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

обечайками, проходит слой сорбента и выходит по каналам между наружными перфорированными обечайками патронов и шестигран­ ными оболочками. Для регенерации воздух поступает в обратном направлении (сначала в каналы между шестигранными оболочками и наружными обечайками патронов), проходит слой сорбента и выхо­ дит через внутренние полости патронов.

Производительность подобных воздухоосушительных установок по адсорбируемой воде зависит от начального влагосодержания осушаемого воздуха. С уменьшением начального влагосодержания осушаемого воздуха будет уменьшаться производительность уста­ новки по адсорбируемой воде и снижаться температура точки росы осушенного воздуха. Соответственно будет уменьшаться расход электроэнергии, затрачиваемой на подогрев воздуха для регенерации сорбента. Схемой предусмотрено отключение одной или двух ступе­ ней электроподогревателя при повышении температуры выходящего из сектора регенерации воздуха выше 358 К. Такое повышение тем­ пературы свидетельствует об избыточном количестве тепла, посту­ пающего в сектор регенерации с воздухом, по сравнению с необ­ ходимым для регенерации.

При понижении температуры воздуха на выходе из сектора реге­ нерации ниже 323 К включаются поочередно ступени электроподо­ гревателя.

Контроль за температурами осушаемого и осушенного воздуха и температурой после подогревателей осуществляется с помощью электротермометрической установки ЭУ-06, в состав которой входят термометры сопротивления.

Ртутные термометры контролируют температуры воздуха перед установкой и перед входом в сектор регенерации, а также темпера­ туру забортной воды. Контроль за расходом и давлением забортной воды осуществляется с помощью расходомера и манометра.

Проведенные стендовые испытания воздухоосушительной уста­ новки позволили выявить недостатки конструкции, найти способы уменьшения ее массы и габарита и улучшения компоновки, а также осуществить ряд мероприятий, направленных на интенсификацию процесса массообмена в установке с целью повышения осушающей способности.

В целом создание первого варианта отечественной роторной воз­ духоосушительной установки дало возможность разработать более совершенную модификацию судовой воздухоосушительной установки производительностью 3000 м3/ч осушенного воздуха, отвечающей требованиям эксплуатации на сухогрузных судах. В последующей модификации установка была значительно облегчена за счет упро­ щения конструкции и применения легких материалов; в местах, подверженных сильному температурному воздействию, применены более термостойкие материалы.

Сектор осушения в модернизированной установке разделен на две части, через которые последовательно проходит осушаемый воздух; при этом сохранена масса сорбирующего материала и общая толщина слоя. После выхода из первой осушительной части осушае­

71

мый воздух проходит через водяной охладитель, в котором отводится тепло сорбции. Такая организация процесса осушения позволяет приблизить его к изотермическому и тем самым значительно улуч­ шить массообмен и повысить осушающую способность установки. Внутренние диаметры патрона значительно увеличены, в результате можно снизить аэродинамическое сопротивление и расход как по осушаемому, так и по регенерирующему воздуху. Кроме того, сектор осушения в целом также увеличен за счет отказа от отдельного сек­ тора охлаждения.

Испытания установки позволили определить необходимую ча­

стоту вращения ротора (~1 об/ч), поэтому отпала	необходимость
в цепном редукторе, ранее предназначавшемся для	изменения ско­

рости вращения ротора.

В модернизированной установке применены более надежные уплотнения крышек и патронов, исключающие возможность перетечки воздуха из сектора регенерации в сектор осушения. С этой же целью, а также с целью повышения расхода осушаемого воздуха предусмотрена работа обоих вентиляторов на нагнетание. Это зна­ чительно уменьшает разность давлений в секторах осушения и реге­ нерации и, следовательно, возможности перетечки воздуха.

В первоначальном варианте вентилятор осушения работал на всасывание, а вентилятор десорбции — на нагнетание, в результате чего разность давлений между различными секторами была недопу­ стимо высока, и воздух из секторов охлаждения и регенерации мог поступать в сектор осушения. В последующей модификации удалось избавиться от поступления воздуха из сектора регенерации в сектор осушения (давление, развиваемое вентилятором подачи осушенного воздуха, значительно выше давления, развиваемого вентилятором десорбции).

Повышение мощности электроподогревателя позволит увеличить глубину регенерации и также осушающую способность установки.

Конструкции остальных узлов и схема работы установки, пока­ завших надежность во время испытаний первого варианта установки, оставлены без изменений.

