книги из ГПНТБ / Хордас, Г. С. Техническое кондиционирование воздуха и инертных газов на судах

количество воды. Указанные явления можно представить графи­ чески (рис. 95) при помощи диаграммы насыщения адсорбента водой по ходу газов в различное время процесса.

Кривая на рис. 95, а показывает распределение насыщения водой по толщине слоев на участке 1 сорбента в начальный момент работы. Первые слои имеют максимальную степень или полное насыщение; на некотором расстоянии степень насыщения равна нулю; газы про­ ходят через остальную часть аппарата уже сухими.

а)

5)

Толщина слоев

Рис. 95. Графическое изображение насыщения водой слоев адсорбера.

По мере дальнейшей работы характер кривой остается тем же, но она сдвигается (рис. 95, б); появляются участки 2 насыщенного водой слоя; толщина этих слоев все увеличивается и достигает максимального значения в последний момент работы адсорбера, который показан на диаграмме рис. 95, в. В этот момент наступает просачивание влажных газов. Площадь 3 показывает, что в конце периода адсорбции часть адсорбента не используется для поглоще­ ния воды из газов. Величина этой площади или количество неисполь­ зуемого адсорбента зависит от его природы, крупности его зерна, соотношения между высотой и сечением слоя, скорости движения газов и т. д. Поэтому при определении массы адсорбента, необходи­ мого для поглощения определенного количества воды, приходится пользоваться практическими данными [74].

По данным П. 3. Бурбо, К- В. Насонова и др. [14], [40], для силикагеля при рассматриваемых условиях можно принимать а = = 9-ч-11%, а0 = 1,5+ 2%.

Удельное количество теплоты, необходимое для подогрева адсор­

бированной воды,	(26)
<7и>='4,19£са (100 — ТА).

13*

195

После ряда подстановок и преобразований с достаточной для практических расчетов точностью получаем постоянную величину

‘»	= и = - 1200-	(27)
Линия, соответствующая	характеристике процесса	ер = —1200,

для ориентировки нанесена в приложении II на диаграмму Id (из точки Т = 250° С и d = 0).

Аналогично можно получить значение ер и для более редкого случая использования в качестве сорбента цеолита.

Может быть предложен следующий порядок построения про­ цессов в диаграмме Id (рис. 96).

1. По формулам (19) и (21) определяются значения характери­ стики процесса осушения е0 и температуры ТА.

2.Зная величины е0 и ТА, нетрудно определить точку А как пересечение линии процесса е0 или изотермы ТА с линией постоян­ ного влагосодержания dA.

3.Исходя из возможностей применяемых подогревателей газов

принимается температура	Тп в	пределах 180—240°	С (до 250° С)
[41], [74] и определяется	точка	П на пересечении	изотермы Тп

с линией постоянного влагосодержания dn. Следует иметь в виду, что с увеличением температуры уменьшаются расход газов, исполь­ зуемых для регенерации, и тепловая нагрузка подогревателей газов.

4. Из точки	П проводится линия процесса	с характеристикой
ер = — 1200 до	пересечения с изотермой Гд =	115-f-120° С.

Процессы подогревания и охлаждения воздуха и инертных газов аналогичны процессам обработки воздуха в высоконапорных системах комфортного кондиционирования воздуха, и их построение затруднений не вызывает.

Массовый расход воздуха или инертных газов (по сухому воздуху, газам), направляемых на регенерацию сорбента (при работе по схе­ мам систем технического кондиционирования воздуха типа А и

	систем инертных газов типов В, Е; рис.	96, а и б), определяется
	по формуле
	Огт3ф (dp — dA)	(28)
	TF (с1ц — d n )
		'

где Сг — производительность адсорбера по сухим воздуху и инерт­

ным газам, кг/с;			(1,5-т-2 ) тр, ч;
тэф — время эффективной работы адсорбера, тэф =
тр — время регенерации твердого		сорбента, обычно для судо­
вых условий	принимают тр = 1 ч [40].
В системах инертных газов при направлении на регенерацию
осушенных газов (рис.	96, в и г )
q	_______Gr-Тэф (do	dA)_______	/9(Ц
р _	Тр(сгд — dn) — Тэф(сго — dA)'		' '

