CC BY
17
УДК 536.7:544.3.01
СИСТЕМА СБОРА ЛОКАЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОТОКА В ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ РЕКТИФИКАЦИОННОЙ КОЛОННЕ
Александр Николаевич Павленко
Институт теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 1, доктор физико-математических наук, член-корреспондент РАН, зав. лабораторией низкотемпературной теплофизики, тел. (383)328-43-87, e-mail: [email protected]
Александр Дмитриевич Назаров
Институт теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 1, доктор технических наук, старший научный сотрудник, тел. (383)330-64-66, e-mail: [email protected]
Владимир Егорович Жуков
Институт теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 1, кандидат технических наук, старший научный сотрудник, тел. (383)330-87-00, e-mail: [email protected]
Николай Богданович Миськив
Институт теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 1, лаборант; Новосибирский государственный технический университет, 630073, Россия, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20, магистрант, тел. (383)330-64-66, e-mail: [email protected]
Николай Иванович Печеркин
Институт теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 1, кандидат технических наук, старший научный сотрудник, тел. (383)330-87-00, e-mail: [email protected]
Гао Синь
Институт теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 1, доктор технических наук, старший научный сотрудник, тел. (383)330-87-00, e-mail: [email protected]
Хонг Суй
Институт теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 1, доктор технических наук, профессор, старший научный сотрудник, тел. (383)330-87-00, e-mail: [email protected]
Бен Цзян
Институт теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 1, доктор технических наук, профессор, ведущий научный сотрудник, тел. (383)330-87-00, e-mail: [email protected]
В работе описывается автоматизированный комплекс регистрации, сбора и хранения данных с системой позиционирования датчиков в заданные координаты измерительного сечения (0,64 м ) крупномасштабной экспериментальной дистилляционной установки, работающей с агрессивной смесью фреонов R114 и R21. Приведено описание разработанного расходомера локального капельно-струйного потока под структурированной насадкой и уровнемера течения пленки по внутренней стенке колонны.
Ключевые слова: устройство позиционирования, ректификация, струйно-капельный поток, автоматизация эксперимента, расходомер, высокоскоростная видеосъемка структуры потока.
COLLECTION SYSTEM OF LOCAL FLOW CHARACTERISTICS IN EXPERIMENTAL DISTILLATION COLUMN
Alexandr N. Pavlenko
Kutateladze Institute of Thermophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 17 Âkademik Lavrentiev Prospect, Corresponding Member of the Russian Academy of Sciences, D. Sc., Head. the low temperature of the Laboratory of Thermal Physics, tel. (383)328-43-87, e-mail: [email protected]
Alexandr D. Nazarov
Kutateladze Institute of Thermophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 17 Âkademik Lavrentiev Prospect, D. Sc., tel. (383)330-64-66, e-mail: [email protected]
Vladimir E. Zhukov
Kutateladze Institute of Thermophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 17 Âkademik Lavrentiev Prospect, Ph. D., Senior Scientist, tel. (383)330-87-00, e-mail: [email protected]
Nikolay B. Miskiv
Kutateladze Institute of Thermophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 17 Âkademik Lavrentiev Prospect, assistant; Novosibirsk State Technical University, 630073, Russia, K. Marks pr., 20, Student, tel. (383)330-64-66, e-mail: [email protected]
Nikolay I. Pecherkin
Kutateladze Institute of Thermophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 17 Âkademik Lavrentiev Prospect, Ph. D., Senior Scientist, tel. (383)330-87-00, e-mail: [email protected]
Gao Xin
Kutateladze Institute of Thermophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 17 Âkademik Lavrentiev Prospect, D. Sc., Senior Scientist, tel. (383)330-87-00, e-mail: [email protected]
Hong Sui
Kutateladze Institute of Thermophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 17 Âkademik Lavrentiev Prospect, D. Sc., Senior Scientist, tel. (383)330-87-00, e-mail: [email protected]
Bin Jiang
Kutateladze Institute of Thermophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 17 Âkademik Lavrentiev Prospect, D. Sc., Leading Scientist, tel. (383)330-87-00, e-mail: [email protected]
The paper describes the automated system with the coordinate sensor positioning system at predetermined coordinates of the measuring section of the large-scale distillation column.
Key words: rectification, jet-droplet stream, movement position device, automation of experiment, flowmeter, high-speed video of stream structure.
Введение
В ряде технологий, использующих оросительные системы, распределение потоков орошающей жидкости по сечению аппарата существенно влияет на его эффективность. Неравномерное распределение жидкости по сечению может привести к ухудшению теплообмена в градирнях, контактных теплообменниках, оросительных конденсаторах, к неравномерному протеканию реакций в химических реакторах, к ухудшению массобмена в насадочных ректификационных колоннах [1 - 3]. Следствием этого является снижение эффективности и надежности работы тепломассообменных аппаратов. Поэтому разработка и создание приборов и методик исследования потоков в таких системах является актуальной задачей.
При диаметре массообменной колонны порядка 1 метра необходимо было в выбранной точке обеспечить сбор локального капельно-струйного потока приемником круглого сечения диаметром не более 30 мм. Условия эксперимента определяли позиционирование приемника с достаточно малым шагом, при котором время эксперимента в зависимости от затрат на перемещение датчиков и набор статистики могло занимать до нескольких десятков часов. Оснащение экспериментальным оборудованием крупномасштабной массообменной установки позволяет проводить исследования по максимально полной экспериментальной программе, не затрачивая время на переборку колонны, и получать полный набор измерительной информации для анализа.
