Учебный вопрос № 2. Теплоотдача при конденсации пара

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)

Нуссельт еще в 1916 г. теоретически вывел зависимость для определения коэффициентов теплоотдачи при конденсации пара на вертикальной стенке для чисто ламинарного стекания пленки конденсата при постоянной темпера­туре теплообменной поверхности и при постоянных значениях на всей по­верхности физических параметров жидкости (теплопроводности, вязкости и плотности). Если определяющей является заданная удельная тепловая нагрузка, эту зависимость удобно представить в следующей критериальной форме:

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.