Разработка физико-математической модели процесса регазификации пропан-бутановых смесей СУГ в испарительном трубном устройстве Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

ЭНЕРГЕТИКА И ЭЛЕКТРОТЕХНИКА

УДК 621.6.036

А.П. Усачев, А.Ю. Фролов, А.В. Рулев

РАЗРАБОТКА ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ

ПРОЦЕССА РЕГАЗИФИКАЦИИ ПРОПАН-БУТАНОВЫХ СМЕСЕЙ СУГ В ИСПАРИТЕЛЬНОМ ТРУБНОМ УСТРОЙСТВЕ

Целью теплового расчета является определение поверхности проточного трубного испарителя сжиженного углеводородного газа (СУГ) из про-пан-бутановых смесей с учетом режима течения, паросодержания и химического состава парожидкостной пропан-бутановой смеси.

A.P. Usachyov, A.U. Frolov, A.V. Rulev

DEVELOPMENT OF PHYSICAL AND MATHEMATICAL MODEL OF EVAPORATION PROCESS PROPANE AND BUTANE MIXES LPG AT THE EVAPORATION TRUMPET DEVICE

The purpose of thermal calculation is the definition of a surface the flowing trumpet evaporator LPG mixes consists of propane and butane considering mode of current, the maintenance pair and a chemical compound of propane and butane mix, consist of pair and liquids.

Особую актуальность на современном этапе развития систем резервуарного газоснабжения приобретают вопросы проточной регазификации в трубных испарителях смесей СУГ с повышенным (до 50%) содержанием бутановых фракций, являющихся наиболее эффективными в настоящее время [10], и наличие достоверных моделей расчета, учитывающих режим течения, паросодержание и химический состав в парожидкостной пропан-бутановой смеси.

Модель процесса проточной регазификации пропан-бутановых смесей СУГ в испарительном трубном устройстве включает в себя физическую и математическую модели.

1. Физическая модель.

В процессе полной регазификации степень сухости Х парожидкостной смеси изменяется от Храс=Храс.н. до 1,0. Изменение степени сухости приводит к увеличению скорости парожидкостной смеси и обусловливает переход одного режима течения в другой, протекающих в следующей последовательности (рис. 1): расслоенный, кольцевой, туманообразный (дисперсный). При этом для каждого из указанных режимов течения степень сухости изменяется в следующих диапазонах: расслоенный режим Храс.гр^Храс^Храсм; кольцевой режим

Хкол.гр=Хкол=Хкол.н.:, где Хкол.н.=Храс.гр; туманообразный режим Хтум.гр~^Хтум^Хтум.н.1 где Хтум.н=Хкол.гр.

Сжиженный углеводородный газ, состоящий из пропан-бутановых смесей, с мольным содержанием пропана в жидкой фазе смеси уж, поступающей в проточный трубный испаритель (ПТИ), полностью испаряется в интервале температур от 4„ до tг,к. При этом для каждого из указанных режимов течения температура кипения смеси изменяется в следующих диапазонах: расслоенный режИм 4.к.рас=4.рас=4.н.рас; кольцевой реЖИм tг.к.кол=tг.кол=tг.н.кол, где ^г.н.кол tг.к.рас; Туман°°б-

разный режим 4.к. тум^г.тум^г.н.тум, где tг.н.тум=^.к.кол. Тепловой поток расходуется как на испарение смеси, так и на ее нагрев в интервале температур ее полного выкипания от 4. н до 4. к.

і.]=СОШІ

5-Б

П

Рис. 1. Расчетная схема к физической и математической моделям теплообменных процессов, протекающих при регазификации СУГ из пропан-бутановой смеси в ПТИ

Изменение режимов течения и содержания пропана в жидкой уж и паровой у” фазах парожидкостной смеси из пропана и бутана приводит к изменению величин коэффициента

теплоотдачи от внутренней поверхности испарительной трубы к СУГ. При этом для каждого из указанных режимов течения содержание пропана в жидкой уж и паровой у” фазах и коэффициент теплопередачи Л(а) изменяются в следующих диапазонах: расслоенный режим

у рас.гр^УУ рас=у рас.н; крас.гр(арас.гр)=крас(арас)=крас.н(арас.н)-, кольцевой режим у кол.гр^УУ кол= кол..н.-, где у кол..н.=V рас.гр.-, к‘Кол.гр(акол.гр)—ккол(акол)—крас.гр(арас.гр); туманообразный режим

Ж? ОН2 ОН2 Ж? Ж? 7 / \

у тум.гртум=у тум.н-, где у тум.н у кол.гр; Лтум(атум) СОПв!.

2. Математическая модель.

Математическая модель теплового расчета ПТИ включает в себя уравнения (1)-(8), описывающие процессы теплообмена в ПТИ при полной регазификации СУГ, состоящего из парожидкостной пропан-бутановой смеси, расчетные схемы (рис. 1, 2) и систему неравенств, ограничивающих диапазоны изменения переменных параметров (9)-(12).

