Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ основных теоретических и экспериментальных исследований тепло- и массообмена и гидродинамики пленочных аппаратов с орошаемой насадкой 13
1.1. Требования, предъявляемые к орошаемым насадкам контактных аппаратов и анализ основных теоретических и экспериментальных исследований тепло- и массообмена 13
1.2. Методы интенсификации процессов тепло- и массообмена и конструктивные особенности регулярных насадок 21
1.3. Особенности тепло- и массоотдачи цилиндрических тел 26
1.4. Течение тонких слоев вязкой жидкости и результаты экспериментальных исследований их гидродинамики при отекании по вертикальной нити.. 28
Глава 2. Исследование аэродинамики гравитационного течения пленки воды по вертикальной нити без обдува ее воздухом 45
2.1. Сравнение удельных поверхностей обмена сухих, смоченных и орошаемых пластины и цилиндра 45
2.2. Определение условного диаметра синтетической комплексной нити 56
2.3. Экспериментальная установка, методика и программа исследований гидродинамики пленки жидкости, гравитационно стекающей по вертикальной нити без обдува ее воздухом 58
2.4. Методика обработки экспериментальных данных 62
2.5. Результаты экспериментальных исследований и их анализ... 63
2.5.1. Визуальные исследования 63
2.5.2. Исследование расходных характеристик кольцевых распределительных щелей переменного сечения с эксцентричным расположением нитей 64
2.5.3. Экспериментальные исследования длины участка устойчивости пленки воды 74
5.4. Обобщение и анализ экспериментальных данных 78
Глава 3. Исследование процессов тепломассообмена и гидравлического сопротивления элементов нитяной насадки 87
3.1. Особенности протекания процесса тепломассообмена между воздухом и водой при их непосредственном контакте 87
3.2. Анализ влияния начальных параметров теплоносителей на интенсивность процесса тепломассообмена между воздухом,и водой и на соотношение Льюиса 91
3.3. Описание экспериментальной установки,элементов нитяной насадки,методики и программы их исследования 96
3.4. Методика обработки экспериментальных данных 100
3.5. Результаты экспериментальных исследований и их анализ 105
3.5.1. Коэффициенты теплоотдачи 105
3.5.2. Коэффициенты массоотдачи 110
3.5.3. Аэродинамическое и гидравлическое сопротивление.. 114
Глава 4. Обобщение результатов исслщований нитяной насадки и сопоставление с другими типами насадок 127
4.1. Обобщение результатов исследований 127
4.1.1. Тепловое и диффузионное число Нуссельта 127
4.1.2. Коэффициент сопротивления трения сухой и орошаемой нитяной насадки 131
4.2. Сравнение тепломассообменных и гидравлических характеристик нитяной насадки с соответствующими характеристиками других типов насадок и одиночных нити и проволоки 137
4.3. Оценка технико-экономических показателей нитяной и сравниваемых с нею других типов насадок 149
Глава 5. Практическое применение полученных результатов исследований 153
5.1. Новые конструкции нитяных насадок для пленочных тепломассообменных аппаратов 153
5.1.1. Вращающаяся нитяная насадка 153
5.1.2. Орошаемая регулярная нитяная насадка с же стким каркасом 155
5.2. Методика расчета пленочного водовоздушного тепломассообменного аппарата с нитяной насадкой 157
5.3. Пленочный воздухоохладитель с нитяной насадкой и результаты испытаний его опытного образца 163
5.4. Предлагаемые конструктивные схемы и области применения пленочных тепло- и массообменных аппаратов с нитяной насадкой 169
Выводи 175
Список основной использованной 177
Приложение 190
- Методы интенсификации процессов тепло- и массообмена и конструктивные особенности регулярных насадок
- Экспериментальная установка, методика и программа исследований гидродинамики пленки жидкости, гравитационно стекающей по вертикальной нити без обдува ее воздухом
- Анализ влияния начальных параметров теплоносителей на интенсивность процесса тепломассообмена между воздухом,и водой и на соотношение Льюиса
- Сравнение тепломассообменных и гидравлических характеристик нитяной насадки с соответствующими характеристиками других типов насадок и одиночных нити и проволоки
Введение к работе
Важное значение в настоящее время придается топливно-энергетической проблеме, включающей в себя наиболее рациональное и вторичное использование энергии в технологических процессах [I, 2]. Затрачиваемая в них энергия расходуется на различные физико-химические превращения и процессы переноса теплоты и массы. От интенсивности происходящих процессов тепло- и массообмена зачастую зависит не только количество потребляемой энергии и экономичность, но и большинство показателей производства: производительность труда и оборудования, качество продукции. Процессы тепло- и массообмена широко распространены в энергетической, пищевой, легкой и других отраслях промышленности. Для их осуществления применяются контактные аппараты.
