Экспериментальные исследования и обобщение данных тепло- и массообмена между газом и свободной жидкостной пленкой в контактном теплообменнике с рециркуляцией нагреваемой жидкости

УДК 536.24

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И ОБОБЩЕНИЕ ДАННЫХ ТЕПЛО- И МАССООБМЕНА МЕЖДУ ГАЗОМ И СВОБОДНОЙ ЖИДКОСТНОЙ ПЛЕНКОЙ В КОНТАКТНОМ ТЕПЛООБМЕННИКЕ С РЕЦИРКУЛЯЦИЕЙ НАГРЕВАЕМОЙ

ЖИДКОСТИ

Н.И. ПЛАТОНОВ, В.П. СЕМЕНОВ ГОУ ВПО «Магнитогорский государственный университет

Экспериментально исследованы процессы тепло- и массообмена между газом и свободной жидкостной пленкой в контактном теплообменнике с пленочными форсунками. Проведено обобщение результатов лабораторных исследований и опытно-промышленных испытаний по единой методике, рекомендованной Е.И. Андреевым. Получено критериальное уравнение, указывающее на количественную зависимость коэффициента интенсивности тепломассообмена от числа подобия тепловых эквивалентов, числа Рейнольдса и геометрической характеристики форсунки. Обобщены опытные данные по влиянию рециркуляции нагреваемой жидкости на тепломассообмен в контактном аппарате с пленочными форсунками.

Ключевые слова: теплообмен, массообмен, газожидкостные смеси, экспериментальные исследования, контактный теплообменник, свободная жидкостная пленка, рециркуляция нагреваемой жидкости.

Основная доля потерь промышленного котельного агрегата приходится на уходящие газы. Утилизация этой теплоты значительно повышает КПД котельного агрегата и существенно экономит топливо. В настоящее время накоплен значительный опыт использования в качестве утилизатора теплоты уходящих газов контактных теплообменников с насадкой. Такие теплообменники имеют высокое аэродинамическое сопротивление и значительный вынос влаги из активной зоны, что вызывает повышенную скорость коррозии газоходов и разрушение дымовой трубы.

Исследования [1] указывают на высокие сепарирующие свойства аппарата с пленочными форсунками, сравнимое с эффектом специальных механических сепарирующих устройств. Кроме того, аппарат с пленочными форсунками имеет низкие аэродинамическое и гидравлическое сопротивления. В таком аппарате свободная жидкостная пленка, вытекающая из кольцевой щели, взаимодействует с поперечным потоком газа. Тепломассообмен происходит на свободной жидкостной пленке и на каплях, на которые разрушается жидкостная пленка. Внедрение контактных теплообменников с пленочными форсунками сдерживается недостаточной изученностью процессов тепломассообмена между газом и жидкостной системой.

Авторами данной работы на специально разработанном стенде проведены лабораторные исследования процессов тепло- и массообмена между газом и свободной жидкостной пленкой. На основе опытов разработана экспериментально обоснованная модель теплообмена в свободной жидкостной пленке [2]. Следует заметить, что из-за высокого термического сопротивления в газовой фазе и малого времени контакта фаз прогрев свободной жидкостной пленки может быть незначительным, что существенно для потребителя нагретой воды.

Лабораторные исследования подтвердили высокие эксплуатационные характеристики контактного теплообменника с пленочными форсунками. Аэродинамическое сопротивление активной зоны контактной камеры с пленочными форсунками во всех исследованных режимах было настолько незначительным (1-2 мм вод. ст.), что уверенно измерить его не удалось, так как оно находилось на уровне погрешности микроманометра с наклонной трубкой типа ММН. Перепад давления, необходимый для создания с помощью пленочной форсунки устойчивой пространственной жидкостной пленки, составлял 400-600 мм вод. ст. Во всех опытах отсутствовал мелкодисперсный вынос влаги из реактивного пространства аппарата.

