Исследование гидродинамики при кипении водного раствора Na2SO4 в трубе и совершенствование методики расчёта испарителей тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.14.14, кандидат технических наук Коньков, Евгений Олегович

• Коньков, Евгений Олегович
• кандидат технических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат технических наук Коньков, Евгений Олегович

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА I. ОБЗОР ИССЛЕДОВАНИЙ ВЛИЯНИЯ МИНЕРАЛИЗАЦИИ НА

ГИДРОДИНАМИКУ И ТЕПЛООБМЕН ПРИМЕНИТЕЛЬНО К ЭНЕРГЕТИЧЕСКИМ ИСПАРИТЕЛЯМ.

1.1. Конструкция и область применения современных энергетических испарителей типа "И".

1.2. Особенности гидродинамики водяного объема испарителей в условиях глубокого концентрирования питательной воды.

1.3. Особенности теплового режима длиннотрубного испарителя в условиях глубокого концентрирования питательной воды.

1.4. Причины пенообразования в испарителях.

1.5. Влияиие минерализации на гидродинамический режим испарителя.

1.5.1. Истинное объёмное паросодержание при барботаже пара через водные растворы.

1.5.2. Скорость всплытия одиночного пузыря и групповая скорость всплытия пузырей в водных растворах.

1.5.3. Гидравлическое сопротивление при движении двухфазной смсси для растворов.

1.6. Влияние минерализации на тепловой режим испарителя.

1.6.1. Теплофизические свойства водных растворов.

1.6.2. Теплоотдача при кипении в большом объёме.

1.6.3. Теплоотдача при кипении в трубах.

1.6.4. Характеристики области ухудшенного теплообмена для воды и водных растворов.

1.7. Постановка задач исследования.

ГЛАВА II. Экспериментальная установка и методика исследования. 62 2.1. Экспериментальная установка и рабочий участок.

2.2. Теплофизические измерения.

2.3. Методика проведения экспериментов.

2.4. Методика обработки экспериментальных данных.

2.5. Результаты тарировок измеряемых величин.

2.6. Оценка погрешности измерений.

ГЛАВА III. ИССЛЕДОВАНИЕ ГИДРОДИНАМИКИ ПРИ КИПЕНИИ

ВОДНЫХ РАСВОРОВ В ТРУБЕ

3.1. Достоверность полученных данных.

3.2. Зависимость перепада давления от массового расходного паросодер-жания, концентрации и скорости потока при кипении водного раствора в трубе.

3.3. Анализ экспериментальных данных и получение эмпирической зависимости для перепада давления на участке при кипении водного раствора Na2S04 в трубе.

ГЛАВА IV. МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОГИДРАВЛИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ИСПАРИТЕЛЕ ЕСТЕСТВЕННОЙ ЦИРКУЛЯЦИИ ПРИ ЗАКРИТИ

ЧЕСКОМ СОЛЕСОДЕРЖАНИИ КОНЦЕНТРАТА.

4.1. Определение условий возникновения участка ухудшенного теплообмена в трубах греющей секции при докритичсской и закритической минерализации концентрата.

4.2. Методология определения скорости циркуляции.

4.3. Сопоставление расчётных коэффициентов теплопередачи с данными известных.

4.4. Физическая модель теплогидравлических процессов в испарителе при закритической минерализации концентрата.

4.5. Алгоритм расчёта испарителя с участком ухудшенного теплообмена.

ВЫВОДЫ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование гидродинамики при кипении водного раствора Na2SO4 в трубе и совершенствование методики расчёта испарителей»

Высокие требования к качеству добавочной воды основного контура тепловых электрических станций заставляют уделять повышенное внимание вопросам водоп од готовки как при проектировании новых, так и при эксплуатации существующих ТЭС. Большое количество аварийных ситуаций на ТЭС обусловлено именно нарушениями вводно-химического режима, вызванными плохой работой водоподготовительных установок (ВПУ).

