Вспомогательное оборудование криогенных установок
Грачев А.Б., Боярский М.Ю., Савинова Н.М.

2. Теплообменники-вымораживатели с удалением примесей вспомогательным потоком

Для обеспечения непрерывной осушки применяются два вымораживателя, попеременно включаемый в работу системой вентилей. В то время как в одном идет вымораживание, другой отогревается, после чего влага, образовавшаяся от таяния льда, удаляется продувкой. На рис. 12 показана схема блока очистки, включающего два вымораживателя, которые выполняют обычно в виде кожухотрубных аппаратов.

Рис. 12. Схема блока осушки с переключающимися трубчатыми вымораживателями.

При очистке воздуха низкого давления он поступает, как правило, в межтрубное пространство, высокого давления – в трубы вымораживателя. Удаление примесей из вымораживателя в рассмотренной схеме можно производить относительно кратковременной продувкой теплообменника при его отогреве. Степень очистки прямого потока при такой схеме определяется температурой прямого потока на выходе из вымораживателя - чем ниже температура выхода, тем меньше примесей в прямом потоке. С другой стороны, при понижении температуры прямого потока увеличиваются потери холода, связанные с периодическим отогреванием одного из аппаратов. В связи с этим осушка воздуха в таких аппаратах производится до концентраций влаги, соответствующих точке росы
не ниже 220 ÷ 225K [18].

В некоторых случаях, например, в блоках разделения воздуха [18] трубчатые вымораживатели применяют для очистки воздуха от двуокиси углерода. При этом необходимо отметить две характерные особенности системы очистки. Во-первых, в вымораживатели подается воздух, предварительно очищенный от влаги, например в регенераторах. Это вызвано тем, что вымораживание основного количества влаги происходит при температурах 273 ÷ 220K, а двуокись углерода - при температурах, меньших 140K (при начальной концентрации 0,03% СО₂ по объему, характерной для атмосферного воздуха). Проведение комплексной очистки от влаги и CO₂ потребовало бы охлаждения вымораживателя до сравнительно низких температур с последующим периодическим отогревом до температуры окружающей среды, что привело бы к большим потерям холода. Во-вторых, очистка воздуха от СО₂ вымораживанием может производиться только при сравнительно низких давлениях. Это связано с тем, что смесь воздуха с двуокисью углерода при высоких давлениях не подчиняется законам поведения идеальных газов. Экспериментальные данные [16] показывают, что для давления 20 мН/м² (200 ата) вымораживание СО₂ из воздуха начинается только при температурах 100K – значительно меньших, чем температура тройной точки СО₂, равная 216,5K. В связи с этим очистка воздуха высокого давления от CO₂ производится не вымораживанием, а адсорбцией или химическим методом, описанным в гл. II, в сочетании с фильтрацией жидкого воздуха от кристаллов СО₂ [16, 18].

При расчете процесса очистки в вымораживателях определяют обычно два показателя: концентрацию примеси в очищенном потоке на выходе из аппарата и время переключения аппаратов. Концентрация примеси в потоке на выходе из аппарата может быть принята равной концентрации насыщенного потока при соответствующей температуре. Это связано с тем, что в аппаратах разность температур между потоком и стенкой не превышает 20° и возможным перенасыщением потока можно пренебречь. Время переключения аппарата определяется количеством примеси, выделившейся на поверхностях теплообмена, и увеличением в связи с этим гидравлического сопротивления. Например, вымораживатели блоков разделения воздуха переключают через 4-5 суток при увеличении их гидравлического сопротивления до 10 кН/м² (1000 мм.вод.ст.).

Для расчета времени переключения t необходимо предварительно определить количество выделившейся примеси и ее объем в каждом сечении аппарата. Трудность определения плотности инея, которая зависит от многих факторов и может изменяться в широких пределах [14, 26], существенно усложняет решение этой задачи. В то же время если предположить, что плотность для каждой из примесей в разных аппаратах различается незначительно для одних и тех же температур, начальных концентраций и гидродинамических режимов, то время переключения вымораживателя можно определить по известным данным для существующих подобных аппаратов. В качестве величины, определяющей время переключения, понимается максимальная удельная нагрузка по инею q_{i max} для каждой из примесей. Под величиной удельной нагрузки по инею q_i понимается массовое количество примеси, выделившееся на единице поверхности в единицу времени

(3-20)

где V_m, p_m – объемный расход и давление прямого (теплого) потока, который очищают от примеси;
p_i', p_i'' - парциальные давления примеси в потоке в начале и в конце поверхности теплообмена; ρ_i – плотность паров примеси.