На основе результатов лабораторных исследований авторами предложена

конструкция контактного теплообменника, обладающего высокой тепловой эффективностью, минимальным гидравлическим сопротивлением и сепарирующей способностью, сравнимой с эффектом улавливания мелкодисперсной влаги специальным сепарирующим устройством. Такое решение проблемы достигнуто путем установки в безнасадочном контактном теплообменнике пленочных форсунок, создающих свободные жидкостные пленки, в сочетании с включением в тепловую схему контура рециркуляции нагреваемой жидкости и исключения традиционных механических сепараторов влаги.

Предложенный авторами теплообменник имеет вертикальную компоновку при противоточной схеме движения теплоносителей. Для утилизации теплоты уходящих газов парового котла типа ДКВР 10/13 корпус теплообменника имеет сечение 1400х1400 мм и высоту 3970 мм. На линии холодной воды размещен водораспределитель с пленочными форсунками, а ниже на линии рециркуляции -струйный водораспределитель.

Опытно-промышленные испытания подтвердили, что существует участок, на котором происходит существенное увеличение тепловой мощности и температуры нагреваемой жидкости при росте кратности рециркуляции (Ож.рец/Ож ) от 0 до 2, а в дальнейшем, при увеличении кратности циркуляции, параметры на выходе теплообменника практически не изменяются. При небольших соотношениях тепловых эквивалентов воды и газа СжСрж/СрСрр температура воды на выходе практически достигает предельно возможной величины, равной температуре мокрого термометра поступающих газов.

В результате лабораторных исследований и опытно-промышленных испытаний накоплен статистический материал, обобщение которого затруднено из-за сложной гидродинамической обстановки в реактивном пространстве теплообменника. Традиционно в работах по теплообмену устанавливают связь коэффициента теплоотдачи через гидродинамические и теплофизические параметры процесса. Если в поверхностном теплообменнике коэффициент теплоотдачи легко определяется через площадь разделительной стенки, то в контактном теплообменнике этот показатель принимается весьма условно. Применительно к теплообменнику с пленочными форсунками можно достаточно уверенно по координатам точки разрушения [3] определить площадь свободной жидкостной пленки, в то же время отсутствуют надежные данные по полидисперсному потоку капель. По этой причине обобщить экспериментальные данные по тепломассообмену через определение коэффициентов тепло- и массоотдачи с высокой точностью не получается.

В связи с этим заслуживает внимание исследование Андреева Е.И. [4], который рекомендует для смешивающих аппаратов определять коэффициент интенсивности тепломассообмена через новые критериальные числа. В функциональной зависимости, рекомендуемой Андреевым Е.И., площадь контакта теплоносителей в явном виде не определяется, но при этом отражаются интегральные потоки теплоты и массы.

В данной работе приводятся результаты обобщения лабораторных исследований и опытно-промышленных испытаний безнасадочного контактного теплообменника с пленочными форсунками по методике, рекомендованной Е.И. Андреевым. В обработку включены опытные данные 11-ти лабораторных и опытно промышленных аппаратов с пленочными форсунками (табл. 1). Процессы тепло- и массообмена в аппаратах происходили при взаимодействии воздуха, продуктов сгорания дизельного топлива и продуктов сгорания природного газа с водой.

Основные физические параметры уходящих газа и жидкости в опытах изменялись в следующих пределах: температура газов на входе - 17,7*274,4 оС; влагосодержание газов на входе - 0,002*0,065 кг/кг; температура воды на входе - 6,2* 54,8 оС.

Точность измерений параметров теплоносителей проверена также по сведению баланса переданной теплоты и массы. В обработку включены те режимы, в которых величина балансовой погрешности не превышала 5%.

Критериальное уравнение тепломассообмена по Андрееву [4] может быть представлено степенной функцией вида

Km = A  Bm X1 Re ?2 L J3 [(gж .рец. + Gж )/ Gж ]4

t ' -t '

1Ж tr .M

Km =-

t ' -1 '

где ж г м - коэффициент интенсивности тепломассообмена;

Bw H Bw = Gж 'cp-ж Bm =-— +1 BwH =-

1 +Ke - число подобия тепловых эквивалентов; г рг -

^исп.(mM.R - mM ) Ke =-

отношение тепловых эквивалентов; °рж (tr M R tг м ) - коэффициент wг ¿к т 50

Re г =--L ф = —

испарения; Уг - число Рейнольдса газов; Гф - геометрическая

характеристика форсунки; (Gж.рец. + Gж )/ Gж - коэффициент рециркуляции.