На основе проведенных работ можно сделать вывод об определен­ ной перспективности осушительных установок роторного типа и целесообразности продолжения работ в этом направлении. Улучше­ ние схемы, усовершенствование конструкции, применение новых материалов в качестве сорбентов открывают широкие возможности в повышении осушающей способности, надежности, улучшения массогабаритных и энергетических характеристик таких установок.

Не менее важные работы были выполнены по созданию воздухо­ осушительных установок с жидкими сорбентами, предназначенных для обслуживания систем типа В. Большое значение имели теорети­ ческие и экспериментальные исследования аппаратов новой кон­ струкции — циклонно-пенных адсорберов [10—13].

Пенный способ обработки газов жидкостями по сравнению с дру­ гими известными способами позволяет значительно интенсифициро­ вать процессы тепло- и массообмена благодаря сильной турбулиза-

72

ции газожидкостной системы, обеспечивающей уменьшение диффу­ зионных и термических сопротивлений, резкое увеличение удель­ ной поверхности соприкосновения взаимодействующих фаз, отне­ сенной к единице активного объема, и непрерывное обновление этой поверхности. При рассматриваемом режиме взаимодействия газа и жидкости пена образуется без добавления каких-либо пенообра­ зующих веществ. Вихри каждой фазы непрерывно проникают через границу их раздела, что обусловливает дополнительный перенос тепла и массы к соприкасающимся поверхностям. В результате

этого

уменьшаются

эффективные

толщины диффузионных и терми­

ческих

сопротивлений.

про­

Однако

интенсификация

цессов тепло- и массообмена про­

исходит

не

при

всякой

пене,

а лишь при сильно подвижной,

нестабильной пене, представляю­

щей собой взвешенный слой жидко­

сти

в

виде

быстродвижущихся

пленок и струй, тесно перемешан­

ных

с

пузырьками

и струями

газа.

Это достигается в циклонно­

пенных аппаратах, которые пред­

ставляют особый тип контакт­

Рис. 33. Схема циклонно-пенного аппа­

ных

аппаратов,

разработанный

С. А. Богатых и А.

В. Максименко

рата.

/ — сепаратор

воздуха;

2 — патрубок

[12].

Циклонно-пенные аппараты

входа

воздуха;

3 — улитка;

4 — корпус;

объединяют в себе положитель­

5 — форсунка; 6 — патрубок

подвода рас­

твора LiCl; 7 — отделитель пены; 8 — от­

ные свойства циклонных и пенных

делитель раствора LiCl; 9 — патрубок осу­

аппаратов:

в

них

используется

шения;

10 — патрубок отлива раствора

LiCl.

принцип действия центробежных сил и сил инерции и в то же время они имеют весьма развитую

поверхность межфазного контакта. От циклонных аппаратов они отличаются высокой эффективностью, от пенных — меньшим аэро­ динамическим сопротивлением, а от тех и других — меньшими габа­ ритами. Вместе с тем по сравнению со скрубберами тарельчатого и особенно орошающего типа их аэродинамическое сопротивление достаточно высоко.

Если в пенных аппаратах основной деталью является перфори­ рованная решетка (сетчатая тарелка), то в циклонно-пенных аппа­ ратах—улитка для закручивания потока воздуха, поступающего в активное пространство аппарата.

Конструктивная схема циклонно-пенного аппарата представлена на рис. 33.

Вихри потока воздуха, выходящего из улитки 3, проникают во всю массу жидкости, находящейся в нижней части аппарата. За счет кинетической энергии потока, а также действия центробежных сил потока воздуха и сил трения между фазами воздушно-жидкостная среда в виде подвижной пены, состоящей из жидкостных пленок,

73

воздушных пузырей и струй воздуха и раствора, приобретает враща­ тельное движение. Наиболее интенсивное вращательное спирале­ образное движение наблюдается в нижней части аппарата, на выходе воздуха из улитки. По мере подъема воздуха вверх вращение двух­ фазной среды уменьшается.

При неупорядоченном вихреобразном движении фаз, как изве­ стно, действие сил трения между ними весьма велико. В этих усло­ виях вследствие спиралеобразного поступательного движения жид­ кость в виде пленок и отдельных струй из нижней части аппарата поднимается вверх. Таким образом, все активное пространство аппарата оказывается заполненным пеной.

Описанный характер взаимодействия фаз обеспечивает большую, непрерывно возобновляемую межфазную поверхность.

С увеличением скорости воздуха в аппарате время контакта уменьшается и начинает преобладать струйный характер движения фаз, что сопровождается уменьшением поверхности соприкоснове­ ния. Однако с увеличением скорости воздуха происходит более быстрое возобновление этой поверхности, и длина пути воздуха в аппарате в результате большого закручивания потока увеличи­ вается. Это обусловливает интенсификацию происходящих в аппа­ рате процессов и компенсирует ухудшение условий их осуществле­ ния, вызванное уменьшением поверхности, соприкосновения.

