Интенсификация отвода теплоты хемосорбции в колонных абсорберах с эффективными трубчато- решетчатыми насадками

DOI: 10.32743/UniTech.2021.82.1-2.80-84

АННОТАЦИЯ

В статье представлены результаты экспериментальных исследований по влиянию скорости газожидкостного потока и геометрических параметров спирально-накатанной трубы на интенсивность конвективного теплообмена при хемосорбции СО₂ аммонизированным рассолом. Исследования проведены в интервале изменения относительной глубины канавки с h/D=0,003-0,095 в переходной области течения потока жидкости. Определен рост численных значений коэффициента теплоотдачи в зависимости от относительной глубины h/D независимо от шага их размещения. Сопоставление значений К для гладкой и спирально-накатанных труб показало cуществование оптимальной области размещения плавно очерченных турбулизаторов соответствующей интенсификации переноса тепла, которая находится в пределах t/D=1,14-1,4.

ABSTRACT

The article presents the results of experimental studies on the influence of the gas-liquid flow rate and the geometric parameters of the spirally rolled pipe on the intensity of convective heat exchange during the chemisorption of CO₂ by ammoniated brine. The studies were carried out in the range of variation of the relative groove depth with h/D=0,003-0,095 in the transition region of the fluid flow. The growth of the numerical values ​​of the heat transfer coefficient was determined depending on the relative depth h/D, regardless of the step of their placement. Comparison of the K values for smooth and spirally rolled pipes showed the existence of an optimal area for the placement of smoothly outlined turbulators of the corresponding intensification of heat transfer, which is in the range of t/D=1,14-1,4.

Ключевые слова: хемосорбция, трубчато-решетчатая насадка, спирально-накатанная труба, охлаждение, интенсификация, теплоотдача, теплопередача, необходимая поверхность.

Keywords: chemisorption, tube-lattice packing, spiral-rolled tube, cooling, intensification, heat transfer, heat transfer, required surface.

В производстве кальцинированной соды одним из основных аппаратов являются колонные аппараты для осуществления процесса абсорбции аммиака и углекислого газа рассолом поваренной соли [1, с.26].

В существующей технологии производства кальцинированной соды аммиачным способом в процессе аммонизации рассола и карбонизации аммонизированного рассола выделяется большое количество теплоты реакции и проблема ее отвода представляет собой одну из важнейших задач.

Всесторонний анализ различных способов охлаждения газовых и жидкостных потоков на стадии хемо­сорбции показал, что наиболее приемлемым и перспективным охлаждением в процессе абсорбции являются одновременное охлаждение газа и жидкости в зоне контакта фаз при помощи трубчато-решетчатых насадков, выполняющих функцию теплообменных устройств.

Следовательно, интенсификация процессов отвода тепла и разработка теплообменников повышенной эффективности и мощности является, по-прежнему, актуальной, т.к. она тесно связана с проблемой энерго- и ресурсосбережения, а также с экологической безопасностью проектируемых аппаратов.

При проектировании теплообменной аппаратуры различного назначения необходимо соблюдать следующее: как можно меньших объемов, масс, энергетических затрат на прокачку рабочего вещества и в тоже время возможно большей поверхности теплообмена и тепловой нагрузки.

Противоречивость вышеуказанных требований очевидна, потому что, как правило, надо искать оптимальные компромиссные инженерные решения. Однако, в любом случае неизбежно необходимо решать проблему интенсификации процесса теплообмена как в каналах, так и в межтрубном пространстве, для повышения тепловой мощности аппарата или оборудования [2, с.423, 3,с.57, 4,с.8, 5]. Но, наиболее эффективным является применение плотноупакованных пучков из труб с развитыми теплообменными поверхностями [6,7,8].

