WWW.DISUS.RU

БЕСПЛАТНАЯ НАУЧНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

 

УДК 621.175.1:621.44:621.181:621.184.64

На правах рукописи

ДЕМЕУОВА АКМАРАЛ БАХИТБЕКОВНА

ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ КОНДЕНСАЦИИ ПАРОВ ИЗ ПАРОГАЗОВЫХ СМЕСЕЙ ПО ТЕПЛООБМЕННОЙ ПОВЕРХНОСТИ

Реферат

магистерской диссертации

на соискание академической степени магистра техники и технологии

по специальности

6M072400 «Технологические машины и оборудование»

Республика Казахстан

Кызылорда,2012 г.

Работа выполнена на кафедре «Машины и оборудования нефтяной и газовой промышленности» политехнического факультета

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор М.Ж.Досжанов
Официальный оппонент: кандидат технических наук, доцент Н.Т.Сейтханов.
Ведущая организация Кызылординский государственный университет имени Коркыт Ата
Защита диссертации состоится «___»_______________201__г. Кызылординский государственный университет имени Коркыт Ата, 5 корпус политехнический факультет, 203 аудитория. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Кызылординского государственного университета имени Коркыт Ата

Введение

Объем и структура диссертации: Диссертация состоит из введения, 4 разделов, заключения, списка использованных источников и приложения. Объем диссертации 87 страниц текста, 3 таблицы, 10 рисунков, а также слайды. Библиография включает 111 наименования.

Ключевые слова: теплообмен, теплопередача, массообмен, конденсация паров, парогазовые смеси, тепломассообменный аппарат, регулярная вибрирующая спиральная насадка, вертикальный шаг между насадками, радиальный шаг между насадками, скорость газового потока, частота вибраций витков спирали, амплитуда вибраций витков спирали, плотность орошения, количество удерживаемой жидкости, газосодержание.

Актуальность исследования:

Поставленные в диссертации задачи предусматривают разработку высокоэффективного массообменного аппарата и методов расчета процесса взаимодействия фаз с учетом амплитудно-частотных характеристик различных типов насадок. Совместное движение газа и жидкости в контактных устройствах аппаратов представляет собой турбулентное трехмерное двухфазное течение, осложненное тепло- и массообменом и подвижностью насадок. Для широкого внедрения в промышленность новых аппаратов этого класса необходимо разработать методику расчета основных гидродинамических, тепломассообменных характеристик и параметров пылеулавливания.

В технике и в быту часто происходят процессы теплообмена между различными жидкостями, разделенными твердой стенкой. Процессы теплообмена могут происходить в различных средах: чистых веществах и разных смесях, при изменении и без изменения агрегатного состояния рабочих сред и т.д. В зависимости от этого теплообмен протекает по-разному и описывается различными уравнениями.

Поэтому изучение как простых, так и более сложных процессов переноса теплоты в различных средах, разработка высокоэффективных аппаратов методов их расчета является актуальной научно-технической проблемой.

Цель исследования:

Разработка теоретических основ описания пленочного течения суспензии в парогазовом потоке и механизма влияния на интенсивность тепло- и массопереноса, а также создание конструкций эффективных теплообменников-конденсаторов для пленочной конденсации паров парогазовых смесей. Разработка конструкции высокоэффективного аппарата, создание научно-обоснованного метода расчета, опытно-промышленная проверка работы аппарата.

Объект исследования:

Конструкции разрабатываемых массообменных аппаратов должны отвечать производственным требованиям, обладать новизной, оригинальностью технических решений. Аппарат с вибрирующими спиральными насадками прост по конструкции, надежен, обладает устойчивостью работы при обработке большого объема газа и жидкости. Разработанные математические модели описания и расчета процессов взаимодействия обрабатываемых потоков соответствуют современным требованиям теоретической обоснованности, компьютерной и информационной технологий.

Разработка в совокупности соответствует уровню современных перспективных научно-технических проектов, актуальных в настоящее время.

Методы исследования:

Разработана научно обоснованная методика расчета гидродинамических и теплообменных параметров пленочных конденсаторов, которая адаптирована к проектированию теплообменников типа «труба в трубе» и с пучком охлаждаемых труб при сопряженном протекании процессов конденсации паров из парогазовых смесей.

- анализ и обобщение существующих данных по конструкциям массообменных аппаратов с подвижными насадками, методов расчета гидродинамических и массообменных характеристик;

- выявление механизма образования, движения взаимодействия вихрей при обтекании регулярно расположенных спиральных насадок, совершающих вибрации в условиях обтекания однофазным и двухфазным потоками;

- установление особенностей работы массообменного аппарата в условиях взаимодействия вихрей в объеме насадочной зоны.

Разработаны математические модели движения одно- и двухфазного потоков в слое насадки в ламинарном и турбулентном режимах.

Полученные результаты, их новизна, научная и практическая значимость:

Получены экспериментальные данные по изучению влияния конструктивных и технологических параметров на частоту и амплитуду вибраций спиральной насадки, гидравлическое сопротивление, коэффициенты массоотдачи. Результаты экспериментальных и теоретических исследований представлены в виде графиков и критериальных формул.

- раскрыта физическая картина образования, движения и взаимодействия вихрей при обтекании регулярно расположенных спиральных насадок, совершающих вибрационные движения в условиях однофазного и двухфазного обтекания потоками, и выявлено возникновение периодного режима одновременного вихреобразования, способствующего интенсификации взаимодействия фаз;

- с учетом выявленных гидродинамических закономерностей взаимодействия вихрей, влияния характера движения насадочных тел получены расчетные уравнения для определения коэффициентов сопротивления регулярно расположенных спиральных насадок в однофазном и двухфазном потоках и гидравлического сопротивления сухого и орошаемого аппаратов, а также получены уравнения для определения частоты и амплитуды вибраций витков спиральной насадки;

- исходя из условий устойчивости движения вихрей за насадочными телами, взаимодействия их между собой, одновременности вихреобразования и характера движения насадок, определены параметры рационального размещения элементов насадки в объеме рабочей зоны аппарата, при которых достигается наибольшая эффективность проводимых процессов;

- получены расчетные уравнения для количества удерживаемой жидкости, газосодержания и гидродинамических параметров – гидравлического сопротивления, кинетической энергии и локального масштаба турбулентных пульсаций, эффективной вязкости газа.

