CC BY
77
УДК 66.021.2.063.8
И. Н. Москалев, Л. Н. Москалев, С. И. Поникаров,
И. И. Поникаров
АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ОХЛАЖДАЮЩЕЙ ЖИДКОСТИ НА ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ КОНТАКТНОГО КОНДЕНСАТОРА ВИХРЕВОГО ТИПА
Ключевые слова: тепло-массообменное устройство вихревого типа, термодинамика модель, моделирующий пакет CHEMCAD 5.2, контактная конденсация, вихревые конденсаторы.
Рассмотрен процесс полной конденсации в тепло-массообменном устройстве вихревого типа. Определена и сравнена энергетическая эффективность предлагаемого аппарата. Определены влияния: температуры охлаждающей жидкости и наличие конусообразного вихревого устройства (КВУ) на производительность. Построены графики: зависимость расхода охлаждающей жидкости от её температуры для конденсации водяных паров, зависимость расхода несконденсированных паров 0Нк от температуры охлаждающей жидкости, изменение энергетической эффективности аппарата в зависимости от температуры охлаждающей жидкости.
Keywords: heat-mass transfer device vortex, thermodynamics model, modeling package CHEMCAD 5.2, contact condensation, vortex
capacitors.
The process of complete condensation in the heat-mass exchange device vortex. Measure and compare the energy efficiency of the proposed system. Determine the impact of: the coolant temperature and the presence of a conical vortex devices (IEDs) on performance. The graphs: the dependence of the flow of cooling fluid on the temperature of the condensation of water vapor, the dependence offlow-condensed vapors GNk the coolant temperature, changing the energy efficiency of the unit, depending on the temperature of the coolant.
Интенсивность тепло- массообменных процессов обеспечивается не только выбором соответствующих гидродинамических режимов работы традиционных аппаратов, но и разработкой нового эффективного оборудования. Для исследований процесса контактной конденсации в вихревых условиях, на кафедре МАХП КНИТУ, разработано тепло- массообменное устройство вихревого типа [1]. Для оценки энергетических характеристик теплоносителей и энергетической эффективности аппарата воспользуемся методами термодинамики.
В настоящее время все большее внимание исследователей уделяется методам компьютерного моделирования, которые позволяют получать подробную информацию об исследуемых объектах при минимальных затратах. В данной статье рассматривается одностадийный процесс тепло-массообмена (конденсация) в контактном аппарате вихревого типа, применительно к воде и водяному пару, которые наиболее часто используются в качестве теплоносителей в энергетике и химической промышленности. Целью настоящей статьи - является определение энергетической эффективности аппарата, влияния температуры охлаждающей жидкости и наличие конусообразного вихревого устройства (КВУ) на производительность. Эксперименты проводились на установке, описанной в [2] по методике [3].
Для расчета стационарных режимов работы предлагаемого аппарата можно использовать математическую модель статики, разработанную М. Л. Мальцевым [4], в которую входят уравнения: материального, энергетического балансов.
О + Ь = Ь (1)
п Ж К х '
Оп • (*"-*ж • сж ) + Овозд • Свозд (*" - *возд ) - (2)
- Ь ■ С (* -* ) - О = 0
ж Ж' к ж / г^п
где Оп, ” - расход и энтальпия поступающего пара, кг/с, Дж / кг ; Ьж, *ж ,сж- расход, температура и удельная теплоемкость охлаждающей жидкости на входе в аппарат, кг / с, К, Дж / кг ■ К ;
Ьк, 1К - расход и температура конденсата на выходе
из аппарата, кг / с , К; Овозд Дод ,Сотд - расход,
температура и удельная теплоемкость воздуха, кг /с, К; ОП - потери тепла в окружающую среду, Вт.
Из уравнения теплового баланса (2) можно определить расход охлаждающей жидкости необходимый для проведения полной конденсации пара в предлагаемом аппарате, уравнение (3):
Ь = Оп (1"-сж • * ж ) - °.п (3)
ж сж ({к - *ж )
Сопоставление экспериментальных данных при постоянном расходе жидкости с расчетными, для полной конденсации, представлено на рис. 1. Плотность орошения при проведении экспериментов была: Ь/О=10.
Рис. 1 - Зависимость расхода охлаждающей жидкости от её температуры для конденсации водяных паров: 1 - эксперимент, 2 - расчет
На графике рис.1 изображены две кривые: кривая 1 - эксперимент, кривая 2 - расчет, характеризующие фазовый переход полностью. Поле, находящиеся ниже теоретической кривой 2 говорит о том, что полная конденсация отсутствует, т. е. в аппарате присутствуют несконденсированные пары. Пересечение кривых 1 и 2 в точке А говорит о минимально возможной подаче охлаждающей жидкости, при которой будет происходить полная конденсация в тепло-массообменном устройстве вихревого типа. Таким образом, процесс конденсации паров зависит как от расхода, так и от температуры охлаждающей жидкости. С повышением температуры охлаждающей жидкости появляются несконденси-рованные пары, расход которых необходимо минимизировать. Для уменьшения расхода несконденси-рованных паров разработано КВУ [1]. В расчете данных паров использовалась термодинамическая модель, синтезированная в универсальном моделирующем пакете СИешСЛЭ 5.2, схема этой модели и математическое описание представлено в [5].
