Диссертация (1090499), страница 6
Текст из файла (страница 6)
– Осевая скорость по центрутермосифона. (1-й случай)37а)б)Рисунок 1.24 – Температура вдоль внешней стенки термосифона.а) – 2-й случай; б) – 3-й случай1 – экспериментальные данные; 2 – численное решение; 3 – численное решение, температурабассейна жидкости является входным параметром; 4 – численное решение, температурабассейна жидкости и коэффициент теплопередачи конвекцией в бассейне жидкости являютсявходными параметрами.ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕI.
Анализ результатов литературного обзора показал, что для использованиятеплоты уходящих газов топки для нагрева растворов фосфатов в условияхпроизводстванаОАО«РЕАТЭКС»применениезакрытыхдвухфазныхнаиболеецелесообразнымтермосифоновсявляетсярегулируемымтеплопереносом. При этом теплопередающие характеристики термосифона,влияющие на эффективность работы термосифона, зависят от ряда факторов ииндивидуальны для конкретных условий его эксплуатации. В связи с этимтребуется проведение дополнительных исследований в условиях, приближенныхк условиям производства.II.
К основным факторам, оказывающим влияние на теплопередающиехарактеристики термосифона, можно отнести:1. Свойства рабочей жидкости;2. Расход охладителя;3. Температура охладителя;384. Количество подводимой теплоты;5. Характеристики материала и размеры трубы;6. Давление внутри термосифона;7. Уровень заполнения;8. Длина характерных участков теплопередачи (испарителя, адиабатногоучастка, конденсатора).Управление некоторыми из них ограничено конкретными условиямиэксплуатации термосифона.Анализ различных жидкостей с целью их использования в качестверабочего тела в условиях производства ОАО «РЕАТЭКС» позволил остановитьсяна дистиллированной воде, как наиболее соответствующей температурнымусловиям производства.Давление внутри термосифона, уровень заполнения, размеры трубы, длинахарактерныхучастковтеплопередачи(испарителя,адиабатногоучастка,конденсатора) должны определяться теоретическими расчётами с последующимуточнением в опытно-промышленных испытаниях.На основании вышеизложенного можно сделать вывод, что исследованияэффективности работы ЗДТ в данной работе должны вестись в направленииразработки физической и математической модели термосифона, проведениякомпьютерных расчётов с целью разработки рациональной конструкции опытнопромышленного образца термосифона, проведения промышленных испытаний вконкретных условиях производства, анализа адекватности предложенной модели,модификации конструкции и разработки инженерных методов расчёта ЗДТ.39ГЛАВА2.АНАЛИТИЧЕСКИЕТЕПЛОМАССОПЕРЕНОСАИССЛЕДОВАНИЯПРОЦЕССОВДВУХФАЗНОМЗАКРЫТОМВТЕРМОСИФОНЕ2.1 Математическое описание процессов тепломассопереноса в ЗДТВ связи с ограниченными возможностями проведения экспериментальныхисследований в промышленных условиях, обусловленными необходимостьюподдерживать требуемые технологические условия производства, а такжеконструктивнымиособенностямисамойтопки,авторомсовместносМ.
П. Тюриным были проведены теоретические исследования и анализ влияниянаиболее значимых факторов на тепловые и конструктивные характеристикиаппарата [95]. При этом рассматривалась задача естественной конвекции взамкнутомцилиндрическомдвухфазномтермосифоне(рис.2.1)степлопроводными стенками.Термосифон представляет собой вертикально расположенный полыйцилиндр, частично заполненный водой. В нем присутствуют три участка:испаритель, конденсатор и переходная зона, в которых происходят процессытепло- и массопереноса, в том числе и процессы фазового перехода. При этомпереходный участок рассматривался как адиабатный, т.е. без подвода или отводатеплоты к наружной поверхности аппарата.В работе предполагалось, что подвод теплоты к испарителю и отвод отконденсатора осуществляются только через боковую поверхность цилиндра.
Приэтом торцевые поверхности в теплообмене не участвуют, т.е. являютсяадиабатными.Основой описания процессов переноса в замкнутом термосифоне служатуравнения сохранения массы, импульса и энергии. Дополненные уравнениямиматериального и теплового баланса, а также краевыми условиями они позволяютполучить численные решения для различных характеристик и параметровтермосифона.40Процессы течения в паровой области и в пленке жидкости рассматривалисьв ламинарном приближении.
