Диссертация (Закономерности тепломассообмена в закрытом двухфазном термосифоне для агрегата распылительной сушки), страница 11

а) по участку стенки оребренной трубыиспарителя термосифона, б) по высоте ребра испарителя термосифона.91Рисунок 4.4 – Зависимость плотности теплового потока в испарителе термосифона от высотыребра.Рисунок 4.5 – Зависимость теплового потока от температуры насыщения внутри трубыиспарителя термосифона при высотах ребра 45, 50, 55 и 60 мм.92Как видно из рисунков с увеличением высоты ребра эффективностьтеплопереноса увеличивается вплоть до высоты 100 мм, дальнейшее увеличение кросту эффективности не ведет.

При этом существенный прирост теплопереносапроисходит до высоты 50мм, дальнейшее увеличение высоты ребра лишьусложняет конструкцию без значительного увеличения эффективности. Исходя изанализа результатов расчета с учетом удобства изготовления в конструкцииопытно-промышленного образца термосифона высота ребра испарителя былапринята равной 50 мм при их количестве равном 20 шт.Аналогичныерасчетыбылипроведеныидляоребреннойтрубыконденсатора.На рисунке 4.6 представлены участки расчетных сеток для оребреной трубыконденсатора.Длярасчетатакжеиспользоваласьсетка,состоящаяизтетраэдрических элементов.

При этом максимальный размер элемента сеткисоставлял 0,0605 м, минимальный – 0,0044 м.Рисунок 4.6 – Участки расчетной сетки для оребренной трубы конденсаторатермосифона.93На рисунке 4.7 изображено распределение температур по одной изоребренных труб конденсатора при температуре насыщения внутри трубы 153 °С,высоте ребра 25 мм и количестве ребер, равном 14. Диаметр трубки конденсатораравен 0,056 м, высота 0,8 м.Рисунок 4.7 – Распределение температур по стенке оребренной трубки конденсаторатермосифона, °С.На рисунке 4.8 показан график распределения температуры по высоте ребраконденсатора на нижней и верхней образующих ребра при начальной температуреобогреваемого раствора 50 °С.На рисунке 4.9 представлен график зависимости плотности тепловогопотока однойтрубкиконденсатораот высота ребра притемпературенасыщенного пара внутри трубы 153 °С и начальной температуре обогреваемогораствора 50 °С.94Рисунок 4.8 – Распределение температуры по высоте ребра конденсатора термосифонаРисунок 4.9 – Зависимость плотности теплового потока от высоты ребра конденсаторатермосифона.График зависимости теплового потока от четырех оребренных трубконденсатора от температуры насыщенного пара внутри трубы в диапазоне 140160 °С для высоты ребра 10, 15, 20 и 25 мм.

показан на рисунке 4.10.95Из приведенных рисунков для величины теплопередачи в зависимости отвысоты ребра и их числа также можно сделать вывод о целесообразностиограничиться высотой ребра в 20 мм при их количестве – 14 шт.Рисунок 4.10 – Зависимость теплового потока от температуры насыщения внутритермосифона при высотах ребра конденсатора 10, 15, 20, 25 мм и без оребрения.На рисунке 4.11 приведен сводный график зависимости теплового потокаиспарителя и конденсатора термосифона от температуры насыщенного паравнутри трубы при различных высотах ребра при температуре топочных газов600оС.Как видно из рисунка для исследуемых геометрических характеристиктермосифона диапазон рабочих температур насыщения в термосифоне находитсяв пределах 150 – 155 оС при диапазоне теплопроизводительности 53 – 57 кВт, чтосоответствует технологическим потребностям в теплоте для нагрева растворовфосфатов.96Рисунок 4.11 – Зависимости тепловых потоков конденсатора (пунктирные) и испарителя(сплошные) термосифона при различных температурах насыщенного пара и высотах ребра.Конструкциятермосифонас приведеннымивыше геометрическимихарактеристиками легла в основу промышленной установки (рисунок 4.12).Рисунок 4.12.

а)97б)Рисунок 4.12 – Изображение конденсатора ЗДТ (а) и фотография (б) промышленной установкидля нагрева рабочего раствора фосфатов на ОАО «РЕАТЭКС»Промышленные испытания термосифона данной конструкции показали еговысокую эффективность. При этом измерения проводились по приведенной ранееметодике [97].В процессе проведения опытно-промышленных испытаний производилисьизмерения температуры, давления и расхода теплоносителей.При проведении испытаний изменялись температура и расход топочныхгазов, расход и, как следствие, средняя температура нагреваемого раствора.Диапазон изменения указанных величин был таким же, как и при исследованияхна экспериментальных образцах термосифона.

Испытания проводились с цельюотладки режимов работы аппарата в технологическом цикле производствапищевых фосфатов по сокращенной программе.В результате измерений были получены следующие усреднённые данные: встационарном режиме работы установки при средней температуре газа в топкеtг = 600 С, равновесная температура воды и пара внутри трубы - tп = 153 С,98температура обогреваемой жидкости на входе в патрубок 7 -Tвх = 50 С,температура на выходе из патрубка 8 -Tвых = 98 С.

