Научная статья на тему 'Эффективность работы осушителей сжатого воздуха конденсационного типа'

Эффективность работы осушителей сжатого воздуха конденсационного типа Текст научной статьи по специальности «Математика»

CC BY
319
186
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ОСУШИТЕЛЬ / СЖАТЫЙ ВОЗДУХ / КОНДЕНСАЦИЯ / КАНАЛ / МОДЕЛЬ / ТУМАНООБРАЗОВАНИЕ / DEHYDRATOR / COMPRESSED AIR / CONDENSATION / CHANNEL / MODEL / FOGGING

Аннотация научной статьи по математике, автор научной работы — Козлов Владимир Владимирович

Проведено исследование эффективности процесса осушки воздуха в аппаратах конденсационного типа. Выполнен анализ процессов тепло- и массопереноса на основе численного решения системы дифференциальных уравнений в приближении теории пограничного слоя с учетом явления объемной конденсации влаги в потоке осушаемого воздуха. Рассмотрены влияние режимных параметров на соотношение процессов тепло- и массоотдачи, а также вопросы эффективности процесса осушки воздуха конденсацией влаги на основе предельных модельных оценок процесса объемной конденсации.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по математике , автор научной работы — Козлов Владимир Владимирович

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Operational Efficiency of Compressed Air Dehydrators of Condensation Type

The efficiency of air dehydration in condensation type apparatus is studied. Processes of the heat and mass transfer are analyzed on the basis of numerical solving of the differential-equation system in approximation of the boundarylayer theory with consideration for the effect of volume moisture condensation in the dehydrated air flow. The influence of regime parameters on relation between processes of the heat and mass removal as well as issues of efficiency of the process of air dehydration by moisture condensation are considered on the basis of limiting model estimations of the volume condensation process. Refs. 5. Figs. 5.

Текст научной работы на тему «Эффективность работы осушителей сжатого воздуха конденсационного типа»

УДК 629.78.08

В. В. Козлов

ЭФФЕКТИВНОСТЬ РАБОТЫ ОСУШИТЕЛЕЙ СЖАТОГО ВОЗДУХА КОНДЕНСАЦИОННОГО ТИПА

Проведено исследование эффективности процесса осушки воздуха в аппаратах конденсационного типа. Выполнен анализ процессов тепло- и массопереноса на основе численного решения системы дифференциальных уравнений в приближении теории пограничного слоя с учетом явления объемной конденсации влаги в потоке осушаемого воздуха. Рассмотрены влияние режимных параметров на соотношение процессов тепло- и массоотдачи, а также вопросы эффективности процесса осушки воздуха конденсацией влаги на основе предельных модельных оценок процесса объемной конденсации.

E-mail: vladimir.kozlov@enecom.ru

Ключевые слова: осушитель, сжатый воздух, конденсация, канал, модель, туманообразование.

Неотъемлемой и достаточно важной составляющей современной компрессорной станции являются осушители сжатого воздуха, которые по принципу действия делятся на адсорбционные и конденсационные.

Процесс осушки путем конденсации влаги из воздуха на охлаждающей поверхности реализуется в широко известных, так называемых рефрижераторных (холодильных) осушителях. Кроме того, в России в конце ХХв. и начале XXI в. получили распространение конденсационные осушители, выполненные по схеме трубок Фильда (трубка в трубке), размещаемые на открытых площадках рядом с компрессорными станциями. Осушители были разработаны под руководством профессора А.Д. Суслова на кафедре "Криогенная и холодильная техника" МГТУ им. Н.Э. Баумана совместно с ВНИПИпромтехнологии. Простота конструкции и минимальные эксплуатационные затраты принесли заслуженную популярность подобным осушителям в нашей стране.

Итак, способ осушки путем конденсации влаги из потока воздуха на охлаждающей поверхности широко используется в аппаратах современных компрессорных станций. Процессы конденсации паров на охлаждающих поверхностях достаточно хорошо изучены. Однако для целей осушки воздуха в ряде работ еще в 1980-е годы отмечалось такое явление, как объемная конденсация влаги, в том числе в пограничном слое у охлаждающей поверхности осушителей (туманообразование) [1,2]. Было выявлено, что туманообразование может оказывать принципиальное влияние на точность инженерных расчетов теплооб-менных аппаратов (проектные расчеты). Поверочные расчеты осушителей воздуха могут давать значительную погрешность в определении

конечного эффекта осушки воздуха для потребителя. В то же время большинство существующих теорий и методик расчета теплообмен-ных аппаратов-осушителей не учитывают это явление и базируются на допущении полной аналогии процессов тепло- и массопереноса и известном соотношении Льюиса для коэффициентов тепло- и массот-дачи а и в:

а/(вСвл) = 1, (1)

где Свл — удельная теплоемкость влажного воздуха, кДж/(кг-К).