Одним из устройств такого типа являются пленочные аппараты, тонкие жидкостные слои в которых имеют незначительное термическое и диффузионное сопротивление, причем частицы жидкости активно перемешиваются, вызывая в пленке интенсивный перенос теплоты и вещества. Пленочные аппараты выполняются в виде градирен, воздухоохладителей /скрубберов/, абсорберов, ректификационных колонн, утилизаторов низкопотенциальной теплоты и т.д. Основными элементами этих устройств являются орошаемые поверхности - насадки.
Из всего многообразия применяемых насадок наибольший интерес представляют регулярные /упорядоченные/ насадки, обладающие незначительным гидравлическим сопротивлением, большим свободным проходным сечением при относительно высокой удельной поверхности тепломассообмена /компактностью/.
Распространенные в настоящее время плоскопараллельные насадки различных конструкций, несмотря на известные преимуще-
10 ства, имеют низкие теплотехнические показатели.
Известно, что цилиндрическая форма пограничного слоя предпочтительнее плоской, особенно при обтекании цилиндрических тел малых радиусов [18, 19, 74]. В течение ряда лет в Институте технической теплофизики /ИТТФ/ АН УССР проводился комплекс теоретических и экспериментальных исследований продольно и поперечно обтекаемых цилиндрических тел малых радиусов парогазовым потоком и специфических тепломассообменных процессов такого рода, имеющих место в производстве искусственных, синтетических и натуральных волокон. Разработан ряд методов интенсификации этих процессов и оборудование для их реализации [60, 74]. Указанные исследования позволили выдвинуть идею использования нитей для создания регулярных насадок [118, 119]. Удельная поверхность обмена зависит от геометрических размеров контактирующих элементов: чем они меньше, тем больше удельная поверхность. До настоящего времени были сделаны попытки создания высокоразвитой поверхности тепломассообмена путем размещения нитей в аппарате навалом [83] или в виде сеток [91]. Однако большое гидравлическое сопротивление, низкие значения коэффициентов тепло- и массооб-мена вследствие малых допустимых значений скоростей воздуха /до 1,5 ... 2,0 м/с/ не привели к их широкому практическому использованию. Поэтому поиск и создание новых конструкций нитяных насадок и их исследование являются актуальной задачей.
В связи с вышеизложенным целью данной диссертационной работы являются создание орошаемой регулярной насадки из несоприкасающихся друг с другом нитей, обоснование целесообразности ее применения в пленочных тепломассообменных аппаратах на основе теплотехнических исследований и разработка рекомендаций по выбору ее основных геометрических и режимных параметров на стадии проектирования.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
обосновать целесообразность применения интенсивных поверхностей из тонких цилиндрических тел /нитей/ для повышения эффективности работы пленочных тепломассообменных аппаратов;
получить аналитические зависимости удельных поверхностей обмена пластины и цилиндра от толщины и параметра кривизны неподвижной и стекающей пленки жидкости;
исследовать экспериментально гидродинамику пленки воды, гравитационно стекающей по вертикальной нити без обдува ее воздухом;
получить характеристики и обобщенные зависимости по тепломассообмену и гидравлическому сопротивлению нитяной насадки при продольном обтекании ее воздухом;
сравнить характеристики нитяной насадки с другими типами насадок и оценить их технико-экономические показатели;
разработать новые конструкции нитяных насадок и определить области их применения;
создать методику расчета и конструкцию пленочного водовоз-душного тепломассообменного аппарата с орошаемой нитяной насадкой.
Научная новизна полученных результатов:
впервые реализован метод интенсификации процесса тепломассообмена на основе нитей для создания конструкции орошаемой нитяной насадки пленочных аппаратов;
гидродинамическими исследованиями обоснован выбор типа материала, структуры и геометрических размеров одиночной нити;
впервые получены экспериментальные зависимости для расчета интенсивности процесса тепломассообмена и величины гидравлического сопротивления орошаемой нитяной насадки при продольном
12 омывании ее воздухом;
разработаны новые конструкции нитяных насадок, защищенные авторскими свидетельствами на изобретения.
Практическая ценность проведенных исследований:
подтверждена возможность создания орошаемой насадки из синтетических капроновых комплексных нитей для пленочных аппаратов;
разработана методика теплотехнического конструкторского расчета пленочных водовоздушных аппаратов с орошаемой нитяной насадкой, предложена ее конструкция и способ изготовления;
разработаны, изготовлены, испытаны и внедрены опытно-промышленные образцы пленочных воздухоохладителей предложенной конструкции. Результаты внедрения подтверждены документами, приведенными в приложении к диссертации.
