автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Кинетика процессов и моделирование парогенератора адсорбционного типа для систем регенерации воздуха автономных обитаемых объектов

На правах рукописи

РГ5 ОД

■] Г' • ; ... ' ^ Г.

ПОТАПОЧКИН Владимир Викторович

КИНЕТИКА ПРОЦЕССОВ И МОДЕЛИРОВАНИЕ ПАРОГЕНЕРАТОРА АДСОРБЦИОННОГО ТИПА ДЛЯ СИСТЕМ РЕГЕНЕРАЦИИ ВОЗДУХА АВТОНОМНЫХ ОБИТАЕМЫХ ОБЪЕКТОВ

Специальность 05.17.08 - Процессы и аппараты химической технологии

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Тамбов - 2000

Работа выполнена в Тамбовском государственном техническом университете на кафедре «Гидравлика и теплотехника».

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

Ляшков Василий Игнатьевич.

Научный консультант: кандидат технических наук,

Симаненков Станислав Ильич.

Официальные оппоненты: Заслуженный деятель науки

и техники РФ, доктор технических наук, профессор,

Рудобашта Станислав Павлович; кандидат технических наук, профессор Коптев Андрей Алексеевич.

Ведущая организация: ФГУП «ТамбовНИХИ», г. Тамбов.

Защита состоится » С^^О 2000 г. в ¡С час, на заседании

диссертационного совета К 064.20.01 Тамбовского государственного технического университета по адресу: г. Тамбов, ул. Ленинградская, 1, ауд. 60.

Отзывы. на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью, просим направлять по адресу: 392000, г. Тамбов, ул. Советская,

106, ТГТУ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан «£ У » И СЛ> ^ > Ц 2000 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доцент

В. М. Нечаев

ОббШ-ОЫМ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Для нужд министерства по чрезвычайным ситуациям и космонавтики необходимо иметь высокоэффективные химико-технологические системы регенерации воздуха, удовлетворяющие очень жестким требованиям к энергопотреблению и весога-баритным показателям. Разработку одной из таких систем в настоящее время проводит ФГУП «ТамбовНИХИ» с привлечением ученых ТГТУ.

На основе анализа существующих схем предложена концепция аппарата, который включает в себя поглотитель СО2 и устройство регенерации поглотителя водяным паром с хроматографическим концентрированием СО2. Это устройство при разогреве рабочего слоя (на основе силикагеля) генерирует необходимое количество водяного пара для вытеснения СО2 из адсорбента, а по завершении этого процесса при захолаживании рабочего слоя адсорбирует выделенный ранее пар. Далее по тексту это устройство будем называть парогенератором (ПГ) адсорбционного типа. Работа ПГ во многом определяет эффективность всей системы для очистки газовоздушной смеси от С02. Для уменьшения веса, теплопотерь, энергозатрат и расхода влаги ПГ и поглотитель С02 компонуются в виде совмещенного аппарата.

Несмотря на то, что процессы сорбции и десорбции, конденсации и парообразования изучены давно и основательно, для разработки ПГ, соответствующего требованиям технического задания РКК «Энергия» и с учетом специфики создаваемой конструкции, потребовалось провести всестороннее аналитическое, экспериментальное и имитационное исследования протекающих в нем процессов и свойств используемых материалов, а также выявить влияние различных конструктивных и режимных факторов на эффективность работы аппарата.

Данная работа посвящена этой актуальной в научном и практическом плане теме. Она связана с планами научно-исследовательских работ ТГТУ и ФГПУ «ТамбовНИХИ» в рамках государственной программы РФ №017-5098.87 «Разработка Российского бортового оборудования» и выполнялась в соответствии с договором о творческом сотрудничестве между ТГТУ и ФГУП ТамбовНИХИ №1/98 на 1997 - 1998 гг.

Цель работы. Целью работы являлось исследование кинетики процессов сорбции и парообразования в парогенераторе адсорбционного типа, разработка математической модели, описывающей основные тепло-массообменные и гидромеханические процессы, имитационное моделирование на ее основе, экспериментальное изучение теплофизических свойств используемых материалов, а также анализ и оптимизация гидравлической схемы раздачи теплоносителя.

Научная новизна. Проведены экспериментальные и аналитические исследования кинетики процессов тепло- и массообмена в парогенераторе адсорбционного типа при изменяющихся по времени граничными условиями. Разработана математическая модель этих процессов, позволяющая проводить имитационные исследования и анализ влияния входных параметров на режимы работы. Получены экспериментальные данные о теплопроводности и теплоемкости для адсорбентов, применяемых в системе очистки газо-воздушной смеси от углекислого газа. Исследована динамическая вязкость предполагаемых теплоносителей для парогенератора.

Практическая ценность. Разработаны алгоритм и программа гидравлического расчета системы раздачи теплоносителя в парогенераторе, позволяющая оптимизировать конструктивные размеры парогенератора. Предложен способ аналитического расчета коэффициентов массопроводности и термодиффузии для большого класса капиллярно-пористых материалов.

