Исследование кипения водных растворов при повышенных давлениях и усовершенствование методики расчета испарителей кипящего типа при закритической минерализации тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.14, кандидат технических наук Лавриков, Александр Владимирович

• Лавриков, Александр Владимирович
• кандидат технических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат технических наук Лавриков, Александр Владимирович

Введение

Глава Обзор исследований влияния минерализации на теплоотдачу и гидродинамику в испарителях кипящего типа

1.1. Конструкция и область применения современных энергетических испарителей кипящего типа

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

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

1.4. Пенообразование в испарителях

1.5. Влияние минерализации на гидродинамический режим испарителя

1.6. Влияние минерализации на тепловой режим испарителя

1.7. Скорость всплытия, диаметр и частота отрыва паровых пузырей для водных растворов

1.8. Постановка задач исследования.

Глава 2. Методика исследования тепловых и гидродинамических характеристик пузырькового кипения водных растворов

2.1. Экспериментальная установка с лазерной диагностикой кипения водных растворов при атмосферном давлении

2.2. Методика исследования всплытия и диаметра паровых пузырей при повышенном давлении с помощью высокоскоростной видеокамеры

2.3. Исследование падения давления при кипении водных растворов при пониженных массовых скоростях и давлениях

Глава 3. Результаты экспериментального исследования.

3.1. Кривая кипения в большом объеме при атмосферном давлении

3.2. Отрывные диаметры парового пузырька при кипении водных растворов в большом объеме при атмосферном давлении

3.3. Частота отрыва парового пузыря 89 3.4 Распределение температуры жидкости вблизи рабочего участка при кипении воды и водного раствора Na2S04.

3.5. Скорость всплытия паровых пузырей при атмосферном давлении в большом объеме.

3.6 Исследование скорости всплытия при повышенном давлении

3.7. Оценка влияния свойств среды на скорость всплытия паровых пузырей

3.8. Определение плотности центров парообразования 112 3.9 Перепад давления в трубе при кипении воды и водного раствора 115 3.10. Фактор взаимодействия для водных растворов

Глава 4. Усовершенствование методики теплогидравлического расчёта испарителя для закритического солесодержания концентрата

4.1 Описание теплогидравлических процессов в испарителе естественной циркуляции в широком диапазоне солесодержаний концентрата

4.2 Скорость всплытия паровых пузырей в испарителе при закритической минерализации концентрата

4.3 Паросодержание в опускной щели при закритической минерализации концентрата

4.4. Скорость циркуляции в испарителе

4.5. Определение условий возникновения участка ухудшенного теплообмена в трубах греющей секции при закритической минерализации концентрата и положительном паросодержании на входе.

4.6. Сравнение расчетных и измеренных коэффициентов теплопередачи и оценка скорости циркуляции при закритической минерализации концентрата

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование кипения водных растворов при повышенных давлениях и усовершенствование методики расчета испарителей кипящего типа при закритической минерализации»

Проблема сбросов воды становится все актуальнее в результате загрязнения ими источников питьевой воды. Одним из способов предварительной очистки воды является ее термическая подготовка на испарителях кипящего типа. Существующие методики для расчета испарителей используют данные по воде, что справедливо в узком диапазоне изменения концентраций.

В настоящее время термический метод водоподготовки на ТЭС реализуется с помощью испарителей кипящего типа с естественной циркуляцией. Исследование работы испарителей при глубоком концентрировании питательной воды выявило ряд особенностей их гидродинамического и теплового режима по сравнению со случаем маломинерализованной среды, не учитываемых моделями, что создаёт трудности как при проектировании новых, так и при эксплуатации существующих испарительных установок. Основными причинами обнаруженных особенностей являются изменения теплофизических свойств рабочей среды, теплоотдачи при кипении, истинного объёмного паросодержания и сопротивления при движении парожидкостной смеси.

Ограниченность данных по истинному объёмному паросодержанию и отсутствие данных о скорости всплытия одиночных и групп паровых пузырей, фактору взаимодействия для водных растворов при повышенном давлении не позволяют построить кинематическую модель парожидкостного потока. Таким образом, представляется актуальным исследование отрывных диаметров, скорости всплытия и взаимодействия паровых пузырей в водных растворах при закритической минерализации.

Помимо вышеперечисленных факторов, теплогидравлический режим испарителя определяется ещё и геометрическими параметрами аппарата. Различие теплогидравлических режимов испарителя при малой и высокой минерализации концентрата обусловливает необходимость учета геометрических параметров при расчете конструкции испарителя для работы на высокоминерализованных средах.