Подготовка добавочной воды на ТЭС осуществляется химическим или термическим методом. Термический метод водоподготовки получил довольно широкое развитие как в России, так и за рубежом. В настоящее время в СНГ термическое обессоливание на базе энергетических испарителей применяется более чем на 30 ТЭС в основном с котлами высокого давления 9 МПа и сверхвысокого давления 13 МПа. В это число входят также несколько ТЭЦ и 5 КЭС с блоками сверхкритического давления 24 МПа. Испарительмые установки используются в районах с высоким солесодержанием природных вод и с высоким содержанием органических соединений в исходной воде, а также там, где ограничены возможности сброса сточных вод. При этом качество дистиллята, вырабатываемого на испарительных установках, позволяет использовать его для питания котлов сверхкритического давления. Фактически испарительные установки одновременно выполняют две функции: подготовку добавочной воды основного контура и концентрирование сточных вод. Эти качества испарительных установок, а также их высокая автономность, маневренность и относительная простота эксплуатации создают предпосылки для дальнейшего развития ВПУ на базе энергетических испарителей.

В настоящее время ВПУ, реализующие термический метод водоподготовки, строятся на базе испарителей естественной циркуляции типа «И». Исследование теилогидравлических процессов в испарителях при глубоком концентрировании питательной воды [1-8] выявило ряд особенностей гидродинамического и теплового режима испарителя по сравнению с работой на маломинерализованной среде, не объясняемых существующей физической моделью теплогидравлических процессов в испарителе [9]. Отсутствие физической модели, объясняющей сущность процессов в испарителе для закритической минерализации среды (концентрата), создаёт определённые трудности как при проектировании новых, так и при эксплуатации существующих испарительных установок.

Исследования [1-8], ввиду различных недостатков использованных схем измерения, не позволяют дать удовлетворительное объяснение всему спектру наблюдаемых явлений, таким образом, существует необходимость детального исследования теплогидравлического режима испарителя во всём диапазоне со-лесодержаний концентрата.

Повышение минерализации концентрата оказывает влияние как на тепловые, так и на гидродинамические характеристики испарителя. С точки зрения теплового режима наиболее важными факторами следует считать изменение теплофизических свойств рабочей среды, и в первую очередь физико-химической депрессии [27], и теплоотдачи при кипении [38]. С точки зрения гидродинамического режима решающее значение имеет возрастание истинного объёмного паросодержания [13, 19] и сопротивления при движении пароводяной смеси [26].

Ограниченность данных по истинному объёмному паросодержапию и отсутствие данных по перепаду давления при кипении водных растворов не позволяют построить кинематическую модель пароводяного потока и исследовать влияние режимных параметров и геометрических характеристик испарителя на гидродинамический режим. Таким образом, представляется актуальным исследование гидравлического сопротивления при движении пароводяной смеси.

Помимо вышеперечисленных факторов, теплогидравлический режим испарителя определяется ещё и геометрическими параметрами аппарата. Различие теплогидравлических режимов испарителя при малой и высокой миперализации концентрата обусловливает необходимость оптимизации конструкции испарителя для работы на высокоминерализованных средах. Существует необходимость оптимизации конструкции и аппаратов для маломинерализованных сред.

Создание методики расчёта испарителей для высокоминерализовапиых сред и оптимизация конструкции аппаратов возможно только при выяснении физической модели теплогидравлических процессов в испарителях при глубоком концентрировании питательной воды.

Заключение диссертации по теме «Тепловые электрические станции, их энергетические системы и агрегаты», Коньков, Евгений Олегович

ВЫВОДЫ

1. Проведено экспериментальное исследование перепада давления при кипении водного раствора №2804 в трубе. Впервые получены данные по перепаду давления в вертикальной трубе при кипении водного раствора в диапазоне концентраций (0-30 г/кг), давлений (0,35-0,87 МПа) и скоростей (0,07-0,19 м/с). Установлены зависимости перепада давления от скорости потока, массового расходного паросодержания и концентрации раствора.

