-№8.-P. 965-979.

27. Foots, G. Effect or variable physical properties on laminar film condensation of saturated steam on a vertical flat plate / G. Foots, R.G. Miles // Int. J. Heat and Mass transfer.- 1967.-Vol. 10.-№ 12.-P. 1677-1692.

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

29. Лабунцов, Д.А. Теплоотдача при пленочной конденсации чистых паров на вертикальных поверхностях и горизонтальных трубах / Д.А. Лабунцов // Теплоэнергетика. — 1957. № 7. - С. 72-79.

30. Лабунцов, Д.А. Обобщение теории конденсации Нуссельта на условия пространственно-неравномерного поля температур теплообменной поверхности / Д.А. Лабунцов // Теплообмен и гидродинамическое сопротивление : труды МЭИ. М., 1965. - Вып. LXIII. - С. 79-84.

31. Капица, П.Л. Волновое течение тонких слоев вязкой жидкости / П.Л. Капица//ЖЭТФ.- 1948. -Т. 18. -Вып. 1.-С. 1-28.

32. Берман, Л.Д. Теплоотдача при пленочной конденсации неподвижного пара на горизонтальной трубе / Л.Д. Берман, Ю.А. Туманов // Изв. Вузов. Энергетика. 1962. - № 9. - С. 86-93.

33. Бузник, Б.М. Исследование теплообмена при конденсации фреона / Б.М. Бузник, Г.Ф. Смирнов, И.И. Луканов // Судостроение. 1969. -№ 1.

34. Гогонин, И.И. Интенсификация теплообмена в горизонтальных кожу-хотрубных конденсаторах / И.И. Гогонин, А.Р. Дорохов // Интенсификация теплообмена в энергохимической аппаратуре : сб. ст. Новосибирск : Ин-т теплофизики СО АН СССР, 1977. - С. 52-60.

35. Selin, G. Heat transfer by condensing pure vapours outside inclined tubes / G. Selin // Papers Int. Heat Trans. Conf. Colorado. 1961. - Part 2. - Paper №33.

36. Henderson, C.L. Role of Surface Tension and Tube Diameter in Film Condensation on Horizontal Tubes / C.L. Henderson, J.K. Marchello // AIChE Journal. Vol. 13. - № 3. - P. 613-614.

37. О коэффициенте теплоотдачи при конденсации неподвижного пара в горизонтальном цилиндре / И.И. Гогонин и др. // Теплообмен и газодинамика при кипении и конденсации : материалы 21 Сибирского теплофизического семинара. Новосибирск, 1979. - С. 368-372.

38. Гогонин, И.И. Теплоотдача при конденсации неподвижного пара на пучке гладких горизонтальных труб / И.И. Гогонин, А.Р. Дорохов, В.И. Сосунов // Теплоэнергетика. 1977. - № 4. — С. 33-36.

39. Шкловер, Г.Г. О механизме течения пленки при конденсации пара в горизонтальных трубных пучках / Г.Г. Шкловер, А.В. Буевич // Теплоэнергетика. 1978. -№ 4. -С. 62-65.

40. Ferguson, R.M. Heat transfer coefficients for water and stem in surface condenser / R.M. Ferguson, J.C. Oakden // British Electr. and Allied Ind. Reasearch Ass. Techn. Report. London, 1936. Reference H/T 26.

41. Young, E.H. The condensing of low pressure steam on vertical rows of horizontal copper and titanum tubes / E.H. Young, D.E. Briggs // AIChE Journal. -1966. Vol. 12. — P. 31-35.

42. Исаченко, В.П. О влиянии натекающего сверху конденсата на теплоотдачу при конденсации пара на горизонтальной трубе / В.П. Исаченко, А.Ф. Глушков // Кипение и конденсация : сб. ст. Рига, 1979. - С. 84-88.

43. Sparrow, Е.М. Laminar Condensation Heat Transfer on a Horizontal Cylinder / E.M. Sparrow, J.L. Grogg // Trans. ASME. Series C. 1959. - № 81. -P. 291-296.

44. Кутателадзе, C.C. Экспериментальное исследование теплообмена при конденсации неподвижного пара на пакете гладких горизонтальных труб / С.С. Кутателадзе, И.И. Гогонин, В.И. Сосунов // ТОХТ. 1979. - Т. XIII. - № 5. -С. 716-721.

45. Яновский, М.И. Судовые конденсационные установки / М.И. Яновский. -М. : Военмориздат, 1943.

46. Берман, Л.Д. Теплоотдача при конденсации пара на пучке горизонтальных труб / Л.Д. Берман // Теплоэнергетика. 1981. - № 4. - С. 22-29.

47. Turek, К. Warmeubergang und Drucverluste bei der Filmcondensation stromenden Sattdampfes in horisontalen Rohrbundeln / K. Turek // Chem. Ind. Tech. 1972. - Vol. 44. - № 5. - P. 280-285.

