автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Водовоздушное охлаждение в аппаратах с вертикальными контактными решетками

ВВЕДЕНИЕ

1 АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ АППАРАТУРНОГО ОФОРМЛЕНИЯ ПРОЦЕССОВ ВОДОВОЗДУШНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ

2 АППАРАТ ВОДОВОЗДУШНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ С ВЕРТИКАЛЬНЫМИ КОНТАКТНЫМИ РЕШЕТКАМИ (АВВО)

2.1 Конструкция аппарата водовоздушного охлаждения с вертикальными контактными решетками

2.2 Физические закономерности гидродинамики в аппарате с вертикальными контактными решетками

2.2.1 Предельные режимы работы аппаратов АВР

2.2.2 Универсальные гидродинамические параметры

2.2.3 Задержка жидкости

2.2.4 Удельная поверхность фазового контакта (ПФК)

3 ЗАКОНОМЕРНОСТИ ТЕПЛО- И МАССОПЕРЕНОСА В АППАРАТЕ ВОДОВОЗДУШНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ (АВВО)

3.1 Математическая модель процесса водовоздушного охлаждения

3.2 Определение коэффициента теплопередачи между продуктом и водой

3.2.1 Теплоотдача при орошении наклонной поверхности капельным потоком жидкости

3.2.2 Коэффициент теплоотдачи от продукта к стенке

3.3 Совместные процессы тепло- и массообмена при испарительном охлаждении воздуха. Связь между коэффициентами тепло- и массоотдачи

4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

4.1 Схема лабораторной установки

4.2 Экспериментальное определение коэффициентов тепло- и массоотдачи при непосредственном контакте воды и воздуха в межступенчатых каналах АВВО

4.2.1 Определение коэффициентов тепло- и массоотдачи между водой и воздухом в аппарате водовоздушного охлаждения

4.2.2 Обработка экспериментальных данных и обсуждение результатов

4.3 Экспериментальная проверка модели расчета аппарата водовоздушного охлаждения

5 РАЗРАБОТКА ИНЖЕНЕРНОЙ МЕТОДИКИ РАСЧЕТА ПРОМЫШЛЕННОГО АППАРАТА АВВО

5.1 Особенности инженерного расчета промышленного аппарата АВВО

5.2 Методика расчета промышленного аппарата АВВО

5.3 Пример расчета промышленного аппарата АВВО

5.4 Разработка промышленного образца аппарата водовоздушного охлаждения

5.4.1 Исследование гидродинамических характеристик различных конструкций межпластинчатых каналов

5.4.2 Гидродинамические испытания промышленного аппарата водовоздушного охлаждения

Создание высокоэффективных теплообменных аппаратов является одной из важнейших задач в области нефтеперерабатывающей и химической промышленности.

В настоящее время для охлаждения и конденсации технологических сред используються различные конструкции теплообменных аппаратов используемых, которые можно разделить на следующие основные типы:

1) кожухотрубчатые водяные конденсаторы;

2) аппараты воздушного охлаждения;

3) пленочные охладители и конденсаторы;

4) пластинчатые и пластинчато-ребристые аппараты

5) погружные теплообменные аппараты.

6) оросительные конденсаторы;

В качестве теплоносителя в таких аппаратах используются вода или воздух. Основным недостатком водяного охлаждения является необходимость создания оборотной системы водоснабжения, включающую градирни, отстойники, блоки подготовки и очистки воды. Поэтому во многих случаях предпочтение отдается непосредственно воздушному охлаждению продуктов. Однако, в связи с тем, что коэффициент теплоотдачи от охлаждаемой поверхности к воздуху весьма низок и теплоемкость воздуха очень мала, требуемая поверхность охлаждения увеличивается в десятки раз по сравнению с водяным охлаждением, а также повышаются затраты электроэнергии на подачу больших объемов воздуха.

Значительное повышение интенсивности теплообмена (снижение конечной температуры охлаждения, а также уменьшение необходимого количества воздуха) достигается применением аппаратов, использующих принцип водовоздушного испарительного охлаждения.

В последние годы были разработаны различные конструкции аппаратов водовоздушного охлаждения, в которых взаимодействие воды и воздуха происходит на теплопередающих поверхностях в условиях барботажного или пленочного режима. Однако существенная интенсификация коэффициента теплоотдачи может быть достигнута при орошении теплопередающей поверхности капельным потоком жидкости [30].