В случае применения системы инертных газов типа Е с пред­ варительным отделением воды после сжатия (рис. 96, г) следует

196

а)

5)

В )

г )

Рис. 96. Построение процессов осушения инертных газов и воздуха и регенерации адсорбента на Id диаграмме: а — осушение топочных газов, отбираемых от дымоходов котлов или выпускных газов ДВС (после их дожига); б — осушение генерируемых инертных газов и воздуха; в — осушение генерируемых инертных газов с предварительным охлаждением холодильными машинами и использованием осушенных газов для реге­ нерации твердого сорбента; а — осушение генерируемых инертных газов с предварительным отделением воды после сжатия и использованием осу­ шенных газов для регенерации твердого сорбента.

Параметры инертных газов и воздуха: А — на выходе из адсорбера после осуше­ ния (адсорбции паров воды); Д — на выходе из адсорбера • после регенерации сорбента (десорбции паров воды); К — на выходе из газового компрессора; О — на входе в адсорбер перед осушением; О' — на выходе из охладителя после осушения; П — на выходе из подогревателя; С — на выходе из скруббера;

Н — на выходе из нагнетателя газов.

789

197

определить величину относительной влажности при атмосферном давлении фх, соответствующую <р„ = 100% при давлении рп [41 ]:

	Ч>1__ фа	100	(30)
		Р п
	Р п
	Пересечение кривой ф! с изотермой Т0 определит точку О на
	диаграмме Id. При изотермическом	сжатии (сжатие по линии СК
	и охлаждение по линии КО) Т0 =	Тс.

Количество воды, отводимое от отделителя воды после компрес­

сора (килограмм за цикл),
W = (Gr -h Gp) таф - ^ = ^ - 3600.	(31)

Так как положение изотерм и изоэнтальп в диаграмме Id не за­ висит от давления [41 ], дальнейшие построения и порядок расчета схемы с компрессией газов аналогичны схеме с предварительным охлаждением газов с помощью холодильной машины. Некоторым изменением удельной теплоемкости газов при увеличении давления в пределах 1 МПа можно пренебречь.

Осушение газовых смесей (воздуха, инертных—выпускных и топочных—газов) в ряде случаев производят с помощью растворов солей. Для судовых условий наиболее эффективен водный раствор хлористого лития. Использование его предусмотрено, в частности, в системе осушенных инертных газов, установленной на танкере

«Крым» (см. гл. III).

Процессы абсорбции паров воды растворами хлористого лития и регенерации растворов (десорбции воды) в камерах орошения исследовали И. И. Чернобыльский, О. А. Кремнев и А. С. Чавдаров [69], в пленочных камерах — Н. Н. Павлов, С. 3. Рыбалов и др.

[44,53],	в	циклонно-пенных аппаратах — С.	А. Богатых [10, 11,
13, 34].	В	результате экспериментальных	работ были получены
коэффициенты, характеризующие процессы			тепло-и массообмена,

и разработаны различные аналитические методы расчетов процессов абсорбции и десорбции.

Вместе с тем сложность и громоздкость большинства предлагае­ мых методов, с помощью которых определяют параметры процессов с высокой точностью, не оправдываются степенью достоверности исходных данных. Как указывают, например, И. И. Чернобыльский и др. [69], на экспериментальное значение коэффициентов тепло- и массообмена значительно влияет ошибка в подсчете температурного напора, вследствие того, что процессы осушения газовых смесей солевыми растворами протекают при малых разностях температур. Отличаются данные, полученные различными исследователями, и по физическим свойствам растворов, в том числе по величине парциальногр давления водяного пара над ними (рис. 97).

Как известно, процесс осушения влажных воздуха и инертных газов с небольшим повышением их температуры осуществляют при взаимодействии с растворами более высокой температуры, чем тем­ пература воздуха или инертных газов. Однако температура раствора

198

при этом не должна значительно превышать температуру газовой смеси, так как для проведения процесса осушения требуется, чтобы давление водяных паров над раствором было меньше парциального давления водяных паров и смеси. Осушение воздуха и инертных га­ зов с одновременным их нагреванием может быть также выполнено при равенстве начальных температур влажной смеси газов и рас­ твора, но при малом количестве последнего. Повышение темпера­ туры воздуха и инертных газов происходит вследствие повышения температуры раствора (за счет теплоты конденсации водяных паров и теплоты разбавления).