48. Кутателадзе, С.С. Основы теории теплообмена / С.С. Кутателадзе. -М. : Атомиздат, 1979. 416 с.

49. Kutateladze, S.S. Heat transfer in film condensation of slowly moving vapor / S.S. Kutateladze, I.I. Gogonin // Int. J. Heat and Mass transfer. 1978. -Vol. 22.-P. 965-979.

50. Исаченко, В.П. Теплопередача / В.П. Исаченко, В.А. Осипова, А.С. Сукомел. М.: Энергия, 1981. - 488 с.

51. Михеев, М.А. Основы теплопередачи / В.П. Исаченко, И.М. Михеева. М. : Энергия, 1973. - 320 с.

52. Nobbs, D.W. Effect of dounward vapour velocity and inundation on condensation rates on horisontal tube banks / D.W. Nobbs, Y.R. Moyhew // Report. Glasgow. 1976. -№ 619. - P. 39-52.

53. Шкловер, Г.Г. Влияние шага и диаметра труб на течение жидкой пленки / Г.Г. Шкловер, В.П. Семенов // Теплообмен и газодинамика при кипении и конденсации : материалы 21 Сибирского теплофизического семинара. -Новосибирск, 1979. С. 301-302.

54. Промыслов, А.С. Судовые конденсационные установки / А.С. Промыслов. Л. : ЛКИ, 1977.

55. Янг, Д. Взаимодействие пар-жидкость и унос капель в испарителях со стекающей пленкой / Д. Янг, Д.Д. Лорренц, Е.Н. Ганич // Теплопередача (рус.перевод Trans ASME). 1980. - № 1. - С. 17-23.

56. Bellman, R. Effects of Surface Tension and Viscosity on Taylor Instability / R. Bellman, R.H. Pennington // Quarterly Applied Mathematics. 1954. - Vol. 12. -P. 151-162.

57. Бродов, Ю.М. Экспериментальное исследование гидродинамики теплообмена при конденсации водяного пара на наклонных трубках : автореф. дис. . канд. техн. наук / Ю.М. Бродов. Свердловск, 1972.

58. Ганик, Е.Н. Экспериментальное исследование разрушения падающей пленки жидкости на горизонтальном цилиндре в процессе теплообмена / Е.Н. Ганик, М.Н. Роппо // Теплопередача (рус.перевод Trans ASME). 1980. -№2.-С. 184-190.

59. Шкловер, Г.Г. Дискретное стекание пленки и теплоотдача при конденсации пара / Г.Г. Шкловер, В.П. Семенов, A.M. Усачев // Исследование дисперсных систем в энергохимических процессах. Новосибирск, 1982.

60. Шкловер, Г.Г. Исследование теплообмена при течении конденсатной пленки / Г.Г. Шкловер, В.П. Семенов, A.M. Усачев // Теплоэнергетика. 1983. -№ 3. - С. 13-16.

61. Никитин, Н.Н. Теплоотдача при конденсации неподвижного пара на гладкой горизонтальной трубе с сечением в виде участка логарифмической спирали / Н.Н. Никитин, В.П. Семенов // Вестник МаГУ. Естественные науки. -Магнитогорск, 2005. С. 326-329.

62. Boucher, Е.А. Pendent drop profiler and related capillary phenomens / E.A. Boucher, M.J.B. Evans // Proc. R. Soc. Lond. A 346. 1975. - P. 349-374.

63. Шумский, К.Г. Вакуумные конденсаторы химического машиностроения / К.Г. Шумский. М. : Машгиз, 1961. - 535 с.

64. Мильман, О.О. Измерение температуры стенки при исследовании процессов конденсации на поверхности / О.О. Мильман, А.В. Буевич // Теплоэнерггетика. 1972. - № 7.

65. Semenov, V. Condensation Heat Transfer on Non-Circular Pipes in a Stationary Vapor / V. Semenov, N. Nikitin./ Heat Transfer Research. 2008. - Vol. 39.-№ 4.-P. 317-326.

66. Семенов, В.П. Исследование теплоообмена при конденсации пара с учетом дискретного стекания конденсата : дис. . канд. техн. наук / В.П. Семенов. -Калуга, 1982.

67. Буглаев, Б.Т. Теплообмен при конденсации пара атмосферного давления на горизонтальном трубном пучке / Б.Т. Буглаев, М.М. Андреев, Б.С. Казаков // Теплоэнергетика. — 1970. № 11. - С. 66-67.

68. Штангеев, К.О. Исследование конденсации пара из парогазовых смесей с целью разработки поверхностного конденсатора для сахарного производства : автореф. дис. . канд. техн. наук / К.О. Штангеев. Киев, 1980.

