Диссертация (Закономерности тепломассообмена в закрытом двухфазном термосифоне для агрегата распылительной сушки), страница 7

Внутренняя задача решалась в осесимметричной постановке. Нарисунках 2.2 а, б, в показаны участки расчетной сетки для внутренней полоститермосифона и внутренней полости топки.48а)б)Рисунок 2.2.49в)Рисунок 2.2 – Участки расчетной сетки а) верхний торец термосифона, длярешения внутренней задачи; б), в) для решения внешней задачи обтекания испарителятермосифона горячим газом (целиком и отдельные участки).Шаг счетной сетки был неравномерным.

Для повышения точности расчетовон определялся в зависимости от предполагаемого градиента рассчитываемойвеличины.Расчетная сетка для решения внутренней задачи состояла из треугольныхэлементов. Максимальный размер элемента составлял 0,116 м, минимальный –1,12 ∙ 10-6 м.Для решения внешней задачи обтекания трубы термосифона потокомгорячего газа использовалась тетраэдрическая сетка. Максимальный размерэлемента составлял 0,0544 м, минимальный – 0,00325 м.Для удобства проведения компьютерных расчетов зависимости физическихпараметровнагреваемогорастворабылиаппроксимированыполиномамиразличных степеней с использованием метода наименьших квадратов, при этомстепени полиномов подбирались из условия минимизации среднеквадратичногоотклонения расчетных значений от табличных [96].

Ниже приведены полученныеврезультатеаппроксимациирегрессионныеуравнениязависимостейоттемпературы теплофизических свойств участвующего в тепломассообменетеплоносителя.50Теплофизические свойства нагреваемой жидкости - 46% раствораNaH2PO4,Плотность раствора, кг/м3:ρж (t) = 1412,27 – 0,06582 ∙ t – 4.48214 ∙ 10-3∙ t2,(2.30)наибольшее отклонение расчетных значений от табличных составило – 0.082%;Динамическая вязкость раствора, Па ∙ с:11ж () = 0,12227 − 3,46862 ∙ 10−4 ∙ + 0,03634 ∙ 2 − 0,09692 ∙ 3 ,(2.31)наибольшее отклонение расчетных значений от табличных составило – 0.063%;Удельная теплоемкость раствора, кДж/(кг ∙ K):ж() = 2, 8416 + 1, 40809 ∙ 10−3 ∙ + 6, 65335 ∙ 10−6 ∙ 2 ,(2.32)наибольшее отклонение расчетных значений от табличных – 0.014%;Теплопроводность раствора, Вт/(м ∙ K):1(2.33)ж() = 0, 43083 − 1,97788 ∙ 10−3 ∙ + 0, 03988 ∙ 2 ,наибольшее отклонение расчетных значений от табличных – 0.062%,где t – температура раствора, °С.Коэффициент объемного теплового расширения β = 1.977 ∙ 10-4 K-1.2.3Результатыаналитическихисследованийтеплофизическихпроцессов в ЗДТОсновные результаты расчетов представлены на рисунках 2.3 – 2.13.На рисунках 2.3 а, б показаны расчетные поля скоростей и линий тока втопке при моделировании обтекания испарителя термосифона, изготовленного изтрубы диаметром d = 0.089 м с толщиной стенки 0,004 м, потоком дымовых газовс температурой 600 °C при температуре пароводяной смеси внутри трубы – около143 °C.

Распределения температур в топке и на наружной поверхности испарителятермосифона представлены на рисунке 2.4. Как видно из рисунков условияобтекания потоком дымовых газов трубы термосифона сильно меняются по длинетрубы, что отражается на величине коэффициента теплоотдачи, который меняетсякак по длине трубы, так и по периметру.51Рисунок 2.3 – Поле скоростей газа, м/с, при обтекании газом трубы испарителя термосифона.Рисунок 2.4 – Распределение температуры в топке, °СИз рисунка 2.4 видно, что наблюдается относительно постоянствотемпературы в камере смешения.