В работе проф.Калинина Э.К. и др. утверждается, что для интенсификации теплообмена  необходимо увеличение интенсивности турбулентности, которое как известно сопряжено с ростом энергетических затрат. Естественно, это ведет к повышению коэффициента сопротивления x. Следовательно, целесообразно увеличивать коэффициент турбулентной теплопроводности l_т не во всем потоке, а лишь около стенки. При одинаковом увеличении l_т созданием искусственной турбулизации потока на оси трубки и около стенки в последнем случае рост теплоотдачи будет больше [9, с.15].

Также высокой тепловой эффективностью обладают трубы и каналы типа "конфузор-диффузор" [10]. Углы раскрытия диффузоров подбираются из условия существова­ния нестационарных микроотрывов потока, интенсифицирующих тепло­обмен, не вызывая при этом значительного повышения гидродинами­ческого сопротивления канала.

Большое число исследований по интенсификации теплообмена при обтекании двумерных углублений-траншей и кольцевых канавок принад­лежит проф.Э.К.Калинину и его сотрудникам [9, с.24]. Ими в своих исследованиях в качестве рабочих образцов использованы тонкостенные трубки с накатанными кольцевыми канавками, а также с комбинированными турбулизаторами типа "выступ-канавка" и получены обобщающие  эмпири­ческие зависимости как по теплообмену, так и по сопротивлению [9, с.80].  В работе проф.С.А.Ярхо указывается, что комбинированные турбулизаторы в отношении роста теплоотдачи существенно эффективнее, чем кольцевые канавки (до 60%) и применяются в настоящее время при серийном изготовлении трубчатых теплообменных аппаратов установок комплексной подготовки газа [11].

Основными способами интенсификации теплообмена являются [2, c.429, 7, 10, 12, 13]: воздействие на микроструктуру потока среды формой поверхности теплообмена; воздействие на микро- и макроструктуру потока дополнительной турбулизацией шероховатостью; увеличение площади поверхности теплообмена со стороны рабочей среды с низким коэффициентом теплоотдачи; механическое воздействие на поверхность теплообмена (вибрация, пульсация и т.д.); воздействие на поток полем (электромагнитным, акустическим); вдув или отсос рабочей среды через проницаемую теплоотдающую поверхность; добавка в поток твердых частиц или газовых пузырьков.

Анализ состояния вопроса показал, что существует множество способов и устройства для интенсификации теплообмена с обеих сторон труб. Но, наиболее приемлемым по всем параметрам являются трубы с кольцевыми и спиральными канавками, витые трубы и трубы типа «диффузор-конфузор».

Однако, несмотря на значительный теоретический и экспериментальный материал по методам интенсификации конвективного теплообмена [6, 8, 9, с.12, 13], в настоящее время остались недостаточно разработаны вопросы, касающиеся интенсификации теплообмена в переходном режиме течения потока жидкости в каналах с развитыми теплообменными поверхностями, которые требуют экспериментального исследования.

Экспериментальные исследования по охлаждению аммонизированного рассола проведены при изменении числа Рейнольдса аммонизированного рассола Re=2000-9800, относительном шаге накатки спиральных канавок h/D =0,003-0,095 и средней температуре охлажденной воды t=20-25^oС. Опыты проведены как на гладкой, так и на 4-х спирально-накатанных трубах [14, 15, 16].

Зависимость коэффициента теплоотдачи a от относительной глубины h/D плавно очерченной канавки при различных величинах шага их размещения t/D показывает, что с ростом значения относительной глубины канавки интенсивность теплоотдачи возрастает для всех труб с различным t/D. Из рис.1 видно, что до h/D=0,07 коэффициент теплоотдачи a существенно зависит от глубины канавки, а начиная со значений h/D=0,07-0,08 почти не зависит и величина коэффициента неизменна. Анализ графика показывает, что в области значений h/D=0,005-0,07 можно считать оптимальной глубиной канавок для спирально-накатанных труб. Общеизвестно, что во всем диапазоне численных значений h/D с ростом глубины канавки гидравлическое сопротивление на прокачку теплоносителя пропорционально возрастает.