Результаты имитационного моделирования и оптимизации на основе разработанных математических моделей, а также результаты экспериментальных исследований использованы при разработке проекта системы очистки атмосферы от СО2 для космических объектов. Проект рассмотрен в ракетно-космическом концерне «Энергия» и принято решение о целесообразности его реализации.

Апробация работы. Результаты исследований докладывались на третьей Международной теплофизической школе в 1998 г. (г. Тамбов); ежегодных научно-технических конференциях ТГТУ в 1998 и 1999 гг.; научных семинарах кафедры «Гидравлика и теплотехника» ТГТУ; техническом совещании в ракетно-космическом концерне «Энергия»; технических совещаниях ФГУП «ТамбовНИХИ».

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 15 печатных работах.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, выводов, списка литературы и двух приложений. Основная часть работы изложена на 135 страницах машинописного текста, содержит 47 рисунков, 5 таблиц. Список литературы содержит 115 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, определены цели диссертационной работы, перечислены основные научные и практические результаты работы.

Первая глава посвящена литературному обзору и постановке задач исследования. Здесь рассмотрены способы регенерации газовоздушной смеси в системах жизнеобеспечения автономных обитаемых объектов. Приведено описание такой системы и рассмотрены особенности режимов работы совмещенного аппарата, схема которого приведена на рис. 1. Так, воздух, подаваемый на очистку, при открытии вентиля К2 прокачивается через поглотитель СО2 и очищенный выходит через вентиль К1. При этом вентиль КЗ закрыт, а в змеевики парогенератора подается захоложенный теплоноситель. В результате в рабочем слое парогенератора (композиции на основе силикагеля КСК) происходит адсорбция водяного пара. Для регенерации поглотителя СО2 вентили К1 и К2 перекрывают, а в парогенератор подают горячий теплоноситель. По мере прогрева происходит десорбция и испарение влаги, очищенный образовавшийся пар переходит в воздух

нижнюю часть аппарата и замещает -[>¡<1—

в расположенном здесь сорбенте уг- теплоноситель К1

лекислый газ, выталкивая его через --- !

открытый вентиль КЗ в аккумулятор.

По литературным источникам описаны подходы к решению вопросов кинетики адсорбции и десорбции влаги в капиллярно-пористых

телах, особенности парообразования К2 1 кз

на таких телах. Приведены основные --¡>^<1—,

аналитические и эмпирические зави- воздух к аккумулят0ру со2

симости, применяемые при расчетах наочисткУ испарения и поглощения влаги. Рас- рис. 1 Совмещенный аппарат смотрены методы определения коэффициента массопроводности. Про- 1 анализированы различные методики и способы расчета теплопроводности

для поглощения С02:

парогенератор; 2 - фильтр; 3 - поглотитель С02;

К1, К2, КЗ - вентили капиллярно-пористых тел. Показано, что предлагаемые методики расчета не являются универсальными, имеют строгие ограничения по их применению и это приводит к необходимости дальнейших

аналитических и экспериментальных исследований, особенно если учитывать специфику режимов работы нашего аппарата.

Во второй главе определена и обоснована система дифференциальных уравнений, описывающая процессы тепло- и массообмена в слое капиллярно-пористого аккумулирующего влагу материала, разработаны методики расчета коэффициентов массопроводности и термодиффузии, даны описания экспериментальных установок, методики экспериментов и результаты измерений теплоемкости и теплопроводности использованных сорбентов, а также динамической вязкости предполагаемых теплоносителей. Здесь же проведено аналитическое исследование гидравлической схемы раздачи теплоносителя, ее гидравлический расчет и оптимизация геометрических размеров, рассмотрено влияние тепловой инерционности медных пластин на динамику разогрева (или охлаждения) рабочего слоя в парогенераторе.

При работе парогенератора последовательно реализуются два процесса: адсорбция водяного пара при прокачивании через змеевик холодного теплоносителя и десорбция воды и парообразование при нагревании пресс-пластин горячим теплоносителем. Для одно-

Рис. 2 Рабочий слой мерН{щ задачи (а в нашем случае, когда тол-

сор ента в . щина слоя сорбента во много раз меньше ос-

1 - медная пластина: г 1

2 - пресс-пластина натальных его размеров и влиянием тепло- и

основе силикагеля массообмена с боковых граней пластины можно пренебрегать) независимой переменной действительно является только координата х (рис. 2). Дифференциальные уравнения массопроводности и теплопроводности, описывающие материальный и тепловой баланс внутри капиллярно-пористого тела при неизотермической адсорбции, представляются в виде:

х=0 х=5

дС д пдС _ Зг — = —(к— + 5,—); дх дх дх дх

(1)

д, л д дС

Р„ 0=Т- С*- -Г-) + 9 Р. -г-. дх дх дх дх

где С = - концентрация Н2О в пластине; к - коэффи-

циент массопроводности; 5, = Л?, С) - относительный коэффициент термодиффузии; см = /{!,С), рм = Д/, С), Хм = ]{1,С) - объемная теплоемкость, плотность и эффективный коэффициент теплопроводности адсорбирующего влагу материала, соответственно; д = о(г +с/ал) -

удельная объемная производительность внутренних источников или стоков тепла; величина q определяется суммой теплот парообразования, адсорбции и соотношением между жидкой и паровой фазами внутри пор адсорбента: ср = йС^/йС - локальный коэффициент фазового превращения, представляющий соотношение между локальным изменением массосодержания влаги, вызванным конденсацией пара, и общим влагосодержанием в адсорбенте; г - теплота парообразования; <7ад " теплота адсорбции.