Расчет испарителей для высокоминерализованных сред затрудняется несовершенством методики расчёта [11], не учитывающей ряд важных факторов: снижение температурного напора по высоте греющей секции вследствие гидростатической и гидродинамической депрессии; увеличение длины экономайзерного участка из-за необходимости перегрева жидкости для начала кипения (температурный напор начала кипения) и захват пара в опускную щель.

В последнее время появилась монография [53], в которой представлена усовершенствованная методика расчета теплопередачи и гидродинамики испарителя кипящего типа при закритической минерализации среды. Однако в ней не учитываются захват пара в опускную щель, особенности взаимодействия паровых пузырей с потоком жидкости при закритической минерализации концентрата в трубах греющей секции и опускной щели и она не применима для различных аппаратов.

Таким образом, известные методики расчёта испарителей кипящего типа в случае высокоминерализованных сред нуждаются в усовершенствовании.

Заключение диссертации по теме «Теплофизика и теоретическая теплотехника», Лавриков, Александр Владимирович

Заключение.

В представленной работе:

1. Модернизирована установка и усовершенствована методика исследования процесса кипения в большом объеме при атмосферном давлении с помощью лазерной диагностики. Разработанная программа обработки сигнала фотодатчика позволяет получать распределения частот отрыва, скоростей всплытия и отрывного диаметра парового пузырька для большого объема данных.

2. Проведено исследование кипения воды и водного раствора Na2S04 концентраций 8 г/л и 30 г/л на горизонтальной трубке в большом объеме. Получены данные по теплоотдаче и внутренним характеристикам процесса. Построены распределения скоростей всплытия, впервые получены распределения частот отрыва и отрывных диаметров паровых пузырьков для раствора Na2S04. Обнаружено уменьшение скорости всплытия паровых пузырей в растворе Na2S04 по сравнению с водой .

3. Впервые получены трехмерные распределения отрывных диаметров паровых пузырей, вид распределения существенно меняется для последовательных интервалов времени за период наблюдения. Обнаружено, что для каждого диаметра всплывающего парового пузыря существует свое распределение скоростей всплытия.

4. Измерены распределения температуры жидкости при кипении воды и водных растворов с недогревом и в состоянии насыщения, позволяющие определить толщину пристенного перегретого слоя. Установлено что существуют колебания температуры жидкости в пристенном слое, что, вероятно, является причиной колебаний отрывных диаметров паровых пузырей.

5. Отрывные диаметры паровых пузырей при атмосферном давлении для воды и водных растворов близки. Установлено что при кипении водных растворов происходит увеличение частоты отрыва паровых пузырей по сравнению с водой.

6. Разработаны установка и методика для исследования процесса кипения в большом объеме при повышенном давлении с помощью высокоскоростной цифровой видеокамеры. Впервые проведены измерения скорости всплытия, и диаметра всплывающих паровых пузырей для водных растворов для давления 0.1-1 МПа

7. При кипении водных растворов на повышенном давлении обнаружено наличие трех групп размеров паровых пузырьков:

- пузырьки d>2 мм, скорость которых практически не зависит от размера, но при этом меньше скорости всплытия для воды до 30% и зависит от концентрации раствора,

- пузырьки 0.5 MM<d<2 мм, скорость которых сильно зависит от диаметра, близка к скорости всплытия в случае воды и не зависит от концентрации водного раствора.

- пена d<0.4 мм, движется с жидкостью или увлекается большими пузырями.

8. Получены данные перепаду давления при кипении в канале раствора Na2SC>4 при концентрациях до 10 г/л для w=0,161-Ю, 189 м/с в диапазоне х=0,1-Ю,87. Обнаружено, что с ростом концентрации гидравлическое сопротивление при кипении водных растворов в трубе возрастает до 30%. Для исследованных условий определены вклады отдельных составляющих полного перепада давления для водного раствора и воды при кипении в канале

9. Усовершенствованна методика расчета теплопередачи и гидродинамики в испарителях кипящего типа с учетом образования пены и захвата пара в опускную щель для высокоминерализованных сред. Рассчитанные скорости циркуляции близки к наблюдаемым в опыте. Расхождение между экспериментальными и рассчитанными коэффициентами теплопередачи данными не превышает 20% для 90% точек. Предложенная методика расчета гидродинамики может быть применена для расчета испарителей других размеров.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Лавриков, Александр Владимирович, 2008 год

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

2. Стерман Л.С., Можаров Н.А. Исследование работы испарителей блока К-200-130 Луганской ГРЭС // Теплоэнергетика. 1965. - № 12. - С. 1518.

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

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

5. Демидов Н.Н., Голубев Е.К., Чернов. А.Г. Статические и динамические характеристики испарителей поверхностного типа при переменных режимах эксплуатации // Энергомашиностроение. 1980. - № 3. - С. 24-26.

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

7. 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.

