Исследование вакуумохладительной установки пленочного типа Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Химия растительного сырья. 2010. №3. С. 173-179.

УДК 66.015.23

ИССЛЕДОВАНИЕ ВАКУУМОХЛАДИТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ ПЛЕНОЧНОГО ТИПА

© H.A. Войнов , Д.В. Тароватый, О.П. Жукова, Л.Н. Грошак

Сибирский государственный технологический университет, пр. Мира, 82, Красноярск, 660049 (Россия) e-mail: [email protected]

Представлены результаты исследований в пленочной вакуумохладительной установке. Выявлены режимы течения, установлена величина газосодержания, зависимости для коэффициентов теплоотдачи, расхода вторичного пара и брыз-гоуноса. Разработана конструкция пленочного испарителя и проведено сравнение с промышленной четырехсекционной вакуумохладительной установкой для обработки нейтрализата древесины.

Ключевые слова: испаритель, пленка, газожидкостная смесь, тепловой баланс, коэффициенты теплоотдачи, брызго-унос, газосодержание, вакуумохладительная установка,

Введение

Используемые в промышленности вакуумохладительные установки для переработки гидролизатов рас -тигельного сырья [1] имеют большие габариты и металлоемки. Это обусловлено низкой удельной производительностью по испаряемой влаге и несовершенством организации потоков в аппарате.

В этой связи наиболее перспективны трубчатые испарители со стекающей пленкой, которые обладают низким гидравлическим сопротивлением и эффективно работают при небольшой полезной разности температур. Повышение их производительности сдерживается высокими скоростями вторичного пара над поверхностью пленки, особенно при работе аппарата под вакуумом. Для устранения указанного недостатка разработаны [2-4] пленочные испарители, обеспечивающие конденсацию вторичного пара непосредственно в зоне испарения на поверхности конденсационных труб. Однако вследствие слабой изученности тепло-, массообменных процессов, протекающих в этих аппаратах, они не нашли широкого применения в промышленности и требуют комплексных исследований как гидродинамики течения жидкости, так и теплопередачи, а также и конструктивных усовершенствований.

В этой связи продолжено [5] изучение процессов адиабатного испарения на установке, представленной на рисунке 1.

Экспериментальная часть

Разработана конструкция пленочного испарителя (рис. 1). Внутренний диаметр корпуса аппарата составил D = 70 и 150 мм, длина - 1 = 1,7 м. Конденсационная труба выполнена из меди с поверхностью теплообмена 0,37 м2. Формирование жидкостной пленки осуществлялось в зазоре шириной 20 мм, образованном распределителем жидкости длиной 120 мм. Расход рабочей жидкости (воды) изменялся от 0,2 до 6 м3/ч, температура -от 45 до 80 °С. Расход охлаждающей воды составил 0,24-0,3 м3/ч при ее начальной температуре 6-9 °С. Абсолютное давление паров в аппарате поддерживалось 0,01-0,03 МПа (величина вакуума 70-90%).

Вода нагревалась электронагревателями мощностью 10 кВт в емкости 4 до заданной температуры, а затем по трубопроводу за счет перепада давления поступала на внутреннюю поверхность корпуса аппарата и стекала по ней в виде газожидкостного слоя. При этом происходило вскипание жидкости, ее испарение и охлаждение. Образованные пары конденсировались на поверхности конденсационной трубы, конденсат стекал в емкость 5.

* Автор, с которым следует вести переписку,

а) б) в)

Рис. 1. Вакуумохладительная установка: а) схема установки: 1 - емкость для приема раствора;

2 - выпарной аппарат; 3 - каплеуловитель; 4 - емкость для подогрева раствора; 5 - сосуд для сбора конденсата; 6 - вакуумный насос ВВН; 7 - электронагреватели; 8 - корпус аппарата;

9 - конденсационная труба; 10 - распределитель жидкости; б) общий вид установки; в) общий вид конденсационной трубы

Обсуждениерезулътатов

Фотографирование нагретой жидкости, стекающей по стенке канала под вакуумом при кипении, позволило выявить два основных режима течения жидкости в трубах: пленочное и дисперсно-кольцевое. При пленочном режиме наблюдается течение парожидкостной смеси без отрыва от стенки корпуса (рис. 2а, б). При дисперсно-кольцевом течении происходит разрушение кипящей жидкости вторичным паром с образованием капель и струй (рис. 2в-г). Отрыв парожидкостного слоя от поверхности корпуса наблюдается при удельной паровой нагрузке более 25 кг/(м2-ч). Для сепарации капель, сорванных с поверхности пленки за счет интенсивного кипения и устранения отрыва газожидкостного слоя, применяли сепараторы [3-4].

