Тепломассообмен в контактных воздухоохладителях турбокомпрессора

УДК 622.44

О.В. Замыцкий

ТЕПЛОМАССООБМЕН В КОНТАКТНЫХ ВОЗДУХООХЛАДИТЕЛЯХ ТУРБОКОМПРЕССОРА

Семинар № 17

Существенным резервом повышения эффективности производства сжатого воздуха является применение в системе охлаждения турбокомпрессоров контактных воздухоохладителей [1]. Здесь, в отличие от применяемых в настоящее время воздухоохладителей поверхностного типа, не происходит ухудшение эффективности охлаждения воздуха из-за загрязнения теплообменных поверхностей, так как тепломассообмен протекает при непосредственном контакте сред.

В результате анализа существующих конструкций контактных аппаратов установлено, что наиболее приемлемым вариантом для применения в качестве воздухоохладителей турбокомпрессора является система, состоящая из смесительного устройства типа труба Вентури и центробежного сепаратора-

каплеуловителя. Такой контактный аппарат сочетает достаточно высокую эффективность тепломассообмена с относительно небольшим гидравлическим сопротивлением. Но, к сожалению, в настоящее время, отсутствуют методики расчета таких воздухоохладителей.

В качестве исходной модели, для описанного выше контактного воздухоохладителя, принята физическая модель контактного тепломассообмена, предложенная Е.А. Андреевым в работе [2]. Особенностью данной модели является наличие двух пограничных слоев (насыщенного и ненасыщенного газа), существенно различающихся своими свойствами. В первом из них происходит изменение энтальпии газа, во втором - изменение абсолютного вла-госодержания газа при постоянной энтальпии. Другой особенностью является наличие локального потока газа циркулирующего через пограничный слой. Принимаем, также, что тепломассообменные процессы в системе труба Вентури - центробежный сепаратор протекают от момента распыления жидкости в горловине смесителя, до полного разделения смеси в сепараторе.

Тогда, задача тепломассообмена в контактном воздухоохладителе может быть решена с

помощью двух уравнений - уравнения интенсивности тепломассообмена и уравнения относительной интенсивности тепломассообмена, т. е.

Кт = /

А, =Д ,

где Кт - коэффициент интенсивности тепломассообмена; Яек - комбинированное число Рейнольдса - Фруда; Бт [- число подобия тепловых эквивалентов; Д4- коэффициент интенсивности теплообмена; ЬБ- параметрическое число подобия; Ад- коэффициент интенсивности массообмена.

Критериальное уравнение интенсивности тепломассообмена может быть записано в виде степенной функции:

Кт = АЯехк2 Бт*3 ЬБ*4.

На основе приведенных выше зависимостей разработаны методики расчета тепломассообмена в контактном воздухоохладителе турбокомпрессора.

С целью определения показателей степеней критериального уравнения интенсивности тепломассообмена и проверки адекватности, приведенных выше, теоретических зависимостей, для начальных условий характерных при промежуточном и концевом охлаждении сжатого воздуха в турбокомпрессорах проведены лабораторные исследования.

Лабораторные исследования контактного воздухоохладителя турбокомпрессора выполняются на специально разработанной опытной установке (рисунок).

Сжатый воздух из компрессора подается в воздухонагреватель 1, где доводится до необходимой температуры. Далее поступает в смесительное устройство, включающее трубу Вентури 2 и дистанционные трубы 3, где происходит смешивание с холодной водой подаваемой из бака 11 и ее дробление, далее воздушноводяная смесь поступает в коленный сепара-тор-каплеуловитель 4. Труба Вентури 2 выпол-

нена в виде вставки из текстолита, с диаметром горловины с1г. Все остальные элементы смесительного устройства и сепаратора изготовлены из полиэтилена высокого давления. Такая конструкция обеспечивает высокую точность экспериментов, так как позволяет поместить термопары в потоки сред непосредственно после их разделения. Кроме того, использование неметаллических материалов позволяет существенно снизить потери тепла в окружающую среду, а также значительно уменьшить тепловую инерционность установки. Во влагоотде-лителе 5 происходит окончательное разделение потоков воды и воздуха, причем нагретая вода направляется в сборный бак 16, а охлажденный воздух в измерительный коллектор 7 и далее в атмосферу. Температура воздуха регулируется изменением напряжения на воздухонагревателе лабораторным автотрансформатором. При помощи вентиля 6 поддерживается необходимое рабочее давление воздуха. Вентиль 15 служит для регулирования расхода воздуха. Расход воздуха определяется при помощи измерительного коллектора 7 с расходомерным устройством типа труба Вентури и жидкостным дифференциальным манометром 9. Расход воды подаваемой из бака 11 регулируется игольчатым краном 12.

