ПЕРВАЯ В РОССИИ ИНТЕРНЕТ-ГАЗЕТА ПО ХОЛОДИЛЬНОЙ И БЛИЗКОЙ ЕЙ ТЕМАТИКЕ
Грамотно преподнести себя через рекламу - тоже искусство!
ЛУЧШАЯ СТАТЬЯ ВЫПУСКА 8(32)!
Б.Т. Маринюк
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕПЛООБМЕНА В ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ГАЗИФИКАЦИОННОЙ СЕКЦИИ
4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ
Особенностью настоящего экспериментального исследования является его проведение в реальных условиях окружающей среды. За базовые условия сравнения были приняты: температура +11 ÷ 13 °С, относительная влажность φ = 75 ÷ 95 %. При таком сочетании тепловлажностных параметров обмерзание рабочих поверхностей панелей происходит достаточно быстро, что позволяет проследить влияние разных факторов на процесс газификации.
На рис. 4 приведены кривые роста толщины слоя инея на рабочей поверхности газификационных панелей. Характерно, что четыре кривые, отражающие близкие тепловлажностные режимы испытаний, идут компактным пучком, в котором кривая, отвечающая максимальной относительной влажности 90 ÷ 95 %, лежит выше всех других. Пятая кривая выпадает из этой группы и располагается ниже в связи с резким понижением относительной влажности от 90 % с утра до 50 % к полудню.
Рис. 4. Зависимость толщины слоя инея от времени ведения процесса 1 - двухходовое включение ТВ = +11 ,5 °С φ = 90 ÷ 95 %; 2 - чередование панелей с прямотоком ТВ = 13 °С, φ = 70 ÷ 85 %; 3 - двухходовое включение ТВ = 13 °С; φ = 90 ÷ 60 %; 4 - двухходовое включение ТВ = +13,5 °С; φ = 90 ÷ 98 %; 5 -двухходовое включение ТВ = + 10 °С; φ = 90 ÷ 50 %.
Влияние влажности можно проследить также на примере кривых 2 и 3. Оба режима проводились при примерно одинаковых температурах воздуха, влагосодержание же его для опыта, зафиксированного кривой 2 было стабильным, в то время как для кривой 3 оно менялось в течение примерно полутора часов от 90 % до 61 %. Кривая 5, отражающая условия переменной влажности, пересекает кривую 2, полученную для условий стабильного влагосодержания в период наибольшего изменения влажности, который находится в интервале между вторым и третьим часами от начала опыта.
Практически каждая из кривых, изображенных на рис. 4, имеет перегиб, что связано с изменением механизма роста толщины слоя. В начальный период рост толщины слоя инея осуществляется за счет роста отдельных кристаллов, так как основная масса водяного пара расходуется на увеличение их длины. Механизм роста кристалла определяется на этой стадии процесса энергией зарождения зародыша кристалла льда, межфазовым поверхностным натяжением, поверхностной энергией. Взаимное влияние кристаллов друг на друга минимально.
По мере увеличения плотности кристаллов на охлаждаемой поверхности сказывается влияние их друг на друга, возникают точки касания между кристаллами и создаются условия уплотнения всего слоя из-за диффузии водяного пара. В этих условиях масса водяного пара перераспределяется: часть его идет на увеличение толщины, другая же часть расходуется на уплотнение слоя. Рост толщины слоя здесь определяется интегральными факторами теплопередачи: коэффициентами тепло- и массообмена, теплопроводностью образованной структуры инея, температурным уровнем охлаждаемой поверхности стенки и т.д.
Анализ влияния схем компоновки газификационных панелей в секции не вызвал существенных особенностей в характере зависимости роста толщины слоя инея от времени. Кривые 1, 2 и 4 идут весьма близко по отношению друг к другу, хотя и кривая 2 относится к схеме чередования панелей с прямотоком, а остальные отвечают двухходовой схеме. Некоторый "выброс" кривой 1 объясняется высокой влажностью воздуха, которая стабильно держалась в течение всего опыта на уровне 95 %, что превышало приблизительно на 15 % аналогичные показатели в сравниваемых испытаниях. Кривая 5 лежит гораздо ниже остальных кривых на графике из-за низкой относительной влажности воздуха, которая составляла на период испытания 45 ÷ 50 %.
