CC BY
20Процессы и аппараты
УДК 66.0
Andrey А. Gulumyan, Aleksandr N. Verigin, Nikolay A. Nezamaev
EFFECTIVE STEAM CONDENSATION APPARATUS
St Petersburg State Institute of Technology (Technical University), St Petersburg, Russia. [email protected]
The results of the rationale for the choice of the design of the apparatus for the condensation of steam (condenser) in relation to the process of oil and gas processing are presented. The high thermal efficiency of the proposed apparatus from the refrigerant (revolving water) is shown.
Keywords: heat exchange, heat transfer, surface, tube, apparatus, stirring, power, energy dissipation rate.
001: 10.36807/1998-9849-2020-57-83-59-67
Введение
Проектирование конденсатора начинается с определения условий протекания процесса с учетом возможных физических, тепловых и экономических ограничений для выбора его типа, который становится объектом расчета для определения размеров или производительности.
Выбор приемлемого типа включает анализ некоторого числа противоречивых требований. Основные факторы, определяющие тип конденсатора, зависят от того, является ли конденсация полной или частичной, происходит или конденсация однокомпонентных веществ или многокомпонентных, имеются ли неконденсируемые компоненты. Охлаждающим теплоносителем (хладагентом) в нашем случае является оборотная вода. На выбор типа конденсатора также влияют дополнительные требования по переохлаждению конденсата.
Анализ работы конденсаторов
Можно выделить три основных типа таких аппаратов: с конденсацией в трубах, с конденсацией в межтрубном пространстве и конденсаторы смешения. Выбор типа определяется следующими соображениями [1]:
- при высоком давлении пар лучше всего использовать в трубах, толщина стенок которых зависит от давления;
- при конденсации паров, вызывающих коррозию, требуется применение специальных или дорогих сплавов. Поэтому нахождение пара в трубах позволит избежать изготовления дорогостоящих кожухов и очищать поверхности непосредственно конденсатом;
- отработанный пар (основная причина образования отложений) лучше всего размещать в трубах с целью облегчения очистки;
- при высоких температурах возникают две основные проблемы: разработка конструкции и надежность кожуха, если конденсация происходит в
3:66.047
Гулумян А.А., Веригин А.Н., Незамаев Н.А.
ЭФФЕКТИВНЫЙ АППАРАТ ДЛЯ КОНДЕНСАЦИИ ПАРА
Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет), Санкт-Петербург, Россия. [email protected]
Приведены результаты обоснования выбора конструкции аппарата для конденсации пара (конденсатора) применительно к процессу переработки нефти и газа. Показана высокая тепловая эффективность предлагаемого аппарата со стороны хладагента (оборотной воды).
Ключевые слова: теплообмен, теплопередача, поверхность, труба, аппарат, перемешивание, мощность, скорость диссипации энергии..
Дата поступления - 6 апреля 2021 года
межтрубном пространстве, и похожая проблема для трубной решетки, и крепления труб, если конденсация протекает в трубах;
- при конденсации многокомпонентных смесей, имеющих значительную разницу в температурах насыщения компонентов, и при наличии растворимых газов возникает необходимость в контроле состава конденсата и парового потока, для того чтобы обеспечить возможность конденсации низкокипящих компонентов при очистке. Наилучшим образом контроль осуществляется при конденсации в трубах, поскольку при конденсации в межтрубном пространстве конденсат срывается с охлаждающих поверхностей и смешивается с паром;
- сдувка неконденсируемых компонентов более эффективно осуществляется при конденсации в трубах.
При дальнейшем выборе конструкции аппарата примем, что конденсация осуществляется в трубах. Пар конденсируется на стенке трубы в виде пленки и стекает вниз. В конце зоны конденсации образуется смесь пара и неконденсируемых компонентов, и ниже этой зоны конденсат переохлаждается. При изменении нагрузки конденсатора соотношение между концентрацией пара и неконденсируемых компонентов (и, следовательно, между зонами конденсации и переохлаждения) будет изменяться. Регулирование давления осуществляется изменением содержания неконденсируемых газов. Если неконденсируемых газов в поступающем паре недостаточно, чтобы снизить нагрузку, то добавляется инертный газ или воздух при поддержании в конденсаторе вакуума.
Подобные конденсаторы имеют много преимуществ, так как конденсат постоянно контактирует с холодными стенками и с паром. Это обеспечивает конденсацию смесей с широким диапазоном температур кипения компонентов. Конденсат омывает все поверхности, что в определенных ситуациях снижает коррозию.
Достигаются достаточно высокие коэффициенты переохлаждения, причем их можно рассчитать.
Недостатки конструкции заключаются в том, что при длительной эксплуатации теплообменных устройств в результате коррозии материала труб увеличивается вероятность начала инкрустации, что приводит к необходимости устранения образовавшихся наростов, либо установки новых теплообменных устройств. Неизбежны длительные остановки технологического процесса и снижение его производительности. Основной путь устранения образований - это повышение скорости теплоносителя вблизи теплообменных устройств, что можно достичь двумя способами.
Во-первых, можно использовать
высокопроизводительные насосы, установленные на входе в теплообменный аппарат. В этом случае значительно возрастают эксплуатационные расходы, увеличивается расход теплоносителя. Из-за конструктивных и технологических ограничений не представляется возможным реализовать поставленные цели, тем более, когда речь идет о процессах конденсации, которых в переработке нефтепродуктов большое множество.