Рисунок 1. Влияние относительной глубины h/D спиральных канавок на коэффициент теплоотдачи a при омывании аммонизированным рассолом при Re=2500

      · - t/D=0,25; ■ - t/D=0,52; ▲ - t/D=0,77;

     ¨ - t/D=1,0; * - t/D=2,0;  + - t/D=3,0.

На рис.2 приведены результаты экспериментальных исследований по влиянию шага расположения спиральных канавок на коэффициент теплопередачи от рассола к воде на трубчато-решетчатых насадках.

Анализ полученных результатов показывает, что в начальный период наблюдается рост численных значений коэффициента теплопередачи К c увеличением шага размещения t/D спирально-накатанных турбулизаторов, а затем происходит снижение.

Так, при Re=7100 и шага размещения t/D=0,88 величина коэффициента теплопередачи К=675 Вт/м²×К, для t/D=1,0 значение коэффициента К=1030 Вт/м²×К, для t/D=1,14 значение коэффициента К=1045 Вт/м²×К и, наконец, для t/D=1,4 значение коэффициента К=1026 Вт/м²×К.

Рисунок 2. Влияние шага расположения турбулизаторов t/D на коэффициент K при отводе теплоты реакции водой

△ - Re=2320; □ - Re=4800; ▲ - Re=7100; ◇- Re=9800.

Как видно, резкое повышение величины коэффициента теплопередачи К прекращается по достижению значения t/D»1,4 и затем плавно снижается. Подобная закономерность зафиксирована для всех значений числа Рейнольдса в переходной области течения потока, т.е. от Re=2500 до 9800. Интенсификация переноса тепла в спирально-накатанных трубах всегда осуществляется за счет устройств в виде плавно очерченных канавок снаружи и аналогичных диафрагм внутри, которые придают дополнительный импульс жидкости турбулизируя весь поток.

Основные методы оценки эффективности колонных аппаратов заключаются в сопоставление теплопередающих поверхностей холодильных зон из гладких труб и труб с турбулизаторами, расхода охлаждающего агента, схемы компановки труб в решетках трубчато-решетчатых насадков и его металлоемкости.

На рис.3 показана зависимость поверхности теплообмена F от безразмерного коэффициента теплопередачи К/К_гл для одной холодильной зоны промышленного абсорбера. Для сравнения выбраны результаты наиболее эффективных турбулизаторов в каждой из проведенных исследований. Сопоставляя эти данные легко видеть, что рассмотренный метод интенсификации теплообмена путем нанесения макрошероховатостей позволяет сократить поверхность теплообмена в 1,7-2,5 раза. Причем, наилучшие результаты достигаются при профилях плавно очерченных турбулизаторов с удобным обтеканием (низким сопротивлением).

Рисунок 3. Влияние безразмерного коэффициента теплопередачи К/К_гл на необходимую поверхность теплообмена F трубчато-решетчатого насадка

Естественно, существенное снижение поверхности теплообмена ведет к пропорциональному сокращению количества теплообменных труб в трубной решетке, и соответственно, снижению металлоемкости аппарата.

Опытами установлено, что турбулизаторы в виде плавно очерченных выступов внутри и канавок снаружи трубы служат источником возникновения дополнительных турбулентных импульсов на пристенной вязкий подслой жидкости. Результаты многочисленных экспериментов позволили установить, что аналогичное устройство позволяет интенсифицировать отвод теплоты экзотермической реакции при относительно низком росте гидравлического сопротивления.

Следует отметить, что конструкция спирально-накатанной трубы позволяет интенсивно перемешивать газожидкостной поток в межтрубном пространстве трубчато-решетчатого насадка, способствуя не только интенсификации теплопереноса, но и массообменного процесса.

Следует подчеркнуть, что в оптимальной области глубины накатки плавно очерченных канавок интенсификация теплоотдачи приходится на умеренный рост гидравлического сопротивления.