69. Фукс, С.Н. Определение состава паровоздушной смеси при малых содержаниях воздуха в ней и низких давлениях / С.Н. Фукс // Теплоэнергетика. -1971. -№ 2. С. 17-19.

70. Вукалович, М.П. Термодинамика / М.П. Вукалович, И.М. Новиков. -М.: Машиностроение, 1972.

71. Гудымчук, В.А. Теплопередача при конденсации пара на наклонной трубке / В.А. Гудымчук // Известия ВТИ. 1935. - № 12. - С. 15-20.

72. Шкловер, Г.Г. Исследование конденсации пара в наклонном трубном пучке / Г.Г. Шкловер, А.В. Буевич // Теплоэнергетика. 1978. - № 6. - С. 71-74.

73. Вукалович, М.Д. Термодинамические свойства воды и водяного пара / М.Д. Вукалович. М.: Машгиз, 1951.

74. Сквайерс, Дж. Практическая физика / Дж. Сквайерс. М. : Мир, 1971.

75. Исаченко, В.П. Теплообмен при конденсации / В.П. Исаченко. М. : Энергия, 1977.

76. Кутателадзе, С.С. Анализ подобия и модели в термогидродинамике газожидкостных систем / С.С. Кутателадзе // ПМТФ. 1980. - № 5. - С. 24-33.

77. Шкловер, Г.Г. Анализ механизма стекания пленки в горизонтальном трубном пучке при конденсации / Г.Г. Шкловер, В.П. Семенов, А.З. Росинский

78. Тезисы докладов и сообщений VI Всесоюзной конференции по теплообмену и гидравлическому сопротивлению при движении двухфазного потока в элементах энергетических машин и аппаратов. Д., 1978. - С .8-10.

79. Шкловер, Г.Г. Анализ механизма стекания пленки в горизонтальном трубном пучке при конденсации / Г.Г. Шкловер, В.П. Семенов, А.З. Росинский // Теплообмен, температурный режим и гидродинамика при генерации пара. -Л.: Наука, 1981.-С. 87-93.

80. Седов, Л.И. Методы подобия и размерности в технике / Л.И. Седов. -М.: Наука, 1962.

81. Исаченко, В.П. Исследование тепло- и массообмена при капельной конденсации водяного пара из паровоздушной смеси / В.П. Исаченко, А.С. Богородский // Теплоэнергетика. 1969. - № 2. - С. 79-82.

82. Кочурова, Н.Н. Составляющие термического сопротивления при пленочной конденсации / Н.Н. Кочурова // Теплообмен при конденсации и кипении : сб. тр. ЦКТИ. Л : 1965. - Вып. 57. - С. 174-176.

83. Кутателадзе, С.С. Справочник по теплопередаче / С.С. Кутателадзе,

84. B.М. Боришанский. М.; Л.: Госэнергоиздат, 1959. - 414 с.

85. Теплообмен при конденсации на горизонтальном пакете труб /

86. C.С. Кутателадзе и др. // Теплопередача при кипении и конденсации : сб. ст. — Новосибирск : Ин-т теплофизики СО АН СССР, 1977. С. 39-59.

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

88. Шкловер, Г.Г. Теплоотдача при конденсации пара на горизонтальной трубе с профилем переменной кривизны / Г.Г. Шкловер , В.П.Семенов, В.В.Пряхин // Теплоэнергетика. 1985. - № 3.

89. Семенов, В.П. Интенсификация теплоотдачи при конденсации пара на горизонтальной некруглой трубе / В.П. Семенов и др. // Изв. вузов. Энергетика. 1988. 12. - С. 80-83.

90. Семенов, В.П. О влиянии сил поверхностного натяжения на процессы тепломассообмена / В.П. Семенов, О.Н. Скуратова // Вестник МАГУ. Естественные науки. Магнитогорск, 2004. - Вып. 5. - С. 273-276.

91. Никитин, Н.Н. Теплоотдача при конденсации неподвижного пара на гладкой горизонтальной трубе с сечением в виде участка логарифмической спирали / Н.Н. Никитин, В.П. Семенов // Вестник МАГУ. Вып. 10. Физика. -Магнитогорск, 2007. С. 56-60.

92. Гортышов, Ю.Ф. Эффективность промышленно перспективных ин-тенсификаторов теплоотдачи / Ю.Ф. Гортышев, В.В. Олимпиев, И.А. Попов // Известия академии наук: Сер. Энергетика. — 2002. — № 3.

93. Дрейцер, Г.А. Проблемы создания высокоэффективных трубчатых те-плообменных аппаратов / Г.А. Дрейцер // Теплоэнергетика. 2006. - № 4.

94. Эффективные поверхности теплообмена / Э-К. Калинин и др.. М. : Энергоатомиздат, 1998.

