Тепломасообмін в перехресноточних контактних апаратах із сітчастими насадками

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний технічний університет України

„Київський політехнічний інститут”

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Тепломасообмін в перехресноточних контактних апаратах із сітчастими насадками

Лебедь Наталія Леонідівна

Київ - 2006

Анотація

Лебедь Н.Л. Тепломасообмін в перехресноточних контактних апаратах із сітчастими насадками. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.14.06 - Технічна теплофізика та промислова теплоенергетика. - Національний технічний університет України “КПІ”, Міністерство освіти та науки України, Київ, 2006.

Дисертація присвячена дослідженням, метою яких є підвищення ефективності роботи тепломасообмінного апарату контактного типу шляхом розробки, дослідження і впровадження нових типів насадок у вигляді пакета плоских пластин із сітчастим покриттям, що утворюють систему щілинних каналів.

У роботі виконані експериментальні дослідження процесів тепло- і масообміну при випарі плівки рідини у щілинному каналі зі сітчастим покриттям стінок у випадках природної конвекції і примусової перехресної течії теплоносіїв при варіюванні розміру вічка сітчастого покриття, вхідних параметрів теплоносіїв і геометричних характеристик каналу.

Отримані узагальнюючі залежності, що враховують вплив на інтенсивність тепло- і масообміну наведених факторів при оптимальній геометрії сітчастого покриття (розмір вічка 6,310-4 м і діаметр дроту 3,010-4 м) і можуть використовуватися для розрахунку коефіцієнтів тепло- та масообміну при природній конвекції в діапазоні зміни Reпл = 25…90 та GrPr = 6,5104…4108, а також у випадку примусової перехресної течії теплоносіїв при Reг = 1250…3300 і Reпл = 25…100.

Розроблені конструкція високоефективного контактного апарату з насадкою у вигляді пакету пластин із сітчастим покриттям та методики розрахунку параметрів теплоносіїв у ньому.

Ключові слова: щілинний канал з сітчастим покриттям стінок, природна конвекція, примусова конвекція при перехресній течії теплоносіїв, густина зрошення, плівка рідини, теплообмін, масообмін.

Аннотация

Лебедь Н.Л. Тепломассообмен в перекрёстноточных контактных аппаратах с сетчатыми насадками. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.14.06 - Техническая теплофизика и промышленная теплоэнергетика. - Национальный технический университет Украины “КПИ”, Министерство образования и науки Украины, Киев, 2006.

Диссертация посвящена исследованиям c целью повышения эффективности работы тепломассообменного аппарата контактного типа путём разработки, изучения и внедрения новых видов насадок в виде пакета плоских пластин с сетчатым покрытием, образующих систему щелевых каналов. При анализе процессов тепло- и массообмена в щелевых каналах с сетчатым покрытием стенок использовались методы экспериментального исследования локальных и средних коэффициентов тепло- и массоотдачи, а также методы математического моделирования на основе физической модели процесса.

В работе представлены экспериментальная установка и методика проведения экспериментов по исследованию процессов тепломассообмена и гидродинамики при испарении плёнки жидкости в элементе регулярной насадки контактного тепломассообменного аппарата при естественной конвекции и вынужденном перекрёстном течении теплоносителей.

Экспериментальные исследования влияния на процессы тепло- и массообмена характеристик сетчатого покрытия стенок щелевого канала (использовались сетки простого плетения из стали 12Х18Н9Т ГОСТ 3826-82) при вынужденном перекрёстном течении теплоносителей показали, что при варьировании размера ячейки сетки в приделах S = (3,55…7,0)10-4 м при скоростях газа Vг = (2,0…5,2) м/с и постоянной плотности орошения максимальные значения коэффициентов теплоотдачи имели место при S = 6,310-4 м. Это значение было принято за оптимальное и сетки с таким размером ячейки и диаметром проволоки 3,010-4 м использовались во всех экспериментах, в том числе и при естественной конвекции.

Экспериментальные исследования показали, что применение оптимального сетчатого покрытия поверхности пластинчатой насадки позволяет:

увеличить интенсивность процессов тепло- и массообмена при испарении плёнки жидкости в случае естественной конвекции на 10 % по сравнению со случаем, когда интенсификаторы имеют вид выступов из теплоизоляционного материала и на 30% по сравнению со случаем, когда интенсификаторы имеют вид металлических выступов;

увеличить интенсивность процессов тепло- и массообмена при вынужденном перекрёстном течении теплоносителей в 1,5 раза по сравнению с гофрированной насадкой, имеющей регулярную шероховатость;

увеличить диапазон работы насадки по скорости газа при вынужденном перекрёстном течении теплоносителей на 15…20 % по сравнению со случаем, когда поверхность пластин насадки не имеет сетчатого покрытия.

Исследования закономерностей изменения интенсивности процессов тепло- и массообмена при испарении жидкости в щелевом канале с оптимальным сетчатым покрытием стенок (S = 6,310-4 м) показали следующее:

увеличение скорости газового потока от 2 м/с до 5,2 м/с приводит к увеличению интенсивности процессов тепло- и массообмена на 78 %;

при увеличении плотности орошения в щелевом канале от 4·10-3 кг/(мс) до 10·10-3 кг/(мс) интенсивность процессов тепло- и массообмена возрастает на 54 % в случае вынужденного перекрёстного течения теплоносителей и на 100 % в случае естественной конвекции (при избыточной температуре жидкости на входе больше 40 0С);

при увеличении ширины щелевого канала от 0,005 м до 0,05 м интенсивность процессов тепло- и массообмена возрастает в 2,5 раза в случае естественной конвекции и на 70 % при перекрёстном течении теплоносителей, дальнейшее увеличение ширины щелевого канала не приводит к интенсификации процессов тепломассообмена.

