Диссертация (Вакуумный дистилляционный агрегат с теплонасосным энергоподводом), страница 8

В случае, когда теплообменная поверхность выполнена в виде57вертикального пучка труб, в верхней части аппарата скорость поднимающегосяпара может заметно влиять (в сторону повышения) на коэффициент теплоотдачи.При небольших плотностях теплового потока скорость паровой фазы сказываетсянаиболее заметно, поскольку значительная доля теплоты отводится из пристеннойобласти конвекцией [27, 39, 57].Стоит так же отметить, что при пузырьковом кипении влияние уровняжидкости начинает сказываться на интенсивности теплообмена в том случае, еслислой жидкости над теплообменной поверхностью уменьшается до толщины,соизмеримой с отрывным диаметром пузыря (начиная от h > 5…10 D). Суменьшением уровня жидкости коэффициент теплоотдачи возрастает [39, 88].Эти обстоятельства в совокупности с влиянием гидростатического давлениядают основание полагать, что условия теплообмена в действительности будутотличаться по высоте КИ.

Но в дальнейших расчетах принимается допущение опостоянстве коэффициента теплоотдачи по высоте КИ.Нижерассмотреныдванаиболеевероятныхслучаятеплообмена:пузырьковое кипение и развитая конвекция в свободном объеме.Для определения коэффициента теплоотдачи при пузырьковом кипении вусловиях разрежения авторы [27, 45, 57] рекомендуют использовать зависимость:кип45 ∙кип,∙,,Вт⁄ м ∙,(2.7)гдеΔкип =ст – ж– температурный напор между средней температуройжидкости и температурой стенки, ;– давление фазового перехода, бар.Для оценки величины коэффициента теплоотдачи в первом приближенииприняты следующие ожидаемые исходные данные: Δ295 .

Коэффициент теплоотдачи при этом равенЗдесьидалеетермодинамическиеврасчетахпараметрыводы,кип кип7 ;ж635 Вт⁄ м ∙ K .использовалисьнайденныест – жтеплофизическиепутемиаппроксимации58справочных данных [11, 73] для чистой воды и водяного пара для диапазонатемператур 10…60 ºС. Полученные зависимости приведены в таблице 2:Зависимость свойств чистой воды от температурыФункциональная зависимость6,427 ∙Параметр3607,43 ∙4,86 ∙ 10 ∙ 0,11 ∙10,26507177,64,01 ∙ 102,05 ∙ 10 ∙2,32 ∙ 10 8,12 ∙95,283,154 ∙ 102391,6 ∙давление паров воды, Паплотность водяного пара, м /кг∙плотность воды, м /кг∙теплота фазового перехода, Дж/кг25,24 ∙ 10 ∙0,25 ∙ 84,6 ∙13530,45,3 ∙ 10 ∙5,18 ∙ 10 ∙ 1,7 ∙ 10 ∙0,1873,18 ∙ 10 ∙1,97 ∙ 10 ∙ 1,72 ∙ 10 ∙0,2удельная теплоемкость воды припостоянном давлении, Дж/(кг·К)динамический коэффициентвязкости, Па ∙ степлопроводность воды, Вт/(м·К)Свойства морской воды изменяется вместе с соленостью.

Так, например,плотность и осмотическое давление возрастают с увеличением солености, аудельная теплоемкость убывает [51]. При опреснении загрязненной водынеобходима корректировка зависимостей свойств жидкости в соответствии с еесоставом.Исходя из существенного снижения интенсивности теплоотдачи приуменьшенииотношениякип ⁄ кристремленияобеспечитьнебольшиетемпературные напоры до 10 К при удельном тепловом потоке в диапазоне2 … 5кВт/м2, выдвигается предположение, что процесс теплоотдачи при прогревемассы воды в свободном объеме на вертикальных трубах при вакуумированиипарового пространства будет протекать в условиях развитой свободной конвекциии может быть описан обобщающим выражением вида [57, 68]:кип∙∙∙ ,Вт⁄ м ∙,(2.8)59гдеA∙ ∙∙–жст / ж – 1ст – жстжж∙жжжжжж– число Галилея;жgnст– коэффициент, зависящий от режима кипенияжидкости;– число Грасгофа;– ускорение свободного падения, м ⁄с;– характерный линейный размер, для вертикальныхтруб высота, м;– кинематическая вязкость, м ⁄с;– коэффициент объемного расширения опресняемойводы, 1/К;– плотности воды (кг/м3) при температуре стенки Tст , К;– плотности воды (кг/м3) при средней температурежидкости Tж , К;– число Прандтля;– удельная теплоемкость жидкости, Дж/(кг·К);– динамический коэффициент вязкости, Па ∙ с;– теплопроводность жидкости, Вт/(м·К);– показатель степени.Для оценки режима кипения в первом приближении приняты следующиеожидаемые исходные данные: Δкип Полученный результат расчета:ст – ж∙режиму развитой свободной циркуляции (теплоотдачи при этом равенкип7 ;ж295 .4,3 ∙ 102·10 соответствует0,135; 1/3).