Автор защищает:
метод интенсификации процесса тепломассообмена в пленочных аппаратах, основанный на применении нитей в качестве поверхности обмена;
результаты аналитического сравнения удельных поверхностей обмена сухих, смоченных и орошаемых цилиндра и пластины;
результаты экспериментального исследования течения пленки воды по вертикальной синтетической нити;
установленные кинетические и гидравлические параметры и зависимости для нитяной насадки;
результаты сравнения и технико-экономической оценки различных типов насадок с предлагаемой;
конструкцию орошаемой нитяной насадки и способ ее изготовления;
методику расчета пленочных водовоздушных аппаратов с нитяной насадкой.
ІЗ ГЛАВА І. АНАЛИЗ ОСНОВНЫХ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ТЕПЛО- И МАССООБМЕНА И ГИДРОДИНАМИКИ ПЛЕНОЧНЫХ АППАРАТОВ С ОРОШАЕМОЙ НАСАДКОЙ
І.І. Требования, предъявляемые к орошаемым насадкам контактных аппаратов и анализ основных теоретических и экспериментальных исследований процессов тепло- и массообмена
Взаимодействие между газом и жидкостью лежит в основе многих химико-технологических процессов, таких как ректификация, абсорбция и десорбция, нагревание и охлаждение, испарение и конденсация, химические реакции и др.
Чем больше поверхность контакта взаимодействующих фаз и чем быстрее она обновляется, тем интенсивнее происходит тепло- и массообмен между фазами.
Для осуществления процессов тепло- и массообмена между газом /паром/ и жидкостью применяется ряд контактных устройств, среди которых важное место занимают аппараты с орошаемой насадкой. В этих аппаратах /насадочных колоннах/ жидкость обычно распределяют по поверхности насадочных тел, загруженных регулярно или навалом. Обтекая отдельные элементы насадки, жидкость стекает вниз под действием силы тяжести в виде капель, пленок или струй. Газ движется противотоком снизу вверх, омывая смоченную жидкостью насадку. Простота конструкции насадочных колонн, возможность изготовления их из коррозионно- и термостойких материалов и ряд других преимуществ способствовали их широкому применению в химической и других отраслях промышленности.
Основным недостатком работы обычных колонн является малая эффективность тепло- и массообмена. Попытки повысить эффективность промышленных насадочных колонн путем разработки новых
14 конструкций насадочных тел не были достаточно успешными, так как малая эффективность объясняется, главным образом, неравномерностью распределения жидкости по поверхности насадки, увеличивающейся по мере растекания жидкости с верхних слоев насадки вниз. Эта неравномерность распределения жидкости, наряду с перемешиванием в каждой из фаз, особенно возрастает с увеличением диаметра колонн. В результате уменьшается как общая поверхность контакта фаз, так и движущая сила процессов тепло-и массообмена.
Поэтому усилия ученых разных стран направлены на создание таких насадок для тепломассообменных устройств, которые обеспечивали бы равномерность распределения жидкости в насадочном слое, характеризовались высокой интенсивностью процесса тепломассообмена и обеспечивали максимальную экономию материальных и денежных средств. С этой точки зрения интересными являются результаты, полученные в Институте теплотехники в Чехословакии [109]. Сравнивая различные контактные тепломассообменники по их основным термическим свойствам и свойствам течения /по коэффициенту массообмена и величине потерь давления/, авторы расположили тепломассообменники по степени практической выгодности следующим образом:
пленочные,- с совершенно смачиваемой поверхностью при турбулентном характере течения с противотоком /наиболее выгодные с термической и аэродинамической точек зрения/;
пленочные с перекрестным током;
пластинчатые и решетчатые /промежуточные между пленочными и капельными/;
капельные;
тепломассообменники с насадкой из колец и седел;
барботажные.
В настоящее время пленочные аппараты в основном применяются в качестве градирен [13, 33], воздухоохладителей [105 - 107], абсорберов [80, 88, 89], ректификационных колонн [76].
Основными направлениями совершенствования конструкций насадок являются интенсификация процесса тепломассообмена на границе "пленка - газ" и снижение их гидравлического сопротивления.
Из большого многообразия насадок, применяемых в рассмотренных выше аппаратах, наибольший интерес представляют регулярные насадки, позволяющие наилучшим образом организовать пленочное течение жидкости и получить хорошие аэродинамические характеристики.