Непосредственно в пристеночной к испарителюобласти присутствуют резкие изменения температуры топочных газов и52значительные колебания значений коэффициента теплопроводности, связанные снеравномерным распределением плотности тепловых потоков от газа ктермосифону (Рисунок 2.5).

Такое распределение плотности теплового потока понаружнойповерхностииспарителясоответствуетнеравномерномураспределению полей скоростей в топочной камере.Рисунок 2.5 – Значения коэффициента теплоотдачи от стенки испарителя кнагреваемой воде (температура внутри трубы 153 °C) по образующим 1 и 2 (рис. 2.9)На рисунке 2.6 показано распределение плотности теплового потока подлине и периметру наружной поверхности испарителя термосифона. Как видно изрисунков распределение плотности теплового потока соответствует условиямобтекания испарителя дымовыми газами.

Образующие цилиндра испарителя, длякоторых приведены данные по коэффициенту теплоотдачи и распределениюплотностей тепловых потоков, представлены на рисунке 2.7.53Рисунок 2.6а – Тепловой поток от газа к наружной стенке испарителя. 1 –образующая 1 рис. 2.7; 2 – образующая 2 рис. 2.7.Рисунок 2.6 б – Тепловой поток от газа к наружной стенке испарителя вдольобразующей 3 (рисунок 2.7 )54Рисунок 2.7 – Образующие стенки испарителя термосифона, для которых приведенырезультаты расчета плотности теплового потокаНа рисунках 2.8 а, б представлены зависимости средних значенийкоэффициентов теплоотдачи от пара к стенке конденсатора и от конденсатора кнагреваемой жидкости по длине конденсатора.Как видно из рисунка 2.8, значение коэффициента теплоотдачи внутриконденсатора от пара к стенке по длине возрастает, что, видимо, связано суменьшением толщины пленки конденсата на стенке и соответствует физическоймодели аппарата и реальным условиям.Уменьшение значения коэффициента теплоотдачи от наружной стенкиконденсатора к нагреваемым фосфатным растворам по длине аппарата связано сувеличением температуры раствора и, соответственно, наружной температурыстенки конденсатора.55а)б)Рисунок 2.8 – Коэффициент теплоотдачи по длине конденсатора а) от пара к стенкеконденсатора б) от стенки конденсатора к нагреваемой жидкости56На рисунках 2.9 а, б и 2.10 показано расчетное распределение температур нанаружной и внутренней стенках термосифона по всей его длине.

Как видно изрисунка 2.10а температура наружной поверхности испарителя практически неизменяется, в то время как наружная температура конденсатора по длиненесколько возрастает, что соответствует изменению температур дымовых газов инагреваемого раствора. Если температура дымовых газов из-за их высокойсуммарной теплоемкости почти не изменяется, то температура раствора припрямоточной схеме движения теплоносителей заметно увеличивается по длинеконденсатора практически до температуры кипения раствора.а)б)Рисунок 2.9 – Распределение температур, °С: а) по внутренней стенке термосифона,б) по наружной стенке термосифона.57На рисунках 2.10 б, в представлено распределение температур навнутренней и внешней стенках термосифона в области конденсатора и в областиадиабатногоучастка.Указанныераспределенияусловиям теплопереноса в рассматриваемом аппарате.а)б)Рисунок 2.10соответствуютреальным58в)Рисунок 2.10 – Распределение температуры на внутренней и внешней стенкаха) по длине всего термосифона; б) конденсатора термосифона; в) адиабатного участкатермосифона.Приведенные выше результаты расчетов получены для температурытопочных газов равной 600 оС и температуры насыщенного пара во внутреннейполости термосифона 153 оС.На рисунках 2.11 а) и б) представлено распределение средней по сечениюскорости пара внутри термосифона по длине аппарата.Как видно из рисунков скорость пара по длине испарителя возрастает идостигает максимума на адиабатном участке и затем снижается в областиконденсатора до нулевого значения на его окончании.