Рис. 97. Зависимость парциального давления водяного пара над рас­ твором хлористого лития от концентрации и температуры.

---------по данным И. И. Чернобыльского и др. [6 9 ] ,---------- по данным Дэвиса [70].

а —граница замерзания; б — граница кристаллизации.

Изотермический процесс осушения газовой смеси производится при равных начальных температурах смеси и раствора и при таком количестве орошающего раствора, при котором теплота конденса­ ции водяных паров и теплота разбавления несущественно повышают температуру раствора. Изотермический процесс осушения практи­ чески может быть также осуществлен при соответствующем пони­ жении начальной температуры раствора и выборе такого количества раствора, при котором температура раствора после взаимодействия с воздухом или инертными газами будет равна их начальной тем­ пературе.

Процесс осушения с понижением температуры осуществляют при температурах раствора более низких, чем это требуется для про­ ведения изотермического осушения, и при соответствующих коли­ чествах раствора для орошения воздуха или инертных газов 169].

В судовых условиях процессы абсорбции и десорбции имеют ряд специфических особенностей (например, относительно высокая температура охлаждающей забортной воды, обусловливающая нагрев воздуха и других газовых смесей в процессе абсорбции). С учетом этих особенностей с достаточной для практических целей точностью определение параметров процессов удобнее выполнять с помощью

199

о

о

	Рис. 98. Построе­
	ние	процессов		аб­
	сорбции		и десорб­
	ции	на	диаграмме
	Id, на которую на­
	несеныкривые «кон­
	центрация раствора
	хлористого лития»:				а — при отборе раствора			на регенерацию после абсорбера.
	/ — охладитель			раствора:	2 — насос раствора дополнительный;			3 — абсорбер; 4 — десорбер; 5 — вентилятор десорбции; 6	подогреватель
						раствора; 7 — бак		раствора; 8 — насос раствора;
					б — при отборе раствора на регенерацию до абсорбера.
	/ — охладитель			раствора;	2 — абсорбер;	3 — десорбер;	4 — вентилятор десорбции; 5 — подогреватель раствора; 6 — бак		раствора;	7 —
►о______осушаемые инертные газы и воздух;						— — — воздух	насос раствора.		отливной тру­
							десорбции; —/ ----- напорный трубопровод забортной воды; —//
о	бопровод		забортной воды;		— • — трубопровод свежего пара; —			---- трубопровод отработавшего пара; —X X -----трубопровод раствора		LiU.

диаграммы Id. На диаграмму наносят кривые концентрации раствора хлористого лития в зависимости от температур и парциальных давлений водяного пара над ним [44].

Для областей температур и влагосодержания, где протекает большинство процессов в судовых системах, автором с использова­ нием данных 1691 построены такие диаграммы в системе СИ для воздуха и для выпускных и топочных газов наиболее типового со­ става (приложения III и IV)[64].

Построение процессов применительно к различным схемам цир­ куляции раствора показано на рис. 98. Параметры: А — инертных газов и осушенного воздуха на выходе из абсорбера; А' — средние

					инертных		газов и воздуха над по­
					верхностью раствора в абсорбере;
					Б — раствора в			баке;	Б' — рас­
					твора	на	выходе	из насоса;		В —
					раствора на выходе из абсорбера
					после	абсорбции		воды;	В ’ — рас­
					твора	на	выходе	из насоса; Д —
					увлажненного воздуха				на выходе
					из десорбера; Д ’ — средние					воз­
					духа	над	поверхностью раствора
					в десорбере; Н — наружного					воз­
20	ЬО	ВО	80	100 °0	духа	(воздуха,		отбираемого		из
2 9 3	313	3 3 3	3 5 3	373 К	помещения); Н’ — воздуха на вы­
		Температура раствора
Рис. 99. Удельная теплоемкость рас­					ходе из вентилятора; О — раствора
					после охлаждения на входе в аб­
твора хлористого лития			в зависимости		сорбер; П — раствора				после	по­
от концентрации и температуры (по­
строено по данным			[69, 70]).		догрева на входе в десорбер; Р —
выходе	из				раствора		после	регенерации		на
		десорбера; С — инертных газов					после	предварительной
обработки (в скруббере и др.) на входе в абсорбер								или воздуха на
входе в	абсорбер.
Температура раствора Та после охладителя — на входе в абсор­
бер — должна быть на				4—6 ° С	выше	температуры охлаждающей