Сведения о публикациях: Результаты работы докладывались и обсуждались на различных научных конференциях и опубликованы в следующих изданиях:

1. Демеуова А.Б. Особенности процессов в контактных тепломассообменных аппаратах. //Актуальные проблемы науки и техники.: сборник научных трудов IV Международной научно- технической конференции молодых ученых. –Уфа, 2012.- 72 с.

2. Досжанов М.Ж., Демеуова А.Б. Особенности некоторых типов конденсаторов в тепломассообменных аппаратах. // Материалы международной научно-практической конференции. «Научно-технический прогресс: техника, технологии и образование». Каспийский государственный университет технологий и инжиниринга имени Ш.Есенова.- Актау, 2011.- 308 с.

3. Абдраимова.Н.О., Демеуова А.Б. Особенности теплообмена при конденсации пара и моделирования течения конденсата по охлажденной поверхности.// Материалы международной научно-практической конференции «Арал ірі аймаыны индустриалды-инновациялы даму басымдытары». Кызылорда.: КГУ имени Коркыт Ата,2012.-11с.

4. Юсупова Л.Е., Демеуова А.Б. Жйелі жылжымалы ттамалы аппараттарды масса-алмасымды сипаттамалары.//Материалы международной научно-практической конференции «Арал ірі аймаыны индустриалды-инновациялы даму басымдытары». - Кызылорда.:КГУ имени Коркыт Ата,2012.-16с.

5. Досжанов М.Ж., Демеуова А.Б. Особенности некоторых процессов контактных тепломассообменных аппаратов.//Материалы международной научно-практической конференции «Инновационное развитие высшего профессионального образования: опыт, проблемы и перспективы». Кызылорда.: КГУ имени Коркыт Ата,2012.-22с.

Основное содержание работы

Во введении дана оценка современного состояния решаемой научной проблемы, изложены основные и исходные данные для разработки темы, обоснована необходимость проведения данной научно-исследовательской работы.

Широкое распространение контактных аппаратов объясняется их преимуществами по сравнению с поверхностными: это высокая интенсивность процессов тепломассообмена, незначительная металлоемкость аппаратов и простота их конструкции, существенное уменьшение коррозии оборудования, исключение возможности отложений на поверхности нагрева, возможность повышения температурного уровня технологических процессов.

Приводятся также сведения о планируемом научно-техническом уровне разработки. Изложены актуальность темы диссертации, цель работы и ее практическая ценность, показана научная новизна результатов диссертации.

В 1-ом разделе рассмотрены особенности работы, массообмена и пылеулавливания в аппаратах с подвижными насадками. Из-за сложности процесса массообмена в многофазной среде пока отсутствуют точные математические модели, учитывающие все многообразие реализуемых процессов. По этой причине разработаны приближенные теории массопередачи, в основе которой лежат различные механизмы массоотдачи.

В аппаратах с регулярной подвижной насадкой имеется возможность регулирования процесса образования и взаимодействия вихрей, что позволяет найти такое расположение насадок по ходу газового потока, при котором мощность их суммируется и достигается высокая эффективность протекающих процессов. Ниже рассмотрены наиболее распространенные конструкции и принципы работы таких аппаратов. В литературе имеются достаточно полные данные по математическому моделированию обтекания тел различных форм в ламинарном и турбулентном режимах.

В связи со сказанным наиболее широкое применение вследствие своей простоты и доступности получил способ конденсации, осуществляемый путём простого охлаждения парогазовой смеси [10-15].

В промышленности, в зависимости от технологических условий и особенности процесса конденсацию проводят либо в объёме или на охлаждаемых поверхностях. Однако, чаще всего оба способа конденсации осуществляется одновременно.

При протекании этих процессов соотношение их скоростей меняется и вследствие этого постоянно меняется также пересыщение пара:

(1)

Поскольку является функцией температуры, то можно записать:

(2)

Сравнительный анализ известных литературных данных по конструированию, расчету и эксплуатации массообменных аппаратов с подвижными насадками показал, что определяющими параметрами, обеспечивающими эффективность проводимых процессов, являются шаги между насадками в вертикальном и горизонтальном направлениях, амплитудно-частотные характеристики, геометрические размеры насадок, а определяемыми – гидродинамические, массообменные характеристики и параметры пылеулавливания. При этом необходимо выявить такое расположение насадок, при котором реализуется режим одновременного вихреобразования. В химической технике широко распространены процессы конденсации (ожижения) паров различных веществ путем отвода от них тепла. Эти процессы осуществляют в аппаратах, называемых конденсаторами.

На рисунке 1. изображен мокрый прямоточный конденсатор смешения. В корпус 1 конденсатора через патрубок 3 на крышке 2 вводится конденсирующийся пар. Охлаждающая вода подается через распыливаюшее сопло 4. Нагретая вода вместе с конденсатом и воздухом вводится через патрубок 5 мокровоздушным насосом 6.

1 - корпус конденсатора; 2 - крышка; 3 - патрубок для ввода пара; 4 - распыли вающее сопло; 5 - патрубок для вывода воды, конденсата и воздуха; 6 - мокровоздушный насос.