В результате обобщения экспериментальных данных по исследованию процессов испарения плёнки жидкости в щелевом канале с оптимальным сетчатым покрытием стенок при вынужденном перекрёстном течении теплоносителей и естественной конвекции впервые были получены обобщённые зависимости для определения средних и локальных коэффициентов тепло- и массообмена, которые учитывают влияние входных параметров теплоносителей и геометрических характеристик канала. Зависимости получены в диапазоне изменения плёночного числа Рейнольдса Reпл = 25…90 и числа Релея GrPr = 6,5104…4108 - для естественной конвекции и для перекрёстного течения теплоносителей - диапазон изменения числа Рейнольдса по газу Reг = 1250…3300 и плёночного числа Рейнольдса Reпл = 25…100. Погрешность обобщения составила не более 9,5 %.

На основании выполненных исследований разработаны методики расчёта тепломассообменного аппарата контактного типа, работающего как в условиях естественной конвекции так и вынужденного перекрёстного течения теплоносителей. Методики расчёта основываются на математических моделях, описывающих процесс испарения плёнки жидкости в щелевом канале с использованием эмпирических зависимостей.

Проведенное сравнение значений температуры газового потока, полученных в результате расчёта по предложенным методикам, с экспериментальными данными показало их хорошее согласование отклонение составляет 9 %.

Результаты аналитических и экспериментальных исследований использованы при разработке фильтров-сепараторов газа, которые эксплуатируются на компрессорных станциях СПХГ ГРС УМГ “Киевтрансгаз”. Применение таких аппаратов в топливной системе ГТУ ГПА позволяет получить гомогенное топливо путем удаления твердых частиц, фракционирования и испарения газового конденсата и воды, которые находятся в природном газе в виде капель, с последующей сепарацией тяжёлых углеводных фракций и механических примесей.

Ключевые слова: щелевой канал с сетчатым покрытием стенок, естественная конвекция, вынужденная конвекция при перекрёстном течении теплоносителей, плотность орошения, плёнка жидкости, теплообмен, массообмен.

Summary

Lebed N.L. Heat and mass transfer in cross-flow contact devices with grid fillings. - Manuscript.

Thesis for scientific degree of candidate of technical science by specialty 05.14.06 - “Technical thermal physics and industrial heat power engineering”. National Technical University of Ukraine “KPI”, Kiev, 2006.

The work is devoted to investigations, the aim of which is to increase an efficiency of heat and mass transfer devices of contact type by development, research and implementation of new types of fillings in the shape of flat plates with grid coating that create slot channels system.

The results and the generalization of experimental data on heat and mass transfer process when the liquid film vaporizes in the slot channel with grid coating of walls are given under condition of natural convection and forced cross-flow of heat carriers.

Empirical dependences obtained for the first time, take into account the influence of phase transition under liquid vaporization inlet parameters of heat carriers and geometric characteristics of the channel on the intensity of the heat and mass transfer process in the slot channel.

The conducted experiments and the developed calculating methods resulted in creation of contact heat and mass transfer device with grid filling which provides high intensity of heat and mass transfer processes under the vaporization of dropping liquids when aerodynamic drag is low.

Key words: slot channel with grid coating of walls; natural convection; forced convection at cross-flow of heat carriers; water concentration; liquid film; heat transfer; mass transfer.

1. Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Одним з найбільш ефективних типів тепломасообмінних апаратів є контактні апарати насадкового типу, в яких потік газового теплоносія взаємодіє з гравітаційно стікаючою по елементах насадки плівкою рідини. Найважливішою перевагою таких апаратів є можливість скорочення тривалості технологічних процесів при одночасному збільшенні потоків взаємодіючих середовищ, вони стабільно працюють в умовах підвищеного тиску і розрідження, мають малі інерційність та аеродинамічний опір, відрізняються розвинутою поверхнею контакту, порівняно прості у виготовленні й експлуатації. Ці переваги плівкових апаратів і обумовлюють їхнє широке використання в багатьох галузях промисловості.

Необхідність підвищення конкурентноздатності технологічного устаткування вимагає удосконалювання плівкових апаратів шляхом інтенсифікації процесів переносу в них, створення більш точних і універсальних методик їхнього розрахунку, що неможливо без глибокого вивчення особливостей процесів тепло- і масообміну при контакті плівки рідини і газу.

Основним елементом контактних тепломасообмінних апаратів насадочного типу є насадка, на поверхні якої протікають процеси тепло- і масообміну. Насадка повинна мати розвинену поверхню при великому вільному об'ємі, забезпечувати рівномірність підведення і розподілу рідини і газу. Найбільш практичний інтерес представляють насадки, в яких реалізуються пасивні методи інтенсифікації процесів тепломасообміну. До таких насадок відносяться сітчасті насадки (виготовлені із сітчастого матеріалу) або насадки у вигляді пакету пластин із сітчастим покриттям, що мають ряд переваг у порівнянні з іншими типами насадок: у них забезпечується найбільш рівномірний розподіл рідини по поверхні контакту, а також рівномірне поле температур у плівці; такі насадки розширюють діапазон режимних параметрів при примусовій течії теплоносіїв, розвивають поверхню теплообміну, забезпечують малий аеродинамічний опір і мають відносно малі габарити.