забортной воды (обычно для судов неограниченного района плава­ ния Т0 = 36-ь38° С). Концентрацию раствора на входе в абсор­ бер Ко выбирают такой, чтобы избежать кристаллизации при охлаж­ дении раствора забортной водой более низкой температуры. При подаче на охладитель воды с температурой не менее 6 —8 ° С можно принимать К0 — 43%.

Концентрацию раствора на выходе из абсорбера после абсорб­ ции воды Кв можно получить путем составления материального

	баланса по массе соли:
	KoPaGpКв (ц ас г + Gr - ^ * - ) ,		(32)
	откуда
	Кв =	_ К о _______	(33)
		dc —4д
	1+
		Ра-Ю3

202

Здесь Gr — производительность абсорбера						по сухой газовой		смеси
(воздуху, инертным газам), кг/с;							входе в абсорбер,
dc — влагосодержание				газовой смеси на
г/кг сухих газов; в системе инертных газов после про­
мывки		и охлаждения			выпускных		и топочных	газов
в	скруббере		при	температуре		забортной воды -|-32° С
и	ср =	100%	dc = 32,4		г/кг;
dA — влагосодержание газовой смеси на выходе из абсорбера,
г/кг сухих газов; при начальной температуре раствора
хлористого лития				Т0 =	36ч-38°С и концентрации не
более 43% на практике не удается достигнуть значе­
ния dA менее			8,5—9,0 г/кг, что соответствует темпера­
туре точки росы для воздуха, равной 11,5—12° С, а для
выпускных и топочных					газов	12,5—13° С [34];
ра — коэффициент			орошения		при	абсорбции — отношение

массового расхода раствора, поступающего в абсорбер, к массовому расходу сухой газовой смеси. По данным

[10, 34, 44], можно принимать: ра - 5,0ч-6,0 — для аппаратов орошающего типа без насадки, ра =-= 1,5 — для аппаратов орошающего типа с насадкой (пленочные

аппараты), с		перекрестным током и ра	- ^ 2,5ч-2,6 —
для	циклонно-пенных аппаратов.		смеси / л на
Температуру	раствора	Тв и энтальпию газовой

выходе из абсорбера определяют построением процесса осушения газовой смеси на основе теплового баланса

	или	1,05Gr (1С-		/Л) = цаСгсл (Тв -		Т0)	(34)
		1.05(/с		/ А) = ц асл (Гв	Т0),		(35)
	где	1,05 — коэффициент, учитывающий теплоту разбавления рас­
		твора	18, 69];
		/с, / А— энтальпия газовой смеси на входе и выходе абсорбера,
		кДж/кг сухих газов;				хлористого	лития,
		сл — удельная теплоемкость раствора
		кДж/(кг-°С); без большой погрешности можно при­
		нимать	сл при	температуре	Т0	и концентрации Ко
		(рис. 99).
		Варьируя значения неизвестных величин Тв и / А при фиксиро­

ванных параметрах / с, Тс, dc, dA, TQ и Ко проводят линию процесса

осушения газовой смеси	СА так, чтобы соблюдались условие (35)
и равенство отрезков ОА'	— А ’В [41 ]. Для этого значение dA может

быть несколько изменено в большую сторону и уточнена концен­ трация Кв-

Следует иметь в виду, что для создания перепада парциальных давлений конечное давление водяных паров над раствором рв должно быть на 0,13—0,27 кПа (1—2 мм рт. ст.) меньше парциального дав­ ления водяных паров рА в газовой смеси [69].