2. Проведён анализ влияния солесодержания на перепад давления при кипении водного раствора сульфата натрия в вертикальной трубе. Обнаружено, что с ростом солесодержания перепад давления растёт в диапазоне 0-20 г/кг, а затем стабилизируется. В исследованных условиях наблюдается повышение перепада давления до 30%. Влияние солесодержания на перепад давления в большей мере проявляется при повышенных скоростях.

3. На основе полученной зависимости перепада давления от скорости потока и данных по потерям давления на испарителе И-600 Саранской многоступенчатой испарительной установки, оценены скорости циркуляции в рассмотренных условиях. Установлено что, скорости циркуляции находятся в пределах скоростей воды для восполнения потерь на испарение.

4. Усовершенствована методика расчёта испарителей для закритической минерализации концентрата для низких скоростей циркуляции, которая позволяет учитывать существование участка ухудшенного теплообмена в трубах греющей секции испарителя.

5. Проведены расчёты коэффициента теплопередачи в испарителях при закритической минерализации. Обнаружено, что расчётные зависимости согласуются с опытными данными. Результаты расчёта показывают наличие максимума, после прохождения которого, коэффициент теплопередачи уменьшается вследствие образования участка ухудшенного теплообмена в трубах греющей секции испарителя.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Коньков, Евгений Олегович, 2007 год

1. Стерман J1.C., Можаров H.A. Исследование работы испарителей блока К-200-130 Луганской ГРЭС //Теплоэнергетика. - 1965.- № 12.-С. 15-18

2. Бускунов Р.Ш., Сметана А.З. Особенности гидродинамики водяного объема вертикального испарителя // Теплоэнергетика. 1970. - № 4. - С. 48-50.

3. Семеновкер И.Е. Ухудшение циркуляции при вспенивании котловой воды // Теплоэнергетика. 1955. - №7. - С. 12-15.

4. Демидов H.H., Голубев Е.К., Чернов. А.Г. Статические и динамические характеристики испарителей поверхностного типа при переменных режимах эксплуатации // Энергомашиностроение. 1980. -№ 3. - С. 2426.

5. Поспелов Д.Н., Васильев О.Л. Эксплуатация испарителей турбины К-200-130 на Змиевской ГРЭС // Электрические станции. 1971. -№ 2. -С.36-40.

6. Голубев Е.К., Глазов Е.Е., Егоров Н.И., Попов В.П. Повышение надежности работы испарителей блоков 300 МВт // Энергомашиностроение. 1980. -№ 5. - С. 21-25.

7. Голубев Е.К., Глазов Е.Е., Вакуленко Б.Ф., Подгорный П. И.

8. Испарители для ТЭС и результаты их испытаний // Теплоэнергетика. -1983. № 4. - С.33-36.

9. Васин В.А. Исследование тепловых и гидродинамических процессов и разработка методик расчета переточных устройств и испарителей: Автореф. дисс. канд. техн. наук. М., 1993. - 20 с.

10. Кутепов A.M., Стерман Л.С., Стюшин Н.Г. Гидродинамика и теплообмен при парообразовании. М.: Высшая школа, 1986. - 392 с.

11. Гидравлический расчет котельных агрегатов: (Нормативный метод) / Под ред. В.А. Локшина и др. М.: Энергия, 1978. - 122 с.

12. ЬГорбуров В.И. Гидродинамика двухфазных потоков в специфических условиях эксплуатации АЭС. М.: Издательство МЭИ, 1999. - 62 с.

13. Ильина И.П. Разработка и совершенствование термохимической ВПУ с замкнутым циклом регенерации. Автореф. дисс. канд. техн. наук. М., 1998.-20 с.

14. Стырикович М.А., Бартоломей Г.Г., Колокольцев В.А. Исследование влияния солесодержания воды не набухание уровня и коэффициент уноса // Внутрикотловые физико-химические процессы. Издательство АН СССР. 1957. - С.101-112.

15. Стырикович М.А., Мартынова О.И., Миронольский 3.JI. Процессы генерации пара на электростанциях. М.: 1969. - 356 с.

16. Кутателадзе С.С., Стырикович М. А. Гидродинамика газожидкостных систем. М.: Энергия, 1976 - 296 с.

