--PAGE_BREAK--У другому підрозділі першого розділу проведений аналіз робочих режимів крупної аміачної холодильної установки комплексу перевантаження аміаку Одеського припортового заводу. В результаті аналізу встановлено, що установка у великій мірі підпадає під вплив НКГ. Визначені основні шляхи оптимізації конденсаторної системи з метою зменшення експлуатаційних енерговитрат.
У другому розділі виконаний аналіз впливу температури конденсації на продуктивність і енергоспоживання різних холодильних систем з компресорами різних типів. Проведено порівняння даних, наявних у відомих літературних джерелах, з результатами, отриманими з використанням параметра зміни питомих енерговитрат, де Е – дійсні питомі енерговитрати холодильного компресора або агрегату, величина, зворотна дійсному холодильному коефіцієнту.
Аналіз впливу температури конденсації на енерговитрати холодильних систем показав, що для вірного обліку цього впливу необхідно враховувати властивості холодоагенту, схему холодильної установки, конструктивні особливості компресорів, конденсаторів і інших апаратів. Приведені дані про зміну питомих енерговитрат Вk при зміні температури конденсації доцільно використовувати при проведенні економічних і оптимізаційних розрахунків.
З метою визначення збільшення витрат енергії, викликаного наявністю НКГ в системі відведення теплоти конденсації, проведені розрахункові дослідження робочих циклів холодильної установки, обладнаної аміачним одноступеневим агрегатом А110. Розрахунки одноступеневого холодильного циклу для різних температур конденсації при температурі кипіння t0 = –15°С проведені з урахуванням можливого перевищення тиску в конденсаторі, викликаного наявністю НКГ із заданою об'ємною часткою.
Встановлено, що присутність НКГ найсильніше сприяє збільшенню питомих енерговитрат холодильних машин при низьких температурах конденсації. Такі режими характерні для зимового періоду, коли наявність НКГ приводить до більшого зростання питомих енерговитрат холодильної установки, ніж влітку. При низькому тиску конденсації видалення НКГ може також супроводитися підвищеними втратами холодоагенту, якщо не використовувати додаткове дожимання парогазової суміші.
У дисертації автором отримані нові емпіричні залежності для розрахунку відносного зменшення коефіцієнта тепловіддачі при конденсації із суміші пари та повітря:
водяної пари (1)
і аміаку , (2)
де б0, бсм – коефіцієнти тепловіддачі при конденсації чистої пари та пари із суміші; Ma– молекулярна маса холодоагенту; оm, оV – масова і об'ємна долі НКГ.
Формули (1, 2) можуть бути застосовні для розрахунку коефіцієнтів тепловіддачі при конденсації водяної пари і аміаку у присутності повітря (у діапазоні концентрацій 0–6%) на горизонтальних одиночних трубах при природній конвекції в умовах, відповідних представленим в першому розділі дослідним даним Гудемчука і Мазюкевіча.
Третій розділ присвячений теоретичному і експериментальному дослідженню даного процесу. Теоретичне дослідження включало розробку математичної моделі процесу з урахуванням особливостей конденсації пари усередині труб з використанням результатів аналізу і виводів, отриманих в попередніх розділах. При розробці математичної моделі прийняті наступні допущення:
1. Коефіцієнт тепловіддачі з боку середи, що охолоджує, є функцією швидкості її руху і не залежить від температури поверхні труби.
2. У трубу подається суха насичена пара з відомою кількістю НКГ.
3. Шорсткість внутрішньої поверхні труби не враховується.
4. Щільність теплового потоку однакова в усіх точках поперечного перетину внутрішньої поверхні труби.
5. Теплота охолоджування парогазової суміші і конденсату при зменшенні спільної температури двофазного потоку в трубі не враховується.
6. Не враховується зворотний дифузійний потік неконденсованого газу, викликаний виникненням градієнта його концентрації по довжині труби.