У процесі запуску й аварійної зупинки тепломасообмінного апарата можливе виникнення перехідного режиму охолодження рідини від примусової до природної конвекції. Це призводить до зміни умов протікання процесів тепло- і масообміну в елементах насадки, а отже, до зміни параметрів теплоносіїв на виході з апарата. У цьому випадку використання залежностей, отриманих для примусової конвекції в каналі насадки, приводить до істотної погрішності у визначенні параметрів теплоносіїв. Тому для проектування і виготовлення контактних тепломасообмінних апаратів необхідно мати дані по закономірностям тепло- і масопереносу при різних режимах роботи апарата.

Дослідженню процесів, що протікають у насадочному шарі теплообмінних апаратів контактного типу, присвячена велика кількість робіт. Але у літературі відсутні дані по дослідженню процесів тепло- і масообміну при випарі плівки рідини в насадці регулярного типу, яка являє собою пакет плоских пластин із сітчастим покриттям, що утворює систему з щілинних каналів, в умовах природної конвекції та примусовій перехресній течії теплоносіїв.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана на кафедрі атомних електричних станцій і інженерної теплофізики Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут”. Тематика дисертаційної роботи відповідає науковому напрямку кафедри. Розділи даної роботи входили до складу науково-дослідницьких тем за договором № 15/161 “Виготовлення та налагодження тепломасообмінного обладнання системи підготовки паливного газу”.

Мета і задачі дослідження. Метою даної роботи є підвищення ефективності тепломасообмінних апаратів контактного типу шляхом розробки, дослідження і впровадження нових видів регулярних насадок у виді пакета плоских пластин із сітчастим покриттям, що утворюють систему щілинних каналів. Насадки такого типу забезпечують високу інтенсивність процесів тепломасообміну при випарі крапельних рідин при низькому аеродинамічному опорі.

Об'єкт дослідження - елемент насадки у виді щілинного каналу, який утворений пластинами із сітчастим покриттям стінок.

Предмет дослідження - процеси тепломасообміну в щілинному каналі з сітчастим покриттям стінок при природній конвекції і примусовій перехресній течії теплоносіїв.

Методи дослідження. При аналізі процесів тепломасообміну в щілинних каналах із сітчастим покриттям стінок в умовах природної і примусової конвекції використовувалися методи експериментального дослідження локальних і середніх коефіцієнтів тепло- і масовіддачі, а також методи математичного моделювання на основі фізичної моделі процесу.

Для досягнення поставленої мети необхідно було вирішити наступні задачі дослідження:

Експериментально дослідити процес тепломасообміну при випарі плівки рідини в елементі насадки, що являє собою щілинний канал із сітчастим покриттям стінок, при природній конвекції і примусовій перехресній течії теплоносіїв.

Дослідити вплив геометричних і режимних параметрів на інтенсивність процесів тепло- і масообміну при випарі плівки рідини в щілинному каналі із сітчастим покриттям стінок в умовах природної конвекції і примусової перехресної течії теплоносіїв.

Скласти методику розрахунку контактного тепломасообмінного апарата з насадкою у виді пакета пластин із сітчастим покриттям, що працює в умовах природної конвекції і примусової перехресної течії теплоносіїв.

Розробити контактний тепломасообмінний апарат з насадкою у вигляді пакета плоских пластин із сітчастим покриттям, що утворюють систему щілинних каналів.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в наступному:

Вперше досліджені закономірності процесів тепло- і масообміну при випарі плівки рідини в щілинному каналі із сітчастим покриттям стінок у випадках природної конвекції і примусової перехресної течії теплоносіїв.

У випадку природної конвекції вперше досліджені закономірності локального процесу тепло- і масообміну при випарі плівки рідини в щілинному каналі із сітчастим покриттям стінок.

Вперше проведено аналіз впливу зміни геометричних характеристик щілинного каналу та вхідних параметрів теплоносіїв на інтенсивність процесів тепло- і масообміну при випарі плівки рідини, що гравітаційно стікає по стінках щілинного каналу із сітчастим покриттям, в умовах природної конвекції і примусової перехресної течії теплоносіїв.

На підставі експериментальних даних дослідження процесів тепло- і масообміну в щілинному каналі із сітчастим покриттям стінок у випадках природної конвекції і примусової перехресної течії теплоносіїв вперше отримані узагальнені залежності для визначення локальних і середніх коефіцієнтів тепло- і масовіддачі, що враховують вплив на інтенсивність процесів тепло- і масообміну теплоти фазового переходу при випарі плівки рідини, геометричних параметрів щілинного каналу і режимних параметрів теплоносіїв.

Вперше запропонована методика розрахунку теплообмінного апарата з регулярною насадкою, що являє собою пакет плоских пластин із сітчастим покриттям, які утворюють систему щілинних каналів.

Матеріал дисертації не тільки розширює існуюче фізичне уявлення про процеси тепло- і масообміну при випарі плівки рідини в щілинних каналах у випадках природної і примусової конвекції, але і дозволяє розробити методику цілеспрямованого керування цими процесами.

Практичне значення отриманих результатів. Подана в дисертаційній роботі методика розрахунку тепломасообмінного перехреснотокового апарата дозволяє визначити параметри теплоносіїв при різних режимах його роботи.

У результаті проведених досліджень розроблений контактний тепломасообмінний апарат з насадкою у виді пакета плоских пластин із сітчастим покриттям. Апарат такого типу забезпечує високу інтенсивність процесів тепломасообміну при випарі краплинних рідин.

