Процесс кипения имеет большое значение при работе вакуумного котла. В статье рассмотрено влияние теплообмена при кипении в разряженной полости на коэффициент полезного действия вакуумного котла. Представлены расчетные зависимости температуры насыщения, коэффициентов теплоотдачи при кипении в различном диапазоне давлений. Ключевые слова: вакуумный котел, кипение, теплоотдача, давление, тепловые потери, коэффициент полезного действия. Эффективность работы вакуумного котла определяется процессами кипения и конденсации в разряженной полости. В данной статье будет рассмотрено влияние процесса кипения на эффективность работы вакуумного котла. Кипение — сложный процесс, условия протекания которого определяются различными теплофизическими факторами. Интенсивность кипения зависит от давления и теплофизических свойств жидкости. Параметром, оказывающим наибольшее влияние на процесс кипения, является давление. С увеличением давления насыщения интенсивность теплообмена повышается, уменьшаются размеры пузырька в момент возникновения и отрыва, увеличиваются число центров и частота отрыва пузырей в этих центрах. С приближением термодинамического состояния к критическому воздействие этих факторов возрастает и, соответственно, наблюдается рост влияния давления на теплоотдачу. Существенное влияние на теплообмен оказывают теплофизические свойства жидкости, которые напрямую зависят от давления и температуры. Со снижением давления из-за увеличения критического радиуса парового пузырька создаются значительные трудности в образовании паровой фазы на поверхности нагрева, что приводит к существенному изменению внутренних характеристик процесса кипения — скорости роста, отрывного диаметра, частоты отрыва паровых пузырьков. При этом растягивается переходный режим кипения, характеризующийся неустойчивостью, нестабильностью процесса парообразования и нестационарностью теплообмена [1]. Температура насыщения TS(p) является характерным параметром при тепловых расчетах модели газотрубного котла. С помощью корреляционной зависимости Антуана, применяемой для практических расчетов температуры насыщения в широком диапазоне давлений, рассчитана температура насыщения для теплоносителей вода (H2O) и этиленгликоль (С2H6O2). Полученные результаты подтверждают взаимосвязь температуры насыщения и давления. С понижением давления температура насыщения уменьшается. Давление ниже атмосферного влияет на интенсивность теплообмена со стенкой. Переход к конвективным явлениям в областях с пониженным давлением связан с дальнейшим ухудшением теплообмена вследствие уменьшения числа соударений молекул с поверхностью и между собой [2, 3]. Изменения механизма и интенсивности теплообмена приводят к возникновению кризисов кипения. Определяющими факторами всех трех кризисов кипения являются: критическая плотность теплового потока, коэффициент теплоотдачи и температурный напор. В соответствии с литературны- ми данными [4, 5] критическая плотность теплового потока во избежание кризиса кипения не должна превышать 200 кВт/м2, а значения температурного напора не должны превышать 30 К, должны соблюдаться неравенства qкр3 менее q менее qкр1, ΔTкр3 менее ΔT менее ΔTкр1. В этом случае кипение соответствует пузырьковому режиму. При увеличении температурного напора, а также давления на поверхности нагрева увеличивается число активных центров парообразования. В итоге все большее количество пузырьков непрерывно возникает, растет и отрывается от поверхности нагрева, увеличивается турбулизация и перемешивание пристенного пограничного слоя жидкости. В процессе своего роста на поверхности нагрева пузырьки так же интенсивно забирают теплоту из пограничного слоя, все это способствует улучшению теплоотдачи. При понижении давления наблюдается обратный эффект [1, 5]. С понижением давления снижается интенсивность процесса теплообмена, увеличивается критический радиус парового пузырька, создаются значительные трудности в образовании паровой фазы на поверхности нагрева и как следствие изменение внутренних характеристик процесса кипения — скорости роста, отрывного диаметра, частоты отрыва паровых пузырьков [5]. Существуют различные методики для расчета