Исследование процесса конденсации водяного пара из парогазовых смесей различного состава в кожухотрубных теплообменных аппаратах

Актуальность работы.

Кожухотрубные теплообменные аппараты, на поверхности трубок которых происходит пленочная конденсация пара из парогазовой смеси (далее ПГС), широко распространены в промышленности.

Наличие неконденсирующихся газов (далее НКГ) в смеси с паром, поступающим в теплообменные аппараты многих производств, связано с особенностями технологий. Так, вторичный пар, отбираемый из корпусов выпарных аппаратов сахарного завода, содержит большое количество НКГ (диоксида углерода СОг-, аммиак NH3, азот N2, кислород 02 и др.), выделяяющ-ихся из диффузионного свекловичного сока. В конденсационный теплообменник — утилизатор технологической линии производства цементного клинкера мокрым способом поступает смесь продуктов сгорания и испарившейся на этапе обжига клинкера влаги. В охлаждающие теплообменники химических технологий могут поступать смеси пара и диоксида углерода СО2, аммиака NH3, других газов. В теплотехнологических установках эти процессы используются для кондесации аммиака из азотоводородной смеси после синтеза, для фракционированной конденсации углеводородных смесей из газов пиролиза нефтяного сырья, для конденсации органических продуктов в присутствии НКГ, для конденсации азота из азотогеливой смеси в установках очистки гелия от примеси азота и во многих других производствах.

В холодильной технике конденсация паров хладоагентов часто происходит в присутствии небольшого количества воздуха. Пленочная конденсация пара, содержащего примесь НКГ, имеет место в различных элементах энергетических установок: промышленных конденсаторах паротурбинных установок, регенеративных пароводяных подогревателях, охладителях выпара деаэраторов, в конденсаторах парокомпрессионных и пароэжекторных холодильных установок, пароэжекторных и вакуумных насосов. В теплообменных аппаратах конденсационного типа, работающих при давлениях ниже барометрического, всегда присутствуют подсосы НКГ. При работе пароводяных подогревателей в них вместе с греющим паром так же попадает некоторое количество НКГ, в основном диоксида углерода С02.

Практическое использование поверхностного конденсационного теплообменника затруднено из-за сложности и недостаточной точности методов их расчета. Для расчета подобных теплообменных аппаратов кроме переноса теплоты за счет конвекции и конденсации пара необходимо учитывать такие факторы, как наличие Стефанова потока, поперечного потока массы, вызванного отсосом пара из пограничного слоя, термического сопротивления пленки конденсата и гидродинамического воздействие потока газа на пленку.

Вопросу снижения интенсивности тепломассообмена в присутствие НКГ было посвящено большое количество исследований. В результате исследований были получены экспериментальные данные о влиянии присутствия неконденсирующейся примеси на коэффициент теплои массо-отдачи, которые обобщены в критериальных зависимостях и поправочных коэффициентах. Исследования охватили парогазовые смеси различные по составу. Наличие в паре присосов различных НКГ существенно снижает теплоотдачу при конденсации пара. Известно, что даже при небольшом содержании примеси, например, 1% воздуха в смеси с водяным паром, коэффициент теплоотдачи снижается примерно вдвое. Однако, вопрос о влиянии рода НКГ (его теплофизических свойств и молекулярной массы) на передаваемый тепловой поток является недостаточно изученным. Род газа в смеси с водяным паром определяет коэффициент их взаимной диффузии и значение парциального давления пара в зависимости от температуры и концентрации НКГ, а так же физические свойства ПГС в целом. Таким образом, род газа влияет на величину коэффициента массоотдачи, распределения температур и концентраций, т. е. на весь процесс тепломассообмена. На настоящий момент нельзя сказать, как вид смеси повлияет на теплои массообмен, в частности, насколько он будет отличаться от теплообмен смеси водяной пар-воздух.