В настоящей работе изложены некоторые аспекты исследования процесса объемной конденсации влаги и их влияние на эффективность процесса осушки воздуха на базе двумерной модели течения осушаемого воздуха в щелевых каналах аппаратов-осушителей, составленной в приближении теории пограничного слоя [3, 4]:

дшх дшх 1 дР д2их

их--+ и,—- =------+ V-

дх у ду р дх ду2 уравнение движения;

дих + ди, = 0

дх ду уравнение неразрывности;

дТ дТ д 2T qT

Wx^~ + Wy — = а—— +--

дх ду ду2 рс

(2)

уравнение энергии;

дтв дтв д2тв j wx —--+ wv—— = D

дх ду ду2 р

— уравнение диффузии, где Р и Т — давление и температура воздуха; их и иу — составляющие скорости вдоль и поперек потока; дт и ]гп — мощность источника теплоты и объемная скорость стока влаги при конденсации в потоке; а и О — коэффициенты температуропроводности и диффузии.

Разработанный автором численный метод решения уравнений тепло- и массопереноса с учетом уравнения линии насыщения влажного воздуха и граничных условий позволяет провести расчеты процессов осушки, сопровождающихся пересыщением воздуха влагой, с помощью двух предельных модельных оценок процесса объемной конденсации [5]: модели насыщения и модели пересыщения. Модель насыщения предполагает, что вся влага, превышающая равновесную, конденсируется мгновенно при малейшем пересыщении. Модель пересыщения допускает, что при любой степени пересыщения вся влага в потоке воздуха в пределах осушителя остается в паровой фазе и

Ah 20 h

Ш 60 h 100 h

0

0,9

1,0

U

1,2 ip

Рис. 1. Изменение степени насыщения влажного воздуха <ф в пограничном слое теплообменной поверхности осушителя

участвует в процессе массопереноса. Конденсация в объеме осушаемого воздуха происходит за пределами аппарата. Необходимость предельных модельных оценок обусловлена неопределенностью членов уравнений энергии и диффузии.

Итак, настоящее исследование процессов в пограничном слое у охлаждающей поверхности осушителя конденсационного типа имеет две цели: проанализировать динамику насыщения охлаждаемого воздуха в пограничном слое у охлаждающей поверхности и выявить условия для объемной конденсации влаги; оценить влияние конденсации влаги в объеме охлаждаемого воздуха на соотношение процессов тепло- и массопереноса к охлаждающей поверхности, рассмотреть вопрос эффективности процесса осушки.

Представленная математическая модель процесса позволяет провести анализ динамики насыщения влажного воздуха по мере его прохождения по щелевому каналу осушителя. Как было отмечено, модель пересыщения предполагает, что в потоке нет условий для объемной конденсации влаги. Тогда численное решение дифференциальных уравнений (2) по модели пересыщения дает эпюры динамики насыщения (степени насыщения ф) по ходу движения осушаемого воздуха

Для проведения анализа процессов тепло- и массопереноса в пограничном слое была рассчитана серия режимов, отличающихся параметрами воздуха на входе в осушитель и температурой охлаждающей поверхности осушителя. В качестве основного был рассчитан режим, наиболее характерный для условий работы осушителей: температура воздуха на входе в осушитель составляет 298 К и относительная влажность ^ = 95 %. Температура охлаждающей поверхности при этом не должна быть ниже 273 К из соображений обмерзания.

Как следует из рис. 1, зона пересыщения возникает уже в начале канала, именно в пограничном слое у охлаждающей поверхности, и

(рис.1).

0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 xp 0,85 0,90 0,95 1,00 1,05 ip а б

Рис. 2. Изменение степени насыщения влажного воздуха для = 75 % (а) и для Тпов = 288 K (б)

значение пересыщения достигает 30 %. При этом основной поток остается еще не насыщенным. Далее зона пересыщенного влагой воздуха развивается вместе с развитием пограничного слоя и на расстоянии 20-кратного размера щелевого зазора заполняет весь щелевой канал.

Расчеты режимов осушки, проведенные при различных исходных параметрах, выявили зависимость степени пересыщения от начальной относительной влажности и температуры охлаждающей поверхности. При относительной влажности на входе 75 % (рис. 2, а) степень пересыщения в пограничном слое еще не превышает и 10 %, а пересыщение по всему зазору щелевого канала наступает лишь на расстоянии 100-кратного размера щелевого зазора. На рис.2,б показаны эпюры пересыщения для начальных условий основного расчетного режима (см. рис. 1), но с температурой поверхности 288 К. Расчеты показывают, что при дальнейшем снижении начальной относительной влажности осушаемого воздуха или перепада температур воздуха и охлаждающей поверхности наступают режимы, при которых пересыщение в пограничном слое полностью исчезает.