В рабочем режиме установкитемпературный напор в нижней части теплообменника составляет 450 ÷ 480°С, вверхней части 40 ÷ 50°С.По результатам проводимых измерений определялись тепловые потоки виспарителе и конденсаторе и соответствующий им перенос теплоты междуиспарителем и конденсатором.

Плотность теплового потока от горячего газа ккипящей жидкости (испаритель) q1 = 1,5 105 Вт/м2, от пара к обогреваемойжидкости (конденсатор) q2 = 9 104 Вт/м2; средняя скорость газа в топке wг =9,8 м/с; расход обогреваемой жидкости Vвх = 1 м3/ч. Полный тепловой поток отиспарителя к конденсатору (от топочных газов к рабочему раствору) – 50 ÷60 кВт.Полученные данные о тепло- и массопереносе позволили оценитькоэффициенты теплопередачи: коэффициент теплоотдачи от топочного газа ктрубе испарителя1= 44 Вт/(м2 К), от наружной стенки трубы конденсатора кобогреваемому раствору4= 8,6 102 Вт/(м2 К)Сравнение экспериментальных данных с результатами расчёта показали иххорошее согласование. Расхождение находится в пределах 6%.На рисунке 4.13 представлена полученная экспериментально зависимостьпроизводительности термосифона от температуры топочных газов при начальнойтемпературе нагреваемого раствора в 50 оС.

Из рисунка следует, что даннаяконструкция термосифона полностью обеспечивает требуемый нагрев растворов.При этом теплоперенос от топочных газов к испарителю составляет величину~ 56 кВт, а эффективный коэффициент теплопередачи от греющих газов кнагреваемым растворам – 16 300 Вт/(м2К).По результатам аналитических и экспериментальных исследований былиуточнены значения коэффициентов теплопередачи от топочных газов киспарителютермосифонаиотконденсатакнеобходимые для инженерного расчета термосифона.нагреваемымрастворам,99Рисунок 4.13 – Зависимость теплового потока от температуры топочных газовНа основаниирезультатов проведенных исследованийтакже былиразработаны инженерные методы расчета и алгоритм их реализации длязакрытого двухфазного термосифона.4.3 Инженерный метод расчетаПроцесспроектированиятермосифонадляконкретныхусловийэксплуатации должен включать в себя четыре общих этапа:1.Подбор подходящих типа и геометрии трубы;2.Выбор возможных материалов;3.Определение ограничений производительности;4.Определение фактической производительности и геометрическиххарактеристик термосифона.Первые два этапа были рассмотрены ранее.

Определение ограниченийпроизводительности включают в себя: ограничение уноса, кризис кипения иограничение скорости звука. Для условий работы рассматриваемой конструкциитермосифона и его параметров данные ограничения не существенны. Ниже дляпримера рассмотрим режима кипения в термосифоне.100Как уже говорилось выше, при выборе расчетной зависимости длякоэффициента теплоотдачи от стенки трубы к кипящей жидкости необходимоучесть, что кипение воды в термосифоне должно проходить в пузырьковомрежиме. Согласно [103], температурный напор, т.е.

разность между температуройстенки и температурой промежуточного теплоносителя tвн – ts, при которомпроисходит переход от пузырькового кипения к пленочному составляет 25 –30 °C. По результатам расчетов методом компьютерного моделированиятемпературный напор в оребрённом испарителе в термосифона при температуренасыщения ts = 153 °C составляет примерно 12÷15 °C, что говорит о наличиипузырькового режима кипения.В [26] дается определение критерия устойчивости режима кипения,описываемого формулой 1.7. Из уравнения 1.7 можно получить расчетноеуравнение для первой критической плотности теплового потока:4(4.1)кр1 = ∙ √′′√(′ − ′′),Согласно [26] и [104] значения для воды постоянной Ku = 0,13÷0,16.Для температуры насыщения внутри термосифона ts = 153 °C рассчитаннаяпоформуле4.1критическаяплотностьтепловогопотокасоставитqкр1 = 2,134 ∙ 103 кВт/м2, что в 20 раз больше реальной плотности теплового потокав термосифоне.Исходя из вышеизложенного можно сделать вывод, что при данныхусловиях в термосифоне будет существовать устойчивое пузырьковое кипение.Цельюинженерногопроизводительностиирасчетаявляетсягеометрическихопределениехарактеристикфактическойтермосифона,обеспечивающих требуемый нагрев нагреваемого теплоносителя (растворовпищевых фосфатов) греющим теплоносителем (топочными газами) при ихопределенном расходе.Инженерные методы расчета базируются на уравнениях теплового баланса,отражающих равенство потоков теплоты, воспринимаемых испарителем ипередаваемых конденсатору в данной конструкции закрытого двухфазноготермосифона.