Влияние непосредственного контактного теплообмена на уровень вакуума в горизонтальных конденсаторах

Аннотация

напрямую зависит от уровня давления внутри них. Чем ниже давление внутри конденсатора (чем выше вакуум), тем быстрее и полнее происходит процесс конденсации. В зимний период температура охлаждающей воды составляет око-ло 10–15 ℃, что позволяет поддерживать давление внутри конденсатора до 4 кПа. Однако в летний период, когда температура охлаждающей воды повышается до 30–40 ℃, давление внутри конденсатора возрастает до 7 кПа и выше. Такое изменение давления приводит к неполной конденсации пара, снижению эффективности технологического процесса и увеличению дополнительных энергозатрат. Поскольку коренная реконструкция существующих конденсаторов требует больших капитальных вложений, изучение возможностей снижения давления внутри конденсатора простыми и экономичными методами является актуальной научно-практической задачей.

Цель: разработка теоретических основ метода дополнительного впрыска воды в верхнюю часть горизонтального кожухотрубного поверхностного конденсатора для снижения давления (улучшения вакуума) при повышении температуры охлаждающей воды, количественная оценка его эффективности и определение оптимальных параметров.

Методы: в исследовании построена математическая модель процессов теплообмена на примере горизонтального конденсатора, состоящего из 168 труб (наружный диаметр 28 мм, внутренний диаметр 25 мм, толщина стенки 1,5 мм, длина 1 м, окно входа пара 400×600 мм, двухходовой). Площадь теплопередачи конденсато-ра по наружному диаметру составляет 14,78 м². Для поверхностной конденсации использовано уравнение Нуссельта, для охлаждающей воды внутри труб – закономерности теплоотдачи при турбулентном режиме, для зоны прямого контакта – теория капельного течения. Связь между давлением и температурой насыщения водяного пара моделировалась с помощью уравнения Антуана. Проанализировано изменение давления внутри конденсатора при различных расходах дополнительно впрыскиваемой воды.

Результаты: Проведенные расчеты показали следующие результаты. Зимний режим (температура охлаждающей воды 10 ℃, давление в конденсаторе 4 кПа). Конденсатор способен конденсировать 0,224 кг/с (806 кг/ч) пара. Требуемый расход охлаждающей воды составляет 16,2 кг/с (58.3 м³/ч). Температура охлаждающей воды на выходе – 18,5 ℃, средняя логарифмическая разность температур – 12,8 ℃. Летний режим (температура охлаждающей воды 30 ℃, тот же расход пара 0,244 кг/с). Давление в конденсаторе повышается с 4 кПа до 9,85 кПа (увеличение на 5,85 кПа). Температура конденсации пара повышается с 29 ℃ до 45,8 ℃. Темпера-тура охлаждающей воды на выходе достигает 36,2 ℃. При применении метода дополнительного впрыска воды. Установлено, что оптимальный расход дополнительной воды находится в диапазоне 200–250 кг/ч (0,0556–0,0694 кг/с). При этом расходе тепловая мощность, передаваемая за счет прямого контакта, состав-ляет 151,2 кВт. За счет впрыска дополнительной воды давление в конденсаторе можно снизить с 9,85 кПа до 7,05 кПа (улучшение на 2,8 кПа). Температура пара снижается с 48,5 ℃ до 39,2 ℃. Объемный коэффици-ент теплопередачи для прямоточной конденсации находится в диапазоне 110,4 кВт/(м³∙К), что в 6–8 раз выше, чем при традиционной поверхностной конденсации. При среднем диаметре капель 1 мм количество образующихся в секунду капель составляет 123,6 тысяч, а их общая поверхность теплообмена – 0,388 м²/с. Мощность насоса, необходимая для системы дополнительного впрыска воды, составляет всего 0,0277 кВт, что свидетельствует о высокой энергетической эффективности метода. Анализ эффективности. За счет впрыска дополнительной воды давление в конденсаторе снижается на 25 %. Для снижения давления на каждые 0,1 кПа требуется примерно 16–18 кг/ч дополнительной воды. Увеличение расхода дополнительной воды свыше 400 кг/ч нецелесообразно, так как снижение давления замедляется, а расход воды возрастает.