Как установлено, формирование газожидкостного слоя на поверхности корпуса аппарата происходит на участке длиной 80-150 мм (рис. 3а). Толщина парожидкостного слоя составила 45-50 мм, тогда как при атмосферном давлении толщина пленки не превышает 1-2,5 мм.

Л -

в)

Рис. 2. Стекающая пленка жидкости при кипении под вакуумом (вид сверху) при Б = 150 мм; вв = 4 м3/ч: а) атмосферное давление при 1 = 10 °С; б) дегазация воздуха из пленки при абсолютном давлении 0,01 МПа, 1 = 10 °С; в, г) кипение при абсолютном давлении 0,01 МПа, 12 = 70 °С

а)

Рис. 3. Парожидкостный слой при величине вакуума 74%, температура воды 72 °С,

= 1 м3/ч: 1 - распределитель жидкости; а) участок формирования парожидкостного слоя; б) пузырьки пара в слое

В исследуемой установке можно выделить три зоны образования вторичного пара из нагретой рабочей жидкости: а) в трубопроводе при транспортировке жидкости из емкости 4 в корпус аппарата 2; б) в парожидкостном слое на поверхности корпуса аппарата; в) в емкости для приема раствора 1.

Доля пара в жидкости составила ф = 0,75-0,85, а среднеповерхностный диаметр пузырьков пара изменялся в широком диапазоне и в условиях эксперимента максимально достигал 5 мм.

Теплообмен в трубопроводе при транспортировке. Теплота рабочей жидкости, затраченная на получение вторичного пара в трубопроводе:

ЯТ = ^еСе (^1 _ ^2 ) = От • г , (1)

где Ов - расход рабочей жидкости, кг/с; Бт - расход пара в рабочей жидкости, кг/с; се - удельная теплоемкость, Дж/(кг К); ^ - температура жидкости в баке 4, °С; 12 - температура жидкости на входе в корпус аппарата, °С; г - удельная теплота парообразования, Дж/кг.

Так как система является замкнутой, то для нее справедливо уравнение Клайперона-Менделеева:

РМУп (2)

т =-------- —,

Я«к + 273)

где т - масса вторичного пара, кг; Уп - объем паров, м3; М - молярная масса воды, кг/моль; Р - давление насыщенного пара при рабочей температуре, Па; - температура кипения, °С; Я = 8,3 Дж/(моль К) - уни-

версальная газовая постоянная.

Объем паров:

у (3)

п Л ,

1 -р

где Уж - объем жидкости, м3.

Тогда

_ тг (4)

Ят ~ ,

г

где г - удельная теплота парообразования, Дж/кг, т - время пребывания рабочей жидкости в рабочей зоне, сек.

Экспериментальные и расчетные значения в зависимости от расхода рабочей жидкости показаны на рисунке 4.

На рисунке 5 представлено изменение температуры рабочей жидкости в трубопроводе в зависимости от ее расхода.

Ртх10-3, Вт (л - /2),°С

т^= 14 сек

40 - 20

\ т = 4 сек

30 . 15

\о/

20 Г о ао 10 т = 1,7 сек

10 <0^ ' 5 \

о \

0 1 1 — 0 оО _

О„, м3/ч

3 О„, м /ч

0

2

3

0

2

Рис. 5. Изменение температуры рабочей жидкости в трубопроводе в зависимости от расхода при Б = 150 мм; /тр = 2 м; Р = 10000-25000 Па.

Точки - опытные данные

Рис. 4. Зависимость количества тепла, затраченного на получение вторичного пара в трубопроводе, от расхода рабочей жидкости при Б = 150 мм; /тр = 2 м; ^ = 75 °С; давление Р = 10000-25000 Па. Точки - расчет по (1), согласно опытным данным; линия - расчет по (4) при ф = (0,15-0,6)

С уменьшением расхода рабочей жидкости увеличивается время ее пребывания в трубопроводе, что и обеспечивает большее по величине снижение ее температуры на выходе из трубопровода.