Результати даної дисертаційної роботи використані ТОВ “Повітроочисні пристрої” при розробці фільтрів-сепараторів газу, що експлуатуються на компресорних станціях системи підземного сховища газу ГРС “Солоха” УМГ “Київтрансгаз”.

Результати і методи експериментального дослідження процесу випару рідини в щілинному каналі із сітчастим покриттям стінок при природній конвекції і примусовій перехресній течії теплоносіїв, що подані в дисертаційній роботі, використовуються в організації навчального процесу кафедри атомних електричних станцій і інженерної теплофізики теплоенергетичного факультету НТУУ “КПІ” при проведенні практичних і лабораторних занять по курсам “Моделювання теплофізичних процесів на ЕОМ” та “Наукові дослідження і комп'ютерна обробка”.

Особистий внесок здобувача. Приведені в дисертаційній роботі результати експериментальних досліджень, а також отримані узагальнені залежності та методика розрахунку тепломасообмінного перехреснотокового апарата отримані здобувачем самостійно згідно рекомендаціям наукового керівника. В опублікованих у співавторстві роботах здобувачу належать: основні результати в уточненні математичного опису досліджуваного процесу, складання програм розрахунків, проведення й аналіз результатів експериментальних досліджень.

Апробація результатів дисертації. Результати дисертаційної роботи і її основні положення доповідалися й обговорювалися на студентській науково-технічній конференції Національного технічного університету України “КПІ” (2002р.), ІІІ Російській Національній конференції по теплообміну (2002р.), ІІІ Міжнародній конференції “Прогресивна техніка і технологія - 2002” (2002 р.), ІІІ Міжнародній конференції “Проблеми промислової теплотехніки” (2003р.), 1-й науково-практичній конференції молодих вчених “Теплоенергетика: моделювання, оптимізація, енергозбереження”(2004р.).

Публікації. Згідно теми дисертації опубліковано 4 наукові статті, в тому числі 3 у провідних фахових виданнях України, що в повному обсязі висвітлюють зміст дисертаційної роботи.

Структура й обсяг роботи. Дисертаційна робота складається з вступу, чотирьох глав, висновків, списку використаної літератури і двох додатків. Вона містить 123 сторінки тексту, 44 малюнка, 2 таблиці, список літератури містить 108 найменування.

2. Основний зміст роботи

У вступі обґрунтована актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовані мета і завдання дослідження, викладені наукова новизна і практична цінність, представлені дані з апробації результатів і особистий внесок здобувача у виконаній роботі.

В першому розділі розглянуті питання, присвячені конструкціям плівкових тепломасообмінних апаратів, інтенсифікації процесів тепломасообміну в контактних апаратах та загальним закономірностям течії плівки рідини в контакті з газовим потоком.

Наведені найбільш коректні математичні моделі, які можуть бути покладені в основу методик розрахунку параметрів теплоносіїв в контактних апаратах з насадками у вигляді пакету пластин із сітчастим покриттям в режимах природної та вимушеної конвекції.

Аналіз показав, що у літературі відсутні дані про використання в промисловості контактних тепломасообмінних апаратів з насадками вказаного типу. Відсутні також дані по закономірностям процесів тепло- і масообміну, що протікають в щілинних каналах із сітчастим покриттям стінок при різних режимах роботи апарата.

Практично в усіх роботах, присвячених вивченню процесів тепло- і масообміну при випарі рідини в регулярних насадках, приділяється увага середнім характеристикам процесу. В той же час, для виключення деструкції термолабільних рідин, необхідно знати розподіл локальних значень щільності теплового потоку, а отже і значення локальних коефіцієнтів тепло- і масообміну на поверхні насадки.

На підставі вищесказаного були визначені основні задачі дослідження.

Другий розділ присвячений опису експериментальної установки і методики проведення експериментів з дослідження процесів тепло- і масообміну в елементі регулярної насадки контактного тепломасообмінного апарата при випарі плівки рідини у випадках природної конвекції і примусової перехресної течії теплоносіїв.

Експериментальна установка складається з: системи подачі повітря; експериментальної ділянки з ділянкою гідродинамічної стабілізації; системи подачі рідини; вимірювальної системи.

Основний елемент експериментальної установки - робоча ділянка, що являє собою щілинний канал, сформований двома пластинами розмірами ? h зі сталі Х18Н10Т на внутрішню поверхню стінок каналу контактним методом приварювалася сітка простого плетіння зі сталі Х18Н10Т ГОСТ 3826-82, параметри якої надані у табл.1. Зовнішні і бічні поверхні стінок були теплоізольовані. У верхній частині робочої ділянки розташовувалися розподільчі колектори для рівномірної подачі рідини по пластинах, а у нижній - колектори, через які плівка рідини видалялася з експериментальної ділянки. У якості робочої рідини використовувалася вода, а газу - повітря.

При проведенні експериментів виконувалися виміри витрати робочої рідини за допомогою ротаметрів типу РС-3, витрати повітря за допомогою трьох паралельно встановлених ротаметрів типу РС-5 і РС-7, температури і вологості повітряного потоку по всій довжині експериментальної ділянки, середньої температури плівки рідини по всій довжині експериментальної ділянки. Для виміру температур повітря, рідини і пароповітряної суміші використовувалися хромель-алюмелеві термопари.

