Реферат: Удосконалення робочих характеристик повітряних конденсаторів аміаку за наявності неконденсованих газів

За допомогою математичної моделі методом кінцевих елементів був проведений розрахунок характеристик процесу конденсації чистої пари аміаку усередині сталевої труби для наступних умов: загальний тиск суміші на вході в трубу P=1.55МПа; температура навколишнього повітря t_ос =20°С ; внутрішній діаметр труби d_in =21мм ; зовнішній діаметр труби d_ext =26 мм; довжина труби L=10 м; висота ребра h=15 мм; товщина ребра д_р = 0.3 мм; крок ребраu=2 мм.

З метою перевірки достовірності результатів, отриманих за допомогою математичної моделі, значення коефіцієнта тепловіддачі для заданих умов визначалися також за допомогою відомих формул: формули Нусельта для середнього значення коефіцієнта тепловіддачі при конденсації пари усередині горизонтальної труби

, (11)

і формули Ширяєва для конденсації аміаку в горизонтальній сталевій трубі при l/d=50 200, q= 1ч36 кВт/м² і t_k = 30ч50°C

, (12)

де Ga – число Галілея; К – число Кутателадзе; Pr – число Прандтля; We – число Вебера, яке враховує вплив капілярних сил, що діють на плівку конденсату.

Дані про кількість теплоти конденсації, яка може бути відведена від труби різної довжини, розраховані трьома вказаними методами, представлені у вигляді графіків на рис. 2.

Рис. 2 Кількість теплоти, відведена від пари, що конденсується

Результати розрахунку параметрів конденсації пари аміаку за наявності НКГ об'ємною часткою 2% за допомогою математичної моделі за тими ж початковими даними для різних значень швидкості суміші на вході в трубу представлені у вигляді графіків (рис. 3). Розрахунки виконані для труби довжиною 10м.

Рис. 3 Зміна температури конденсації і щільності теплового потоку по довжині труби за наявності НКГ

По довжині труби вплив зростаючої середньої товщини плівки конденсату і зменшення різниці температур t_k – t_ст виявляється істотним і в результаті величина щільності теплового потоку зменшуватиметься унаслідок прямування до нуля температурного потенціалу, і при початковій швидкості суміші 1 м/с на відстані 9 м (рис. 3) від входу в трубу щільність теплового потоку дорівнює нулю і конденсація пари повністю припиняється.

Математична модель, дозволяє враховувати вплив зростаючого термічного опору донного конденсату, а також зменшення щільності теплового потоку і різниці температур між парою, що конденсується, і внутрішньою стінкою по довжині труби, обумовленого зменшенням концентрації аміаку в парогазової суміші і падінням його парціального тиску.

Другий підрозділ третього розділу містить дані експериментальних досліджень впливу НКГ на робочі характеристики повітряних конденсаторів крупної аміачної установки комплексу перевантаження аміаку Одеського припортового заводу. У першій частці експериментального дослідження проводилися виміри концентрації НКГ в різних частках системи конденсації при різних робочих режимах з метою визначення значень концентрації і отримання даних по розподілу НКГ. Визначення концентрації НКГ в суміші з аміаком проводилося методом, заснованим на необмеженій розчинності аміаку у воді. До місця відбору суміші під'єднувалася пластикова судина, наповнювалася парогазовою сумішшю, а потім сполучалася з водою. Частка внутрішнього об'єму судини, що доводиться на аміак, заміщається водоаміачним розчином, а частка об'єму судини, що залишилася не зайнятою рідиною, відповідає об'ємній частці НКГ, що містяться в суміші. У місцях відбору проб після першого і другого проходу аміаку по трубах повітряного конденсатора було встановлено наявність НКГ об'ємною часткою до 30%. Після другого проходу об'ємна частка НКГ була або рівною значенню в місті відбору проби після першого проходу, або відрізнялася у більшу сторону. Виміри концентрації НКГ в лінійному ресивері показали найбільш високу кількість НКГ саме в цій частці системи. В деяких випадках об'ємна частка НКГ в апараті складала 50–70%.

Результати вимірів НКГ підтверджують вивід про те, що установка підпадає під вплив великої кількості НКГ, а також дозволяють визначити місця їх найбільшого накопичення. Виміри показали, що при будь-якій температурі навколишнього повітря і за відсутності НКГ аміак поступає з конденсаторів в лінійний ресивер з температурою, відповідною до тиску в конденсаторі, тобто переохолодження рідкого аміаку не відбувається. За наявності НКГ температура рідкого аміаку на виході з конденсаторів виявляється нижчою за температуру рідкого аміаку в разі конденсації чистої пари за інших рівних умов, а при високих концентраціях НКГ вона лише на 3–5°С перевищує температуру навколишнього середовища незалежно від її рівня.

Отримані дані дозволили встановити, що значення об'ємної частки НКГ в лінійному ресивері досить коректно визначаються, використовуючи наступну залежність:

, (13)

де Р_а – парціальний тиск насиченої пари холодоагенту, відповідний температурі аміаку, що поступає в лінійний ресивер, Мпа; Р – загальний тиск парогазової суміші в лінійному ресивері, Мпа; Р_атм – атмосферний тиск, Мпа.