Во-вторых, можно непосредственно в межтрубное пространство теплообменного аппарата установить механическое перемешивающее устройство, которое будет обеспечивать высокую скорость теплоносителя вблизи теплообменной поверхности. При этом удается повысить общую эффективность теплообмена, исключить образование отложений на теплообменных поверхностях. Самый простой путь — это использовать стандартный аппарат с механическим перемешивающим устройством, снабженный змеевиками [2-5].
Однако, такая конструкция имеет и недостатки. Для интенсификации теплообмена требуется создание высокой скорости течения жидкости в каналах, образуемых змеевиками. Гидравлическое сопротивление каналов больше, чем сопротивление центральной части аппарата, не занятой змеевиками. Поэтому часть жидкости, приводимой в движение мешалками, будет циркулировать в центре аппарата и не попадет в зону между змеевиками. Первый ряд змеевиков экранирует часть объема у аппарата от воздействия мешалок и не позволяет создать оптимальную гидродинамическую обстановку. Это приводит к образованию застойных зон в районе размещения змеевиков. Возникают благоприятные условия для начала инкрустации.
В аппаратах цилиндрической формы с несколькими змеевиками гидродинамическая обстановка также является неудовлетворительной. Двухъярусное перемешивающее устройство пропеллерного типа, которым снабжен аппарат, создает преимущественно осевые токи жидкости.
Первый ряд змеевиков навит неплотно, и не может служить в качестве направляющей трубы. Эти причины снижают эффективность действия мешалки, как устройства создающего осевую циркуляцию среды. Аппараты подобной конструкции не обеспечивают равенство скоростей жидкости в периферийных каналах [6]. Более того, в каналах, образованных змеевиками может существовать как восходящее, так и опускное движение среды. Осевая скорость при
установившемся течении среды непрерывно изменяется от центра к периферии, как по величине, так и по направлению. Неизбежно должны существовать каналы, где она практически равна нулю. Поэтому в аппаратах с цилиндрическим корпусом и несколькими змеевиками, не исключено образование застойных зон.
Можно выделить следующие основные недостатки существующих конструкций аппаратов с механическими перемешивающими устройствами, как теплообменников:
- непредсказуемая гидродинамическая обстановка и возможность образования застойных зон;
- невозможность отделения и быстрого вывода из аппарата газообразных продуктов разложения, что ухудшает условия работы перемешивающих устройств и не позволяет рационально использовать рабочий объем аппарата;
- низкая эффективность теплообмена;
- трудоемкость чистки, ремонта и замены теплообменных устройств.
Очевидно, что в аппаратурном оформлении конденсации необходимо учитывать не только ее особенности, но и особенности теплообмена как такового [7]. Необходимо детальное изучение технологического процесса, протекающего в аппарате, установление его механизма и физико-химических особенностей. Только в этом случае представляется возможным выбрать способ интенсификации теплообмена в изучаемом аппарате и повысить его производительность без увеличения геометрических размеров.
Кроме спиральных змеевиков известны также змеевики вертикального типа [4]. Змеевики, выполненные в виде вертикальных перегородок, обеспечивают интенсивность теплообмена на 15 % выше и требуют 75 % расхода энергии по сравнению со спиральными змеевиками в одинаковых условиях, однако, поскольку радиус изгиба трубы ограничен (Си = СТ2,5) такие змеевики не позволяют развить достаточно высокую поверхность теплообмена.
Наряду с этим встречаются аппараты, в которых поверхность теплообмена выполнена в виде встроенного кожухотрубчатого теплообменника [7]. Существуют аппараты также и с выносным теплообменником [4]. Размещение перемешивающего устройства в центральной циркуляционной трубе, вокруг которой располагается теплообменник, так же, как и в случае установки многорядных змеевиков, приводит к формированию центрального и периферийных каналов, образованных трубками теплообменника. Основным преимуществом данного типа аппаратов является относительно высокое значение удельной поверхности теплообмена (//I/ = 37,5 м2/м3), однако при более низкой её эффективности чем в аппаратах со змеевиками [8].
Возможности увеличения теплового потока за счет увеличения движущей силы теплопередачи ограничены. Большинство процессов наиболее оптимально протекает в изотермических условиях. Местные разогревы и переохлаждения, возможные при значительной разности температур среды и теплопередающей поверхности, влияют отрицательно.
В случае конденсации существует дополнительная причина, ограничивающая
возможности увеличения движущей силы - опасность инкрустации поверхности теплообмена. Увеличение количества отводимого тепла может быть осуществлено за счет развития теплообменной поверхности. Однако, в некоторых случаях это приводит к уменьшению скорости циркуляции и падению коэффициента теплоотдачи [9, 10, 11]. Кроме того, падение средней скорости потока жидкости, а также уменьшение ее локальных скоростей вблизи поверхности теплопередающих устройств также может стать причиной более интенсивного проявления инкрустации. Увеличить скорость среды относительно поверхности теплопередающих устройств и повысить интенсивность теплопередачи можно за счёт увеличения частоты вращения мешалки, но это может приводить к таким нежелательным явлениям, как образование воронки и подсос воздуха на поверхности жидкости.
Способы интенсификации теплообмена в аппаратах с мешалками
Оптимальной будет конструкция аппарата, удовлетворяющая наибольшему числу особенностей рассматриваемого процесса. Поэтому необходимо рассмотреть способы интенсификации теплообмена в аппаратах с различными типами мешалок и теплообменных устройств.