При этом предполагалось также, что пар находится всостоянии насыщения.Рисунок 2.1 – Расчетная схема термосифонаПри проведении численных расчетов также учитывался теплообмен сокружающей средой (топочными газами в зоне испарителя и нагреваемогораствора в зоне конденсатора), что позволило приблизить результаты расчета креальным условиям работы термосифона, а также оценить эффективность итеплопроизводительность термосифона.Уравнения сохранения в общем виде приведены ниже.Уравнение сохранения массы:ρ+ (ρ) = 0,где(2.1)– плотность; V – вектор скорости; – время.Уравнение сохранения импульса (уравнение Навье-Стокса):ρ1= −∇ + μ ( + ∇2 ) + ρ,3(2.2)41где p – давление;– динамическая вязкость; g – вектор ускорения.Уравнение сохранения энергии:ρ− λ∇2 −− ε = 0,где ср – теплоемкость; T – температура;(2.3)– коэффициент теплопроводности; –диссипативная функция.Уравнения сохранения были представлены в цилиндрической системекоординат для паровой фазы, жидкой фазы и стенки термосифона с учётом ихспецифики.Для паровой фазы.Уравнение сохранения массы:ρ + (ρ) + (ρ) = 0.
Уравнения сохранения импульса.(2.4)Осевое направление:ρ(++)=(2.5) 1 2 2()] + 2 } + [ (=−+ { [) + 2 ] + ρ . 3 Радиальное направление: μ 1 2()ρ( + + )= −+ { [+]} + 3 (2.6)1 2+μ [( ) − 2 + 2 ]. Уравнение сохранения энергии.С учетом того, что диссипативная функция определяется выражением:2 2 2 2 22 1 () ε = 2μ [( ) + ( ) + ( ) ] + μ ( +) −μ [+] , 3 (2.7)42Уравнение энергии можно представить в виде:λ 2ρ ( + + ) = [ ( ) + ( 2 )] + 2+[ + + ] + μ( +) + (2.8)2 2 2 22 1 () +2μ [( ) + ( ) + ( ) ] − μ [+] .3 где r – радиус; v – радиальная скорость; w – осевая скорость; z – осеваякоордината.Уравнение состояния:(2.9) = .Для стенки трубы термосифона уравнение сохранения энергии можнопредставить в виде:1 2ρ= λ[( ) + 2 ].
Уравнениясохранениядля(2.10)пленкижидкостипредставленывпредположении, что течение жидкости ламинарное, сама жидкость несжимаема.Уравнения сохранения в цилиндрической системе координат могут бытьзаписаны следующим образом.Уравнение сохранение массы:1 () += 0. Уравнения сохранения импульса.(2.11)Осевое направление:ρ(1 2++)=−+μ[() + 2 ] + ρ .
(2.12)Радиальное направление:1 2ρ( + + )= −+μ[( ) − 2 + 2 ]. (2.13)43Уравнение сохранения энергии:ρ (1 ++ )=(λ ) + (λ ). (2.14)Полученная система уравнений дополнялась уравнениями тепловых иматериальных балансов, а также краевыми условиями [95]. При этом, как ужеуказывалось, аппарат был разбит на три участка: испаритель, конденсатор ипереходный участок.
Переходный участок рассматривался как адиабатный, т.е.без подвода или отвода теплоты на наружной поверхности (рис. 2.1). Торцевыеучастки термосифона также рассматривались как адиабатные. В качестверабочего тела в термосифоне рассматривалась дистиллированная вода.Средняя осевая скорость пара в испарителе определялась из условия, что всяподводимая теплота в бассейне жидкости расходуется на испарение воды, атемпература пара рассчитывается по уравнению состояния на линии насыщения,исходя из соответствующего давления:п =;′′п (2.15) = (),где Qp – тепловой поток от дымовых газов; L – скрытая теплота испарения; ´´ –плотность пара; SП – площадь поперечного сечения пара; Тs(р) – температуранасыщения.Радиальная скорость пара на поверхности раздела плёнка жидкости - паропределяется из уравнения теплового баланса:=−λжж+ λп п ;′′(2.16) = (),гдежип– коэффициенты теплопроводности жидкости и пара соответственно,Тж и Тп – температуры жидкости и пара соответственно.44На внутренней радиальной поверхности (стенке) термосифонаw = 0, v = 0,=ж+ (),где qe – плотность теплового потока,ж(2.17)– коэффициент теплоотдачи от стенки кжидкости.Нижний торец термосифона:= 0.(2.18) =, λст(2.19)Испаритель:где λст – коэффициент теплопроводности стенки трубы термосифона.Адиабатный участок:= 0.Наружная поверхность термосифона:(2.20)к−∞( − ∞);=−λст(2.21)где к−∞ – коэффициент теплоотдачи от стенки конденсатора к нагреваемойжидкости, То и ∞ – температуры на наружной стенке трубы конденсатора иобогреваемой жидкости.Верхний торец термосифона (конденсатора):= 0.На оси термосифона из условия симметрии: = 0, = 0,= 0,п = 0,= 0.(2.22)(2.23)452.2 Аналитические исследования характеристик тепломассопереноса взакрытом двухфазном термосифонеРешение системы дифференциальных уравнений совместно с балансовымиуравнениями и условиями однозначности проводилось численными методамиконечных элементов.Значения коэффициентов теплоотдачи к наружной поверхности испарителяи от наружной поверхности конденсатора термосифона определялись как средниепо всей длине анализируемого участка, так и локальные с учетом полей скоростейи температур газов в топке и жидкости в ёмкости нагреваемого раствора.
