CC BY
72
Иванов Вадим Борисович, кандидат технических наук, доцент, ведущий специалист, ООО «Фойт Турбо», Киев, Украина, e-mail: vadim.ivanov@voith.com.
Ситас Виктор Иванович, кандидат технических наук, доцент, глава представительства, Московское представительство «Фойт Турбо», Россия, e-mail: Victor.Sitas@voith.com. Рихтер Мартин, региональный менеджер проектов в странах России и СНГ, Компания «Фойт Турбо ГмбХ & Ко.КГ», Крайльсхайм, Германия, e-mail: Martin.Richter@voith.com.
1ванов Вадим Борисович, кандидат техтчних наук, доцент, провiдний фахвець, ТОВ «Фойт Турбо», Ктв, Украта.
атас Вжтор 1ванович, кандидат техтчних наук, доцент, глава представництва, Московське представництво «Фойт Турбо», Рос1я. Рiхтeр Мартт, регюнальний менеджер проектiв в кратах Росп та СНД, Компатя «Фойт Турбо ГмбХ & Ко.КГ», Крайль-сгайм, Нжеччина.
Ivanov Vadim, Ltd. «Voith Turbo», Kyiv, Ukraine, e-mail: vadim.ivanov@voith.com.
Sitas Viktor, Moscow Representation «Voith Turbo», Russia, e-mail: Victor.Sitas@voith.com.
Richter Martin, Voith Turbo GmbH & Co. KG, Crailsheim, Germany, e-mail: Martin.Richter@voith.com
УДК 697.244; 697.328 001: 10.15587/2312-8372.2015.47791
никольский в. е. разработка и исследование
аппаратов погружного горения с многократной инверсией фаз
В данной работе приведены результаты исследований явления многократной инверсии фаз для восходящих газожидкостных потоков в аппаратах погружного горения (АПГ). Впервые показано, что организация многократной инверсии контактирующих фаз газ — жидкость в прямоточных АПГ установкой по высоте сепарационных решеток или клапанных тарелок интенсифицирует тепломассообмен и выгодно отличает их от барботажных аппаратов аналогичного назначения.
Илпчевые слова: теплообмен, аппараты погружного горения, барботаж, инверсия фаз, энергоэффективность, контактно-модульная система, сепарационная зона.
1. Введение
В связи с повышением стоимости природного газа в Украине и введением режима его экономии во всех отраслях народного хозяйства, включая коммунально-бытовую сферу, большое значение приобретают исследования, связанные с разработкой нового и усовершенствованием действующего энергетического оборудования.
Контактный теплообмен двух сред (газ — жидкость) является высокоэффективным процессом, поскольку отсутствует термическое сопротивление, обусловленное наличием разделительной стенки между двумя теплоносителями. В аппаратах погружного горения (АПГ) интенсивность контактного теплообмена определяется барботажем высокотемпературных продуктов сгорания через слой жидкости. Достоинством АПГ является совмещение в одном процессе и устройстве функций генератора тепловой энергии и побудителя движения, перемешивания жидкости (циркуляционного насоса) [1, 2].
В государственном высшем учебном заведении «Украинский государственный химико-технологический университет» совместно с Институтом газа НАН Украины разработана контактно-модульная система (КМС) на основе низкоэмиссионных аппаратов погружного горения (АПГ) для газового обогрева промышленных, гражданских зданий и сооружений, а также для их использования в химической, металлургической, машиностроительной и других отраслях народного хозяйства.
В таких установках камера сгорания частично погружена под воду, а ее срез расположен в воде на глубине 400-500 мм. Продукты сгорания находятся непосред-
ственно в контакте с водой, что обеспечивает интенсивный теплообмен и позволяет уменьшить габариты теплообменного агрегата. При этом нагреваемая жидкость выступает в качестве охлаждающей среды для камеры сгорания, что имеет особое значение для цельно-металлических устройств.
КМС обладает всеми преимуществами децентрализованных систем отопления, позволяющими уменьшить расходы за счет:
— уменьшения стоимости получаемого тепла;
— точного регулирования температуры в помещениях в зависимости от погодных условий;
— уменьшения температуры в помещениях в нерабочее время и в выходные дни.
