Математическая модель конденсатора-испарителя воздухоразделительной установки Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Секция «Моделирование физико-механических и тепловых процессов в машинах и аппаратах»

УДК 661.935

МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ КОНДЕНСАТОРА-ИСПАРИТЕЛЯ ВОЗДУХОРАЗДЕЛИТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

В. В. Черненко, Д. В. Черненко

Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева

Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

E-mail: 2887722@mail.ru

Рассмотрена математическая модель конденсатора-испарителя криогенных воздухораздели-тельных установок, основанная на совместном решении уравнений гидродинамики и теплообмена для трубчатых аппаратов.

Ключевые слова: конденсатор-испаритель, математическая модель, проектирование, оптимизация.

MATHEMATICAL MODEL OF AIR SEPARATION PLANT EVAPORATOR-CONDENSER

V. V. Chernenko, D. V. Chernenko

Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: 2887722@mail.ru

The mathematical model of evaporator-condenser of cryogenic air separation plants, based on the simultaneous solution of hydrodynamics and heat exchange equations for the tubular devices.

Keywords: evaporator-condenser, mathematical model, design, optimization.

Конденсаторы-испарители в воздухоразделительных установках (ВРУ) служат для конденсации азота за счет кипения кислорода, т.е. представляют собой теплообменные аппараты с изменением агрегатного состояния обоих участвующих в процессе теплообмена сред.

Эффективность работы конденсатора-испарителя в значительной мере определяет экономичность работы всей установки. К примеру, увеличение разницы температур между обменивающимися теплом средами на 1 °К приводит к увеличению расхода энергии на сжатие воздуха до 5 % общих энергетических затрат. С другой стороны, уменьшение температурного напора ниже предельного значения приводит к необходимости значительного увеличения теплопередающей поверхности. Учитывая большие энергопотребление и металлоёмкость аппаратов ВРУ, становится очевидной необходимость оптимизации каждого их элемента, в том числе, конденсатора-испарителя.

Наиболее целесообразным методом исследования и оптимизации таких крупных и дорогостоящих объектов является математическое моделирование, поскольку позволяет объективно рассмотреть и сопоставить множество различных вариантов и выбрать наиболее приемлемый, а также ограничить масштабы физического эксперимента проверкой адекватности модели и определением численных значений коэффициентов, которые не могут быть получены аналитическим путем.

Конденсаторы-испарители ВРУ работают в режиме естественной циркуляции, соответственно, в них имеется сложная взаимосвязь тепловых и гидравлических характеристик процесса парообразования. Теплоотдача со стороны кипящей жидкости определяется скоростью циркуляции, которая, в свою очередь, может быть найдена из гидравлического расчета при известных значениях тепловых потоков и геометрических размеров поверхности теплообмена, являющихся целевой функцией оптимизационной задачи. Кроме того, процесс кипения реализуется одновременно с процессом конденсации, что накладывает ограничения на соотношения тепловых потоков и температурных напоров обоих процессов. Таким образом, модель должна строиться на базе системы уравнений, описывающих циркуляцию кипящей жидкости и процессы теплоотдачи с обеих сторон теплопередающей поверхности.

Актуальные проблемы авиации и космонавтики - 2016. Том 1

Представленная модель, схема которой приведена на рис. 1, включает в себя наиболее характерные случаи, встречающиеся при проектировании и эксплуатации конденсаторов-испарителей. Расчетная методика основана на использовании принципа последовательных приближений.

В качестве входных факторов используются: величина общей тепловой нагрузки; давление на стороне кипения; давление на стороне конденсации; концентрация испаряющихся паров по О2; концентрация конденсата по N2; высота, наружный и внутренний диаметры труб.

Блок предварительно выбираемых параметров включает в себя определение температур кипения и конденсации рабочих сред с учетом примесей [1], а также необходимую для запуска гидравлического расчета предварительную оценку величин располагаемого температурного напора и среднего по активной поверхности греющей секции удельного теплового потока со стороны кипящей жидкости.

Целью гидравлического расчета является определение скорости циркуляции, протяженности экономайзерной зоны, давлений и температур в характерных сечениях канала. Для расчета используется традиционная схема [2] контура с естественной циркуляцией жидкости (рис. 2).

1 Входные факторы /

Предварительный выбор параметров

Гидравлический расчет

Тепловой расчет

Тепггоотдача при конденсации

1 <

Т еппо отдача при кипении

Сходимость результатов расчета и выбранных - _ величин

да

Выходные параметры

Рис. 1. Расчетная схема модели конденсатора-испарителя ВРУ

Рис. 2. Гидравлическая модель конденсатора-испарителя ВРУ: I - длина труб; 1оп - длина опускной части; /эк - длина экономайзерной части; 4ип - длина кипящей части; 1р - рабочая длина; ю0 - скорость циркуляции

Задачей теплового расчета является уточнение значения плотности теплового потока на активном участке трубы по результатам гидравлического расчета, а также уточнение располагаемого температурного напора с учетом гидростатической и концентрационной температурной депрессии. Модуль расчета конденсации использует модель теплоотдачи при конденсации однокомпонентного пара на вертикальной стенке при ламинарном течении пленки конденсата. Модуль расчета кипения основан на модели теплоотдачи к двухфазному потоку в трубе [3].

Секция «Моделирование физико-механических и тепловьх процессов в машинах и аппаратах»

Гидравлический и тепловой расчеты повторяются в той же последовательности, если предварительные и расчетный значения плотности теплового потока отличаются более чем на 5 %. Точность расчета, как правило, оказывается достаточной после второго приближения.

Выходными параметрами являются площадь поверхности теплообмена, диаметр центральной циркуляционной трубы, количество и разбивка труб в трубной решетке и диаметр кожуха аппарата.

Библиографические ссылки

1. Наринский Г. Б. Равновесие жидкость-пар в системах кислород-аргон, аргон-азот и кислород-аргон-азот // Труды ВНИИКИМАШ. 1967. Вып. 11 ; 1969. Вып. 13.

2. Григорьев В. А., Крохин Ю. И. Тепло- и массообменные аппараты криогенной техники : учеб. пособие для вузов. М. : Энергоиздат, 1982.

3. Разделение воздуха методом глубокого охлаждения. 2-е изд. Т. 1 / под ред. В. И. Епифановой и Л. С. Аксельрода. М. : Машиностроение, 1973.

© Черненко В. В., Черненко Д. В., 2016