Приэтом для участка камеры смешения топки также использовались системыуравнений сохранения массы, импульса и энергии с учетом своей специфики исоответствующие краевые условия.Коэффициент теплоотдачи от внешней стенки конденсатора термосифона кнагреваемому раствору определялся исходя из условия, что температуранагреваемогораствораtжизменяетсялинейноподлинеконденсаторатермосифона от начальной температуры до 100 °0,33ℎ3 103 ∙ ж ∙ ж1 (1 ) = 0,15 ( ∙ ∙ (1 − ж) ∙ 2 ∙)жж0,25ж ∙ ж ∙ ж(1 )ж×()∙ ,ж (1 ) ∙ ж(1 ) ∙ жℎ×(2.24)где β – коэффициент объёмного расширения нагреваемого раствора; tc1 –температура внешней стенки конденсатора термосифона в данной точке; h –высота конденсатора термосифона; tж – температура нагреваемого раствора вданной точке, определяемая соотношением:(100 − жн )(2.25)∙ ,ℎ– начальная температура нагреваемого раствора; z – высота данной точкиж = жн +где tжнот начала конденсатора термосифона; νж – кинематическая вязкость нагреваемогораствора при температуре раствора tж в данной точке; μж и μж(tc1) – динамическая46вязкость нагреваемого раствора при температуре раствора tж и температуревнешней стенки конденсатора термосифона tc1 в данной точке; срж и срж(tc1) –удельная теплоёмкость нагреваемого раствора при температуре раствора t ж итемпературе внешней стенки конденсатора термосифона tc1 в данной точке; λж иλж(tc1) – теплопроводность нагреваемого раствора при температуре раствора tж итемпературе внешней стенки конденсатора термосифона tc1 в данной точке.Коэффициент теплоотдачи к наружной поверхности испарителя:г0.6 ∙ г3 = 0,245.нт(2.26)При решении внутренней задачи коэффициент теплоотдачи от газа кнаружной стенке термосифона принимался средним по всей длине испарителя,исходя из решения внешней задачи обтекания испарителя потоком топочныхгазов.С целью упрощения расчетов процессов испарения и конденсации вовнутреннем объеме термосифона значения коэффициентов теплоотдачи от стенкитермосифона к рабочей жидкости и от конденсирующегося пара к стенкетермосифона вводились в расчет в виде следующих аналитически зависимостей.Коэффициенттеплоотдачиотконденсирующегосяпаракстенкетермосифона определялся соотношением:4 103 ∙ (к )3 ∙ ( ) ∙ ∙ [′ ( ) − ′′ ( )]н2 (1 ) = (0,943√×к ∙ ℎ ∙ ( − с2 )3× [(18(2.27)1,042кскн ( )) ∙] )кнкс (2)0,042[( − 2 ) ∙ ℎ]103 ∙ ( ) ∙ кн ( ),где λкн и λкс – теплопроводность плёнки конденсата при температуре насыщенияи температуре внутренней стенки трубки конденсатора; L(ts) – скрытая теплотапарообразования при температуре насыщения ts; g – ускорение свободногопадения; νк – кинематическая вязкость конденсата при температуре насыщения ts;47h – длина конденсатора термосифона; tc2 – температура внутренней стенкиконденсатора термосифона в данной точке;μкн(ts) и μкс(tc1) – динамическаявязкость плёнки конденсата при температуре насыщения и температуре стенки tc1соответственно.Коэффициент теплоотдачи от стенки термосифона к кипящей рабочейжидкости определялся соотношением:2в4 ( ) = ( ) ∙ []в( )в ( )1⁄32(2.28)∙ 3 ,где ts – температура насыщения внутри термосифона, λв - коэффициенттеплопроводности рабочей жидкости; σв(ts) – коэффициент поверхностногонатяжения рабочей жидкости при температуре насыщения ts; q – нормальнаяплотность теплового потока в данной точке внутренней стенки испарителятермосифона; b – безразмерный коэффициент, рассчитываемый по формуле:23′′ ( )( ) = 0,075 ∙ [1 + 10 ∙ ( ′) ], ( ) − ′′ ( )(2.29)где ρ´´ (ts) – плотность пара при температуре насыщения ts; ρ´(ts) – плотность водыпри температуре насыщения ts.Внутренние и внешние задачи решались численным методом конечныхэлементов.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