Снижение скорости до нуляобъясняется полной конденсацией пара. Отличие скорости пара от нуля на уровнезеркала жидкости объясняется его испарением в объеме жидкости приопределенном коэффициенте заполнения.59а)б)Рисунок 2.11 – Распределение средней по сечению скорости пара внутритермосифона по длине аппаратаа) Значение осевой скорости пара (м/с); б) поле скорости пара внутри термосифона.Пар поступает с зеркала жидкости и с поверхности пленки.На рисунках 2.12а и 2.12б показано изменение статического давления парапо длине аппарата, начиная от зеркала жидкости. Результаты расчета полностьюсоответствуют распределению скорости пара внутри термосифона.60Давление итемпература насыщенияпара во внутреннейобластитермосифона определяются условиями теплообмена на внешних поверхностяхиспарителя и конденсатора.а)б)Рисунок 2.12 – Зависимость статического давления пара (Па) по длине аппарата61На рисунке 2.13 представлена расчетная зависимость теплового потока отиспарителя к конденсатору от температуры топочных газов.Рисунок 2.13 – Зависимость теплового потока от испарителя к конденсатору оттемпературы топочных газов.Из рисунка видно, что при температуре 600оС, что соответствуеттехнологической температуре в камере смешения, при диаметре трубытермосифона – 89 мм и начальной температуре нагреваемых растворов фосфатов– 50 °С, тепловой поток составляет около 13 кВт или 25% от требуемой длянагрева растворов на заводе «РЕАТЭКС».

При этом эффективный коэффициенттеплопередачи от греющих газов к нагреваемым растворам составляет –4 000 Вт/(м2К). Таким образом, для обеспечения требуемой мощности требуетсяаппарат, состоящий из четырёх однотрубных термосифонов.62ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВТЕПЛОМАССООБМЕНА В ДВУХФАЗНОМ ЗАКРЫТОМ ТЕРМОСИФОНЕЭкспериментальныеисследованияпроводилисьсцельюпроверкиадекватности предложенной математической модели и уточнения значимостинекоторых влияющих факторов для эффективности теплопереноса в закрытомдвухфазном термосифоне, необходимых для последующей разработки егоопытно-промышленногообразца[97,совместносТюриным М.П.,Кочетовым Л. М.

и Бельдановой О. Г.]. При этом исследовалось влияниекоэффициента заполнения К.З., угла наклона трубы φ и отношения длиныиспарителя к диаметру трубы l´. [97]3.1Экспериментальнаяустановкаирезультатыисследованийпроцессов переноса в термосифонеДляреализацииуказанныхисследованийбылиспроектированыиизготовлены экспериментальные образцы термосифона трёх разных диаметров(0,070 м, 0,089 м и 0,102 м) с гладкой поверхностью, длина термосифона во всехслучаях была равной 3,13 м. При этом длина испарителя термосифона составляла2,4 м, конденсатора 0,7 м. Так как термосифон контактирует с агрессивнойсредой, то он был выполнен из труб, изготовленных из нержавеющей стали марки12Х18Н10Т.Образцы термосифонов представляли собой обычную цилиндрическуютрубу, заглушенную с двух сторон и имеющую на верхнем торце устройство для«подвода – отвода» рабочей жидкости, позволяющее также проводить измерениядавления. Экспериментальные исследования проводились на действующейтехнологической установке, источником теплоты для испарителя термосифона вкоторой служили разбавленные воздухом дымовые газы топки, используемые вкачестве сушильного агента для распылительной сушки фосфатов.63Принципиальная схема экспериментальной установки для использованиятеплоты топочных газов с целью нагрева рабочего раствора представлена нарисунке 3.1.Рисунок 3.1 – Схема полупромышленной установки.1 – испаритель, 2 – конденсатор, 3 - патрубок для отвода раствора, 4 – патрубок дляопорожнения емкости, 5 – патрубок для подвода раствора, 6 – бак нагреваемых растворов.Установка представляет собойтеплообменныйаппаратдлянагреварастворов фосфатов за счет теплоты топочных газов, совмещающий в себесобственнодвухфазныйгерметичнозакрытыйтермосифон,заполненныйдистиллированной водой (промежуточный теплоноситель); рабочую ёмкость длянагрева рабочих растворов до температуры близкой к температуре кипения ивертикальной смесительной камеры топочных газов.