Рисунок 1 - Мокрый прямоточный конденсатор смешения

Расход охлаждающей воды на конденсацию пара определяют из теплового баланса конденсатора:

DH+WcBtB.H=(D+W)cBtB.K (3)

(4)

где W - расход охлаждающей воды, кг/ч; D-количество конденсирующегося пара, кг/ч; Н-энтальпия конденсирующегося пара, кДж/кг; св -теплоемкость воды, кДж/(кгх°с), tB.H и tB.K-соответственно начальная и конечная температура воды, °С. В соотношения (3) и (4) обычно не включают потери тепла в окружающую среду, которые несколько снижают расход охлаждающей воды. На рисунке 2 изображен противоточный барометрический конденсатор.

Пар на конденсацию поступает в конденсатор 3 через штуцер в нижней части аппарата. В конденсаторе расположен ряд перфорированных полок2

1 - брызгоуловитель; 2 - перфорированная полка; 3 - конденсатор; 4 - барометрическая труба; 5 - гидравлический затвор.

Рисунок 2 - Противоточный барометрический конденсатор

Процесс конденсации в барометрических конденсаторах протекает под вакуумом; обычно давление в них составляет 104 -2х104Па.

Охлаждающая вода подается на верхнюю полку. Затем она перетекает с полки на полку в виде тонких струй через отверстия и борта. Образовавшийся конденсат вместе с водой выводится через патрубок в нижней части аппарата. Воздух отводится через патрубок в верхней части аппарата и, пройдя брызгоуловитель 1, осушенным удаляется из системы с помощью вакуум-насоса. По способу выхода потоков этот конденсатор относится к группе сухих.

Диаметр барометрической трубы находят по формуле:

d = (5)

где D-количество конденсирующегося в аппарате пара, кг/ч ; W- расход воды, кг/ч;

w-скорость жидкости в барометрической трубе, которую принимают равной 1-2 м/с.

Далее приводятся основные методики расчета, принципы математического описания процесса пленочной конденсации.

Проблема математического описания течения конденсатных плёнок очень сложна и, несмотря на имеющиеся работы [78-86], далека от разрушения, что объясняется большим разнообразием эффектов при волновых движениях плёнок в процессах, сопровождающихся фазовыми переходами.

Сложность анализа волновых решений в случае плёночной конденсации заключается в том, что при наличии источника массы расход плёнки возрастает. При математическом моделировании плёночной конденсации мы имеем дело с существенно диссипативной системой.

Таким образом, в перечисленных работах [100] описано влияние слабого источника массы на характеристики нелинейных волн в тонкихъ слоях идеальной жидкости и плёнках вязкого конденсата; определены условия существования решений, описывающих распространение одиночных нелинейных волн в конденсатных плёнках, и выведены уравнения для расчёта эволюции их волновых характеристик, а также получены соотношения для оценки масштаба длины распространения нелинейных волн в плёнках жидкости с переменным расходом.

Рассмотрим пленочную конденсацию пара из парогазовой смеси на охлаждаемой плоской стенке и на поверхности горизонтального цилиндра (рис 3а и 3б).

Основные уравнения движения жидкой пленки и тепломассопереноса имеют в приближении Нуссельта [75] следующий вид:

(6)

(7)

Рисунок 3-Схема течения пленки конденсата

где U - продольная компонента скорости пленки конденсата, g - ускорение свободного падения, - угол показанный на рисунке 3, TU- температура стенки, TS - температура поверхности пленки конденсата.

Решение уравнения теплопроводности (3) получаем в виде:

T= (8)

Решение уравнения движения пленки с учетом температурной зависимости конденсата выглядит следующим образом:

(9)

При отсутствии твердой фазы в конденсате или при нулевом коэффициенте скольжения выполняется обычное условие прилипания, т.е.

(10)

Поверхностная скорость пленки, как следует из (5) находится по формуле:

US= (11)

Уравнение для толщины пленки выводится из материально-теплового баланса конденсации с учетом тепла фазового перехода r и тепла переохлаждения конденсата:

(12)

- коэффициент теплопроводности, С- теплоемкость конденсата

Проведенное теоретическое исследование является составной частью базовой математической модели процесса пленочной конденсации пара из парогазовых смесей на охлаждаемых поверхностях различной конфигурации. Полученные выводы качественно подтверждаются известными экспериментальными данными [88] и позволяют дать их правильную интерпритацию.

Во 2-ом разделе, приведены методики расчёта контактных теплообменных аппаратов.

Известно большое число различных контактных массообменных аппаратов смешения «газ – жидкость», нашедших применение в промышленности. Расчет таких аппаратов производят путем совместного решения системы уравнений, описывающих процессы в элементах аппарата, дополненной соответствующими уравнениями связей.

При расчетах аппарат рассматривают как объект с распределенными или с сосредоточенными параметрами (идеальное перемешивание). Используют и комбинированные модели, когда часть звеньев аппарата описывают как элементы с распределенными параметрами, а остальные – с сосредоточенными.

Система уравнений теплообменника «газ – жидкость» в статике содержит уравнения материального и энергетического балансов. Уравнения материального баланса записывают следующим образом:

общий баланс

; (13)

баланс по жидкости

; (14)

баланс по растворенному веществу

, (15)

где , , , – расход газа и жидкости (раствора) на входе и выходе аппарата и в образующемся осадке; , , – концентрация растворенных веществ в жидкости на входе и выходе аппарата и в осадке; , –содержание жидкости в газе на входе и выходе аппарата.

Исследованию тепло- и массопереноса в теплообменниках «жидкость – жидкость» посвящено большое количество работ. Основы гидродинамики и тепломассообмена в дисперсных системах аппаратов «жидкость – жидкость» и методы расчета аппаратов изложены в различных литературах.

