Тепловіддача при випаровувальному концентруванні розчинів у вертикальних низхідних кільцевих потоках

Abstract

У статті наведено результати моделювання теплообміну в догрітих до температури насичення плівках розчинів, що рухаються по вертикальній поверхні труб як у режимі випаровування з міжфазної поверхні, так і поверхневого кипіння, як в умовах вільного стікання, так і за наявності швидкісного парового ядра в діапазоні зміни режимних параметрів, характерних для роботи випарних установок цукрових заводів та ВУ з концентрування фруктових соків. Фізичне моделювання виконано на експериментальному стенді з незалежним формуванням в кип’ятильному каналі витрат фаз і теплового потоку, а також на установках, що моделюють реальні умови концентрування розчинів у плівкових випарних апаратах. Як модельні рідини використані: вода, цукрові розчини, концентрацією до 72%, яблучний сік, концентрацією до 70%. Об’ємна щільність зрошення змінювалась від 0,05 10-3 до 0,6 10-3 м2/с, швидкість пари — до 40 м/с, розрідження — до 0,85 бар, тепловий потік — до 60 кВт/м2. Геометрія експериментальних каналів охоплює діапазон довжин від 1,8 до 9 м, діаметрів — від 20 до 32 мм. Аналіз отриманих даних, а також даних інших авторів дав змогу виявити вплив на тепловіддачу до плівок і режимних параметрів, і геометричних характеристик труб, а також сформулювати умови переходу до поверхневого кипіння. Критерієм переходу до поверхневого кипіння на теплообмінній поверхні з певним розміром мікротріщин в умовах гравітаційного стікання із супутним рухом парового ядра прийнята величина мінімально допустимого перегріву стінки, за якого розвиваються парові бульбашки, розрахованого на основі співвідношень Лапласа та Клапейрона-Клаузіуса. Виявлено особливості впливу швидкості пари на корисний температурний напір між стінкою труби та плівкою концентрованого розчину. Розраховано співвідношення для коригування корисного температурного напору, розрахунку теплового потоку до кільцевих низхідних парорідинних потоків розчинів, а також узагальнюючі співвідношення для інженерних розрахунків коефіцієнтів тепловіддачі в трубах вертикальних плівкових випарних апаратів. Наведено результати розрахунків за отриманими співвідношеннями розподілу теплового потоку по висоті довгих кип’ятильних труб та зроблено порівняння результатів розрахунку з експериментальними даними для води та яблучних сиропів. The results of modeling heat transfer in liquid films of solutions heated to the saturation temperatures, flowing down over vertical cylindrical surfaces are presented. The experiments deal with the films evaporating from the interphase surface and in the regime of surface nucleate boiling. The films are studied in a regime of free falling and in the presence of co-current steam core. The range of regime parameters covered in the experimentation is characteristic for the working parameters of film evaporators of sugar industry and concentration of fruit juices. Experimental stand allowed an independent phase injection which enabled creation of any possible wavy structure on the falling film surface as well as formation of films with a wide range of film thickness. As modelling solutions are used: water, sugar solutions concentration up to 72%, apple juice concentration up to 70%. The volumetric liquid flux changed from 0,05 10-3 up to 0,6 10-3 m2/s, speed pair — up to 40 km/s, underpressure — up to 0,85 bar, a thermal stream — up to 60 kVt/m2. The geometry of experimental channels covers a range of lengths from 1,8 up to 9 m, diameters — from 20 up to 32 mm. The analysis of data obtained by the authors along with those available in the literature allowed to formulate principal factors affecting mechanism of heat transfer to liquid films in the both patterns of evaporation, formulate the conditions of transition to surface nucleate boiling which occur in pipes of different diameters. The criterion for the transition to surface boiling on a heat exchange surface with a certain size of microcracks in conditions of gravitational flow with a co-current steam flow is the value of the minimal allowable wall overheating at which vapor bubbles develop, calculated on the basis of the Laplace and Clapeyron-Clausius relationships. The peculiarities of the influence of the steam velocity on the useful temperature pressure between the pipe wall and the film of the concentrated solution are revealed, the relationships for the correction of the useful temperature pressure and the calculation of the heat flux to annular down-flowing liquid films of solutions are presented. The results of calculations for the obtained ratios of the distribution of heat flux over the height of long boiling pipes and the comparison of the calculation results with the experimental data for water and apple syrups are presented.