При малых скоростях воздуха в аппарате преобладает режим пузырей, вследствие этого суммарная поверхность соприкосновения фаз и время контакта увеличиваются, но скорость возобновления этой поверхности уменьшается.

Для уменьшения поперечных размеров аппарата, а также для обеспечения лучшей турбулизации жидкости в аппарате и одинако­ вой структуры пены в двухфазном слое при больших производитель­ ностях улитку можно сконструировать утопленной внутрь аппарата. Турбулизация жидкости по периферии (от внутреннего диаметра улитки до стенок аппарата) в этом случае будет осуществляться за счет спиралеобразного подъема газов вверх после выхода их из улитки.

В результате экспериментальных исследований работы циклонно­

пенных аппаратов в	режиме адсорбции водяных паров раство­
рами CaCl, LiCl и LiBr	были получены оптимальные значения пара­
метров их работы:
Скорость газов, м/с	..............................................................................	5,0
Высота активного слоя пены, м м ......................................................		300
Удельный расход раствора (коэффициент орошения), кг/кг га­		2,5
зов .........................................................................................................
Масса и габариты	установок с циклонно-пенными аппаратами
в несколько раз меньше установок с камерами орошения		[12].

На рис. 34 изображена схема работы адсорбционной воздухоосу­ шительной установки с циклонно-пенными аппаратами. Наружный воздух засасывается вентилятором 1 и подается в циклонно-пенный абсорбер 2, откуда осушенный воздух поступает в грузовые поме­ щения.

74

Абсорбент (раствор LiCl) из бака 12 через фильтр 11 подается в абсорбер насосом 10 раствора через охладитель 5, прокачиваемый забортной водой с помощью насоса 13. После взаимодействия с воз­ духом в абсорбере, где происходит вспенивание раствора и осуше­ ние воздуха, раствор пониженной концентрации сливается в бак. Часть раствора (около 10% общего количества) насосом 10 через паровой подогреватель 6, где раствор подогревается до температуры около 393 К, подается в циклонно-пенный десорбер 7. В нем из

Рис. _34. Схема воздухоосушительной установки с циклонно-пенными аппара­ тами.

Трубопроводы:	осушаемого воздуха; ■	■ ■ воздуха десорбции;		—/— приемно-
напорный забортной	воды; —/ / — отливной	забортной воды;	—Х-Х— раствора LiCl;
— • —свежего водяного пара; —• • — отработавшего			водяного	пара.

раствора удаляется вода путем взаимодействия горячего вспененного раствора с наружным воздухом, подаваемым в десорбер элек­ тровентилятором 8. Из десорбера раствор с повышенной концентра­ цией сливается в бак, а воздух после десорбции выбрасывается в ат­ мосферу. Работа установки автоматизирована. На трубопроводе подачи раствора в абсорбер установлен радиоактивный плотномер 3 раствора (прибор ПЖР-5), настроенный на рабочую концентрацию 41—43% хлористого лития и подающий сигнал на щит управления и контроля 4. При снижении концентрации раствора до 41% автома­ тически открывается электромагнитный клапан 9 подачи пара на подогреватель и включается электровентилятор. При достижении верхнего предела концентрации — 43%, электромагнитный клапан закрывается, а электровентилятор останавливается. Вместо парового подогревателя может использоваться и электрический.

Первая отечественная судовая воздухоосушительная установка с циклонно-пенными аппаратами — установка ВАУ-800 (рис. 35) имеет следующие характеристики [20]:

75

гликоля. Поэтому для предотвращения потери и возврата диэтилепглнколя в бак необходимо устанавливать после десорбера кон­ денсатор для конденсации паров диэтиленгликоля.

Как отмечает В. Д. Полончук, важнейшее различие между рас­ творами солей, используемыми для осушения воздуха, и гликолями заключается в том, что давление пара активного компонента — соле­ вого раствора — равно практически нулю и, следовательно, допол­ нительный конденсатор не требуется [20].

Основные преимущества воздухоосушительных установок с жид­ ким поглотителем — непрерывность процесса осушения, а также лег­

кость и простота автоматизации процесса регенерации	раствора.
На трубопроводе осушенного воздуха может быть	установлен
датчик влажности, который будет управлять работой	десорбера

и поддерживать заданную относительную влажность осушенного воздуха. В этом случае десорбер вводится в действие при повышении относительной влажности осушенного воздуха выше установленной (что свидетельствует о пониженной концентрации раствора, пода­ ваемого в абсорбер) и выводится из действия при снижении относи­ тельной влажности осушенного воздуха ниже заданной.

