Сравнения контактно вихревого конденсатора с закрученным потоком с поверхностными вихревыми и кожухотрубными конденсаторами Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 66.021.4

Л. Н. Москалев, С. И. Поникаров, И. И. Поникаров,

В. В. Алексеев

СРАВНЕНИЯ КОНТАКТНО ВИХРЕВОГО КОНДЕНСАТОРА С ЗАКРУЧЕННЫМ ПОТОКОМ С ПОВЕРХНОСТНЫМИ ВИХРЕВЫМИ И КОЖУХОТРУБНЫМИ КОНДЕНСАТОРАМИ

Ключевые слова: контактно вихревые конденсаторы с закрученным потоком, поверхностные вихревые конденсаторы,

кожухотрубные конденсаторы, градирни.

Исследована эффективность контактно вихревого конденсатора с закрученным потоком при потреблении воды на конденсацию 1 кг водяного пара. Построен график сравнения контактно вихревого конденсатора с тангенциально закрученным потоком с поверхностными вихревыми и кожухотрубчатыми конденсаторами. Определена эффективность контактно вихревого конденсатора с тангенциально закрученным потоком, которая составила приблизительно 96%.

Keywords: contact condensers with a twisted vortex flow, the surface vortex capacitors, shell and tube condensers, cooling towers.

The efficiency of the vortex contact condenser with a twisted flow of the consumption of water per 1 kg of condensation of water vapor. Constructed a graph comparing the vortex contact condenser twisted flow tangentially to the surface and the vortex shell and tube condensers. The efficiency of the vortex contact condenser tangentially twisted flow, which amounted to approximately 96%.

Одной из важнейших проблем стоящих перед предприятиями РФ является неэффективное использование энергии и природных ресурсов, а также негативное влияние на экологию и экономику нашей страны. Согласно указу Президента РФ поставлена задача по снижению энергоемкости российской экономики к 2020 году практически вдвое. Как известно, в мире происходит изменение климата и считается что в России из-за летней жары произошло обмеление рек, что привело к повышению цен на электроэнергию [1]. На всех химических, нефтехимических предприятиях и ТЭЦах используется известная схема оборотного водоснабжения рис. 1

Вода -

Неочищенный! водяной пар

1_г-

и^Кондеї

Сепарация, фильтраций

Технологические

процессы

•г

J----^ £-----L

Л Градирня Г

Технологические

процессы

Рис. 1 - Схема оборотного водоснабжения

Рассмотрим достоинства и недостатки технологических аппаратов в представ-ленной выше схеме:

а) кожухотрубные конденсаторы, являются поверхностными аппаратами, необходимы для проведения процессов конденсации и охлаждения водяных паров, которые происходят без соприкосновения рабочих сред, т.е. теплопередача через разделяющую стенку и отсутствие загрязнения одного теплоносителя другим. Однако эти аппараты обладают некоторыми недостатками, а именно [2]:

1. металлоемкость;

2. образование накипи и хим. отложений, что приводит к забивке трубок в трубном пространстве и межтрубного пространства и в последствии чистка или замена трубок;

3. интенсивная коррозия;

б) градирни являются контактными аппаратами, т.е. охлаждение происходит благодаря

соприкосновению рабочих сред. Но и эти аппараты обладают недостатками [3]:

1. унос капельной влаги;

2. выброс вредных веществ, твердых частиц;

3. паровой факел в атмосферу, что отрицательно влияет на экологию;

4. шум;

5. большие габариты, необходимо иметь значительную территориальную площадь.

Как показывает практика, градирни построенные 20-40 лет тому назад к настоящему времени морально и физически устарели и требуют значительно капиталовложения для их ремонта, либо восстановления. Самый главный недостаток - это безвозвратные потери воды в окружающую среду, по [4] предполагается 0,01% -3%.

Кроме градирен, для проведения процесса конденсации в контактных аппаратах, широкое применение нашли различные контактные аппараты: конденсаторы смешения, барометрические конденсаторы, струйные тепломассообменники и т.д.

