Гидродинамический расчет барботажного устройства

Неотъемлемым элементом большинства современных кон­струкций деаэраторов является непроваль­ное барботажное устройство.

Эффективная, устойчивая работа непровальной барботажной тарелки имеет место при отсутствии провала жидкости через отверстия в ней. Режим работы тарелки в этом случае опреде­ляется скоростью пара в ее отверстиях. При незначительных ско­ростях пара вода полностью проваливается через отверстия тарелки и на ней отсутствует слои жидкости.

Увеличение скорости пара приводит к появлению слоя жидко­сти на тарелке; при этом через часть отверстий проходит пар, через другие отверстия протекает жидкость. Полное прекращение про­вала жидкости наступает при определенной скорости пара в от­верстиях (называемой минимально необходимой), когда под листом образуется устойчивая паровая подушка.

Определение ми­нимально необходимой скорости пара рекомендуется производить по формуле

, (4.29)

где - коэффициент поверхностного натяжения системы вода - пар, кг/м; - удельный вес воды в барботажном устройстве, кгс/м³; - удельный вес пара в паровой подушке барботажного уст­ройства, кгс/м³; d₀ — диаметр отверстий или ширина щелей в барботажном ли­сте, м.

Расчетная минимальная скорость пара в отверстиях (или щелях) барботажного листа принимается в зависимости от длины листа и его геометрии .

Для практических расчетов минимальную расчетную скорость пара в отверстиях барботажного листа можно определять по эмпирической формуле

(4.30)

Живое сечение для прохода пара в барботажном листе определяется по формуле

, (4.31)

где - удельный объем пара в паровой подушке барботажного устройства, м³/кг.

Диаметр отверстий на барботажном листе рекомендуется при­нимать равным 5—8 мм, а ширину щелей 3—4 мм. Число отверстий (щелей) на барботажном листе будет

, (4.32)

где - площадь единичного отверстия или щели на листе, м².

Далее производится разметка расположения отверстий или ще­лей на рабочей части листа.

Шаг отверстий в ряду принимается равным .

Число отверстий в одном ряду

. (4.33)

Число рядов отверстий

. (4.34)

Рабочая длина листа

, (4.35)

где s₂ - шаг между рядами отверстий (или щелями), принимае­мый равным 0,050—0,100 м.

Площадь листа

(4.36)

При несовпадении расчетной площади барботажного листа с предварительно принятой ее величиной, равной 1 м², проводится уточнение величины расхода пара на барботажное устройство.

Таким образом, расчет барботажного уст­ройства проводятся методом последовательного приближения[38].

Расчет высоты паровой подушки под листом

Для обеспечения равномерной раздачи пара через отвер­стия или щели барботажного листа необходимо обеспечить под ним устойчивую паровую подушку. Высоту подушки рекомендуется иметь не менее 40—45 мм при длине листа 600—800 мм и не менее 50 мм при длине листа более 800 мм. Высота паровой подушки приближенно может определяться по формуле

, (4.37)

где w_п - скорость пара в отверстиях барботажного листа.

Для практических расчетов первым слагаемым в формуле (4.37) можно пренебречь ввиду его малой величины.

Для щелевого листа вместо диаметра отверстия d₀ следует в формулу (4.37) подставлять ширину щели. Коэффициент местного сопротивления принимается в формуле (4.37) равным 1,9—2,0 для отверстий диаметром до 8 мм и равным 1,5 для щелей шири­ной 3 мм.

Паровая подушка должна обеспечиваться при всех режимах работы деаэратора. В связи с этим барботажный лист рекомен­дуется секционировать со стороны паровой подушки одной или двумя перегородками, расположенными перпендикулярно направ­лению движения воды над листом, что повышает равномерность работы листа при малых нагрузках деаэратора. Минимальный рас­ход пара на барботажное устройство не должен превышать мини­мально необходимый расход пара на деаэратор.

В связи со значительным изменением расхода пара на деаэра­тор при изменении режима его работы рекомендуется часть пара перепускать в обвод барботажного листа. Количе­ство перепускаемого пара может меняться в пределах 30—70%. Коэффициент местного сопротивления перепускного устройства за­висит от его конструкции и геометрии и составляет от 4,5 , до 13,2 .

Рекомендации по выбору размеров элементов барботажно­го устройства ЦКТИ в баке.

Барботажное устройство состоит из канала, приемной па­ровой камеры и подъемной шахты.

Барботажный канал представляет собой прямоугольную камеру шириной а, высотой b и длиной l. Внутри канала для жесткости всего устройства устанавливаются вертикальные перегородки. Размер а должен выбираться в зависимости от диаметра бака. Расстояние от нижней образующей бака до барботажного листа не должно быть более 150—200 мм, так как увеличение его приводит к заметному сокращению полезного объема бака. В слу­чае невозможности выполнения этого требования устанавливаются два барботажных устройства, включаемых параллельно и устанав­ливаемых в противоположных торцах бака-аккумулятора. Элементы барботажного канала следует изготовлять из корро­зионно-стойкого материала.

Рекомендуется принимать следующие основные конструктивные размеры барботажного устройства: высота паровой камеры – 150-200 мм; расстояние между перегородками - 100-150 мм; высота вертикальной перегородки шахты – на 150 мм выше верхнего уровня воды в баке; высота циркуляционной перегородки шахты – до оси бака; расстояние от конца барботажного канала до циркуляционной перегородки – 700 мм; расстояние от циркуляционной перегородки до оси всасывающего патрубка – 500 мм.