Учитывая, что при х = 8 (из-за наличия непроницаемой и весьма теплопроводной стенки) поток массы отсутствует, можно записать:

д_С дх

= 0,

(3)

л=5

откуда следует первое граничное условие (ГУ) для уравнения (1)

= 0. (4)

Считая, что между слоем адсорбирующего влагу материала и медной пластиной существует идеальный тепловой контакт, для уравнения (2) граничное условие при л = б записываем в виде ГУ 1: I = 1СТ, где /ст - температура медной стенки.

При формировании граничных условий на другой стороне пресс-пластины (х = 0) предполагалось, что на ее наружной поверхности не происходит накопления массы, а вся подводимая за счет внешней конвективной диффузии влага поглощается благодаря адсорбционным свойствам силикагеля. Приравнивая массовые потоки через поверхностный слой пластины и в пограничном слое парогазовой смеси, получаем следующее дифференциальное уравнение граничных условий для уравнения (2)

д(*пР.С)

дх

ФпРАО

х=0

дх

=рс[(сХо-с;],

(5)

*=0

где кп - значение к при х = 0; (Зс = /)/5с; Б - коэффициент продольной диффузии; 6С - условная толщина диффузионного пограничного слоя; (Сс)Л=0, Сс - объемная концентрация влаги на поверхности стенки и во внешней среде. Для теплообмена внешней поверхности имеем ГУ третьего рода

-а..

дх

= <х (ta-ix=0), (6)

At=0

где а - коэффициент теплоотдачи от парогазовой смеси к стенке в условиях диффузионного процесса; ta - температура в аппарате.

Большинство исследователей, ориентируясь на конкретные особенности задачи, вводят определенные упрощающие предпосылки (например, к = const, X = const и т.п.), которые линеаризируют уравнения или вообще существенно упрощают математическую модель. Так, в случае, когда через сравнительно тонкий слой зернистого адсорбента продувается с большой скоростью газовая фаза и в результате интенсивного теплообмена на поверхности частиц и высоких значений рс процесс адсорбции можно считать изотермическим (а значит, отпадает необходимость в дифференциальном уравнении теплопроводности), основу математического описания составляет лишь уравнение массового баланса. В другом предельном случае, когда массопроводность внутри слоя очень велика, а лимитирующим становится процесс теплообмена, для решения задачи используется только уравнение (2).

В нашем случае такие упрощения или невозможны, или способны привести к существенным отклонениям от действительной ситуации, делающим результаты расчета мало достоверными.

Следует особо подчеркнуть, что при работе парогенератора существенно меняются по времени основные факторы, определяющие значения кинетических коэффициентов (температура и расход теплоносителя, температуры и расходы парогазовой смеси, подаваемой на очистку, температуры и расходы выделяемого пара). При расчетах эти зависимости брались такими же, какими они были выявлены при экспериментальных исследованиях работы парогенератора или рассчитывались на основе тепло- и массобалансовых уравнений, записываемых для всего объема парогенератора.

При любом подходе к расчетам требуется определение значений теплофизических, массообменных и теплообменных коэффициентов (и их зависимостей от определяющих факторов), которые использу-

ются в математической модели, что требует более подробного описания методов их определения.

При анализе зависимостей коэффициента термодиффузни 5, от массовой концентрации влаги С при разных температурах было выявлено, что с введением безразмерных параметров 5,/5, max и С/Сс111|, где Ссин - значение С, соответствующее 5,тах, эти зависимости хорошо группируются в одну обобщенную и могут быть аппроксимированы формулой

5,/5,max = ехр(-2,66 (С/Ссин)2 + 5,31 (С/Ссин) - 2,65). (7)

Значит, для капиллярно-пористого тела, работающего в гигроскопической области, чтобы рассчитать зависимость 5, = /(Q, достаточно знать значения 5/тах и Ссин при заданной температуре t и тогда

max

f(Ci/CmH), (8)

где через/(Q/CcllH) обозначена правая часть формулы (7), рассчитанная при С = Q.

Зависимость 8t = f(Q может быть также полностью определена, если известны хотя бы две опытные точки на ней (Q, 5,1 и Cj, 5/2). В этом случае, записав на основании формулы (8) два уравнения:

max

max — W/(C2/ Qhh)>

получаем трансцендентное уравнение вида Дх) = 0 относительно Ссин

/(Cl/^син) ЛС2/Сси,)_0> (9)

81 52

которое легко решается методом простых итераций.

