Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ современного состояния аппаратурного оформления процессов водовоздушного охлаждения 8
2 Аппарат водовоздушного охлаждения с вертикальными контактными решетками (АВВО) 24
2.1 Конструкция аппарата водовоздушного охлаждения с вертикальными контактными решетками 24
2.2 Физические закономерности гидродинамики в аппарате с вертикальными контактными решетками 28
2.2.1 Предельные режимы работы аппаратов АВР 28
2.2.2 Универсальные гидродинамические параметры 35
2.2.3 Задержка жидкости 37
2.2.4 Удельная поверхность фазового контакта (ПФК) 39
3 Закономерности тепло- и массопереноса в аппарате водовоздушного охлаждения (авво) 42
3.1 Математическая модель процесса водовоздушного охлаждения 42
3.2 Определение коэффициента теплопередачи между продуктом и водой 51
3.2.1 Теплоотдача при орошении наклонной поверхности капельным потоком жидкости 51
3.2.2 Коэффициент теплоотдачи от продукта к стенке 54
3.3 Совместные процессы тепло- и массообмена при испарительном охлаждении воздуха. Связь между коэффициентами тепло- и массоотдачи 54
4 Экспериментальная часть 64
4.1 Схема лабораторной установки 64
4.2 Экспериментальное определение коэффициентов тепло- и массоотдачи при непосредственном контакте воды и воздуха в межступенчатых каналах АВВО 70
4.2.1 Определение коэффициентов тепло- и массоотдачи между водой и воздухом в аппарате водовоздушного охлаждения 72
4.2.2 Обработка экспериментальных данных и обсуждение результатов 78
4.3 Экспериментальная проверка модели расчета аппарата
водовоздушного охлаждения 83
5 Разработка инженерной методики расчета промышленного аппарата АВВО 90
5.1 Особенности инженерного расчета промышленного аппарата АВВО 90
5.2 Методика расчета промышленного аппарата АВВО 97
5.3 Пример расчета промышленного аппарата АВВО 104
5.4 Разработка промышленного образца аппарата водовоздушного охлаждения 115
5.4.1 Исследование гидродинамических характеристик различных конструкций межпластинчатых каналов 115
5.4.2 Гидродинамические испытания промышленного аппарата водовоздушного охлаждения 120
Основные выводы 126
Список использованных источников
- Физические закономерности гидродинамики в аппарате с вертикальными контактными решетками
- Определение коэффициента теплопередачи между продуктом и водой
- Экспериментальное определение коэффициентов тепло- и массоотдачи при непосредственном контакте воды и воздуха в межступенчатых каналах АВВО
- Методика расчета промышленного аппарата АВВО
Введение к работе
Создание высокоэффективных теплообменных аппаратов является одной из важнейших задач в области нефтеперерабатывающей и химической промышленности.
В настоящее время для охлаждения и конденсации технологических сред используються различные конструкции теплообменных аппаратов используемых, которые можно разделить на следующие основные типы: кожухотрубчатые водяные конденсаторы; аппараты воздушного охлаждения; пленочные охладители и конденсаторы; пластинчатые и пластинчато-ребристые аппараты погружные теплообменные аппараты. оросительные конденсаторы;
В качестве теплоносителя в таких аппаратах используются вода или воздух. Основным недостатком водяного охлаждения является необходимость создания оборотной системы водоснабжения, включающую градирни, отстойники, блоки подготовки и очистки воды. Поэтому во многих случаях предпочтение отдается непосредственно воздушному охлаждению продуктов. Однако, в связи с тем, что коэффициент теплоотдачи от охлаждаемой поверхности к воздуху весьма низок и теплоемкость воздуха очень мала, требуемая поверхность охлаждения увеличивается в десятки раз по сравнению с водяным охлаждением, а также повышаются затраты электроэнергии на подачу больших объемов воздуха.
Значительное повышение интенсивности теплообмена (снижение конечной температуры охлаждения, а также уменьшение необходимого количества воздуха) достигается применением аппаратов, использующих принцип водовоздушного испарительного охлаждения.