Совпадение опытных и расчетных значений, представленных на рисунке 4, позволяет рекомендовать зависимости (1)-(4) для расчета технологических параметров установки в рассматриваемой зоне теплообмена.

Теплообмен в испарителе. Тепловой баланс в парожидкостном слое, стекающем по внутренней поверхности корпуса аппарата:

°вСв/2 + °Т •1 = № - ж • Г + °вСв/3 , (5)

где Ое и се - расход и удельная теплоемкость рабочей жидкости, кг/с; 12 -температура воды на входе в корпус аппарата; W - расход конденсата, сконденсировавшегося на поверхности конденсационной трубы, кг/с; Wг.ж - расход пара в парожидкостном слое, кг/с; 13 - температура рабочей жидкости на выходе из корпуса аппарата. г - удельная теплота парообразования, кДж/кг; /' - удельная энтальпия пара, Дж/кг.

Количество тепла, затраченного на получение вторичного пара в газожидкостном слое:

Qг = Свсв (/2 - /3) = ^ + №г_г + №кг , (6)

где - расход конденсата в парожидкостном слое, кг/с.

Характерные зависимости р2 от температуры (^-к) при разных режимах течения представлены на рисунке 6, где /с = (/2 + /3)/2 - средняя температура парожидкостного слоя; 13 - температура парожидкостного слоя на выходе из корпуса аппарата; 1к - температура кипения.

д2х10-3, Вт Р2х10-3, Вт

а)

б)

Рис. 6. Зависимость тепла вторичного пара от разности температур при Б = 150 мм; вакуум 90%: а) дисперсно-кольцевой режим; б) пленочный режим. Экспериментальные точки (1-3): 1 - = 0,5-0,65 м3/ч;

2 - 1,2-2; 3 - 3,5—4,1

При пленочном течении парожидкостного слоя вследствие воздействия сил вязкого трения происходит его перемешивание и увеличение расхода вторичного пара (рис. 66) с ростом движущей силы процесса. При дисперсно-кольцевом режиме (рис. 6а) вследствие слабого перемешивания в каплях и струях увеличения расхода вторичного пара не происходит. Однако при любом режиме течения увеличение массы жидкости в парожидкостном слое приводит к росту р2.

Тепло, затраченное на получение вторичного пара при пленочном режиме течения, можно оценить по эмпирической зависимости:

02 = 6,2х103 (1с-1к)0’17 в/’86,

(7)

где 02 - тепло вторичного пара, Вт; - расход рабочей жидкости, м /ч.

Количество тепла, переданного воде конденсационной трубы:

вз = °хСх ({к - {Н ).

(8)

где вх и сх - расход и удельная теплоемкость воды, поступающей в конденсационную трубу; 1Н, 1к - начальная и конечная температура воды.

Изменение количества тепла 03 и расхода конденсата, сконденсировавшегося на поверхности конденсационных труб W, от движущей силы процесса (1с-1к) показано на рисунке 7.

Массовый расход конденсата рассчитывался согласно

Гр = вз/г .

(9)

Коэффициент теплоотдачи при конденсации пара на поверхности конденсационной трубы определялся по уравнению

= 1/[(1/ К оп) - (1/ «2) - (<У Л>)]

(10)

где а2 - коэффициент теплоотдачи при нагревании воды в конденсационной трубе, Вт/(м -К); Х0 - коэффициент теплопроводности стенки трубы, Вт/(м-К); 50 - толщина стенки трубы, м; Коп - опытное значение коэффициента теплопередачи, Вт/(м2-К), согласно

Коп = бэ М А/), (11)

где Рк - поверхность конденсационной трубы; Д1 - среднелогарифмическая разность температур. Коэффициент теплоотдачи а2 определялся по общепринятым зависимостям.

0зх10-3, Вт

Wp, кг/ч

а)

б) 25 20 15 10 5 0

- п-Э'-" "О—

ЧУп о- 1;

- □ - 2.