Существенно большей информативности в анализе процесса можно достичь, включая в обработку такой важный показатель как температура газифицируемого продукта на выходе из газификационной секции. Используя этот показатель, были построены кривые зависимости температуры продукта на выходе от толщины намораживаемого инея (рис. 5).
Рис. 6. Зависимость величины недорекуперации на теплом конце аппарата секции от времени его работы
Общая закономерность характера изменения температуры прослеживается для всех режимов испытаний: температура газифицируемого продукта в начале резко падает, далее наступает ее стабилизация на некотором участке и дальнейшее падение. Участок стабилизации соответствует приращению толщины слоя на 2 ÷ 4 мм, что приблизительно проистекает за 40 ÷ 70 мин ведения процесса газификации. Явление стабилизации можно объяснить в рамках изменения механизма роста толщины слоя инея. Начальный участок падения температуры соответствует периоду охлаждения газификационных панелей и образованию, на их поверхности инеевого подслоя толщиной до 0,5 мм. Характерный бело-сахарный цвет осадка указывает на большое содержание в нем углекислоты. Сразу после образования подслоя на его поверхности начинался интенсивный рост игольчатых кристаллов водного льда, ориентированных по нормали к теплопередающей поверхности.
Игольчатые кристаллы льда выполняют роль оребрения на охлаждаемой поверхности стенки и способствуют, таким образом, выходу температуры на постоянное значение на короткий промежуток времени. По мере увеличения плотности игольчатых кристаллов на единице теплопередающей поверхности и начала диффузионного уплотнения слоя меняется механизм его роста и начинается дальнейшее падение температуры, что хорошо прослеживается на графике.
Сравнение тепловой эффективности схем газификации проводилось по значению величин недорекуперации на теплом конце испытательной секции. При прочих равных условиях наименьшая величина недорекуперации будет отвечать наиболее эффективной схеме газификации.
Первые опыты на стенде, размещенном на улице, проводились по схеме параллельного включения газификационных панелей при температуре воздуха tB = 9 °С и относительной влажности φ= 95 ÷ 98 %. Давление в резервуаре фиксировали на уровне 0,8 ÷ 1 атм., что обеспечивало расход газифицируемого криопродукта на уровне 50 кг/ч, соответственно нагрузка на одну панель газификационной секции достигала значения 8,3 кг/ч. Такая нагрузка примерно в 2 раза меньше аналогичного показателя для промышленного газификатора.
Характер изменения величины недорекуперации показан на рис. 6, из которого видно, что в первые 40 ÷ 60 мин от начала процесса газификации наблюдается ее увеличение приблизительно по линейному закону. Спустя 1,5 ÷ 2 ч рост ΔТ замедляется и кривая почти выходит на горизонтальный уровень, что связано развитием теплопередающей поверхности панелей вследствие роста игольчатых кристаллов на ней (рис. 7). Дальнейший рост величины недорекуперации связан с изменением механизма роста толщины слоя инея. Поверхностное уплотнение слоя создает сильный изоляционный эффект и рост термического сопротивления приводит к росту величины недорекуперации.
Рис. 7. Образование игольчатых кристаллов на активной поверхности панелей
Саморазрушение слоя инея наблюдалось примерно на 30 % активной поверхности панелей в их нижних (холодных) частях, что объясняется высокой турбулентностью потока в этой зоне и низкой прочностью слоев инея, образованных при столь низких температурах.
Спецификой двухходового включения газификационных панелей является резкое увеличение массовой скорости газифицируемого криопродукта в каналах.
Теоретически, по сравнению с предыдущей схемой включения, это должно привести к некоторому увеличению коэффициента теплопередачи в результате роста интенсивности внутриканального теплообмена. Влияние же роста коэффициента теплопередачи должно сказаться на уменьшении величины недорекуперации на теплом конце установки.
На рис. 6 кривые изменения величины недорекуперации, представляющие два режима испытаний, проведенных при одинаковых температурных условиях воздуха и разных относительных влажностях, расположены близко друг к другу и лежат значительно ниже кривой недорекуперации для параллельного включения панелей. В целом, характер кривых недорекуперации повторяет закономерности, отмеченные для поведения этого параметра в схеме параллельного включения панелей.
