CC BY
59
УДК 66.021.2.063.8
И. Н. Москалев, Л. Н. Москалев, С. И. Поникаров,
И. И. Поникаров, М. Р. Халиков
ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАБОТОСПОСОБНОСТИ КОНТАКТНОГО КОНДЕНСАТОРА ВИХРЕВОГО ТИПА
Ключевые слова: эффективность контактных конденсаторов, расход несконденсированных паров, тепло-массообменное устройство вихревого типа, термодинамическая модель, моделирующий пакет CHEMCAD 5.2.
Рассмотрен процесс полной и частичной конденсации в тепло-массообменном устройстве вихревого типа. Определены зоны работоспособности предлагаемого аппарата. Определен и сравнен к.п.д. различных аппаратов. Определено влияние конусообразного вихревого устройства (КВУ) на производительность. Построены графики: определение зон работоспособности аппарата в зависимости от расхода и температуры воды для конденсации водяных паров при плотностях орошения L/G=10, L/G=8; зависимость расхода несконденсированных водяных паров от температуры охлаждающей воды при плотности орошения L/G=10; изменение к.п.д. аппарата в зависимости от температуры охлаждающей воды при плотности орошения L/G=10.
Keywords: effectiveness of contact condensers, uncondensed vapor flow, heat-mass transfer device vortex type, thermodynamic model,
simulating package CHEMCAD 5.2.
The process of full and partial condensation in a heat - mass exchange device vortex. The zones of the proposed health system. To measure and compare efficiency various apparatuses. The influence of the cone-shaped vortex devices on performance. The graphs: definition of zones operating condition depending on the flow rate and water temperature, water vapor condensation at densities irrigation L/G = 10, L/G = 8, the dependence of flow -condensed water vapor from the cooling water temperature at a density of irrigation L/G = 10; efficiency change the apparatus according to the temperature of cooling water at a density of irrigation L/G = 10.
Для анализа закономерностей преобразования энергии, определения движущих сил, термодинамических свойств энергоносителей, установления условий фазовых равновесий, оценки
энергетических характеристик теплоносителей и энергетической эффективности аппарата используются методы термодинамики.
Универсальный моделирующий пакет (УМП) СИешСЛБ является программой, в которой используются принципы термодинамики. В данной программе была синтезирована термодинамическая модель тепло-массообменного устройства вихревого типа предназначенного для проведения численных экспериментов процесса конденсации в вихревых условиях [1]. Для проведения натурных экспериментов по методике [2] процесса контактной конденсации в вихревых условиях, на кафедре МАХП КНИТУ, разработана экспериментальная установка тепло- массообменное устройство вихревого типа [3, 4].
где Оп ,г" - расход и энтальпия поступающего пара, кг/с, Дж / кг ; Ьж ,1 ж ,сж- расход,
температура и удельная теплоемкость охлаждающей жидкости на входе в аппарат, кг / с, К, Дж / кг ■ К ; Ьк ,гк - рас-ход и температура конденсата на выходе из аппарата, кг / с, К;
°еозд, *возд ,Сеозд - расход, температура и удельная теплоемкость воздуха, кг / с, К; QП - потери тепла в окружающую среду, Вт.
тепловой (энергетический) (2) балансы [5, 6].
Из уравнения теплового баланса (2) определяется расход охлаждающей жидкости необходимый для полной конденсации пара в предлагаемом аппарате, уравнение (3):
водяных паров составим материальный (1) и
- L ■ с (t -1 ) - Q = 0
ж ж ' к ж У *^п
G + L = L
п
ж
к
(1)
В данной статье рассматривается процесс фазового перехода (конденсация) в контактном аппарате вихревого типа, рабочей средой является вода и водяной пар, которые наиболее часто используются в качестве теплоносителей в химической промышленности и энергетике. Целью настоящей статьи - является определение:
На графиках рис. 1, 2 показан расход охлаждающей жидкости, данные которого, являются экспериментальными- кривая 1. По формуле (3) и в УМП, рассчитан расход охлаждающей воды, необходимый для полной рис.1 и частичной рис.2 конденсации паров в вихревых условиях - кривые 2 и 3. При помощи кривых 2 и 3 рис. 1, 2 можно определить зоны работоспособности аппарата в зависимости от расхода и температуры охлаждающей воды для конденсации паров при различных плотностях орошения: Ь/в = 10 (полная), Ь/в = 8 (частичная).
L = G (і"-сж ■tж ) - Q„ (3)
ж сж (tк - tж )
(3)
1. зон работоспособности предлагаемого аппарата;
2. влияния конусообразного вихревого устройства (КВУ) на производительность;
3. к.п.д. предлагаемого аппарата и сравнение полученного к.п.д. с существующим конденсатором вихревого типа.
Для определения зон работоспособности аппарата в зависимости от расхода и температуры охлаждающей воды при полной конденсации
Кривые 2, 3 можно назвать кривыми равновесия. На рис. 1, 2 показаны 3 зоны
характеризующие: I - полная конденсация, II -наличие несконденсированных паров, III -отсутствие конденсации пара и наличие процесса испарения. Пересечение кривых 1 и 2 в точке А (рис.1, 2) говорит о минимально возможной подаче охлаждающей жидкости, при которой будет происходить полная конденсация в аппарате - зона
I. Пересечение кривых 1 и 3 в точке В показывает наличие двух зон: II - наличие
несконденсированных паров и III - конденсация отсутствует. Таким образом, процесс конденсации паров зависит, как от температуры, так и от расхода охлаждающей жидкости. Также по графикам (рис. 2, 3) видно, что с уменьшением подачи охлаждающей жидкости, кривая равновесия смещается выше и левее точки А приблизительно на 4°С.