Коэффициент408 Вт⁄ м ∙.В рассматриваемом диапазоне температур значения, получаемые поуравнениям (2.7) и (2.8), являются величинами одного порядка.В теплообменных аппаратах, в которых конденсируется водяной пар, вбольшинстве случаев, имеет место пленочная конденсация, при которой конденсатсмачивает поверхность теплообмена, формируя сплошную пленку жидкости.Для вертикальных труб при верхней подаче пара сила тяжести идинамического воздействия потока направлены вниз аппарата. В трубахнебольшой длины при невысоких скоростях потока пара режим течения пленкиопределяется силой тяжести.

Это обстоятельство, а также особенность вакуумных60коммуникаций, где при относительно невысоких расходах используются большиедиаметры для минимизации гидромеханических сопротивлений, позволяет сделатьдопущение об отсутствии влияния фактора внутритрубного прохождения потокапара на средний коэффициент теплоотдачи и рассчитывать его в соответствии сформулой для конденсации пара на вертикальной стенке.Конденсация водяных паров на вертикальных трубах описывается формулойдля ламинарного режима [57, 68]:∙ж1,15 ∙конжж∙∙ ∙к∙кон,Вт⁄ м ∙,(2.9)гдеконкон– разность температур дистиллята истенки, К;– теплота конденсации, Дж/кгсткЛаминарный режим течения пленки конденсата реализуется при условии:∙кон ∙кон кр2300 ∙∙жжж∙∙жжпДля оценки режима течения и корректности использования формулы (2.9)приняты следующие исходные данные:Результатрасчета( ∙кон2 ; кон1,4∙0,7м.кон кр326)подтверждаетламинарный режим течения и позволяет использовать формулу (2.9) в дальнейшихрасчетах коэффициента теплоотдачи при конденсации водяного пара.

При300 коэффициент теплоотдачи равняетсякон9445 Вт⁄ м ∙.кон612.4 Математическая модель процесса выхода ВТДна установившийся режим работыДля анализа процесса выхода ВТД на установившийся режим работы безиспользованияпредпусковогоподогревателябылапоставленазадачаматематического описания нестационарного тепломассообменного процесса вмомент запуска установки.Дифференциальное уравнение для определения зависимости изменениятемпературы кипения воды в гермокамере ВТД по времени основано на тепловомбалансе контура, изображенного на рисунке 24, и имеет вид:в∙рм∙м∙кипКИкиписо.с.р∙,гдевмм– масса воды в гермокамере, кг;– масса конструкционных элементов, кг;– теплоемкость конструкционных элементов, Дж⁄ кг ∙ K .Тепловой баланс гермокамеры ВТД(2.10)62Теплотакип ,отводимая от объема выпариваемой воды в процессе кипения:кип , конкипкип , конд∙кипкипВт(2.11)кг⁄с(2.12),Массовый расход в системе:дТеплотаискип , конис ,кип ,Теплотакип , кон1коно.с.

,кип ,рТеплотар,кон∙д∙кип , кон∙искиписВт,(2.13)рассеиваемая в окружающую среду через стенки аппаратов:∙кипап∙из ,Вт(2.14)отводимая от объема выпариваемой воды с рассолом:1конКИ ,кон ,1 ∙д∙кип , конр∙ркип,Вт(2.15)подводимая к объему выпариваемой воды:КИТеплота,кипкипнеобходимая на нагрев исходной (подпиточной) воды:о.с.Теплота∙конд,перВт(2.16)подводимая в процессе конденсации паров дистиллята:кип , конКоличество теплотыкип , конпер ,∙кипкип∙конкон,Вт(2.17)подводимое в процессе охлаждения перегретыхпаров дистиллята определим по формуле (2.4):перкип , конкип , кон∙конкип⁄ДВН ,Вт(2.18)Теплота Qд , подводимая в процессе переохлаждения паров дистиллята:63дкип , кон∙кип , конд∙дВт,пх ,(2.19)гдеΔпх кон– переохлаждение дистиллята на выходе из КИ, ;– температура переохлажденного дистиллята навыходе из КИ, °С.пхпхПроизведя необходимые подстановки, получим:в∙ркипм∙мкипкип∙кип , конкондд∙дкип , кон∙1 ∙∙кип , кон∙1конконкип , конд1 ∙∙кип , кондапд∙∙конкипкипконкипи∙кипкип , конДВНпкип∙кип(2.20)исо.с.∙р∙ркипПринимая следующие допущения: в момент запуска основного насос-компрессора температура всехэлементов установки равна температуре окружающей среды переохлаждение дистиллята в КИ Δпо.с.

