2019.04.19
(1)
Процесс кипения имеет большое значение при работе вакуумного котла.
В статье рассмотрено влияние теплообмена при кипении в разряженной полости на коэффициент полезного действия вакуумного котла. Представлены
расчетные зависимости температуры насыщения, коэффициентов теплоотдачи при кипении в различном диапазоне давлений.
Ключевые слова: вакуумный котел, кипение, теплоотдача, давление, тепловые
потери, коэффициент полезного действия.
Эффективность работы вакуумного котла определяется процессами кипения и конденсации в разряженной полости. В данной статье будет рассмотрено влияние процесса кипения на эффективность
работы вакуумного котла.
Кипение — сложный процесс, условия протекания которого определяются различными теплофизическими факторами. Интенсивность кипения
зависит от давления и теплофизических свойств
жидкости. Параметром, оказывающим наибольшее
влияние на процесс кипения, является давление.
С увеличением давления насыщения интенсивность
теплообмена повышается, уменьшаются размеры
пузырька в момент возникновения и отрыва, увеличиваются число центров и частота отрыва пузырей
в этих центрах. С приближением термодинамического состояния к критическому воздействие этих
факторов возрастает и, соответственно, наблюдается рост влияния давления на теплоотдачу.
Существенное влияние на теплообмен оказывают теплофизические свойства жидкости, которые напрямую зависят от давления и температуры.
Со снижением давления из-за увеличения критического радиуса парового пузырька создаются значительные трудности в образовании паровой фазы на
поверхности нагрева, что приводит к существенному изменению внутренних характеристик процесса
кипения — скорости роста, отрывного диаметра,
частоты отрыва паровых пузырьков. При этом растягивается переходный режим кипения, характеризующийся неустойчивостью, нестабильностью
процесса парообразования и нестационарностью
теплообмена [1].
Температура насыщения TS(p) является характерным параметром при тепловых расчетах модели
газотрубного котла. С помощью корреляционной
зависимости Антуана, применяемой для практических расчетов температуры насыщения в широком
диапазоне давлений, рассчитана температура насыщения для теплоносителей вода (H2O) и этиленгликоль (С2H6O2).
Полученные результаты подтверждают взаимосвязь температуры насыщения и давления. С понижением давления температура насыщения уменьшается.
Давление ниже атмосферного влияет на интенсивность теплообмена со стенкой.
Переход к конвективным явлениям в областях
с пониженным давлением связан с дальнейшим
ухудшением теплообмена вследствие уменьшения
числа соударений молекул с поверхностью и между
собой [2, 3].
Изменения механизма и интенсивности теплообмена приводят к возникновению кризисов кипения. Определяющими факторами всех трех кризисов кипения являются: критическая плотность
теплового потока, коэффициент теплоотдачи и температурный напор. В соответствии с литературны-
ми данными [4, 5] критическая плотность теплового
потока во избежание кризиса кипения не должна
превышать 200 кВт/м2, а значения температурного
напора не должны превышать 30 К, должны соблюдаться неравенства qкр3 менее q менее qкр1, ΔTкр3 менее ΔT менее ΔTкр1.
В этом случае кипение соответствует пузырьковому
режиму.
При увеличении температурного напора, а также давления на поверхности нагрева увеличивается
число активных центров парообразования. В итоге все большее количество пузырьков непрерывно
возникает, растет и отрывается от поверхности нагрева, увеличивается турбулизация и перемешивание пристенного пограничного слоя жидкости.
В процессе своего роста на поверхности нагрева
пузырьки так же интенсивно забирают теплоту из
пограничного слоя, все это способствует улучшению теплоотдачи. При понижении давления наблюдается обратный эффект [1, 5].
С понижением давления снижается интенсивность процесса теплообмена, увеличивается критический радиус парового пузырька, создаются значительные трудности в образовании паровой фазы
на поверхности нагрева и как следствие изменение
внутренних характеристик процесса кипения —
скорости роста, отрывного диаметра, частоты отрыва паровых пузырьков [5].
Существуют различные методики для расчета
коэффициентов теплоотдачи (α) при кипении жидкости.
При расчете процесса кипения в большом объеме в диапазоне давлений от 1 до 200 бар возможно применение соотношения М. А. Михеева
и И. М. Михеевой [6]: или, согласно авторам В. П. Исаченко, В. А. Осипову, А. С. Сукомелу [5]:
α = 3,0·q0,7·p0,15,
где p — давление насыщенных паров, q — плотность теплового потока.
