Удосконалення робочих характеристик повітряних конденсаторів аміаку за наявності неконденсованих газів

УДОСКОНАЛЕННЯ РОБОЧИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОВІТРЯНИХ КОНДЕНСАТОРІВ АМІАКУ ЗА НАЯВНОСТІ НЕКОНДЕНСОВАНИХ ГАЗІВ Спеціальність 05.14 Холодильна, вакуумна та компресорна техніка, системи кондиціювання Автореферат Дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук Одеса – 2008 Дисертація є рукописом. Робота виконана на кафедрі холодильних установок

Одеської державної академії холоду Міністерства освіти і науки України. Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент Мнацаканов Георгій Костянтинович, доцент кафедри холодильних установок Одеської державної академії холоду Міністерства освіти і науки України. Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Живиця Володимир Іванович, професор кафедри електротехніки та електронних пристроїв Одеської державної академії холоду Міністерства освіти і науки України; доктор технічних наук, професор Радченко Микола Іванович, професор кафедри кондиціонування і рефрежерації Національного університету кораблебудування імені адмірала

Макарова Міністерства освіти і науки України. Захист дисертації відбудеться « » 2008 р о годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д.41.087.01 при Одеській державній академії холоду Міністерства освіти і науки України за адресою: вул. Дворянська, 1/3, Одеса, Україна, 65082. З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Одеської державної академії холоду за адресою 650082, м.

Одеса, вул. Дворянська, 1/3. Автореферат розісланий 2008г. Вчений секретар спеціалізованої ради Д.01. Доктор технічних наук, професор Мілованов В.І. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ Актуальність дослідження. Аміак і сьогодні залишається основним холодоагентом промислових холодильних установок

і важливим продуктом хімічної технології. Тому зниження енерговитрат на вироблення холоду, підвищення екологічної і експлуатаційної безпеки аміачних холодильних установок є однією з актуальних проблем в технологіях великомасштабного виробництва, зберігання і використання аміаку, а вдосконалення роботи систем відведення теплоти конденсації – одним з напрямів її рішення. Більше 50% перевитрати енергії при експлуатації аміачного холодильного устаткування пов'язано

з додатковими енергетичними витратами в холодильному циклі, обумовленими підвищеними температурами конденсації, з них 25% енергетичних втрат викликано наявністю неконденсованих газів (НКГ). Проте експлуатація крупних промислових холодильних установок, обладнаних потужними системами відведення теплоти конденсації, практично неможлива без надходження НКГ. Аміачні конденсатори з використанням екологічно безпечного повітря, як охолоджувальної середи,

запаси якого в природі до того ж необмежені, знаходять широке застосування в холодильних установках хімічної, нафтової, харчової і інших галузей промисловості. Тому удосконалення робочих процесів крупних повітряних конденсаторних комплексів є однією з пріоритетних задач розвитку промислових аміачних холодильних установок. Дослідження роботи таких комплексів в широкому діапазоні режимних параметрів за наявності

НКГ не проводилися, а існуючі системи відведення НКГ не забезпечують їх енергетично ефективну і екологічно безпечну експлуатацію з мінімальними викидами аміаку. Створення ж конденсаторних комплексів з надійними системами відведення НКГ стримується відсутністю даних по впливу НКГ на теплообмін при конденсації аміаку в горизонтальнотрубних повітряних конденсаторах і особливостями експлуатації аміачних конденсаторних комплексів в цілому, обумовлених

наявністю НКГ, без чого неможлива раціональна організація їх робочих процесів. Це зумовило необхідність рішення науково-прикладної задачі удосконалення робочих процесів конденсаторних комплексів, що забезпечують інтенсивний теплообмін, надійне відведення неконденсованих газів, а також енергетично ефективну і екологічно безпечну експлуатацію крупних промислових аміачних холодильних установок.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами і темами. Дисертаційна робота виконана відповідно до Закону України «Про енергозбереження» від 1.07.1994 г.; Ухвал Кабінету Міністрів України №148 від 5.02.1997 р. «Про комплексну державну програму енергозбереження Україні» №583 від 14.04.1999 р. «Про Міжвідомчу комісію