Такие аппараты получили название аппаратов с вертикальными контактными решетками (АВР).

Использование АВР для создания аппаратов водовоздушного охлаждения с вертикальными контактными решетками (АВВО) позволило получить сочетание в единой конструкции высоких характеристик как массообмена, так и теплообмена при большой удельной поверхности теплообменных элементов.

Целью настоящей диссертационной работы является разработка тепломассообменного аппарата АВВО, исследование его тепловых и гидравлических характеристик и создание инженерной методики расчета, позволяющей выбрать оптимальные режимы работы и геометрические размеры аппарата АВВО.

выводы

1. Предложена конструкция тепломассообменного аппарата водо-воздушного охлаждения.

2. Разработана математическая модель процесса испарительного охлаждения в аппарате АВВО.

3. Предложенна методика экспериментального определения коэффициентов тепло- и массопередачи при испарительном охлаждении учитывающая изменение движущей силы по высоте аппарата.

4. Предложено уравнение для расчета объемного коэффициента теплопередачи между водой и воздухом.

5. Подтверждена возможность использования аналогии между процессами тепло- и массообмена при испарительном охлаждении воды для определения коэффициента массопередачи.

6. Разработан алгоритм расчета промышленного аппарата АВВО.

7. По предложенному алгоритму спроектирован промышленный аппарат АВВО для ОАО «Новокуйбышевский НПЗ».

1. А.сЛ 179078 СССР, МКИ F 28 В 1/06. Воздушный конденсатор Текст. / Г.С. Антоненко, А.В. Дорошенко, В.Б. Вистяк, А.Э. Поберезкин // (СССР) № 3594363 / 24-06; Заяв. 23.05.83; Опубл.1509.85, Бюл.№ 34. 2с.: ил.

2. А.с. 1179949 СССР, МКИ F 28 В 1/02. Теплообменник Текст. / Иштван Бениак, Лайош Дудаш, Оскар Пол // (Венгрия) № 3295800 / 24-06; Заяв. 11.06.81; Опубл. 15.09.85, Бюл.№ 34. - 7с.: ил.

3. А.с. 1200924 СССР, МКИ В 01 D 3/24. Тепломассообменный аппарат Текст. / Ю.А. Арнаутов, В.Г. Гореченков, Л.Н. Карепина, Г.К. Зиберт, Ю.А. Кащицкий, 3. С. Ахунов // (СССР) № 3740900 / 23-26; Заяв. 17.05.84; Опубл. 30.12.85, Бюл.№ 48. - 2с.: ил.

4. А.с. 1223938 СССР, МКИ В 01 D 3/22. Тепломассообменный аппарат Текст. / P.M. Хазан, Е.Ю. Корецкий, С.С. Таравков, Ю.Ю. Сергеев // (СССР) № 3550378 / 23-26; Заяв. 04.02.83; Опубл.1504.86, Бюл.№ 14 Зс.: ил.

5. А.с. 1263274 СССР, МКИ В 01 D 3/28. Тепломассообменный аппарат Текст. / Г.С. Антоненко, В.Б. Вистяк, А.В. Дорошенко, С.У. Кивензор // (СССР) № 3878711 /31-26; Заяв. 04.01.85; Опубл. 15.10.86, Бюл.№ 38. -Зс.:ил.

6. А.с. 1278008 СССР, МКИ В 01 D 53/18. Абсорбер Текст. / Л.Я. Живайкин, А.В. Косырев, И.Г. Бляхер, М.С. Гофман, B.C. Коновалов // (СССР) № 3911623 / 31-26; Заяв. 17.06.85; Опубл.2312.86, Бюл.№ 47. -4с.: ил.

7. А.с. 1327897 СССР, МКИ В 01 D 3/28. Тепломассообменный аппарат Текст. / Л.Г. Григорян, Р.К. Каспарьянц, К.В. Кузин, С.П. Лесухин // (СССР). № 4041717 / 22-26; Заяв. 24.03.86; Опубл.0708.87, Бюл.№ 29. 4с.: ил.

8. А.сЛ375301 СССР, МКИ В 01 Б 53/18. Тепломассообменный аппарат Текст. / В.М. Косырев, Л.Я. Живайкин, С.Г Дубинкин Л.А. Бахнин, И.Г. Бляхер, М.С. Гофман // (СССР) № 4070629 /3126; Заяв. 26.05.86; Опубл. 23.02.88, Бюл.№ 7 - 5с.: ил.

