Введение

Среди различных тепло- и массообменных аппаратов криогенных систем можно выделитьконденсаторы-испарители, которые используются в системах низкотемпературной ректификации газов для получения потоков пара и флегмы. Процесс конденсации паров одного из потоков происходит вследствие кипения жидкости другого потока.

Наряду с прямотрубными конденсаторами-испарителямииконденсаторами-испарителямииз витых трубок в последнее время (после 1999 г.) широкое распространение получили пластинчато-ребристые конденсаторы-испарители, обладающие компактностью поверхности не менее 1000–3000 м²/м³и высокой эффективностью теплообмена. Ограничением применения пластинчато-ребристых конденсаторов-испарителей является небольшое давление (до 6 МПа), которое устанавливают по условиям прочности.

Двухфазные потоки в испарителе и конденсаторе могут состоять из веществ с известными теплофизическими свойствами (например, из воздуха или отдельных продуктов его разделения [1]), или же могут представлять собой смеси веществ (например, тройную смесь N₂–Ar–O₂с отличным от воздуха содержанием компонентов), для которых свойства будем вычислять по специальным методикам с учетом массообмена. Расчет температурных напоров на стороне конденсации и стороне кипения производим по известным полуэмпирическим зависимостям. При проведении гидродинамического расчета учитываем, что процесс кипения преимущественно протекает в условиях направленного движения двухфазной смеси.

В прил. 1 приведен текст программы расчета пластинчато-ребристого конденсатора-испарителя на языке Фортран-90.

Методика расчета пластинчато-ребристых конденсаторов-испарителей Постановка задачи

Схематично основными элементами конструкции пластинчато-ребристых аппаратов являются: разделительные пластины; ребра, расположенные между пластинами и имеющие хороший тепловой контакт с последними; боковые проставки (рис. 1).

Методика расчета пластинчато-ребристыхконденсаторов-испа­рителейзаключается в совместном решении уравнений, описывающих процессы теплообмена, массообмена и гидродинамики с одновременным подбором параметров конструкции аппарата с учетом существующих технологических решений [2]. В соответствии с этим следует решить ряд взаимосвязанных задач.

Рис. 1. Схема конструкции пластинчато-ребристых аппаратов:

1 – разделительные пластины; 2 – ребра; 3 – боковые проставки

Тепловой расчет конденсаторов-испарителейпредставляет собой сведение теплового баланса. Рассматриваем замкнутую систему, т. е. теплообменом междуконденсатором-испарителеми окружающей средой пренебрегаем. Тогда в установившемся режиме можно записать баланс тепловых потоков

(1)

Q_и =Q_к,

где

Q_и =q_иF_и = α_иF_иΔT_и ;

Q_к =q_кF_к = α_кF_кΔT_к.

Здесь q – эффективная плотность теплового потока, Вт/м²; α – коэффициент теплоотдачи, Вт/(м² К);F – эффективная площадь поверхности теплоотдачи, м²; ΔT– температурный напор, К; индексы «и» и «к» относятся к процессам кипения в испарителе и конденсации в конденсаторе соответственно.

Баланс температур

T

(3)

(2)

_и–T_к= ΔT_и + ΔT_ст+ ΔT_к ,

где T_и,T_к– средние температуры потоков в испарителе и конденсаторе соответственно, К; ΔT_ст– перепад температуры в проставочном листе, К.

Гидравлический расчет аппарата представляет собой расчет естественной циркуляции потока по замкнутому контуру, образованному каналами испарителя (подъемная ветвь контура) и опускной системой, т. е. каналом, по которому стекает с верхней решетки жидкость, не выкипевшая в парогенерирующих каналах испарителя (рис. 2).

Условием устойчивой циркуляции является наличие положительного полезного давления циркуляции

p

(4)

_пол=p_дв– Δp_под,

где p_дв– движущее давление циркуляции, получаемое за счет разности статических давлений столбов рабочей жидкости в опускной и подъемной ветвях контура, Па; Δp_под– гидравлическое сопротивление в подъемной части контура циркуляции, Па.

Если в качестве рабочих веществ используют смеси криопродуктов, состав пара над кипящей жидкостью и состав конденсата существенно влияют на теплофизические свойства потоков и соответственно на температуры в конденсаторе и испарителе.

Рис. 2. Схема гидродинамических процессов

в пластинчато-ребристом конденсаторе-испарителе

Для тройной смеси N₂–Ar–O₂можно записать

T

(5)

_к=f (p_к,x_1к,x_2к,x_3к) ,T_и=f (p_и,x_1и,x_2и,x_3и) ,

где p_к,p_и– давление паров смеси в конденсаторе и испарителе, Па;x_1к,x_2к,x_3к,x_1и,x_2и,x_3и– соответствующие объемные доли компонентов смеси; индекс 1 относится к азоту, 2 – к аргону, 3 – к кислороду. Кроме того, слив части жидкости из полости кипения и отдув части пара из полости конденсации также приводят к изменению состава рабочих веществ на выходе изконденсатора-испарителяи, следовательно, влияют на установившиеся температуры.

Расчет параметров конструкции конденсатора-испарителяпроводится в результате моделирования теплогидродинамических процессов на основе принятого типа и рекомендуемых геометрических параметров пластинчато-ребристой поверхности. На рис. 3 и 4 изображены схемы конструкций типовых пластинчато-ребристыхконденсаторов-испарителей. В прил. 2 приведены геометрические параметры пластинчато-ребристых поверхностей и размеры типовых пакетов аппаратов, а исходные данные для расчета – в табл. 1.

Рис. 3. Конструктивная схема пластинчато-ребристого

конденсатора-испарителя с пакетами горизонтального типа

Рис. 4. Конструктивная схема пластинчато-ребристого

конденсатора-испарителя с пакетами вертикального типа

Таблица 1