Особенностью процессов в контактных теплообменниках «жидкость – жидкость» являются небольшие градиенты температур между контактирующими средами, незначительный массообмен между ними (растворение, захват), малые энергетические затраты на формирование и обновление межфазной поверхности.

Далее приводятся, расчеты контактных теплообменных аппаратов «газ – твердые частицы».

Для расчета процессов нагрева или охлаждения в контактных теплообменниках необходимы закономерности теплообмена между газом и одиночной частицей. В случае частиц с малым внутри диффузионным сопротивлением (Bi<0,l) скорость обмена теплом зависит в основном от сопротивления пограничного слоя газа, от его толщины, степени турбулизации и физических свойств. Эти факторы определяются скоростью обтекания газом частицы и соответственно числом Рейнольдса. Теплообмен одиночной частицы с газом рассчитывают по критериальному уравнению:

Nu = 2 + cReтnPrm, (16)

где с, т и п – константы в определенном интервале чисел Reт.

Первый член правой части этого уравнения учитывает кондуктивную составляющую суммарного коэффициента теплоотдачи (она определена из условий теплообмена шаровой поверхности с неограниченной средой). Второй член определяет конвективную составляющую теплообмена.

При рассмотрении теплообмена в реальных теплообменных аппаратах в режиме плотного псевдоожиженного слоя, в потоке газовзвеси гидродинамические особенности процесса не позволяют выявить истинных значений коэффициента теплообмена, найденных для одиночной частицы. Чаще всего приходится иметь дело с усредненными или даже с объемными коэффициентами теплообмена.

При расчете процессов конденсации в контактных теплообменниках - конденсаторах возникают следующие основные задачи: оценка межфазного переноса и переноса тепла в фазах; определение поверхности контакта фаз при различных способах ее формирования; учет неконденсирующихся газов.

Расчету процессов контактной конденсации пара посвящено много работ. Наибольшее внимание в них уделяется конденсации на ламинарных и турбулентных струях (плоских и цилиндрических), а также на каплях. Результаты обычно представляют в виде соотношений для расчета коэффициентов теплоотдачи (в большинстве случаев обобщенных на основе теории подобия) либо в виде соотношений для расчета температурных полей в фазах.

При расчете барометрического конденсатора определяют расход охлаждающей воды, размеры корпуса, число полок, размеры барометрической трубы и количество воздуха, подлежащего откачке вакуум-насосом.

Пренебрегая теплом с уходящим воздухом, расход воды на полную конденсацию пара в однокорпусном конденсаторе определяют из следующего теплового баланса:

, (17)

откуда расход охлаждающей воды W (в кг/с)

где D – количество конденсирующегося пара, кг/с; i – энтальпия пара, Дж/кг; tвн и tвк – начальная и конечная температура воды, °С.

Методы расчета контактных выпарных аппаратов изложены во многих работах [11, 19, 13, 44]. В них использованы методики и соотношения, приведенные с учетом особенностей процессов гидродинамики и тепломассопереноса.

Для расчета контактных выпарных установок необходимо рассмотреть совместно математические модели контактных теплообменников, адиабатных испарителей, вспомогательных элементов и учесть уравнения связей между ними [13].

В контактных теплообменниках типа «газ – жидкость» различают следующие зоны: конденсации пара из парогазовой смеси; испарения жидкости; динамического равновесия (в которой температура жидкости достигает максимального значения – температуры мокрого термометра). При составлении расчетных методик очень важно определение границ этих зон, учет оборотного тепла, переносимого в контактном теплообменнике. Для расчета аппаратов, в которых существует несколько зон, используют графические или графоаналитические методы, которые, однако, недостаточно увязаны с расчетом тепло- и массопереноса в контактных аппаратах, поэтому зачастую неэффективны.

В 3-ем разделе рассмотрена технологическая схема установки и методика проведения исследования для определения параметров движения насадочных элементов.

Основными параметрами, определяющими конструкцию спиральной насадки, являются диаметр основания, высота растянутой спирали, ширина витков, толщина пластины и материал насадки. Производными параметрами являются доля свободного сечения и расстояние между витками. Оптимальной подбор этих параметров обеспечивает равномерное распределение дисперсной фазы и эффективность работы аппарата. Исследования показали характерную для всех колонных аппаратов зависимость гидравлического сопротивления от скорости газового потока, т.е. с увеличением потока газа гидравлическое сопротивление возрастает. Однако значительно больший интерес представляет исследование зависимости гидравлического сопротивления от конструктивных параметров насадки.

Схематическое изображение основной экспериментальной установки показано на рисунке 4 Установка включает в себя кожухотрубный теплообменник-конденсатор 1, испарители 2, газоподогреватель 3, приборы для измерения расхода газа и воды 4, камеру смешения 5, напорный бак 6, насос для циркуляции хладоагента 7, сливной бак 8, поглотительные бачки 9, вакуум- насос 10, а также запорную арматуру, нагревательные элементы, контрольно измерительные приборы и схему автоматического контроля температуры.

1

газ 4 3 5

2 6

нагреватели

10 подпитка

8

7

9

слив

1 - конденсатор, 2 - нагреватель, 3 - испаритель, 4 - газовый счетчик, 5 - камера смешения, 6 - напорный бак, 7 - насос, 8 - сливной бак, 9 - поглотительные бачки, 10 - вакуум-насос.

Рисунок 4 - Схема лабораторной установки

Основным узлом установки является конденсатор, представляющий собой теплообменник типа "труба в трубе", состоящий из двух коаксиально расположенных трубок. Для изготовления внутренних трубок использовали нержавеющую сталь X18Н10Т, также простая сталь Ст.З.

Н2О

2

Н2О

8 7 6 5 4 9

1 - корпyc, 2 - труба, 3 - опора, 4 - микрометр, 5 - втулка, 6 - трубка металлическая. 7 - трубка керамическая, 8 - термопара, 9 - зажим.

