Учебный вопрос № 1. Классификация и характеристики конденсаторов-испарителей.
Групповое занятие № 2. КОНДЕНСАТОРЫ-ИСПАРИТЕЛИ
Конденсаторы-испарители в блоках разделения воздуха служат для конденсации азота за счет испарения кислорода или обогащенного кислородом воздуха, т. е. представляют собой теплообменные аппараты, в которых процесс теплообмена происходит с изменением агрегатного состояния веществ.
От эффективности работы конденсатора-испарителя часто в значительной степени зависит экономичность работы всей установки. В установках низкого давления увеличение на 1°С разности температур между конденсирующимся азотом и кипящим кислородом ведет к увеличению расхода электроэнергии на сжатие воздуха на 4–5%.
Конструктивно конденсаторы-испарители могут быть следующих типов:
горизонтальные кожухотрубные аппараты:
а) с кипением жидкости внутри труб и с конденсацией снаружи;
б) с кипением снаружи и с конденсацией внутри труб;
вертикальные:
а) бесфланцевые аппараты с кипением в межтрубном пространстве и конденсацией внутри труб;
|
|
б) фланцевые аппараты с кипением кислорода в межтрубном пространстве;
в) бесфланцевые аппараты с внутритрубным кипением и конденсацией снаружи труб;
так называемые «выносные конденсаторы» делаются часто витыми с кипением кислорода внутри труб;
кожухотрубные аппараты оросительного типа с внутритрубным кипением стекающей пленки жидкости и с конденсацией снаружи труб;
за последнее время появилась тенденция к переходу от кожухотрубных конденсаторов к пластинчато-ребристым.
Горизонтальные конденсаторы-испарители являются мало эффективными аппаратами, так как в них, в связи с затрудненным отводом паров или конденсата, блокируется образовавшейся новой фазой поверхность теплообмена, ухудшается теплоотдача с внутренней стороны трубы. Поэтому за редким исключением в установках разделения воздуха применяют вертикальные конденсаторы-испарители указанных выше типов.
На рис. 1 изображен бесфланцевый конденсатор-испаритель с кипением в межтрубном пространстве. Такой тип конденсатора применяют в установках малой производительности, а также в аргонных и криптоновых колоннах крупных установок. Соединяют конденсатор с колоннами низкого и высокого давления при помощи пайки. Основные размеры аппарата даны применительно к конденсатору с поверхностью теплообмена F = 20 мг. Конденсаторы-испарители с кипением кислорода в межтрубном пространстве имеют невысокий коэффициент теплопередачи, равный 500–600 вm/(м2·град). Причиной этого служат прежде всего малая теплоотдача со стороны кипящей жидкости из-за плохой организации парожидкостного потока.
|
|
На рис. 2 изображен конденсатор-испаритель F = 760 м2 с кипением кислорода в трубах. Такого типа аппараты в отечественной технике разделения воздуха применяют в крупных установках. В отличие от предыдущих аппараты этого типа не встраиваются в колонны, что позволяет создавать в агрегате требуемую поверхность теплообмена путем изменения не только размеров аппарата, но и их числа. Агрегат БР-1 с номинальной производительностью 12 500 нм3/ч технологического кислорода имеет, например, три основных конденсатора по 760 м2.
В конденсаторах-испарителях с внутритрубным кипением при тепловых нагрузках, обычных для промышленных установок [q > 1200 вт/(м2·град)]г коэффициенты теплоотдачи составляют 700—800 вm/(м2·град).
Основным преимуществом конденсаторов-испарителей данного типа является простота осуществления конструкции с большим отношением (высоты трубы к ее диаметру l/d; при этом можно иметь сравнительно небольшой уровень жидкости, отнесенный к некипящему кислороду, над нижним обрезом труб, чем обеспечивается минимальная потеря температурного напора в нижней части аппарата, обусловленная гидростатическим давлением столба жидкости. Для организации циркуляции жидкости конденсатор имеет в середине циркуляционную трубу. Из циркуляционной трубы осуществляется также и отбор жидкого кислорода в продукционный – выносной, конденсатор, так как стекающая в циркуляционную трубу жидкость имеет несколько более высокую концентрацию, чем жидкость, поступающая в конденсатор из колонны.
Конденсаторы-испарители с внутритрубным кипением могут дополнительно к своей основной функции выполнять также роль парлифта, служащего для подъема кипящей жидкости. Использование конденсаторов в качестве парлифтов дает возможность устанавливать колонну низкого давления на одной отметке с колонной высокого давления, обходясь при этом без насоса для подачи флегмы.
Дальнейшее повышение интенсивности теплообмена в конденсаторах испарителях может быть достигнуто применением конденсаторов-испарителей оросительного типа (рис. 3). Высокая эффективность конденсаторов-испарителей оросительного типа обусловливается тем, что процесс кипения происходит в жидкости, стекающей по стенке в виде тонкой пленки толщиной δ< 1,5 мм, теплоотдача при которой возрастает вследствие увеличенной частоты отрыва пузырьков пара в ней и турбулизации пленки, а также вследствие испарения ее. Кроме того, в оросительных конденсаторах отсутствует депрессия температурного напора и малоэффективная зона подогрева кислорода до температуры кипения. Интенсивность теплообмена особенно возрастает при переходе с парлифтного режима на оросительный при малых тепловых нагрузках. Для тепловой нагрузки, например 1000 вт/м2, коэффициент теплоотдачи возрастает более чем в 2 раза.