95. Справочник по теплообменникам : пер. с англ. / под ред. Б.С. Петухо-ва, В.К. Шикова. -М. : Энергоатомиздат, 1987. Т. 1.

96. Fieg, G.P. Calculation of laminar film condensation in/on inclined elliptical tubes / G.P. Fieg, W. Roetzel // Int. J. of Heat and Mass Transfer. 1994. - Vol. 37. -P. 619-624.

97. Semenov, V.P. Enhancement of condensation heat transfer in condensation of steam on a horizontal non-circular pipe, condensation heat transfer / V.P. Semenov и др. // Sov. Res. 1990. - Vol. 22. - № 1. - P. 15-20.

98. Sheng-An, Yang. Role of surface tension and ellipticality in laminar film condensation on a horizontal ellipticalal tube / Yang Sheng-An, Chen Cha'o-Ruang // Int. J. Heat and Mass Transfer. 1993. - Vol. 36. - P. 3135-3141.

99. Sheng-An, Yang. Transient film condensation on a horizontal ellipticalal tube / Yang Sheng-An, Chen Cha'o-Kuang // J. Phys. D: Appl. Phys. 1993. -Vol. 26.-№5.-P. 793-797.

100. Sheng-An, Yang. Free- and forced-convection film condensation from a horizontal elliptical tube with a vertical plate and horizontal tube as special cases / Yang Sheng-An, Hsu Chao-Ho // Int. J. Heat and Fluid Flow. 1997. - Vol. 18. -P. 567-574.

101. Memory, S.B. Free and forced convection laminar film condensation on horizontal ellipticalal tubes /S.B. Memory, V.H. Adams, P.J. Marto // Int. J. Heat and Mass Transfer. 1997. - Vol. 40. - P. 3395-3406.

102. Никитин, H.H. Оценка эффективности интенсификации теплообмена методом деформации поперечного сечения гладких горизонтальных труб / Н.Н. Никитин, В.П. Семенов // Инженерная физика. — 2006. № 4. - С. 7-9.

103. Никитин, Н.Н. Определение оптимальной формы поперечного сечения некруглых горизонтальных труб при конденсации / Н.Н. Никитин, В.П. Семенов, О.В. Петрова// Инженерная физика. 2007. - № 1. - С. 15-17.

104. Семенов, В.П. Исследование тепловых и гидравлических характеристик некруглых горизонтальных труб при конденсации пара / В.П. Семенов, Н.Н. Никитин // Теплоэнергетика. 2008. - № 3. - С. 23-27.

105. Никитин, Н.Н. Течение пленки и теплоотдача при конденсации пара на наклонных и вертикальных некруглых трубах / Н.Н. Никитин, В.П. Семенов // Теплоэнергетика. 2008. - № 3. - С. 28-33.

106. Gregorig, R. Hautkondensation an feingewellten Oberflachen bei Beruksichtigung der Oberflachenspannugen / R. Gregorig // Zeitschrift fur angewandte Mathematik and Physik. 1954. - Bd. 5. - № 1. - P. 36-49.

107. Hai-Ping, Ни. Simplified approach of turbulent film condensation on an inclined elliptical tube / Ни Hai-Ping, Chen Cha'o-Kuang // Int. J. Heat and Mass Transfer. 2006. - Vol. 49. - P. 640-648.

108. Mosaad, M. Combined free and forced convection laminar film condensation on an inclined circular tube with isothermal surface / M. Mosaad // Int. J. Heat and Mass Transfer. 1999. - Vol. 42. - P. 4017-4025.

109. Kamminga, W. An analytic solution of the film thickness of laminar film condensation on inclined pipes / W. Kamminga // Int. J. Heat and Mass Transfer. -1980. Vol. 23. - P. 1291-1293.

110. Николайкин, Н.И. Гидродинамика пленочной тарелки с делением газового потока / Н.И. Николайкин, О.С. Чехов // Теор. осн. хим. технол. 1988. — Т. XXII. -№1.- С. 71-77.

111. Жихарев, А.С. Экспериментальное исследование сепарации парожид-костных смесей струями жидкости / А.С. Жихарев, A.M. Кутепов // Химическое и нефтяное машиностроение. 1972. - № 4. - С. 10-12

112. Платонов, Н.И. Некоторые результаты промышленных испытаний контактных теплообменников с рециркуляцией нагреваемой воды / Н.И. Платонов, В.П. Семенов, Е.С. Федянина // Вестник МАГУ. Вып.5. Естественные науки. Магнитогорск, 2004. - С. 268-272.

113. Некоторые технико-экономические показатели контактного теплообменника с пленочными форсунками / А.В. Колдин и др. // Вестник УГТУ-УПИ. Теплоэнергетика. Екатеринбург, 2004. - № 3 (33). - С. 76-79.