Рисунок 5 - Схема измерения толщины пленки по высоте аппарата

Схема измерения толщины пленки конденсата показана на рисунке5.

В качестве неконденсирующегося компонента парогазовой смеси в экспериментальных исследованиях использовали осушенный воздух.

В качестве конденсирующихся компонентов исследовали пары воды и глицерина. Свойства этих веществ и их пары существенно различаются по физическим свойствам.

Глицерин является модельным веществом при исследовании течения конденсатных пленок с вязкостью, сильно зависящей от температуры и меняющейся в широком диапазоне. Кроме того, сильно различаются также температурные диапазоны процессов конденсации паров воды и глицерина

Исследование процесса конденсации именно этих паров позволяет проверить теоретические положения, так как может протекать в различных режимах.

Контрольно-измерительная схема позволяла обеспечить стабильным тепловой режим работы основных узлов установки путем автоматического регулирования рабочих температур газа, смеси паров и охлаждающей воды.

При расчете промышленных конденсаторов в условиях конденсации ненасыщенных парогазовых смесей парциальное давление конденсирующегося компонента смеси, которое не может быть определено по таблицам насыщенного пара или по известному уравнению Клайперона, определяют графическим методом. Таким образом, рассмотренные выше типы конденсаторов обладают рядом определенных достоинств и недостатков, которые существенно ограничивают области их применимости.

Далее приведена методика проведения экспериментов, методика определения температуры насыщения исследуемых паров в опытном конденсаторе, оценка точности методик исследования и ошибок измерения.

В 4-разделе исследовано взаимодействие газа и жидкости в аппарате с регулярными вибрирующими спиральными насадками. Проведенные наблюдения по исследованию гидродинамических режимов работы параметров показали три режима. Как уже отмечалось, серия экспериментов была проведена с целью визуального наблюдения гидродинамической картины течения пленки конденсата по поверхности горизонтальной трубы.

Наблюдали процесс пленочной конденсации пара на наружной поверхности вертикальной трубки в конденсаторе типа "труба в трубе", корпус которого был изготовлен из термического стекла. Диаметр наружной трубы (корпуса) - 93 мм, высота - 700 мм, толщина стенки корпуса -6 мм.

Были проведены эксперименты по определению изменения температуры смеси по высоте конденсатора (рисунки 6, 7).

На рисунке 6 представлены графики изменения температуры смеси по высоте аппарата при различных начальных температурах охлаждающей воды, а на рисунке 7 - при различных расходах подаваемой в конденсатор парогазовой смеси.

  1. 0 - температура воды ТB = 350 К; 2 – - Тв = 330 К; 3 – * - ТB = 310 К.

Рисунок 6 - Зависимость температуры парогазовой смеси по высоте аппарата при различных начальных температурах охлаждающей воды

Полученные кривые характеризуют довольно высокий и равномерный теплосъем по всей высоте теплообменной трубы. Равномерность теплосьема в данном случае обусловлена равномерным изменением градиента температуры между стенкой и смесью по высоте теплообменной трубы. Отметим, что у насыщенной смеси, поступающей в конденсатор, степень насыщения в начальный момент снижается и становится минимальной, а затем начинает увеличиваться. Это положение подтверждается характером изменения температуры точки росы, что также показано на рисунке (данные [90-97]).

1 – ° – расход парогазовой смеси Gm=6,0х10-3 м3/с;

2 - - Gm=4,5 х10-3 м3/с; 3 - * - Gm=1,75 х10-3 м3/с; 4 - ¤ - Gm=1,4 х10-3 м3/с;

Начальная температура воды ТB =285 К; расход воды Gm=2,8 х10-3 м3/с;

Рисунок 7 - Зависимость температуры парогазовой смеси по высоте аппарата при различных начальных расходах парогазовой смеси

Таким образом, температурный перепад на границе раздела парогазовой и конденсированной фаз возрастает с понижением температуры охлаждающей воды. Причем заметный перепад наблюдается только при достаточно большой разнице между температурой подаваемой на конденсацию парогазовой смеси и температурой охлаждающей воды. Значение этого перепада существенно зависит от физических свойств конденсирующегося вещества.

Коэффициент массоотдачи при конденсации также является сложной величиной, так как характеризует не только массоотдачу в парогазовой фазе к поверхности конденсатной пленки, но и интенсивность самого фазового перехода "пар - жидкость".

На рисунке 8 приведены зависимости изменения средних коэффициентов тепло- и массоотдачи при конденсации парогазовой смеси "водяной пар - воздух" от расхода парогазовой смеси.

Расчет коэффициента теплоотдачи при конденсации производили двумя способами: а) по температуре входящей смеси - кривые 7 на рисунке 8; б) по средней температуре парогазовой смеси в конденсаторе - кривые 1 и 2.

1,3- расчет по средней температуре смеси;

2,4 – расчет по начальной температуре смеси;

5,6- расчет при ун = 0,5 и 0,4 соответственно.

Рисунок 8- Зависимость коэффициентов тепло- и массоотдачи при конденсации от расхода парогазовой смеси "воздух-пары воды"

Следующим исследованным режимным параметром является расход охлаждающей воды. Соответствующие результаты исследований показаны на рисунке 9

На этом рисунке представлены экспериментальные зависимости изменения коэффициентов тепло- и массоотдачи в парогазовой смеси от расхода охлаждающей воды. Зависимость 1 построена и рассчитана по средней температуре парогазовой смеси, а зависимость 2 - по начальной температуре смеси на входе в аппарат. При сравнении этих зависимостей можно заметить, что зависимости 1 соответствуют более высокие значения коэффициента теплоотдачи. Из рисунка видно, что наблюдается снижение коэффициента теплоотдачи при возрастании расхода охлаждающей воды. Коэффициент массоотдачи при этом, наоборот, возрастает.

