Національний технічний університет України

“Київський політехнічний інститут”

Кузьменко Ігор Миколайович

УДК 536.423.1

Гідродинаміка та тепломасообмін

в протитоковому контактному випаровувачі

з сітчастою гофрованою насадкою

05.14.06 технічна теплофізика та промислова теплоенергетика

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ – 2003

Дисертацією є рукопис

Робота виконана на кафедрі теоретичної та промислової теплотехніки Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут” (НТУУ “КПІ”), Міністерство освіти та науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

Дикий Микола Олександрович,

НТУУ “КПІ”, професор кафедри теоретичної та промислової теплотехніки

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Драганов Борис Харлампійович,

Національний аграрний університет України,

професор кафедри теплоенергетики

кандидат технічних наук,

старший науковий співробітник,

П’ятничко Олександр Іванович,

Інститут газу НАН України, завідувач відділу переробки і транспорту газу

Провідна установа: Інститут технічної теплофізики НАН України, відділ малої енергетики

Захист дисертації відбудеться “22” вересня 2003 р. о 15 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.002.09 в Національному технічному університеті України “Київський політехнічний інститут” за адресою: 03056, м. Київ, пр. Перемоги 37, корпус 5, аудиторія 307.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут” за адресою: 03056, м. Київ, пр. Перемоги 37.

Автореферат розісланий “05” серпня 2003 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради В.І. Коньшин

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Контактні газо-рідинні випаровувачі з зустрічним рухом теплоносіїв широко застосовуються для проведення процесів десорбції, ректифікації, охолодження, зволоження газів на хімічних підприємствах. Крім того контактні випаровувачі використовують в циклі газопаротурбінних установок (ГПТУ) для утилізації низькопотенційного тепла відпрацьованих газів. Завдяки цьому вдається підвищити ефективний ККД ГПТУ та в 2,53 рази зменшити викиди забруднюючих речовин в навколишнє середовище.

Оскільки основними елементами контактного випаровувача є насадка, на якій протікають процеси тепло та масообміну, а також зрошувач, то основну увагу в представленій роботі присвячено інтенсифікації роботи цих елементів.

В роботах Шевцова, Харіна, Дорошенка досліджено, що застосування сітчастих чи пористих матеріалів інтенсифікує процеси тепломасообміну (ТМО) на насадці. Тому в даній роботі досліджено гофровану насадку, виготовлену з сітки. Насадка має розвинуту питому поверхню контакту та вирізняється технологічністю виготовлення. Проте, відомі результати досліджень ТМО не можуть бути поширені на нову насадку без експериментальної перевірки. Крім цього, результати досліджень зрошувачів, виконані іншими авторами, не гарантують суцільної плівки по всій поверхні сітчастої гофрованої насадки.

Мета і задачі дослідження. В зв’язку з цим метою роботи є вивчення процесів гідродинаміки та тепломасообміну при випаровуванні рідини, дослідження критичних режимів та впливу конструкції нової сітчастої гофрованої насадки за повного зрошення її поверхні для інтенсифікації процесів і розробки методики розрахунку контактного випаровувача з досліджуваною насадкою. Дисертаційна робота виконана при консультаційній допомозі доц., к.т.н. Туза В.О.

Для досягнення вищевказаної мети необхідно було вирішити такі основні задачі:

1. дослідити вплив густини зрошення та характеристик зрошувача на площу змоченої поверхні насадки;

2. визначити швидкості початку захлинання в контактному випаровувачі з сітчастою гофрованою насадкою та отримати узагальнююче рівняння для їх розрахунку;

3. дослідити опір сітчастої гофрованої насадки з різними геометричними характеристиками за перемінних параметрів газового потоку;

4. дослідити закономірності тепломасообміну на насадці з різними геометричними характеристиками за перемінних параметрів газового потоку;

5. отримати узагальнюючі рівняння для розрахунку процесів гідродинаміки та тепломасообміну;

6. розробити методику розрахунку кінцевих параметрів теплоносіїв, на основі відомої напівемпіричної моделі контактного випаровувача, розв’язаної з застосуванням нових граничних умов, та використанням експериментально визначених коефіцієнтів тепло та масообміну.

Методи дослідження. Сформульовані вище задачі вирішено з використанням експериментального методу дослідження процесів тепломасообміну та гідродинаміки в контактному випаровувачі з сітчастою гофрованою насадкою. Експериментальні дослідження ТМО та гідродинаміки виконувалися на спеціально створеному стенді з робочою ділянкою, що моделювала контактний випаровувач з сітчастою гофрованою насадкою. При цьому інтенсивність ТМО розраховувалася на основі виміряних значень початкових та кінцевих температур та витрат теплоносіїв, а площа змоченої насадки визначалася з порівняння кількостей утримуваної води на насадці та повністю змоченій сітчастій смузі. Для дослідження гідравлічного опору визначався перепад тисків на робочій ділянці з насадкою.