9. А.с. 1459686 СССР, МКИ В 01 О 3/28. Тепломассообменный аппарат Текст. / В.М. Косырев, Л.А. Бахнин, В.В. Ульянов, Л.Я. Живайкин // (СССР) № 4257615 / 23-26; Заяв. 05.06.87; Опубл. 23.02.89, Бюл.№ 7-6.: ил.

10. А.с. 1503836 СССР, МКИ В 01 О 1/22. Пленочный аппарат Текст. / В.В. Косырев, Л.А. Бахнин, В.В. Ульянов, Ю.П. Герцен, Л.Я. Живайкин // (СССР) № 4328958 / 31-26; Заяв. 17.11.87; Опубл. 30.08.89, Бюл.№ 32 - 4с.: ил.

11. А.с. 15144250 СССР, МКИ Б 28 В 9/06. Система воздушного охлаждения Текст. / Арпад Бакан, Дьердь Бергман, Янош Бодаш, Иштван Папп, Золтан Сабо // (Венгрия) № 4028403 / 24-06; Заяв. 24.10.86; Опубл. 07.10.89, Бюл.№ 37. - 5с.: ил.

12. А.с. 1528519 СССР, МКИ В 01 Э 3/22. Тепломассообменный аппарат Текст. / Ю.Н. Скрынник, А.С. Меренов, О.С. Чехов, В.Г. Гореченков, Ю.А. Арнаутов, Г.К. Зиберт // (СССР) № 4365338 / 23-26; Заяв. 18.01.88; Опубл. 15.12.89, Бюл.№ 46 - 4с.: ил.

13. Бараев, О.У. Хемосорбция сероводорода и двуокиси углерода раствором моноэтаноламина в аппарате с вертикальными контактными решетками: Дис. . канд. техн. наук. Текст. / О.У. Бараев // Л.: ЛТИ им. Ленсовета, 1982. — 153 с.

14. Барановский, Н.В. Пластинчатые и спиральные теплообменники Текст. / Н.В. Барановский, Л.М. Коваленко, А.Р. Ястребенецкий // М.: Машиностроение, 1973. 288 с.

15. Берман, Л.Д. Влияние потока веществ на конвективную теплоотдачу при испарение и конденсации Текст. / Л.Д. Берман //. «Теплонергетика», 1956, №2;5

16. Берман, Л.Д. Испарительное охлаждение циркуляционной воды Текст. / Л.Д. Берман // Л.Д. Госэнергоиздат, 1957. — 320 с.

17. Берман, Л.Д. Об аналогии между тепло- и массообменном Текст. / Л.Д. Берман //. «Теплонергетика», 1955, №8

18. Берман, Л.Д. Определение средней разности энтальпий воздуха в градирнях и мокрых кондиционерах Текст. / Л.Д. Берман // «Холодильная техника», 1961, №4

19. Берман, Л.Д. Определение средней разности энтальпий воздуха в градирнях и мокрых кондиционерах Текст. / Л.Д. Берман // «Холодильная техника», 1960, №1

20. Босворт, Р.Ч. Процессы теплового переноса Текст. / Р.Ч. Босворт // Пер. с англ. М., 1957. — 275 с.

21. Варгафтик, Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей Текст. / Н.Б. Варгафтик // М.: Изд. Физико-математической литературы, — 1963. 708 с.

22. Гирш, М. Техника сушки Текст. / Гирш М. // М.-Л.: Гл. ред. энерг. литер., 1937. —628 с.

23. Гоголин, A.A. Кондиционирование воздуха на предприятиях торговли и общественного питания Текст. / A.A. Гоголин // Госторгиздат, 1962. — 239 с.

24. Гребер, Г. Основы учения о теплообмене Текст. / Г. Гребер, С. Эрк, И. Грикуль // М.-Л. ОНТИ, 1936. — 372 с.

25. Григорян, Л.Г. Гидродинамика, массо- и теплообмен при взаимодействии жидкости и газа на вертикальных контактныхрешетках колонных аппаратов: Дис. . докт. техн. наук. Текст. / Л.Г. Григорян // Л.: ЛТИ им. Ленсовета, 1986. — 333 с.