4 6 (1с -1к),°0

Рис. 7. Зависимость 03 и вторичного пара Wp, сконденсировавшегося на поверхности конденсационной трубы, от температуры при Б = 150 мм; ве = 3,5-4,1 м3/ч; величина вакуума 90%. Экспериментальные точки: а) 1 - дисперсно-кольцевой режим; 2 - пленочный режим; б) 1 - ве =1,7 м3/ч; 2 - 4 м3/ч

Зависимость изменения коэффициента теплоотдачи при конденсации от расхода конденсата представлена на рисунке 8а. В отличие от конденсации пара на поверхности вертикально установленных труб, в исследуемой системе с увеличением расхода конденсата наблюдается увеличение ак. Однако величина коэффициента теплоотдачи (точки на рис. 8а) намного ниже известных данных [6, 7] (пунктирная линия на рис. 8а), что, по-видимому, обусловлено слабым перемешиванием конденсата, показанного на рисунке 86.

Доля (брызгоунос) унесенной жидкости с паром (рис. 9) определялась согласно

E = W -W)/G, , 02)

где Won - опытное значение расхода конденсата вторичного пара.

Как видно, наличие тангенциального сепаратора (рис. 116) в корпусе аппарата позволяет снизить унос капель рабочей жидкости с потоком вторичного пара.

Теплообмен в жидкости приемной емкости. Расход пара через зеркало неподвижной жидкости, размещенной в емкости, зависит в большей степени от массы жидкости. Зависимость тепла Q4 этого пара от разности температур показана на рисунке 10. С увеличением движущей силы теплообмена происходит незначительное изменение Q4.

На основании результатов исследования разработана конструкция пленочной вакуумохладительной ус -тановки (рис. 11) и ее рабочие чертежи. Показатели аппаратов представлены в таблице.

а)

Wp, кг/ ч

Рис. 8. Изменение коэффициента теплоотдачи при конденсации пара от расхода конденсата при величине вакуума 90%. а) пунктирная линия - по данным [6, 7] для случая конденсации пара на поверхности вертикально установленных труб; б) вид конденсата на поверхности конденсационной трубы

E, %

Q4X10-3, Вт

Рис. 9. Изменение брызгоуноса от удельной нагрузки вторичного пара при Б = 0,15 м. Экспериментальные точки: 1 - без сепаратора, 2 - с тангенциальным сепаратором

Рис. 10. Количество тепла в паре, прошедшего через зеркало нагретой жидкости, в приемной емкости 1 в зависимости от температуры при Б = 150 мм; вакуум 90%. Экспериментальные точки (объем рабочей жидкости): 1 - 200 л; 2 - 125 л;

3 - 64 л

Рис. 11. Схема аппарата со стекающей пленкой и тангенциальным завихрителем [3] (а): 1 - корпус;

2 - камера для ввода раствора; 3 - цилиндрические трубы; 4 - распределитель жидкости; 5 - камера для отвода конденсата вторичного пара; 6 - центральная труба; 7 - винтовая шероховатость; 8 -тангенциальный завихритель; (б) и (в) - вид тангенциального завихрителя

Показатели вакуумохладительных установок при Ge = 100 м /ч

Показатели Габариты Поверхноств испарения Поверхноств конденсации Металлоемкоств установки

D/H, м F, м2 Fk, м2 M, кг

ВОУ [1] 2,6/18,2 20 800 46 400

Пленочная 1,6/10 75 150 8 000

Список литературы

1. Холькин Ю.И.Технология гидролизных производств. М., 1989. 496 с.

2. A.c. №1745278 (СССР). Пленочный выпарной аппарат / Н.А. Войнов, H.A. Николаев, Н.М. Коновалов,

A.A. Юдаков / 1992. БИ. №25.

3. Патент №2314139 (РФ). Пленочный выпарной аппарат со стекающей пленкой / H.A. Войнов, А.Г. Карпеза, A.H. Войнов / 2008. БИ. №1.

4. Патент №2324516 (РФ). Пленочный выпарной аппарат со стекающей пленкой / H.A. Войнов, Д.В. Тароватый, A.H. Войнов / 2008. БИ. №14.

5. Войнов H.A., Тароватый Д.В., Кустов А.В. Теплообмен в трубчатом пленочном испарителе при кипении под вакуумом // Химическая промышленное^ сегодня. 2008. №12. С. 49-52.

6. Кутателадзе С.С., Накоряков В.Е. Тепломассообмен и волны в газожидкостных системах. Новосибирск, 1984. 302 с.

7. Таубман Е.И. Выпаривание (Процессы и аппараты химической и нефтехимичесой технологии). М., 1982. 328 с.

Потупило вредакцию 26 июня 2009 г.