В последние годы были разработаны различные конструкции аппаратов водовоздушного охлаждения, в которых взаимодействие воды и воздуха происходит на теплопередающих поверхностях в условиях барботажного или пленочного режима. Однако существенная интенсификация коэффициента теплоотдачи может быть достигнута при орошении теплопередающей поверхности капельным потоком жидкости [30].
Такие аппараты получили название аппаратов с вертикальными контактными решетками (АВР).
Использование АВР для создания аппаратов водовоздушного охлаждения с вертикальными контактными решетками (АВВО) позволило получить сочетание в единой конструкции высоких характеристик как массообмена, так и теплообмена при большой удельной поверхности теплообменных элементов.
Целью настоящей диссертационной работы является разработка тепломассообменного аппарата АВВО, исследование его тепловых и гидравлических характеристик и создание инженерной методики расчета, позволяющей выбрать оптимальные режимы работы и геометрические размеры аппарата АВВО.
Физические закономерности гидродинамики в аппарате с вертикальными контактными решетками
В контактной камере образуется обширный капельный поток жидкости. Эти капли орошают поверхность зигзагообразного канала, внутри которого движется теплоноситель, преобразуется в пленку, которая стекает по наклонной поверхности в ниже лежащую камеру.
Основным фактором интенсификации теплопередачи в таком аппарате является эффект удара капель о поверхность жидкостной пленки, вызывающий деформацию и возбуждение вязкого подслоя.
Последовательное изменение направления движения газового потока создает благоприятные условия для сепарации фаз на каждой ступени. Это позволяет вести процесс при высоких нагрузках по газу и жидкости, а использование решеток (сеток) большого свободного сечения делает низким гидравлическое сопротивление аппарата.
Исследования АВР [26, 56] показали, что аппараты этого типа обладают малым временем пребывания жидкости в зоне контакта, большой удельной поверхностью контакта фаз, высокой эффективностью массопередачи между газом и жидкостью, допускают работу с пенообразующими жидкостями. Регулярность насадочной части обеспечивает возможность блочного изготовления и равномерное распределение жидкости по высоте и сечению аппарата, что особенно важно для аппаратов большой производительности по жидкости.
Работа аппаратов АВР достаточно полно исследована в различных процессах химической технологии [26, 56]. В следующем пункте, по результатам этих исследований, приводятся обобщенные закономерности газожидкостного взаимодействия, необходимые для моделирования процесса водовоздушного охлаждения.
Гидродинамическая модель, адекватно отражающая структуру потоков на ступени контакта, позволяет более точно оценить движущую силу процесса, коэффициенты тепло- и массопереноса на ступени и так далее. Следовательно, исследование гидродинамики аппаратов с вертикальными контактными решетками является актуальной проблемой.
Многочисленные исследования гидродинамики аппаратов с вертикальными контактными решетками [26, 56, 61 - 63] легли в основу стройной теории взаимодействия газа и жидкости, позволяющей определить: - предельные режимы работы аппаратов АВР; - универсальные гидродинамические параметры; - величину задержки жидкости; - удельную поверхность межфазового контакта.
При изучении гидродинамики взаимодействия жидкости и газа на вертикальных контактных решетках колонных аппаратов [26] было установленно, что фазе «захлебывания» предшествует короткий участок резкого увеличения гидравлического сопротивления аппарата при незначительном росте скорости газа. Поэтому в качестве предельной скорости (Wnp) была принята скорость начала перехода в режим «захлебывания». При этой скорости величина относительного уноса жидкости не превышает 5%. Эксперименты, проведенные в работе [26], показали, что аппараты АВР в широком интервале нагрузок по газу (от О до W=0,85-Wnp) работают практически без уноса. На графиках зависимости гидравлического сопротивления от скорости газа, рисунок 2.4, Wnp соответствует точке перегиба кривой при переходе от квадратичной зависимости к логарифмической. Уравнение для расчета Wnp было получено при рассмотрении модели «захлебывания» ступени контакта клином.
Определение коэффициента теплопередачи между продуктом и водой
Однако при орошении более 150 м/м-ч уравнения (2.1-2.4) показывают завышенные значения предельной скорости газа по сравнению с экспериментальными данными и не могут использоваться для инженерных расчетов [56].