Методику розрахунку апарату з сітчастою гофрованою насадкою побудовано на відомій напівемпіричній моделі контактного випаровувача для чого її записано з новими граничними умовами та з використанням експериментально визначених коефіцієнтів тепло та масообміну. Розв’язок моделі виконано в середовищі програмного пакету Мейпл (Maple).

Зв’язок роботи з науковими програмами, темами. Робота виконана на кафедрі теоретичної і промислової теплотехніки НТУУ “Київський політехнічний інститут”. Тематика дисертаційної роботи відповідає науковому напрямку кафедри і виконувалась в відповідності з програмою досліджень Міністерства освіти і науки за напрямком “Ресурсозбереження”, розділ 4.06 “Високоефективне обладнання для парогазових та газотурбінних енергетичних комплексів” тема: “Розроблення і дослідження неізотермічного зволожувача паливного газу та процесу горіння в камері згоряння газопаротурбінної установки (ГПТУ) “Водолій” (ДР № 0101U004062) а також тема: “Термодинамічне обґрунтування використання контактних апаратів з неізотермічними процесами конденсації і випаровування у парогазовій технології спільного виробництва електричної та теплової енергії” (ДР № 0100U000566).

Наукова новизна одержаних результатів полягає в наступному:

1. експериментально визначено густину зрошення за якої досягається повне змочування поверхні сітчастої насадки,

2. визначено швидкості початку захлинання в контактному випаровувачі з сітчастою гофрованою насадкою,

3. отримано результати комплексних експериментальних досліджень процесу тепломасообміну при випаровуванні рідини на сітчастих гофрованих насадках при зустрічному русі теплоносіїв,

4. отримано результати досліджень опору сітчастої гофрованої насадки від конструкційних та режимних параметрів процесу,

5. встановлено узагальнюючі співвідношення для розрахунку швидкості початку захлинання, тепломасообміну та гідравлічного опору,

6. отримано результати аналітичного розв’язку відомої напівемпіричної моделі контактного випаровувача зі сформульованими нами граничними умовами та з урахуванням експериментальних значень коефіцієнтів ТМО.

Практичне значення результатів роботи.

Ряд матеріалів дисертаційної роботи впроваджено в учбовий процес кафедри ТПТ.

Результати проведених досліджень використано для створення методики розрахунку контактних випаровувачів з сітчастою гофрованою насадкою, яка застосовується ДП Науково-виробничий комплекс газотурбобудування “Зоря”-“Машпроект” при проектуванні обладнання для ГПТУ.

Особистим внеском здобувача у роботу є:

1. створення стенду для експериментальних досліджень процесів гідродинаміки та ТМО в моделі контактного випаровувача з сітчастою гофрованою насадкою,

2. експериментальне дослідження впливу витрати рідини та конструкції зрошувача на існування суцільної плівки на насадці,

3. експериментальне дослідження ТМО, гідравлічного опору та швидкості початку захлинання за контактного випаровування на сітчастій гофрованій насадці і одержання узагальнюючих залежностей для розрахунку таких процесів,

4. корегування та розв'язок відомої напівемпіричної моделі з новими граничними умовами та з урахуванням експериментальних значень коефіцієнтів ТМО, порівняння теоретичних та експериментальних результатів.

Апробація роботи. Основні результати дисертаційної роботи доповідались та обговорювались на Міжнародному семінарі “Теплотехніка-98”, (м. Київ, 1998), ІІ Російській національній конференції по тепломасообміну,
(м. Москва, 1998), ХІІ-й школі-семінарі молодих вчених і спеціалістів під керівництвом А.І. Лєонтьєва (м. Москва, 1999), Міжнародній науково-технічній конференції “Проблеми та перспективи створення і впровадження нових ресурсо- та енергоощадних технологій, обладнання в галузях харчової і переробної промисловості”, (м. Київ, 1999), Міжнародній науково-практичній конференції “Региональные проблемы энергосбережения в производстве и потреблении энергии”, (м. Київ, 1999), IV Мінському міжнародному форумі по тепломасообміну (м. Мінськ, 2000), ІІІ Російській національній конференції по тепломасообміну, (м. Москва, 2002).

Публікації. Основні результати дисертації викладено в 11 друкованих працях з яких 7 статей в провідних фахових виданнях.

Структура та об’єм роботи. Дисертація складається з вступу, 4 розділів, загальних висновків, списку використаних джерел з 159 найменувань та 4 додатків. Загальний обсяг роботи становить 150 сторінок тексту, з них 49 рисунків та 5 таблиць.

ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність роботи, встановлено необхідність удосконалення контактних випаровувачів та проведення з цією метою досліджень ТМО та гідродинаміки на насадках таких апаратів, що й обумовило тему роботи.

У першому розділі дисертації наведено схему ГПТУ та на основі аналізу конструкцій насадкових контактних випаровувачів, встановлено, що оптимальною конструкцією випаровувача для утилізаційного контуру ГПТУ є контактний апарат з новою сітчастою гофрованою насадкою (рис. 1).