Разработана методика расчета коэффициента массопроводности к по среднестатистическим характеристикам распределения диаметра пор адсорбента, получаемым, например, при ртутной поромет-рии, которая обеспечивает вполне приемлемые результаты. В основе этой методики лежит аппроксимация экспериментальных интегральных кривых распределения пор по размерам определенными сплайнами (обычно квадратичными) и на их основе расчет соответ-

ствующих производных, с помощью которых по известным эмпирическим формулам и рассчитывается значение к.

Измерение удельной теплоемкости адсорбентов проведено на специальной экспериментальной установке, содержащей заполненный дистиллированной водой сосуд Дыоара с электронагревателем, мешалкой и специальной колбой для размещения навески исследуемого материала. Калибровка калориметра проведена по дистиллированной воде.

Исследовалась композиция, состоящая в основном из силикаге-ля КСК с незначительными примесями связующих (глина, асбест).

Ниже приведена табл. 1 результатов измерений для исследованных адсорбентов и для сравнения дается значение теплоемкости си-ликагеля КСК, приведенное в литературе. Данные о теплоемкости поглотителя регенерируемого циркониевого (ПРЦ-М) получены впервые.

Таблица 1

Теплоемкости адсорбентов

Адсорбент t, °С с, Дж/(кг-К)

Композиция с КСК, 0 0,1 мм 15 - 30 837,47

Адсорбент С02, ПРЦ-М 15 - 30 1059,1

КСК №1* 15 - 30 920

*Кельцев Н. В. Основы адсорбционной техники. М.: Химия, 1976. 511 с.

Экспериментальное исследование теплопроводности образцов композиций силикагеля и поглотителя ПРЦ-М, представленных ТамбовНИХИ, было проведено нами на приборе ИТ-3 ИТТФ АН УССР. Для проведения экспериментов по измерению теплопроводности сыпучих материалов была изготовлена специальная измерительная ячейка: к теплоизолирующей прокладке приклеивались пластины из оргстекла. Это дало возможность визуально контролировать равномерность засыпки исследуемого материала в измерительную ячейку. Теплоизолирующая прокладка выполнена из пенопласта. Теплопроводность пластин из оргстекла была предварительно измерена на том же приборе, и при расчетах А. учитывалось тер-

мическое сопротивление этих двух пластин, между которыми и располагался исследуемый зернистый материал.

Большая пористость и абсорбционная способность силикагелей определили некоторые ограничения и особенности методики проведения и планирования экспериментов.

Результаты экспериментальных измерений теплопроводности приведены в табл. 2. Данные о теплопроводности ПРЦ-М получены впервые.

Таблица 2

Теплопроводность адсорбентов

Материал Ро. с, П

кг/м3 °с кг/кг ВтДМ'К)

ПРЦ-М, 0 0,5 мм 1237,5 36,9 0 0,31 0,104

Композиция с КСК:

0 0,4 мм 435,8 34,3 0 0,31 0,087

0 1,0 мм 476,2 35,3 0 0,31 0,118

0 1,6 мм 355,8 33,2 0,06 0,31 0,110

0 2,5 мм 481 35,2 0,03 0,31 0,112

38,5 0,209 0,164

33,2 0,267 0,162

35,1 0,379 0,193

На вискозиметре «Реотест-2» производства ГДР было проведено экспериментальное исследование вязкости предполагаемых теплоносителей. Полученные результаты хорошо согласуются с опубликованными в литературе. Обработкой опытных данных получены следующие эмпирические формулы, удобные для использования в машинных расчетах:

- для расчетов коэффициента динамической вязкости ц эти-ленгликоля (при среднеквадратической погрешности аппроксимации а = 0,0009)

ц = Г0'424 е-°>022'; (10)

- для водных растворов глицерина

М- _ ^ 0004286е°,0104496С е(14241° 7+0'0117817С)'/20 (11)

^20

где Ц20 - динамическая вязкость раствора при температуре 20 °С, которую рассчитываем по формуле

ц2о= а + ЬС+ сС2, (12)

где коэффициенты а, Ь, с определялись разложением анализируемой табличной зависимости в ряд по ортогональным многочленам. Значения этих коэффициентов приведены в работе.

Гидравлический расчет схемы подачи теплоносителя в ПГ позволил определить гидравлические сопротивления, расходы и скорости на любом участке схемы. В основе расчета положены массоба-лансовые уравнения и уравнения, отражающие известное правило: алгебраическая сумма потерь напора для любого замкнутого контура гидравлической схемы равна нулю (в электротехнике аналогичное правило называют вторым законом Кирхгофа). В отличие от электрических сетей, в гидравлике этот подход приводит к замкнутой системе нелинейных трансцендентных уравнений, решали которую численно, методом «пристрелки». В результате расчетов определяли также общее гидравлическое сопротивление, гидравлическую характеристику аппарата и коэффициент неравномерности раздачи теплоносителя по каналам, служащий количественной оценкой неравномерности прогрева по объему аппарата.

Сопоставление результатов серии расчетов выявило преимущества прямоугольной компоновки перед цилиндрической, позволило количественно оценить влияние основных геометрических размеров и режимных факторов на выходные параметры сети.