Помимо вышесказанного экономия при использовании КМС возможна еще за счет преимуществ, присущих только этому классу аппаратов:
— высокому коэффициенту полезного действия (более 100 % по отношению к низшей теплоте сгорания);
— возможности работы в режиме «нагрев-охлаждение», более экономичном, чем работа в режиме поддержания постоянной температуры в отопительных приборах;
— возможности отключать установку и выводить ее на номинальный режим работы за короткое время (3-5 минут);
— отсутствие необходимости в водоподготовке — установка работает на неподготовленной воде, без образования накипи на поверхности нагрева;
— работа установки при атмосферном давлении.
Перечисленные преимущества позволяют снизить
расход природного газа на обогрев на 10-20 %.
I 60
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ АУДИТ И РЕЗЕРВЫ ПРОИЗВОДСТВА — № 4/1(24], 2015, © Никольский В. Е.
Указанные низкоэмиссионные контактно-модульные системы на основе аппаратов погружного горения (АПГ) прошли государственные испытания [3]. Однако, возможности рассматриваемых встроенных в КМС аппаратов погружного горения по интенсификации тепломассообмена далеко не исчерпаны.
Один из путей повышения интенсификации тепломассообмена в газожидкостных системах — организация многократной инверсии контактирующих фаз (газ — жидкость). В работе показана перспективность использования явления многократной инверсии фаз для восходящих газожидкостных потоков в АПГ.
2. Анализ литературных данных и постановка проблемы.
В соответствии с открытием Кафарова В. В., Бляхма-на М. М., Плановского А. Н. на эмульгационный способ взаимодействия газа и жидкости в момент образования 2-х фазного потока (эмульсии) при барботировании и в момент разрушения эмульсии происходит полный 100 % массобмен между фазами [4]. Именно это явление определяет инверсию фаз, когда фазы меняются местами: сплошная становится дисперсной, дисперсная — сплошной. В развитие работ Кафарова В. В. с сотрудниками по исследованию инверсии фаз в дальнейшем учеными ДВНЗ УДХТУ показано перспективность многократной инверсии фаз в газо-жидкостных реакторах [5].
В промышленности широкое распространение получили прямоточные эрлифтные и пленочные реакторы [6, 7]. Наблюдается тенденция применения на-садочных и секционированных различными тарелками газожидкостных реакторов с восходящим прямотоком контактирующих фаз преимущественно для проведения процессов с практически постоянным объемом газовой фазы (например, окисление парафинов, циклогексана; аминирование и др.) или в случае незначительного его изменения по высоте аппарата (например, хлорирование бензола, толуола). Для секционирования прямоточных реакторов чаще всего используют ситчатые или кол-пачковые тарелки. В прямоточных секционированных газожидкостных реакторах с восходящим движением фаз можно также проводить процессы, сопровождающиеся значительным изменением объемов газовой и жидкой фаз [8]. В этом случае для увеличения диапазона устойчивой работы аппарата и интенсификации процесса тепломассообмена целесообразно секционировать его по высоте сепарационными решетками или клапанными тарелками.
3. объект, цель и задачи исследования
Объект исследования — аппараты погружного горения с многократной инверсией контактирующих фаз.
Цель исследований — разработать и исследовать аппараты погружного горения с многократной инверсией контактирующих фаз с целью интенсификации тепломассообмена и повышения их энергоэффективности.
В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:
1. Проведение исследований эффективности контакта фаз при десорбции СО2 из воды воздухом на экспериментальной установке, имитирующей многократную инверсию фаз в аппарате погружного горения:
— определение влияния плотности орошения и скорости движения газовой фазы по сечению аппарата на общий массоперенос (эффективность инверсии);
— определение вклада различных участков газожидкостного слоя в общий массоперенос.
2. Разработка на основании экспериментальных исследований аппарата погружного горения, оборудованного сепарационными решетками для многократной инверсии контактирующих фаз.
3. Изготовление и тестирование аппарата погружного горения с многократной инверсией фаз на стенде, с целью определения его устойчивой тепловой работы на различных нагрузках и максимальной энергоэффективности.
4. Оборудование прошедшим тестирование АПГ контактно-модульной системы, предназначенной для обогрева зданий различного промышленного, коммунального и сельскохозяйственного назначения.