В нефтехимической промышленности контактные аппараты используют во многих производствах, например: контактные конденсаторы и испарители хлора; охладители ацетилена; аппараты для охлаждения газов при получении аммиачной селитры; для охлаждения воздухом катализатора при контактном производстве серной кислоты; в установках деминерализации и очистки сточных промышленных вод; градирни в замкнутых системах охлаждения воды и др.

В теплоэнергетике контактные аппараты используются для утилизации тепловой энергии уходящих газов котельных, дизельных и газотурбинных установок; получения нагретой воды в контактных водонагревателях; испарительного охлаждения и конденсации пара в барометрических конденсаторах выпарных установок [2].

Однако - использование традиционного колонного, насадочного или тарельчатого оборудования сдерживается низкой эффективностью и производительностью противоточного воздействия фаз [5].

Данная работа посвящена сравнениям экспериментальных исследований конденсации: в

различных поверхностных [5, 6] и контактно

вихревых аппаратах. Экспериментальные

исследования процесса конденсации проводились в контактно вихревом аппарате, с тангенциальной закруткой потока, опытной установки рис.2 [7, 8]. Рабочей средой служил водяной пар. На рис.3 представлен график показывающий необходимый расход воды для конденсации 1 кг водяного пара в различных аппаратах по данным приведенным в литературе [5, 6] и экспериментальным данным.

Н, *•

Л

II 11

II II

ІМ1

№ / /і і / і і \ і и

ж

1а

Ні

-в.

Рис. 2- Схема экспериментальной установки с контактно вихревым аппаратом

_циклон 1 -ВЗПп

- Линия энтальпии

1'циклон 2 “прямой ввод п -300-КЦС-1

■ циклон 3 “прямой ввод пара 2 — К-15 240

■ Контактный конденсатор -К-11520-2

Рис. 3 - Расход воды на конденсацию 1 кг водяного пара

300-КЦС-1 (кожухотрубный конденсатор

цилиндрический секционный)

1, но с

1, но с

К-15240 и К-11540 - 2 (кожухотрубные конденсаторы);

циклон 1 - ввод пара в аппарат

осуществляется через одну обойму, расположенную сверху циклона;

циклон 2 - аналогично циклону пониженным расходом воды;

циклон 3 - аналогично циклону повышенным расходом водяного пара;

ВЗПс - взаимодействующие закрученные потоки со спутной закруткой с двумя вводами пара, расход охлаждающей воды такой же как у циклона 1 расход водяного пара эквивалентен циклону 3

ВЗПп - взаимодействующие закрученные потоки с противоточной закруткой расходы водяного пара и охлаждающей воды аналогично ВЗПс

прямой ввод 1 пар подается без закрутки, расход водяного пара и воды как в циклоне 1;

прямой ввод 2 пар повышенный также без закрутки, расход водяного пара и воды как в циклоне 1 контактно вихревой конденсатор с двойной тангенциальной закруткой водяного пара, вода подавалась через центробежную форсунку.

Линия энтальпии - это линия, ниже которой конденсация водяного пара, при заданных параметрах, не возможна.

На данном графике видно, что процесс конденсации, независимо от конструкции аппарата, начинается по истечению, приблизительно, 5 минут после пуска аппарата. Из сравнения полученных результатов можно сделать выводы, что для конденсации водяного пара потребление охлаждающей воды у кожухотрубных конденсаторов, по сравнению с вихревыми поверхностными конденсаторами, больше. А потребление воды в контактно вихревых аппаратах с закрученным потоком значительно меньше, чем в выше рассматриваемых аппаратах.