К параметрам подлежащим регистрации при производстве исследований относятся: перепад давления на расходомерном устройстве hд, давление pe1 и начальная (после воздухонагревателя) температура воздуха ^]_, начальная температура воздуха по мокрому термометру ^, начальная температура воды ^, конечная

Схема лабораторного контактного воздухоохладителя турбокомпрессора

температура воздуха tв2fin, конечная температура воздуха по мокрому термометру t2,oл и конечная температура воды ^2,ол. Объем воды прошедшей через установку в течение опыта Vw, а также продолжительность эксперимента т.

Для измерения температуры воздуха и воды применяются открытые низко-инерционные термопары в специально разработанном корпусе, установленные в потоке, что позволило повысить точность экспериментов и уменьшить продолжительность опыта. Термопары 17 и 19 (см. рисунок) служат для измерения начальной tв1 и конечной tв2y0n температуры воздуха соответственно. Термопары 18 и 20 снабжены батистовым чехлом, предварительно смоченным водой, и служат для измерения температуры воздуха по мокрому термометру начальной t1 и конечной t2,oл соответственно. Термопара 21 измеряет конечную температуру воды ^2уОП. Начальная температура воды в баке 11 определяется ртутным термометром.

Эксперимента проводятся в два этапа. Первый этап экспериментов включает определение исходных данных для расчета показателей степеней критериального уравнения. На втором этапе проводится экспериментальная проверка критериального уравнения интенсивности тепломассообмена и уравнения относительной интенсивности тепломассообмена.

На первом этапе начальное давление воздуха pв1 варьировалось в пределах от 0,2 МПа до 0,75 МПа, начальная температура воздуха te1 - от 50 до 200 °С

Второй этап состоит из трех серий экспериментов. Первая серия экспериментов проводится для определения характеристик установки при давлениях характерных для промежуточного воздухоохладителя №1 (pв1 = 0,23 МПа), для промежуточного воздухоохладителя №2 (pв1 = 0,4 МПа), третья для концевого воздухоохладителя (pв1 = 0,72 МПа). Начальная температура воздуха ^=135 °С, во всех сериях.

Таблица 1

Результаты лабораторных исследований контактного воздухоохладителя

Расход воздуха массовый, б,'103, кг/с Конечная температура воды, °С Конечная температура воздуха, і.г,Л.ь °С Конечное влагосодер-жанпе, *,„„/* 103, кг/кг Число Рейнольдса- Фруда, ИеЛО-8 Критерий тепловых эквивалентов, Вт1 Коэффициент тепломассообмена, Кт

16,5 29,2/29,67 31,0/31,2 12,14/12,1 13,7 2,65 0,297

14,4 28,0/28,51 35,4/35,02 10,28/10,3 12,0 2,89 0,290

11,6 26,8/26,91 36,8/36,99 9,04/9,01 0,96 3,35 0,277

9,47 25,8/25,70 37,8/38,18 8,08/8,05 0,79 3,88 0,246

6,93 24,0/24,24 38,8/39,08 7,0/6,94 0,58 4,93 0,245

Таблица 2

Результаты лабораторных исследований контактного воздухоохладителя

Расход воздуха массовый, Єв'103, кг/с Конечная температура воды, £н<2,оп /^^2, °С Конечная температура воздуха, £е2,0и/£е2, °С Конечное влагосодер- жанпе, ^2,ои/^2'103, кг/кг Число Рейнольдса- Фруда, Иек10-8 Критерий тепловых эквивалентов, Вт1 Коэффициент тепломассообмена, Кт