Для установления количественной зависимости, состоящей в вычислении неизвестных коэффициентов A, xi, Х2, хз и Х4 в критериальном уравнении (1), использован метод множественной корреляции. В результате расчетов получено следующее уравнение, описывающее интенсивность тепломассообмена в контактном теплообменнике с пленочными форсунками:

Km=6,56 Bm -0,27 Re г -0,1 L-,0,24 [

Наиболее существенное влияние на коэффициент относительной интенсивности тепломассообмена Km оказывает критерий тепловых эквивалентов Bm (рис. 1) и геометрические размеры форсунки Тф.

Средняя погрешность аппроксимации опытных данных уравнением (2) составляет 5,9%. В 15% доверительный интервал входят 97 % данных от их общего количества. Полученная зависимость обобщает данные при следующих значениях безразмерных параметров: Bm=1,1*41, Rep=1900*125000, Тф=18*68,

((g ж.рец. + G ж

)/G

ж -1*11 3.

Рис. 1. Зависимость коэффициента интенсивности тепломассообмена Km от числа подобия тепловых

эквивалентов Bm: обозначение см. табл. 1

t ' t '

По уравнению (2), задаваясь параметрами теплоносителей на входе ж и г м, можно определить температуру мокрого термометра выходящих из контактного

t "

теплообменника газов г м. Для определения всех параметров сред, в частности

t ' '

температуры газов по сухому термометру г c и абсолютного влагосодержания m на

выходе аппарата, в [4] предлагается уравнение At а Ama

A t =A m или At max Ammax ,

t ' + t " t ' + t "

Ata =-

где

a At ' '

2 2 - средний арифметический и max = гм - ж

m м + m м m + m Ama =---

максимально возможный температурные напоры

средний арифметический и концентрационные напоры

. „ Am = m' — m' „

средний арифметический и max м - максимально возможный

2

2

Уравнение (3) подтверждается в наших исследованиях экспериментально. На рис. 2 представлены результаты лабораторных опытов и промышленных испытаний теплообменников с пленочными форсунками, основные данные которых содержатся в таблице. Средняя погрешность уравнения (3) составляет 6,0 %. В 15% доверительный интервал входит 99% опытных данных.

Следует отметить, что расчетные соотношения, основанные на использовании коэффициентов переноса, отнесенных к площади поверхности контакта, не всегда достигают такой высокой точности аппроксимации, которую имеет уравнение интенсивности (2) и относительной интенсивности тепломассообмена (3). Частично это связано с погрешностью экспериментальных данных, а в основном вызвано, как уже отмечалось выше, неопределенностью площади контакта теплоносителей.

Таблица

Параметры безнасадочных контактных теплообменников с пленочными форсунками

Газ Размер щели Диаметр форсунки Диаметр камеры Условныеобоз начениякрис^

воздух продукты сгорания дизельного топлива продукты сгорания природного газа 8о, мм йф, мм йк, мм

1 + 0,31 30 210

2 + 0,31 39 210

3 + + 0,417 30 210

4 + 0,417 39 210

5 + 0,417 57 290

6 + 0,52 39 210

7 + 0,625 30 210

8 + 0,83 57 290

9 + 0,83 30 210

10 + 1.4 4x80 1400x1400

11 + 1.5 4x80 1400x1400

Рис. 2. Зависимость Дг от Ай, полученная при обобщении опытных данных для контактных теплообменников таблице: 1 - №№ 1-9; 2 - № 10; 3 - № 11

В данной работе рассмотрен единый подход в обобщении опытных данных, предложенный Андреевым. Критериальные уравнения (2) и (3) имеют относительно небольшую погрешность, а потому могут служить основой для расчета контактных аппаратов по методике [4].

