Таран В.Н. Проектирование аппаратов криогенных установок. Для студентов специальности Криогенная техника и технология

Подождите немного. Документ загружается.

В этих условиях температурный напор составляет 2,2—3 К.

В зависимости от назначения конденсаторы-испарители ВРУ подразделяются на:

а) основные, в которых конденсируется азот, а пары кипящего кислорода

возвращаются в верхнюю колонну. При отсутствии выносного аппарата, часть

кислорода отбирается из основного конденсатора-испарителя в виде готового продукта

(продукционный кислород);

б) выносные, в которых весь образующийся за счет конденсации азота

газообразный кислород является продукционным;

в) нижние и верхние конденсаторы-испарители колонн технического кислорода,

криптоновых, аргонных и азотных колонн.

Классифицируя конденсаторы-испарители по конструктивным признакам, можно

выделить следующие основные типы аппаратов:

а) кожухотрубные с межтрубным кипением;

б) кожухотрубные с внутритрубным кипением;

в) витые с кипением внутри труб;

г) оросительного типа с прямыми трубками и внутритрубным кипением;

д) пластинчато-ребристые.

Кожухотрубные аппараты, за редким исключением, изготавливаются в

вертикальном исполнении с фланцами или без фланцев.

Например, конструкция бесфланцевого кожухотрубного конденсатора-испарителя с

кипением в межтрубном пространстве выполнена из 1597 медных, труб, диаметром

8х0,5 мм и длиной 580 мм. Общая площадь поверхности теплообмена составляет 20,7

. Трубы впаяны в трубные доски, изготовленные из листовой меди. Верхняя трубная

доска имеет крышку с выводными трубками и для продувки и подсоединения

предохранительного клапана. Конденсатор-испаритель устанавливается между верхней

и нижней колоннами, к которым крепится пайкой с помощью переходных конусов.

Кислород кипит в межтрубном пространстве, и часть его паров отводится в виде

готового продукта через штуцер. Конденсация азота осуществляется в трубах, где

имеет место встречное движение газообразного азота и стекающей пленки конденсата.

Рабочие процессы кипения и конденсации протекают при движении потоков на

различных поверхностях в конструктивно разных каналах. Конденсатор-испаритель

конкретного типа может быть надежно рассчитан только по эмпирическим

соотношениям, учитывающим влияние всех многочисленных факторов для данного

типа аппарата.

До недавнего времени в ВРУ наиболее широко применяли трубчатые

конденсаторы-испарители. Аппараты с межтрубным кипением характеризуются

относительно низким коэффициентом теплоотдачи со стороны кипения из-за слабой

циркуляции жидкости. Их применяют в малых ВРУ. Аппараты с внутритрубным

кипением позволяют организовать циркуляцию жидкости за счет эффекта парлифта. В

одном из конденсаторов-испарителей крупной ВРУ парогенерирующие трубки

диаметром 12, толщиной 1,5 и длиной до 3000 мм вварены в трубные решетки. В

трубках кипящая жидкость в режиме парлифта поднимается на верхнюю трубную

решетку, с которой сливается через центральную трубу, часто называемую опускной

системой. Испарившаяся жидкость в виде пара отводится из испарительной полости.

Циркуляция кипящей жидкости в трубах обеспечивает проточность испарительной

системы и взрывобезопасность.

Существуют также конструкции с отбором жидкости из опускной системы в контур

внешней циркуляции с адсорберами углеводородов. Циркуляция жидкости в этом

контуре может происходить под действием напора жидкости, стекающей в опускную

систему. В ряде случаев для осуществления внешней циркуляции применяют насосы.

Конденсация происходит на внешней поверхности трубок.

Типовые конструкции трубчатых конденсаторов-испарителей для крупных ВРУ,

выполненные полностью из алюминиевых сплавов, работают при температурном

напоре 2,4—2,6 К. В конденсаторах-испарителях малых ВРУ применяют медные

трубки, Конструкция цельносварных аппаратов из алюминия хорошо отработана,

технологична, обеспечивает высокую надежность.