18,8 31,6/31,83 32,2/32,52 7,30/7,34 46,57 2,71 0,260

16,5 30,0/30,45 33,4/33,83 6,65/6,60 40,94 2,94 0,254

14,4 29,4/29,19 35,0/34,9 6,0/5,91 35,80 3,22 0,247

11,6 27,2/27,45 36,4/36,12 5,05/4,99 28,78 3,76 0,236

9,47 26,4/26,13 37,0/36,78 4,29/4,32 23,50 4,39 0,244

6,93 24,2/24,54 37,4/37,12 3,41/3,55 17,2 5,63 0,207

Таблица 3

Результаты лабораторных исследований контактного воздухоохладителя

Расход воздуха массовый, Єв'103, кг/с Конечная температура воды, /^м’2, °С Конечная температура воздуха, £е2,0и/£е2, °С Конечное влагосодер- жанпе, *,<т/а2-103, кг/кг Число Рейнольдса- Фруда, Иек10-9 Критерий тепловых эквивалентов, Вт1 Коэффициент тепломассообмена, Кт

18,8 30,6/30,37 32,6/32,86 3,51/3,55 17,76 3,52 0,203

16,5 29,0/29,15 33,0/33,4 3,0/3,12 15,62 3,86 0,197

14,4 28,2/28,04 34,2/33,81 3,0/2,75 13,66 4,27 0,190

11,6 26,6/26,50 34,4/34,16 2,28/2,24 10,98 5,07 0,180

9,47 25,6/25,34 34,4/34,23 1,75/1,89 8,96 5,98 0,171

6,93 24,2/23,95 34,0/33,96 1,42/1,49 6,56 7,81 0,156

В пределах каждой серии экспериментов массовый расход воздуха Ge изменяется от 6,93-10-3 до 18,8-10-3 кг/с, расход воды фиксирован. Варьирование длины реактивной зоны смесительного устройства осуществляется изменением количества дистанционных труб 3.

Все эксперименты включают выполнение следующих операций. Включается компрессор. При помощи вентилей 15 и 6 устанавливаются расход и давление воздуха соответственно. На-

чальная температура воздуха регулируется лабораторным автотрансформатором. Игольчатым краном 12 устанавливается расход воды. Открывается кран подачи воды 13 и одновременно включается секундомер. Регистрация показаний дифференциального манометра и потенциометров производится после достижения температурной стабилизации на каждом режиме - определяется по неизменности показаний потенциометров в течение 30 с. Затем

кран подачи воды 13 перекрывается и выключается секундомер. Сливается вода из баков 11 и 16 и определяется ее объем при помощи мерного цилиндра.

Обработка экспериментальных данных, с целью определения показателей степеней при числах подобия в критериальном уравнении (1), проводилась методом наименьших квадратов с помощью специально разработанного алгоритма компьютерной программы.

Использовались данные 140 опытов. Числа подобия изменялись в следующих пределах: комбинированное число Рейнольдса - Фруда Яек = 4,2-107—1,3-1010; критерий тепловых эквивалентов Вт\ = 1,5-27,5; параметрическое число подобия ЬБ = 3,2-25,3.

Полученная зависимость имеет вид

Кт = 3,9Яе ~0Л Бт ~0’45 ЬБ _0’01. к 1

Как видно из величины показателя степени критерия подобия ЬБ (х4^0), коэффициент тепломассообмена Кт практически автомоделей относительно ЬБ, поэтому окончательно принимаем:

Кт = 4,03Яе :0Д Бт ~0,45. к 1

При проверке критериального уравнения интенсивности тепломассообмена и уравнения относительной интенсивности тепломассообмена расчетные значения, конечной температуры воды ^2, конечной температура воздуха te2 и конечного влагосодержания воздуха С2, сравнивались с данными, полученными

экспериментальным путем. Результаты

экспериментов приведены в табл. 1-3.

При проверке уравнения относительной интенсивности тепломассообмена среднее отклонение опытных и расчетных данных не превышает 5,3 при доверительной вероятности 0,98. При проверке уравнения интенсивности тепломассообмена среднее отклонение расчетных и опытных данных для всего диапазона С2 и te2 составляет 5 %; максимальное не превышает 10 %.

Таким образом, в результате проведенных исследований определены зависимости для расчета тепломассообмена в контактных воздухоохладителях турбокомпрессора. Проведена их экспериментальная проверка. Разработаны методики расчета контактных воздухоохладителей.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Замыцкий О.В. Анализ способов охлаждения при производстве сжатого воздуха для горных машин // Горный информационно-аналитический бюллетень. - М: МГГУ. - 2001. №10. - С.67-70.

2. Андреев Е.А. Расчет тепло- и массообмена в

контактных аппаратах.-Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд., 1985.-192 с.

— Коротко об авторах ----------------------------------------------------------------

Замыцкий Олег Владимирович - доцент, кандидат технических наук, Криворожский технический университет.