Исследования предельной скорости газа в аппарате АВР, проведенные в работе [56], показали, что при постоянных а и Я скорость захлебывания Wnp существенно зависит от длины канала по горизонтальной оси. Для длинных (в лабораторных условиях) каналов, Ь=0,5 м, значения предельных скоростей на 20- -40 % выше, чем для коротких, Ь=0,06 м. Такое явление объясняется волнообразованием жидкости в клиновидном гидрозатворе. Эффект волнообразования создает неравномерность движения потоков, способствует байпасированию газа по участкам с меньшей жидкостной нагрузкой, что приводит к увеличению пропускной способности аппарата по газу, но снижает его эффективность.
Также в работе [56] отмечается, что в коротких моделях с расстоянием b одного порядка с масштабом волны близко расположенные торцевые перегородки препятствуют горизонтальному смешению жидкости на ступени контакта, таким образом создается равномерное движение взаимодействующих фаз по аппарату и зоны байпасирования отсутствуют. При этом захлебывание аппарата наступает раньше.
Исследования, проведенные в работе [56], показали, что в отличие от предельной скорости скорость подвисания не зависит от длины канала. На кривых задержки жидкости в аппарате скорость начала подвисания соответствует точке перехода линейного участка кривой в степенной, рисунок 2.5.
Начало накопления жидкости в аппарате АВР соответствует началу роста клина жидкости на ступени контакта. Поэтому обоснованно применение модели «захлебывания клином» для вывода уравнения расчета скорости начала подвисания.
Обобщающее уравнение для предельной скорости в аппарате АВР с каналами длинной от 0,06 до 0,5 м, во всем диапазоне жидкостных нагрузок, было получено в работе [56] в следующем виде: при новых выражениях для расчета значений коэффициентов гидравлического сопротивления:
Значения эмпирических коэффициентов для испытанных модификаций аппаратов АВР представлены в таблице 2.1 [56].
Анализ зависимости задержки жидкости в аппаратах АВР от скорости газа (рисунок 2.5), проведенный в работе [56], показывает, что для всех жидкостных нагрузок на кривых можно выделить характерную точку, делящую зависимость на два участка. Скорость газа, соответствующая этой точке, называется скоростью подвисания (Wn(W), которая определяется по следующему выражению: в котором С, , С, определяются по уравнениям (2.13), (2.14).
При W WIKW с ростом скорости газа задержка жидкости изменяется незначительно и практически линейно. При W Wn(W происходит резкое увеличение задержки, а ее зависимость от скорости газа принимает степенной характер.
В связи с этим в работе [56] вводятся такие универсальные параметры, как:
Параметр /7, носит физический смысл, поскольку характеризует степень приближения режима работы аппарата к переходному, после которого принципиально меняется гидродинамическая структура потоков в аппарате.
Параметр П2 отражает влияние жидкостного потока на гидравлику аппарата. В числителе этого выражения представлена удельная жидкостная нагрузка - как фактор, способствующий накоплению жидкости, а в знаменателе - произведение, характеризующее отток жидкости со ступени контакта.
Экспериментальное определение коэффициентов тепло- и массоотдачи при непосредственном контакте воды и воздуха в межступенчатых каналах АВВО
Экспериментальное определение коэффициентов тепло- и массоотдачи проводилось на установке, представленной на рисунке 4.1.
Первый этап экспериментальных исследований был посвящен изучению тепломассопереноса между водой и воздухом в условиях, когда охлаждаемый (продуктовый) поток отсутствовал.
Диапазоны изменений нагрузок по газу и жидкости, а также начальные температуры потоков принимались в соответствии с реальными изменениями температур хладоносителеи в условиях охлаждения продуктов на НПЗ и составляли: - плотность орошения I = 34 -г 91 2 м -ч м - скорость воздуха в аппарате w = 0,6 - 2,2 —; с - относительная влажность воздуха на входе в аппарат 7 = 45-70 %; - температура воздуха 20 - 40 "С; - температура воды 15-55 С.