У процесі експериментів досліджувався вплив на інтенсивність тепломасообміну наступних параметрів: швидкості газового потоку, витрати і температури рідини, геометрії щілинного каналу, геометрії сітчастого покриття його стінок.

Дослідження впливу розміру вічка сітки на інтенсивність тепломасообміну у плоскому щілинному каналі і визначення його оптимального значення проводилися в умовах основного режиму роботи контактного апарата, тобто при перехресній течії теплоносіїв. Всі інші дослідження як у випадку вимушеної, так і природної конвекції проводилися з використанням оптимального сітчастого покриття, що має розмір вічка 6,310-4м та діаметр дроту 3,010-4м (ГОСТ 3826-82).

Для визначення області стійкої роботи тепломасообмінного апарата з насадкою досліджуваного типу була вивчена динаміка взаємодії плівки рідини з газовим потоком в умовах примусової перехресної течії теплоносіїв. Був визначений діапазон зміни швидкості повітря в щілинному каналі, при якому течія плівки рідини по стінках із сітчастим покриттям носить стійкий характер.

Третій розділ присвячений дослідженню процесів тепло- і масообміну в щілинному каналі з сітчастим покриттям стінок у випадку природної конвекції. У якості сітчастого покриття використовувалась сітка з оптимальним розміром вічка 6,310-4м і діаметром дроту 3,010-4м.

Різниця надлишкових температур плівки на вході і виході з каналу знижується зі зменшенням щільності зрошення, це пов'язано зі зменшенням товщини плівки рідини, а, отже, і кількості теплоти, що віддається повітрю. Більш інтенсивне охолодження плівки спостерігається на ділянці від 0 до 0,2 м від входу теплоносія.

Характер зміни надлишкових температур рідини та повітря при різних параметрах теплоносіїв на вході в щілинний канал має аналогічний вищеописаному вигляд.

Середня щільність теплового потоку зростає зі збільшенням щільності зрошення при постійній надлишковій температурі плівки на вході. Причому, чим вище надлишкова температура плівки на вході, тим більш різко зростає середня щільність теплового потоку на пластині. При надлишковій температурі плівки рідини на вході р = 20 0С зміна щільності зрошення практично не впливає на величину середньої щільності теплового потоку на пластині.

Максимальна зміна середньої по висоті щільності теплового потоку на ділянках теплообмінної поверхні спостерігається на ділянці від 0 до 0,2 м. Далі величина середньої по висоті щільності теплового потоку слабко залежить від висоти ділянки. Зниження щільності зрошення приводить до зниження величини середньої щільності теплового потоку на ділянках. Характер зміни середньої щільності теплового потоку на ділянках теплообмінної поверхні при різній надлишковій температурі плівки на вході р у щілинний канал має аналогічний вищеописаному вигляд.

На підставі отриманих розподілів щільностей теплового потоку і полів температур були розраховані локальні коефіцієнти тепловіддачі х і масовіддачі х, середні на пластині коефіцієнти тепловіддачіh і масовіддачіh, а також середні на ділянках пластини коефіцієнти тепловіддачіhх і масовіддачіhх. Результати надані на рис. 6 - 7. вання значень середніх коефіцієнтів масовід-дачі на пластині відбувається по лінійному закону і інтенсивність процесу зростає зі збільшенням щільності зрошення при постійній надлишковій температурі плівки на вході. Причому, чим вища надлишкова температура плівки на вході, тим більш різко зростають середні коефіцієнти масовіддачі на пластині. Зміна щільності зрошення при надлишковій температурі плівки на вході р від 20 0С до 40 0С практично не впливає на інтенсивність процесу масовіддачі в щілинному каналі. Значення середнього по поверхні коефіцієнта тепловіддачіh зростають зі збільшенням надлишкової температури плівки на вході. Причому, чим більше ширина щілинного каналу, тим інтенсивніше протікають процеси тепловіддачі: при збільшенні ширини щілинного каналу з 510-3 м до 5010-3 м, інтенсивність процесів тепло- і масообміну зростає в 2,5 рази. Так як у випадку природної конвекції рух тепло-носіїв у щілинному каналі здійснюється по противотоковій схемі, то контакт повітря і плівки рідини починається в перетині щілинного каналу з координатою y = h). Якщо ширина щілинного каналу досить велика ( ), то характер процесу теплообміну такий самий, як і в необмеженому об'ємі. Зі зменшенням товщини щілинного каналу починається взаємодія пограничних шарів на його стінках, що призводить до зменшення масової витрати повітря, а отже, і до зниження інтенсивності процесів теплообміну.

Порівняння значень середнього по поверхні коефіцієнта тепловіддачіh відкритої пластини (точки 6-10) зі значеннями середнього по поверхні коефіцієнта тепловіддачіh у щілинному каналі із сітчастим покриттям стінок (криві 1-5) показує, що збільшення ширини щілинного каналу понад 0,05 м не приводить до істотної інтенсифікації процесів тепломасообміну.

У результаті проведених досліджень процесів тепло- і масообміну в щілинному каналі із сітчастим покриттям стінок у випадку природної конвекції можна зробити наступні висновки:

при збільшенні надлишкової температури плівки на вході в щілинний канал від 200С до 600С інтенсивність процесів тепло- і масообміну зростає в 2,5 рази;

при збільшенні щільності зрошення в щілинному каналі від 4,2·10-3 кг/(м·с) до 9,7·10-3 кг/(м·с) інтенсивність процесів тепло- і масообміну зростає в 2 рази (для ґр більше 40 0С);

при збільшенні ширини щілинного каналу від 5 10-3 м до 50 10-3 м інтенсивність процесів тепло- і масообміну зростає в 2,5 рази, подальше збільшення ширини щілинного каналу не призводить до інтенсифікації процесів тепломасообміну.