Исследован характер возникающих переходных процессов нагрева и охлаждения пластин ПГ при изменении температуры теплоносителя, поскольку эта температура входит в качестве одного из граничных условий в математическое описание основных процессов. Расчет проводился на основе уравнения теплового баланса

Ф) Сет - 'ж= стс1и (13)

где а - коэффициент теплоотдачи; /ст - температура медной пластины; Г = пс!1 - поверхность теплообмена; с1 и / - внутренний диаметр и длина змеевика; т - текущее время; т - масса змеевика и пластины; с - теплоемкость меди. Интегрирование уравнения (13)

выполнено на ПК методом Рунге-Кутта четвертого порядка с автоматическим выбором шага. Получено и упрощенное, аналитическое решение.

В главе 3 методом сеток получены алгебраические аналоги дифференциальных уравнений математической модели, разработан алгоритм их реализации на ПК, приводятся сопоставление расчетных и опытных кривых кинетики процессов, а также результаты имитационного моделирования.

Для дискретизации нелинейных дифференциальных уравнений второго порядка и уравнений граничных условий был применен метод балансов, основанный на непосредственной аппроксимации балансовых уравнений, записываемых для каждого из элементарных объемов, составляющих в сумме все исследуемое пространство.

При таком подходе и использовании неявной схемы для каждого шага по времени Ат получается система линейных алгебраических уравнений вида

АХ = В, (14)

где А - матрица коэффициентов при неизвестных; X - матрица неизвестных значений ^ и С', а В - матрица свободных членов.

Полученную систему решали методом сингулярного разложения или декомпозиции. При этом матрица А раскладывается на две ортогональные матрицы и матрицу сингулярных чисел, после этого умножением полученных матриц на матрицу В получаем искомые значения температур и концентраций.

Расчеты проводились по специально разработанной программе (на языке программирования С++). При нелинейной постановке задачи значения теплофизических и кинетических коэффициентов модели уточнялись организацией дополнительного итерационного цикла на каждом шаге интегрирования Ат. Итерационный цикл

уточнения значений и с/ прекращается, когда разница концентраций в предыдущем и последующем приближении станет меньше е (принималось г = 0,5 %).

Расчет коэффициентов теплоотдачи и массоотдачи проводился по формулам А. В. Нестеренко с введением определенных поправок, учитывающих стесненность объема и вертикальное положение рабочих поверхностей. Приняты: шаг по времени Ат = 1 с; шаг по толщине пресс-пластины - Д/г = 0,4 мм. Исходные данные принима-

Дт, кг/с

0,0006 0,0005 0,0004 0,0003 0,0002 0,0001 0

А -расчетные данные |

\ J ■ экспериментальные! данные |

в"4-

400 800 1200 1600 2000 2400 2800 3200 т, с1

Рис. 3 Секундный прирост влага в ПГ

% 40

лись такими же, как и для полномасштабной физической модели аппарата. Изменения температуры и относительной влажности паровоздушной смеси на входе в ПГ, измеренные экспериментально, предварительно были аппроксимированы алгебраическими формулами, позволяющими рассчитывать значения ?вх г и фвх, для любого момента времени 0 < т < ткон.

Сопоставлением расчетных и опытных данных, полученных на полномасштабном макете парогенератора в ТамбовНИХИ, доказана адекватность реализованной математической модели. Та: кое сопоставление для процесса адсорбции влаги приведено на рис. 3 и 4. По расчетам масса поглощенной за 1 час влаги равна 0,8125 кг, и этот основной результат отличается от экспериментального всего на 1,69 %.

Из рисунков видно, что расчетные кривые хорошо совпадают с результатами эксперимента, а наибольшие отклонения в различные моменты времени не превышают 12 %, что лежит близко к точности экспериментальных данных. Это позволяет сделать вывод о допустимости использования программ, реализующих математическую модель, для проведения инженерных расчетов процессов в ПГ.

При исследовании влияния входных параметров и начальных условий на количество поглощаемой пресс-таблетками влаги и другие выходные параметры нами было получено, что относительная влажность газо-воздушной смеси на входе влияет на скорость адсорбции только при значениях ср менее 58 % или при входной температуре 45 °С, а величина начальной температуры рабочего слоя

1 ..........1.................1...............1........

——расчетные данные ■ экспериментальные данные

г Г

и ■ 1 —1—

0 400 800 ¡200 1600 2000 2400 2800 3200 т.

Рис. 4 Изменение относительной влажности воздуха на выходе из ПГ по времени

т,кг-

1200 1600 2000 2400 2800 3200 Т, С

Рис. 5 Насыщение влагой рабочего слоя при разных температурах теплоносителя

т, кг оии

1300

1100

900

700

500

300

100

при длительности процесса 1 час практически не влияет на количество поглощенной влаги.

Специальной серией расчетов установлено, что большое влияние на скорость поглощения и количества адсорбированной влаги оказывает температура охлаждающего теплоносителя /вхж. Как это видно из рис. 5, с уменьшением температуры скорость поглощения увеличивается, и заданное количество влаги поглощается за более короткий промежуток времени.