Принято различать быстроходные и тихоходные мешалки. К быстроходным мешалкам относятся пропеллерные и турбинные различных конструкций, а также специальные виды мешалок, например, дисковые, лопастные, фрезерные [11]. Результаты исследования гидродинамических условий в аппарате, возникающих при использовании быстроходных мешалок показывают [3, 10], что в объеме аппарата можно выделить две зоны: зону около мешалки, в которой происходит наиболее интенсивное перемешивание жидкости, и зону циркуляции, в которой перемешивание является слабым и жидкость имеет меньшие скорости [3]. Используются различные приемы, приводящие к увеличению пространства, занимаемого мешалкой. Так на шарнирно закрепленном валу устанавливают несколько мешалок, или используют планетарные мешалки [3]. В аппарате размещают перегородки, направляющие элементы, местные сопла, которые способствуют интенсификации крупномасштабной циркуляции. В аппарате наблюдается незначительная скорость диссипации энергии не более одного Вт на один килограмм обрабатываемой среды, которая неравномерно распределена по его объему (до 20 % энергии рассеивается в области мешалки, 50 % в потоке от лопастей и 30 % в остальном объеме).
При перемешивании высоковязких жидкостей используются тихоходные мешалки [10]: скребковые, ленточные, рамные т.д., которые сравнимы с размерами аппарата. Они обеспечивают более равномерное распределение подводимой энергии в объеме аппарата, но и в этом случае не удается получить большую скорость диссипации энергии.
Кроме указанных типов, определенное распространение получили также вибрационные мешалки. Особенность данного типа перемешивания связана с генерацией мелкомасштабных потоков в результате механических (крутильных или
поступательных) колебаний перемешивающего органа. При этом достигается хорошая равномерность диссипации подводимой энергии в объеме обрабатываемой среды [12]. Вибрационные мешалки обычно выполняются в виде диска с отверстиями специальной формы (для поступательных колебаний) либо в виде диска с лопастями (для крутильных колебаний). Однако создание общей циркуляции в этом случае затруднено. Для создания циркуляции, как правило, требуется использование нескольких вибраторов, либо вращающейся мешалки. В результате возрастает сложность конструкции привода, что является главным недостатком подобных аппаратов.
Для проведения процессов, требующих чрезвычайно интенсивного перемешивания, применяются роторно-пленочные аппараты [13, 14]. Их перемешивающий орган (ротор) представляет собой вал с закрепленными лопатками (лопастями). Перемешивающее воздействие оказывается на среду, распределенную в виде тонкой пленки между стенкой корпуса и лопастями ротора. При этом достигаются хорошая равномерность диссипации подводимой энергии и высокая скорость теплообмена.
Способы интенсификации теплообмена в аппаратах с мешалками
Интенсивное перемешивание возможно и в роторно-пульсационных аппаратах [15]. Обработка жидкости осуществляется при ее прохождении в узком кольцевом зазоре между вращающимися и неподвижными коаксиальными цилиндрами, стенки которых снабжены прорезями. В обрабатываемой среде возникают большие сдвиговые напряжения и потоки циркуляции на уровне вихрей микро размера. При работе роторно-пульсационных аппаратов возможна реализация режима автоколебаний, выражающиеся в пульсации скоростей и давления в обрабатываемой среде, и интенсивность перемешивания резко возрастает
Общим недостатком роторно-пульсационных и роторно-пленочных аппаратов является малый объем обрабатываемой среды по сравнению с объемом всего аппарата. В них сложно управлять временем перемешивания и варьировать воздействие на среду при обработке. Близкими к ним по конструкции и воздействию на обрабатываемую среду являются роторные аппараты [13]. Перемешивающее устройство в них представляет собой цилиндрический либо дисковый ротор. Рабочая зона роторных аппаратов так же представляет собой кольцевой зазор между корпусом и ротором, относительный размер которого существенно больше, чем у пленочных и пульсационных аппаратов. При вращении цилиндрического ротора в зазоре формируется интенсивное окружное течение среды с большими сдвиговыми напряжениями. Вводимая механическая энергия рассеивается в рабочей среде равномерно, что способствует ее хорошему перемешиванию. В целом же такой аппарат способен работать в условиях, близких к идеальному вытеснению.
Аппараты с гладким ротором используют для перемешивания с целью интенсификации теплообмена [16]. В этом случае вращение ротора обеспечивает не только увеличение коэффициента теплопередачи, но и
закручивает среду, вызывая большие напряжения сдвига, и тем самым препятствует ее налипанию на стенки корпуса. Используя достаточный зазор между поверхностью корпуса и ротора, оказывается возможным разместить на поверхности ротора различные элементы, формирующие поток в аппарате. Разработан аппарат [17] для растворения порошкообразных материалов, ротор которого снабжен винтовым профилем. При вращении он создает восходящий поток жидкости вдоль поверхности ротора. Этот поток увлекает частицы со дна аппарата. Вдоль стенки корпуса сохраняется развитая циркуляция жидкости, благодаря которой происходит быстрое растворение твердой фазы.
Разработаны конструкции роторных аппаратов, где ротор формирует зоны с различными гидродинамическими условиями. Известен аппарат [18], ротор которого состоит из набора усеченных конусов особой формы и обеспечивает различную интенсивность перемешивания по высоте аппарата, что позволяет улучшить условия теплообмена. Интенсификация переноса в роторных аппаратах может достигаться также за счет сообщения ротору продольных колебаний [19].
При обработке систем жидкость твердое проявляется важное свойство гидродинамики роторных аппаратов. Как показывают исследования закрученных потоков [20] при определенных условиях в них формируется устойчивый слой с высоким содержанием твердой фазы, в котором частицы взаимодействуют между собой и сплошной фазой и практически не взаимодействуют со стенкой аппарата. Однако наблюдается значительный рост теплоотдачи, чему способствует концентрация твердой фазы вблизи стенки аппарата. В аппаратах других типов этого эффекта добиться крайне сложно.