У результаті узагальнення експериментальних даних з дослідження процесу випару плівки рідини в щілинному каналі із сітчастим покриттям стінок в умовах природної конвекції були отримані наступні залежності:

для локальної тепловіддачі

,(1)

для середньої тепловіддачі

;(2)

для локальної масовіддачі

,(3)

для середньої масовіддачі

;(4)

Залежності отримані в діапазоні зміни плівкового числа Рейнольдса Reпл=25…90, числа Релея GrPr = 6,5104…4108; точність узагальнення експериментальних даних становить 9,5%.

В третьому розділі також подана методика розрахунку тепломасообмінного апарата контактного типу з насадкою у вигляді пакета плоских пластин із сітчастим покриттям у випадку його роботи в умовах природної конвекції. Методика ґрунтується на математичній моделі, що описує процес тепломасообміну при випарі плівки рідини в щілинному каналі, і емпіричних залежностях (2) і (4). Методика дозволяє одержувати параметри взаємодіючих фаз на виході з контактного тепломасообмінного апарата та розподіл температур по висоті насадки.

Порівняння розрахункових значень температури газового потоку, що визначалися при рішенні системи диференційних рівнянь методом Рунге-Кутта за допомогою програми MathLab, з експериментальними даними показує їхнє достатнє узгодження: відхилення значень температур складає менш 10% при використанні локальних коефіцієнтів тепло- і масообміну, розрахованих за допомогою емпіричних залежностей (1) і (3).

Проведене зіставлення результатів дослідження з даними, що отримані експериментально Поповим И.А. та Усенковим Р.А. для течії на поверхнях з дискретною шорсткістю (дослідження процесу теплообміну у випадку природної конвекції проводилися на пластинах з виступами з теплоізоляційного матеріалу і металевих виступів), дозволило зробити наступні висновки: застосування сітчастого покриття стінок в щілинному каналі збільшує інтенсивність процесів тепло- і масообміну при випарі плівки рідини в умовах природної конвекції на 10%, у порівнянні з щілинним каналом, що має інтенсифікатори у виді виступів з теплоізоляційного матеріалу, і на 30%, у порівнянні зі щілинним каналом, що має інтенсифікатори у виді металевих виступів.

Четвертий розділ присвячений дослідженням інтенсивності процесів тепло- і масообміну в щілинному каналі з сітчастим покриттям стінок в умовах примусової перехресної течії теплоносіїв.

У розділі представлені результати експериментального дослідження впливу розміру вічка сітки на інтенсивність тепловіддачі у плоскому щілинному каналі при випарі плівки рідини в умовах перехресної течії теплоносіїв.

При однакових значеннях густини зрошення, показали, що сітчасте покриття з розміром вічка 6,310-4м і діаметром дроту 3,010-4м забезпечує найбільшу інтенсивність процесу теплообміну в щілинному каналі (крива 2). Максимальна турбулізація плівки рідини, що стікає по сітчастій поверхні, відбувається в тому випадку, коли товщина плівки не перевищує товщини сітчастого покриття. Зниження інтенсивності теплообміну у випадку використання сітки з розміром вічка 7,010-4 м (крива 1) пов'язане з тим, що при однакових значеннях густини зрошення відбувається зменшення фактичної площі контакту. Всі подальші дослідження проводились для щілинного каналу з сітчастим покриттям стінок з оптимальним розміром вічка сітки 6,310-4м і діаметром дроту 3,010-4м.

Вивчена динаміка взаємодії плівки рідини з газовим потоком з метою встановлення режимів її стійкої течії, тобто визначення області стійкої роботи тепломасообмінного апарата з насадкою досліджуваного типу. Дослідження показали, що використання сітчастого покриття дозволяє збільшити діапазон роботи насадки по швидкості газу на 15...20%.

В розділі також представлені результати дослідження впливу на інтенсивність процесів тепло- та масообміну зміни вхідних параметрів теплоносіїв та геометричних характеристик каналу.

Повітря, що має однакові параметри по всій висоті вхідного перетину щілинного каналу, стикається у верхній частині щілинного каналу з плівкою рідини, що має більш високу температуру, а на нижче розташованих ділянках - з більш охолодженою рідиною. унаслідок цього, підвищення температури і вологовмісту повітря в нижній частині помітно менше, ніж у верхній. Температура рідини, яка постійна у верхньому вхідному перетині, по мірі просування плівки униз, унаслідок взаємодії її з повітрям різної температури і вологості, також виявляється нерівномірною по ширині потоку. Отже, при перехресній течії параметри води і повітря є сильно перемінними як по довжині їхнього шляху, так і в перетинах щілинного каналу, розташованих по нормалі до напрямку руху повітря.

Основне змінювання надлишкової температури плівки рідини відбувається на довжині від 0 до 8010-3 м.

На підставі отриманих полів надлишкових температур плівки рідини і повітря були розраховані середні щільності теплового потоку по висоті пластиниqхz. По отриманих розподілах щільностей теплового потоку і полів температур були розраховані середні коефіцієнти тепловіддачіхz. У якості температурного напору для визначення коефіцієнта тепловіддачі у випадку примусової перехресної течії теплоносіїв використовувався средньологарифмічний температурний напір.