Анализ полученных зависимостей позволяет сделать вывод, что наибольшие значения коэффициента теплоотдачи при конденсации из парогазовой смеси соответствуют раствору охлаждающей воды в диапазоне от 0,076 до 0,126 м3/ч. Следовательно, этот диапазон является наиболее предпочтительным для практики.

Задачей нашей разработки было увеличение теплоотдачи и уменьшение термического сопротивления пленки при конденсации паров вязких жидкостей.

Задача решается тем, что в известном способе теплообмена при конденсации паров вязкой жидкости путем ввода в охлаждающую среду жидкостной добавки в качестве такой жидкостной добавки используют часть жидкого теплоносителя - охлаждающей среды, которую на выходе из аппарата в количестве 15 - 25 % от всего ее количества возвращают в аппарат на расстоянии от входа в аппарат паров вязкой жидкости, составляющем [90]

(18)

где Q - расход охлаждающей среды,

с - теплоемкость охлаждающей среды,

K - коэффициент теплоотдачи через стенку теплообменной трубы к потоку охлаждающей жидкости,

безразмерный температурный напор,

TS - температура насыщенного пара,

T0 - температура охлаждающей среды,

- показатель крутизны вискограммы.

1- расчет по начальной температуре парогазовой смеси;

2- расчет, по средней температуре парогазовой смеси;

3- расчет при начальной концентрации паров воды ун = 0,5 Gm =12,5 м3/ч;

Тт =340 К ; ТВ =290 К.

Рисунок 9- Зависимость коэффициентов тепло- и массоотдачи при конденсации смеси "воздух-пары воды" от расхода охлаждающей воды

На рисунке 10 изображена схема устройства для осуществления способа теплообмена. Причем при горизонтальном расположении оси патрубка подача пара в межтрубное пространство конденсатора плоскость отсчета расстояния Н - это плоскость, в которой расположена ось патрубка подачи пара. При вертикальном расположении патрубка подачи пара плоскость отсчета - это плоскость, в которой расположен нижний торец этого патрубка.

Сущность предлагаемого способа заключается в том, что организуется подвод тепла в зону формирования наплывов (утолщений пленки), в результате происходит увеличение температуры, уменьшение вязкости конденсата, амплитуда наплывов также уменьшается. При этом уменьшается локальная толщина пленки конденсата, значительно снижается термическое сопротивление пленки, и увеличивается теплоотдача.

хладоагент

H

пар

Рисунок 10- Схема устройства для осуществления способа теплообмена при конденсации паров вязкой жидкости

С помощью некоторых преобразований известных дифференциальных уравнений сведены расчеты амплитудно-частотных характеристик вибрирующей пластинчатой насадки, расчеты гидравлического сопротивления аппарата, определение толщины пленки жидкости на поверхности насадки, расчеты количества удерживаемой жидкости и газосодержания аппарата.

В ряде процессов химической технологии применяются аппараты, в которых жидкость движется по поверхности в виде тонких пленок. От характеристик течения пленок, их толщины и скорости движения в значительной мере зависят скорости этих процессов.

Полученные в ходе экспериментальных исследований данные, а также результаты теоретических исследований были использованы для построения обобщенных полуэмпирических зависимостей для расчета интенсивности тепло- и массоотдачи при конденсации [90 – 97].

Основой для обработки данных исследований послужила разработанная блок-схема инженерного расчета. В соответствии с этой схемой расчет выполняется в следующей последовательности.

  1. Исходными данными для расчета являются: расход, температура и давление поступающей на конденсацию парогазовой смеси.
  2. Определяются коэффициенты тепло- и массоотдачи с помощью полученных нами эмпирических зависимостей:

Nu = 677,03 Reos Pr0,43 (Ref +1)0,1 (l – Cdf )1,14, (19)

Sh = 1,09 x 10-5 Re0,8 Sc0,4 (20)

В соотношениях (13) и (14) числа Рейнольдса - Re, Шмидта - Sc и Прандтля - Pr рассчитываются для парогазовой фазы; число Ref - для пленки конденсата; - объемная концентрация паров конденсирующегося компонента в парогазовой cмеси на входе в аппарат.

1.Далее рассчитываются основные температурные параметры процесса.

2.Определяют необходимую поверхность теплообмена по характеристикам интенсивности тепло- и массопереноса:

F = max(FT,Fm), (21)

где

, (22)

. (23)

В соотношениях (16) и (17) jc - массовый расход конденсата; - коэффициент теплоотдачи, рассчитываемый по числу Нуссельта;

- коэффициент массоотдачи, рассчитываемый по числу Шервуда.

Расчет остальных характеристик процесса не представляет принципиальных трудностей.

Заключение. Теплообменные аппараты занимают значительное место в промышленности, поэтому повышение их эффективности является одним из основных факторов интенсификации различных технологических процессов. В химической технологии теплообменные аппараты широко используются как самостоятельные аппараты и как составные устройства сложной химической аппаратуры.

Методы расчета тепло- и масообмена в контактных аппаратах основаны на использовании коэффициентов переноса, коэффициентов эффективности и полезного действия, безразмерных комплексах. Каждая группа методов характеризуется своими особенностями, но все они основаны на эмпирических и критериальных уравнениях.

В качестве определяемых обычно используются числа Нуссельта: тепловое и диффузионное. Коэффициенты тепло- и массообмена в них носят условный характер, зависят от способа определения площади поверхности контакта и движущих сил процесса. Эта условность ограничивает полноту отражения физической сущности процесса и диапазон действия критериальных уравнений. В этой связи можно сформулировать некоторые желательные требования к определяемому числу подобия.