Благодаря достаточному рабочему объему и возможности управлять скоростью диссипации энергии в нем, роторные аппараты позволяют варьировать воздействие на среду при обработке, обеспечивают заданное время пребывания компонентов. Реактор с ротором позволяет за наименьшее время получить кинетические данные при исследовании гетерогенных каталитических реакций с высокой активностью катализатора [21].
Перспективными представляются аппараты со специальным перемешивающим устройством и с вертикальными теплообменными устройствами (рис. 1), где четко выделены зона перемешивания вблизи мешалки и зона теплообмена в виде равномерно распределенных по ее объему вертикальных теплообменных устройств [22]. При этом площадь теплообмена увеличивается не более чем на 15 %, а занимаемый устройствами объем не превышает 25 % от рабочего объема аппарата.
Факторы, влияющие на теплообмен при перемешивании
Приведенный краткий анализ показывает, что в области перемешивания жидких сред исследования направлены на совершенствование отдельных элементов имеющихся аппаратов [23]. Большое внимание уделяется изучению теплообмена при перемешивании [24-27]. Интенсифицировать теплообмен можно или за счет увеличения частоты
вращения мешалки, или за счет увеличения поверхности теплообмена. Применение змеевиков [9] не позволяет полностью решить задачу интенсификации теплообмена.
Осредненное течение жидкости в значительной степени оказывает влияние на формирование пограничного ламинарного слоя, в пределах которого сосредоточено основное термическое сопротивление теплоотдачи.
Турбулентное движение жидкости, каковым оно является в аппарате с мешалкой, по своей природе диссипативно [24], и для его поддержания требуется непрерывный подвод механической энергии. Чем выше скорость жидкости относительно теплопередающих устройств и чем больше общая поверхность теплопередающих устройств, тем больше гидравлическое сопротивление циркуляционного контура и больше требуется подводить энергии [25]. Поэтому в аппарате со встроенной поверхностью теплообмена величина удельной вводимой мощности должна определять интенсивность теплоотдачи. Это подтверждается посвященные этому вопросу исследования [26].
В случае проведения теплообмена применение повышенных скоростей вращения мешалки нежелательно. Тот факт, что величина коэффициента теплоотдачи не прямо связана с частотой вращения мешалки, а только через подводимую к системе энергию, наводит на мысль об использовании для поддержания высокой скорости циркуляции жидкости мешалок значительных геометрических размеров [28]. Например, лопастной или листовой мешалки, имеющей высоту больше или равную диаметру. При использовании таких мешалок передача энергии и создание требуемой гидравлической обстановки достигается не за счет сообщения высокой скорости относительно небольшой массе жидкости в области мешалки, а за счет увеличения массы жидкости, одновременно вовлекаемой в движение.
Передача энергии к среде осуществляется при меньшей скорости лопасти относительно среды и отрицательное действие на перемешиваемую среду (теплоноситель) меньше. Применение листовой мешалки позволяет при частоте вращения в 3-6 раз меньшей, по сравнению с другими типами перемешивающих устройств, вводить в единицу времени одинаковое количество энергии и обеспечить тем самым необходимый теплосъем с перемешиваемого объема. При одинаковой же частоте вращения, если учесть, что а~(Л/У)0,25, следует ожидать большего по сравнению с пропеллерной или турбинной мешалками коэффициента теплоотдачи в 1,3-1,6 раза. Радиально-лопастная мешалка создает преимущественно окружную циркуляцию среды. При таком направлении течения жидкости теплообменные устройства могут быть выполнены в виде вертикальных труб для реализации наиболее эффективного с точки зрения теплообмена их поперечного обтекания.
Рис. 1. Аппарат с перемешивающим устройством и вертикальными теплообменными элементами: 1 - мешалка; 2 - корпус; 3 - распределительная камера; 4 - днище; 5 -теплообменные элементы.
Трубы располагаются в шахматном порядке, что не препятствует циркуляции жидкости в зонах, удаленных от мешалки. Имея значительную высоту, листовая мешалка заставляет теплоноситель вращаться практически по всему объему аппарата. Установка вертикальных устройств, препятствующих ее вращению, приводит к тому, что три пространственные составляющие скорости становятся соизмеримы.
Во всем объеме аппарата создается приблизительно одинаковая гидродинамическая обстановка. Наблюдаются условия наиболее эффективного использования вводимой в перемешиваемый объем энергии для интенсификации теплоотдачи. Теплообменные устройства могут быть выполнены либо в виде змеевиков вертикального типа, либо в случае необходимости достижения высокой компактности теплообменного устройства в виде вертикальных труб, которые собираются в отдельные блоки, устанавливаемые на крышке или днище аппарата. Схема конструкции аппарата приведена на рис. 1. Назначение штуцеров: А - подвод пара; Б - отвод конденсата; В -подвод воды; Г - отвод воды; Д - для термопары.
В случае обработки неагрессивных сред, когда срок службы теплообменных устройств почти сравним со сроком службы корпуса, трубы могут быть установлены непосредственно на днище (крышке). Собранные в блоки трубы могут быть соединены как последовательно, так и параллельно (рис. 2). Сами блоки могут быть, также соединены в любом порядке. Порядок их соединения зависит от требуемой величины движущей силы процесса теплопередачи, расхода хладагента и характеристик, используемых для перекачивания хладагента, насосов. В случае параллельного соединения труб конструкция блока разборная, что позволяет при необходимости осуществлять периодическую чистку внутренней поверхности труб.
а б
Рис. 2. Теплообменное устройство: а - последовательное
соединение; б - параллельное соединение.
