CC BY
18
За результатами дослиджень методом математичного моделювання вперше вста-новлена протилежтсть впливу щiльностi зрошення на коефщенти тепло - i масо-передачi, що обумовлюе екстремальний характер залежностi кiлькостi абсорбо-ваного холодоагенту вид витрати слабкого розчину
Ключовi слова: неiзотермiчна абсорбщя, плiвковi апарати, закономiрностi
По результатам исследований методом математического моделирования впервые установлена противоположность влияния плотности орошения на коэффициенты тепло - и массопередачи, что определяет экстремальный характер зависимости количества абсорбированного холодоагента от расхода слабого раствора
Ключевые слова: неизотермическая абсорбция, пленочные аппараты, закономерности
By mathematical modeling was first installed opposite effect of the density of irrigation on the heat transfer and of mass transfer coefficients. Defined extreme nature of relationship between the amounts absorbed from the refrigerant flow of weak solution
Key words: nonisothermal absorption, streamline apparatus, patterns
УДК 661.53:66.042.2
ЗАКОНОМ1РНОСТ1 ТЕПЛО - I МАСОПЕРЕНЕСЕННЯ В ПРОЦЕС1 НЕ1ЗОТЕРМ1ЧНОТ АБСОРБЦП АМ1АКУ ВОДОАМ1АЧНИМ РОЗЧИНОМ У ПЛ1ВКОВИХ АПАРАТАХ
А.К. Баб^ченко
Кандидат техычних наук, професор*
В. I. Тошинський
Доктор техшчних наук, професор, завщуючий кафедрою*
I. Л . Красников
Кандидат техычних наук, доцент* *Кафедра автоматизаци хiмiко-технологiчних систем та
еколопчного мошторингу Нацюнальний техычний уыверситет «Хармвський
пол^ехшчний шститут» ул. Фрунзе, 21, м. Хармв, УкраТна, 61002
1. Вступ
Можлившть утилiзащi низько потенщально! те-плоти сприяло широкому застосуванню водоамiач-них абсорбцiйних холодильних установок (АХУ) у великотоннажних агрегатах синтезу АМ-1360, для охолодження циркуляцшного газу у блощ вторинноi конденсацii з метою вилучення продукцшного амiа-ку. Паралельно з АХУ у цьому блощ застосовуеться
i амiачний турбокомпресорний холодильний агрегат (АТК) iз споживанням електроенергп понад 4 тис. кВт год, що складае майже 40% вщ загального спожи-вання електроенергii агрегатом синтезу. Тому задача шдвищення ефективносп (холодопродуктивностi) АХУ i зниження навантаження на АТК, а то i взагалi виключення ii зi схеми становить для агрегапв синтезу одну з актуальних проблем.
Проведеш попереднi дослiдження i аналiз лиера-тури [1,2] свiдчать, що холодопродуктившсть АХУ визначаеться кратнiстю циркуляцii, зниження якоi забезпечуе збiльшення холодопродуктивностi. В
свою чергу зниженню кратностi циркуляцп в значнiй мiрi сприяе зб^ьшення зони дегазацii розчинiв, що вимагае за постшносп концентрацii слабкого розчи-ну пiдвищення концентрацii мiцного розчину. Величина останньоi визначаеться ефектившстю тепло - i масоперенесення в процеа неiзотермiчноi абсорбцii, що вщбуваеться в кожухотрубному елементному плiвковому апарать Проте при проектуваннi абсор-берiв АХУ обмежуються лише тепловими розрахун-ками з визначенням термодинамiчних властивостей розчину i холодоагенту у залежностi вiд тиску i температури [3]. За такоi практики проектування концентращя мiцного розчину, що спостерiгаеться в реальних умовах експлуатацп АХУ, не вщповщае проектнiй i завжди нижче И [1]. Крiм того, робота абсорбера вщбуваеться за умов постiйноi змiни зовнiшнiх навантажень (температури i концентрацii слабкого розчину, тиску абсорбцп), що пов'язано, в основному, з коливанням температури атмосферного повиря внаслiдок застосування апаратiв повiтряного охолодження, як в циклi АХУ, так i блоцi первинноi
уз
конденсацп. З'ясування закономiрностей процесiв тепло - i масо перенесення з визначенням кiлькiсних залежностей впливу зовнiшнiх навантажень на величину концентрацп мщного розчину i становило предмет подальших дослiджень.