Очевидно, что теория подобия дает много информации, которая облегчает получение расчетных зависимостей. Однако эта информация не является исчерпывающей. Поэтому вид критериальных уравнений и составляющих их чисел подобия во многом зависит от субъективного фактора. Это является одной из причин многообразия рассматриваемых ниже эмпирических зависимостей и методов расчета процессов тепло- и массообмена.

На основании проведенных экспериментальных и теоретических исследований предложена научно обоснованная методика расчета гидродинамических и теплообменных характеристик пленочных конденсаторов трубочного типа применительно к процессам конденсации из запыленных парогазовых смесей.

  • Разработана математическая модель формирования и течения пленки конденсата по охлаждаемым поверхностям различной конфигурации при конденсации парогазовых смесей.
  • Экспериментально установлено, что увеличение концентрации паров на входе в конденсатор способствует быстрому росту толщины пленки конденсата на участке охлаждаемой стенки.
  • Доказано, что на этой эффективной высоте теплообменной трубы температура пленки опускается ниже точки росы, и практически завершается процесс конденсации.
  • Предложена методика расчета кожухотрубных конденсаторов – теплообменников типа «труба в трубе» для процессов конденсации паров.

Тйіндеме

Диссертацияны клемі мен рылымы: Диссертация кіріспеден, 4 блімнен, орытындыдан, олданылан дебиеттер тізімінен жне тіркемеден трады. Диссертация клемін 87 бет мтін, 1 кесте, суреттер жне 11 дана слайдтар райды. Библиографияа 111 атаулар кіреді.

Тбірлі сздері: жылуалмасу, жылуткізгіш, массаалмасу, буды конденсациялануы, бу газ оспалары, жылумассаалмасу аппараты, реттік дірілдегіш спиралды отырысушы блік, отырысушы бліктер арасындаы тік адам, отырысушы бліктер арасындаы радиалды адам, газ аыныны жылдамдыы, спирал орамдарды дірілдеу жиілігі, спирал орамдарды дірілдеу амплитудасы, суландыру тыыздыы, сталынан сйы млшері, газ рамдылыы.

Зерттеу жмыстарыны зектілігі: Диссертацияда ойылан масаттар тиімділігі жоары массаалмастырыш аппаратты жне саптамаларды р трлі амплитудалы – жиілік сипаттамаларын ескере отырып фазаларды зара серлесу процесін есептеу дістерін игеруді арастырады. Газ жне сйыты аппаратты контактілі рылыларындаы бірігіп озалуы жылу- жне массаалмасумен саптамаларды шапшадыымен крделінетін турбулентті шлшемді екі фазалы аын болып табылады. Осы класты жаа аппараттарын нерксіпке ке едіру шін негізгі гидродинамикалы, жылумассаалмасу сипаттамаларын жне ша аулаышты параметрлерін есептеу дістемесін игеру керек.

Техника мен трмыста атты абырамен блінген р трлі сйытар арасындаы жылуалмасу процестер жреді. Жылуалмасу процестері р трлі орталарда жргізіледі: таза заттарда жне трлі оспаларда, жмыс орталарды агрегатты кйіні згеру немесе згерусіз кезінде жне т.с. Осыан байланысты жылуалмасу ртрлі теді жне ртрлі тедеулермен сипатталады.

Сондытан жылуды алмастыруды арапайым жне крделі процестерін ртрлі орталарда зерделеу, тиімділігі жоары аппараттарды, оларды есептеу дістерін игеру зекті ылыми – техникалы проблема болып табылады.

Зерттеуді масаты:

Бу-газ аында суспензияны кпі аысын сипаттауды жне жылу- жне массаалмасу арындылыына сер ету механизміні теориялы негіздерін игеру, сонымен атар бу-газ оспаларды буларын лдірлік конденсациялауа арналан тиімді жылуалмастырыштар – конденсаторларды конструкцияларын ру. Жоарытиімділік аппаратты конструкциясын игеру, ылыми – негізделінген есептеу дісін зірлеу, аппарат жмысын тжірибелі-нерксіптік тексеру.

Зерттеу нысаны: растырылатын массаалмасулы аппараттарды конструкциялары ндірістік талаптарды амту керек, жаашылы, техникалы шешімдері соны болу керек. Дірілдегіш спиралды саптамасы бар аппараттар конструкция бойынша арапайым, сенімді, газ жне сйыты лкен клемін ндеу кезінде жмысты тратылыымен ерекшеленеді. нделетін аындарды серлесу процестерін бейнелеу жне есептеуді игерілген математикалы моделдері теориялы негіздеуді, компьютерлік жне апаратты технологияларыны азіргі талаптарына сйкес.

Зерттеулер жалпы жиынтыында азіргі уаытта зекті перспективті ылыми-техникалы жобаларды дегейіне сйкес болып табылады.

Зерттеу дісі:

Жмыс барысында лдірлік конденсаторларды гидродинамикалы жне жылуалмастырулы параметрлерді есептеуді ылыми негізделінген дістемесі игерілген, ол «быр бырда» трді жне бу-газды оспалардан буларды конденсациялану процестері ту кезінде салындатылатын бырлар тйінімен жылуалмастырыштарды жобалауа бейімделінген.

- озалмалы саптамалары бар массаалмастырыш аппараттарды конструкциясы бойынша азіргі деректерді, гидродинамикалы жне массаалмастыру сипаттамаларын есептеу дістерін талдау жне жалпылау;

- бірфазалы жне екіфазалы аындармен сйірленген шартта дірілдеу жасайтын жйелі орналасан спиралды саптамаларды шкірлеу кезінде йындарды пайда болу, озалу жне зара рекеттеу механизмін анытау;

- сараптамалы аймаыны клемінде йындарды зара рекетесу шарттарында массаалмастырыш аппаратты жмысыны ерекшелігін айындау.