Проведен также численный анализ влияния входных параметров на скорость адсорбции. Показано, что при повышении скорости пара и его температуры скорость адсорбции и количество суммарно поглощенной влаги увеличиваются.

На рис. 6 приведено сопоставление расчетной кривой выделения пара и экспериментальных измерений на физической модели (для этого пар направлялся в специальный холодильник на конденсацию, а конденсат периодически взвешивался). Удовлетворительное совпадение расчетных и опытных данных может служить обоснованием адекватности предложенной модели и для режима десорбции и парообразования.

На первой стадии рассматриваемого процесса из парогенератора вытесняется паровоздушная смесь, при этом концентрация воздуха в ней и внутри аппарата быстро уменьшается. Параллельная с основным расчетом реализация соответствующих массобалансовых урав-

п-1

V

э опь — рас т чет

20 30 40 50

60

70 Т, МИН

Рис. 6

Количество выделенного пара в течение процесса

нений позволила определить кинетику этих изменений. На рис. 7 приведены результаты таких расчетов. Из рисунка видно, что уже

через 22 - 25 с весь воздух вытесняется из парогенератора.

Рассчитано также распределение полей температур и концентраций внутри рабочего слоя по времени и по толщине пластины. Произведен анализ влияния входных параметров на скорость десорбции и парообразования.

Такие зависимости помогают глубже понять особенности протекающих процессов и очень важны для выбора направлений по совершенствованию конструкции и режимов работы аппарата.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1 Рассмотрены особенности конструкции и режимов работ па-рогененратора адсорбционного типа. Выполнен обзор и анализ литературных источников по сорбции и десорбции влаги на капиллярно-пористых телах, кинетике тепло- и массообмена внутри капиллярно-пористых тел.

2 Разработана математическая модель процессов тепло- и массообмена с учетом специфики конструкции и режимов работы парогенератора адсорбционного типа, реализация которой позволила рассчитать кинетику этих процессов, а также проанализировать влияние изменения важнейших входных параметров на тепло- и массообмен.

3 Разработаны алгоритмы и программы расчета коэффициентов массопроводности и термодиффузии при наличии минимальных сведений о свойствах капиллярно-пористых тел.

4 Экспериментально исследованы теплоемкость и теплопроводность композиций на основе силикагеля КСК, а также циркониевого поглотителя СО2, для которого эти сведения получены и опубликованы впервые. Экспериментально исследована динамическая вязкость теплоносителей для системы удаления углекислого газа из воздуха, получены эмпирические формулы, аппроксимирующие как наши, так и данные других авторов с точностью 2,5 %.

т,

и,л 0,2 0,1 0

О

10

15 20 25 т, С

Рис. 7 Изменение массы сухого воздуха внутри аппарата

5 Разработана программа для гидравлического расчета системы раздачи теплоносителя, на основе которой проведена оптимизация геометрических размеров и режимов работы этой системы.

6 Результаты имитационного моделирования и оптимизации на основе разработанной математической модели, а также результаты экспериментальных исследований Использованы при разработке технического проекта системы очистки атмосферы от СО2 для системы жизнеобеспечения космических объектов. Проект рассмотрен в ракетно-космическом концерне «Энергия» и принято решение о целесообразности его реализации.

СПИСОК УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ И АББРЕВИАТУР

Обозначения: С - относительная массовая концентрация, кг/кг; С" - относительная объемная концентрация, (кг/м3); р - плотность, кг/м3; X - теплопроводность, Вт/(м-К); ц - динамическая вязкость, Н-с/м2; т - время, с; с - теплоемкость материала, Дж/(кг-К); d - диаметр, м; к - коэффициент массопроводности, м2/с; х - координата, м; 5f - относительный коэффициент термодиффузии, 1/К; q - удельная объемная производительность внутренних источников или стоков тепла, Дж/кг; <7ад - теплота адсорбции (или десорбции), Дж/кг; г - теплота парообразования, Дж/кг; П - пористость гранул силика-геля. Индексы: 0 - основания или начальное значение; / - номер узла пространственной сетки; j - номер очередного интервала времени; вх - значение параметра на входе в парогенератор; вых - значение параметра на выходе из парогенератора; г - газ; ж - жидкость; кон - конечное; м - материал пресс-таблеток. Аббревиатуры: ТГТУ - Тамбовский государственный технический университет; ФГУП - федеральное государственное унитарное предприятие; РКК - ракетно-космический концерн; ИТТФ - институт технической теплофизики.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ИЗЛОЖЕНО В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

1 Потапочкин В. В., Ляшков В. И. Проверка и уточнение ин-. дивидуальной калибровки вискозиметра «Реотест-2» // Труды молодых ученых ТГТУ. Тамбов, 1997. С. 173 - 179.

2 Потапочкин В. В., Ляшков В. И. Исследование вязкости касторового масла // Вестник ТГУ. 1997. Т. 2. Вып. 2. С. 233 - 234.

3 Ляшков В. И., Потапочкин В. В. Вязкость водных растворов глицерина // Вестник ТГУ. 1997. Т. 2. Вып. 3. С. 337 - 339.