Рис. 1 - Определение зон работоспособности аппарата в зависимости от расхода воды и её температуры для конденсации водяных паров при плотности орошения L/G = 10: 1 -
эксперимент, 2, 3 - расчет
290 294 298 302 306 310 314 318 322 326 330 334 338 342 346 350 354 358 362 366 370 374
Рис. 2 - Определение зон работоспособности аппарата в зависимости от расхода воды и её температуры для конденсации водяных паров при плотности орошения L/G = 8: 1 -
эксперимент, 2, 3 - расчет
С повышением температуры охлаждающей жидкости полная конденсация отсутствует. Для уменьшения количества несконденсированных паров разработано КВУ [3]. В расчете данных паров использовалась термодинамическая модель [1].
На рис. 3 представлена температура охлаждающей жидкости, при которой появятся неконден-сируемые пары при различных условиях. На этих же графиках представлены экспериментальные точки,
сопоставленные с расчетными кривыми. По данным кривым можно увидеть и оценить расход несконден-сированных паров при определенной температуре охлаждающей жидкости. Экспериментальные точки укладываются на расчетные кривые с погрешностью до 15%, что говорит об адекватности термодинамической модели. При использовании КВУ количество несконденсированных паров становится меньше на 25-30%, что является явным преимуществом перед аналогичным аппаратом без КВУ. Уменьшение расхода несконденсированных 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.
Рис. 3 - Зависимость расхода
несконденсированных водяных паров GHk от температуры охлаждающей воды при L/G = 10: 1 - расчет без КВУ; 2 - расчет с КВУ; О -эксперимент без КВУ; А - эксперимент с КВУ
В случае расчета к. п. д. предлагаемого аппарата, то наиболее целесообразным, из соображений удобства выполнения расчетов, представляется использование энтальпийного коэффициента эффективности S отнесенного к условной начальной разности энтальпий [5, 7].
s =-
(4)
где 1п - энтальпия водяного пара на входе в аппарат, кДж/кг; 1к - 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 усредненного к.п.д. при полной конденсации пара рис.4:
1. Д - предлагаемый аппарат с КВУ [3];
2. О - предлагаемый аппарат без КВУ [3];
3. [] - конденсатор вихревого типа [8]:
i — i
п к
ii
п ж
95,00%
94,50%
94,00%
93,50%
93,00%
92,50%
92,00%
91,50%
91,00%
90,50%
90,00%
89,50%
89,00%
88,50%
88,00%
87,50%
87,00%
290 292,5 295 297,5 300 302,5 305 307,5 310 312,5 315 317,5 320 322,5 325
Рис. 4 - Изменение к.п.д. аппарата в зависимости от температуры охлаждающей воды при Ь/С=10О - эксперимент с КВУ; [] - эксперимент без КВУ,
Л - конденсатор вихревого типа [8]
По графику рис. 4 наблюдается рост к.п.д., изменение которого происходит в зависимости от температуры охлаждающей жидкости. При сравнивании эффективностей трех аппаратов видно преимущество применения КВУ. Преобладание предлагаемого аппарата над существующим конденсатором вихревого типа [8] составляет 4^5%.
При сравнении аппаратов с КВУ, без КВУ и существующего конденсатора вихревого типа наблюдается значительное повышение к.п.д. не только за счет начального закручивания, о котором говорится во многих литературных источниках [9, 10], но и за счет поддержания крутки потока внутренним закручивающим устройством.
Литература
1. Ахмадеева Л.Ф. Описание модели тепломассообменного устройства вихревого типа в моделирующем пакете СНЕМСЛБ 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.
2. 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.
3. Патент RU 124778 U1 МПК F28B 3/08 Москалев Л.Н., Поникаров С.И., Поникаров И.И., Алексеев В.В., 2012
4. Москалев, Л.Н. Описание экспериментальной установки для проведения исследований процесса конденсации в контактно вихревом аппарате / Москалев Л.Н., Поника/рв 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. - 318 с.
5. Москалев И.Н. Анализ влияния температуры охлаждающей жидкости на производительность контактного конденсатора вихревого типа / Москалев И.Н. Москалев Л.Н., Поникаров С.И., Поникаров И.И. // Вестник Казанского технологического университета. Т. 16. №18; М-во образ. и науки России, Казан. Нац. Исслед. Технол. Ун-т. - Казань: КНИТУ, 2013. - с. 9093.
6. Таубман Е.И. Контактные теплообменники / Таубман Е.И., Горнев В.А., Пастушенко Б.Л., Савинкин В.И. -М., Химия, 1987 - 256 с.
7. Купленов, Н.И. Метод расчета теплообменных
аппаратов / Купленов Н.И. // Холодильная техника.
Изд. «Пищевая промышленность» 2/1978Т. - 64 с.
8. Патент JP3163326 МПК F28B3/08, опубл. 2001г
9. Халатов, А.А. Теория и практика закрученных
потоков. / Халатов А.А. АН УССР, Институт
технической теплофизики, Киев: Наук. Думка, 1989. -192 с.
10. Вихревые аппараты/ А.Д. Суслов, С.В. Иванов, А.В. Мурашкин, Ю.В. Чижов. - М.: Машиностроение, 1985. - 256с., ил.
© И. Н. Москалев - магистрант 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, проф. той же кафедры; М. Р. Халиков - магистрант той же кафедры.