2. Методика i результати дослщжень
Дослiдження проводились шляхом математичного моделювання iз застосуванням експериментально от-риманих рiвнянь для коефвденпв тепловiддачi з боку розчину аР та долi активно! поверхнi масообмшу ф[4]:
де ар- теплопровiднiсть розчину, Вт/м2К; рр-
гу-
ар = 5,824 ■ 108(Хрppgг / црА^Мн )0'25 ■ Г-
(1)
р = 10,68637 + 18,3668Г / рр - 13,72295ю0 - 0,171464^, (2)
ч о
и
н рр
н
и
о
о
о
»^5
•и*
11,7 11,6 11,5
450 400 350 650 550 450
11 10 9 8
40 38 36
36 35,5 35 0,4 0,39 0,38
н СО
С/
ч о (-
\2
о. ^
2гт
ч о
и
1-4
5,5 5,3 5,1
320 280 240 220 0,85 0,8 0,75 0,7
0,04 0,035 0,03 0,025 240 230 220 210
70 75 80 Витрата слабкого розчину Ма, т/год
Рис. 1. Вплив витрати Ма i концентрацп £,а слабкого розчину на основы показники ефективност процесу неiзотермiчноT абсорбци: — £,а=0,3кг/кг; — £,а=0,308кг/кг
ку, кДж/кг; цр - динамiчна в'язюсть розчину, Па с; dH - зовшшнш дiаметр труб, м; Atcp - середньологариф-мiчна рiзниця температур, 0С; g - прискорення в^ь-ного падшня, м/с2; Г - щдльшсть зрощення, кг/мтод; ю0 - наведена швидюсть пари, кг/с; - середньолога-рифмiчна температура розчину, 0С.
На рис. 1 представленi результати дослщжень впливу витрати i концентрацп слабкого розчину за наступних вихвдних даних: температура слабкого розчину ^=43°С, температура води на входi ^Х=26°С, температура пари амiаку на входi ty=50C, витрата води Мв = 420 т/год, тиск абсорбци РА=0,29 МПа.
У вiдповiдностi з рис. 1 виходить, що залежшсть для юлькоси абсорбованого холодоагенту (амiаку) Му мае екстремальний характер i пояснюеться про-тилежним впливом витрати слабкого розчину Ма на коеф^енти теплопереда-чi Кт i масопередачi КХ. Так при концентрацii £,а=0,308 кг/ кг пiдвишення витрати Ма з 70 до 75 т/год призводить до незначного зб^ьшення Му з 11,5 т/год до максимального значення 11,545 т/год, тобто на 0,4% (0,045 т/год). Це об-умовлено шдвищенням умов-ного коефвденту масопереда-чi на 10,55% (з 251 кг/м2 год до 277,5 кг/м2 ) за рахунок зб^ьшення коеф^енту ма-совiддачi рх з 315 кг/м2 год до 334,7 кг/м2 год, тобто на 6,25%, i долi активно! по-верхнi ф згiдно рiвняння (2) на 0,034 одинищ (4,3%) та значним зменшенням серед-ньо! рушiйноi сили абсорбцii А£,ХР на 10,15% (з 0,03598 кг/кг до 0,03238 кг/кг). Зниження останньо! обумовлено впливом теплообмшу на середню температуру абсорбцii яка iз збiльшенням витрати слаб-
кого розчину з 70 до 75 т/год тдвищуеться з 38,6 до 39,90С. Це пов'язано iз зниженням коефвденту тепловiддачi ар
з боку розчину згщно рiвнян-
ня (1) з 662 до 552 Вт/м2К,
що призводить до зменшен-
ня загального коефiцiенту
теплопередачi Кт з 493,4 до
429,7 Вт/м2К та теплового потоку абсорбера з 5,4 до 5,3 МВт. Зменшуеться при цьому i концентрацiя мiцного розчину £,г з 0,4056 до 0,4 кг/кг та температура води на вихо-дi абсорбера з 36,3 до 360С. Зниження коефiцiенту ар з згiдно рiвняння (1) пов'язано iз зростанням шiльностi
70 75 80 Витрата слабкого розчину Ма, т/год
зрошення Г з 212,37 до 226,45 кг/м год, що в областi плiвкого Рейнольдсу Reпл< Reкp=400 [5] свщчить про суттевий вплив на перенос теплоти товщини плiвки (на рис. 1 вщсутня), яка зростае з 0,419 до 0,425 мм.
