розділ 2
експериментальна установка та методика проведення експериментальних досліджень
2.1. Експериментальна установка для дослідження процесів кипіння у щілинних
каналах
Незважаючи на достатню кількість емпіричних залежностей для тепловіддачі при
кипінні у щілинних каналах, у трубах і термосифонах, універсальних
загальноприйнятих залежностей не існує. Тому, при проектуванні того, чи іншого
теплообмінного обладнання використовуються емпіричні залежності, які були
отримані в умовах, близьких до умов, які реалізуються у обладнання, що
проектується. Як випливає із аналізу літератури, дослідження впливу величини
щілинного зазору на тепловіддачу проводилися при високих швидкостях циркуляції
для кипіння із недогрівом, для термосифонів діаметром до 50 мм, для
горизонтальних термосифонів. При проектуванні електричних парогенераторів для
розрахунку тепловіддачі при кипінні неможливо використовувати існуючи у
літературі дані по теплообміну. Крім того, відкритим є питання можливості
інтенсифікації теплообміну при кипінні шляхом організації кипіння у щілинних
каналах стосовно до промислових парогенеруючих установок.
Тому для досліджень впливу щілинного зазору а також визначення залежностей для
тепловіддачі при кипінні була спроектована експериментальна установка, в якій
експериментальний вузол є повномасштабною зоною кипіння блоку парогенеруючої
установки.
Експериментальна установка складається із експериментального вузла,
нагрівального пристрою, калориметра (рис. 2.1, 2.2).
Рис. 2.1. Загальний вигляд експериментальної установки
Нагрівальний пристрій (рис.2.2) – електричний парогенератор 1 високого тиску,
з'єднаний із оболонкою експериментального вузла двома патрубками. На виході з
парогенератору встановлюється електроконтактний манометр 3, а на вході -
запірний і дренажний вентилі.
Рис. 2.2. Схема експериментальної установки: 1 – генератор пари високого тиску,
2 – система вимірювання, 3, 8 - манометри, 4 –стінка, що гріє, 5 – зовнішня
стінка, 6, 10 – термопари, 7 – система вимірювання, 9 –калориметр, 11 –
ротаметр, 12 – термопарний зонд, 13 – дефлектор.
Парогенератор (рис. 2.2) складається з трьох з'єднаних між собою горизонтальних
циліндрів діаметром 127 мм із завальцованими кінцями 1. Циліндри зверху і знизу
з'єднуються трубопроводами. З торця на ніпельному з'єднанні встановлюються
нагрівальні блоки, що складаються кожний із трьох ТЕНів потужністю 5 кВт.
Сумарна потужність нагрівачів складає 30 кВт. Пара високого тиску, надходивши у
експериментальний вузол, конденсується на внутрішній поверхні труби 4, і
конденсат стікає у парогенератор.
Калориметр 9 являє собою кожухотрубний теплообмінник типу „труба у трубі”
(рис.2.2.). Пара, яка надходить із експериментального вузлу, конденсується у
внутрішній трубці, у між трубному просторі рухається вода, температура якої на
вході і виході із теплообмінника вимірюється датчиками температури та зразковим
термометром. Крім того, на виході із калориметру встановлений ротаметр 11.
Експериментальний вузол (рис. 2.3) є випарною зоною замкнутого двофазного
термосифона і виконаний у вигляді двох коаксиально розташованих циліндрів 7 і
8, що утворюють щілинний зазор. Кипіння відбувається на зовнішній поверхні
сталевої безшовної холоднодеформованої труби діаметром 140 мм і товщиною стінки
5 мм (ГОСТ 8734-75*). Зовнішня труба діаметром 180 мм, товщиною стінки 3 мм
утворює з внутрішньою трубою щілинний зазор. Висота зони кипіння складає 1000
мм.
Обігрів здійснюється парою високого тиску, що надходить у внутрішню порожнину
сталевої труби. На вхідному трубопроводі встановлюється електроконтактний
манометр. У торець нижнього днища експериментального вузла уварена гільза у
виді трубки зі сталі 12Х18Н10Т зовнішнім діаметром 2 мм, товщиною стінки 0,15
мм, довжиною 1000 мм. У гільзу міститься термопарный кабель КТМС ХК діаметром
1,5 мм і діаметром електродів 0,5 мм (рис.2.3).
На зовнішній і внутрішній поверхнях експериментального вузла (рис.2.3) у шести
перетинах із кроком 180 мм приварено точковим зварюванням 12 термопар ХК із
діаметром електродів 0.2 мм (6 термопар на внутрішній поверхні і 6 на
зовнішній). Холодні кінці термопар через герметичне рознімання, встановлене у
днищі, виводяться назовні.
Рис. 2.3. Схема експериментального вузлу: 1 – герморознімання; 2 – патрубок
зливу конденсату, 3 – патрубок підведення рідини у експериментальний вузол, 4
–патрубок підведення пари високого тиску, 5 – патрубок видалення газів, 6 –
термопарний зонд; 7 – зовнішня стінка; 8 – стінка, що гріє, 9 - термопари.
Для дослідження режимів кипіння вздовж щілинного зазору а також виявлення
механізмів інтенсифікації теплообміну у стиснених умовах були проведені
дослідження із візуалізації кипіння. Для цього експериментальний вузол було
модифіковано (рис.2.4.).
Рис. 2.4. Схема експериментального вузлу для візуалізації кипіння: 1 – труба,
на якій відбувається кипіння, 2- скляна труба, 3 – трубка для відводу газів,
які не конденсуються, 4 – стрижень, 5 – нижній фланець, 6 – верхній фланець, 7
– патрубок підведення води у експериментальний вузол, 8 – патрубок відведення
пари, 9 – патрубок підведення пари, що гріє, 10 – патрубок сливу конденсату.
Зовнішня стінка виконується скляною і складає щілинний зазор 4 мм із стінкою,
що гріє. На рисунку 2.5 показано вигляд експериментальної установки для
візуалізації процесів кипіння.
Рис. 2.5. Вигляд установки із візуалізації процесів кипіння
У зоні кипіння експериментальної установки є можливість встановлення
дефлекторів трьох типорозмірів, які можуть утворювати щілинний зазор 3, 4 і 5
мм із внутрішньою поверхнею труб
- Київ+380960830922