Исследование скорости естественной циркуляции раствора хлопкового масла в вертикальном выпарном аппарате

АННОТАЦИЯ

В статье рассматриваются результаты экспериментального исследования способов увеличения скорости естественной циркуляции раствора хлопкового масла в выпарном аппарате вертикального типа, изучены вопросы создания необходимого условия для достижения оптимальной скорости циркуляции. Приведены результаты экспериментальных исследований для отыскания оптимальной высоты надставки.

ABSTRACT

The article deals with the results of experimental research of the ways to increase the natural circulation rate of cotton oil solution in a vertical-type evaporator, the issues of creating the necessary conditions for achieving the optimal circulation rate are studied. The results of experimental research to find the optimal height of the extension are given.

Ключевые слова: скорость циркуляции, прирост движущего напора, гидравлическое сопротивление, надтрубное пространство, сепаратор, надставка, конфузор, двухфазная струя.

Keywords: circulation speed, driving head gain, hydraulic resistance, over tube space, separator, extension, cone, two-phase jet.

Одним из основных факторов, влияющих на величину коэффициента теплопередачи и, следовательно, на интенсивность работы выпарного аппарата, является скорость циркуляции выпариваемого раствора. Обычно стремятся создать в выпарных аппаратах условия, при которых скорость циркуляции была бы оптимальной. 

Для увеличения скорости естественной циркуляции необходимо обеспечить прирост движущего напора в большей степени, чем растут в этих условиях гидравлические сопротивления [2,3].

Как следует из литературных источников, это возможно путем использования части надтрубного пространства [1]. C этой целью над подъемной трубой в сепараторе нами установлена надставка типа трубы Вентури. На рисунке 1 представлена схема течение двухфазного потока в надставке.

Рисунок 1. Характер потока и распределение статического давления по оси надставки

В конфузоре двухфазный поток сужается и скорость его возрастает. При этом статическое давление уменьшается, что приводит к интенсивному вскипанию жидкости, перегретой относительно температуры насыщения.

Увеличение потока паровой фазы вызывает рост скорости двухфазного потока, сопровождающееся снижением статического давления от первоначального Р_А до минимального Р_х в сечении Х (рис.1). После сечения Х начинается расширение двухфазной струи и увеличение статического давления до давления в сепараторе[7]. Благодаря обильному испарению легколетучих компонентов объем двухфазного потока и, следовательно его скорость возрастает, вызывая увеличение скорости в циркуляционном контуре.

Определение основных размеров надставки производили экспериментально с целью достижения высокого движущего напора за счет самоиспарения в ней. Опыты проводили с четырьмя надставками при кипении воды в двух режимах работы опытной установки: с необогреваемым опускным участком и при обогреве опускного участка наравне с подъемным. Конфигурация надставок представлена на рисунке 2, геометрические размеры приведены в таблице 1.

Таблица 1.

Геометрические размеры надставок, мм

С целью обеспечения минимума прироста гидравлического сопротивления надставки имели:

- угол конусности конфузорной части  (согласно рекомендации по выбору оптимальных параметров конфузорных переходов;

- длину цилиндрической части, для выравнивания поля скоростей и снижения выхреобразования в последующей части, в пределах 1 , где - входной диаметр надставки;

- угол конусности диффузорной части , для снижения гидравлических потерь на ускорение двухфазного потока в пределах 1согласно рекомендации по расчету труб Вентури [ 5,6 ] ).

По результатам опытов построили зависимости скорости циркуляции от тепловой нагрузки установки в двух режимах ее работы с надставками 1 и 2, имеющими различные значения коэффициента сжатия:

 = 0,25    и =0,49

Коэффициент сжатия назначен в надставках 0,6, исходя из конической формы суживающего участка.

Рисунок 4. Зависимость скорости циркуляции от тепловой нагрузки аппарата с обогреваемым опускным участком:1-с насадкой 1; 2- с насадкой 2

Как видно и рисунков 3 и 4, значения скорости циркуляции в опытах с надставкой 1 лишь в первом режиме работы при нагрузках 10 и 15 кВт/м² были выше, чем в опытах с надставкой 2.

Это обусловлено тем, что в опытах с надставкой 1 прирост гидравлического сопротивления в связи с большим сопротивлением узкой части, опережал прирост движущего напора. С увеличением тепловой нагрузки (больше 30 кВт/м² ) при работе во втором режиме, вследствие возрастания гидравлического сопротивления двухфазному потоку в надставке 1 происходило опрокидывание циркуляции.

Таким образом, сравнения результатов опытов, проведенных с надставками 1 и 2, показывает, что уменьшение коэффициента сжатия надставки ниже 0,5 неэффективно.

В опытах с надставкой 2 скорость циркуляции была в 1,5 раза выше, чем с надставкой 1, достигая максимального значения 1,12 м/с во втором режиме работы аппарата при q_ап =30 кВт/м². С дальнейшим повышением тепловой нагрузки скорость циркуляции практически оставалась неизменным, лишь при 50 кВт/м²  скорость снизилась до 1,05 м/с.

В целях отыскания оптимальной высоты надставки были проведены опыты с надставками 3 и 4. Длины этих надставок в 1,5 и 2 раза больше, чем надставки 2 при прочих равных геометрических размерах. За счет увеличения длины надставки увеличился диаметр выходного сечения до 250 мм, что дополнительно снизило потери на ускорение двухфазного потока.

В то же время увеличение длины надставки приводит к росту потерь на подъем пароводяной смеси выше уровня жидкости в сепараторе, а также потерь на трение и расширение в диффузорной части. Значение скорости циркуляции в опытах с надставками 3 и 4 были больше, чем с надставкой 2.

На рисунках 5 и 6 представлены зависимости скорости циркуляции от тепловой нагрузки в двух режимах работы с надставками 3 и 4.

Как видно из рис. 5 и 6 скорость циркуляции в опытах с надставкой 3 в свою очередь выше, чем с надставкой 4.

Таким образом, в исследованном диапазоне тепловых нагрузок максимальное значение скорости циркуляции достигается с надставкой 3, конфигурацию надставки 3 можно считать оптимальной.

Список литературы:
1. Гурович Б.М., Полищук Г.Ш., Блейхман А.С. Увеличение скорости естественной циркуляции концентрируемых растворов в термосифонных выпарных аппаратах //Химическая промышленность-1988.-№5-с.36-37.
2. Идельчук И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям/ Под.ред. М.О. Штейнберга.-3-е изд., перераб. И доп.- М.; Машиностроение, 1992 – 672 с.:ил.
3. Банных О.П. Основные конструкции и тепловой расчет теплообменников. Учебное пособие. СПб НИУ ИТМО, 2012- 42 с.
4. Процессы и аппараты химической технологии. Общий курс. В двух книгах. Книга 1./Под ред. В.Г. Айнштейна ; Учебник-8-е изд.стер.-Спб.:Издательство «Лань», 2019-916 с.
5. ГОСТ 23720-79 Трубы Вентури. Технические условия.
6. Гидравлика: учебник и практикум для СПО/В.А. Кудинов, Э.М. Карташов, А.Г. Коваленко, И.В. Кудинов.; под ред. В.А. Кудина. 4-е изд., пер. и доп.-М.:Издательство Юрайт, 2018.- 386 с.- (Серия: Профессиональное образование)
7. Машарипова З.А., Сарболаев Ф.Н., Исламова Ф.К. Компьютерное моделирование равновесного состояния процесса тепломассообмена по давлению в двухфазной системе // Universum: Технические науки : электрон. научн. журн. 2019. № 12(69). URL: http://7universum.com/ru/tech/archive/item/8509