114. Платонов, Н.И. Некоторые эксплуатационные показатели контактных теплообменников с рециркуляцией нагреваемой воды / Н.И. Платонов, В.П. Семенов // Доклады РНСЭ / под ред. акад. РАН В.Е. Алемасова. Казань, 2001. - С. 223-225.

115. Семенов, В.П. Анализ задачи о тепло- и массообмене между свободной жидкостной пленкой и потоком газа / В.П. Семенов, Н.И. Платонов // Фундаментальные и прикладные исследования / под ред. В.А. Кузнецова. Магнитогорск : МГПИ, 1998. - С. 74-89.

116. Семенов, В.П. Экспериментально обоснованная расчетная модель тепломассообмена между газом и свободной жидкостной пленкой, вытекающей из кольцевой щели / В.П. Семенов, Н.И. Платонов // Вестник МАГУ. Магнитогорск, 2001-2002. - Вып. 2-3. - С. 208-214.

117. Платонов, Н.И. Исследование гидродинамики газового потока в реакjтивном пространстве контактного теплообменника с пленочными форсунками / Н.И. Платонов, В.П. Семенов, А.А. Хорев // Вестник УГТУ-УПИ. Екатеринбург, 2003. -№ 8 (28). - С. 150-154.

118. Лойцянский, Л.Г. Механика жидкости и газа / Л.Г. Лойцянский. М.: Наука, 1987.

119. Епихин, В.Е. О форме закрученных кольцевых струй капельной жидкости / В.Е. Епихин // Изв. АН СССР. МЖГ. 1979. - № 5. - С. 144-148.

120. Епихин, В.Е. О затягивании полости кольцевых струй, взаимодействующих с окружающей средой / В.Е. Епихин, В.Я. Шкадов // Изв. АН СССР. МЖГ. 1983. - № 6. - С. 3-11.

121. Епихин, В.Е. О течении закрученных кольцевых струй капельной жидкости / В.Е. Епихин // Вестн. Моск. ун-та. Сер. Математика и механика. -1978. -№ 1.-С. 74-83.

122. Епихин, В.Е. О форме кольцевых струй капельной жидкости / В.Е. Епихин // Изв. АН СССР. МЖГ. 1977. - № 1. - С. 9-14.

123. Ландау, Л.Д. Теоретическая физика / Л.Д. Ландау, Е.М. Лифшиц. Т.6. Гидродинамика. -М. : Наука, 1988.

124. Теоретические основы хладотехники. Тепломассообмен / под ред. Э.И. Гуйко. -М.: Агропромиздат, 1986.

125. Шургальский, Э.Ф. Численное и экспериментальное исследование свободных пленок тонких куполообразных пленок движущейся жидкости / Э.Ф. Шургальский и др. // Деп. в ОНИИТЭхим. № 64хп-Д84.

126. Taylor, C.I. The dynamics of thin sheets of fluid. I Water bells / C.I. Taylor // Proc. Roy. Soc. Ser A. 1959. - V. 253. - № 1274.

127. Теория тепломассообмена / С.И. Исаев и др.; под ред. А.И. Леонтьева. М.: Высш. шк., 1979. - 495 с.

128. Дёч, Г. Руководство к практическому применению преобразования Лапласа / Г. Дёч. М.: Наука, 1965. - 288 с.

129. Диткин, В.А. Интегральные преобразования и операционное исчисление / В.А. Диткин, А.П. Прудников. М. : Наука, 1974. - 544 с.

130. Бейтмен, Г. Таблицы интегральных преобразований. Преобразования Фурье, Лапласа, Меллина / Г. Бейтмен, А. Эрдейи. М.: Наука, 1969. - 344 с.

131. Андреев Е.И. Расчет тепло- и массообмена в контактных аппаратах / Е.И. Андреев. JI.: Энергоатомиздат, 1985.

132. Дитяткин, Ю.Ф. Распыливание жидкостей / Дитяткин Ю.Ф. и др.. -М. : Машиностроение, 1977. 208 с.

133. Кутателадзе, С.С. Тепломассообмен и трение в турбулентном пограничном слое / С.С. Кутателадзе, А.И. Леонтьев. М.: Энергия, 1972.

134. Себиси, Т. Конвективный теплообмен / Т. Себиси, П. Брэдшоу. М. : Мир, 1987.-592 с.

135. Шлихтинг, Г. Теория пограничного слоя / Г. Шлихтинг. М. : Наука, 1974.

136. Пленочная тарелка с делением газового потока / Н.И. Николайкин и др. // Теор. осн. хим. технол. 1982. - Т. XVI. - № 6. - С. 738-744.

137. Контактный теплообменник с рециркуляцией нагреваемой воды / Семенов В.П. и др. // Деп. в ЦНИИТЭИТяжмаш, № 222-ТМ. 1988.