Концентрация восстановленного раствора Кр при отборе раствора на регенерацию после абсорбера (см. рис. 98, а) определяется на

203

основе равенства
авКоИа<?г= К Р [aB(paGr + GI. - ^ ^		) - - G r ^ T= ^ ] ,	(36)
откуда
Кр =	_____________ К о		(37)
	1 + (ав — 1) dc —dA ’
	авРа-Ю3
где ав — доля раствора	концентрации	Кв, поступающая на	реге­
нерацию.

При отборе раствора на регенерацию до абсорбера (см. рис. 98, б)

a0 K0fxaGr = КР (a 0paGr —					(38)
и
	Кр	. _	К о		(39)
			dp—dA
			а0Ца-103
Здесь а0 — доля	раствора	концентрации		Ко. поступающая на
регенерацию.
Величины ав и а0 могут быть получены по формулам:
	ав — Ц д б в К в .				(40)
		ЦаОрКо ’
		__ ^дбв			(41)
			paGr
где GB— массовый	расход сухого воздуха десорбции, кг/с; прини­
мают GB = (0,3-^0,35) G,.;					мас­
рд — коэффициент орошения			при десорбции — отношение
сового расхода раствора, поступающего в десорбер, к мас­
совому расходу сухого воздуха десорбции. Коэффициент
рд = ра — Для камер			орошения и	пленочных аппаратов
и рд = 3,0-г-3,5 — для			циклонно-пенных аппаратов		[11].
Влагосодержание воздуха		после десорбции воды из раствора
	йд — dH + -q-Д- (dc —dA),				(42)

где dH — влагосодержание воздуха, подаваемого в десорбер (наруж­ ного, из внутренних помещений судна), г/кг.

Температуру раствора после регенерации его в десорбере выби­ рают таким образом, чтобы конечное давление водяных паров над раствором рр было больше парциального давления водяных паров рд в воздухе на выходе из десорбера не менее чем на 0,13—0,27 кПа

(1—2 мм рт. ст.) [69].

Построение процесса увлажнения воздуха при десорбции воды из раствора (линия НД) и определение температуры раствора Тп после подогревателя раствора — на входе в десорбер — производят

204

аналогично построению процесса осушения газовой смеси с учетом сохранения теплового баланса. При отборе раствора на регенерацию после абсорбера (см. рис. 98, а) баланс записывают в виде

	GB(/д -		/нО = 0,95				авраОгсл(Гп - ГР).	(43)
При отборе раствора на регенерацию до абсорбера (см. рис. 98, б)
	Ов(/д — 1н’) =				0,95аора^гсл (Тп — Тр).			(44)
Подставив значения ав и а0					для	обоих случаев из формул		(40) и
(41), получим							т,к	т,°с
/ д — / Н' — 0,95рдсл (Гп — Гр).
					(45)
Здесь 0,95 — коэффициент, учи­
тывающий потери теплоты (деги­
дратацию и др.) [69]. Получен­
ное значение Гп не должно
превышать	температуру			кипения
раствора	при	концентрации			Кп
(рис. 100). Удельную теплоем­
кость раствора сл принимают со­
гласно графику на рис. 99 при
параметрах точки Р, что обеспе­
чивает достаточную точность рас­							Рис. 100. Температура кипения рас­
четов.				воздуха			твора хлористого лития в зависимости
/д, /н — энтальпия							от концентрации (построено по данным
в точках Д, Н '.				в	баке		[69]).
Температуру		раствора					раствора (см. рис. 98, а)	опре-
ГБ для первой схемы циркуляции
деляют по уравнению
раСгслГБ =			(1 - а в) М			^	СлГв + ав ^ | К ° СлГР.	(46)

Принимая без большой ошибки равенство удельных теплоем­ костей сл при температурах раствора Тв, ТБ и ТР и соответствующих концентрациях, получаем

Тъ = (1 — ав)		Т’в +	ав	ТР.		(47)
Для второй схемы (см. рис. 98, б)
(1 + ао) \lf i TcJlTi	PaGrKo	Сл ^ В	+ аО fiaGrKo „ 7» .
	Кв			Кр	Cji1 р ’	(48)

		Ко	Гр.
	(1 + ао) Т’б —	Кв Тв +

На кривые концентраций Ко и Кв наносят также точки Б' и В ' , отражающие перегрев раствора в насосах [37].

205