Исследование влияния минерализации на гидродинамику и теплообмен в испарителях кипящего типа тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.14.14, кандидат технических наук Карцев, Алексей Сергеевич

• Карцев, Алексей Сергеевич
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Карцев, Алексей Сергеевич

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА I. ОБЗОР ИССЛЕДОВАНИЙ ПО ВЛИЯНИЮ 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 объёма 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. Влияние 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 смеси 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. ИССЛЕДОВАНИЕ ГИДРОДИНАМИКИ ВОДЯНОГО ОБЪЁМА

ИСПАРИТЕЛЯ И-600 НА МИУ САРАНСКОЙ ТЭЦ-2.

2.1. МИУ Саранской ТЭЦ-2.

2.2. Методика проведения эксперимента.

2.3. Методика обработки экспериментальных данных.

2.4. Тарировка трубки Пито.

2.5. Результаты исследования гидродинамического режима испарителя при докритической и закритической минерализации концентрата.

2.6. Результаты исследования теплового режима испарителя при докритической и закритической минерализации концентрата.

ГЛАВА III. ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОВЫХ И ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПУЗЫРЬКОВОГО КИПЕНИЯ РАСТВОРОВ В БОЛЬШОМ ОБЪЁМЕ.

3.1. Экспериментальная установка с лазерной диагностикой кипения водных растворов.

3.2. Лазерная диагностика гидродинамических характеристик.

3.3. Методика проведения эксперимента.

3.4. Методика обработки экспериментальных данных.

3.5. Тарировка средств измерений.

3.5.1. Тарировка термопар.

3.5.2. Исследование распределения температуры жидкости вблизи рабочего участка.

3.5.3. Тарировка диафрагмы.

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

3.7. Групповая скорость всплытия паровых пузырей в водных растворах.

3.8. Теплоотдача при кипении в большом объёме.

ГЛАВА IV. МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОГИДРАВЛИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ИСПАРИТЕЛЕ ЕСТЕСТВЕННОЙ ЦИРКУЛЯЦИИ ВО ВСЁМ ДИАПАЗОНЕ СОЛЕСОДЕРЖАНИЙ КОНЦЕНТРАТА.

4.1. Методика теплогидравлического расчёта испарителя при докритическом солесодержании концентрата.

4.2. Оценка величины паросодержания в опускной щели при закритиче-ской минерализации концентрата.

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

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

4.5. Совершенствование конструкции испарителей, работающих при докритической и закритической минерализации концентрата.

ВЫВОДЫ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование влияния минерализации на гидродинамику и теплообмен в испарителях кипящего типа»

Высокие требования к качеству добавочной воды основного контура тепловых электрических станций заставляют уделять повышенное внимание вопросам водоподготовки 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. Испарительные 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 теплогидравлических 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].

Существующие исследования теплоотдачи при кипении растворов крайне ограничены и относятся к двухкомпонентным растворам, в то время как рабочая среда испарителей представляет собой сложный мягкий щелочной раствор солей натрия, продуктов коррозии, кремнекислоты, фосфатов и органических соединений [12]. Следовательно, существует необходимость исследования теплоотдачи реальных рабочих сред испарителей и возможности её моделирования малым числом компонентов. Поскольку суммарный коэффициент теплоотдачи от стенки к жидкости при кипении в трубах складывается из двух составляющих: конвективной составляющей и составляющей кипения в большом объёме

41], то актуальной задачей представляется задача исследования кипения реальных растворов и модельных растворов с малым числом компонентов в большом объёме.

Ограниченность данных по истинному объёмному паросодержанию и отсутствие данных о скорости всплытия одиночных паровых пузырей и групп паровых пузырей для растворов не позволяют построить кинематическую модель пароводяного потока и, таким образом, исследовать влияние режимных параметров и геометрических характеристик испарителя на гидродинамический режим. Таким образом, представляется актуальным исследование скорости всплытия паровых пузырей в растворах.

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

Оптимизация конструкции испарителей для маломинерализованных сред затрудняется несовершенством методики расчёта [9], 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. Таким образом, усовершенствование методики [9] для маломинерализованных сред является актуальной задачей.