138. Опытно-промышленные испытания безнасадочного контактного теплообменника с рециркуляцией нагреваемой воды / Семенов В.П. и др. // Деп. в ЦНИИТЭИТяжмаш, № 317-ТМ. 1988.

139. Семенов, В.П. Теплообмен в пространственной пленке жидкости в контактных теплообменниках / В.П. Семенов, Н.И. Платонов // Проблемы физико-математического образования в России на современном этапе : тез. докл. межвуз. науч.-техн. конф. Уфа, 1977.

140. Беляев, Д.С. Из опыта эксплуатации кирпичных дымовых труб промышленных котельных, работающих на газе / Д.С. Беляев // Промышленная энергетика. 1971. - № 9.

141. Житин, В.В. Использование тепла низкотемпературных и загрязненных потоков /В.В. Житин, Б.И. Псахис // Рациональное использование и экономичное расходование топлива и энергии. (Симпоз. СССР и ФРГ). М., 1983. -С. 303-316.

142. Аронов, И.З. Контактный нагрев воды продуктами сгорания природного газа / И.З. Аронов. JI.: Недра, 1978.

143. Соснин, Ю.П. Контактные водонагреватели / Ю.П. Соснин. М.: Стройиздат, 1974.

144. Тепловой расчет котельных агрегатов. Нормативный метод. М. : Энергия, 1973.

145. Бузников, Е.Ф. Водогрейные котлы и их применение на электростанциях и в котельных / Е.Ф. Бузников, В.Н. Сидоров. — М. : Энергия, 1965.

146. Аронов, И.З. Использование тепла уходящих газов газифицированных котельных / И.З. Аронов. М. : Энергия, 1967.

147. Аронов, И.З. Экономия топлива путем глубокого охлаждения дымовых газов в контактных экономайзерах / И.З. Аронов, В.П. Вершинский, Г.А. Пресич // Хим. и нефт. машиностроение. 1981. - № 11. - С. 15-17.

148. Аронов, И.З. Опыт эксплуатации контактных экономайзеров на Пер-воуральской ТЭЦ / И.З. Аронов, Г.А. Пресич // Промышленная энергетика. -1991.-№8. -С. 17-20.

149. Аронов, И.З. Комплексное использование природного газа в котельных установках с контактными экономайзерами / И.З. Аронов и др. // Промышленная энергетика. 1982. - № 1. - С. 45-47.

150. Аронов, И.З. Об установке контактных экономайзеров на электростанциях / И.З. Аронов, В.П. Шанин // Теплоэнергетика. 1978. - № 11. - С. 4950.

151. Бухаркин, Е.Н. Применение контактных теплообменников в схемах использования теплоты уходящих газов для получения конденсата и обезвреживания сточных вод / Е.Н. Бухаркин // Промышленная энергетика. 1982. - № 2.-С. 36-39.

152. Бухаркин, Е.Н. Опыт использования вторичных энергересурсов в производственной котельной / Е.Н. Бухаркин, Е.П. Баранов, В.В. Кушнирук // Промышленная энергетика. 1988. - № 12. - С. 5-8.

153. Гладунов, А.И. Анализ опыта применения контактных водонагревателей на промышленных предприятиях Москвы / А.И. Гладунов, Ю.В. Пустова-лов // Промышленная энергетика. 1982. - № 2. - С. 36-39.

154. Ибрагимов, Г.И. Опыт комплексного ступенчатого использования тепла продуктов сгорания газа на промышленных предприятиях / Г.И. Ибрагимов // Промышленная энергетика. 1979. - № 8.

155. Пекелис, Г.Б. Глубокое охлаждение отходящих продуктов сгорания энергетических установок / Г.Б. Пекелис. Минск: ЦК КПБ, 1957.

156. Соснин, Ю.П. Высокоэффективные газовые контактные водонагреватели / Ю.П. Соснин, Е.Н. Бухаркин. М. : Стройиздат, 1988.

157. Опыт использования контактного подогревателя для промежуточного подогрева подпиточной воды теплосети / С.Е. Шицман и др. // Теплоэнергетика. 1981. - № 3. - С. 24-26.

158. Die Nutzung des Brennwertes bei gasbefeuerten Warmeerzeugern // Gasverwendung. 1976. - V.27. - № 7-8. - P. 296-304.

159. Jahrburh dtr Warmeerziickgewinnung // Gas Warm Internationale. 1985.- № 7. P. 304.

160. Rado, L. Die «Total Energienutzung» 100% Wirkungsgrad? Die Brennweitrnutzung bei gasbefeuerten Warmeerzeugern / L. Rado // Gas Warm Internationale. - V.25. - № 7-8. - P. 378-382.

161. Платонов, Н.И. Исследование тепло- и массообмена между свободной пленкой жидкости и поперечным потоком газа в контактном теплообменнике : дис. . канд. техн. наук / Н.И. Платонов. Магнитогорск, 1998.