Замена блока (рис. 2) на новый блок не требует полной разборки аппарата, может быть проведена без длительной остановки технологического процесса. Работа каждого отдельного блока может быть организована независимо от остальных. В этом случае при работе большинства блоков в режиме охлаждения среды, в одном из них возможно осуществление "теплового удара" - кратковременной подачи горячей воды для устранения с поверхности возможной инкрустации.
В случае параллельного соединения труб каждый блок состоит из раздающего и сборного коллектора. Проточная часть, образуется кольцевыми каналами между внешними и внутренними трубами.
Одним из условий эффективной работы теплообменных аппаратов коллекторного типа является обеспечение равномерного распределения потока по каналам проточной части. Принципиально возможны следующие способы улучшения распределения теплоносителя по каналам проточной части коллекторных теплообменников: увеличение геометрических размеров коллекторов; искусственное увеличение сопротивления трубной части путем установки дроссельных устройств и профилирование коллекторов Гидравлическая неравномерность в коллекторных теплообменниках возникает лишь в том случае, когда перепады давления по длине коллекторов соизмеримы с сопротивлением трубной части. Так как перепад давления в коллекторах пропорционален скоростному напору на входе (выходе) из коллектора, неравномерность раздачи потока по трубной части может быть сведена к минимуму, если сечение коллектора выполнить достаточно больших размеров. Практически это достигается при отношении поперечного сечения коллектора к суммарной площади проходного сечения трубного пучка 2-3 раза.
Пилотная установка
Аппарат (рис. 1) обладает преимуществами одновременно имеющих свободный уровень жидкости и полностью заполненных аппаратов. Наличие свободного уровня жидкости позволяет выводить пары
или образующиеся в его объеме газы. Нет контакта среды с парой трения вал-уплотнение.
При обтекании шахматного пучка труб водой [28] (ке = 104) значение числа Нуссельта находится в пределах 150-180. При дополнительных затратах энергии на преодоление гидравлического сопротивления и повышении скорости жидкости до 10 м/с значение числа Нуссельта достигает 800.
В аппарате с вертикальными теплообменными устройствами образование воронки и абсорбция воздуха над поверхностью жидкости отсутствуют. Это увеличивает возможности введения в перемешиваемую среду механической энергии, способствующей поддержанию высокой скорости жидкости относительно поверхности труб, что особенно важно при проведении высоко экзотермических процессов.
Теоретические основы расчета теплообмена в аппаратах с вертикальными теплообменными устройствами были рассмотрены ранее [29]. Экспериментальные исследования проводились с целью оценки влияния теплоотдачи от конструктивных и режимных параметров с учетом неравномерности диссипации энергии по радиусу и высоте аппарата с вертикальными теплообменными элемента [30]. Характеристики исследованных аппаратов представлены в таблице 1
Таблица 1. Характеристики исследуемых аппаратов
№ D, мм V, м3 n, шт. dm, мм
п/п
А1 295 20x10-3 110-236 10
А2 345 30x10-3 36 20
А3 600 115x10-3 140 25
Геометрические размеры исследованных перемешивающих устройств приведены в таблице 2.
Таблица 2. Размеры/ перемешивающих устройств (л -
Обозначение Л1 Л2 Л3 Л4 Л5 Л6 Т1 Т2
D, мм. 120 120 120 120 120 200 100 120
h, мм. 200 100 50 150 100 230 20 25
k, шт. 4 4 4 4 2 4 6 6
Цель экспериментальных исследований по теплоотдаче состояла в том, чтобы оптимизировать некоторые геометрические размеры перемешивающих и теплообменных устройств. При оптимизации необходимо было как можно больше снизить неравномерность гидродинамической обстановки и тем самым способствовать приближению действительных значений коэффициентов теплоотдачи к теоретически возможным значениям. Анализ поля скоростей жидкости, создаваемого различными типами перемешивающих устройств, свидетельствует о более равномерном распределении энергии по объему аппарата при установке мешалок, имеющих большую высоту.
Рис. 3. Зависимость коэффициента теплоотдачи а от удельной вводимой мощности N/V; мешалки: 1 - Л1; 2 - Л2; 3 - Л3; 4 - Т1; количество труб - 230; обрабатываемая среда -вода
При установке мешалок Л1 и Л2 (рис. 3) при любом числе труб коэффициенты теплоотдачи несколько выше, чем при установке мешалок, имеющих меньшие геометрические размеры (Л3, Т1). При размещении мешалки Л1 у дна аппарата снижения величины коэффициентов теплоотдачи не наблюдалось. Имея значительную высоту, мешалка Л1 заставляет двигаться жидкость практически во всем объеме аппарата.
Для мешалки же Л3 было найдено оптимальное её положение по высоте аппарата, соответствующее геометрическому центру труб. При центральном положении мешалки Л3 обеспечивался более эффективный гидродинамический режим. Отличия в эффективности теплоотдачи при установке мешалок Л1 и Л2 не отмечаются. Это позволяет рекомендовать для использования в промышленных аппаратах исследуемого типа лопастные мешалки с отношением высоты к диаметру h„/dM = 1-1,2. Из экспериментальных данных следует, что увеличение числа труб приводит к некоторому снижению коэффициентов теплоотдачи.
В уравнении для расчета коэффициента теплоотдачи влияние числа труб учитывается через коэффициент (F/F+F,)0,25, где F0 - площадь внутренней поверхности корпуса, F - площадь поверхности труб, не объясняет большее падение эффективности теплоотдачи от труб, расположенных у стенки. При относительно небольшом количестве труб (П = 110) неравномерность проявляется незначительно. При увеличении их количества до 230 (расстояние между центрами 5т = 13 мм при d = 10 мм) эффективность работы расположенных у стенки труб снижается примерно в 2 раза, что можно объяснить возрастанием неравномерности гидродинамической обстановки в радиальном направлении. Это подтверждается анализом поля скоростей жидкости при различном числе устанавливаемых труб [30].