Таким образом, численным исследованием установлено, что пересыщение воздуха влагой в пограничном слое у охлаждающей поверхности возникает при вполне определенных соотношениях температуры, влажности осушаемого воздуха и температуры теплообмен-ной поверхности аппаратов конденсационного типа. Проанализируем влияние эффекта конденсации влаги в потоке осушаемого воздуха на соотношение процессов тепло- и массоотдачи к охлаждающей поверхности осушителя.

В результате расчета процесса осушки по модели насыщения выявили, что в зонах пересыщения происходит значительная деформация эпюр температур и концентраций влаги вследствие объемного стока влаги в виде тумана и выделения теплоты фазового перехода. Установлено, что конденсация влаги в пограничном слое приводит к увеличе-

Nu/Nuü

Модель

насыщения Модель

пересыщения

/

Nuj^ /NU^ i t

70

80

60 70 80 90 (рвх, %

Рис. 3. Влияние начальной относительной влажности на соотношение

Ш/Шя

90 w %

Рис. 4. Увеличение теплоотдачи Nu/Nu0 и уменьшение массоотдачи Nu/NuD при увеличении начальной относительной влажности ^вх

нию теплоотдачи и снижению массоотдачи к охлаждающей поверхности. Соотношение локальных значений критериев тепло- и массотдачи Ки и Ки^ при этом достигает 1,7 и существенно отличается от соотношения Ки^= 1,0, вытекающего из аналогии процессов тепло-и массопереноса. Расчеты среднеинтегральных для щелевого канала длиной 100^ значений соотношения Ки и Ки^ (рис. 3 и 4) демонстрируют суммарный эффект увеличения теплоотдачи и снижения массоотдачи (влагоотдачи) за счет объемной конденсации влаги в потоке осушаемого воздуха.

Здесь необходимо обратить внимание на то, что настоящее заключение не подвергает сомнению общепризнанную аналогию процессов тепло- и массопереноса, а лишь уточняет, что тепло- и масо-отдача на охлаждающей поверхности осушителей конденсационного типа должна иметь некоторую корректировку ввиду наличия условий для объемной конденсации влаги.

Обобщая приведенное теоретическое исследование, можно оценить влияние основных параметров процесса (начальную относительную влажность и температуру охлаждающей поверхности) на суммарную эффективность процесса осушки воздуха в аппаратах конденсационного типа. Эффективность предлагается рассматривать как отношение количества конденсирующейся на поверхности осушителя влаги в единицу времени к общему количеству конденсирующейся в аппарате влаги в процессе охлаждения с учетом туманообразования:

Е =

Мп

М

пов + Мтум

Как видно на рис. 5, эффективность осушки воздуха конденсацией влаги может снижаться на 30% и более за счет объемной конденсации влаги, если придерживаться модели насыщения. Реальная же

Модель Модель

насыщения пересыщения

Рис. 5. Влияние начальной относительной влажности воздуха (а) и температуры охлаждающей поверхности (б) на эффективность процесса осушки Е

эффективность процесса осушки лежит между двумя предельными модельными оценками процессов тепло- и массопереноса ввиду наличия нескольких причин: недостаточное число центров конденсации в потоке осушаемого воздуха, вследствие чего не все количество влаги, превышающее равновесное, будет успевать конденсироваться в объеме в пределах осушителя, может сохраняться некоторое пересыщение; возможность инерционного осаждения образовавшегося тумана на теплообменной поверхности осушителя (процесс мало изучен).

Заключение. Таким образом, в рамках приведенного теоретического исследования, выполненного на базе численного решения математической модели процессов тепло- и массопереноса у охлаждающей поверхности осушителя конденсационного типа, проведен анализ динамики насыщения осушаемого воздуха в пограничном слое, выявлены условия для объемной конденсации влаги. Кроме того, проведен анализ влияния конденсации влаги в объеме охлаждаемого воздуха на соотношение процессов тепло- и массопереноса к охлаждающей поверхности. Выполнена оценка эффективности процессов осушки воздуха на базе двух предельных модельных оценок процесса конденсации.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Гоголин А. А. Осушение воздуха холодильными машинами. - М.: Гостор-гиздат, 1962. - 103 с.

2. А м е л и н А. Г. Теоретические основы образования тумана при конденсации пара. - М.: Химия, 1972. - 304 с.

3. ШлихтингГ. Теория пограничного слоя. - М.: Наука, 1974. - 711 с.

4. Патанкар С. Численные методы решения задач теплообмена и динамики жидкости. - М.: Энергоатомиздат, 1984. - 150 с.

5. Напалков Г. Н. Тепломассоперенос в условиях образования инея. - М.: Машиностроение, 1983. - 190 с.

Статья поступила в редакцию 15.06.2011

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.