Проте, результати відомих досліджень тепломасообміну в існуючих контактних випаровувачах, виконані різними авторами, розбігаються в кілька разів та носять обмежений характер. А оскільки відомі методики розрахунку ґрунтуються на моделях, що враховують експериментальні значення коефіцієнтів тепломасообміну, це не дозволяє коректно визначити кінцеві параметри теплоносіїв за контактним випаровувачем з новою сітчастою гофрованою насадкою. Крім цього, на роботу контактних апаратів впливає площа змоченої поверхні насадки. З літератури відомо, що цей параметр є досить специфічним, оскільки залежить від насадки, зрошувача, та густини зрошення. Не у всіх роботах визначено опір поверхні апарату та швидкість початку “захлинання”. Виходячи з вище перерахованого, визначено основні задачі роботи.

У другому розділі дисертації описуються дослідні стенди, методики проведення досліджень площі змоченої поверхні, тепломасообміну та гідродинаміки в контактному випаровувачі з сітчастою насадкою. Крім цього, наведено також порядок опрацювання дослідних даних та проведено оцінку похибок вимірювань.

На І стенді визначалась змочена поверхня насадки. Для цього визначали кількість утримуваної води (К.У.В.) в залежності від густини зрошення Г на сітчастій смузі при візуально контрольованому плівковому русі і на насадці в тому ж діапазоні Г. Порівнюючи ці дані визначили Г за яких є відповідність між К.У.В. на сітці і насадці, тобто відповідність між гідродинамічними режимами, що свідчить про існування на поверхні насадки суцільної плівки.

Методика досліджень заключалася в наступному. На попередньо змочену поверхню через зрошувач подавалася певна кількість води. Після стабілізації режиму змочена поверхня відсікалася від зрошувача і визначалася маса стікаючої води. Маса води, яка залишилася в вічках сітки, визначалася ваговим методом. Надалі експеримент повторювався при іншій витраті води. Діапазон зміни режимних параметрів вказано в табл. 1.

2-й стенд складався з системи подачі, підігріву та відведення теплоносіїв та комплексу контрольно-вимірювальної апаратури. Дослідна ділянка стенду моделювала контактний випаровувач з повністю змоченою сітчастою насадкою. Сітчасті насадки (див. рис. 1) виготовлялися з нержавіючої сітки шляхом згортання в рулон сітчастого гофрованого та плоского листів. Розміри насадок підбирали таким чином, щоб впритул заповнити поперечний перетин моделі апарату. Визначення температур повітря та води, які рухалися протитоком, проводилося хромель-алюмелевими термопарами, встановленими на вході та виході з насадки за захисними екранами. Вологість повітря визначалася гігрометром та перевірялася за тепловим балансом. Перепад тиску на дослідній ділянці встановлювався мікродифманометром ММН з нахиленою трубкою. Для запобігання тепловим втратам дослідна ділянка теплоізолювалася. Діапазон зміни режимних параметрів вказано в табл. 1.

При опрацюванні дослідних даних розраховувалися відносні похибки заміряних параметрів та сумарні відносні похибки розрахованих величин. Відзначимо, що найвищою є похибка визначення питомого аеродинамічного опору, яка складає 9,2 %.

Таблиця 1

Діапазон зміни режимних та геометричних параметрів

№п/п | Параметр | Стенд1 | Стенд 2

Насадка | Сітчаста смуга

1 | Висота, Н мм | 185 | 153 | 40185

2 | Еквівалентний діаметр (ширина),
dе мм | 5,7 | 115 | 4,67,5

3 | Розмір вічка сітки, S мм | 0,63 | 0,20,9

4 | Діаметр дроту сітки, мм | 0,3 | 0,120,4

5 | Кут нахилу до вертикалі (гофрів насадки або сітчастої смуги), | 7 | 318

6 | Початкова температура плівки води, tпл1 С | 18 | 2485

7 | Reпл плівки | 464 | 2464

8 | Початкова температура повітря,

tпов1 С_ | 50150

9 | Reпов повітря_ | 1801000

У третьому розділі експериментально встановлено, що аеродинамічний опір сухої сітчастої насадки р/Н прямо залежить від швидкості повітря, а також діаметру дроту сітки насадки, кута нахилу гофрів і зворотно залежить від dе. Також встановлено, що опір змоченої насадки зростає з ростом Г та зменшенням dе за інших сталих параметрів.

Досліди, показані на рис 2, проводилися в плівковому режимі і в режимі “захлинання” при Н = 100 мм, dе = 6,7 мм, = 3, S = 0,63 мм. На рисунку показано, що в діапазоні плівкового руху рідини зростання густини зрошування з 8,3 до 15,7 г/(мс) призводить до збільшення питомого опору змоченої насадки р/Н на 3040 %, що пов’язано зі збільшенням дотичної напруги і сили тертя на межі контакту вода-повітря. Залежність, що узагальнює методом найменших квадратів експериментальні дані для плівкового руху води, має наступний вигляд:

Рівняння справедливе в наступному діапазоні Reпл = 2464, = 0,120,4 мм, Н = 40185 мм, dе = 4,67,5 мм, Reпов = 1801000 і не враховує екстенсивний вплив кута нахилу гофрів, який рекомендується мінімізувати.