Одним из наиболее эффективных решений по интенсификации теплообмена на

стороне кипения следует считать предложенное специалистами фирмы «Юнион

Карбайд» пористое покрытие, идея которого широко использована в различных

конструктивных вариантах . В пористом слое существует множество центров

парообразования. Вырывающиеся из пористого слоя пузырьки пара стимулируют

подсасывание жидкости внутрь пористого слоя. Образуются микроскопические

контуры циркуляции. В итоге устойчивый режим кипения может быть реализован при

Т < 1 К. Коэффициент теплоотдачи на капиллярно-пористой поверхности

увеличивается в 5—10 раз. Оптимальные размеры пор для различных жидкостей

различны. Для интенсификации теплоотдачи на стороне конденсации обычно

используют оребрение рабочей поверхности.

В последние годы разработаны также пластинчато-ребристые конденсаторы-

испарители новых типов: вертикальные (высотой 1500 и 3000 мм) и горизонтальные (с

каналами кипения длиной 850 мм). Каналы кипения образованы рифленой лентой

обычно без прорезей (непрерывное ребро). Высота ребра 6 мм, шаг 3 (в аппаратах

вертикального типа) и 2 мм (в аппаратах горизонтального типа). Каналы конденсации

могут иметь как сплошные, так и прерывистые ребра с турбулизаторами.

6.2. Циркуляция жидкости в замкнутом контуре

Циркуляция определяется разностью плотностей сред в подъемных и опускных

каналах. Для стационарного процесса имеет место

динамическое равновесие движущего напора и

сопротивления рабочей среды при ее движении в контуре на

подъемном и опускном участках, т.е.

р

дв

= р

под

+ р

оп

. (6.1)

Рис.6.1. Схема контура с естественной циркуляцией кипящей

жидкости

Используя обозначения, приведенные на рис. 6.1,

движущий напор циркуляции р

дв

можно записать в виде

р

дв

= l

g['(h – X) – 

см

(1–X)], (6.2)

где l

= (l —Hк) — рабочая (активная) длина трубы; l — расстояние между

трубными решетками; Hк — уровень конденсата над нижней трубной решеткой

(значение Нк, зависящее от конструктивного исполнения сливного устройства, не

должно превышать 0,15l); h = H / l

—относительный кажущийся уровень;

Х = l

эк

—относительная длина экономайзерной зоны; ' —плотность жидкости в

опускной системе; 

см

— средняя по длине l

кип

плотность парожидкостной смеси.

Гидравлическое сопротивление движению среды в подъемной части контура

циркуляции определяется как

р

под

= р

вх

+ р

эк

+ р

тр

+ р

уск

+ р

вых

(6.3)

Здесь р

вх

— сопротивление входа жидкости в парогенерирующий канал; р

—

сопротивление трения на участке Нк; р

эк

—сопротивление трения однофазной

жидкости на экономайзерном участке; р

тр

—сопротивление трения двухфазной смеси

на участке кипения; р

уск

— потеря давления на ускорение двухфазного потока; р

вых

— сопротивление выхода двухфазного потока из канала.

Потеря давления р

оп

в опускной части контура равна сумме сопротивления трения

и местных сопротивлений поворотов потока рабочей среды. Поскольку стенки

опускного канала обогреваются, то возможно вскипание жидкости с образованием

пузырьков пара, относительная скорость всплытия u

которых определяется по

формуле Франк-Каменецкого

= 1,53[g(' – ")/"

]

0,25

. (6.4)

Для кислорода при р= (0,13 ... 0,14) МПа u

= 0,15 м/с. Минимальное значение р

оп

достигается в случае полного отсутствия захвата пара «в опуск», т. е. когда скорость

опускного движения жидкости w

оп

. Обычно принимают

оп

= (0,7 ...1,0) u

, (6.5)

что соответствует сечению опускной части контура

oп

= G/(' w

оп

), (6.6)

где G—массовый расход кислорода в контуре, кг/с.

