Охлаждаемых поверхностей

В энергетике, во многих других областях техники и промышленности чаще приходится иметь дело с конденсацией пара в жидкое состояние на охлаждаемых поверхностях теплообмена. Эта задача прежде всего и будет рассмотрена в данной главе. При этом будем полагать, что конденсирующийся пар не содержит примесей других паров или газов, т. е. является чистым.

ся эффективное обеззараживание для предотвращения размножения водорослей и появления слизи на охлаждаемых поверхностях.

В МГД-генераторах замкнутого цикла рабочим телом служат инертные газы гелий или аргон с небольшими присадками [(10~4—10~2) кг/кг] легкоионизирующихся веществ — цезия или калия. После МГД-канала присадки должны быть выделены из потока. Выведение присадок может быть достигнуто за счет гетерогенной конденсации на охлаждаемых поверхностях теплообменника. Однако при понижении температуры газа начинается объемная (гомогенная) конденсация — туманообразование [1]. После теплообменника необходима дополнительная очистка газа от капель тумана.

Тяжелые металлы (олово, свинец, висмут) и их сплавы даже в расплавленном состоянии не очень энергично взаимодействуют с кислородом. Растворимость окислов в этих металлах очень мала. Тем не менее даже незначительное понижение растворимости окислов с уменьшением температуры может привести к отложению слоя окислов на охлаждаемых поверхностях тепло-обменной установки.

Водород образует со щелочными металлами твердые солеподобные (аналогичные по химической природе хлоридам) соединения — гидриды (LiH, NaH, KH и др.). Чистый гидрид лития плавится при 680° С, NaH — под давлением при 800° С, RbH разлагается при 300° С, а CsH — при еще более низкой температуре. Гидриды растворяются в соответствующих металлах. Натрий, например, растворяет при температуре 250° С около 0,003% NaH, а при 400° С —около 1,5%. Растворение сопровождается диссоциацией гидрида на металл и атомарный водород, который в таком виде остается в металле. При температуре 420° С, например, упругость диссоциации NaH превышает 1 атм. Когда жидкие щелочные металлы загрязнены гидридами, то на охлаждаемых поверхностях теплообменников выделяются твердые частички гидридов или газообразного водорода, что приводит к уменьшению теплоотдачи.

Водород образует со щелочными металлами твердые солепо-добные соединения — гидриды, сходные по химической природе с галогенидами (LiH, NaH, KH и др.). Поглощение водорода литием начинается при температуре около 420°С и бурно протекает при 710° С [67, 68], взаимодействие водорода с натрием начинается при температуре, близкой к точке плавления. С достаточно большой скоростью реакция протекает лри 350— 360° С [69, 70]. Калий начинает заметно взаимодействовать с водородом при 200° С, а рубидий и цезий — при 100° С; в препаративной технике их получают при 300—350° С. Чистый гидрид лития плавится при 680° С, NaH — под давлением при 800° С, RbH разлагается при 300° С, a CsH полностью разлагается при 389° С. Гидриды растворяются в соответствующих металлах. Натрий, например, при температуре 250°С растворяет около 0,003% NaH, а при 400° С —около 1,5% NaH. Растворение сопровождается диссоциацией гидрида на металл и атомарный водород, который в таком виде остается в металле. При температуре 420° С, например, упругость диссоциации превышает 1 атм [71, 72]. В таких случаях в защитной подушке инертного газа (аргона) устанавливается равновесное парциальное давление водорода. Если жидкий металл — теплоноситель загрязнен гидридами, то на охлаждаемых поверхностях теплообменника возможно выделение твердых частичек гидридов, что приведет к уменьшению теплоотдачи, а также диффузия водорода в металл стенки и изменение его механических и теплофизических свойств.

замкнутого цикла. Ионизирующиеся добавки (при концентрации ю-2—10-4 кг/кг) вводятся в поток инертного газа перед каналом МГД-генератора для повышения электропроводности плазмы и выводятся за каналом МГД-генератора для обеспечения защиты компрессора от эрозии. Вывод ионизирующихся добавок может быть частично осуществлен путем конденсации на охлаждаемых поверхностях теплообменников-конденсаторов, утилизирующих тепло отходящих газов [14, 48, 53]. Рассмотрим конденсацию ионизирующихся добавок из потока парогазовой смеси внутри вертикальной трубы диаметром d.

Гидрид натрия (NaH) плавится под давлением при 800° С. В металлическом натрии при температуре 250°С растворяется около 0,003% гидрида, при 400° С —около 1,5%. Растворение сопровождается диссоциацией гидрида на металл и атомарный водород, растворимый в жидком металле. При охлаждении металла, насыщенного гидридом, на охлаждаемых поверхностях теплообменника возможно образование твердых частиц гидридов и увеличение контактных термических сопротивлений и в здоровых трубах пучка, а также диффузия атомарного* водорода в металлическую стенку труб пучка с соответствующими изменениями их механических свойств. На участках с высокой температурой гидрид диссоциирует; при температуре 420° С, например, упругость диссоциации NaH превышает 1 атм.

Следует стремиться к получению воды с незначительным содержанием органических веществ, чтобы не допустить образования слизистой пленки на охлаждаемых поверхностях.