На базі АСУТП був створений програмний регулювальник, який за значеннями тиску в ресивері і температури рідкого аміаку, що поступає в ресивер, використовуючи залежність (13), визначає значення об'ємної частки НКГ в лінійному ресивері. Ця величина була призначена як регульований параметр продувальному клапану, через який здійснюється видалення НКГ.

Метою другої частки експериментального дослідження було встановлення загальних закономірностей впливу НКГ на роботу системи конденсації. Для визначення характеристик парорідинної суміші по довжині труб повітряного конденсатора за наявності НКГ в трубну дошку дослідного конденсатора були встановлені два додаткові термометри опору, які вимірювали температуру парорідинної суміші усередині труби. З їх допомогою вимірювалися температури парорідинної суміші на різних місцях апарату (t -01 – після першого проходу 12 м, t -03 – після другого проходу 24 м). Вимірювалися також тиск нагнітання, тиск в лінійному ресивері і інші технологічні параметри, що характеризують режим роботи установки. Дані вимірів фіксувалися за допомогою АСУТП з частотою 4 секунди.

На рис. 4 наведені значення об'ємної частки НКГ о_V , значення відносної насиченості парогазової суміші ц_о у лінійному ресивері, температур в конденсаторі t -01, t -03 , температури аміаку на вході в ресивер t -04 і температури навколишнього повітря t _ос впродовж 12 годин. Протягом першої години відбувається конденсація чистої пари аміаку. При цьому температури на різних ділянках конденсатора – t -01 , t -03 не дужевідрізняються. Далі відбувається надходження НКГ в систему конденсації. Об'ємна частка НКГ в лінійному ресивері зростає до 30%, а значення температур t -03 і t -04 зменшуються на 4-5°С, що приводить до зменшення температурної різниці між аміаком, що конденсується, і зовнішнім повітрям.

Рис. 4 Параметри роботи конденсатора

При наступному надходженні НКГ їх об'ємна частка в лінійному ресивері збільшується до 42%, а температури t -03, t -04 знижуються до температури навколишнього повітря 19-21°С. Це свідчить про те, що на деякій відстані по довжині горизонтальних труб конденсаторів температурна різниця зменшується настільки, що конденсація аміаку повністю припиняється. Значна частка активної поверхні конденсаторів (близько 50%) залишається незадіяною.

Момент початку видалення НКГ зображений на рис. 4 вертикальною лінією на відмітці часу 08:30, що позначає відкриття продувального клапана. У міру видалення НКГ з системи температурна різниця стабілізується.

Перевищення температури рідкого аміаку, що надходить до лінійного ресиверу t -04 , значень температур t -01, t -03 пояснюється тим, що рідкий аміак при виході з конденсатора нагрівається потоком перегрітої пари, що входить в конденсатор. Це удалося виявити за допомогою фотознімка передньої панелі конденсатора в інфрачервоному випромінюванні, використовуючи тепловизор «ThermaCAMP60» (FLIRSystems, Швеція, діапазони температур для вимірів: від -40°С до + 120°С або від 0°С до + 500°С, точність вимірів ±2°С або ±2% від показань). На ньому видно, що структура потоків в конденсаторі реалізована так, що камера входу перегрітої пари аміаку в конденсатор і виходу конденсату, температури яких дуже сильно відрізняються (на 40-60 °С) є суміжними, та між ними відбувається теплообмін.

Загальний вплив температури навколишнього середовища, загального тиску і об'ємної частки НКГ на ефективність роботи конденсаторів можна оцінити, використовуючи величину відносної насиченості парогазової суміші. Вона характеризує ступінь насиченості парогазової суміші неконденсованими газами при відомій температурі і тиску суміші і дорівнює відношенню фактичної об'ємної частки НКГ в парогазової суміші о_V до максимально можливої об'ємної частки НКГ о_Vmax , яка може утворитися в суміші при її максимальному охолоджуванні до температури середи, що охолоджує:

або , (14)

де Р_k , Р_k0 – парціальний тиск насиченої пари аміаку, при фактичній температурі парогазової суміші та при температурі навколишнього повітря. Величина ц_о набуває значень від 0 до 1.

Дані про роботу установки протягом 24 годин в умовах значного надходження НКГ представлені на рис. 5.

Рис. 5 Характеристики холодильної системи під впливом НКГ на протязі доби

В даному випадку видалення НКГ з системи не проводилося протягом тривалого часу. На рис. 5а представлений графік значень відносній насиченості парогазової суміші, її значення дорівнюють одиниці при об'ємній частці НКГ 57%. В той же час в роботу включається максимальна кількість вентиляторів, досягається пікове навантаження на конденсатори при незмінних параметрах холодильного циклу, здійснюваного установкою. Подальше надходження НКГ спричиняє підвищення тиску нагнітання компресора на 29% – з 1.7 до 2 Мпа (рис. 5г) і зменшення холодопродуктивності установки на 26%, яке відбивається в зменшенні кількості аміаку, що приймається в сховища (рис. 5в).

Максимальне значення концентрації НКГ складає 64% за об'ємом. Змінювання температури навколишнього повітря не перевищує 5°С (рис. 5б) і значного впливу на ефективність роботи конденсаторів вона не надає. На відмітці часу 17:00 відбувається видалення НКГ і робочий режим холодильної установки стабілізується.

Достовірність результатів і експериментальних досліджень перевірялася порівнянням з теоретичними даними, отриманими в результаті розрахунку параметрів конденсації пари аміаку у прису