Основным способом определения теплоотдачи в трубных пучках реальных аппаратов является лабораторный эксперимент, а так же обобщение опытных данных по результатам многочисленных испытаний аппаратов однотипных конструкций [1]. В расчетно-теоретических работах подобные исследования проводились на основе моделей, учитывающие различные особенности процессов тепломассообмена. При этом многие результаты были получены для теплообменной поверхности, температура которой принималась постоянной, а изменение параметров ПГС не учитывалось, что редко наблюдается в реальных теплообменниках. Для упрощения алгоритма расчета в некоторых методиках либо вовсе не учитывалось термическое сопротивление пленки конденсата (при небольших содержаниях пара в смеси), либо его рассчитывали по формуле Нуссельта для чистого пара с различными поправками. Это ведет к искажению реального распределения температур и концентраций пара в сечениях теплообменного аппарата, неверному определению передаваемого теплового потока и площади теплообменной поверхности. В конечном итоге данные ошибки в расчетах могут привести к снижению эффективности работы оборудования и снижению КПД установок или к ухудшению качества получаемого продукта. Таким образом, исследование конденсации водяного пара из ПГС различного состава с учетом особенностей работы реальных кожухотрубных теплообменных аппаратов является актуальной задачей.

Целью настоящей работы является исследование закономерностей и разработка рекомендаций для расчета конденсации ПГС различного состава в кожухотрубных теплообменных аппаратах. Научная новизна.

1. Определены значения относительного снижения коэффициента теплоотдачи при конденсации водяного пара из ПГС в присутствии неконденсирующихся газов с различной молярной массой (воздуха, С02, NH3, СН4) в диапазоне массовой концентраций НКГ 0−10%. Отличие переданного в теплообменном аппарате теплового потока при конденсации смеси, содержащей одинаковые объемные концентрации С02, NH3, СН4, от теплового потока при конденсации смеси с примесью воздуха достигало 12- 25%.

2. Показано, что не существует монотонной функциональной связи между молярной массой НКГ и снижением передаваемого в теплообменнике тепловой потока, что объясняется сложным влиянием молярной массы НКГ на коэффициент взаимной диффузии пар — НКГ и на парциальное давление пара в смеси.

3. Установлено, что при конденсации пара из ПГС термическое сопротивление отложений на поверхности теплообмена оказывает меньшее влияние на передаваемый в аппарате тепловой поток, чем при конденсации чистого пара. Степень снижения теплового потока при этом зависит от рода НКГ.

4. Получены новые количественные результаты о влиянии интенсификации теплообмена на передаваемый в теплообменном аппарате тепловой поток при наличии в ПГС различных неконденсирующихся газов. Показано, что наличие НКГ снижает эффект от интенсификации теплообмена со стороны холодного теплоносителя.

5. Разработан безразмерный вид диаграммы режимов работы горизонтальных кожухотрубных теплообменных аппаратов с конденсацией водяного пара из ПГС, позволяющей выбрать наименьший по сложности и обеспечивающий требуемую точность алгоритм расчета данного теплообменника.

Практическая ценность работы.

Разработанные математическая модель, алгоритм и программа могут быть использованы для расчета и проектирования кожухотрубных теплообменников с конденсацией пара из смеси с различными неконденсирующимися газами.

Полученные результаты численных исследований позволяют оценить необходимость учета термического сопротивления пленки конденсата в расчетах вертикальных кожухотрубных теплообменных аппаратов, а также определить целесообразность интенсификации теплообмена при конденсации пара из ПГС различного состава.

Получен способ представления диаграммы режимов работы горизонтальных кожухотрубных теплообменных аппаратов конденсационного типа в безразмерном виде, обобщающий ее вид для различных скоростей потока ПГС и различных характерных размерах теплообменных поверхностей.

Достоверность и обоснованность полученных результатов обеспечиваются корректным использованием теории переноса тепла и массы, а также удовлетворительными результатами сопоставления полученных в работе данных с экспериментальными данными.

На защиту выносятся:

— математическая модель и алгоритм расчета процессов пленочной конденсации ПГС в вертикальном кожухотрубном теплообменном аппарате;

— результаты численных исследований влияния рода неконденсирующегося газа на передаваемый в теплообменнике тепловой поток;

— результаты численных исследований влияния термического сопротивления пленки конденсата и отложений на поверхности теплообмена на передаваемый в теплообменнике тепловой поток при наличии различных НКГ;

— оценка влияния интенсификации теплоотдачи со стороны холодного теплоносителя на суммарный тепловой поток, передаваемый в вертикальном кожухотрубном теплообменном аппарате при конденсации пара из ПГС различного состава;

— обобщенная диаграмма режимов работы кожухотрубного теплообменного аппарата конденсационного типа, позволяющая определить оптимальный алгоритм расчета теплообменного аппарата при заданных параметрах ПГС и температуры поверхности конденсации.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были доложены на 12,13,14-ой Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов. Радиоэлектроника, электротехника и энергетика.