17. Татаринов Б.П. Влияние различных факторов на качество пара // Внутрикотловые физико-химические процессы. Издательство АН СССР. 1957. -С.43-69.

18. П.Тихомиров В.К. Пены. Теория и практика их получения и разрушения. -М.: Химия, 1983.-285 с.

19. Солодов А.П. Гравитационные пузырьковые течения // Теплоэнергетика. -2002.-№8.-С. 59-64.

20. Дерягин Б.В., Ландау Л.Д. Acta phisicochim. USSR // ЖЭТФ. 1941. -№14. - С. 633; ЖЭТФ. - 1942. - №12. - С. 802; ЖЭТФ. - 1945. - №5. - С. 662.

21. Стерман Л.С., Сурнов A.B., Матвеев В.П. Влияние солесодержания котловых вод на гидродинамику при барботаже // Теплоэнергетика. -1959.-№11.-С. 48-52.

22. Тихонов В.М. Экспериментальное исследование уноса и сепарации капель в вакуумных опреснителях: Дисс. канд. техн. паук. Калининград, 1977.- 182 с.

23. Соловьёв A.A. Сепарация пара в установках с успокоителями насадочного и лопастного типа: Дисс. канд. техн. наук. -М., 1983. 167 с.

24. Агабабов B.C. Установление зависимостей для расчёта качества пара испарителей ТЭС при закритических солесодержаниях концентрата: Дисс. канд. техн. наук. М., 1986. - 203 с.

25. Уоллис Г. Одномерные двухфазные течения. М.: Мир, 1972. - 314 с.

26. Лабунцов Д.А., Корнюхин И.П., Захарова Э.А. Паросодержание двухфазного адиабатного потока в вертикальных каналах // Теплоэнергетика. 1968. - №4. - С. - 62-67.

27. Макинский И.З., Симонов П.П. К вопросу о влиянии солесодержания жидкости на скорость подъёма пузырьков газа и пара // Известия ВУЗОВ. Нефть и газ. 1959. -№3. - С. 83-90.

28. Сухарев Е.И. Влияние структуры пароводяной смеси на гидродинамические характеристики сопротивлений циркуляционных контуров паровых котлов // Электрические станции. 1960. - №12. - С. 34-37.

29. Александров A.A. Температура и энтальпия кипящих водных растворов хлорида натрия и сульфата натрия // Теплоэнергетика. 2000. - №6. - С. 75-80.

30. Александров A.A. Частное сообщение.

31. Попов Б.Г., Рынков А.И. Исследование теплообмена при кипении водных растворов минеральных солей // Известия ВУЗов. Химия и химическая промышленность. 1958. -№1.~ С. 173-182.

32. Рынков А.И., Стерман JI.C. Исследование теплоотдачи к кипящим растворам едкого натра // Химическая промышленность. 1948. - №4. -С. 14-16.

33. Бронштейн А.И., Угрехелидзе Г.П. Теплообмен при развитом кипении водосолевых растворов в трубах при повышенных давлениях // ТВТ. -1983. -Т.21. -№2. С. 18-21.

34. Невструева E.H., Романовский И.М. Некоторые особенности массообмена при кипении водных растворов, содержащих сульфат кальция // ТВТ. 1968. - №2. - С. 28-35.

35. Грибаненков A.B., Леонтьева JI.A., Гальцов В.Я. // Труды МИХМ. -1972. вып. - 42. - С.44.

36. Грибаненков A.B. Дне. канд. техн. наук. М.: МИХМ. - 1970. 143 с.

37. Сухарев Е.И., Акопьянц Б.Е. // Труды ЦКТИ. 1965. - вып. 59. - С.260.

38. Романовский И.М., Стырикович М.А., Невструева Е.И. // ТВТ. 1973. - Т.11. -№5. - С.1044.

39. Юсуфова В.Д., Бронштейн А.И., Угрехелидзе Г.П. В кн.: Теплообмен и теплофизические свойства воды, водяного пара и органических веществ. // Вып. 29. М.: ЭНИН, - 1974. - С.5-15.