із забезпечення виконання Рамкової Конвенції ООН про зміну клімату»; №206 від 22 лютий 2006 р. «Про затвердження Порядку розгляду, схвалення та реалізації проектів, спрямованих на зменшення обсягу антропогенних викидів або збільшення абсорбції парникових газів згідно з Кіотським протоколом до Рамкової конвенції ООН про зміну клімату». Метою наукового дослідження є підвищення енергетичної ефективності

і екологічної безпеки експлуатації конденсаторних комплексів промислових аміачних холодильних установок, які відзначаються надходженням великої кількості неконденсованих газів, шляхом раціонального управління потоками парогазової суміші, що забезпечує інтенсивний теплообмін і ефективне видалення неконденсованих газів з мінімальними втратами аміаку. Основні завдання наукового дослідження: – отримати експериментальні дані щодо впливу неконденсованих

газів на ефективність роботи конденсаторних комплексів промислових аміачних холодильних установок; – встановити закономірності і особливості процесів конденсації аміаку в горизонтальнотрубних повітряних конденсаторах за наявності неконденсованих газів; – виявити закономірності впливу великих концентрацій неконденсованих газів на режимні параметри повітряних конденсаторів аміаку; – розробити математичну модель конденсації аміаку усередині горизонтальних труб за наявності неконденсованих газів; – створити

методичну базу проектування конденсаторних систем і апаратів з урахуванням впливу неконденсованих газів на процеси конденсації; – розробити принципи раціональної організації робочих процесів аміачних конденсаторних комплексів і схемно-конструктивні вирішення систем ефективного видалення неконденсованих газів, які ці принципи реалізують. Об'єктом дослідження є повітряні горизонтальнотрубні конденсаторні комплекси промислових аміачних холодильних установок. Предметом досліджень

є процеси теплообміну при конденсації аміаку із парогазових сумішей в горизонтальнотрубних повітряних конденсаторах з відведенням неконденсованих газів. Методи дослідження: метод термодинамічного аналізу холодильних циклів аміачних установок, метод кінцевих елементів і теорія подібності при розрахунку тепловіддачі аміаку, що конденсується, експериментальні дослідження і обробка дослідних даних проводилися з використанням сучасної вимірювальної апаратури (термометрів

опору типа Ni-120 R5H-RTD (Sandelius) з температурними перетворювачами (DEVAR), інтелектуального п'єзорезистивного вимірювального перетворювача тиску (Honeywell Smart Pressure Transmitter STG-94), тепловізора «Therma CAM P60» (FLIR Systems), автоматичної системи управління технологічним процесом (АСУТП) на базі мікропроцесорних контролерів Honeywell та ССС (Compressor Control Corporation)

і створеного автором на його основі програмного регулювальника, яким по температурі і тиску визначали концентрацію НКГ в лінійному ресивері), вимір концентрації НКГ також здійснювався методом, заснованим на необмеженій розчинності аміаку у воді. Наукове положення, яке виноситься до захисту: Відхилення від ізотермічності процесу конденсації аміаку із парогазової суміші в горизонтальнотрубних повітряних конденсаторах

промислових холодильних установок дозволяє прогнозувати критичні значення концентрації неконденсованого компоненту суміші, при яких відбувається зниження щільності теплового потоку, і своєчасно здійснювати необхідне управління потоками парогазової суміші, що забезпечує максимальне зниження частки неконденсованих газів в системі відведення теплоти конденсації. Наукові результати і їх новизна: 1. Вперше отримані експериментальні дані характеристик процесів конденсації

пари аміаку за наявності неконденсованих газів усередині горизонтальних труб крупних повітряних конденсаторів промислових холодильних установок, взаємного впливу потоків рідини і парогазової суміші, локалізації найбільших концентрацій неконденсованих газів. 2. Вперше виявлено зменшення щільності теплового потоку при конденсації аміаку в горизонтальних трубах унаслідок зменшення парціального тиску аміаку по довжині труб