Теплообменные трубы со спиральными турбулизаторами технологичны, конструктивно просты и не меняют существующей технологии сборки трубчато-решетчатых насадков, которые отличаются низкой металлоемкостью.

Список литературы:

1. Линкевич В.А. Технология кальцинированной соды. – Ташкент: ГАК «Узкимесаноат», 2006. – 96 с.
2. Нурмуҳамедов Ҳ.С., Темиров О.Ш. ва бошқалар. Газларни қайта ишлаш технологияси, жараён ва қурилмалари. – Т.: Шарқ, 2016. - 856 б.
3. Кунтыш В.Б., Бессонный А.Н., Дрейцер Г.А., Егоров И.Ф. Примеры расчетов нестандартизованных эффективных теплообменников.-СПб.:Недра, 2000.­- 300 с.
4. Светлов Ю.В. Интенсификация гидродинамических и тепловых процессов в аппаратах с турбулизаторами потока. – М.: Энергоатомиздат, 2003. -­ 304 с.
5. Горская Т.Ю. Гидродинамика ламинарного течения вязкой жидкости в теплообменных устройствах с вращающейся поверхностью типа «диффузор-конфузор».­ Казань, КХТУ, дисс…канд.техн.наук , 2004. -110 с.
6. Дрейцер Г.А. О некоторых проблемах создания высокоэффективных трубчатых теплообменных аппаратов // http: // www.rosteplo.ru / Tech_stat / to_Hxlcd7.htm.
7. Dzyubenko B.V., Dreitser G.A., Yakimenko R.I. Methodics of Optimum Configuration Choice for Heat Transfer Surfaces of Space Heat Exchangers // Proc. of the First Int.Conf. on Aerospace Heat Exchangers Techology (Palo Alto, USA, 1998), Amsterdam-London: Elseveir, 1998.-р.234-243.
8. Парамонов Н.В., Низовитин А.А. Интенсификация теплообмена в каналах теплообменников // Труды четвертой Российской национальной конференции по теплообмену. - М.: МЭИ, 2006.-С.270-273.
9. Калинин Э.К., Дрейцер Г.А., Ярхо С.А. Интенсификация теплообмена в каналах. – М.:Машиностроение, 1981. – 205 с.
10. Мигай В.К., Быстров П.Г. Интенсификация теплообмена в волнис­тых трубах // Теплоэнергетика. - 1976. - № 11. - с.74-76.
11. Игнатьев М.Л., Ярхо С.А. Исследование влияния высоты комбини­рованных турбулизаторов на теплообмен и гидравлическое сопротив­ление кольцевых каналов // Современные проблемы гидродинамики и теп­лообмена в элементах энергетических установок и криогенной тех­ники. - М.:ВЗПИ, 1988. - С.77-82.
12. Чудновский Ю.П. Интенсификация теплообмена генерацией вихрей // Дисс... канд. техн. наук - Москва, 1990. -196 с.
13. Гортышов Ю.Ф., Олимпиев В.В., Попов И.А. Эффективность промышленно-перспективных интенсификаторов теплоотдачи // Известие АН «Энергетика», 2002. - №3. – с.17-24.
14. Мавлонов Э.Т. Закиров С.Г. Нурмухамедов Х.С., Темиров О.Ш. Влияние скорости жидкости на теплоперенос при течении в каналах со спиральными турбулизаторами // Химическая промышленность, Санкт-Петербург, 2016.- №2.- с.70-74.
15. Закиров С.Г., Нурмухамедов Х.С., Мавлонов Э.Т. Интенсивность теплообмена при обтекании спирально-накатанных труб аммонизированном рассолом // Химическая промышленность, Москва, 2012.-№9.-с.53-58.
16. Мавлонов Э.Т., Зокирова Н.С., Каримов К.Ф., Нурмухамедов Х.C. Расчет интенсивности теплообмена при омывании газожидкостным потоком трубчато-решетчатых насадков // Химическая технология. Контроль и управление, 2019.-№6.-с.7-11.