Порівняння з відомими результатами свідчить, що питомий опір досліджуваної насадки нижчий за опір насадки з гофрованою не сітчастою поверхнею та трубчастої насадки з сітки, проте дещо переважає опір плоско-паралельної насадки чи насадки з зубчатими отворами.

Перехід від плівкового режиму до режиму “захлинання”, що характеризується “швидкістю захлинання”, або критичною швидкістю Wкр, фіксувався за мінімальним значенням коефіцієнту гідравлічного опору в залежності від безрозмірної швидкості Re (див. рис. 3). Одночасно це відповідає точці перелому на графіках рис. 2. Візуально захлинання характеризується збільшенням краплевиносу з апарату та в подальшому зависанням плівки по всій поверхні сітки.

Як видно з рис. 4, де нанесено експериментальну залежність Wкр = f(Г), зростання “швидкості захлинання” обумовлено ростом еквівалентного діаметра насадки та зменшенням Г, що пов’язано зі збільшенням вільного об’єму в перерізі апарату.

При узагальненні даних з рис. 4 отримано рівняння для визначення критичної швидкості

Рівняння справедливе в діапазоні Fr = 0,0130,035, We = 0,1310,148 для системи вода-повітря.

Порівняння отриманої “швидкості захлинання” з даними для гофрованої сітчастої насадки з круглими та трапецієвидними каналами, а також з даними для трубчастої насадки з сітки, які найбільш близькі конструктивно, вказує на вищі швидкості для даної насадки, що пов’язано з її конструкційними перевагами.

У четвертому розділі експериментально встановлено мінімально допустиму густину зрошення насадки (за якої зберігається суцільність плівки) та наведено результати досліджень тепломасообміну на сітчастій гофрованій насадці контактного випаровувача з суцільною плівкою.

Попередні дослідження, проведені на жерстяній та сітчастій не гофрованих смугах показали, що зрошування попередньо змоченого матеріалу в дослідженому діапазоні Г призводить до виникнення плівки на сітці і струмкового руху на гладкій пластині. Це підтверджує більшу ефективність процесів саме на сітчастих насадках.

В подальшому досліджувалася робота гофрованої сітчастої насадки з різними струминними зрошувачами, що дозволило встановити вплив питомої кількості отворів зрошувача на зростання площі змоченої поверхні насадки і за рахунок цього оптимізувати конструкцію зрошувача. В результаті обрано зрошувач з одним отвором 0,6 мм на 58 мм змоченого периметра.

Порівняння кількості утримуваної води (КУВ) на насадці та на візуально контрольованій сітчастій смузі, що зрошуються оптимізованим зрошувачем показано на рис. 5. З цього рисунка видно, що при Г 68 г/(мс) КУВ на насадці відповідає КУВ на повністю змоченій сітчастій смузі, тобто спостерігається ідентичність гідродинамічних режимів на насадці та сітчастій смузі.

Тому режим руху води при Г 68 г/(мс) на поверхні насадки розглядався як плівковий, і подальші дослідження тепломасообміну проведено саме в цьому режимі.

В результаті встановлено, що інтенсивність процесів тепломасообміну при ізотермічному русі плівки по сітчастій гофрованій насадці зростає з ростом швидкості W та температури повітря tпов1. Тому процеси в насадці слід проводити при максимальних значеннях цих параметрів.

Крім цього експериментально досліджено залежність інтенсивності І процесів тепломасообміну від геометрії насадки: Н, dе, S, . З літератури відомо про вплив вічка сітки S на мінімальну густину зрошення, що підтверджено в ході попередніх експериментів. Однак, впливу S на інтенсивність процесів не встановлено , що пояснюється відсутністю впливу на товщину плівки роботи адгезії (з лат.adheraere налипати), і відповідно розміру вічка сітки. Встановлено незначний вплив кута нахилу гофрів на інтенсивність процесу. Виявлено суттєвий вплив на І висоти Н та еквівалентного діаметру dе. При чому з ростом висоти Н або зі зменшенням еквівалентного діаметру dе відбувається зниження інтенсивності процесу, що пояснюється поступовим насиченням повітря парою і зниженням рушійних сил процесів.

Узагальнення отриманих результатів по теплообміну дає наступну критеріальну залежність, нанесену на рис. 6

(1)

Аналогічно для масообміну

(2)

Як видно з рис. 6, відхилення експериментальних точок від узагальнюючої залежності (1) не перевищує 15 % (для рівняння (2) відхилення аналогічне), що дозволяє рекомендувати залежності (1-2) для розрахунку процесів тепломасообміну. Порівняння дослідженої сітчастої гофрованої насадки за теплообмінними показниками з плоско-паралельною насадкою, насадкою “ВХ” фірми “Zulser” (Зульцер), насадкою з кілець Рашига показує, що теплообмін на запропонованій сітчастій гофрованій насадці є інтенсивнішим, що свідчить про її переваги.

