Методика расчета пластинчато-ребристых конденсаторов-испарителей

ВВЕДЕНИЕ

Среди различных тепло- и массообменных аппаратов криогенных систем можно выделить конденсаторы-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-испарителями и конденсаторами-испарителями из витых трубок в последнее время (после 1999 г.) широкое распространение получили пластинчато-ребристые конденсаторы-испарители, обладающие компактностью поверхности не менее 1000–3000 м²/м³ и 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–O₂ с 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).

Рис. 1. Схема конструкции пластинчато-ребристых аппаратов:

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

Тепловой расчет конденсаторов-испарителей представляет собой сведение теплового баланса. Рассматриваем замкнутую систему, т. е. теплообменом между конденсатором-испарителем и окружающей средой пренебрегаем. Тогда в установившемся режиме можно записать баланс тепловых потоков

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

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

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–O₂ можно записать