Живое сечение на входе воды в барботажный канал составляет

, (4.38)

где а – ширина канала, м; b - высота канала, принимаемая равной 0,150—0,250 м; - расход воды через барботажный канал, кг/ч; - скорость воды во входном сечении канала, принимаемая равной 0,10—0,25 м/с.

При помощи формулы (4.38) находят ширину канала а[39].

Расчет дегазации

Исследование непровальных барботажных листов пока­зало, что при пенном режиме на них процесс дегазации воды про­исходит за счет двух факторов: увлечения газовых пузырьков по­током пара и турбулентной диффузии.

При подогреве воды на барботажном листе более чем на 4—5 °С (до температуры насыщения) не происходит достаточного разви­тия пенного слоя. При этом интенсивность процесса дегазации резко падает. Температура воды, поступающей на барботажный лист, должна отличаться от температуры насыщения на величину не более 4—5 °С.

Одной из основных характеристик, определяющих эффект дега­зации на непровальной барботажной тарелке, является динамиче­ский напор водяного пара в рабочем сечении барботажного листа (рис. 4.10).

Из рис.3.6 видно, что увеличение эффекта дегазации происхо­дит до определенных значений величины динамического напора потока водяного пара. Оптимальными значениями можно считать: для кислорода =95^.10^-3 кгс/м², для свободной углекисло­ты =115^.10^-3 кгс/м².

Дальнейшее увеличение динамического напора потока пара практически не влияет на процесс дегазации. При указанных значениях динамического напора достигаются максимально воз­можная в данных условиях турбулизация двухфазной системы и максимальная поверхность контакта фаз, что хорошо согласует с экспериментальными данными (рис.4.11), на котором представлена зависимость газосодержания барботажного слоя от динамического напора парового потока.

Рис. 4.10. Зависимость газосодержания барботажного слоя

от динамического напора водяного пара

Рис. 4.11. Удаление свободной углекислоты и кислорода на барботажном листе

в зависимости от динамического напора пара:1 – свободная углекислота; 2 кислород; с_н и с_к – концентрации кислорода и свободной углекислоты в воде при входе и выходе с барботажного листа при давлении в деаэраторе 0,05-0,5 кгс/см²

Предельные значения величины динамического напора пара соответствуют наибольшему развитию поверхности контакта в данных условиях, так как развитие поверхности контакта прямо пропорционально газосодержанию двухфазного слоя. Это качественно и количественно подтверждается при сравнении рис. 3.6 и 3.7. При превышении оптимального значения величина газосодержания и эффект дегазации становятся автомодельными по отношению к динамическому напору пара.

Повышение начальной концентрации газа в воде при постоянном значении ведет к росту конечной концентрации газа а кислород удаляется интенсивнее свободной углекислоты. Последнее объясняется различной растворимостью этих газов в воде, при этом интенсивность дегазации обратно пропорциональна растворимости газа в воде[40].

Для расчета процесса массопередачи на непровальных барботажных листах под вакуумом рекомендуются следующие критериальные уравнения:

для кислорода

, (4.38)

для свободной углекислоты

, (4.39)

где М — критерий Маргулиса,

, (4.40)

La — критерий Лапласа.

Здесь К — коэффициент массопередачи; w_ж — скорость течения жидкости по барботажному листу, м/с.

, (4.41)

где w_п — скорость пара в рабочем сечении барботажного ли­ста, м/с; - плотность пара, соответствующая давлению под барботажным листом, кгс • с²/м⁴; ; d₀ — ширина щели или диаметр отверстия на барботажном листе, м; рекомендуется принимать для щелей 0,003-0,005 м, для отверстий 0,005—0,008 м.

Формулы (4.40) и (4.41) действительны в диапазоне изменения критерия Лапласа для кислорода от 1 • 10^-3 до 40 • 10^-3, для сво­бодной углекислоты от 1,8 • 10^-3 до 60 • 10^-3.

Формулы (4.40) и (4.41) описывают процесс дегазации воды до оптимальных значений динамического напора пара.

Коэффициент массопередачи в этих уравнениях определяется из выражения

, (4.42)

где G_г - количество удаляемого газа, кг/ч; F — рабочая площадь барботажного листа, м²; С_ср — средняя движущая сила процесса массопередачи при перекрестном токе, кг/м³, определяемая по формуле

. (4.43)

Здесь с_н и с_к — концентрации кислорода или свободной углекис­лоты в воде при входе и выходе с барботажного листа, кг/м³; с_н.р и с_к.р — концентрации удаляемого газа в жидкости, равно­весные с начальной концентрацией газа и с кон­центрацией газа, покидающего барботажный лист, кг/м³; так как расход пара, покидающего барбо­тажный лист, значительно превосходит расход вы­делившихся газов, то с_н.р и с_к.р оказы­ваются практически равными нулю и ими можно пренебречь. Скорость течения жидкости по барботажному листу опреде­ляется по формуле

, (4.44)

где i — интенсивность потока жидкости, м³/(м^.ч); - высота динамического слоя жидкости, который остался бы на барботажном листе после разрушения двухфазного потока, м.

, (4.45)

где а — длина переливного порога, м.

В диапазоне изменения от 15 • 10^-3 до 150 • 10^-3 кгс/м² вы­соту динамического слоя жидкости рекомендуется определять по формулам:

, (4.46)

, (4.47)

где — высота слоя жидкости на листе при отсутствии барботажа, м; — высота переливного порога, м.

На основе формул (4.42) и (4.43) рекомендуются формулы для определения коэффициентов массопередачи:

для кислорода

, (4.48)

для свободной углекислоты

. (4.49)

Выше приведенные методики расчета являются основными при проектировании термических деаэраторов[41].