При соблюдении условия (6.6), как показывают расчеты, сопротивление р

оп

конденсаторах-испарителях не превышает 1% потерь давления в подъемной части

циркуляционного контура р

под

и может не. учитываться.

С учетом вышеизложенного, исходное соотношение (6.1) можно представить в виде

g['(h – X) – 

см

(1–X)] = р

вх

+ р

эк

+ р

тр

+ р

уск

+ р

вых

(6.7)

Рассмотрим последовательно методы определения отдельных величин, входящих в

это уравнение

Средняя плотность парожидкостной смеси .



см

= ' – (' – ") , (6.8)

где " — плотность пара при среднем давлении в трубе, кг/м

;  — среднее по

длине участка кипения истинное объемное паросодержание.

Согласно проведенным исследованиям при небольших движущих силах и

скоростях движения, характерных при парлифтной циркуляции, для истинного

объемного паросодержания  двухфазного потока в .вертикальных каналах

справедливо соотношение

CM0

u/uС





























, (6.9)

где w

= (V" + V')/S* = w"

пр

(1 —"/') + w

— скорость смеси, м/с; w"

пр

= V"/S* =

qF*/(r"S*)—приведенная скорость пара, м/с; V", V'—соответственно объемные

расходы пара и жидкости через рассматриваемое сечение канала, м

/с; q — плотность

теплового потока со стороны кипящей жидкости на участке поверхности,

расположенной выше экономайзерной зоны, Вт/м

; F* =d

— внутренняя площадь

поверхности трубы от конца экономайзериой зоны до рассматриваемого сечения, м

;

S* = d

/4 — площадь проходного сечения канала, м

;  = V"/(V' + V") = w"

пр

/ w

—

объемное расходное паросодержание; x = G"/(G' + G")== (w"

пр

/ w

)•"/' –

массовое расходное паросодержание; u — относительная скорость паровой фазы,

м/с.

Если <0,7, то параметр распределения Со зависит от скорости циркуляции w

изменяется от 1,26 до 1,08 при возрастании w

от 0,075 до 0,62 м/с. Эмпирическая

формула для этой зависимости записывается в виде

Со==1,06 w

–0,65

. (6.10)

При  больше 0,7 параметр распределения Со постоянен и равен 1,03. Значение

=0,7 соответствует переходу от снарядного режима течения к стержневому.

Относительная скорость паровой фазы u принимается равной скорости всплытия

парового снаряда u

'/)"'(gd35.0u



(6.11)

Среднее значение  в (6.8) может быть определено по формуле (6.9) при w"

пр

равном половине приведенной скорости пара на выходе из канала (w"

пр

)

вых

Расчет потерь давления потока однофазной жидкости на входе в

парогенерирующий канал [см. уравнение (6.7)] осуществляется по формуле

р

вх

= 

вх

'w

/ 2. (6.12)

Для рассматриваемого случая 

вх

=0,5. Потери давления двухфазного потока на

выходе из канала находятся из соотношения

р

вых

= 

вых

' w

[1 + (w"

пр

)

вых

(1–"/')/w

] / 2 (6.13)

(значение коэффициента местного сопротивления 

вых

можно принять равным 1,2).

Для вычисления потери давления на трение в экономайзерйой зоне p

эк

используется известная формула Дарси:

p

эк

= 

эк

' w

зк

/ 2d

, (6.14)

в которой значение коэффициента сопротивления трения 

эк

определяется в

зависимости от числа Rе = ' w

/'.

Протяженность экономайзерной зоны l

эк

соответствует длине части канала,

необходимой для нагрева жидкости от температуры на входе T

зк.вх

до температуры на

выходе T

эк.вых

Опыт эксплуатации конденсаторов-испарителей показывает, что жидкость на

участке канала длиной Hк и обогреваемой опускной части циркуляционного контура

нагревается на T

оп

=(0,06—0,1) К, и тогда

эк.вх

= T

+ T

оп

, (6.15)

где T

—температура насыщения при давлении p

кип

над верхней трубной решеткой.