Регулирование концентрации раствора путем включения десор­ бирующей части установки датчиком влажности, установленным в трубопроводе воздуха после абсорбера, основано на выявленной расчетами закономерности: при определенной температуре осушае­ мого воздуха каждому значению относительной влажности воздуха после абсорбера соответствует вполне определенная концентрация раствора. При этом для обеспечения определенной относительной влажности воздуха после абсорбера при высоких.температурах осу­ шаемого воздуха требуется более высокая концентрация раствора. Концентрация раствора принимается такой, чтобы при изменяю­ щихся параметрах осушаемого воздуха исключался процесс кри­ сталлизации раствора (см. гл. V).

Настроенный на определенную относительную влажность дат­ чик влажности будет изменять концентрацию раствора включением и выключением десорбера таким образом, чтобы из абсорбера выхо­ дил воздух с влажностью, соответственно настроенной на датчике относительной влажности. С изменением температуры концентрация раствора будет изменяться автоматически до нужной величины.

Такое регулирование установки позволяет использовать водный раствор хлористого лития без разделения на летний и зимний режим по концентрации. Практическая возможность регулирования под­ твердилась при испытаниях установки ВАУ-800.

При испытаниях воздухоосушительной установки ВАУ-800 на­ блюдалась коррозия стальных деталей, особенно на линии горячего раствора. Это может быть объяснено применением разнородных материалов (стали и меди). Для уменьшения коррозионного воздей­ ствия должны добавляться ингибиторы — двухромовокислый калий или хромат лития, который особенно рекомендуется при

использовании раствора хлористого	лития, так как в этом случае
в систему не вводятся посторонние	катионы.

77

В системах т и п а Г используется так называемый механиче­ ский способ осушения воздуха. Этот способ осушения воздуха при­ меняется на судах пока относительно редко. Его сущность заклю­ чается в том, что влажный воздух охлаждается в поверхностных охладителях, в результате чего часть паров воды конденсируется на поверхности, и воздух осушается.

Наряду с такими достоинствами указанных установок, как мень­ шие масса и габариты, последние имеют и существенный недостаток. Конденсация паров воды в виде капель имеет место только при тем­ пературе поверхности охладителя воздуха выше 273 К. Если тем­ пература воздуха, подаваемого на осушение ниже 283—288 К, то его температура точки росы приближается к 273 К и необходимая температура поверхности воздухоохладителя должна быть ниже 273 К- В этом случае вода из воздуха оседает на поверхности в виде инея и препятствует процессу теплопередачи. Для удаления инея необходимо периодически осуществлять режим оттайки. Кроме того, начиная с температур осушаемого воздуха от 268 до 283 К, необхо­ димо резкое понижение температуры хладагента и хладоносителя для незначительного уменьшения влагосодержания осушаемого воздуха.

Наиболее употребляемой в зарубежном судостроении установкой с механическим способом осушения является воздухоосушительное устройство типа «Драйхолд» фирмы Термотанк (Англия) производи­ тельностью по осушенному воздуху 840 м3/ч. Этим устройством обо­ рудованы сухогрузные суда типа «Тикси» дедвейтом 12 050 т датской постройки. Устройство «Драйхолд» совместно с вентилятором и си­ стемой трубопроводов воздуха представляет собой местную систему технического кондиционирования воздуха, монтируемую для каж­ дого грузового района.

На рис. 36 показана схема устройства и его основные части.

На теплоходах типа «Тикси» воздухоосушительное устройство «Драйхолд» с вентилятором располагается на верхней палубе у пере­ борки грузового района. В другом конце района предусматривается естественная вентиляция. При помощи заслонок, установленных на трубопроводах воздуха и в самом устройстве, система обеспечивает вентиляцию трюмов и твиндеков наружным воздухом или рецир­ куляцию воздуха в грузовых помещениях с добавкой осушенного воздуха, для чего часть рециркулируемого воздуха проходит через охладитель воздуха, где температура точки росы воздуха пони­ жается до 273,6—273 К. Поскольку этот воздух непрерывно засасы­ вается из закрытых трюмов и твиндека и постоянно осушается, температура точки росы воздуха в помещениях сохраняется доста­ точно низкой для предотвращения конденсации на корпусе судна или грузе.

Хладоснабжение устройств осуществляется централизованно от холодильных машин фирмы «Саброе» (Дания).