4 Потапочкин В. В., Ляшков В. И. Теплопроводность некоторых адсорбирующих влагу материалов // Третья Международная те-плофизическая школа: Тез. докл. Тамбов: ТГТУ, 1998. С. 112 - 113.

5 Потапочкин В. В., Ляшков В. И. Математическое описание процессов в парогенераторе адсорбционного типа // Труды ТГТУ. 1999. Вып. 3. С. 22 - 25.

6 Потапочкин В. В. Расчет процесса нагревания-охлаждения пластинчатого аппарата // Труды ТГТУ. 1999. Вып. 3. С. 74 - 77.

7 Потапочкин В. В., Ляшков В. И. Дискретизация математической модели процессов в адсорбционном парогенераторе // Труды ТГТУ. 1999. Вып. 3. С. 33 - 37.

8 Потапочкин В. В., Ляшков В. И. Привлечение данных ртутной порометрии для расчета коэффициента массопроводности капиллярно-пористых тел // IV научная конференция ТГТУ: Тез. докл. Тамбов, 1999. С. 135.

9 Ляшков В. И., Симаненков С. И., Потапочкин В. В. Гидравлическая развертка пластинчатого аппарата // Химическое и нефтегазовое машиностроение. 1999. № 3. С. 5 - 9.

10 Потапочкин В. В., Ляшков В. И. Исследование динамической вязкости этиленгликоля // Вестник ТГУ. 1999. Т. 4. Вып. 1.

11 Ляшков В. И. Потапочкин В. В. Расчет коэффициента массопроводности при адсорбции на капиллярно-пористых телах // Вестник ТГУ. 1999. Т. 4. Вып. 3. С. 388 - 390.

12 Ляшков В. И. Потапочкин В. В. Расчет коэффициента термодиффузии на основе обобщения опытных данных // Теплоэнергетика: Межвуз. сб. науч. тр. Воронеж. 1999. С. 41 - 44.

13 Потапочкин В. В., Ляшков В. И. Анализ и оптимизация гидравлической схемы пластинчатого аппарата // Вестник ТГТУ. 2000. Т. 6. № 1. С. 104 - 109.

14 Ляшков В. И., Потапочкин В. В., Дроботухин А. А. Расчет гидравлических характеристик пластинчатых аппаратов специального назначения // Труды ТГТУ. 2000. Т. 6. № 1. С. 39 - 43.

15 Потапочкин В. В. Исследование теплоемкости капиллярно-пористых гранулированных адсорбентов // Труды ТГТУ. 2000. Т. 5. С. 96 - 98.

С. 113.

СПИСОК ОБОЗНАЧЕНИЙ.

СПИСОК АББРЕВИАТУР И СОКРАЩЕНИЙ.

ВВЕДЕНИЕ.

1 ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1 Системы для удаления СОг при помощи регенерируемых поглотителей.

1.2 Методы расчета процессов сорбции и десорбции.

1.3 Методы определения коэффициентов массопроводности.

1.4 Методы определения теплопроводности капиллярно-пористых тел.

1.5 Постановка задачи исследования.

2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ КИНЕТИКИ ПРОЦЕССОВ, ПРОТЕКАЮЩИХ В ПАРОГЕНЕРАТОРЕ.

2.1. Математическое описание процессов в парогенераторе.

2.2 Определение коэффициентов модели.

2.2.1 Расчет коэффициента термодиффузии на основе обобщения опытных данных.

2.2.3 Расчет коэффициента массопроводности при адсорбции на капиллярно-пористых телах.

2.2.4 Исследование теплоемкости поглощающих влагу материалов.

2.2.5 Определение теплопроводности.

2.2.6 Исследование динамической вязкости теплоносителей.

2.3 Гидравлический расчет парогенератора.

2.4. Расчет процессов охлаждения - нагревания пластин парогенератора.

2.5 Выводы.

3. ЧИСЛЕННЫЙ АНАЛИЗ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛОМАССООБМЕНА В ПАРОГЕНЕРАТОРЕ.

3.1. Алгебраические аналоги дифференциальных уравнений модели.

3.2. Численное моделирование процесса адсорбции влаги.

3.2.1. Проверка адекватности математической модели.

3.2.2. Численный анализ процесса адсорбции.

3.3. Особенности моделирования процесса парогенерации.

3.4. Численное исследование процесса парогенерации.

3.5 Выводы.

Кризисный период в экономике России будет преодолен тем успешнее и быстрее, чем энергичнее будут осуществляться процессы широкого обновления методов и средств производства, направленные на интегрирование отечественного производителя в мировую рыночную систему. Добиться этого невозможно без разработки и внедрения новых, высокопроизводительных, экологически чистых энерго- и ресурсосберегающих технологий, способных обеспечить выпуск продукции, конкурентной на мировом рынке. Это в одинаковой степени относится ко всем областям производства, включая и такие базовые отрасли, как машиностроение, химическая промышленность и др. Определяющую роль при этом играет подробная научная проработка решаемых проблем.