Методика розрахунку контактного випаровувача з запропонованою сітчастою гофрованою насадкою ґрунтується на відомій математичній моделі Гешева-Якубовського, яка з певним коректуванням найбільш грунтовно описує процеси тепломасообміну на дослідженій насадці.

Модель базується на системі диференційних рівнянь переносу тепла і маси, яка для нашого випадку розв’язана зі зміненими граничними умовами, що визначені нижче.

Рівняння переносу тепла в плівці води

(3)

Рівняння переносу тепла в потоці повітря

(4)

Рівняння переносу маси в потоці газу

(5)

Граничні умови включають рівняння теплового балансу, яке на відміну від вищерозглянутої моделі враховує випаровування плівки як за рахунок теплоти повітряного потоку, так і внутрішньої теплоти плівки:

(6)

Крім цього, математична модель враховує експериментальні значення коефіцієнтів тепломасообміну, які розраховані за рівняннями (1-2).

Порівняння числового розв’язку цієї моделі, виконане в середовищі програмного пакету Мейпл (Maple), з експериментальними даними як для ізотермічного, так і неізотермічного руху плівки по насадці контактного випаровувача показано на рис. 7.

Як видно з цього рисунка, розходження між розрахованими та експериментальними кінцевими температурами повітря та плівки не перевищує 12 %, а між розрахованими та експериментальними кінцевими вологовмістами повітря не перевищує 23 %.

Отримані результати дозволяють застосувати відому математичну модель зі зміненими граничними умовами для розроблення методики розрахунку контактного випаровувача з сітчастою гофрованою насадкою.

У додатках наведено методику опрацювання дослідних даних, лістинг програми розв’язання системи рівнянь (3-5) з граничними умовами (6), розрахунок експериментальних похибок та акт впровадження результатів роботи.

ВИСНОВКИ

В роботі виконано нове вирішення наукової проблеми, яка полягає в інтенсифікації процесів тепломасообміну та зниженні гідравлічного опору в протитоковому контактному випаровувачі за рахунок застосування нової сітчастої гофрованої насадки. Вирішення проблеми заключається в пошуку і розробці насадки з більш ефективними геометричними характеристиками, у створенні суцільного плівкового руху по її поверхні а також у вивченні та аналізу впливу на процеси параметрів теплоносіїв. Результатом вирішення є розробка методики розрахунку контактних випаровувачів з новою сітчастою гофрованою насадкою. Застосування таких випаровувачів в неізотермічних процесах (зокрема на ГПТУ “Водолій”) дозволяє повернути в цикл низькопотенційну теплоту відпрацьованих газів.

Основні результати та висновки, отримані за результатами проведеної роботи, заключаються в наступному:

1. Досліджена нова сітчаста гофрована насадка має розвинуту поверхню контакту теплоносіїв в одиниці об’єму (до 550 м2/м3), що майже вдвічі більше ніж у плоско-паралельної насадки (ППН), чи кілець Рашига і відповідає насадкам фірми “Sulzer” (Зульцер). Але порівняно з насадками фірми “Sulzer” (Зульцер) вона має вищі тепломасообмінні показники. Технологія виготовлення нової насадки є більш досконалою, ніж у сітчастих насадок з циліндричними та трапецієвидними каналами.

2. Експериментально досліджено гідравлічні характеристики контактного апарату з сітчастою насадкою в широкому інтервалі значень геометричних та режимних параметрів (висота Н =40185 мм, еквівалентний діаметр dе= 4,67,5 мм, розмір вічка сітки S =0,20,9 мм, кут нахилу гофрів до вертикалі = 318, густина зрошення Г 16 г/(мс), швидкість газу W 3,5 м/с).

3. Встановлено, що мінімально допустима густина зрошення насадки, визначена на основі відповідності гідродинамічних режимів між повністю зрошеною сітчастою смугою та сітчастою насадкою для обраного струминного зрошувача з 1 отвором на 58 мм периметра, складає Г = 68 г/(мс).

4. Встановлено, що в діапазоні початкових температур повітря 80150 С та за швидкості W = 1,42 м/с інтенсивність випаровування плівки в залежності від розміру вічка сітки насадки S знаходиться в межах експериментальної похибки, що вказує на відсутність значного впливу S на процеси тепломасообміну. Також експериментально встановлено, що збільшення кута нахилу гофрів з 3 до 18 призводить до 12 % зростання інтенсивності випаровування. Разом з цим зростання еквівалентного діаметра dе від 4,6 до 7,5 мм при сталій швидкості повітряного потоку (середня швидкість повітряного потоку W = 1,0 м/с) та густині зрошування (Г = 6 г/(мс) призводить до зростання інтенсивності випаровування з поверхні насадки майже на 50 % та до зниження кінцевого вологовмісту повітря на 10 %. А зростання висоти насадки в діапазоні Н=40185 мм призводить до зменшення інтенсивності випаровування рідини в 4 рази та збільшення кінцевого вологовмісту на 15-20 %. Таким чином, основними геометричними параметрами є висота насадки та її еквівалентний діаметр.