;отсутствует; равенство температуры рассола и средней температуры кипения водыв гермокамереркип ; физико-химическая, гидростатическая и гидравлическая депрессия вобъеме кипящей воды отсутствует; капельный унос жидкости при откачке паров отсутствует; изоляция установки идеальна; влияние неконденсирующихся газов на теплообмен отсутствует; унос паров дистиллята при откачке неконденсирующихся газоввспомогательным вакуумным насосом отсутствует,64приходим к новой редакции выражения (2.20):в∙ркипм∙мкипкипдкип , кон∙конкип1 ∙∙конконкипдкип ,кон∙дкип , кон∙конкипкипкипи∙кипВ уравнение (2.21) входят два неизвестныхДВН∙(2.21)искип ,конденсации как функцию температуры кипениякон .Выразим температуруконкип.

Для этогозапишем систему уравнений, сформулированную исходя из условий равенстваплотностей теплового потока в КИ ВТД:кипкон∙ст∙кип ∙ КИ ∙кипперконконстсткип,(2.22)гдеКИ– площадь теплообменной поверхности КИ, м .Решая систему уравнений относительно Tкон , запишем:конРасчет∙КИ ∙перкип конведется∙методомкипкипкип ∙конконкон,последовательных(2.23)°Сприближенийсучетомзависимости теплоты конденсации, перегрева паров и коэффициентов теплоотдачиот температур кипения и конденсации воды, но без учета термическогосопротивления стенки, которое пренебрежимо мало при небольших удельныхтепловых потоках.Для решения уравнения (2.23) и предварительной оценки режимовфункционирования ВТД зададимся скоростью откачки ДВН на основе паспортныхданныхмоделиНВД-600номинальнойпроизводительностью0,15м3/с,65приведенных для условий работы в связке с форвакуумным насосом [62].

Путемаппроксимациипаспортныхданныхпоусловиямвсасыванияполученаприближенная зависимость (расхождение в переделах 5%) для определенияскорости откачки при заданной температуре насыщения в диапазоне давлений навсасываниикип1000 … 10000Па:кип0,584194,398⁄кип ,Вт(2.24)На рисунке 25 приведен график изменения эффективной скорости откачки имассовогорасходачерезНВД-600наосновепаспортныхданныхивышеприведенной аппроксимированной функции.Решение уравнения (2.23) для двух предполагаемых режимов теплообмена(пузырьковое кипение, описываемое формулой (2.7), и развитая конвекция,описываемая формулой (2.8)) приКИ1м ,ДВН0,9 показано на рисунке 26.Соответствующие значения коэффициентов теплоотдачи при выпаривании воды ипотребляемая мощность ДВН приведены на рисунке 27 и рисунке 28.(1) – паспортная скорость откачки НВД-600;(2) – скорость откачки НВД-600 по уравнению (2.24);(3) – массовый расход на основе паспортной скорости откачки;(4) – массовый расход на основе скорости откачки по уравнению (2.24)66Изменение температуры конденсации от температуры кипенияпри разных режимах теплоотдачи в свободном объеме:(1) – пузырьковое кипение; (2) – развитая конвекцияКоэффициент теплоотдачи при выпаривании воды в гермокамерев свободном объеме при разных режимах:(1) – пузырьковое кипение; (2) – развитая конвекция67Потребляемая мощность НВД-600, определенная по формуле (2.4)Удельная потребляемая энергия ВТД в рассматриваемом диапазонетемператур понижается с увеличением температуры кипения воды в гермокамере(рисунок 29), что позволяет сделать предположение о необходимости поддержанияпо возможности более высокой температуры кипения.