4. описание конструкции объекта исследований
Принимая во внимание аналогию в гидродинамике и тепломассообмене в упомянутых реакторах и АПГ, автор впервые применил это техническое решение в АПГ с прямоточным движением двухфазных систем. Аппарат погружного горения с восходящим прямотоком контактирующих фаз по высоте сепарационными решетками или клапанными тарелками разбивали на несколько секций (рис. 1). В каждой секции аппарата имеет место инверсия фаз. Непосредственно на решетке (тарелке) находится газожидкостный слой, в котором сплошной фазой является жидкость, а диспергированной — газ. В объеме между газожидкостным слоем и вышележащей решеткой (тарелкой) в широком диапазоне нагрузок имеется пространство (сепарационная зона), в котором сплошной фазой является газ, а диспергированной — жидкость. Контактирующие фазы из нижележащей секции в вышележащую перемещаются в результате срыва жидкости с поверхности газожидкостного слоя газовыми потоками по осям отверстий сепарационной решетки, или в полотне вышележащей тарелки вследствие эффекта Бернулли, вызванного значительным увеличением скорости газа и соответствующим увеличением скоростного и уменьшением статического напора по осям потоков.
Таким образом, в прямоточных газожидкостных аппаратах, секционированных по высоте решетками или клапанными тарелками, в значительном диапазоне скоростей контактирующих фаз имеет место инверсия фаз в каждой секции, что выгодно отличает их от барботаж-ных аппаратов, работающих в режиме эмульгирования, или аппаратов с затопленной насадкой, характеризующихся однократным обращением фаз.
Многократная инверсия фаз в рассматриваемых аппаратах погружного горения (рис. 2) позволяет резко интенсифицировать тепломассоперенос и многие технологические процессы за счет устранения обратного перемешивания (по высоте аппарата) и создания на пути контактирующих фаз зон эффективного контакта. Согласно рис. 2, можно условно выделить 8 зон контактирования фаз (например, при использовании для секционирования эжекционных клапанных контактных устройств). При этом зоны 1, 3 и 7 характеризуются наиболее интенсивным контактом фаз в результате проявления, так называемых, входных и концевых эффектов.
TECHNOLOGY AUDiT AND PRODUCTiON RESERVES — № 4/1(24], 2015
Рис. 1. Аппарат погружного горения с многократной инверсией контактирующих фаз: 1 — горелочное устройство, 2 — патрубок для подачи воздуха, 3 — патрубок для подачи топлива, 4 — газосопловая насадка, 5 — винт-завихритель, 6 — камера сгорания, 7 — диффузор, 8 — цилиндрический участок, 9 — конфузор, 10 — система отверстий, 11 — газораспределительное устройство,
12 — перфорированный участок, 13 — основание, 14 — циркуляционная труба, 15 — кольцевой зазор, 16 — поджигающее устройство, 17 — сепарационные решетки
и вносит значительные искажения в общую картину эффективности массопереноса, так как при сепарации фаз непосредственно в сепараторе протекает интенсивный массоперенос и состав отсепарированной из пробы жидкости не соответствует составу жидкости в газожидкостном слое непосредственно в месте отбора пробы. В настоящих исследованиях использовались пробоотборники из пористого материала, обеспечивающие за счет поверхностного натяжения отбор из двухфазного потока только жидкой фазы и сепарацию фаз непосредственно в газожидкостном слое, а не в автономных сепараторах, как это делалось ранее.
5. Методика исследований многократной инверсии фаз
Исследования эффективности инверсии при контакте фаз проводили при десорбции СО2 из воды воздухом в прямоточных аппаратах, секционированных клапанными эжекционными тарелками. Экспериментальный аппарат, секционированный 4 тарелками, был оборудован 9 пробоотборниками жидкой фазы (рис. 3).
Рис. 2. Участок А. Схема движения контактирующих фаз в аппарате погружного горения с многократной инверсией фаз, секционированном тарелками с эжекционными контактно-клапанными устройствами: 1 — зона срыва жидкости газовыми струями с поверхности слоя; 2, 4, — зоны спутного движения газа и жидкости; 3 — зона удара газожидкостного потока о поверхность клапана; 5 — зона эжекции газожидкостным потоком, 7 — зона входа газожидкостного потока в барботажный слой, 8 — зона контакта в газожидкостном слое
С учетом изложенного выше, изучение особенностей работы аппаратов погружного горения, секционированных решетками или клапанными тарелками, представляет определенный интерес для теории и практики массообменных и химических процессов в газожидкостных системах.
