Способ тепловой стабилизации и обеспечения бескризисного режима работы энергетического и технологического оборудования

 

Использование: в теплообменных парогенерирующих устройствах в стесненных условиях. Сущность изобретения: на стенки парогенерирующего канала наносят пористое покрытие. Покрытие наносят на то место, где расходное массовое паросодержание x достигает значения x ≥ 0,8 x^°_гр , где x^°_гр - массовое паросодержание в месте высыхания пристенной жидкой пленки для гладкого канала. Толщину пористого покрытия выбирают в диапазоне 10 - 300 мкм с пористостью 30 - 70% и размером пор от 1 до 100 мкм. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано в теплообменных парогенерирующих устройствах, работающих в стесненных условиях (трубах, кольцевых и других каналах с характерными поперечными геометрическими размерами больше капиллярной постоянной теплоносителя), в частности, в каналах парогенераторов и теплообменников испарителей, применяемых в энергетике, криогенной технике, микробиологии, нефтехимической промышленности и других областях.

При течении теплоносителя в стесненных условиях возникают проблемы, связанные с кризисом теплоотдачи, который при типичных для парогенераторов режимных параметрах происходит в результате высыхания пристенной пленки жидкости в режиме дисперсно-кольцевого течения двухфазного потока. Поэтому все мероприятия направляют на то, чтобы "затянуть" развитие кризиса теплоотдачи и приблизить соответствующие ему граничные паросодержания к единице.

Известны способы, например [1] воздействия на кризис теплоотдачи, заключающиеся в увеличении граничного паросодержания в трубе с помощью установки в трубах ленточных спиральных завихрителей, либо путем создания труб с внутренним спиральным оребрением. При движении двухфазного потока в таких трубах жидкая фаза отбрасывается центробежными силами на стенку, благодаря чему устраняются или затягиваются кризисные явления. Однако данный способ сильно увеличивает гидравлическое сопротивление каналов, что приводит к дополнительным энергозатратам, а также связан с технологическими трудностями при изготовлении.

Другим способом [2] воздействия на кризис теплоотдачи является нанесение на стенки парогенератора капиллярно-пористой структуры (КПС) типа сетки. При режимах течения, когда толщина жидкой пленки не превышает толщины КПС, жидкость транспортируется по капиллярам структуры, что существенно уменьшает динамический унос капель от воздействия спутного потока пара. Кроме того, КПС устраняет зону ручейкового высыхания пленки за счет капиллярного подсоса жидкости. В этих условиях появляется возможность получения сухого пара без ухудшения теплоотдачи.

В качестве прототипа выбран способ [3] в котором использовалась в качестве интенсификатора теплосъема КПС, нанесенная спеканием в прямых и спиральных трубах по всей длине. Материал покрытия и труб нержавеющая сталь. Диаметр частиц около 60 мкм. Пористость слоя приблизительно 60% Исследовалось течение пароводяной смеси в диапазоне массовых скоростей 200-600 кг/м² ˙ с и давлений 1-6 МПа в докризисной, переходной и закризисной областях. Показано, что применение КПС приводит к существенному понижению температуры стенки и более высоким выходным паросодержаниям.

К недостаткам указанных способом [2,3] следует отнести то, что несмотря на указанные мероприятия не удается добиться полностью безкризисного режима работы парогенератора, нанесение КПС по всей длине трубы приводит к увеличению гидравлических потерь и связано с технологическими трудностями.

Техническая задача, которую решает предложенное изобретение, заключается в обеспечении безаварийной работы парогенераторов, повышении их надежности и срока службы за счет обеспечения тепловой устойчивости парогенерирующих устройств в широком диапазоне паросодержаний вплоть до безкризисных режимов их работы, снижения гидравлических потерь. Указанный технический результат достигается тем, что пористое покрытие наносят в той части парогенерирующего канала, где расходное массовое паросодержание х достигает значения х ≥ 0,8х_гр^о, где х_гр^о массовое паросодержание для гладкого канала в месте высыхания пристенной жидкой пленки. Определение расходного массового паросодержания х по длине канала проводится либо расчетным путем, либо эмпирическим, т.е. непосредственным измерением. Значения х_гр^о определяются по литературным данным, стандартным таблицам (например, для воды [4]) и эмпирическим соотношениям. В частности, в случае восходящего пароводяного потока в вертикальных парогенерирующих каналах х_гр^о можно рассчитать по формуле [5] x⁰_гр= 6,57·10^-3 , (1) где σ коэффициент поверхностного натяжения, Н/м; μ^I коэффициент динамической вязкости на линии насыщения, Па ˙ с; ρ^I,ρ^II плотность воды и пара на линии насыщения, кг/м³; ρ W массовая скорость, кг/м² ˙ с; g ускорение свободного падения, м/с²; d диаметр трубы, м. Толщина пористого покрытия выбирается в диапазоне от 10-300 мкм с пористостью 30-70% и размером пор от 1 до 100 мкм.