На эффективность теплоотдачи может также оказать влияние способ размещения труб. При одном и том же их количестве установка труб в виде отдельных блоков вместо равномерного расположения всей поверхности эквивалентна их концентрации на месте размещения блоков за счет того, что на некоторых участках поверхности крышки трубы отсутствуют.
Необходимо оценить степень влияния способа размещения труб на эффективность теплоотдачи. Для этого проводились эксперименты по определению коэффициентов теплоотдачи при равномерном размещении труб и при установке их в виде пучков. Исследовались варианты с 6-ю и 9-ю пучками труб. В каждом пучке было собрано по 19 труб.
На рис. 4 приведена зависимость среднего коэффициента теплоотдачи от величины удельной вводимой мощности при размещении труб в виде пучков и при их равномерном расположении.
Рис. 4. Зависимость коэффициента теплоотдачи а от удельной вводимой мощности N/V: 1 - равномерное расположение 114 труб; 2-6 блоков по 19 труб; 3 -равномерное расположение 171 трубы, 4-9 блоков по 19 труб.
Чем ближе значения локальной удельной поверхности теплообмена в объеме отдельного пучка Fß/Vß к значению F/Vo (при равномерном расположении труб), тем меньше сказывается влияние способа размещения труб на теплоотдачу. При установке шести пучков локальное значение удельной поверхности теплообмена
F6 _ nT6 ■ ndT
V
где Лгб - количество труб в пучке в 2,3 раза превышает среднюю по аппарату величину
Р Р ■ п 1 _ 1 б 'Ы .
V V
а а
Расстояние между пучками труб сравнимо с диаметром пучка. Это приводит к нарушению общей картины течения жидкости в аппарате. В свободном от труб пространстве между пучками возникает вихревое течение среды, которое накладывается на крупномасштабное движение в объеме аппарата. Происходит деформация профиля окружной скорости. Снижение среднего коэффициента теплоотдачи можно оценить по формуле
ДД Т
V V V )
где аб, а - средние значения коэффициентов теплоотдачи при установке труб в виде пучков и при равномерном их расположении; т = (0, 12^0, 14).
При установке девяти пучков зазора между ними нет, и основные закономерности течения сохраняются. Профиль скорости остается таким же, как и в случае равномерного расположения труб на днище. Величины Г/Уб и Г/Уа близки по своему значению и разницы в эффективности теплоотдачи не наблюдается.
Выводы
В ходе проведения экспериментов, полученные значения коэффициентов теплоотдачи не отличаются от коэффициентов теплоотдачи при конденсации пара на внутренней поверхности труб при его движении под давлением сверху вниз. Так коэффициент теплоотдачи при пленочной конденсации имеет порядок (7000-12000) Вт/м2°К [31].
При величине удельной вводимой мощности 12 кВт/м3 величина коэффициента теплоотдачи от пучка труб к воде составила более 8000 Вт/м2°К Возможности подвода к перемешиваемой среде механической энергии были ограничены только мощностью используемого электродвигателя. Так, предлагаемая конструкция аппарата (рис. l) наилучшим образом соответствует процессу конденсации.
Литература
1 Справочник по теплообменникам: в 2 т. / пер. с англ. под ред. Б.С. Петухова, В.К. Шикова. М.: Энергоатомиздат, 1987. Т. 1. 560 с.
2. Барабаш В.М., Бегичев В.И., Белевицкая М.А., Смирнов Н.Н. Проблемы и тенденции развития теории и практики перемешивания жидких сред // ТОХТ. 2007. Т. 41. № 2. С. 140-147.
3. Штербачек З,, Тауск П. Перемешивание в химической промышленности. Л.: Химия, 1963. 416 с.
4. Стренк ^.Перемешивание и аппараты с мешалками. Л.: Химия, 1975. 384 с.
5. Поникаров И.И. и др. Расчеты машин и аппаратов химических производств и нефтегазопераработки М.: Альфа-М, 2008. 720 с.
6. Генералов М.Б., Силин В.С. Химические реакторы производства нитропродуктов. М.: Академкнига, 2004. 392 с.
7. Видин Ю.В., Иванов В.В., Казаков Р.В. Инженерные методы расчета задач теплообмена. М.: Инфра-М, 2018. 480 с.
8. Петриков С.А., Прокопенко А.С., Туголуков ЕА, Хованов Н.Н. Энергоэффективные конфигурации теплопередающих поверхностей в трубах и технология их изготовления // Тяж. машиностроение. 2009. № 6. С. 28-30
9. Сутягин В.М. Основы проектирования и оборудование производств полимеров. Томск: ТПУ, 2005. 392 с.
10. Дульнев Г.Н., Тихонов С.В. Основы теории тепломассообмена. СПб: СПбГУИТМО, 2010. 93 с.
11. Васильцов Э.А., Ушаков В.Г. Аппараты для перемешивания жидких сред. Л: Машиностроение, 1979. 272 с.
12. Кузьмичев В.А. Основы проектирования вибрационного оборудования: учеб. пособие. СПб: «Лань», 2014. 208 с.
13. Фомин В.М. [и др.]. Роторно-пульсационные акустические аппараты. Казань: Отечество, 2010. 135 с.
14. Штым А.С., Захаров Г.А. Анализ рабочих режимов теплообменных аппаратов тонкопленочного типа // Тр. ДВГТУ. 2003. Вып.134. С. 131-134.