Метод расчета Андреева, основанный на использовании произведения коэффициентов переноса на площадь поверхности контакта теплоносителей, дает возможность широкого обобщения опытных данных. Высокая точность аппроксимации расчетных уравнений позволяет рекомендовать метод Андреева для инженерных расчетов.

Несмотря на высокую точность обобщения, метод [4] мало пригоден для решения конструкторских задач, связанных с оптимизацией контактных теплообменных аппаратов, так как основан на интегральных характеристиках.

Статистический материал лабораторных исследований данной работы использован нами в работе [5] для определения коэффициентов тепло- и массоотдачи. Площадь контакта теплоносителей выбрана по сечению камеры (рис. 1) с вычетом площади сечения пленочной форсунки. При этом получены соотношения, имеющие несколько меньшую точность (порядка 11,3 - 12,6%) по сравнению с погрешностью аппроксимации, проведенной по методике [4]. Вместе с тем, метод, основанный на определении коэффициентов тепло- и массообмена, в лучшей степени позволяет проводить поиск путей оптимизации конструкции контактных теплообменников. Так, например, на основе данного метода в работе [5] удалось определить влияние неустойчивости течения свободной жидкостной пленки на коэффициенты тепло- и массоотдачи и выявить характерные режимы контактного теплообменника: 1) с повышенными тепломассообменными и 2) с повышенными сепарирующими характеристиками.

Безусловно, лучший результат при решении конструкторских задач можно

получить в том случае, если известны локальные параметры процесса. Их определение представляет сложную задачу. Такие сведения, как правило, получают при решении упрощенных задач, в которых не охватываются все особенности структуры межфазной поверхности. Основные локальные характеристики теплообмена в свободной жидкостной пленке представлены в работе [3].

При выборе зависимостей для расчета теплообменного аппарата с пленочными форсунками необходимо четко определить цели расчетов. Проверочный расчет с высокой точностью можно провести по методике Андреева [4], используя критериальные уравнения (2) и (3). При проведении конструкторских расчетов целесообразно использовать расчетные соотношения, предложенные в работах [2] и [5]. Сочетание этих методов расчета позволяет осуществить проектирование контактного теплообменника с высокой степенью точности и надежности.

Summary

Heat and mass transfer processes between gas and free liquid film were researched in open-type heat exchanger with film sprayer. We presented a generalization of results of laboratory researches and pilot tests based on Andreev's unified technique. We gained the criterial equation that shows the quantitative dependency heat- mass transfer intensity coefficient from the number of heat equivalent similarity number, Reynolds' number and sprayer's geometric character. Experimental data on heated liquid recycling influence on heat-mass transfer in open-type exchanger with film sprayers.

Key words: heat transfer, mass transfer, liquid-gas mixture, experimental researches, open-type heat exchanger, free liquid film, on heated liquid recycling.

Литература

1. Кутепов А.М. Исследование сепарации паро-жидкостных систем струями жидкости / А.М. Кутепов, А.С. Жихарев // Теор. осн. хим. технол. 1972. T.VI. №2. С.208-213.

2. Платонов Н.И. Расчет теплообмена между газом и свободной жидкостной пленкой в контактном теплообменнике / Н.И. Платонов // Теплоэнергетика. 2008. № 3. С. 18-22.

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

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

5. Платонов Н.И. Экспериментальное исследование влияния неустойчивости течения свободной жидкостной пленки на интенсивность тепломассообмена / Н.И. Платонов, В.П. Семенов // XXVII Сибирский теплофизический семинар, посвященный 90-летию академика С.С. Кутателадзе: тез. докл. Новосибирск: Изд-во Института теплофизики СО РАН, 2004. С. 338-339.

Поступила в редакцию 14 августа 2009 г

Семенов Владимир Петрович - канд. техн. наук, профессор, ректор Магнитогорского государственного университета. Тел.: 8 (3519) 35-14-23. E-mail: semenov@masu.ru.

Платонов Николай Иванович - канд. техн. наук, доцент, заведующий кафедрой «Физика» Магнитогорского государственного университета. Тел: 8 (3519) 35-15-13; 8-961-5753661. E-mail: niplat@mail.ru, platonov@masu.ru.