Исследование работы воздушно-конденсационных установок паротурбинных ТЭС при неравномерном теплоотводе (стр. 2 )

С развитием вычислительной техники стали возможны численные решения многих задач, результаты которых ранее можно было получить лишь экспериментально. Однако, при возросших возможностях современной техники, даже на сверхмощных компьютерах подробное моделирование процессов теплообмена остаётся пока сложной и порой практически невыполнимой задачей.

Имеется большое количество работ, посвящённых конденсации пара внутри труб и каналов [1, 2, 14]. Как правило, рассматривается отдельная труба без учёта взаимовлияния параллельных каналов. Вместе с тем, исследования воздушно-конденсационных установок выявили важные факторы, указывающие на необходимость более глубокого анализа работы трубных пучков при конденсации пара внутри труб.

Целью настоящей работы является расчётно-экспериментальное изучение работы теплообменных аппаратов с конденсацией пара внутри труб при неравномерном теплосъёме, выявление на основе полученных данных зон неэффективной работы воздушных конденсаторов, создание компьютерной модели ВКУ.

В первой части работы приведён обзор основных теоретических и экспериментальных работ по исследованию неподвижного и движущегося пара, а также паровоздушной смеси внутри труб и каналов.

Во второй главе описывается экспериментальная установка, методика измерений и обработки данных, проводится анализ погрешностей экспериментов.

В третьей главе проведён расчетно-теоретический анализ процесса конденсации в параллельных каналах. Описаны физическая и математическая модель конденсации пара внутри вертикальных труб ВКУ.

В четвёртой части приведены результаты экспериментального исследования. Представлены основные зависимости параметров ВКУ от режимных параметров.

Научная новизна выполненного исследования заключается в следующем:

разработана математическая модель многорядной воздушно-конденсационной установки, проведено численное моделирование работы воздушного конденсатора; проведены экспериментальные исследования и получены зависимости параметров модели воздушно-конденсационной установки от режимных параметров, выполнена верификация программы; проведён анализ полученных теоретических и экспериментальных данных, выявлены зоны неэффективной работы воздушного конденсатора и разработана методика их расчёта.

Выносятся на защиту:

результаты теоретического и экспериментального исследования конденсации пара внутри труб воздушно-конденсационных установок при неравномерном теплосъёме; математическая модель и программа расчёта ВКУ с определением зон пониженной эффективности, её верификация на основе сопоставления результатов расчёта с экспериментальными данными; экспериментальное исследование работы воздушно-конденсационных установок на промышленной энергоустановке.

Диссертационная работа была выполнена в 2010-2014 гг. в лаборатории «Теплофизики и гидродинамики» Калужского государственного университета им. под руководством доктора технических наук, профессора

Глава 1 Краткий обзор работ, посвящённых конденсации пара

Конденсация неподвижного пара

В большинстве случаев [1,2] различают два вида конденсации: капельную (когда конденсат осаждается в виде отдельных капель), и пленочную (когда на поверхности образуется сплошная пленка жидкости). Характер конденсации зависит от степени смачиваемости поверхности. Капельная конденсация возможна лишь в том случае, если конденсат не смачивает поверхность охлаждения. Этот вид конденсации неустойчив и в промышленных установках встречается довольно редко. Но поскольку теплоотдача при капельной конденсации протекает весьма эффективно (коэффициент теплоотдачи во много раз выше, чем при плёночной), было сделано много попыток для её получения искусственным путём, например, нанесением на поверхность тонкого слоя масла, керосина, жирных кислот или путем подмешивания этих веществ к пару. При этом поверхность должна быть хорошо отполирована [3]. Однако этот способ не получил распространения из-за технической сложности и ненадёжности в эксплуатации.

В промышленных аппаратах, трубки в которых после некоторого периода работы покрываются слоем окиси, имеет место плёночная конденсация. Однако стоит отметить, что в начальный период эксплуатации возможны случаи капельной конденсации. Но, как показано в работах Фергюсона и Окдена [4], стабильная теплоотдача пара в конденсаторе наступает через несколько недель после работы установки с образованием слоя окиси. С учётом того, что при эксплуатации воздушно-конденсационных установок практически имеет место только плёночная конденсация, капельный вид конденсации в этой главе далее не рассматривается.

При плёночном виде конденсации чистого пара на поверхности получается сплошная пленка. Для организации стационарного процесса конденсации пара теплоту необходимо непрерывно отводить от поверхности охлаждения. В целом интенсивность теплоотдачи при конденсации пара оказывается достаточно высокой. Однако если в паре содержится примесь газа (например, воздуха), скорость конденсации заметно снижается. Газ постепенно накапливается около поверхности, и это затрудняет доступ новых порций пара к поверхности.

В определенных условиях конденсация может происходить также внутри объема пара или парогазовой смеси [1]. Так, например, выпадение дождя является следствием процесса объемной конденсации водяного пара из влажного воздуха в естественных условиях. При расширении пара на последних ступенях паровых турбин также может наблюдаться процесс объемной конденсации водяного пара. Для возникновения объемной конденсации пар должен быть перенасыщен (его плотность должна превышать плотность насыщенного пара). Чем чище пар, тем выше должна быть начальная степень пересыщения. Опыт показывает, что центрами конденсации могут служить также электрически заряженные частицы, в частности, ионизированные атомы, присутствующие в паре.

Теория плёночной конденсации была разработана Нуссельтом [5]. В её основу положен ряд допущений:

плёнка, стекающая по вертикальной стенке под действием сил тяжести, сохраняет по всей длине ламинарный характер; тепло передаётся через плёнку охлаждающей стенке только путём теплопроводности; температура наружной стороны плёнки постоянна по всей длине и равна температуре насыщения пара, давление на границе раздела фаз равно давлению основной массы пара; силы инерции в движущейся плёнке пренебрежимо малы по сравнению с силами тяжести и силами вязкости; отсутствует передача касательного напряжения на поверхности пара и конденсата; удельный вес и коэффициенты теплопроводности и вязкости конденсата постоянны по толщине плёнки и определяются её средней температурой.

С учётом вышеперечисленных допущений Нуссельт привёл уравнение движения водяной плёнки для условия вертикальной стенки:

(1.1

)Здесь

- скорость [м/с];

- динамическая вязкость [Па*с];

- плотность [кг/м3].

Приняв граничные условия:

В. Нуссельт получил выражение для определения толщины плёнки в виде:        

                                       (1.2)

- температурный напор [0С];

С учётом, что

                                               (1.3)

Нуссельт получил известное уравнение, определяющее средний коэффициент теплоотдачи при конденсации неподвижного пара:

                                       (1.4)

где А=0,943 в случае конденсации пара на вертикальной поверхности и 0,725 – на горизонтальной.

Полученная формула справедлива для любой жидкости, значения параметров определяются по среднеарифметической температуре.

В безразмерной форме это уравнение представлено в работах Колборна [20] и Киркбрайда [21]. Оно получено путём комбинирования в безразмерные соотношения величин, входящих в состав формулы.

                                               (1.5)

Здесь - число Рейнольдса конденсата, полученное по учетвертнённой толщине плёнки;

- плотность орошения [кг/мс];