Аналіз проведених досліджень дозволив зробити наступні висновки:

використання сітчастого покриття дозволяє збільшити діапазон роботи насадки при примусовій перехресній течії теплоносіїв по швидкості газу при однакових щільностях зрошення на 15…20 %;

при збільшенні швидкості повітря в щілинному каналі від 2 м/с до 5,2 м/с інтенсивність процесів тепло- і масообміну зростає на 78 %;

при збільшенні щільності зрошення в щілинному каналі від 4·10-3 кг/(мс) до 10·10-3 кг/(мс) інтенсивність процесів тепло- і масообміну зростає на 54%;

при збільшенні ширини щілинного каналу від 5 10-3 м до 50 10-3 м інтенсивність процесів тепло- і масообміну зростає на 85%.

Обробка експериментальних даних по тепломасообміну при випарі плівки рідини в щілинному каналі із сітчастим покриттям стінок у випадку змушеної перехресної течії теплоносіїв дозволила одержати наступні узагальнені залежності:

для середньої тепловіддачі

; (5)

для середньої масовіддачі

. (6)

Узагальнені залежності отримані в діапазоні зміни числа Рейнольдса по газу Reг = 1250…3300 і плівкового числа Рейнольдса Reпл = 25…100, похибка узагальнення експериментальних даних становить 9,5%.

В четвертому розділі представлена також методика розрахунку тепломасообмінного апарата контактного типу з насадкою у виді пакета плоских пластин із сітчастим покриттям стінок, що працює в умовах примусової перехресної течії теплоносіїв. Методика ґрунтується на математичній моделі, що описує процес тепломасообміну при випарі плівки рідини в щілинному каналі, і емпіричних залежностях (5) і (6), отриманих експериментально. У результаті розрахунку одержуємо параметри взаємодіючих фаз на виході з контактного тепломасообмінного апарата та розподіл температур теплоносіїв по висоті насадки.

Порівняння розрахункових значень температури газового потоку по висоті щілинного каналу, що визначалися методом Рунге-Кутта в системі комп'ютерної математики MathLab, з експериментальними даними показало їхнє достатнє узгодження. відхилення розрахункових значень температур складає приблизно 9%.

Проведене зіставлення результатів проведеного дослідження з даними, які отримані експериментально Ахіезером В.К., показало, що на насадці щілинного типу із сітчастим покриттям стінок інтенсивність процесу тепловіддачі у 1,5 рази вище, ніж на гофрованій насадці з регулярною шорсткістю.

Проведені дослідження з вивчення процесу випару плівки рідини в щілинному каналі із сітчастим покриттям стінок у випадку природної конвекції і при примусовій перехресній течії теплоносіїв, а також розроблені методики розрахунку тепломасообмінного апарата дозволили розробити контактний тепломасообмінний апарат - фільтр-сепаратор паливного газу.

Призначення фільтра-сепаратора паливного газу - отримання гомогенного палива шляхом видалення твердих часток та фракціювання газового конденсату і випару рідини, що знаходяться у природному газі у вигляді крапель, з наступною сепарацією важких вуглеводневих фракцій та механічних домішок

Основним елементом масообмінної частини фільтра-сепаратора паливного газу є насадка у вигляді пакета плоских пластин із сітчастим покриттям стінок, що утворюють систему щілинних каналів. Краплини газового конденсату та води контактують з поверхнею насадки та утворюють тонкі плівки. Плівковий характер течії забезпечує високу інтенсивність процесів тепломасообміну при низькому аеродинамічному опорі.

Фільтр-сепаратор паливного газу встановлений на СПСГ “Солоха” УМГ “Київтрансгаз”.

У додатках приведені розрахунки погрішностей експериментального визначення коефіцієнтів тепло- і масовіддачі й акти впровадження результатів дисертаційної роботи.

Висновки

У дисертаційній роботі отримане нове рішення наукової проблеми, пов'язаної з підвищенням ефективності роботи тепломасообмінних апаратів контактного типу шляхом розробки, дослідження і впровадження нових видів насадок. Досліджена в роботі насадка являє собою пакет плоских пластин із сітчастим покриттям стінок, які утворюють систему щілинних каналів. При аналізі процесів тепломасообміну в щілинних каналах із сітчастим покриттям стінок використовувалися методи експериментального дослідження локальних і середніх коефіцієнтів тепло- і масовіддачі, а також методи математичного моделювання на основі фізичної моделі процесу.

Основні результати і висновки проведеної роботи полягають у наступному.

Дослідження впливу на процеси тепло- і масообміну характеристик сітчастого покриття стінок щілинного каналу в умовах змушеної перехресної течії теплоносіїв показали, що при варіюванні розміру вічка сітки в межах S = (3,55…7,0)10-4 м (ГОСТ 3826-82) при швидкостях газу Vг = (2,0…5,2) м/с і постійній щільності зрошення максимальні коефіцієнті тепловіддачі мали місце при . Це значення було прийняте за оптимальне і сітки з таким розміром вічка та діаметром дроту 3,010-4 м використовувалися у всіх експериментах, в тому числі при природній конвекції.