26. Григорян, Л.Г. Интенсификация теплообмена при капельном орошении теплопередающей поверхности Текст. / Л.Г. Григорян, Г.П. Филин // Пробл. докл.: Международный форум по тепломассообмену. Минск: ИТМО АН БССР.-1988.-Т. 11.-е. 77-90.

27. Григорян, Л.Г. Разработка и исследования струйного массообменного аппарата с вертикальными контактными решетками: Дис. . канд. техн. наук. Текст. / Л.Г. Григорян // Л.: ЛТИ им. Ленсовета, 1969. — 145 с.

28. Григорян, Л.Г. Тепломассообмен в аппарате водовоздушного охлаждения и конденсации углеводородов Текст. / Л.Г. Григорян, С.П. Лесухин, A.B. Тимонин, М.А. Данелянц // Тепломассообмен ММФ-2000. Том 11. Минск 2000, С. 166-169.

29. Григорян, Л.Г. Тепломассообменный аппарат Текст. / Л.Г. Григорян, Г.П. Филин, Р.К. Каспарьянц, Н.Г. Кац // Авторское свидетельство (СССР) № 800569 Опубл. Б.И., 1981, № 4.

30. Григорян, Л.Г. Теплообменник Текст. / Л.Г. Григорян, Г.П. Филин, Р.К. Каспарьянц, В.И. Кузин, В.Н. Соколов // Авторское свидетельство (СССР) № 1084584 Опубл. Б.И., 1984, № 13.

31. Доманский, И.В. Гидродинамика и теплообмен в газожидкостных аппаратах химической технологии: Дис. докт. техн. наук. Текст. / И.В. Доманский // Л.: ЛТИ им. Ленсовета, 1974. — 268 с.

32. Дытнерский, Ю.И. Исследование массообмена на клапанных и балластных тарелках Текст. / Ю.И. Дытнерский, А.Г. Касаткин, Н.В. Кочергин // Журн. прикладной химии, 1962, т. XXXV, вып. 10.

33. Дытнерский, Ю.И. Исследование массообмена на клапанных и балластных тарелках Текст. / Ю.И. Дытнерский, А.Г. Касаткин, Н.В. Кочергин // Журн. прикладной химии, 1962, т. XXXV, вып. 12.

34. Дьяконов, В.П. Maple 7: Учебный курс Текст. / Дьяконов В.П. // СПб.: Питер, 2002. 672 с.:ил.

35. Игнатенков, Ю.И. Исследования и разработка метода расчета оптимальных параметров массообменных аппаратов с вертикальными решетками: Дис. . канд. техн. наук. Текст. / Игнатенков Ю.И. // Л.: ЛТИ им. Ленсовета, 1979. — 157 с.

36. Исаченко, В.П. Теплопередача Текст. / В.П. Исаченко, В.А. Осипова, A.C. Сукомел//М.: Энергоиздат, 1981. — 417 с.

37. Клячко, Л.С. Испарение жидкостей в свободном потоке и теоретическое обоснование формулы дальтона Текст. / Л.С. Клячко // Журн. техн. физики, 1936, т. VI, вып.4.

38. Клячко, Л.С. Общая теория материального переноса и ее приложение к вопросам испарения жидкости Текст. / Л.С. Клячко // Труды ЛОВОДГЕО, вып. 2, 1936.

39. Клячко, Л.С. Основы расчета процессов и аппаратов промышленной вентиляции Текст. / Л.С. Клячко // Профиздат, 1962.— 181 с.

40. Конт-Белло, Ж. Турбулентное течение в канале с параллельными стенками Текст. / Ж. Конт-Белло // «Мир», М., 1968, 176 с.

41. Кочин, Н.Е. Теоретическая гидромеханика, ч. II Текст. / Н.Е. Кочин, И.А. Кибель, Н.В. Розе // М., Физматгиз, 1963, 728 с.

42. Кришер, О. Научные основы техники сушки Текст. / О. Кришер Пер. с немм. // Изд. иностр. лит., 1961. — 539 с.

43. Курылев, Е.С. Некоторые особенности процесса теплообмена между каплями воды и воздуха в форсуночных воздухоохладителях Текст. / Е.С. Курылев // Труды Ленинградского ин-та холодильной пром. т. IV, 1953.