5. Порівняння показало, що нова сітчаста гофрована насадка має на 40 % кращі теплообмінні показники, ніж насадка ВХ фірми Зульцер і в 5 разів кращі, ніж ППН та вдвічі кращі, ніж насадка з кілець Рашига. Узагальнення експериментальних результатів, проведене в критеріальному вигляді справедливе в діапазоні Reпов = 2001000, Pr = 0,69, Н = 40185 мм, dе = 4,67,5 мм.

6. Експериментально встановлено, що збільшення швидкості повітряного потоку від 0,6 м/с до 2,7 м/с призводить до приросту питомого аеродинамічного опору р/Н насадки в 15 разів. Наступні дослідження показали, що із збільшенням діаметру дроту від = 0,12 до 0,4 мм р/Н насадки збільшується приблизно в 1,5 рази в дослідженому діапазоні швидкостей повітря. Також р/Н збільшується в 2,5 рази зі збільшенням кута нахилу гофрів від 3 до 18. Збільшення еквівалентного діаметру від 4,6 до 7,6 мм зменшує р/Н в 2,5. Зростання густини зрошування з 6,5 до 15 г/(мс) викликає зростання гідравлічного опору насадки на 70 %. Разом з тим отримано критеріальне рівняння для розрахунку гідравлічного опору нової сітчастої гофрованої насадки, яке справедливе в діапазоні: Reпл = 2464, = 0,120,40 мм, Н = 40185 мм, dе = 4,67,5 мм. При цьому Reпов складає від 200 до значення, що лімітується критичною швидкістю Reкр =Wкрd/, яка відповідає початку “захлинання” насадки.

7. Порівняння питомого опору насадки для W = 2 м/с з відомими даними свідчить, що опір дослідженої сітчастої насадки (кут нахилу гофрів до вертикалі = 3, висотою Н = 100 мм, виготовленої з сітки з дротом діаметром = 0,25 мм) майже вдвічі перевищує питомий опір ППН, проте на порядок менший за опір гофрованих насадок і відповідає опору близької за конструкцією сітчастої насадки з циліндричними каналами.

8. Критична швидкість визначалася за мінімумом коефіцієнта гідравлічного опору при зростанні безрозмірної швидкості повітря Re. Також встановлено, що з ростом еквівалентного діаметра від 4,6 до 7,5 мм критична швидкість Wкр зростає на 60 %, а зростання густини зрошення з 6 до 15 г/(мс) призводить до зменшення Wкр на 30 %. Рівняння, що узагальнює дослідні дані справедливе в наступному діапазоні: Fr = 0,0130,035, We = 0,1310,148, Ga = 2,39105.

9. Встановлено, що критична швидкість в дослідженій насадці перевищує на
20 % швидкість для сітчастої насадки з циліндричними та трапецієвидними каналами а також критичну швидкість в гофрованій насадці з гладких листів, що вказує на її конструкційні переваги.

10. Розроблена методика розрахунку контактного випаровувача з запропонованою насадкою на базі відомої математичної моделі Гешева-Якубовського, що найбільш коректно описує процеси тепломасообміну на подібних насадках. Модель побудована на диференційних рівняннях переносу тепла і маси, але для запропонованої нами насадки вона розв’язана з іншими граничними умовами. Зокрема з іншими напрямками теплових потоків і іншими значеннями граничних параметрів.

11. Розв’язок математичної моделі з іншими граничними умовами порівнювався з експериментальними даними як для ізотермічного, так і неізотермічного руху плівки. При цьому отримано, що розходження між аналітичними та експериментальними кінцевими температурами повітря та плівки не перевищує 12 %, а між аналітично та експериментально отриманими кінцевими вологовмістами повітря не перевищує 23 %. На основі відкоректованої математичної моделі побудовано методику розрахунку контактного випаровувача з сітчастою насадкою.

12. Застосування досліджених апаратів в складі ГПТУ типу “Водолій”, зменшує температуру відпрацьованих газів зі 165 до 120 С, що поглиблює їх утилізацію, за рахунок чого збільшується ККД установки на 3 % абсолютних і одночасно при цьому зменшується теплове навантаження конденсатора.

Основні положення дисертації опубліковано в роботах:

1. Дикий Н.А., Колоскова Н.Ю., Туз В.Е., Кузьменко И.Н. Исследование процесса испарения жидкости в тепломассообменном аппарате с сетчатой насадкой // Экотехнологии и ресурсосбережение. – 1997. № 2. – С. 34-38.

2. Дикий М.О., Колоскова Н.Ю., Кузьменко І.М., Ель-Таллаа А.А. Теплообмін і гідродинаміка в протитокових насадкових контактних випаровувачах // Наукові вісті НТУУ “КПІ”. сер. Теплоенергетика. – 1997. – С. 22-25.

3. Дикий Н.А., Колоскова Н.Ю., Туз В.Е., Кузьменко И.Н. Термодинамика и расчет неизотермического испарителя // Промышленная теплотехника. – 1997. _ Т. 19.- № 4-5. С. 62-67.