Концентращя слабкого розчину £,а, як сввдчать за-лежностi на рис. 1, не суттево впливае на основш по-казники роботи абсорбера. Так зменшення ^ з 0,308 до 0,3 кг/кг обумовлюе, наприклад на рiвнi витрати слабкого розчину 70 т/год, зменшення долi активноi поверхш ф з 0,7981 до 0,6929 за рахунок чого зменшу-еться умовний коефвдент масопередачi Кх з 250,65 до 216,9 кг/м2год , а середня рушшна сила зростае з 0,035986 до 0,041912 кг/кг. За таких обставин юльюсть абсорбованого холодоагенту дещо збшьшуеться з 11,5 до 11,59 т/гол, тобто лише на 0,8%, а концентращя мщ-ного розчину знижуеться з 0,4056 до 0,3994 кг/кг. При цьому зниження концентрацп £,а не суттево впливае на теплообмшш процеси.
Значно суттевший вплив на процес абсорбцп мае тиск, графiчнi залежносп для якого наведеш на рис. 2, що отримаш за наступних вихщних даних: ta=500C, tBX =240С, ^=70С, мв=420 т/год, Ма=70 т/год, ^=0,288 кг/кг.
ч о 1-
н И
н
ч о
и
1-4
ч о (-
а
О
4
<
11 10 9
500 480 460 212 210 208
200 180
10 9
0,05 0,04 0,03
ч о
и
н РР
н
О
Мл
6,5
6,0
5,5
32
30
38 37 36
0,39 0,38 0,37
0,7
0,65
0,6
0,2
0,2
0,25 РА, МПа
0,3
Рис. 2. Вплив тиску абсорбцп РА на основы показники ефективност процесу тепло - \ масообмшу в абсорбер!
Шдвищення тиску, наприклад з 0,2 до 0,25 МПа сприяе зб^ьшенню юлькоси абсорбованого холодоагенту з 8,17 до 10,07 т/год (на 23%), що обумовлено б^ьш значним ростом середньоi рушiйноi сили Д£,ХР з 0,0298 до 0,0394 кг/кг (на 30%), у порiвняннi iз зменшенням умовного коеф^енту масопередачi Кх з 214,7 до 200 кг/м2год (на 7%). Зростання Му викли-кае шдвищення концентрацп £,г, щiльностi зрошення Г , зменшення зпдно рiвняння (1) коеф^енту те-пловiддачi ар, а отже i коефiцiенту теплопередачi Кт з 515 до 492 Вт/м2К. Зниження останнього призво-дить до зб^ьшення температури мiцного розчину ^ i води на виходi абсорбера ^Ь1х. При цьому зростае середня рiзниця температур Д;ср i загальний тепло-вий потж з 5,5 до 6,1 МВт.
Проте надмiрне пiдвищення тиску понад 0,3 МПа недощльне у зв'язку iз збiльшенням за та^ умови температури кипiння вище -100С у мiжтрубному про-сторi випарника, що викликае зниження середньоi рiзницi температур у ньому i, як наслщок падiння хо-лодопродуктивностi АХУ.
Значний штерес викликають результати дослщ-жень кiлькiсного впливу температури слабкого розчину ta на процес абсорбцп, зниження якоi мае сприяти зменшенню питомого теплового навантаження, а отже за постшноси загального теплового потоку пiдвищенню кiлькостi абсорбованого холодоагенту Му. На рис. 3 представлен цi кiлькiснi залежностi за наступних вихщних даних: Мв=420 т/год, Ма =70 т/год, tBX=240C, ^=70С, £,а=0,288 кг/кг.