В	отличие от централизованного хладоснабжения в системах
т и п а	Д применяют автономные механические осушители воздуха

со встроенными холодильными машинами. Эти осушители представ-

78

ляют собой небольшие автоматизированные агрегаты, в которых влажный воздух с помощью вентилятора последовательно проходит через охладитель, являющийся испарителем холодильной машины, и затем через конденсатор хладагента. В трубках испарителя кипит хладагент, отнимая тепло от воздуха. Пары хладагента отсасываются

	компрессором, сжимаются и пода­
	ются в конденсатор, где они конден­
	сируются	с выделением	скрытой
	теплоты, передающейся воздуху.
	Жидкий	хладагент дросселируется
	от давления конденсации до давления
	кипения в терморегулирующем кла­
	пане и поступает в испаритель (см.
	гл. IV).
	В испарителе температура воз­
	духа и влагосодержание		уменьша­	*
	ются. Это связано с тем,		что темпе­		ft
				t f
	ратура поверхности испарителя ниже			Грузовое	помещение

Рис. 36. Вентиляционное и воздухоосушительное устройство типа «Драйхолд»: а — компоновка; б — работа в режиме вентиляции; в — работа в режиме осу­ шения.

1 — охладитель воздуха; 2 — воздухоосушительное отделение; 3 — заслонка подачи воз­

духа на осушение;	4 — заслонка рециркуляции;		5 — нижняя заслонка; 6 —вентиля-
-* — направление	тор; 7 — электродвигатель; 8 — датчик влажности.
	движения воздуха в	режиме	вентиляции;-------- > — направление
	движения воздуха	в режиме осушения.

температуры точки росы воздуха и на ней выпадает вода из воздуха. В конденсаторе влагосодержание воздуха не изменяется, а темпе­ ратура его повышается. В результате воздух выходит из агрегата осушенным и немного подогретым.

Как указывалось выше, в некоторых случаях температура точки росы воздуха приближается к 273 К и температура поверхности должна быть ниже 273 К. При этом вода из воздуха оседает на по­ верхности в виде инея и работа осушителя приобретает циклический

79

характер с чередованием периодов удаления инея с поверхности охладителя. Удалять иней можно различными способами в зависи­ мости от температуры воздуха, схемы машины и других условий: продувкой воздуха при неработающем компрессоре, когда темпера­ тура поступающего воздуха выше 273 К; подачей горячих паров хладагента из компрессора в испаритель; электроподогревателями и т. и.

Автономные механические осушители воздуха для стационарных условий выпускаются фирмами Ремингтон (США), Претема (Швей­ цария), Линде (ФРГ), Марко (Англия) и др. В США, например, в начале 60-х годов ежегодно выпускалось 400 000 механических осу­ шителей [21].

В СССР основы теории и расчета автономных механических осу­ шителей разработаны А. А. Гоголиным [16—18]. Под его руко­ водством создан ряд механических осушителей.

Как показали исследования А. А. Гоголина, производительность механического осушителя и его экономичность увеличиваются с по­ вышением коэффициента влаговыпадения |, и холодопроизводительности Q0. При большой влажности воздуха значения £ и Q0 увеличиваются с повышением температуры охлаждающей поверх­

ности	Тп и связанной с нею температуры кипения хлада­
гента	Т 0.

Следовательно, при проектировании осушителя для этих условий необходимо уменьшить удельную тепловую нагрузку на 1 м2 поверх­ ности испарителя, чтобы при заданных температурах воздуха повы­ сить температуры поверхности и кипения хладагента.

Если относительная влажность воздуха невелика, понижение удельной тепловой нагрузки (повышение температур Т„ и Т0) при­ водит к резкому снижению коэффициента влаговыпадения, что, в свою очередь, уменьшает производительность и экономичность осушителя. Таким образом, при проектировании осушителя, пред­ назначенного для обеспечения возможно наименьшей влажности воздуха в помещении, удельная тепловая нагрузка в испарителе должна выбираться значительно более высокой. Это в первую оче­ редь относится к осушителям, работающим в области низких тем­ ператур воздуха с небольшими коэффициентами влаговыпа­ дения.

А. А. Гоголин показал, что для обеспечения наибольшей экономич­ ности и производительности автономных механических осушителей как при высокой, так и при низкой влажности воздуха желательно регулировать их работу, чтобы получить более низкую темпера­ туру поверхности в случае уменьшения температуры осушаемого воздуха.

Регулирование осуществляется тремя способами:

,1) выключением части поверхности испарителя при помощи ручных и электромагнитных клапанов;

2) уменьшением подачи фреона в испаритель путем соответствую­ щей установки терморегулирующего клапана (более простой метод); в этом случае жидкость будет кипеть лишь на части поверхности

80