7. Неконденсовані гази вільно відводяться на виході з труби.
8. Нехтуємо падінням тиску, викликаним гідравлічним опором при русі двофазного потоку усередині труби.
9. Впливом хвилевого руху на теплообмін можемо нехтувати, оскільки в умовах роботи повітряних конденсаторів для перебігу конденсату значення числа Re не перевищують 400.
На рис. 1 показана схема процесу конденсації пари за наявності НКГ усередині горизонтальної труби.
Рис. 1 Конденсація пари усередині горизонтальної трубі за наявності НКГ
У елементарний об'єм, довжиною dx, через перетин 1-1 подається парогазова суміш масовою витратою G = GV1+ Gоі об'ємною часткою НКГ о1, а також конденсат в кількості GL1. На відрізку dx в навколишнє середовище відводиться кількість теплоти dQk1, в результаті деяка кількість пари dGV1 переходить в рідкий стан і в перетині 2-2 масова витрата пари складе GV2= GV1– dGV1, а рідини – GL2= GL1+ dGV1. Вміст пари в суміші зменшується, а вміст НКГ зростає.
Визначивши початкові і граничні умови, за умови, що в горизонтальну трубу подається суха насичена пара з відомими параметрами, визначаємо наступні умови сполучення: по довжині труби масова витрата НКГ Gо не змінюється, а спільна масова витрата G постійна, тому
, (3)
парціальний тиск пари зменшується за рахунок його конденсації, а спільний тиск суміші по довжині труби залишається постійним, тому
. (4)
Значення локального коефіцієнта тепловіддачі від конденсуємої пари
(5)
де дL – середня товщина плівки конденсату в даному поперечному перетині труби, а відношення дL/лL характеризує додатковий термічний опір плівки конденсату, що утворилася; бNu – коефіцієнт тепловіддачі від конденсуємої пари при нехтовно малому впливі плівки конденсату, розрахований при фактичної різниці температур по формулі Нусельта:
, (6)
А(tk) – визначається властивостями холодоагенту при температурі tk.
Щільність теплового потоку, віднесену до площі внутрішньої поверхні труби qk, і температуру внутрішньої стінки труби tствизначаємо за допомогою системи рівнянь
, (7)
У міру просування парогазової суміші усередині труби на довжину dxв навколишнє середовище відводиться кількість теплоти
, (8)
утворюється конденсат в кількості dGL, а масова частка НКГ збільшується на величину Доm.Змінення парціального тиску пари холодоагенту в цьому випадку складе
. (9)
Нове значення температури конденсації tkвизначається по новому значенню тиску конденсації або з обліком (9), якщо відома функція tk(Pk):
. (10)
Математична модель, розроблена на підставі рівнянь матеріального і енергетичного балансу, дозволяє описати змінення основних параметрів парорідинної суміші при конденсації чистої пари аміаку усередині горизонтальних труб, а також за наявності НКГ різних концентрацій при різних температурних режимах.
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 tос=20°С; внутрішній діаметр труби din=21мм; зовнішній діаметр труби dext=26мм; довжина труби L=10м; висота ребра h=15мм; товщина ребра др= 0.3 мм; крок ребраu=2мм.
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 tk=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 tk–tствиявляється 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 Ра– парціальний тиск насиченої пари холодоагенту, відповідний температурі аміаку, що поступає в лінійний ресивер, Мпа; Р – загальний тиск парогазової суміші в лінійному ресивері, Мпа; Ратм – 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 оV, значення відносної насиченості парогазової сумішіцо у лінійному ресивері, температур в конденсаторі t-01, t-03, температури аміаку на вході в ресивер t-04 і температури навколишнього повітря tос 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 «Therma CAM P60» (FLIR Systems, 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 оVдо максимально можливої об'ємної часткиНКГ оVmax, яка може утворитися в суміші при її максимальному охолоджуванні до температури середи, що охолоджує:
продолжение
--PAGE_BREAK--