Рис. 3. Модель конденсатора-испарителя оросительного типа: 1 – рабочие трубы; 2 – распределитель жидкости; 3 – оросительное устройство; 4 – циркуляционный насос. |
При соприкосновении с поверхностью твердого вещества или жидкости, температура которых ниже температуры насыщения, пар конденсируется. Можно различать три вида конденсации на твердой поверхности. На поверхностях, хорошо смачиваемых жидкостью, наблюдается пленочная конденсация, при которой конденсат растекается по поверхности сплошной пленкой. На несмачиваемой поверхности происходит капельная конденсация, при которой конденсат выпадает в виде отдельных капель. При смешанной конденсации поверхность теплообмена частично покрывается пленкой конденсата, а на части ее образуются капли. При капельной конденсации вследствие отсутствия термического сопротивления конденсата теплоотдача более интенсивна, чем при пленочной.
|
|
Продукты разделения воздуха (азот, кислород, аргон) принадлежат к числу веществ, хорошо смачивающих металлические поверхности труб конденсаторов и других аппаратов. Поэтому в аппаратах воздухоразделительных установок происходит пленочная конденсация, применительно к которой и рассматриваем процесс теплообмена. Можно считать доказанным, что основным термическим сопротивлением, определяющим интенсивность процесса, является термическое сопротивление жидкой пленки стекающего конденсата. Такое положение существенно упрощает рассмотрение вопроса и сводит его к исследованию поведения пленки конденсата.
(1) |
После опубликования работы Нуссельта рядом авторов были проведены экспериментальные исследования теплоотдачи при конденсации паров, а также рассмотрено влияние на теплоотдачу волнового характера стекания пленки. В этих работах в большинстве случаев получались коэффициенты теплоотдачи больше подсчитанных по формуле 1 примерно на 20%. Для длинных труб при достаточно больших тепловых нагрузках получались даже качественные расхождения – коэффициенты теплоотдачи переставали зависеть от тепловых нагрузок вследствие турбулизации стекания пленки. Исследования процесса теплоотдачи при конденсации технического азота, кислорода и аргона, в зависимости от тепловой нагрузки и длины труб позволили установить три различных режима.
|
|
При малой интенсивности процесса (Re' ≤ 8·10-14 q/v2) визуально было обнаружено, что на поверхности теплообмена высаживаются мельчайшие кристаллы твердых примесей (Н2О, СО2 и др.), которые обычно в небольшом количестве содержатся в жидких чистых продуктах разделения воздуха. Налет кристаллов на поверхности труб вызывает торможение, а следовательно, и утолщение стекающей пленки конденсата, что приводит к ухудшению теплоотдачи от конденсирующихся паров к стенке. Для этого случая:
(2) |
При тепловых нагрузках, для которых Re' ≥ 8·10-14 q/v2 кристаллы с теплообменной поверхности смываются стекающей жидкостью.
При отсутствии влияния на теплообмен налета кристаллов, высаживающихся на теплообменной поверхности, установленная экспериментально зависимость для теплоотдачи аналогична формуле Нуссельта (93) и отличается от последней лишь величиной коэффициента пропорциональности. В формулу (93) входит коэффициент, найденный теоретически и равный 0,925. По данным экспериментов, коэффициент пропорциональности С1 = 1,0÷1,12. При этом, чем выше число Re', тем больше С1.
Принимая С1 = 1,0 при ламинарном стекании пленки конденсата по чистой теплообменной поверхности, можно рекомендовать следующую расчетную формулу:
(3) |
При больших тепловых нагрузках, когда число Re' больше некоторой критической величины, появляется значительный молярный перенос тепла, и теплоотдача практически не зависит от числа Рейнольдса.
В результате проведенных исследований определено, что
Re’кр = 6,22*10-5 Ga0,24 (4)
Исходя из уравнений (3) и (4) и наибольшей величины коэффициента пропорциональности С1 = 1,12 в условиях низких температур, для расчета а при конденсации с большими тепловыми нагрузками, можно рекомендовать следующее выражение:
Nu = 0,013 Ga0,413 (5)
Присутствие неконденсирующихся примесей даже в малых количествах резко снижает коэффициенты теплоотдачи. Это является результатом блокирования поверхности пленки стекающего конденсата неконденсирующимися газами. Скорость подвода рабочих паров к стенке, а следовательно, и скорость теплоотдачи начинают ограничиваться интенсивностью диффузии через образовавшийся газовый слой. Опыт эксплуатации кислородных установок показывает, что присутствие, например, неоно-гелиевой смеси в азоте резко снижает производительность конденсаторов азота. Поэтому в верхней части всех конденсаторов воздухоразделительных установок имеются продувочные штуцеры для отвода неконденсирующихся компонентов воздуха. Качественное представление о том, какое влияние на теплообмен оказывает присутствие неконденсирующихся примесей может дать график (рис. 4), показывающий изменение коэффициента теплоотдачи при конденсации водяного пара в зависимости от количества примеси воздуха.
Рис. 4. Опытные значения коэффициента теплоотдачи при конденсации водяного пара на горизонтальной трубе в присутствии воздуха
Влияние перегрева паров на теплоотдачу экспериментально и теоретически исследовалось рядом авторов. Было установлено, что если температура охлаждающей поверхности ниже температуры насыщения при данном давлении, то, несмотря на наличие перегрева паров в ядре потока, на стенке происходит конденсация; ядро потока и пленка конденсата обмениваются теплом, вследствие чего ядро охлаждается.
Состояние поверхности стенки также влияет на теплоотдачу при пленочной конденсации. Однако общего метода количественной оценки этого влияния нет, поэтому оно учитывается очень неточно на основе отдельных опытных рекомендаций.