Рис. 2. Равновесные кривые кипения и конденсации смеси пропан-бутана

х=1

Суммарная поверхность ^ ¥х проточного испарителя в процессе полной регазифи-

X=хн

кации с кипением пропан-бутановых смесей в трубах определяется на основе уравнения теплового баланса ПТИ, как поверхности отдельных участков при расслоенном ¥Храс, кольцевом РХлол и туманообразном ГХтум режимах течения, по формуле:

Х=1

Х=1

^ РХ = ^ (,рас + ^Х,кол + ^Х,тум )•

(1)

Х=Хн

Х=Хн

Поверхности отдельных участков РХрас, РХккол, Рхтум в формуле (1) проточного испарителя с кипением парожидкостной смеси пропан-бутана в трубах определяются следующим образом:

г.х.рас

Х,рас

к рас рас )

ёх

Г Ф г

Г г -1

г.к.рас л г.к.рас л

, г ш, ,

г -ёг + сг I —ёг

г J г -г

г.н.рас

г.н.рас

Х,кол

ккол (а кол )

(2)

ёх

ёг

Г _2!і_ а,+с, Г -Л-

■' г т - г, < і г т - г

ёг

(3)

її =-

Х,тум

г.х.тум

к тум (атум )

г.к.тум

ёх

ёг

г.к.тум

Г * + с, Г -А-

•’ гт - г, ( гт - г

ёг

г.н.тум.

г.н.тум.

(4)

где Ог,х.рас, Ог,х.кОл, Ог,х.тум - количество газа, испаряемого соответственно на участках испарителя с расслоенным, кольцевым и туманообразным режимами течения, кг/ч; к(арас), к(аКол), к(атум) - коэффициент теплопередачи как функция от коэффициента теплоотдачи, характерного соответственно для расслоенного, кольцевого и туманообразного режимов течения, Вт/(м2-К); 1т - температура теплоносителя, °С; 4 - температура парожидкостной смеси пропан-бутана, полностью выкипающей в интервале температур от 4=4.н до 4=4.К, определяемых по диаграмме « - у» [9], °С; 1г.н.рас, tг.н.Кол, ^г.н.тум - начальная температура кипящей парожидкостной смеси пропан-бутана на участках соответственно с ее расслоенным, кольцевым и туманообразным течением в проточном трубном испарителе при соответствующем паросо-держании Х, °С; 1г.к.рас, ^г.К.Кол, 4.к.тум - конечная температура кипящей парожидкостной смеси пропан-бутана на участках соответственно с ее расслоенным, кольцевым и туманообразным течением в проточном трубном испарителе при соответствующем паросодержании Х, °С; гг - среднее значение скрытой теплоты парообразования сжиженного газа, в интервалах полного выкипания парожидкостной смеси, кДж/кг; сг - средняя теплоемкость парожидкостной смеси, в интервалах ее полного выкипания, кДж/(кг-град).

Количество газа, испаряемого соответственно при расслоенном, кольцевом и тумано-

образном режимах течения Ог,х.рас, Сг,х.кол, Ог,х.тум,

определяется в зависимости от граничных

X=1

значений степени сухости Х и суммарного расхода испаряемого газа ^ Ог

О,

X=ХН X=1

г,х.рас

(Храс.гр Храс.н)' IО X ; Ог, х.кол (Хкол.гр Храс.гр)' I О.

X=Xн

О

X=1

X=1

г, х. тум

(Хтум.гр Хкол.гр)' I ОгX ; I Ог X Ог,х.рас + Ог,х.кол + Ог,х.

г, х. тум

X=Xн

(5)

где Храс.гр, ХКол.гр, Хтум.гр - граничные значения степени сухости парожидкостной смеси пропан-бутана, при которых наблюдается переход расслоенного в кольцевой, кольцевого в туманообразный режим течения и конечное значение степени сухости на участке с туманообразным режимом течения соответственно, в долях от единицы; Храс.н - начальное значение

X=1

степени сухости на участке с расслоенным режимом течения, в долях от единицы; ^ ОгХ -

Х=ХН

общий расчетный расход парожидкостной смеси СУГ, испаряемой в интервале изменения степени сухости от Х=Храс.н до Х=1, кг/ч.