15. Будрик В.Г. Создание и исследование роторно-пульсационной установки для производства жидких и пастообразных молочных продуктов: дис. ... канд. техн. наук: 05.18.12. Москва, 2005. 191 с.
16. Seeger D. Highly effective manufacturing of paint and coatings // Asia Pacific Coatings Journal. 2013. V. 27. P. 26.
17. Fort I. On Hydraulic Efficiency of Pitched Blade Impellers // Chem. Eng. Res. Des. 2011. V. 89. Is. 6. P. 611-615.
18. Петров С.М., Подгорнова Н.М., Подгорнова
H.М. Перемешивание жидких сред. М.: МГУПП, 2007. 116 с.
19. Senda S, Komoda Y, Hirata Y, Takeda H, Suzuki H, Hidema R. Fluid Deformation Induced by a Rotationally Reciprocating Impeller // J. Chem. Eng. Japan. 2014. V. 47. Is. 2. P. 151-158.
20. Бальмонт Д.С., Гуюмджян П.П., Бальмонт Т.М. Исследование механизмов процесса перемешивания жидких сред // Современные наукоемкие технологии. Региональное приложение. 2009. № 3. С. 65-67.
21. Бауэр Т., Шуберт М, Ланге Р., Абиев Р.Ш. Интенсификация гетерогенно-каталитических газожидкостных реакций в реакторах с многоканальным монолитным катализатором // Журн. прикл. химии. 2006. Т. 79. № 7. С. 1057-1068.
22. Гулумян А.А., Веригин А.Н., Лисицын Н.В. Влияние неоднородности поля скоростей на эффективность теплообмена в аппаратах с перемешивающими устройствами // Химическая промышленность сегодня. 2014. №4. С. 42-47.
23. Мошинский А.И. Теплообмен между жидкостью, текущей в трубе, и омывающим трубу внешним потоком при интенсивном перемешивании // Инженерно-физический журнал. 2014. Т. 87. № 6. С. 1387-1397.
24. Ebrahimi, M. Bandari and M. Parvari. Effect of Mixer Rotational Speed on Heat Transfer Coefficient in Preparation of Nickel Perovskite from Laboratory to Bench Scale Iranian // Journal of Chemical Engineering. 2009. Vol. 6. No. 3. P. 71-87.
25. Debab А, Chergui N, Bekrentehir K.and J. Bertrand. An Investigation of Heat Transfer in a Mechanically Agitated Vessel // Journal of Applied Fluid Mechanics, 2011. Vol. 4. No. 2. Issue 1. P.. 43-50.
26. Stephens G.G. and Mackley M.R.Heat transfer performance for batch oscillatory flow mixing // Experimental Thermal and Fluid Science. 2002. Vol. 25. P. 583-594
27. Дмитричева Р.Р., Бронская В.В., Мануйко Г.В. [и др.]. Расчет полей скоростей и давления в аппарате с лопастной мешалкой // Вестник Технологического университета. 2016. Т. 19. № 21. С. 124-126.
28. Жукаускас А., Макорявичус В,, Шленгаускас А. Теплоотдача пучков труб в поперечном потоке жидкости. Вильнюс.: Минтис, 1968. 187 с.
29. Гулумян А.А., Веригин А.Н, Лисицын Н.В. Оценка эффективности теплообмена в аппаратах с перемешивающими устройствами и вертикальными теплообменными элементами // ТОХТ. 2017. Т. 51. №
I. С. 85-98.
30. Веригин А.Н, Незамаев Н.А. Исследование теплообмена в аппаратах с вертикальными теплообменными устройствами // Известия СПбГТИ(ТУ) 2016. №36(62). С. 99-104.
31. Кутателадзе С.С. Теплопередача и гидродинамическое сопротивление: справ. пособие. М.: Энергоатомиздат, 1990. 365 с.
References
1 Spravochnik po teploobmennikam: v 2 t. / per. s angl. pod red. B.S. Petuhiova, V.K. Shikova. M.: Energoatomizdat, 1987. T. 1. 560 s.
2. Barabash V.M., Begichev V.I, Belevickaya M.A, Smirnov N.N. Problemy i tendencii razvitiya teorii i praktiki peremeshivaniya zhidkih sred // TOHT. 2007. T. 41. № 2. S. 140-147.
3. Shterbachek Z, Tausk P. Peremeshivanie v himicheskoj promyshlennosti. L.: Himiya, 1963. 416 s.
4. Strenk F. Peremeshivanie i apparaty s meshalkami. L.: Himiya, 1975. 384 c.
5. Ponikarov I.I. i dr. Raschety mashin i apparatov himicheskih proizvodstv i neftegazoperarabotki M.: Al'fa-M, 2008. 720 s.
6. Generalov M.B., Silin V.S. Himicheskie reaktory proizvodstva nitroproduktov. M.: Akademkniga, 2004. 392 s.
7. Vidin YU.V., Ivanov V.V., Kazakov R.V. Inzhenernye metody rascheta zadach teploobmena. M.: Infra-M, 2018. 480 c.
8. Petrikov S.A., Prokopenko A.S., TugoUukov E.A., Hovanov N.N. Energoeffektivnye konfiguracii teploperedayushchih poverhnostej v trubah i tekhnologiya ih izgotovleniya // Tyazh. mashinostroenie. 2009. № 6. S. 28-30
9. Sutyagin V.M. Osnovy proektirovaniya i oborudovanie proizvodstv polimerov. Tomsk: TPU, 2005. 392 s.
10. Dui'nev G.N., Tihonov S.V. Osnovy teorii teplomassoobmena. SPb: SPbGUITMO, 2010. 93 s.
11. Vasil'cov E.A., Ushakov V.G. Apparaty dlya peremeshivaniya zhidkih sred. L: Mashinostroenie, 1979. 272 s.
12. Kuz'michev V.A. Osnovy proektirovaniya vibracionnogo oborudovaniya: ucheb. posobie. SPb: «Lan'», 2014. 208 s.
13. Fomin V.M. [i drJ.Rotorno-pul'sacionnye akusticheskie apparaty. Kazan': Otechestvo, 2010. 135 s.
14. Shtym A.S., Zaharov G.A. Analiz rabochih rezhimov teploobmennyh apparatov tonkoplenochnogo tipa // Tr. DVGTU. 2003. Vyp.134. S. 131-134.