Экспериментальное оборудование
Экспериментальная установка представляет собой массообменную фреоновую колонну со сменными структурированными насадками (рис. 1) высотой 6 метров и диаметром 0.9 метра. Режимы течения потоков задаются системой распределения [3], состоящей из 128 электромагнитных клапанов, открытие и закрытие которых осуществляется индивидуально по программе. Многоканальная система измерения, установленная в трех, различных по высоте сечениях насадки, регистрирует распределение температуры в режиме реального времени. Для исследования локальных параметров потока в колонне после структурированной насадки установлена измерительная секция, включающая в себя комплекс датчиков на устройстве позиционирования.
Рис. 1. Схема экспериментальной установки
Система позиционирования представляет собой подвижную каретку, перемещающуюся по направляющим флюгера, который имеет полную ось вращения на 360° в центре колонны. Каретка с датчиками может перемещаться от стенки колонны до оси вращения флюгера. Движение каретки вдоль радиуса и флюгера по азимуту осуществляется двумя шаговыми двигателями ШД-4М с помощью цифрового привода по программе из компьютера. Шаговые приводы соединены с системой редукторов и передают вращательное движение посредством тросовой передачи. Перемещение каретки вдоль радиуса на один шаг двигателя составляет 0,01 мм, по азимуту - 0,02°. Для ограничения движения флюгера и каретки, а так же задания их начального и конечного положений в системе редукторов шаговых двигателей устанавливаются концевые выключатели. Положение каретки с измерительными приборами контролируется при помощи потенциометров, подвижные выводы которых вращаются с шаговыми двигателями. Путь обхода, минимальное перемещение между точками измерения по радиусу и углу задается с компьютера оператором эксперимента.
На подвижной каретке измерительной секции (рис. 2) установлен локальный измеритель пленочного потока, разработанный для регистрации жидкости, распространяющейся по внутренней стенке колонны; локальный расходомер струйно-капельного потока, предназначенный для измерения локального расхода жидкости, стекающей из нижней части насадки; отборник жидкости для спектрометра и электронный термометр, регистрирующий локальную температуру потока.
Рис. 2. Измерительная секция
Принцип действия расходомера локального потока основан на измерении средней скорости потока в трубопроводе с известной площадью поперечного сечения. Скорость жидкости в калиброванном трубопроводе определяется по времени дрейфа парового пузыря от генератора до оптоэлектронной пары регистратора метки. Диапазоны расхода для пузырькового расходомера и пристенного уровнемера составляют 10 см3/с и 1,5 см3/с соответственно. Погрешность измерения локального потока под насадкой и на стенке колонны составляет 3 %.
Для регистрации структуры и параметров паро-капельного потока на входе и выходе структурированной насадки также используется метод высокоскоростной видеосъемки с использованием камеры Phantom 7.0, осуществляемой через оптические окна, установленные в разных секциях дистилляционной колонны. Данная монохромная видеокамера дает возможность производить видеосъемку со скоростью 4800 кадров в секунду при разрешении 800x600 и разрядности 12 бит.
На рис. 3 приведена схема обхода сечения колонны под насадкой, датчиками, установленными на каретке системы позиционирования. На рис. 4 показано распределение локального расхода смеси под насадкой по сечению колонны.
мм Рис.
3. График измерительных точек Рис. 4. Распределение локального
расхода по сечению под насадкой
Заключение
В работе описан разработанный автоматизированный измерительный комплекс, позволяющий исследовать параметры капельно-струйного потока и концентрации смеси рабочей жидкости в тепломассобменных аппаратах. Созданный комплекс позволяет автоматически проводить измерения параметров длительные промежутки времени, получать и хранить данные от единиц до тысячи измерений по выбранному оператором пути обхода и шагом по радиусу и углу.
Исследование выполнено в ИТ СО РАН за счет гранта Российского научного фонда (проект № 14-49-00010).
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Pavlenko A.N., Pecherkin N.I., Chekovich V.Yu., Zhukov V.E., Sunder S., Houghton P., Serov A^., Nazarov A.D. Large industrial-scale model of structured packing distillation column // Journal of engineering thermophysics. 2005. Vol. 13. No.1. P. 1-18.
2. Pavlenko А. N., Zhukov V. E., Pecherkin N. I., Chekhovich V. Yu., Volodin O. A., Shilkin A., Grossmann C. Investigation of flow parameters and efficiency of mixture separation on a structured packing // AIChE J. 2014. Vol. 60. Is. 2. P. 690-705.
3. Павленко А.Н., Жуков В.Е., Печеркин Н.И., Назаров А.Д., Серов А.Ф., Миськив Н.Б., Li X., Jiang B., Sui H., Li H., Gao X. Экспериментальное исследование эффективности разделения смесей при дистилляции на структурированной насадке с использованием динамически управляемого распределителя жидкости // 2015. Сборник докладов "XXXII Сибирский теплофизический семинар". P. 216-217.
© А. Н. Павленко, А. Д. Назаров, В. Е. Жуков, Н. Б. Миськив, Н. И. Печеркин, Гао Синь, Хонг Суй, Бен Цзян, 2016