Москва, 2006;2008 ггна 3-й Международной научно-практической конференции «Современные энергосберегающие тепловые технологии (сушка и термовлаж-ностная обработка материалов) СЭТТ-2008».

Публикации. Основные научные положения и выводы изложены в 5 опубликованных работах, одна из которых опубликована в ведущем рецензируемом научном журнале, определенном Высшей аттестационной комиссией.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, приложений и списка литературы, состоящего из 80 наименований. Общий объём диссертации составляет 150 страницы, включая 42 рисунка, 12 таблиц и 2 приложения.

Основные результаты, полученные в диссертационной работе:

1. Разработана математическая модель и алгоритм расчета процесса конденсации пара из ПГС различного состава в вертикальном кожухотрубном теплообменном аппарате. Отличие данной модели от имеющихся моделей других авторов — совместный расчет процессов переноса тепла в потоке ПГС и пленке конденсата с учетом изменения параметров теплоносителей в теплообменном аппарате.

Адекватность предложенной математической модели подтверждена хорошим соответствием результатов настоящих расчетов с экспериментальными данными Ф. Н. Филипповой, Л. Д. Бермана и С. Н. Фукса, А. Ф. Миллса, а также расчетами по методикам А. П. Кольборна — О. А. Хоугена и Д. И. Уарда.

2. В результате численного исследования определены значения относительного снижения коэффициента теплоотдачи при конденсации водяного пара из ПГС в присутствии примесей газа с различной молярной массой (воздуха, С02, NH3, СН4) в диапазоне массовой концентраций НКГ 0−10%.

Отличие переданного в теплообменном аппарате теплового потока при конденсации смеси, содержащей одинаковые объемные концентрации С02, NH3, СЩ, от теплового потока при конденсации смеси с примесью воздуха достигало 12- 25%.

3. Показано, что не существует монотонной функциональной связи между молекулярной массой НКГ и снижением передаваемого в теплообменном аппарате тепловой потока, что объясняется неоднозначным влиянием молекулярной массой НКГ на коэффициент взаимной диффузии пар — НКГ и на парциальное давление пара в смеси.

4. Установлено, что при конденсации пара из ПГС термическое сопротивление отложений на поверхности теплообмена оказывают меньшее влиянии на передаваемый в аппарате тепловой поток, чем при конденсации чистого пара. Степень снижения теплового потока при этом зависит от рода НКГ.

Получены рекомендации о необходимости учета термического сопротивления пленки конденсата и отложений на поверхности теплообмена.

5. Проведена оценка степени повышения теплового потока при интенсификации теплообмена при наличии в ПГС различных неконденсирующихся газов. Установлено, что наличие НКГ снижает эффект интенсификации теплообмена со стороны холодного теплоносителя. Показано, что существует температурный уровень, где эффект от интенсификации теплообмена со стороны охлаждающего теплоносителя максимален. Объяснена причина данного явления.

6. Предложен безразмерный вид диаграммы режимов работы горизонтальных кожухотрубных теплообменных аппаратов с конденсацией пара из ПГС, позволяющей выбрать наименьший по сложности и обеспечивающий требуемую точность алгоритм расчета данного теплообменника. Таким образом, диаграмма может быть построена для кожухотрубного теплообменного аппарата конденсационного типа с различными характерными размерами теплообменных поверхностей и с заданными параметрами парогазовой смеси — ее качественным составом и давлением.

Диаграмма в данном представлении будет едина для различных скоростей ПГС. В зависимости от температуры поверхности конденсации, концентрации пара в потоке и скорости ПГС рассчитываются приближенные значения комплексов (С,-Cwl)/(1-Cwl) и Red-Zw, по которым определяются зона на диаграмме, которая соответствует комплексу данных параметров работы теплообменного аппарата.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

И ВЫВОДЫ.

Проведен комплекс численных и теоретических исследований процессов теплои массообмена при конденсации пара из парогазовых смесей различного состава в кожухотрубных теплообменных аппаратах.