і відповідного зменшення температури конденсації, обумовлених наявністю неконденсованих газів. 3. Доведено, що вплив неконденсованих газів на режимні параметри конденсаторних комплексів якнайповніше враховується запропонованим автором параметром відносної насиченості парогазової суміші, який залежить від спільного тиску в конденсаторах і температури охолоджувального повітря. 4. Вперше розроблена математична модель процесу конденсації аміаку в горизонтальних трубах за наявності

неконденсованих газів з урахуванням градієнта концентрацій компонентів парогазової суміші по довжині труб і зміни температури конденсації. 5. На підставі встановлених закономірностей і отриманих експериментальних даних по режимних параметрах повітряних горизонтальнотрубних конденсаторів розроблені методичні рекомендації за визначенням критичної довжини труб, при якої вплив неконденсованих газів на конденсацію холодоагенту є мінімальним, що дозволяють проектувати вдосконалені конденсаторні

комплекси. 6. Розроблено принципи раціональної організації робочих процесів аміачних конденсаторних комплексів, видалення неконденсованих газів, які базуються на встановлених закономірностях і реалізовані в запропонованої автором системі видалення неконденсованих газів з теплообмінною поверхнею пластинчастого типу для промислових аміачних холодильних установок. Обґрунтованість і достовірність наукових положень, висновків

і рекомендацій підтверджується коректною постановкою науково-прикладного завдання, тривалістю і кількістю експериментальних досліджень, а також регулярною повторюваністю отриманих результатів, задовільним узгодженням експериментальних і теоретичних даних з допустимою похибкою, необхідною точністю проведення експериментальних досліджень, яка забезпечена застосуванням сучасного високоточного вимірювального устаткування і засобів обробки даних, задовільним узгодженням отриманих результатів з даними

інших авторів, використанням методу термодинамічного аналізу холодильних циклів, а також теорії подібності при моделюванні процесів конденсації, позитивними результатами застосування розроблених рекомендацій на діючому промисловому устаткуванні. Наукове значення мають наступні результати: – виявлені особливості конденсації аміаку з парогазової суміші усередині горизонтальних труб, що полягають в зменшенні щільності теплового потоку по довжині труби унаслідок зменшення температури конденсації; – розроблені принципи

оцінки впливу НКГ на конденсацію аміаку із застосуванням параметра відносної насиченості парогазової суміші; – результати експериментальних досліджень робочих процесів промислових повітряних конденсаторів аміаку, що знаходяться під впливом високих концентрацій НКГ; – отримана математична модель процесу конденсації аміаку усередині горизонтальної труби за наявності НКГ, що враховує неізотермічність процесу і відповідне зменшення щільності теплового потоку.

Практичне значення отриманих результатів: – методичні рекомендації по проектуванню вдосконалених повітряних конденсаторів, що враховують вплив неконденсованих газів і полягають у визначенні критичної довжини труб, при якій вплив неконденсованих газів на конденсацію холодоагенту є мінімальним; – спосіб ефективного видалення неконденсованих газів з мінімальними втратами аміаку і конструкція віддільника, що реалізовує його, з теплообмінною поверхнею пластинчастого типу;

– рекомендації по раціональному управлінню парогазовыми потоками в холодильних установках хімічної, переробляючої і нафтогазової промисловості, які розроблені на основі встановлених закономірностей процесів конденсації аміаку за наявності неконденсованих газів. Основні результати дослідницької роботи реалізовані у використанні отриманих результатів при проведенні оцінки впливу НКГ на енергетичні показники холодильної установки комплексу перевантаження аміаку

Одеського припортового заводу. У .результаті впровадження на об'єкті розроблених методик удалося уникнути тривалих періодів роботи холодильного устаткування цеху в режимах підвищеного енергоспоживання, викликаного наявністю НКГ, а також значно скоротити втрати аміаку при видаленні НКГ. Принципова новизна розроблених автором технічних рішень захищена патентом України на винахід. Особистий внесок автора в отриманні наукових результатів полягає в отриманні