8. Голубев Е.К., Глазов Е.Е., Вакуленко Б.Ф., Подгорный П. И. 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. Карцев А.С. Исследование влияния минерализации на гидродинамику и теплообмен в испарителях кипящего типа: Дисс. канд. техн. наук. -М.:МЭИ, 2004.-210 с.

11. Кутепов A.M., Стерман J1.C., Стюшин Н.Г. Гидродинамика и теплообмен при парообразовании // М.: Высшая школа, 1986. — 392 с.

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

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

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

15. 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.

16. Казенин Д.А, Вязьмин А.В, Полянин А.Д. Пены как специфические газо-жидкостные технологические среды // Теоретические Основы Химической Технологии, 2000, том 34, №3, с. 237-254.

17. Стырикович М.А., Мартынова О.И., Миропольский 3.J1. Процессы генерации пара на электростанциях // М.: 1969. 356 с.

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

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

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

21. Дерягин Б.В., Ландау Л.Д. Acta phisicochim. USSR 11ЖЭТФ. 1941. -№14. - С. 633; ЖЭТФ. - 1942. - №12. - С. 802; ЖЭТФ. - 1945. - №5. -С. 662.

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

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

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

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

26. Ю.А. Кузма-Кичта, А.С. Седлов, Е.О. Коньков, А.В. Лавриков. Исследование гидравлического сопротивления при кипении водных растворов в канале // РНКТ-4. МЭИ. 2006.

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

28. Уоллис Г. Одномерные двухфазные течения // М.: Мир, 1972. 314 с.

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

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

31. Александров А.А. // Теплоэнергетика. 2004. — №6. - С. 70-75.

32. 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.

33. Грибаненков А.В., Леонтьева Л.А., Гальцов В.Я. // Труды МИХМ. -1972. вып. - 42. - С.44. разные авторы а все щелок

34. Грибаненков А.В. Дис. канд. техн. наук. М.: МИХМ. - 1970. 143 с.

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

36. Романовский И.М., Стырикович М.А., Невструева Е.И. // ТВТ. 1973. — Т.П. - №5. - С. 1044.

37. 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. ? туда ли ссылается текств взятый из буякова а может и не из буякова

38. 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.

39. 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.

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

41. Комендантов А.С., Кузма-Кичта Ю.А., Бурдунин М.Н., Савкин Н.Н. Исследование интенсификации теплообмена в переходной и закризисной областях при низких массовых скоростях // Теплоэнергетика. 1992. - №5. - С.44-47.

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

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

44. Савкин Н.Н. 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.

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

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

47. Кутателадзе С.С., Накоряков В.Е. Теплообмен и волны в газожидкостных системах// Новосибирск: Наука, 1984. 446 с.

48. Нигматулин Р.И. Динамика многофазных сред //- М.: Наука. 1987. 360 с.

49. JI.H Полянин, В.П Дробков. Прикладная гидромеханика восходящих газожидкостных потоков // М. Энергоатомиздат. 2004. с. 17

50. Ю.А Кузма-Кичта , В.Г Бакунин , О.К Шлапко. Исследования характеристик кипения воды и водных растворов в большом объеме с помощью лазерной диагностики., Boiling and Condensation, Riga, 1997

51. Лабунцов Д.А, Ягов В.В Механика двухфазных систем // Москва , Издательство МЭИ, 2000.

52. Коньков Е.О Исследование влияния минерализации на гидродинамику и теплообмен в вертикальных испарительных контурах: Дисс. канд. техн. наук. М.: МЭИ, 2007. - 208 с.

53. Седлов А.С., Кузма-Кичта Ю.А. Гидродинамика и теплообмен при кипении водных растворов // Москва. Изд МЭИ, 2007

54. Кузма-Кичта Ю.А. Исследование теплообмена и механизма кипения на металлической поверхности без покрытия и с малотеплопроводным покрытием: Дисс. канд. техн. наук. М., ИВТАН, 1974. - 180 с.

55. S. Chaptun, М. Watanabe, М. Soji "Experimental study on characteristics of nucleate pool boiling by the effects of cavity arrangement" // Experimental Thermal and Fluid Science 29 (2004) 33-40, 2004.

56. Masahiro Shoji, Boiling chaos: Experiments and models // The Third International Conference of Transport Phenomena in Multiphase System ,Poland, June 24-27 2002.

57. Ю.Л.Сорокин, Л.Л.Бачило, Л.Н.Демидова, О.Л.Анисимова. Критическая скорость по сносу пузырей пара нисходящим потоком жидкости // Энергомашиностроение, № 3, 1976 (41)

58. Петухов Б.С., Генин Л.Г., Ковалев С.А., Теплообмен в ядерных энергетических установках // Москва, Энергоатомиздат, 1986.