коэффициента эффективности 8 отнесенного к условной начальной разности энтальпий [6].
Є=
Рис. 2 - Зависимость расхода несконденсирован-ных паров вНк от температуры охлаждающей жидкости: 1 - расчет без КВУ; 2 - расчет с КВУ;
О - эксперимент без ВКУ; Д - эксперимент с ВКУ
На рис. 2 представлена температура охлаждающей жидкости при которой появятся неконден-сируемые пары при различных условиях. На этом же графике изображены экспериментальные точки, сопоставленные с расчетными данными - кривые 1 и 2. По данным кривым можно увидеть и оценить расход несконденсированных паров при определенной температуре охлаждающей жидкости. Экспериментальные точки хорошо укладываются на расчетные кривые, что говорит об адекватности модели. При использовании КВУ расход несконденсирован-ных паров становится меньше на 25-30%, что является явным преимуществом перед аналогичным аппаратом без КВУ. Уменьшение расхода несконден-сированных паров при наличии КВУ говорит о том, что давление в аппарате создается выше, чем при отсутствии КВУ. Таким образом, наличие КВУ в контактных вихревых аппаратах повышает его производительность.
Говоря об энергетической эффективности контактных аппаратов, то наиболее целесообразным, из соображений удобства выполнения расчетов, представляется использование энтальпийного
(4)
где 1п - энтальпия водяного пара на входе в аппарат, кДж/кг; I - энтальпия конденсата на выходе
из аппарата, кДж/кг; 1ж - энтальпия воды на входе в аппарат, кДж/кг
По формуле (4) вычислена эффективность аппарата при различных температурах охлаждающей жидкости и построен график изменения к.п.д. рис.3. По графику, виден рост эффективности, изменение которой происходит в зависимости от температуры охлаждающей жидкости. Также на графике показано сравнение эффективности двух аппаратов: - наличие КВУ, - отсутствие КВУ.
Рис. 3 - Изменение энергетической эффективности аппарата в зависимости от температуры охлаждающей жидкости:0 - эксперимент с КВУ;
А - эксперимент без КВУ
При сравнении аппаратов с КВУ и без КВУ наблюдается значительное повышение энергетической эффективности не только за счет начального закручивания о котором говорится у многих авторов [7], но и за счет поддержания крутки потока внутренним закручивающим устройством.
Литература
1. Патент RU 124778 U1 МПК F28B З/08 Москалев Л.Н., Поникаров С.И., Поникаров И.И., Алексеев В.В., 2012
2. Москалев, Л.Н. Описание экспериментальной установки для проведения исследований процесса конденсации в контактно вихревом аппарате / Москалев Л.Н., Поникаров С.И., Поникаров И.И. // Вестник Казанского технологического университета. Т. 14. №14; М-во образ. и науки России, Казан. Нац. Исслед. Технол. Ун-т. - Казань: КНИТУ, 2011. - З18 с.
3. Москалев, Л.Н. Методика проведения экспериментов на установке исследований процесса конденсации в контактно вихревых условиях / Москалев Л.Н., Поникаров С.И., Поникаров И.И. // «Нефть и нефтехимия»: материалы Всероссийской молодежной конференции с элементами научной школы / М-во образ. и науки РФ, Казан. Нац. Исслед. Технол. Ун-т. - Казань: КНИТУ, 2011. - 492 с.
4. Таубман Е.И. Контактные теплообменники / Таубман Е.И., Горнев В.А., Пастушенко Б.Л., Савинкин В.И. -М., Химия, 1987 - 256 с.
ii
пк
ii
пж
5. Ахмадеева Л.Ф. Описание модели тепло-
массообменного устройства вихревого типа в моделирующем пакете CHEMCAD 5.2 / Ахмадеева Л.Ф., Москалев Л.Н., Осипов Э.В., Поникаров И.И. // Вестник Казанского технологического университета. Т. 12. №11; М-во образ. и науки России, Казан. Нац. Исслед. Технол. Ун-т. - Казань: КНИТУ, 2012. - 158 с.
6. Купленов, Н.И. Метод расчета теплообменных аппаратов / Купленов Н.И. // Холодильная техника. Изд. «Пищевая промышленность» 2/1978Т. - 64 с.
7. Валеев С.И. Примеение гидроциклонов для очистки сточных вод в системе оборотного водоснабжения / Валеев С.И., Булкин В.А. // Вестник Казанского технологического университета. Т. 16. №15; М-во образ. и науки России, Казан. Нац. Исслед. Технол. Ун-т. - Казань: КНИТУ, 201З. - 294 с.
© И. Н. Москалев - магистр каф. машин и аппаратов химических производств КНИТУ; Л. Н. Москалев - зав. лаб. той же кафедры, [email protected]; С. И. Поникаров - д-р техн. наук, проф., зав. каф. машин и аппаратов химических производств КНИТУ; И. И. Поникаров - д-р техн. наук, нроф. той же кафедры.