і обробці експериментальних даних по впливу неконденсованих газів на робочі характеристики крупних повітряних конденсаторів аміаку; виявленні зменшення щільності теплового потоку при конденсації пари аміаку в горизонтальних трубах унаслідок поступового зменшення температури конденсації по довжині труб, викликаного наявністю неконденсованих газів; введенні параметра відносної насиченості парогазової суміші, запропонованого автором для обліку впливу неконденсованих газів на режимні параметри конденсаторних комплексів; розробці

математичної моделі процесу конденсації аміаку за наявності неконденсованих газів в горизонтальних трубах, яка враховує градієнт концентрацій компонентів парогазової суміші по довжині труб і зміну температури конденсації; розробці принципів раціональної організації робочих процесів аміачних конденсаторних комплексів; методичних рекомендацій за визначенням критичної довжини труб при проектуванні конденсаторних комплексів, при якій вплив неконденсованих газів на конденсацію холодоагенту

є мінімальним. У запатентованій конструкції віддільника неконденсованих газів на базі теплообмінника пластинчастого типу авторові належить конструкція пристрою відведення НКГ із систем відведення теплоти конденсації. Апробація роботи. Основні результати роботи були представлені на міжнародних науково-технічних конференціях «Сучасні проблеми холодильної техніки і технології», м. Одеса,

2001р 2002р 2003р 2005р 2006р 2007р.; IIR International conference «Ammonia Refrigeration Technology for Today and Tomorrow», April 19-21, 2007, Ohrid, Republic of Macedonia. Публікації. По темі дисертації опубліковано 11 робіт, з них 3 – статті в наукових спеціалізованих журналах, 7 – доповіді і тези доповідей в матеріалах конференцій, 1 – патент України на винахід. Структура і об'єм дисертації.

Дисертація складається з введення, чотирьох розділів, списку використаної літератури і додатків. Робота викладена на 175 стор включає 132 стор. основного тексту, 42 малюнки, 6 таблиць, списку літератури із 124 найменувань і 6 додатків на 43 стор. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ У вступі обґрунтована актуальність дисертаційної роботи, сформульовані мета і завдання дослідження, подана загальна характеристика роботи.

У першому розділі розгледіли роботи відомих авторів (Гудемчук В.А Берман Л.Д Фукс С.Н Ісаченко В.П Мазюкевіч І.В Піменова Т.Ф Гусев В.А Франк-Каменецький Д.А Каппель А.С Vierow K Товажнянський Л.Л Ширяєв Ю.Н.), присвячені дослідженню процесів конденсації пари за наявності неконденсованих газів. Їх аналіз показав, що не дивлячись на те, що механізми перенесення тепла

і маси в процесах конденсації пари (в більшості випадків водяної пари) за наявності НКГ в цілому вивчені, але роботи, присвячені процесам конденсації за наявності НКГ в холодильних установках, носять взагалі описовий характер. Гудемчук В.А. і Отмер у своїх дослідженнях виявили двократне зменшення коефіцієнта тепловіддачі при конденсації водяної пари на поверхні гладких труб за наявності 1 % повітря.

У аналогічних умовах при конденсації аміаку за наявності 1 % повітря Мазюкевіч І.В. виявив зменшення коефіцієнта тепловіддачі лише на 30% в порівнянні з конденсацією чистої пари. Результати дослідів Vierow K. (Purdue University) по конденсації водяної пари у присутності повітря усередині горизонтальних і вертикальних труб демонструють, що погіршення тепловіддачі в набагато меншому ступені залежить від концентрації НКГ в порівнянні з впливом швидкості руху суміші в трубі

і тиску пари. Максимальне зменшення щільності теплового потоку, викликане зростанням концентрації НКГ, не перевищує 15%. 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