Температура Т

эк.вых

соответствует насыщенному состоянию потока и определяется

по термодинамическим таблицам для давления

эк.выx

= p'

кип

+ 'g(H—l

эк

) —(p

вх

+ р

эк

), (6.16)

где р

— потеря давления в канале на участке Нк:

p

= 

' w

/ 2d

, (6.17)

Для одиночной трубы при массовом расходе жидкости G* = 'w

тепловой .поток Q*

эк

, подводимый к экономайзерной зоне, равен:

эк

=G*c

'(Т

эк.вых

– T

эк.вх

). (6.18)

Тогда искомая длина экономайзерного участка l

эк

находится из соотношения

эк

= Q*

эк

/(d

эк

), (6.19)

в котором значение плотности теплового потока q

эк

определяется из условий

теплопередачи.

Удовлетворительные результаты по расчету потерь давления на трение p

тр

при

неадиабатном течении двухфазного потока в обогреваемом канале длиной l

кип

дает

методика Мартинелли—Нельсона:

 







кип

тр

dl)X1(l/pp

(6.20)

Градиент давления (р / l)

при однофазном течении с массовым расходом,

равным расходу двухфазного потока, определяется из выражения

(р / l)

=  ' w

l/ 2d

. (6.21)

Постоянная n в формуле (6.20) соответствует показателю степени в формуле для

вычисления  = С / Re

(для турбулентного режима течения n=0,25).

Функция Ф

находится графически (рис. 6.2) по значению параметра Мартинелли

X, который предварительно определяется из соотношения.

)2/n1(

2/n5,0















































(6.22)

где ', " — динамические вязкости жидкости и газа соответственно;

x – массовое расходное паросодержание для рассматриваемого сечения

парогенерирующего канала [см. формулу (6.9)]. ,

На рис. 6.2. также показаны относительные

объемы канала, заполненного жидкостью R

= 1— и

паром R

= .

Рис. 6.2. Зависимость функции Ф

от параметра X.

Интеграл в выражении (6.20) вычисляется графически как площадь под кривой у =

(1—x)

2-n

в интервале изменения l от 0 до l

кип

Кривая строится по точкам для нескольких значений l этого интервала.

Перепад давления вследствие ускорения двухфазного потока р

уск

рассчитывается

по формуле

р

уск

= ('w

)

—Y

). (6.23)

Параметр У для входного и выходного сечений канала находится из выражения

Y = x

/(") + (1–x)

/['(1–)] (6.24)

При этом Y

=1/р' для x = 0 и  = 0, а Y

определяется для значений x = xвых И  =

вых.

Выполнение гидравлического расчета конденсатора-испарителя с целью

вычисления скорости циркуляции w

, протяженности экономайзерной зоны l

эк

давлений и температур в характерных сечениях канала предполагает известными зна-

чения плотностей тепловых потоков q

эк

и q

кип

, которые зависят от условий теплоотдачи

с обеих сторон теплопередающей поверхности и от располагаемого температурного на-

пора T.

Выполнение тепловых расчетов и определение коэффициентов теплопередачи

конденсаторов-испарителей следует выполнять по методикам, излагаемым в учебниках

[ 1 – 3 ].

7. Адсорбционные процессы и аппараты

7.1. Физическая сущность сорбции.

Сорбция — поглощение веществ, входящих в состав одной фазы, веществом другой

фазы. Поглощаемое вещество, находящееся в газовой или жидкой фазе, называют

сорбтивом, а после перехода в сорбированное состояние — сорбатом. Вещество, на

поверхности или в объеме которого произошло концентрирование поглощаемого

вещества называют сорбентом.

Сорбцию принято разделять на химическую и физическую. Химическая сорбция

(хемосорбция) сопровождается химическим взаимодействием между сорбатом и

сорбентом с образованием химического соединения на поверхности сорбента.