В современной химической промышленности все большее применение находят аппараты совмещенного типа, в которых организуется несколько основных химико-технологических процессов, так как такие аппараты требуют для своей работы меньше энергетических и материальных затрат. К сожалению, в нашей стране количество подобных разработок пока еще мало. Это можно объяснить рядом обстоятельств, и важное из них - отсутствие научно-обоснованных методик, которые позволяли бы проводить анализ, синтез и инженерный расчет совмещенных аппаратов.

Примером аппарата совмещенного типа может служить устройство для поглощения углекислого газа из газо-воздушной смеси с последующим его концентрированием. Аппараты такого назначения требуются для систем жизнеобеспечения автономных обитаемых объектов, в специальной космической технике, где к ним предъявляются жесткие требования на весогабаритные показатели и энергопотребление.

Актуальность работы. Разработку парогенератора адсорбционного типа для систем жизнеобеспечения автономных обитаемых объектов в настоящее время по заказу РКК «Энергия» проводит ФГУП ТамбовНИХИ с привлечением сотрудников ТГТУ. На основе предложенной ими концепции этот аппарат должен включать в себя поглотитель СО2 и устройство регенерации поглотителя водяным паром с хроматографическим концентрированием СО2. Последнее для уменьшения теплопотерь, энергозатрат и расхода влаги выполняет еще и функции сборника влаги и находится в одном корпусе с поглотителем СО2. Далее по тексту это устройство будем называть парогенератором (ПГ). Работа ПГ во многом определяет эффективность всей системы жизнеобеспечения.

И хотя процессы сорбции и десорбции, конденсации и парообразования изучены давно и основательно, для разработки ПГ, соответствующего требованиям Технического задания РКК «Энергия» и с учетом специфики создаваемой совмещенной конструкции , потребовалось провести всестороннее аналитическое, экспериментальное и имитационное исследования протекающих в нем процессов и свойств используемых материалов, а так же выявить влияние различных конструктивных и режимных факторов на эффективность работы аппарата.

Целью научного исследования являлось разработка математической модели, описывающей основные тепло-массообменные и гидромеханические процессы в ПГ, экспериментальное изучение теплофизи-ческих свойств используемых материалов, а также численное моделирование и оптимизация процессов, и на этой основе уточнение режимных и конструктивных факторов.

Для достижения иели поставлены и решены следующие задачи: - разработка математической модели тепло-массообменных процессов протекающих в ПГ;

- разработка алгоритмов реализации математической модели и программного обеспечения для расчета основных процессов протекающих в парогенераторе;

- расчеты и оптимизация гидравлической схемы в элементах ПГ;

- разработка аналитических и экспериментальных методик для определения теплофизических характеристик (ТФХ), влияющих на тепло-массообмен (ТМО) в капиллярно пористых телах (КПТ);

- экспериментальное исследование теплоемкости и теплопроводности силикагеля и поглотителя регенерируемого циркониевого модернизированного (ПРЦ-М).

- экспериментальное исследование динамической вязкости теплоносителей, предполагаемых для использования в ПГ (водных растворов глицерина и этиленгликоля);

- проведение экспериментальных исследований на полномасштабных действующих макетах парогенератора.

Для решения поставленных задач были использованы: методы дифференциального исчисления, теория ТМО, теория подобия, методы численного интегрирования системы нелинейных дифференциальных уравнений второго порядка в частных производных, математическая статистика и теория вероятности.

Научная новизна работы:

- проведены экспериментальные и аналитические исследования кинетики процессов тепло- и массообмена в парогенераторе адсорбционного типа при изменяющихся по времени граничными условиями;

- разработана математическая модель этих процессов, позволяющая проводить имитационные исследования и анализ влияния входных параметров на режимы работы;

- получены экспериментальные данные о теплопроводности и теплоемкости для адсорбентов, применяемых в системе очистки газои воздушной смеси от углекислого газа. Исследована динамическая вязкость предполагаемых теплоносителей для парогенератора.

Практическая ценность:

- разработаны алгоритм и программа гидравлического расчета системы раздачи теплоносителя в парогенераторе, позволяющая оптимизировать конструктивные размеры парогенератора;

- предложен способ аналитического расчета коэффициентов мас-сопроводности и термодиффузии для большого класса капиллярно-пористых материалов;

- результаты имитационного моделирования и оптимизации на основе разработанных математических моделей, а также результаты экспериментальных исследований использованы при разработке проекта системы очистки атмосферы от СО2 для космических объектов;

- проект рассмотрен в ракетно-космическом концерне «Энергия» и принято решение о целесообразности его реализации.

Апробация работы.

- результаты исследований докладывались на третьей международной теплофизической школе в 1998 г (г. Тамбов);

- на ежегодных научно-технических конференциях ТГТУ в 1998 и 1999 г.г.;

- на научных семинарах кафедр "Гидравлика и теплотехника" и ПАХТ ТГТУ;

- на техническом совещании в отделе 05 ракетно-космического концерна «Энергия»;

- на технических совещаниях ФГУП ТамбовНИХИ.

Публикации: Основные результаты диссертации опубликованы в

12ти печатных работах.

Объем и структура работы: Диссертация состоит из введения, 3-х глав, выводов, списка использованной литературы и приложения.