охлаждаемых поверхностях. В барботажных ловушках газ при стравливании проходит через гидрозатвор из того же металла, что и находящийся в баке, но в гидрозатворе металл находится при температуре, близкой к температуре плавления. Однако такие ловушки оказались весьма неудобными в эксплуатации и не нашли широкого применения.

Конденсация может происходить как в объеме пара, так и на охлаждаемых поверхностях. В первом случае' образование конденсированной фазы может иметь место при значительном переохлаждении пара относительно температуры насыщения при данном давлении. В теплообменниках, широко используемых в энергетике и в других областях техники, в основном приходится встречаться с конденсацией пара в жидкое состояние на охлаждаемых поверхностях, в том числе на струях холодной жидкости. Теплообмену, сопровождающему этот процесс, и посвящена данная книга.

Дизели с разными смесеобразованиями имеют различные пусковые свойства. Наилучшие пусковые качества имеют дизели непосредственного впрыска вследствие малых интенсивно охлаждаемых поверхностей и отсутствия гидродинамических потерь. Двигатели с разделёнными камерами сгорания имеют большие тепловые потери, снижающие конечные температуры сжатия. Пусковые обороты этих двигателей должны быть достаточно высокими для достижения температур, необходимых для самовоспламенения топлива. В двигателях с вихревой камерой вставная часть камеры устанавливается с зазором,

Из формулы (200) следует, что величина 2>QOXJl зависит от числа Re, т. е. от скорости газа, от его плотности, от коэффициентов вязкости и теплопроводности, от величины охлаждаемых поверхностей и температурной разности между газовым потоком и температурой стенок охлаждаемых поверхностей (Т4 — Тл).

Преобладающее значение имеют величина охлаждаемых поверхностей, температурная разность Т4 — Тд, а также скорость и плотность газового потока.

Фиг. 56. Расчетные величины уменьшения работоспособности газа и абсолютного к. п. д. в зависимости от начальной температуры газа и температуры охлаждаемых поверхностей:

Приращение к. п, д. при увеличении температуры газа перед расширением уничтожается приращением потерь тепла в охлаждающую среду. Потери тем больше, чем выше температура газа .перед расширением. Увеличение температурной разности и увеличение числа охлаждаемых ступеней приводят к возрастанию охлаждаемых поверхностей проточной части, увеличению теплового потока и увеличению потерь тепла в охлаждающую среду.

Наконец, качество воды должно быть оценено и проверено в отношении опасности коррозии металла труб и охлаждаемых поверхностей и разрушения бетона из-за наличия в воде растворенных кислорода и углекислоты. Опасными в отношении коррозии являются также воды, содержащие кислоты и характеризуемые высокой концентрацией водородных ионов (рН<7—8). Они разрушают защитную оксидную пленку в металле и цемент в бетоне.

улучшает прочностные и другие свойства поверхностного слоя отливок гильз и реакторов и исключает коррозию охлаждаемых поверхностей (рис. 35—38). Путем изменения состава и строения контактирующих с металлом слоев формы представляется

туру теплоносителя как в основном потоке, так и вблизи интенсивно обогреваемых или охлаждаемых поверхностей. Поэтому, поддерживая концентрацию той или иной примеси в основном потоке в [пределах, соответствующих весьма низкой (допустимой) скорости коррозии металла, можно быть уверенным в отсутствии повреждений оборудования, связанных с электрохимической коррозией практически независимо от условий омы-вания теплообменных поверхностей и протекания самих процессов тепломассообмена.

с высокой температурой охлаждаемых поверхностей и возник-

В литературе встречаются указания о том, что понижение рН воды подкислением до величины 6,5—7, при одновременном увеличении дозы гексаметофосфата натрия до 10 г/м3, обеспечивает более надежную защиту от коррозии. Это объясняется тем, что при указанных низких значениях рН протекает менее опасная коррозия, выражающаяся в более равномерном воздействии на всю поверхность стальных элементов, что лучше, чем язвенная коррозия или бугристые отложения, получающиеся при более высоких значениях рН. Метод подкисления воды до рН = 6,5—7 с одновременной обработкой повышенными дозами гексаметафосфата натрия рекомендуется при значительной коррозионной активности воды, когда обычная обработка гексаметафосфатом натрия не дает удовлетворительных результатов. При охлаждении двигателей внутреннего сгорания, в связи е высокой температурой охлаждаемых поверхностей и возникновением местного кипения, приходится в некоторых случаях применять замкнутые системы, в которых циркулирует дистил-,лированная или обессоленная вода, которая в свою очередь в теплообменниках охлаждается обычной водой. Для борьбы с коррозией замкнутых систем рекомендуется в дистиллирован-

В особо ответственных случаях при охлаждении аппаратов,, изготовленных из углеродистой или нержавеющей стали, если тепловая нагрузка охлаждаемых поверхностей превышает 300 кВт/м2, необходимо использовать охлаждающую воду высокой чистоты. Особо чистые воды требуются также для производства некоторых видов продукции химических предприятий.

Возрастание тепловой нагрузки охлаждаемых поверхностей аппаратов может ускорять развитие кислородной коррозии в том случае, если при подводе тепла не происходит парообразования. Влияние тепловой нагрузки на стимулирование процесса коррозии мало изучено. По данным ряда исследователей, при теплопередаче через стенку металла в водную среду на его поверхности возникают участки с различным значением потенциалов, которые обусловливают развитие коррозии.