Создание методики расчёта испарителей для высокоминерализованных 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», Карцев, Алексей Сергеевич

ВЫВОДЫ

1. Проведено исследование гидродинамических и тепловых характеристик испарителей И-600 в широком диапазоне солесодержаний концентрата. Обнаружено изменение теплогидравлического режима испарителя при переходе через критическое солесодержание. Величина критическое солесодержание концентрата составила 3,5-4,5 г/кг. Впервые получены данные по теплогидравлическим характеристикам испарителей при пуске на концентрате докритической и закритической минерализации концентрата и по скорости циркуляции в испарителях. Для докритического солесодержания концентрата скорость циркуляции составила от 0,5 до 1,0 м/с, для закрити-ческого солесодержания концентрата в испарителе не наблюдается устойчивой циркуляции. Показана возможность кипения на обечайке греющей секции в случае закритической минерализации концентрата.

2. Проведено исследование характеристик кипения водных растворов в большом объёме с помощью лазерной диагностики. Впервые получены данные по скорости всплытия паровых пузырей для различных водных растворов в диапазоне солесодержаний от 0 до 159 г/кг. Установлена зависимость скорости всплытия одиночных паровых пузырей от солесодержания.

3. Проведено исследование теплоотдачи при кипении растворов в большом объёме. Для исследованных растворов обнаружен максимум коэффициента теплоотдачи и его последующая стабилизация. Впервые показана возможность моделирования теплоотдачи сложного реального раствора (концентрата испарителя) малым числом компонентов.

4. Усовершенствована методика расчёта испарителей для докритической минерализации концентрата. На основе усовершенствованной методики выполнена оптимизация длины и диаметра труб греющей секции и показана возможность существования области ухудшенного теплообмена при низких скоростях циркуляции.

5. Предложена физическая модель теплогидравлических процессов в испарителе для закритического солесодержания концентрата. Для расчёта испарителей в этом случае необходимы данные по гидравлическому сопротивлению при кипении растворов в трубах и паросодержанию при барботаже пара через растворы. Предложены рекомендации по усовершенствованию конструкции испарителя для закритической минерализации концентрата.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Карцев, Алексей Сергеевич, 2004 год

1. Стерман J1.C., Можаров Н.А. 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 Н.Н., 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 наЗмиевской 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. Испарители для ТЭС и результаты их испытаний // Теплоэнергетика. — 1983. № 4. - С.33-36.

8. 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.

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

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

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

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

13. 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.

14. М.Стырикович М.А., Мартынова О.И., Миропольский 3.JI. Процессы генерации пара на электростанциях. — М.: 1969. 356 с.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

25. 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.

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

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

28. Александров А.А. Частное сообщение.

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

30. Рычков А.И., Стерман Л.С. Исследование теплоотдачи к кипящим растворам едкого натра // Химическая промышленность. 1948. - №4. -С. 14-16.

31. 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.

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

33. Грибаненков А.В., Леонтьева Л.А., Гальцов В.Я. // Труды МИХМ. -1972. вып. - 42. — С.44.

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. 11. — №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.

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

40. 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.

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

42. Комендантов А.С., Кузма-Кичта Ю.А., Бурдунин М.Н., Савкин Н.Н.

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

44. 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.

45. 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.

46. 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.

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

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

49. Нигматулин Б.И., Кузма-Кичта Ю.А., Булкина Н.А. и др. Исследование колебаний границы раздела фаз при пленочном кипении // ТВТ. Т.32. - №2. - 1994. - С.255.

50. Кузма-Кичта Ю.А., Комендантов А.С., Бакунин В.Г., Терсин Ф.В., Сербина O.K. Исследование характеристик кипения воды и водных растворов с помощью лазерной диагностики // Труды РНКТ-2. — М.: МЭИ.- 1998.-Т.4.-С. 174-178.

51. 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.

52. Кузма-Кичта Ю.А., Бакунин В.Г., Шлапко O.K. Исследования характеристик кипения воды и водных растворов в большом объеме с помощью лазерной диагностики // Boiling and Condensation. Рига. -1997. - С.69-74.

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

54. Нигматулин Р.И. Динамика многофазных сред. М.: Наука. 1987. 360 с.

55. Аметистов Е.В., Клименко В.В., Павлов Ю.М. Кипение криогенных жидкостей. М. Энергоатомиздат. 1995. - 280 с.