Ламинарлы жне турбулентті режимдерде сараптама абатында бір- жне екіфазалы аындар озалысыны математикалы моделі игерілген.

Алынан нтижелері, оны жаашылдылыы, ылыми жне іс тжірибелік ндылыы:

Спиралды саптаманы дірілдеу жиілігі мен амплитудасына, гидравликалы кедергіге, массаалмасу коффициентіне рылымды жне технологиялы параметрлерді серін зерделеу бойынша эксперименттік деректер алынан. Эксперименттік жне теориялы зерттеулер нтижелері графиктер жне критериалды формулалар трінде крсетілген.

  • Бірфазалы жне екіфазалы аындармен сйірленген шартта дірілдеу озалысын жасайтын жйелі орналасан спиралды саптамаларды шкірлеу кезінде йындарды пайда болу, озалу жне зара рекеттеуді физикалы бейнесі ашылан жне фазаларды зара серлесу арындылыына ммкіндік туызатын бір уаытта йын рылуыны периодтты режимін пайда болуы айындалан;
  • йындарды аныталан зара серлесуді гидродинамикалы задылытарын, саптамалы денелерді озалысы сипатыны серін ескере отырып бірфазалы жне екіфазалы аындардаы жйелі орналасан спиралды саптамаларды кедергісіні коэффициенттерін жне ра жне суландырылатын аппараттарды гидравликалы кедергісін анытау шін есептеік тедеулер алынан, сонымен атар спиралды саптамаларды орамдарыны дірілдеу жиілігі мен амплитудасын анытау шін тедеулер алынан;
  • Саптамалы денелер артындаы йындар озалысыны тратылыы шарттарына, оларды зара серлесуіне, бірдей мезгілде йын пайда болуына жне саптамаларды озалу сипатына арай аппаратты жмыс аймаыны клемінде ткізілетін процестерді е жоары тиімділігіне жеткізетін саптама элементтерін тиімді орналастыру параметрлері аныталан;
  • стап трылатын сйы млшері, рамдаы газ жне гидродинамикалы параметрлерді – гидравликалы кедергіні, кинетикалы энергияны жне турбулентті пульсацияларыны локалды масштабы, газды тиімді ттырлыы шін есептік тедеулер алынан.

Summary

The volume and structure of the dissertation: The thesis consists of an introduction, 4 chapters, conclusions, list of references and applications. Volume of the thesis 87 pages of text, 3 table, 18 figures and slaids. The bibliography includes 111 items.

Keywords: heat transfer, heat transfer, mass transfer, vapor condensation, gas-vapor mixture, heat and mass transfer apparatus, a regular vibrating spiral nozzle, the vertical spacing between nozzles, the radial spacing between nozzles, gas flow rate, the frequency of vibration of spiral turns, the amplitude of vibration of spiral turns, the density of irrigation, number of confined liquid, gas content.

Relevance of the study:

Ruling on theses tasks include the development of highly efficient mass-transfer apparatus and method for calculating the interaction between the phases, taking into account the amplitude-frequency characteristics of the regular spiral vibrating nozzles. Joint motion of gas and liquid contact devices is a three-dimensional turbulent two-phase flow, complicated by heat and mass transfer and mobility of nozzles. For a broad introduction to the industry of new vehicles in this>

Objective:

Development of high-performance machine design with a regular vibrating spiral nozzle, creating a science-based calculation method, experimental-industrial testing of the apparatus.

Object of study:

Design developed by mass-transfer devices must meet operational requirements, be "new, original solutions. Device with a vibrating spiral nozzles is simple in design, reliable, has a stable work when processing a large volume of gas and liquid. The mathematical model for describing and calculating the interaction of processed streams correspond to modern requirements of theoretical validity, computer and information technology.

Develop a set corresponds to the modern perspective of scientific and technological projects that are relevant to the present.

Methods:

- Analysis and synthesis of existing data on the structures of mass-exchange apparatus with movable nozzles, methods for calculating the hydrodynamic and mass transfer characteristics;

- Identification of the mechanism of formation, motion, interaction between vortices in the flow regularly spaced spiral nozzles, the perpetrators of vibration in the flow conditions of single-and two-phase flows;
- Establishment of the features of the mass-transfer apparatus of the Strategic Missile Forces in the vortex interaction in the volume of the packed zone.
Experimental data on the impact of structural and technological parameters on the frequency and amplitude of vibration spiral nozzle, hydraulic resistance, mass transfer coefficients. The mathematical model of the one-and two-phase flows in a layer of attachment in laminar and turbulent regimes.

Results of experimental and theoretical studies presented in graphs and criterion formulas.

The results obtained, their originality, scientific and practical importance:

- Disclosure of a physical picture of the formation, movement and interaction of vortices in the flow regularly spaced spiral nozzles, performing vibratory motion in a single and two-phase flow streams, and revealed the emergence period moving mode of vortex formation at the same time contributing to the intensification of interaction between the phases;

- Based on identified patterns of hydrodynamic interaction between the vortices, the influence of the movement patterns of the packed bodies obtained estimates of the equation for determining the coefficients of resistance regularly spaced spiral nozzles in one-and two-phase flow and hydraulic resistance of dry and irrigated units, as well as to obtain equations to determine the frequency and amplitude of the vibrations of the helical coils nozzles;

- Based on the conditions for stability of the vortices in the packed bodies, the interaction between them, the simultaneity of vortex formation and the movement patterns of nozzles, the parameters of rational distribution of the elements of the nozzle in the working zone of the apparatus at which the greatest effectiveness of the processes;

- The calculated equation for the quantity of retained fluid, gas content and the hydrodynamic parameters – hydraulic resistance, kinetic energy and the local-scale turbulent fluctuations, the effective viscosity of the gas.



 




<
 
2013 www.disus.ru - «Бесплатная научная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.