Суть изобретения заключается в том, что пористое покрытие наиболее эффективно при тех параметрах потока, когда толщина пленки жидкости, текущей по стенке канала, становится соизмеримой с толщиной пористого покрытия. Экспериментально установлено, что это происходит тогда, когда расходное массовое паросодержание х достигает значения х ≥ 0,8х_гр^о. Поэтому пористое покрытие наносится именно на этой части парогенерирующего канала. Это позволяет, помимо улучшения теплоотдачи, снизить гидравлическое сопротивление канала и упростить технологию нанесения покрытия.

Необходимо отметить, что условие нанесения покрытия в каналах в месте, где х ≥ 0,8 х_гр^о справедливо для каналов произвольной ориентации. Параметры пористого покрытия подобраны из условия оптимальности и технологических возможностей его изготовления и нанесения.

Эффект, легший в основу изобретения, был обнаружен в ходе проведения экспериментов по изучению кризиса высыхания в трубах с пористыми покрытиями. Эксперименты были выполнены на воде в диапазоне массовых скоростей ρ W 500-2000 кг/с ˙ м², давлений Р 3,0-16,0 МПа, тепловых нагрузок до 2,5 МВт/м², паросодержаний в месте кризиса х_кр > 0,1. Опыты проводились на прямоточном разомкнутом стенде сверхкритических параметров с подъемным движением теплоносителя. Использовались вертикальные рабочие участки с поверхностями трех типов: технически гладкой внутренней стенкой, с равномерно нанесенным по длине пористым покрытием, с пористым покрытием нанесенным согласно условию х ≥ 0,8х_гр^о в выходной части участка длиной 0,4 м. Рабочие участки представляли собой прямые трубы из нержавеющей стали длиной 1 м, внутренним диаметром 8 мм и толщиной стенки 2 мм. На внутренней поверхности труб было нанесено методом спекания пористое покрытие, состоящее из стальных шариков диаметром 63-100 мкм, средняя толщина покрытия 200 мкм, пористость 40-50% Нагрев осуществлялся прямым пропусканием переменного электрического тока низкого напряжения. Температура наружной поверхности рабочих участков измерялась хромельалюмелевыми термопарами, приваренными по длине c наиболее чаcтым раcположеним вниз по потоку. Кризис теплоотдачи достигался при постоянных значениях давления, массовой скорости и энтальпии потока на входе в участок путем ступенчатого повышения подводимой электрической мощности q (в пределах 1% от общей мощности) и фиксировался по появлению скачка температуры стенки трубы в каком-либо сечении.

В результате было установлено существенное влияние на процесс теплообмена наличия пористого покрытия в околокри- зисном и особенно закризисном режимах. Так для примененного в экспериментах покрытия, нанесенного по всей длине участка, в зависимости от значения ρ W наблюдается увеличение теплоотдачи в несколько раз по сравнению с гладким участком в закризисных режимах и некоторая незначительная интенсификация теплообмена в докризисных режимах. Увеличение теплоотдачи в закризисной области, связанное с улучшением условий смачивания поверхностей теплообмена жидкостью из ядра потока, приводит к уменьшению скачка температуры при кризисе он становится более "мягким". На фиг. 1 представлена термограмма развития кризиса на пористом покрытии нанесенном по всей длине участка, где х_вх массовое паросодержание на входе в участок. Резко увеличивается время развития кризиса, существенно уменьшается темп нарастания температуры по сравнению с трубами с гладкими стенками, т.е. повышается тепловая устойчивость парогенерирующих поверхностей. Наибольший эффект наблюдается при высоких массовых скоростях (ρ W > 1500 кг/с ˙ м²) и больших паросодержаниях. В области высоких массовых скоростей наблюдается увеличение значения паросодержания х_кр в сечении возникновения кризиса относительно данных для гладкой трубы. На фиг. 2 представлено распределение температуры по длине участка с пористым покрытием, нанесенным в выходной части участка согласно условию х > х_гр^о, где х_вых массовое паросодержание на выходе из участка. Кризис теплообмена, связанный с высыханием пленки жидкости, происходил только на гладком участке трубы. На фиг. 3 представлено распределение температуры по длине участка при тех же параметрах потока, но с пористым покрытием, нанесенным согласно условию х ≥ 0,8 х_гр^о, видно, что на всей длине участка изменений температурного режима не наблюдалось пористая структура оставалась смоченной жидкостью.

Полученные результаты указывают на бесспорную перспективность использования пористых покрытий, нанесенных согласно условию х ≥ 0,8х_гр^одля тепловой стабилизации, обеспечения безкризисного режима работы энергетического и технологического оборудования и снижения гидравлических потерь.

Формула изобретения

1. СПОСОБ ТЕПЛОВОЙ СТАБИЛИЗАЦИИ И ОБЕСПЕЧЕНИЯ БЕСКРИЗИСНОГО РЕЖИМА РАБОТЫ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО И ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ путем нанесения на стенки парогенерирующего канала пористого покрытия, отличающийся тем, что предварительно определяют участок канала, на котором расходное массовое паросодержание X удовлетворяет условию X ≥ 0,8 X^o_гр, где X^o_гр массовое паросодержание в месте высыхания пристенной жидкой пленки для гладкого канала, и покрытие наносят только на этом участке.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что толщину пористого покрытия выбирают в диапазоне 10 300 мкм с пористостью 30 70% и размерами пор 1 - 100 мкм.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3