У вiдповiдностi з рис. 3 збшьшен-ня температури як i очiкувалось негативно впливае на ефектившсть неiзотермiчноi абсорбцп, незважаючи на пiдвищення коефiцiенту масопере-дачi. Це обумовлено бiльш суттевим впливом зниження середньоi рушш-ноi сили Д^СР у порiвняннi з незначним збшьшенням долi активноi поверхш ф масообмiну, зростання якоi пов'язано в основному iз зниженням швидко-стi холодоагенту Ю0, що поглинаеть-ся. При цьому зростання тиску, як вже ввдзначалось, сприяе зб^ьшенню кiлькостi абсорбованого холодоагенту, тдвищенню коефiцiента теплопе-редачi, середньоi рiзницi температур i, як наслiдок, теплового потоку
Розглянутi залежностi дозволя-ють зробити висновок про можли-вкть за постiйностi тиску абсорбцп не вище 0,3 МПа тдвищити юльюсть абсорбованого холодоагенту у порiв-нянш з проектною (10,8 т/год), а отже i холодопродуктивнiсть за iснуючих конструктивних характеристик абсорбера шляхом забезпечення витра-ти слабкого розчину МА на оптимальному рiвнi 75 кг/кг, а температури цього розчину ta на якомога низь-
/
\
0,25 эа, МПа
0,3
«
H
m
H
< a
о
о
P
'P
470 460 450 8 7 6 13 12 11 10
О 40
О
^ 35 30
U 0,41
(- « 0,4
0,39
U « 0,12
(- «
0,11
-м-
0,1
45 49 53 57 Температура слабкого розчину ta,°C
О
о
X "
3
м m
Ч О
«
Э.
§V
ч о
41 39 37 210 200 190 180
170 0,62 0,58 0,54 0,50
0,062 0,052 0,042
14 13 12
45 49 53 57 Температура слабкого розчину ta,°C
Рис. 3. Залежшсть показнимв ефективносп роботи абсорбера вщ температури слабкого розчину ta i тиску PA: — PA =0,3МПа;---PA =0,4 МПа
кому значенш. Проте виконання останньо'1 умови вимагае за по-стшносп тиску i тепловiдводу в генераторi АХУ збiльшення кон-центрацiï слабкого розчину, що сприятиме зниженню температури в ^6i генератора та пщвищен-ню середньо'1 рiзницi у ньому, а отже i юлькосп холодоагенту, що випаровуеться. Тому остаточне юльюсне визначення цих показ-ниюв вимагае сумiсного розгля-ду процеив як в абсорберi так i в генераторь
3. Висновки
За результатами дослщжень шляхом математичного моде-лювання вперше встановлена протилежшсть впливу шдль-ностi зрошення на коефiцiенти тепло - i масопередач^ що обу-мовлюе екстремальний характер залежносп кiлькостi абсорбова-ного холодоагенту вщ витрати слабкого розчину, оптимальна величина яко'1 для промислово-го абсорбера АХУ блоку вторин-но'1 конденсацiï складае 75 т/год. Визначеш кiлькiснi залежно-ст впливу основних зовнiшнiх факторiв збурень та встановлеш умови можливого тдвищення холодопродуктивностi, зокрема за рахунок стабШзацп темпера-тури слабкого розчину на яко-мога низькому значеннi, а його витрати на оптимальному рiвнi.
Встановлеш напрямки по-дальших дослщжень для забез-печення збiльшення кшькоси холодоагенту з генератора-рек-тифiкатора за рахунок пщвищен-ня середньо'1 рiзницi температур.
Лiтература
1. Баб1ченко А.К. З питания тдвищення ефективност експлуатацп абсорбцшно-холодильних установок агрегапв синтезу ам1аку/ А.К. Баб1ченко, В.1. Тошинський// Восточно-европейский журнал передовых технологий . - 2009. - № 2/4 (38) . - с. 29 - 32.
2. Бадылькес И.С. Абсорбционные холодильные машины/ И.С. Бадылькес, Р.Л. Данилов. - М.: Пищевая промышленность, 1966. - 365 с.
3. Бамбушек Е.М. Тепловые и конструктивные расчеты холодильных машин: учеб. пособие для вузов по специальности «Холодильные и компрессорные машины и установки»/ Е.М. Бамбушек, Е.Д. Бухарин, В.А. Герасимов и др.; под. ред. И.А. Саку-на. - Л.: Машиностроение, 1987. - 423 с.
4. Баб1ченко А.К. Застосування математичного моделювання для д1агностики показнигав ефективност процеав тепло - 1 масообмшу в абсорберах тепловикористуючих холодильних установок агрегайв синтезу ам1аку/ А.К. Баб1ченко, В.1. Тошинсь-кий// Вопросы химии и химической технологии. - 2009. - № 6 . - с. 107 - 111.
5. Федоткин И.М. Интенсификация теплообмена в аппаратах химических производств/ И.М. Федоткин, В.Р. Фирисюк. - К.: Техшка, 1971. - 216 с.