X =1

н

Линейные коэффициенты теплопередачи как функции от коэффициентов теплоотдачи, характерных соответственно для расслоенного, кольцевого и туманообразного режимов течения, определяются по формулам:

____________1______________ (6)

к рас (арас )

к кол (а кол ) =

ктум (а тум )

«т • ён 2 .Xст ёв

1

1 1 , ён • 1п-^-

ат • ён 2 • Хст ёв

1

1 1 ён ■• 1п-^-

1

а • ё

1

а • ё

кол вн

1

(7)

(8)

а т • ё н 2 • Я, ст ё вн а тум • ё вн

Система неравенств, ограничивающих диапазоны изменения переменных параметров в формулах (2)-(8), записывается следующим образом:

1г.к.рас — ¿г.рас— ¿г.н.рас-, 1г.к.кол — 1г.кол — 1г.к.рас; ¿г.к.тум — ¿г.тум — 1г.кол ; (9)

Храс.гр — Храс — Храс.н; Хкол.гр — Хкол — Храс.гр; Хтум.гр — Хтум — Хкол.гр ; (10)

V рас.гр — У'р ас — ^рас.н-, ^ кол.гр — ^ кол — ^рас.гр; ^ тум.гр — ^ тум — ^ кол.гр ; (11)

крас.гр(арас.гр) — крас(арас) — крас. н(арас.н) ; ккол.гр(акол.гр) — ккол(акол) — крас.гр(арас.гр); ктум(атум) СОПв! . (12)

По известным значениям длин участков Ррас, ¥к(Ж, Гтум при необходимости может быть определена среднеинтегральная величина коэффициента теплопередачи проточного трубного испарителя:

к (« ) = ^Х,рас • крас(арас) ^ ^Х,кол • ккол (акол) ^ ^Х,тум • ктум(атум). (13)

ср.инт. 'ч ср.инт. / Х=1

!Л

Х=Хн

Разработанные физическая и математическая модели теплообменных процессов, протекающих при регазификации СУГ из пропан-бутановых смесей, позволяют производить определение длины проточного трубного испарителя СУГ из ПБС с учетом режимов течения и содержания пропана V в жидкой фазе парожидкостной смеси.

ЛИТЕРАТУРА

1. Курицын Б.Н. Системы снабжения сжиженным газом / Б.Н. Курицын. Саратов: СГТУ, 1988. 196 с.

2. Курицын Б. Н. Теплообмен в парогенераторах сжиженного углеводородного газа с промежуточным теплоносителем / Б.Н. Курицын, А.П. Усачев // Труды Сарат. науч. центра Жилищно-коммунальной академии. Саратов: Сарат. науч. центр ЖКА, 1997. Вып. 1. С. 53-61.

3. Теплопередача в двухфазном потоке / под ред. Д. Баттерворса и Г. Хьюитта; пер. с англ. М.: Энергия, 1980. 328 с.

4. Юсида Х. Теплообмен при двухфазном течении фреона 12 в горизонтальных трубах / Х. Юсида, С. Ямагучи // Достижения в области теплообмена: сб. статей; под ред.

В.М. Боришанского. М.: Мир, 1970. С. 252-272.

5. Кутепов А.М. Гидродинамика и теплообмен при парообразовании: учеб. пособие для вузов / А.М. Кутепов, Л.С. Стерман, Н.Г. Стюшин. М.: Высшая школа, 1977. 352 с.

6. Преображенский Н.И. Сжиженные углеводородные газы / Н.И. Преображенский. Л.: Недра, 1975. 279 с.

7. Михеев М. Л. Основы теплопередачи / М. Л. Михеев, И.М. Михеева. М.: Энергия, 1973. 320 с.

8. Усачев А.П. Математическое моделирование теплообмена в проточных парогенераторах сжиженного углеводородного газа / А.П. Усачев // Труды Сарат. науч. центра Жилищно-коммунальной академии. Саратов: Сарат. науч. центр ЖКА, 1997. Вып 1. С. 71-76.

9. Курицын Б.Н. Исследование температурных условий при кипении и конденсации сжиженных углеводородных газов в проточных системах / Б.Н. Курицын, А.П. Усачев,

В.П. Богданов // Использование газа в народном хозяйстве: сб. статей. Саратов: Изд-во Са-рат. ун-та, 1974. Вып. XI. С. 304-310.

10. Усачев А.П. Выбор метода регазификации сжиженных углеводородных газов в системах централизованного газоснабжения / А.П. Усачев, А.Л. Шурайц, А.Ю. Фролов // Научно-технические проблемы совершенствования и развития систем газоэнергосбережения: сб. науч. трудов. Саратов: СГТУ, 2004. С. 110-120.

Усачев Александр Прокофьевич -

доктор технических наук, профессор кафедры «Теплогазоснабжение и вентиляция» Саратовского государственного технического университета

Фролов Алексей Юрьевич -

аспирант кафедры «Теплогазоснабжение и вентиляция»

Саратовского государственного технического университета

Рулев Александр Владимирович -

аспирант кафедры «Теплогазоснабжение и вентиляция»

Саратовского государственного технического университета

Статья поступила в редакцию 18.10.06, принята к опубликованию 14.11.06

Энергетика и электротехника