4. Кузьменко І.М. Тепломасообмін при контактному випарюванні рідини // Вісник українського будинку економічних та науково-технічних знань. – 1998. _№ 8. – С. 24-25.

5. Кузьменко І.М. Математична модель насадкового тепломасообмінного апарату // Энергетика и электрификация. – 1999. № 3. – С. 41-42.

6. Дикий Н.А., Туз В.Е., Трокоз Я.Е., Кузьменко И.Н. Моделирование тепломассообмена при испарении пленки жидкости в одиночном канале // Промышленная теплотехника – 2000. Т. 22. №3. С. 17-19.

7. Дикий М.О., Туз В.О., Трокоз Я.Є., Кузьменко И.Н. Математическая модель тепломассопереноса при испарении с сетчатой насадки // Экотехнологии и ресурсозбережение – 2001. №1. С.75-78.

8. Дикий Н.А., Кузьменко И.Н. Графоаналитический расчет контактного тепломассообменного аппарата // Труды РНКТ-2. – Т. 4. – Москва: МЭИ. _1998. – С. 294-297.

9. Кузьменко И.Н. Тепло- и массообмен в контактном испарителе монарной парогазовой установки (ПГУ) // Труды XII школы-семинара молодых ученых и специалистов под рук. А.И. Леонтьева. Москва: МЭИ. 1999. С. 181-185.

10. Дикий Н.А., Туз В.Е., Трокоз Я.Е., Кузьменко И.Н. Тепломассоперенос при испарении жидкости в каналах с пористыми стенками // Труды IV Минского Международного форума по тепломассообмену. Минск: АНК “Институт тепло- и массообмена им. А.В. Лыкова” НАНБ. 2000. С. 336-340.

11. Дикий Н.А., Туз В.Е., Кузьменко И.Н., Трокоз Я.Е. Устойчивость пленочного течения в канале с сетчатыми стенками // Труды IІІ Российской национальной конференции по тепломассообмену. – Москва: МЭИ. _2002. Т. 5. С. 203-205.

У роботах [1-3, 9] автору належать результати та опрацювання експериментальних досліджень по тепломасообміну та гідродинаміці при випаровуванні води на сітчастій насадці, а в роботах [6, 7, 10] опрацювання даних по випаровуванню з плівки води. Розв”язок та порівняння автором математичної моделі з експериментальними результатами наведено в роботах [4-8]. В роботі [11] автору належить опрацювання дослідних даних по гідродинаміці.

Анотація

Кузьменко І.М. Гідродинаміка та тепломасообмін в протитоковому контактному випаровувачі з сітчастою гофрованою насадкою. Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.14.06 технічна теплофізика та промислова теплоенергетика. Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”, Київ, 2003.

На основі експериментальних досліджень гідродинамічного опору та ТМО в протитоковому контактному випаровувачі з сітчастою гофрованою насадкою, наведено рекомендації по інтенсифікації досліджених процесів та розроблено методику їх розрахунку.

Експериментально встановлено, що критична швидкість “захлинання” насадки залежить від густини зрошення та еквівалентного діаметра насадки.

Досліджено, що суцільність плівки залежить від густини зрошення та характеристик зрошувача, а гідравлічний опір та інтенсивність процесів тепломасообміну залежать від висоти насадки, її еквівалентного діаметру, температури та швидкості повітря за суцільної плівки на насадці. В роботі наведено узагальнюючі залежності для розрахунку швидкості початку захлинання, гідродинамічного опору та ТМО. Встановлено, що ефективність процесів ТМО на дослідженій насадці вища, ніж у аналогів.

В результаті, на основі відомої напівемпіричної моделі, розв’язаної за нових граничних умов з використанням отриманих експериментально коефіцієнтів ТМО, створено методику розрахунку контактного випаровувача, яку впроваджено на ДП Науково-виробничий комплекс газотурбобудування “Зоря”-“Машпроект”.

Ключові слова: контактний випаровувач, густина зрошення, сітчаста гофрована насадка, процеси тепломасообміну, гідравлічний опір, швидкість початку захлинання.

Аннотация

Кузьменко И.Н. Гидродинамика и тепломассообмен в противоточном контактном испарителе с сетчатой гофрированной насадкой. Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.14.06 техническая теплофизика и промышленная теплоэнергетика Национальный технический университет Украины “Киевский политехнический институт”, Киев, 2003.

Диссертация посвящена экспериментальному исследованию гидродинамики и ТМО в контактном испарителе с новой сетчатой гофрированной насадкой при противоточном движении воды и воздуха с целью разработки методов интенсификации этих процессов и разработки методики их расчета.

Новая насадка состоит из поочередно размещенных плоских и гофрированных сетчатых листов, скрученных в рулон, что позволяет упростить технологию изготовления, а развитая удельная поверхность этой насадки способствует интенсификации её ТМО показателей.