Для определения времени переключения аппаратов необходимо вначале построить зависимость q_i = q_i (S) , затем определить на основе этой зависимости q_{i max} и, наконец, рассчитать величину t, пользуясь зависимостью

(3-21)

где индексом «0» отмечены известные из опыта эксплуатации величины для подобных аппаратов.

Из уравнения (3-20) следует, что для определения q_i необходимо знать парциальное давление примеси в потоке p_i. Расчет величины p_i при переменной температуре стенки по длине аппарата отличается большой трудоемкостью. В связи с этим на практике [17] часто делят поверхность S теплообменника, определенную предварительно из теплового расчета, на ряд последовательных участков, где можно принять температуру T_w неизменной, и определяют последовательно для каждого из участков p_i' и p_i''. Количество расчетных участков определяется требуемой точностью расчета.

При T_w = idem процессы тепло- и массообмена можно описать системой уравнений:

(3-22)

(3-23)

(3-24)

(3-25)

где α и β - коэффициенты тепло- и массоотдачи. G и V – массовый и объемный расходы, x_m и x_w – концентрация примеси в ядре потока и у стенки. Индексами «m» и «w» отмечены параметры потока и стенки.

Минус в уравнениях (3-23) и (3-25) показывает, что на поверхности dS происходит понижение температуры газа и уменьшение примеси в потоке.

Приравняв уравнения (3-22) и (3-23), после преобразований получим уравнение

(3-26)

Решая это уравнений при граничных условиях: S = 0; T_m = T_m', определим зависимость
T_m = T_m(S):

(3-27)

или

(3-28)

где T_m' и T_m'' - температуры прямого потока на входе и выходе для участка теплообменника с поверхностью S.

Аналогичным образом из (3-24) и (3-25) получим зависимость для

(3-29)

где ρ_m – плотность прямого (очищаемого) потока.

Умножив и разделив показатель степени в уравнении (3-29) на величину и учитывая уравнение (3-27), получим

(3-30)

- коэффициент Льюиса, характеризующий отношение интенсивности тепло- и массообмена. Для развитого турбулентного режима течения воздуха можно принять [17].

Концентрация примеси в потоке может быть выражена через параметры потока и парциальное давление примеси:

(3-31)

тогда из (3-30) и (3-31) определим величину :

(3-32)

Таким образом, определение времени переключения вымораживателя t может быть произведено в следующем порядке.

1. На основе теплового расчета теплообменника-рекуператора [11] строится зависимость
T_w = T_w(l) и T_m = T_m(l) , где l – длина аппарата. При расчете этих зависимостей необходимо учитывать некоторые особенности работы вымораживателей. Так, скорость потока не должна превышать 3 м/c во избежание срыва кристаллов с поверхности теплообмена. Кроме того, надо учитывать влияние высадившегося инея на интенсивность теплообмена. Слой инея создает дополнительное термическое сопротивление при теплообмене. В то же время он несколько интенсифицирует теплообмен из-за увеличения шероховатости поверхности и скорости потока. Определяющим, как показали эксперименты [18], чаще всего бывает первый фактов. В связи с этим в расчетах рекомендуют [18] коэффициент теплоотдачи принимать в два раза меньше по сравнению с величиной, найденной по критериальным зависимостям, не учитывающим вымораживание.

2. Величина l делится на ряд участков, для которых принимается T_w = idem.

3. Определяется координата l₁, для которой температура стенки соответствует точке росы примеси, найденной по табличным данным в зависимости от начального содержания примесей в потоке.

4. Для участка теплообменника l > l1 строятся зависимости p¯_iw = p¯_iw(l) и p_im = p_im(l),
где p¯_i - упругость паров при температурах стенки - T_w и прямого потока - T_m, соответственно.

5. По уравнению (3-32) определяют p_im' = p_im''(l).

6. Рассчитывают по (3-20) удельную нагрузку по инею q_i и определяют q_{i max}.

7. Используя экспериментальные данные, по уравнению (3-21) определяют время переключения вымораживателей t.

8. В тех случаях, когда нет данных о работе подобных аппаратов, можно, пользуясь изложенной методикой, определить объем высадившегося на поверхности инея и, следовательно, увеличение гидравлического сопротивления. Плотность инея можно определить по основе экспериментальных данных, например, приведенных в [26, 27]. Характер зависимостей показан на рис. 13. Основы расчета вымораживателей можно применить и для охлаждаемых ловушек в вакуумных системах. Однако при этом необходимо учитывать специфику теплопереноса и течения газа в вакуумных системах.

Следующая страница: 3.2.3. Теплообменники-вымораживатели с удалением примесей обратным потоком