Эксперименты проводились в следующей последовательности: - Перед началом проведения эксперимента и регистрацией рабочих характеристик необходимо смочить поверхность межпластинчатого канала. Для этого сначала подается только орошающая вода, и такой режим выдерживается в течение пяти минут. - Устанавливается необходимый расход воды и воздуха. - Установка в течение часа выводится на стабильный режим работы (стабилизация температурного режима по высоте аппарата). - После выведения установки на стабильный режим работы при заданном расходе воды и воздуха, о чем судили по постоянству показаний приборов и стабильной гидродинамической обстановке на ступенях контакта, регистрировались следующие параметры процесса: плотность орошения; расход воздуха; гидравлическое сопротивление канала; температуры входящих и выходящих потоков воды и воздуха; влажность входящего и выходящего воздуха; температурный профиль воды и воздуха по высоте аппарата. Результаты экспериментов представлены в Приложении А.
При обработке экспериментальных данных по определению коэффициентов тепло- и массообмена между водой и воздухом все исследователи сталкиваются с проблемой определения средней разности температур, теплосодержаний и влагосодержаний. Если способ определения мср и Д/у, выбран произвольно и не соответствует схеме движения сред, участвующих в теплообмене, то отношение — может иметь любую зависимость. ее При этом величина — будет предопределяться выбором способа вычисления средней движущей силы. Поэтому при одних и тех же опытах можно получить различные значения а и /?, что может привести к кажущемуся несоответствию теории и эксперимента.
Использование среднелогарифмической и среднеарифметической движущей силы не представляется возможным, так как профили температур по высоте аппарата могут иметь точки перегиба, что может привести к существенной ошибке при определении коэффициентов тепло-и массопередачи.
Методика расчета промышленного аппарата АВВО
Анализируя данные, представленные в таблице 5.1, можно сделать выводы, что:
1. При охлаждении одного и того же продукта теплонапряженность поверхности теплообмена аппарата водовоздушного охлаждения в 2,39 раза больше, чем у аппарата воздушного охлаждения ив 1,64 раза больше, чем у теплообменника с плавающей головкой;
2. Расход воздуха у аппарата водовоздушного охлаждения ниже
в 7,07 раза, чем у аппарата воздушного охлаждения, благодаря чему снижается расход электроэнергии на перекачивание воздуха;
3. Аппарат водовоздушного охлаждения имеет меньшие габаритные размеры и, как следствие, меньшую массу;
4. В аппарате водовоздушного охлаждения имеются потери орошающей воды за счет ее испарения в воздух, чего лишен аппарат воздушного охлаждения.
В этой таблице 5.1 показано, что аппараты АВВО могут эффективно использоваться не только в процессах, где требуется низкая температура охлаждения (например, холодильные установки с температурой 20 - 25 С) но и в технологических установках переработки нефти с конечной температурой 40 - 50 С.
Экспериментальное исследование гидравлических характеристик различных межпластинчатых каналов проводилось с целью определения гидравлического сопротивления каналов и скоростей газового потока и выбора оптимального межпластинчатого канала.
Исследования каналов проводились при различном сечении и различной плотности орошения и скорости воздуха. Каналы изготавливались из оцинкованного железа. Конструкции каналов показаны на рисунках 5.9-5.10.
Методика проведения эксперимента представлена ниже: - перед началом проведения эксперимента и регистрацией рабочих характеристик необходимо смочить поверхность межпластинчатого канала. Для этого сначала подается только орошающая вода, и такой режим выдерживается в течение пяти минут. Затем устанавливается необходимый расход воды, после установки стабильного расхода воды подается воздух, расход воздуха постепенно (ступенчато) увеличивается до достижения режима уноса жидкости; - после выведения установки на стабильный режим работы при заданном расходе воды и воздуха, о чем судили по постоянству показаний приборов и стабильной гидродинамической обстановке на ступенях контакта, регистрировались следующие параметры процесса: - плотность орошения; - расход воздуха; - гидравлическое сопротивление канала.
В результате проведения эксперимента необходимо было определить, какой их испытуемых каналов обладает наименьшим гидравлическим сопротивлением при скоростях воздуха 4,5 - 6,5 м/с и плотности орошения от 0 - 30 ——. м -ч
Анализ экспериментальных и расчетных данных по гидравлическому сопротивлению различных каналов показал, что наименьшим сопротивлением при скоростях воздуха 4,5 - 6,5 м/с обладает канал №5. На рисунке 5.11 представлена зависимость гидравлического сопротивления каната №5 от скорости воздуха и плотности орошения.