162. А.с. 15779 Российская Федерация, МКИ 7F24H1/00. Водогрейный котел / В.П. Семенов, Т.П. Семенова. Заявл. 10.11.2000 г., бюл. №31.

163. Семенов, В.П. Критериальное обобщение результатов измерений коэффициента теплопроводности ультразвуковым методом / В.П. Семенов // Вестник МаГУ. Вып. 1. Естественные науки. Магнитогорск, 2000. - С. 145149.

164. Семенов, В.П. Безнасадочный контактный теплообменник с рециркуляцией нагреваемой воды и результаты его испытаний / В.П. Семенов, Н.И. Платонов // Докл. отраслевого совещ. гл. энергетиков. Киев, 1988.

165. Солодов, А.П. Принципы тепломассообмена / А.П. Солодов. М.: Изд-во МЭИ, 2002. - 96 с.

166. Jasuro, Jakahashi. Fundamental Study on Steam Surface Condenser / Jakahashi Jasuro, Soda Masahiro // Mitsubizhi Heavy Ind. Tech. Rev. 1973. - Vol. 10.-X2 3.-P. 1-8.

167. Семенов, В.П. Основы механики жидкости : учеб. пособие / В.П. Семенов. Магнитогорск : Изд-во МаГУ, 2008. - 294 с.

168. Шкловер, Г.Г. Об отрыве капель при конденсации неподвижного пара на горизонтальной трубе / Г.Г. Шкловер, В.П. Семенов // Тез. докл. V науч.-техн. конф. Калужского областного правления НТО «Машпром». Калуга, 1977.-С. 26-27.

169. Семенов, В.П. Исследование конденсации пара в горизонтальных трубных пучках / В.П. Семенов, Г.Г. Шкловер; Калужский государственный педагогический институт им. К.Э. Циолковского // Отчет. Х° гос.регистр. V 57850 (90171 Р).

170. Semenov, V. Effect of tube pitch and diameter on condensate film flow in horizontal tube bundles Heat Transfer / V. Semenov, G. Shklover // Soviet research. -1980.-Vol. 12. P.143-144

171. Semenov, V. The flow-mode of condensate in a multirow horizontal tube bundle Heat Transfer / V. Semenov, G. Shklover // Soviet research. 1981. - Vol. 13.-Xo3.-P. 127-133.

172. Семенов, В.П. Исследование теплообмена при конденсации пара с учётом дискретного стекания конденсата : автореф. дис. . канд. техн. наук / В.П. Семенов. М., 1982.

173. Шкловер, Г.Г. Конденсация неподвижного пара на горизонтальных трубных пучках / Г.Г. Шкловер, О.О. Мильман // Исследование и расчет конденсационных устройств паровых турбин. М. : Энергоатомиздат, 1985.

174. Шкловер, Г.Г. Исследование конденсации на горизонтальной трубе при пространственно-неоднородном распределении температур / Г.Г. Шкловер, A.M. Усачев, В.П.Семенов // Теплообмен и энергооборудование АЭС. Л., 1986.

175. Платонов, Н.И. Экспериментальное исследование свободной жидкостной пленки, вытекающей из кольцевой щели // Н.И. Платонов, В.П.Семенов // Вестник МаГУ : период, науч. журнал. Вып. 5. Естественные науки. Магнитогорск : МаГУ, 2004. - С.203-206.

176. Никитин, Н.Н. Теплоотдача при конденсации неподвижного пара на гладкой горизонтальной трубе с профилем уменьшающейся кривизны / Н.Н.

177. Никитин, В.П.Семенов // Молодежь и наука: проблемы и перспективы : матер, междунар. науч. конф. студентов и молодых ученых, посвященной международному году физики. 21-22 апр. 2005 г. Алма-Ата : КазНУ, 2005. - С. 59.

178. Никитин, Н.Н. Интенсификация теплообмена при конденсации пара на горизонтальных некруглых трубах в условиях микрогравитации / Н.Н. Никитин , В.П.Семенов // Наука Вуз - Школа : сб. тр. - Магнитогорск : МаГУ. - С. 324-329.

179. Никитин, Н.Н. Тепловая эффективность различных типов некруглых горизонтальных труб при конденсации пара / Н.Н. Никитин , В.П.Семенов // Инженерная физика. 2007. - №3. - С.21-24.

180. Никитин Н.Н. Влияние сил поверхностного натяжения на течение пленки и теплоотдачу при конденсации пара на наклонных некруглых трубах /Н.Н. Никитин, В.П.Семенов // Изв. вузов. Проблемы энергетики./

181. Nikitin, N. Condensation heat transfer on non-circular pipes in a stationary vapor / N. Nikitin, V. Semenov // Fifth Baltic Heat Transfer Conference (5th BHTC) 19-21 September, 2007, Seint Petersburg, Russia.