При расчете теплоотдачи в зоне развитого кипения и при более высоких тепловых потоках и давлении целесообразно применять расчетную зависимость Ю. М. Липова и Ю. М. Третьякова [7]: α = 0,9∙4,34∙q0,7(p0,14+1,35∙10-2∙p2).
Результаты расчетов представлены в виде графической зависимости.
Расчет коэффициента теплоотдачи по трем разным методикам [5–7] подтвердил влияние давления
ниже атмосферного на интенсивность теплообмена
в разряженной полости вакуумного котла, с понижением давления происходит снижение коэффициента теплоотдачи.
Уменьшение коэффициента теплоотдачи с понижением давления насыщенных паров в полости
с разряжением оказывает влияние на температуру
уходящих газов и, как следствие, на величину тепловых потерь с уходящими газами (q2). Из всех тепловых потерь, входящих в расчетную формулу для
определения КПД брутто вакуумного котла, величина q2 — самая значительная, напрямую зависящая
от коэффициента избытка воздуха, температуры
уходящих газов Тух и забалластированности негорючими газами газообразного топлива.
Проведенные расчетные исследования показали,
что с увеличением разряжения насыщенных паров
температура уходящих газов увеличивается
и превышает установленный верхний допустимый
предел 170 оС [8]. Это объясняется уменьшением коэффициента теплоотдачи со стороны стенки
к кипящей воде.
Температуру уходящих газов необходимо поддерживать строго в заданном интервале температур, так как при низкой температуре возможна
конденсация водяных паров на поверхностях нагрева, что приводит к интенсивной кислотной коррозии [9]. Температура уходящих газов оказывает
влияние на коэффициент полезного действия котла
брутто. КПД котла брутто, рассчитанный методом
обратного баланса с учетом суммы тепловых потерь
при его работе [7].
С увеличением разряжения и ростом тепловых
потерь q2 происходит снижение КПД котла.
Полученные расчетные данные позволяют сделать вывод о необходимости применения методов
интенсификации в полости с разряжением [10].
Снижение температуры уходящих газов в пределах
15–20 % приводит к уменьшению потери q2 и к росту КПД котла на 1 %.
Использование интенсификации для процесса
кипения в разряженной полости вакуумного котла
позволит сократить тепловые потери q2 и создать
энергоэффективный образец вакуумного котла, не
уступающий известным аналогам.
Библиографический список
1. Влияние теплофизических свойств материала оребренной поверхности на выбор ее оптимальных геометрических
характеристик / С. Д. Корнеев [и др.] // Известия МГИУ. –
2006. – № 1 (2). – С. 56–61.
2. Термодинамика и теплопередача : учеб. для вузов /
А. В. Болгарский [и др.]. – 2-е изд., перераб. и доп. – М. :
Высш. школа, 1975. – 495 с.
3. Кутателадзе, С. С. Основы теории теплообмена /
С. С. Кутателадзе. – 5-е изд. перераб. и доп. – М. : Атомиздат, 1979. – 416 с.
4. Кутателадзе, С. С. Теплопередачи при кипении и конденсации / С. С. Кутателадзе. – М. : МАШГИЗ, 1952. – 236 с.
5. Исаченко, В. П. Теплопередача : учеб. для вузов /
В. П. Исаченко, В. А. Осипова, А. С. Сукомел. – 4-е изд., перераб. и доп. – М. : Энергоиздат, 1981. – 416 с.
6. Михеев, М. А. Основы теплопередачи / М. А. Михеев,
И. М. Михеева. – 2-е изд. – М. : Энергия, 1977. – 344 с.
7. Липов, Ю. М. Котельные установки и парогенераторы /
Ю. М. Липов, Ю. М. Третьяков. – М., Ижевск : НИЦ Регулярная и хаотическая динамика, 2003. – 592 с.
8. Сидельковский, Л. Н. Котельные установки промыш-
ленных предприятий / Л. Н. Сидельковский, В. Н. Юренев. –
М. : Энергоатомиздат, 1988. – 528 с.
9. Лариков, Н. Н. Теплотехника : учеб. для вузов /
Н. Н. Лариков. – 3-е изд., перераб. и доп. – М. : Стройиздат,
1985. – 432 с.
10. Cлободина, Е. Н. Интенсификация процессов кипения и конденсации в рабочем объеме вакуумного котла /
Е. Н. Cлободина // Динамика систем, механизмов и машин. –
2014. – № 2. – C. 134–136.
ТЕПЛООБМЕН ПРИ КИПЕНИИ