застосування оптимального сітчастого покриття поверхні пластинчатої насадки дозволяє:

збільшити інтенсивність процесів тепло- і масообміну у випадку природної конвекції:

на 10 %, у порівнянні з випадком, коли інтенсифікатори мають вигляд виступів з теплоізоляційного матеріалу;

на 30 %, у порівнянні з випадком, коли інтенсифікатори мають вигляд металевих виступів;

збільшити інтенсивність процесів тепло- і масообміну при примусовій перехресній течії теплоносіїв у 1,5 рази, в порівнянні з гофрованою насадкою, що має регулярну шорсткість;

збільшити діапазон роботи насадки по швидкості газу при примусовій перехресній течії теплоносіїв на 15…20 % у порівнянні з випадком, коли поверхня пластинчатої насадки не має сітчастого покриття.

Дослідження закономірностей зміни інтенсивності процесів тепло- і масообміну при випарі рідини в щілинному каналі із сітчастим покриттям стінок показали наступне:

збільшення швидкості газового потоку з 2 м/с до 5,2 м/с приводить до збільшення інтенсивності процесів тепло- і масообміну на 78 %;

при збільшенні щільності зрошення в щілинному каналі з 4·10-3 кг/(мс) до 10-2 кг/(мс) інтенсивність процесів тепло- і масообміну зростає на 54 % у випадку примусової перехресної течії теплоносіїв і на 100 % у випадку природної конвекції (при надлишковій температурі рідини на вході більше 40 0С)

при збільшенні ширини щілинного каналу з 0,005 м до 0,05 м інтенсивність процесів тепло- і масообміну зростає у випадку природної конвекції в 2,5 рази, а у випадку примусової перехресної течії теплоносіїв - на 70 %, подальше збільшення ширини щілинного каналу не приводить до інтенсифікації процесів тепломасообміну.

На підставі експериментальних даних вперше отримані емпіричні залежності для визначення середніх і локальних значень коефіцієнтів тепло- і масообміну в щілинному каналі із сітчастим покриттям стінок у випадку природної конвекції. Отримані залежності враховують вплив на процеси тепло- і масообміну при випарі плівки рідини в щілинному каналі із сітчастим покриттям стінок режимних параметрів теплоносіїв, геометричних характеристик щілинного каналу і теплоти фазового переходу. Емпіричні залежності справедливі в діапазоні зміни плівкового числа Рейнольдса Reпл = 25…90 та числа Релея GrPr = 6,5104…4108. Похибка узагальнення експериментальних даних склала не більш 9,5 %.

На підставі експериментальних даних вперше отримані емпіричні залежності для визначення середніх значень коефіцієнтів тепло- і масообміну в щілинному каналі із сітчастим покриттям стінок у випадку примусової перехресної течії теплоносіїв. Отримані залежності враховують вплив на процеси тепло- і масообміну при випарі плівки рідини в щілинному каналі із сітчастим покриттям стінок режимних параметрів теплоносіїв, геометричних характеристик щілинного каналу і теплоти фазового переходу. Емпіричні залежності справедливі в діапазоні зміни числа Рейнольдса по газу Reг = 1250 … 3300 і плівкового числа Рейнольдса Reпл=25… 100. Похибка узагальнення експериментальних даних склала не більш 9,5 %.

Розроблено методики розрахунку тепломасообмінного апарату контактного типу з насадкою у виді пакета плоских пластин із сітчастим покриттям, що утворюють систему щілинних каналів. Методики розрахунку ґрунтуються на математичних моделях, що описують процес випару плівки рідини в щілинному каналі з використанням емпіричних залежностей.

Проведене порівняння розрахункових значень температури газового потоку, отриманих у результаті розрахунку за запропонованими методиками з експериментальними даними показало їхнє достатнє узгодження (відхилення складає 9 %).

Результати аналітичних і експериментальних досліджень використані при розробці фільтрів-сепараторів газу, що експлуатуються на компресорних станціях СПСГ ГРС УМГ “Київтрансгаз”. Застосування таких апаратів у паливній системі ГТУ ГПА дозволяє одержати гомогенне паливо шляхом видалення твердих часток, фракціонування і випари газового конденсату і води, що знаходяться в природному газі у виді крапель, з наступною сепарацією важких вуглеводних фракцій і механічних домішок. Видалення з паливного газу газового конденсату і води в дисперсній фазі приводить до вирівнювання температурного поля на виході з камери згоряння, зниженню температури газів на виході, зменшенню утворення нагару на пальниках, зниженню корозійного процесу і подовженню терміну служби лопаткового апарата.

тепломасообмінний апарат математичний фізичний

Список опублікованих робіт по темі дисертації

1. Туз В.Е., Лебедь Н.Л. Теплообмен и устойчивость плёночного течения теплоносителя в каналах с сетчатым покрытием // НТЖ /Технологические системы. Серия: “Научные разработки и результаты исследований”, вып.1, №2(13). - 2002. - С.155-158.

2. Письменный Е.Н., Дикий Н.А., Туз В.Е., Лебедь Н.Л. Влияние конструктивных характеристик щели на теплообмен при гравитационном стекании плёнки // Пром.теплотехника, 2004. - Т. 26. - №6. - С. 58-62.

3. Дикий М.О., Туз ВО. Кузьменко І.М., Лебедь Н Л Гідродинаміка плівки на сітчастій структурі // Пром.теплотехника, 2005. - Т. 26. - № 4. - С. 26-28.

4. Письменный Е Н Туз ВЕ. Лебедь Н Л Теплообмен в щелевом канале с сетчатыми стенками при охлаждении гравитационно стекающей пленки жидкости в случае естественной конвекции воздуха //// Тр.ІІІ Российской Национальной конференции по теплообмену. Т.4. - М.: Изд-во МЭИ, 2002. С.324-326.

Размещено на Allbest.ru