Как показано в работе [9], при исследовании локальной эффективности контакта фаз особенно важное значение приобретает правильный выбор методики отбора проб из зоны контактирования. Ставший традиционным отбор проб в виде газожидкостной смеси с последующей ее сепарацией недостаточно корректен
рис. 3. Схема экспериментальной установки по исследованию десорбции СО2
По результатам анализа проб жидкости строили концентрационные профили по высоте аппарата при различных скоростях газа и жидкости (рис. 2). Затем записывали уравнения материального баланса по участкам и решением полученной системы уравнений получали вклад каждой зоны в общий процесс переноса массы. Следует обратить внимание (рис. 2) на то, что при восходящем прямотоке в режиме многократной инверсии фаз появляются два дополнительных участка высокой эффективности (при срыве жидкости газом с поверхности слоя в зоне сепарации I и при ударе образовавшегося двухфазного потока о внутреннюю поверхность клапана 3 в зоне эжекции). При разрушении
технологический аудит и резервы производства — № 4/1(24), 2015
газожидкостной системы высвобождается значительное количество энергии, обновляется поверхность контакта фаз, образуются быстродвижущиеся пленки, струйки, капли жидкости, возникают гидравлические удары, что способствует интенсификации переноса вещества. Поэтому в прямоточных аппаратах следует ожидать более высокий вклад сепарационной зоны в общий процесс переноса. Для облегчения обработки экспериментальных данных по вкладу различных участков газожидкостного слоя в общий процесс массопередачи в ступени контакта, высоту каждой ступени разбивали на 3 зоны:
I. Зона входа газа в жидкость (включает участки 3-6 на рис. 2).
II. Зона пены (участок 7).
III. Зона сепарации фаз (участки 1-2).
6. Результаты экспериментальных
исследований многократной инверсии фаз и их обсуждение
На рис. 4, 5 показаны в качестве примера результаты исследований, полученные при плотности орошения Lf = 10,3-23 м3/(м2 ■ ч) для скоростей газа по сечению аппарата 0,8-2 м/с. Видно, что вклад отдельных зон в общий массоперенос различен, в значительной степени определяется скоростью газа.
08 1.2 1,4 1,6 1,8 2,0 и„ м/с
Рис. 4. Вклад в массообмен различных зон барботажного слоя в прямоточном секционированном тарелками с эжекционными клапанными устройствами исследуемом аппарате
Рис. 5. Зависимость относительной интенсивности массопереноса 1 различных зон барботажного слоя в прямоточном секционированном клапанными тарелками аппарате при плотности орошения Ь, = 10,3 м3/(м2 • ч)
Можно отметить, что наиболее эффективный массо-обмен происходит в I зоне, в особенности при высоких
скоростях газа, когда усиливаются эффекты соударения и эжекции, а при средних скоростях — в III зоне, когда сепарационное пространство выражено наиболее четко и эффект многократной инверсии проявляется наиболее сильно. Интересно, что вклад III зоны слабо зависит от скорости газа (в то же время газожидкостный слой занимает до 75 % высоты аппарата). С учетом этого, видимо, не следует стремиться к увеличению расстояния между секционирующими перегородками и высоты газожидкостного слоя.
Этот вывод подтверждает рис. 5, где показана зависимость относительной интенсивности массопереноса различных зон барботажного слоя при Lf = 10,3 м3/(м2 ■ ч). Видно, что хуже всего используется объем аппарата во II зоне (зона пены), а интенсивность процесса в I зоне максимальна во всем исследованном диапазоне скоростей газа.
Из полученного экспериментального материала установлено, что вклад отдельных сепарационных участков по сечению аппарата в общий массоперенос определяется скоростью движения газовой фазы. Следовательно, целесообразно увеличить расстояние между секционированными перегородками с целью обеспечения оптимальной высоты газожидкостного слоя. Полученные результаты исследований учтены при разработке и изготовлении конструкции АПГ с многократной инверсией контактирующих фаз [3, 10].
7. Выводы
Таким образом, из вышеизложенного ясно, что прямоточные секционированные аппараты погружного горения с многократной инверсией фаз обладают рядом существенных преимуществ в сравнении с другими бар-ботажными аппаратами аналогичного назначения (например, газлифтными):
а) обеспечивают высокую эффективность контакта фаз;
б) гарантируют стабильную работу в широком диапазоне нагрузок по газу и жидкости;
в) обеспечивают большое время пребывания жидкости в ступени контакта;
г) обеспечивают большое время контактирования жидкости с газом (в особенности, при использовании эжекционных контактных устройств);
д) обеспечивают режим полного перемешивания жидкости в ступени контакта;
е) обеспечивают режим отсутствия обратного перемешивания жидкости между ступенями контакта;
ж) обеспечивают транспортировку жидкости газом на более высокую отметку, что во многих случаях позволяет упростить топологию ХТС;
з) просты по конструкции и в эксплуатации;
и) позволяют осуществить неадиабатический режим взаимодействия фаз путем размещения теплообменных элементов внутри секций;
к) обеспечивают высокую интенсивность процессов.