Хемосорбция может распространяться с поверхности на весь объем сорбента.

Примером хемосорбции является поглощение кислорода поверхностью металлов, в

результате чего образуются окисные пленки.

Физическая сорбция не сопровождается образованием новых химических

соединений и обусловлена силами взаимного притяжения молекул сорбента и сорбата.

Различают процессы абсорции — поглощение вещества, сопровождающееся

диффузией его вглубь абсорбента, с образованием раствора — и адсорбции —

поглощение газа или жидкости адсорбентом с развитой внутренней поверхностью или

большим объемом микропор. Здесь рассматриваем только процессы адсорбции, так как

они более широко используются в криотехнологии. В результате притяжения

содержание газообразного вещества на поверхности адсорбента становится больше,

чем в газовой фазе. В этом случае говорят, что газ адсорбируется поверхностью

твердого тела. Адсорбция — процесс, полностью обращаемый. Обратный процесс, т.е.

удаление молекул газа из адсорбента называют десорбцией. В подавляющем

большинстве случаев десорбция - процесс экзотермический, и выделяющуюся при эом

теплоту называют теплотой адсорбции. В некоторых случаях процесс адсорбции

является эндотермическим.

Взаимодействие между молекулами адсорбата и адсорбента может иметь

различный характер. При физической адсорбции в общем случае проявляются

межмолекулярные силы: электростатические и дисперсионные (обусловливающие

притяжение атомов и молекул) и силы отталкивания. Электростатические силы

проявляются при адсорбции полярных молекул на поверхностях, несущих постоянные

электростатические заряды (ионы, диполи), а также в случае, когда заряды молекул на

поверхности адсорбента вызывают появление дипольных моментов у неполярных

молекул адсорбата. Дисперсионные силы обусловлены согласованным движением

электронов в сближающихся молекулах. Вследствие движения электронов все

молекулы обладают флуктуирующими, т.е. колеблющимися по направлению,

отклонениями электронной плотности от среднего значения. В результате при

сближении молекул возникнет притяжение. Силы, вызывающие это взаимодействие,

получили название дисперсионных или электрокинетических. Силы отталкивания

появляются при таком сближении молекул (атомов) адсорбата и адсорбента, при

котором начинается взаимное проникновение электронных оболочек атомов. Характер

этих сил связан с принципом Паули, запрещающим нескольким электронам находиться

в одном и том же состоянии. Возникающие силы отталкивания весьма значительны в

условиях непосредственного контакта частиц и быстро убывают с увеличением

расстояния. В процессе адсорбции силы притяжения (электростатические и

дисперсионные) уравновешиваются силами отталкивания. В состоянии адсорбционного

равновесия молекулы адсорбата, удерживаемые на поверхности адсорбента,

непрерывно заменяются новыми молекулами, но общее их число не изменяется.

Молекулы адсорбата, удерживаемые на поверхности адсорбента, могут мигрировать по

поверхности. При определенных условиях молекулы покидают поверхность, и их место

занимают другие молекулы. Таким образом, при адсорбционном равновесии поток

молекул к поверхности адсорбента равен потоку молекул от поверхности. Если на

поверхности адсорбента удерживается один слой молекул адсорбата, адсорбцию

называют мономолекулярной, если несколько слоев — полимолекулярной.

7.2. Адсорбенты.

Все адсорбенты, природные и синтезированные, разделяют на непористые и

пористые. К непористым относят адсорбенты, радиусы пор которых весьма велики и

стремятся к бесконечности, например, графитированная сажа, однородная поверхность

металлов, полированное стекло и т.д. Пористые адсорбенты имеют поры различных

типов. Акад. М.М. Дубинин ввел классификацию пор сорбентов: макропоры,

переходные поры (мезопоры), микропоры и супермикропоры. Эффективные радиусы,

нм: макропор 100—200 (удельная площадь внутренней поверхности 0,5—2,0 м

/г),