Рис. 8. Разрушение слоев инея под действием конвективных токов воздуха
По данным наблюдений за процессом газификации выявлено отслаивание и унос частиц инея примерно на 40 ÷ 50 % поверхности панелей холодной секции (рис. 8), вследствие чего было заметно интенсивное развитие естественной конвекции воздуха, особенно в нижней части вертикальных панелей. Конструкция газификационного блока была такова, что расстояние от нижней кромки панелей до грунта составляло 200 ÷ 250 мм. Поэтому конвективные токи охлажденного воздуха с максимальной скоростью натекали на препятствие и двумя приблизительно равными потоками расходились в разные стороны по поверхности.
Для создания лучшей аэродинамической обстановки при сходе потока с поверхности панелей целесообразно увеличить высоту размещения панелей в каркасе до 350 ÷ 400 мм, а также предусмотреть устройство обтекателя, который в простейшем случае представляет собой продольную призму с углом у вершины 90°. Призма устанавливается по всей длине газификационного блока так, что вершина ее касается нижней кромки панелей (рис. 9).
Помимо более интенсивного теплообмена со стороны газифицируемого криопродукта в каналах, преимущества двухходовой схемы по сравнению с параллельной связаны также с использованием фактора высоты на участках подогрева, что предопределяет более высокие значения наружной теплоотдачи от воздуха.
Рис. 9. Схема устройства-обтекателя
Схема чередования панели с прямотоком была испытана в условиях, сопоставимых со схемой параллельного и двухходового включений. Охлаждение газификационных панелей здесь происходило быстрее, чем в предыдущих двух случаях. Абсолютные же значения ΔТ при этом оказались выше, чем в схеме двухходового включения панелей, что связано с особой аэродинамической обстановкой при обтекании панелей воздухом: холодные панели имеют противоточное движение энергоносителей, теплые же находятся в условиях прямотока.
Ограниченный временной интервал проведения опытов не позволил выявить возможность схемы чередования с прямотоком. Как было показано ранее, преимущества этой схемы могут проявляться при образовании инея на всей поверхности теплых панелей, что возможно при достаточно длительных периодах испытаний. В условиях сравнительно коротких циклов проведения испытаний длительностью 4 ÷ 6 ч в схемах чередования и двухходового включения панелей не наблюдалось полного покрытия инеем теплых панелей.
Рис. 10. Зависимость величины недорекуперации на теплом конце аппарата от времени — х — - чередование панелей с прямотоком, tB = 4,5 °C;
— • — - двухходовое включение tB = 3,5 °С;
относительная влажность φ = 95 % для обеих схем включения.
С учетом этого были организованы длительные испытания, в которых рассматривались и сравнивались показатели двух схем: чередования и двухходового включения. На рис. 10 приведены экспериментальные данные величин недорекуперации на теплом конце газификатора от времени. Заметно, что до момента времени 4 ÷ 4,5 ч от начала опыта обе схемы показывают практически одинаковые результаты по ΔT. По мере дальнейшего ведения процесса газификации значения ΔT в двухходовой схеме включения становятся выше в сравнении с вариантом чередования. Более того, анализ расположения экстремальных участков кривых указывает на большее число "провалов" ΔT, приходящихся на схему чередования: в интервале времени 4 ÷ 9 ч наблюдаются два спада ΔT для схемы чередования и только один для двухходовой схемы включения. Для обеих схем резкие спады температур объясняются саморазрушением слоев инея. Более высокую частоту возникновения спадов ΔТ во время газификации в схеме чередования следует отнести к эффекту перераспределения массы влаги в пользу холодных панелей, которые работают в режиме частичной самоочистки.
Приглашаем ученых и инженеров, аспирантов и студентов, а также, заинтересованные институты, фирмы, организации и частных лиц, принять участие в размещении информации в интернет-газете, посвященной холодильной и близкой ей тематике.
Учредитель и издатель интернет-газеты: ООО "АВИСАНКО" (Москва). Адрес редакции: Россия, 115551, Москва, Шипиловский проезд, д.47/1, офис 67-А.
Тел./факс: +7 (495) 343-43-71, тел.: +7 (495) 343-43-48, 223-60-50 доб. 132.
Головной сайт:
Первый выпуск первой в России интернет-газеты по холодильной и близкой ей тематике - "Холодильщик.RU" - вышел в свет в январе 2005 г.
Руководитель проекта и Главный редактор: Маргарян С.М. (АВИСАНКО, ООО)
За содержание рекламных материалов редакция ответственности не несет.
При перепечатке статей, ссылки на их авторов и интернет-газету обязательны.