15. Budrik V.G. Sozdanie i issledovanie rotorno-pul'sacionnoj ustanovki dlya proizvodstva zhidkih i pastoobraznyh molochnyh produktov: dis. ... kand. tekhn. nauk: 05.18.12. Moskva, 2005. 191 s.
16. Seeger D Highly effective manufacturing of paint and coatings // APCJ. 2013. Vol. 27. P. 26.
17. Fort I. On Hydraulic Efficiency of Pitched Blade Impellers // Chem. Eng. Res. Des. 2011. Vol. 89. Is. 6. P. 611-615/
18. Petrov S.M., Podgornova N.M., Podgornova N.M. Peremeshivanie zhidkih sred. M.: MGUPP, 2007. 116 s.
19. Senda S., Komoda Y, Hirata Y, Takeda H, Suzuki H, Hidema R. Fluid Deformation Induced by a Rotationally Reciprocating Impeller // J. Chem. Eng. Japan. 2014. Vol. 47. Is. 2. P. 151-158.
20. Ba'mont D.S., Guyumdzhyan P.P., Ba'mont T.M. Issledovanie mekhanizmov processa peremeshivaniya
zhidkih sred // Sovremennye naukoemkie tekhnologii. Regional'noe prilozhenie. 2009. № 3. S. 65-67.
21. Bauer T, Shubert M, Lange R, Abiev R.Sh. Intensification of heterogeneous catalytic gas-fluid interactions in reactors with a multichannel monolithic catalyst // Russian Journal of applied Chemistry. 2006. Vol. 79. № 7. P. 1047-1057.
22. Gulumyan A.A., Verigin A.N., Lisicyn N.V. Vliyanie neodnorodnosti polya skorostej na effektivnost' teploobmena v apparatah s peremeshivayushchimi ustrojstvami // Himicheskaya promyshlennost' segodnya. 2014. №4. S. 42-47.
23. Moshinsk/j A.I. Teploobmen mezhdu zhidkost'yu, tekushchej v trube, i omyvayushchim trubu vneshnim potokom pri intensivnom peremeshivanii // Inzhenerno-fizicheskij zhurnal. 2014. T. 87. № 6. S. 13871397.
24. Ebrahimi, M. Bandari and M. Parvari. Effect of Mixer Rotational Speed on Heat Transfer Coefficient in Preparation of Nickel Perovskite from Laboratory to Bench Scale Iranian // Journal of Chemical Engineering. 2009. Vol. 6. No. 3. P. 71-87.
25. Debab A., Chergui N, Bekrentehir K.and J. Bertrand. An Investigation of Heat Transfer in a Mechanically Agitated Vessel // Journal of Applied Fluid Mechanics, 2011. Vol. 4. No. 2. Is. 1. P. 43-50.
26. Stephens G.G. and Mackley M.R. Heat transfer performance for batch oscillatory flow mixing // Experimental Thermal and Fluid Science. 2002. Vol. 25. P. 583-594
27. Dmitricheva R.R., Bronskaya V.V., Manujko G.V. [i dr.], Raschet polej skorostej i davleniya v apparate s lopastnoj meshalkoj // Vestnik Tekhnologicheskogo universiteta. 2016. T. 19. № 21. S. 124-126.
28. Zhukauskas A., Makoryavichus V,, Shlengauskas A. Teplootdacha puchkov trub v poperechnom potoke zhidkosti. Vil'nyus.: Mintis, 1968. 187 s.
29. Gulumyan A.A., Verigin A.N., Lisicyn N.V. Ocenka effektivnosti teploobmena v apparatah s peremeshivayushchimi ustrojstvami i vertikal'nymi teploobmennymi elementami // TOKHT. 2017. T. 51. № 1. S. 85-98.
30. Verigin A.N., Nezamaev N.A. Issledovanie teploobmena v apparatah s vertikal'nymi teploobmennymi ustrojstvami // Izvestiya SPbGTI(TU) 2016. №36(62). S. 99-104.
31. Kutateladze S.S.Teploperedacha i gidrodinamicheskoe soprotivlenie: sprav. posobie. M.: Energoatomizdat, 1990. 365 s.
Сведения об авторах
Гулумян Андрей Александрович , аспирант, каф. химической энергетики, e-mail: [email protected] Andrey А. Gulumyan, a graduate student, Department ofmachinery and equipment for the chemical industry
Веригин Александр Николаевич, д-р техн. наук, профессор, каф. химической энергетики, [email protected] Aieksandr N. Verigin, Dr. Sci. (Eng.), Professor, Head of Department ofmachinery and equipment for the chemical industry
Незамаев Николай Александрович канд. техн. наук, доцент, каф химической энергетики, e-mail: [email protected] Nikolay A. Nezamaev, PhD (Eng.), Associate Professor, Department ofmachinery and equipment for the chemical industry
