Research of the mass transfer in a gas phase during vapor condensation with incondensable component

Full Text

Известно, что процесс конденсации паров из многокомпонентной смеси в присутствии даже незначительного количества неконденсируемого компонента (инерта) существенно замедляется по причине того, что диффузионное сопротивление процессу массопереноса становится соизмеримым с термическим сопротивлением пленки конденсата [1]. Суммарный перенос тепла в этом случае может быть лимитирован коэффициентом массоотдачи в газовой фазе by. Во фракционирующих конденсаторах с вертикальными контактными решетками (ФКВР) [2] слой неконденсируемого компонента над поверхностью пленки постоянно разрушается за счет удара капель конденсата, позволяя пару достичь поверхности пленки (рис. 1). Более того, в контактной камере за счет распыла конденсата на вертикальной сетке создается холодная капельная межфазная поверхность, доступная для конденсирующегося пара. Зависимость коэффициента массоотдачи в газовой фазе by от гидродинамических параметров на ступени контакта ФКВР ранее изучалась на углеводородных и паровоздушных смесях в работах [3, 4, 5]. Однако при изучении конденсации парогазовых смесей часто используют упрощенный метод оценки степени влияния концентрации неконденсируемого компонента на коэффициент теплоотдачи, тем самым исключая громоздкие вычисления коэффициентов массоотдачи. Для определения влияния диффузионного сопротивления неконденсируемого компонента на коэффициент теплоотдачи была проведена серия из 22 экспериментов по конденсации смеси паров нефраса с азотом. Результаты экспериментов в двухмерной и трехмерной системах координат представлены на рис. 2, 3. Для расчета коэффициентов теплоотдачи для парогазовых смесей aкп+и использовалось уравнение (1), которое было дополнено функцией jи, учитывающей влияние диффузионного сопротивления неконденсируемого компонента на теплоотдачу: , (1) где jи - эмпирическая функция, характеризующая влияние диффузионного сопротивления неконденсируемого компонента на теплоотдачу: ; (2) yи - мольная концентрация неконденсируемого компонента (инерта); jк - эмпирическая функция, характеризующая влияние гидродинамического параметра П1 в зонах со слабовыраженным капельным орошением на теплоотдачу при конденсации [4]: . (3) Рис. 2. Изменение коэффициента теплоотдачи при конденсации смеси паров нефраса с азотом в зависимости от содержания азота Рис. 3. Изменение коэффициента теплоотдачи при конденсации смеси паров нефраса с азотом в зависимости от концентрации азота (yи) и гидродинамического параметра П1 Предложенная функция jи позволила описать весь массив экспериментальных данных со средней ошибкой 10 %. Сравнение расчетных и экспериментальных значений коэффициента теплоотдачи при конденсации нефраса в присутствии азота представлено на рис. 4. Рис. 4. Сравнение расчетных и экспериментальных значений коэффициента теплоотдачи при конденсации паров нефраса в присутствии азота в аппарате ФКВР Рис. 5. Относительное изменение коэффициента теплоотдачи при конденсации парогазовой смеси в зависимости от содержания неконденсируемого компонента: 1 - одиночная горизонтальная труба [1]; 2 - горизонтальный трубный пучок [1]; 3 - ФКВР (водяной пар/воздух); 4 - ФКВР (нефрас/азот) Значения αк при содержании азота более 25 % в большинстве опытов относятся к зоне конвективного теплообмена от парогазовой смеси, и поэтому дисперсия значений в этой области несколько больше, чем в зоне конденсации. Отдельного изучения зоны конвективного теплообмена не проводилось. Зависимость коэффициента теплоотдачи от содержания неконденсируемого компонента, представленная в виде функции jи, приведена на рис. 5. Полученная зависимость также подтверждается результатами серии экспериментов на смеси водяного пара с воздухом [6, 7]. Значения функции jи, полученные в экспериментах на смесях нефрас/азот и водяной пар/воздух, демонстрируют существенно меньшее (в 2-4 раза) влияние диффузионного сопротивления на теплоотдачу при конденсации в аппарате ФКВР по сравнению с горизонтальным трубным пучком и одиночной горизонтальной трубой [1]. Это доказывает перспективность применения данного класса аппаратов для интенсификации процесса конденсации парогазовых смесей.

About the authors

Dmitriy A Kryuchkov

Samara State Technical University

Email: mahp@inbox.ru
(Ph.D. (Techn.)), Associate Professor 244, Molodogvardeyskaya st., Samara, 443100, Russian Federation

Leon G Grigoryan

Samara State Technical University

(Dr. Sci. (Techn.)), Professor 244, Molodogvardeyskaya st., Samara, 443100, Russian Federation

Michail S Lesukhin

Volga NIPITEK Ltd

Email: mcles@yandex.ru
Engineer 52/55, Ulyanovskaya St./Yarmarochnaya St., 11th floor, Room 27, Samara, 443001

References

Supplementary files