44. Кутателадзе, С.С. Основы теории теплообмена Текст. / С.С. Кутателадзе // Новосибирск: Наука, 1973. — 848 с.

45. Кутателадзе, С.С. Справочник по теплопередаче Текст. / С.С. Кутателадзе, В.М. Боришанский // М.-Л.: Госэнергоиздат, 1959. — 414 с.

46. Ландау, Л.Д. Механика сплошных сред Текст. / Л.Д. Ландау, Е.М. Лифшиц // М.: Гостехиздат, 1953. — 783 с.

47. Левич, В.Г. Физико-химичекская гидродинамика Текст. / В.Г. Левич // Москва: Физматгиз, 1959. 700с.

48. Лесухин, С.П. Десорбционная очистка нефти от сероводорода в аппарате с вертикальными контактными решетками: Дис. . канд. техн. наук. Текст. / С.П. Лесухин // 05.17.08. — Куйбышев, 1990. — 140с.

49. Лойцянский, Л.Г. Труды Всесоюзного съезда по теоретической и прикладной механике Текст. / Л.Г. Лойцянский // М.-Л.: изд-во АН СССР, 1962.

50. Лыков, A.B. Теоретические основы строительной теплофизики Текст. / A.B. Лыков // Изд-во АН БССР, Минск, 1961. — 456 с.

51. Лыков, A.B. Тепло- и массообмен в процессах сушки Текст. / A.B. Лыков // Госэнергоиздат 1956. — 464 с.

52. Мателенок, Д.А. Охлаждение воздуха или оборотной воды в центробежных вентиляторах Текст. / Д.А. Мателенок // Профиздат, Лененинград, 1963. — 96 с.

53. Нестеренко, A.B. Экспериментальное исследование тепло- и массообмена при испарении жидкости со свободной поверхности Текст. / Нестеренко A.B. // «Техническая физика», т. 24, № 4, 1954.

54. Позин, М.Е. Тепло- и массопередача при перекрестном токе Текст. / М.Е. Позин // Журн. прикладной химии, 1952, т. XXV, вып. 10.

55. Позин, М.Е. Теплообмен в перекрестном токе при испарении и конденсации Текст. / М.Е. Позин // Журн. прикладной химии, 1953, т. XXVI, вып. 2.

56. Прандтль, Л. Гидроаэромеханика Текст. / Л. Прандтль // Изд. иностр. лит., М., 1951, 365 с.

57. Рамзин, JI.K. Расчет сушилок в i-d диаграмме Текст. / Л.К. Рамзин //Известия ВТИ, 1927, №1 (24)

58. Спенсер-Грегори, Г. Гигрометрия (пер. с англ.) Текст. / Г. Спенсер-Грегори, Е. Роурке // Металугриздат, 1949. — 150 с.

59. Сборник «Тепло- и массообмен в процессах испарения» Текст. // Труды энегрет. ин-та АН СССР, 1958. — 212 с.

60. Участкин, П.В. Установки искусственного климата в горячих цехах Текст. / П.В. Участкин. // Профиздат, 1958. — 247 с.

61. Филин, Г.П. Теплообмен в газожидкостном аппарате с вертикальными контактными решетками: Дис. . канд. техн. наук. Текст. / Филин Г.П. // Л.: ЛТИ им. Ленсовета, 1985. — 130 с.

62. Филиппов, И.П. Исследование и расчет аппаратов с вертикальными решетками (сетками) : Дис. канд. техн. наук. Текст. / Филиппов И.П. // Л.: ЛТИ им. Ленсовета, 1975. — 126 с.

63. Эккерт, Э.Р. Теория тепло- и массообмена Текст. / Э.Р. Эккерт, Р.М. Дрейк // Пер. с англ. Госэнергоиздат, 1961. — 680 с.

64. Merkel, F. Verdunstung Kuhlung Text. / F. Merkel // VDI -Forchungsheft, 1925, H. 275.

65. Mollier, R. Das ix-Diagramm fur Dampfluftgemische Text. / R. Mollier//ZVDI, 1929.

66. Mollier, R. Neue Diagramme zur technischen Warmelehre Text. / R. Mollier//ZVDI, 1904, S. 271-276.

67. Американские градирни Baltimore Aircoil Company (В. A. C.) производства США ВОДЕХ / http://www.vodex.ru/ us gradirni.phtml.