182. Semenov, V. Condensation Heat Transfer on Noncircular Pipes in Stationary Vapor / V. Semenov, N. Nikitin // Heat Transfer Research. 2008. - Vol. 39. -№4. -P. 317-326.

183. Усачев, A.M. Влияние поверхностных сил на тепло-и массообмен при конденсации и методика их учета при расчете поверхностных конденсаторов : автореф. дис. . канд. техн. наук / A.M. Усачев, Калуга, 1991.

184. Попов, И.А. Теплогидравлическая эффективность перспективных-способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования при вынужденном движении теплоносителей : автореф. дис. . д-ра техн. наук / И.А. Попов Казань, 2008.

185. Храмов, С.М. Экспериментальные и расчетные исследовани перспективных двухфазных систем обеспечения теплового режима космических аппаратов и.их элементов : автореф. дис. . канд. техн. наук / С.М. Храмов. М., 2003.

186. Гортышов, Ю.Ф. Научные основы расчета высокоэффективных компактных теплообменных аппаратов с рациональными интенсификаторми теплоотдачи / Ю.Ф. Гортышов, И.А.Попов // Теплоэнергетика. 2006. — № 4. — С. 2-14.

187. Данилов, O.J1. Использование вторичных энергетических ресурсов/ О.Л. Данилов, В.А. Мунц. Екатеринбург : УГТУ-УПИ, 2008. - 154 с.

188. Берман, Л.Д. Экспериментальное исследование конденсации пара в присутствии неконденсирующихся газов / Л.Д. Берман // Теплоэнергетика. -1957. -№ 6.

189. Исаченко, В.П., Богородский А.С. Исследование тепло- и массообме-на при капельной конденсации пара из паровоздушной смеси / В.П. Исаченко, А.С. Богородский // Теплоэнергетика. 1969. - № 2. - С. 79-82.

190. Борисанов, В.К. О поверхности контакта и коэффициенте теплопередачи в аппаратах с пространственными пленками жидкости / В.К. Борисанов, Г.Н. Абаев, B.C. Галустов // Теор. осн. хим. технологии. 1991. - Т. XXV. -№1. - С. 122-124.

191. Чехов, О.С. Исследование и промышленное внедрение тарелок для массообменных процессов, созданных по принципу предельно-поперечного секционирования потоков в колоне : автореф. дис . д-ра техн. наук. М., 1969.

192. Чехов, О.С. Аппараты ПКР с многощелевыми распределителями жидкости / О.С. Чехов и др. // Современные машины и аппараты химических производств : матер. II всесоюз. конф. Чимкент, 1980. - Т. 2.

193. Чехов, О.С. Гидродинамика пленочных тарелок / О.С. Чехов, М.К. Сулейманов // Теор. осн. хим. технол. 1974. - Т. VIII. - №5. - С.720-725.

194. Пажи, Д.Г. Основы техники распыливания жидкостей / Д.Г. Пажи,

195. B.C. Галустов. М.: Химия, 1984.

196. Семенов, В.П. Экспериментальное исследование свободной жидкостной пленки, вытекающей из кольцевой щели / В.П. Семенов и др. // Вестник МаГУ : Периодический научный журнал. Вып. 5. Естественные науки. Магнитогорск : МаГУ, 2004. - С. 203-206.

197. Базаев, А.Р. Система автоматического регулирования температуры в воздушном пространстве / А.Р. Базаев // Пром. теплотехника. 1986. - Т. 8. -№6.-С. 97-100.

198. Эткин, В.Б. Система непрерывного контроля расхода вохдуха, подаваемого к горелкам котлов / В.Б. Эткин и др. // Теплоэнергетика—1983.—№6—1. C.38-41.

199. Эткин, В.Б. Влияние турбулентности потока на показания термоане-мометрических датчиков массовой скорости воздуха / В.Б. Эткин и др. // Теплоэнергетика. 1987. - №2. - С.-50-53.

200. Новицкий, П.В. Оценка погрешностей результатов измерений / П.В. Новицкий, И.А. Зограф. Л.: Энергоатомиздат, 1991. - 304 с.

201. Ривкин, С.Л. Термодинамические свойства воздуха и продуктов сгорания топлив : справочник / С.Л. Ривкин. — М.: Энергоатомиздат, 1984. 104 с.

202. Александров, А.А. Теплофизические свойства воды при атмосферном давлении / А.А. Александров, М.С. Трахтенгерц. М. : Изд-во стандартов, 1977.

203. Пресич, Г.А. Потребление электрической мощности дымососом при работе контактного утилизатора / Г.А. Пресич, Л.Г. Семенюк // Пром. энергети-ка.-1980.-№ 10.