Отмеченные преимущества, оригинальность и простота аппаратов погружного горения с многократной инверсией фаз позволили защитить их патентами Украины [10] и оборудовать ими контактно-модульную систему, предназначенную для обогрева зданий различного промышленного, коммунального, сельскохозяйственного назначения [1].
TECHNOLOGY AUDiT AND PRODUCTiON RESERVES — № 4/1(24], 2015
63-J
Литература
1. Товажнянский, Л. Л. Теплоэнергетика погружного горения в решении проблем теплоснабжения и экологии Украины [Текст] / Л. Л. Товажнянский, Л. П. Перцев, В. П. Ша-порев и др. // Интегрированные технологии и энергосбережение. — 2004. — № 3. — С. 3-12.
2. Алабовский, А. Н. Аппараты погружного горения [Текст] /
A. Н. Алабовский, П. Г. Удыма. — Москва: МЭИ, 1994. — 256 с.
3. ТУ У 29.7-02070758-001: 2008. Универсальный нагреватель технологических жидкостей УНТЖ-101.01 [Текст]: техническое описание. — Днепропетровск, 2008.
4. Кафаров, В. В. Основы массопередачи. Системы газ — жидкость, пар — жидкость, жидкость — жидкость [Текст] /
B. В. Кафаров. — Москва: Высшая школа, 1979. — 439 с.
5. Задорский, В. М. Интенсификация газожидкостных процессов химической технологии [Текст] / В. М. Задорский. — Киев: Техника, 1979. — 198 с.
6. Рейхсфельд, В. С. Реакционная аппаратура и машины заводов основного органического синтеза и синтетического каучука [Текст] / В. О. Рейхсфельд, В. С. Шеин, В. И. Ермаков; под общ. ред. В. О. Рейхсфельда. — Л.: Химия, 1975. — 391 с.
7. Батунер, Л. М. Процессы и аппараты органического синтеза и биохимической технологии. Методы расчета [Текст] / Л. М. Баутнер. — М.; Л.: Химия, 1966. — 520 с.
8. Жоров, Ю. М. Расчеты и исследования химических процессов нефтепереработки [Текст] / Ю. М. Жоров. — М.: Химия, 1973. — 213 с.
9. Задорский, В. М. Совершенствование конструкции регулярных насадок для промышленных массообменных аппаратов [Текст] / В. М. Задорский и др. // Журнал прикладной химии. — 1982. — № 8. — С. 1784-1790.
10. Апарат зануреного згорання [Текст]: Ршення на видачу пат. Украши № 6195/ЗУ/15 вщ 15.04.2015 / Школьський, В. 6., Задорський, В. М.
РОЗРОбКА i ДОСЛЩЖЕННЯ АПАРАТШ ЗАНУРЕНОГО ГОРШНЯ З бАГАТОРАЗОВОЮ ЖВЕРЫЕЮ ФАЗ
В данш робота приведен! результаты дослщжень явища багаторазово! шверсй фаз для висхщних газорщинних потогав в апаратах заглибленого горшня (АЗГ). Вперше показано, що оргашзащя багаторазово! ¡нверсй контактуючих фаз газ — рщина в прямоточному АЗГ встановленням по висот сепарацшних реш^ок або клапанних таршок штенсифшуе тепломасообмш i вигщно вир1зняе !х вщ барботажних апара^в аналопчного призначення.
Ключовi слова: теплообмш, апарати зануреного горшня, барботаж, шверая фаз, енергоефективнють, контактно-модульна система, сепарацшна зона.
Никольский Валерий Евгеньевич, кандидат технических наук, доцент, кафедра энергетики, Украинский государственный химико-технологический университет, Днепропетровск, Украина, e-mail: iresh1@mail.ru.
Школьський Валерт Свгенович, кандидат техтчних наук, доцент, кафедра енергетики, Укратський державний хжжо-тех-нологiчний утверситет, Днтропетровськ, Украта.
Nikolsky Valery, Ukrainian State Chemical-Technology University, Dnepropetrovsk, Ukraine, e-mail: iresh1@mail.ru
I 64
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ АУДИТ И РЕЗЕРВЫ ПРОИЗВОДСТВА — № 4/1(24], 2015