коэффициентов теплоотдачи (α) при кипении жидкости. При расчете процесса кипения в большом объеме в диапазоне давлений от 1 до 200 бар возможно применение соотношения М. А. Михеева и И. М. Михеевой [6]: или, согласно авторам В. П. Исаченко, В. А. Осипову, А. С. Сукомелу [5]: α = 3,0·q0,7·p0,15, где p — давление насыщенных паров, q — плотность теплового потока. При расчете теплоотдачи в зоне развитого кипения и при более высоких тепловых потоках и давлении целесообразно применять расчетную зависимость Ю. М. Липова и Ю. М. Третьякова [7]: α = 0,9∙4,34∙q0,7(p0,14+1,35∙10-2∙p2). Результаты расчетов представлены в виде графической зависимости. Расчет коэффициента теплоотдачи по трем разным методикам [5–7] подтвердил влияние давления ниже атмосферного на интенсивность теплообмена в разряженной полости вакуумного котла, с понижением давления происходит снижение коэффициента теплоотдачи. Уменьшение коэффициента теплоотдачи с понижением давления насыщенных паров в полости с разряжением оказывает влияние на температуру уходящих газов и, как следствие, на величину тепловых потерь с уходящими газами (q2). Из всех тепловых потерь, входящих в расчетную формулу для определения КПД брутто вакуумного котла, величина q2 — самая значительная, напрямую зависящая от коэффициента избытка воздуха, температуры уходящих газов Тух и забалластированности негорючими газами газообразного топлива. Проведенные расчетные исследования показали, что с увеличением разряжения насыщенных паров температура уходящих газов увеличивается и превышает установленный верхний допустимый предел 170 оС [8]. Это объясняется уменьшением коэффициента теплоотдачи со стороны стенки к кипящей воде. Температуру уходящих газов необходимо поддерживать строго в заданном интервале температур, так как при низкой температуре возможна конденсация водяных паров на поверхностях нагрева, что приводит к интенсивной кислотной коррозии [9]. Температура уходящих газов оказывает влияние на коэффициент полезного действия котла брутто. КПД котла брутто, рассчитанный методом обратного баланса с учетом суммы тепловых потерь при его работе [7]. С увеличением разряжения и ростом тепловых потерь q2 происходит снижение КПД котла. Полученные расчетные данные позволяют сделать вывод о необходимости применения методов интенсификации в полости с разряжением [10]. Снижение температуры уходящих газов в пределах 15–20 % приводит к уменьшению потери q2 и к росту КПД котла на 1 %. Использование интенсификации для процесса кипения в разряженной полости вакуумного котла позволит сократить тепловые потери q2 и создать энергоэффективный образец вакуумного котла, не уступающий известным аналогам. Библиографический список 1. Влияние теплофизических свойств материала оребренной поверхности на выбор ее оптимальных геометрических характеристик / С. Д. Корнеев [и др.] // Известия МГИУ. – 2006. – № 1 (2). – С. 56–61. 2. Термодинамика и теплопередача : учеб. для вузов / А. В. Болгарский [и др.]. – 2-е изд., перераб. и доп. – М. : Высш. школа, 1975. – 495 с. 3. Кутателадзе, С. С. Основы теории теплообмена / С. С. Кутателадзе. – 5-е изд. перераб. и доп. – М. : Атомиздат, 1979. – 416 с. 4. Кутателадзе, С. С. Теплопередачи при кипении и конденсации / С. С. Кутателадзе. – М. : МАШГИЗ, 1952. – 236 с. 5. Исаченко, В. П. Теплопередача : учеб. для вузов / В. П. Исаченко, В. А. Осипова, А. С. Сукомел. – 4-е изд., перераб. и доп. – М. : Энергоиздат, 1981. – 416 с. 6. Михеев, М. А. Основы теплопередачи / М. А. Михеев, И. М. Михеева. – 2-е изд. – М. : Энергия, 1977. – 344 с. 7. Липов, Ю. М. Котельные установки и парогенераторы / Ю. М. Липов, Ю. М. Третьяков. – М., Ижевск : НИЦ Регулярная и хаотическая динамика, 2003. – 592 с. 8. Сидельковский, Л. Н. Котельные установки промыш- ленных предприятий / Л. Н. Сидельковский, В. Н. Юренев. – М. : Энергоатомиздат, 1988. – 528 с. 9. Лариков, Н. Н. Теплотехника : учеб. для вузов / Н. Н. Лариков. – 3-е изд., перераб. и доп. – М. : Стройиздат, 1985. – 432 с. 10. Cлободина, Е. Н. Интенсификация процессов кипения и конденсации в рабочем объеме вакуумного котла / Е. Н. Cлободина // Динамика систем, механизмов и машин. – 2014. – № 2. – C. 134–136.