Экспериментальные исследования испарителя с такой насадкой проводились на двух стендах. На I стенде в соответствии с методикой Рамма, определяли смоченную поверхность насадки, орошаемой струйным оросителем с варьируемым количеством точек подачи жидкости. Для этого в диапазоне плотностей орошения Г = 116 г/(мс) по усовершенствованному методу отсекания замеряли количество удерживаемой жидкости (КУЖ) на насадке. В результате, по максимальному значению КУЖ, выбрано оптимальный ороситель. Сравнив данные по КУЖ, полученные на насадке, орошаемой оптимальным оросителем, с данными, полученными на сетчатой пластине, при визуально контролированном пленочном движении в том же диапазоне Г при том же способе подачи жидкости, установлена доля насадки, покрытой пленкой. А неразрывное пленочное движение жидкости по всей насадке аппарата со струйным оросителем оптимизированной конструкции достигается при Г 68 г/(мс).

На втором стенде исследовано ТМО и сопротивление модели контактного испарителя при неразрывном пленочном движении жидкости по всей насадке. Модель насадки поперечным диаметром 56 мм плотно размещалась в рабочем участке, а подача воды на нее осуществлялась оптимальным струйным оросителем.

Стенд состоял из комплекса контрольно-измерительной аппаратуры и систем подачи, подогрева и отвода воды и воздуха. Определение их температур проводилось хромель-алюмелевыми термопарами, установленными на входе и выходе из насадки за защитными экранами. Влажность воздуха определялась гигрометром и проверялась по тепловому балансу (для минимизации тепловых потерь рабочий участок теплоизолировался). Перепад давления фиксировался микродифманометром ММН с наклонной трубкой. Эксперименты проводились по классическому плану, а их точность обеспечивалась применением современного измерительного оборудования и сравнением получаемых результатов с известными данными.

В работе определено влияние геометрических параметров насадки (высоты, эквивалентного диаметра, угла наклона гофров, размера ячейки сетки) на сопротивление аппарата и на интенсивность испарения жидкости. Установлено, что основными геометрическими параметрами насадки есть её высота и эквивалентный диаметр. Подтверждено, что интенсивность процессов ТМО прямо связана со скоростью и температурой газового потока. Все это позволило установить обобщающие зависимости для расчета гидродинамического сопротивления и процессов ТМО на новой сетчатой гофрированной насадке. Сравнение показало, что она имеет лучшие ТМО характеристики, чем насадка “ВХ” фирмы “Zulzer” (Зульцер), насадка из колец Рашига, или плоско-паралельная насадка.

Поскольку при определенных скоростях аппарат переходит в барботажный режим “захлебывается”, получено обобщающую зависимость для расчета скорости начала “захлебывания” для новой насадки. Определение этой скорости проводилось по минимуму коэффициента гидравлического сопротивления от числа Рейнольдса =f(Re) при разных плотностях орошения и эквивалентных диаметрах насадки. Установлено, что скорость начала “захлебывания” для новой насадки превышает скорости для гофрированной насадки с гладкими стенками и сетчатой насадки с круглыми и трапециевидными каналами при прочих равных условиях.

В результате, на основании известной математической модели, решенной для контактного испарителя с новой сетчатой насадкой при новых граничных условиях с учетом экспериментально полученных коэффициентов ТМО, разработано методику расчета аппарата. Данная методика внедрена на ГП Научно-производственный комплекс газотурбостроения “Зоря”-“Машпроект”.

Ключевые слова: контактный испаритель, плотность орошения, сетчатая гофрированная насадка, тепломассообмен, гидравлическое сопротивление, скорость начала захлебывания, противоток.

sUMMARY

Kооz’menko I.M. Hydrodynamic resistance and heat-mass transfer in apparatus of contacting evaporation with porous netting pack. – Manuscript.

Thesis for a scientific degree of the candidate of technical science by specialty 05.14.06 – engineering thermal physics and industrial heat power engineering. _ National Technical University of Ukraine “Kyiv Polytechnic Institute”, Kyiv, 2003.

The data of an experimental investigations of hydrodynamic resistance, heat and mass transfer in apparatus with the porous netting pack are presented for working up a recommendations for intensification of such processes and making the procedure for calculations ones.

Experiments showed that the critical speed of “flooding” in apparatus depends on density of spraying and an equivalent diameter of the pack.

It is determined that the maximum area of liquid film on the pack depends on density of spraying and characteristics of sprayer.

Are determined an influencing of height of the pack, its equivalent diameter, a temperature of input of air and a speed of air on hydrodynamic resistance and heat-mass transfer in apparatus with the maximum square of a liquid film. The experimental data had summarized in empirical equations for calculations of a critical speed, a hydrodynamic resistance and a coefficients of heat-mass transfer.

The efficiency of the investigated processes in evaporator with the new porous netting pack is higher than in other known models.

On the base of a known semi-empirical model solved with the new boundary conditions and the experimental coefficients of heat-mass transfer was developed the method of calculation of such evaporator. Plant “Zorya”-“Mashproekt” is using such method to design new more effective gas turbine cycles.

Key words: the apparatus of contacting evaporation, density of spraying, porous netting pack, processes of heat-mass transfer, countercurrent flow.