40. Угрехелидзе Г.П. Экспериментальное исследование теплообмена при кипении водных растворов солей в трубах при вынужденном движении и давлениях 0,1-20 МПа: Автореф. дисс. канд. техн. наук. М., 1981. - 20 с.

41. Полонский B.C. Некоторые вопросы статики и динамики в парогенерирующих каналах: Дисс. канд. техн. наук. -М.: МЭИ, 1967. -160 с.

42. Абрамов А.И., Борисенко Д.И., Буяков Д.В., Зудин Ю.Б., Кузма-Кичта Ю.А., Сербии П.В. Исследование теплоотдачи при кипении водных растворов в испарителях // Экология энергетики 2000: Материалы Межд. науч.-практ. конф.-М., 2000.-С. 192-195.

43. Шкондин Ю.А. Исследование тепловых процессов и разработка методики теплогидравлического расчета испарителей: Дисс. канд. техн. наук.-М.: МЭИ, 1997.- 180 с.

44. Комендантов A.C., Кузма-Кичта Ю.А., Бурдунин М.Н., Савкин H.H.

45. Исследование интенсификации теплообмена в переходной и закризисной областях при низких массовых скоростях // Теплоэнергетика. 1992. -№5. - С.44-47.

46. Морозов Ю.Д., Привалов А.Н., Присняков В.Ф. и др. Кризис теплоотдачи при кипении калия в каналах с капиллярно-пористым покрытием стенок//Тепломассообмен. ММФ: Тез. докл. Минск: ИТМО АН БССР, 1988.-С. 76-78.

47. Хасанов Ю.Г., Комендантов A.C., Кузма-Кичта Ю.А., Бурдунин М.Н. Исследование интенсификации теплообмена в закризисной области канала с пористым покрытием // Теплоэнергетика. 1987. - №7. - С.69-71.

48. Савкин H.H. Исследование интенсификации теплообмена в докризисной и закризисной областях парогенерирующей трубы с пористым покрытием и разработка рекомендаций для расчета теплоотдачи: Автореф. дисс. канд. техн. наук.-М., 1988.-20 с.

49. Буяков Д.В. Исследование влияния концентрации водного раствора сульфата натрия на теплообмен в испарителях и паропреобразовагелях: Дисс. канд. техн. наук. М.: МЭИ, 1999. - 160 с.

50. Агапов Р.В. Исследование эффективности схем МИУ с испарителями различных типов при концентрировании многокомпонентных растворов: Дисс. канд. техн. наук. -М.: МЭИ, 2003.-215 с.

51. Чиркин B.C. Теплофизические свойства материалов ядерной энергетики. М.: Атомиздат, 1968. - 484 с.

52. Полонский B.C. Некоторые вопросы статики и динамики в парогенерирующих каналах. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. М.: МЭИ, 1967.

53. Абрамов А.И., Борисенко Д.И., Буяков Д.В., Зудин Ю.Б., Кузма-Кичта Ю.А., Сербии П.В. Исследование теплоотдачи при кипенииводных растворов в испарителях. Сборник докладов международной научно-практической конференции Экология энергетики 2000, Москва,.

54. Wall temperature fluctuation on the evaporating tube at the dryout region / S. Nakanishi, S. Yamanchi, S . Ishigai, H. Kotahi. In : Heat Transfer Conf. München, 1982, V.U., p. 315 - 320.54.OCT 34-70-953.20-91.

55. Карцев A.C. Исследование влияния минерализации на гидродинамику и теплообмен в испарителях кипящего типа: Дисс. канд. техн. наук. М.: МЭИ, 2004. - 139 с.

56. Yu.A. Kuzma-Kichta, A.S. Sedlov, A.S. Kartsev, E.O. Konjkov. Boiling of aqueous solutions: GIFU Proceedings of thermal engineering conference, 2005

57. Седлов A.C., Кузма-Кичта Ю.А., Коньков E.O., Лавриков A.B. Исследование гидравлического сопротивления при кипении водных растворов в канале. РНКТ-4, М 2006, с. 159-162.