Эффективность предлагаемого контактно вихревого конденсатора определяется по формуле: АОп

є =

ДОв

100%

ДОп = Сп (Іп — ІК)

ДОв* = Св • (Гвых - Івх) где ДОп - количество тепла необходимое для генерирования 1 кг водяного пара, кДж;

ДОв* - количество тепла, необходимое для начала процесса конденсации и охлаждения 1 кг водяного пара до заданной температуры в °С, кДж;

Сп - количество водяного пара на входе в аппарат, кг;

Іп - энтальпия водяного пара на входе в аппарат, кДж/кг;

Ік - энтальпия конденсата на выходе из аппарат, кДж/кг;

Св - количество воды используемое при конденсации и охлаждении 1 кг водяного пара, кг;

;Ж

і вых - энтальпия воды на выходе из аппарата, кДж/кг;

Івх - энтальпия охлаждающей воды на входе в аппарат, кДж/кг.

На основании выше указанной формулы вычислена эффективность рассматриваемого контактно вихревого конденсатора с тангенциально закрученным потоком.

Представленные данные в таблице 1 показывают, что наиболее приближенные по эффективности следующие аппараты: циклон, ВЗПс, контактно вихревой аппарат с тангенциально закрученным потоком.

Таблица 1 - Показатели эффективности

Основное достоинство данных аппаратов -это отсутствие потерь воды в окружающую среду, вода циркулирует в замкнутом пространстве.

Расход хладагента в контактно вихревом аппарате (воды, рассола), как показано на графике рис.1 будет приблизительно в 9 - 10 раз меньше, чем на существующих конструкциях кожухотрубных конденсаторах. И в 3-6 раз ниже, чем в поверхностных вихревых аппаратах с закрученным потоком.

Таким образом, эффективность контактно вихревого конденсатора с закрученным потоком

достаточно высока, а потребление воды на конденсацию 1 кг водяного пара значительно меньше в сравнении с поверхностными конденсаторами.

Основной задачей работы в будущем является: повышение эффективности и понижении температуры конденсата за счет внутренних устройств (насадок).

Литература

1. Энергоэффективность в России: скрытый резерв. Отчет подготовлен группой банка в тесном сотрудничестве с Центром по эффективному использованию энергии (ЦЭНЭФ), 2008. - 166 с.

2. Таубман, Е.И. Контактные теплообменники / Таубман Е.И., Горнев В.А., Мельцер В.Л. и др. - М.: Химия. 1987. - 256с.

3. Пономаренко, В.С. Градирни промышленных и энергетических предприятий / Пономаренко В.С., Арефьев Ю.И. под. общ. ред. В.С. Пономаренко -М.:Энергоатомиздат:1998. - 376с.

4. СНиП 2.04.02-84 11. Охлаждающие системы

оборотного водоснабжения

5. Ляндзберг, А. Р. Вихревые теплообменники и конденсация в закрученном потоке / Ляндзберг А.Р., Латкин А.С. - Петропавловск-Камчатский: КамчатГТУ, 2004. - 149 с.

6. Нестеров, В.Д. Вихревые динамические

теплообменники / Нестеров В.Д., Васильев Ю.Н. - М.: Недра, 1982. - 160 с.

7. Москалев, Л.Н. Описание экспериментальной установки для проведения исследований процесса конденсации в контактно вихревом аппарате // Вестник Казан. технол. ун-та. -2011. - Т. 14. №14. - 318 с.

8. 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.. - Казань: КНИТУ, 2011. -492 с.

Тип аппарата КПД, £

Поверхностные вихревые аппараты Циклон 1 0,84- -0,97

ВЗПс 0,89- -0,94

ВЗПп 0,86- -0,89

Контактные аппараты Форсуночная камера 0,09- -0,60

С орошаемой насадкой 0,05- -0,21

Ударно-пенный 0,09-0,42

Центробежный 0,21-0,64

Контактно вихревой аппарат с тангенциально закрученным потоком 0,96

© Л. Н. Москалев - зав. лаб. каф. машин и аппаратов химических производств КНИТУ, lejnya@yandex.ru; С. И. Поникаров - д-р техн. наук, проф., зав. каф. машин и аппаратов химических производств КНИТУ, ponikarov_si@kstu.ru; И. И. Поникаров - д-р техн. наук, советник ректора КНИТУ; В. В. Алексеев - канд. техн. наук, доц. каф. машин и аппаратов химических производств КНИТУ.