При этом материал и тип насадок должны удовлетворять ряду требований:
поскольку d и /Зх ~ V" , а Ар ~ Ц, , высокие
скорости газа нерациональны. Элементы контактных поверхностей, расположенные под углом к потоку газа, приводят к его турбули-зации и, следовательно, к повышению коэффициентов оС и / ; при этом их гидравлическое сопротивление возрастает в значительно большей степени;
толщина контактных элементов должна быть минимальной, так как при этом удельная поверхность обмена и свободное сечение насадки будут наибольшими;
насадка должна хорошо смачиваться для устранения сухих мест, не участвующих в тепломассообмене;
другие требования: механическая прочность, коррозионная устойчивость к рабочей среде, малый удельный вес и невысокая стоимость.
Естественно, что одновременное удовлетворение всем этим требованиям представляет сложную задачу, оптимальное решение которой возможно только при технико-экономическом анализе конкрет-
ных случаев.
Интенсивные исследования регулярных насадок начались в 60-х годах. Появившиеся в литературных источниках сообщения [36,120-125]о положительных результатах при использовании их в технологических процессах привели к испытаниям новых типов насадок [4, 6, 7] и расширению области их применения, в частности, в контактных аппаратах для охлаждения сжатого воздуха установок разделения воздуха методом глубокого охлаждения [80], воздушных теплоиспользующих турбохолодильных машинах [71, 72], системах турбонаддува воздуха судовых двигателей [90] и др.
Регулярные насадки с каналами треугольной, трапециевидной, шестигранной, эллиптической, синусоидальной с замыкающим плоским листом, ромбовидной, квадратной и некоторых других форм обладают, по сравнению с нерегулярными насадками, рядом преимущ-ществ: меньшим гидравлическим сопротивлением при сравнимых скоростях движения газа, значительно большей удельной поверхностью, пленочным характером течения жидкости, малой удельной массой.
В последнее время повышенный интерес исследователей привлекают различные типы регулярных плоскопараллельных насадок, выполненных в виде пластин из того или иного материала /металл, дерево, пластические массы, плотно натянутые полотнища из ткани [80, 82, 89, 103 - 105]. Пленка жидкости в них стекает гравитационно по пластинам вниз, а газ движется вдоль /прямо или проти-воточно/ или поперек пластин.
Плоскопараллельная насадка по сравнению, например, с насадкой из керамических колец 35 х 35 мм при равных удельных поверхностях с близкими размерами каналов /шаг пластин 13 Ю~3 м/ оказывается весьма эффективной, имеет в 100 раз ниже сопротивление и в 15 раз меньшую удельную массу [82J. Однако большая высота насадки /1,0 ... 1,5 м/ и ширина /0,2 ... 0,5 м/ затруд-
17 няют равномерное и полное смачивание поверхности, что значительно снижает эффективность ее работы.
Исследования регулярных насадок различных форм, например, [32, 33, 36] показали, что их аэродинамические и тепломассооб-менные характеристики зависят от геометрической формы поверхностей при равных эквивалентных диаметрах.
Поиски новых геометрических форм базируются на теоретических и экспериментальных исследованиях в области аэродинамики и тепломассообмена. О сложности физических представлений в этих областях говорит многообразие существующих теорий.
Так, пленочная теория, предложенная Льюисом и Уитменом [52, 83] , основана на предположении, что на границе раздела двух фаз существуют неподвижные пленки, каждая из которых прилегает к одной из фаз. На границе пленок достигается фазовое равновесие. Теория допускает, что при некоторых условиях значение сопротивления переходу теплоты и массы в одной из фаз может во много раз отличаться от сопротивления другой, причем меньшим сопротивлением можно пренебречь и рассматривать задачу только для одного пограничного слоя.
Пленочная теория предполагает наличие двух неподвижных пленок и не учитывает гидродинамическое взаимодействие между фазами, что является основным ее недостатком.
Выводом теории является уравнение, записанное для коэффициента массоотдачи в виде
fix - j- /I.I/
или в числах подобия для случая, когда основное сопротивление относится к газовой фазе
A/tfa =/IReRe* Рч" /1.2/
однако запись [\6L и №w в этом случае чисто формальна, так как истинные значения этих величин в двухфазных потоках неизвестны [52, 83].
Уравнение /1.2/ показывает, что коэффициент массоотдачи /Зх зависит от коэффициента диффузии D и от толщины пленки б . Последняя определяется гидродинамическими условиями: чем больше турбулентность фазы, тем меньше б и, следовательно, тем выше
А
Новые идеи в исследовании процесса массопередачи внесены работами Хигби [52, 83]. Согласно его теории проницания /пенетра-ции/, процесс переноса массы рассматривается неустановившимся, причем его скорость принимается такой же, как и при диффузии в неподвижный слой бесконечной глубины, а время контакта фаз невелико. В соответствии с этой моделью коэффициенты массопередачи в жидкую пленку
где Z - время контакта фаз. Из выражения /1.3/ видно, что скорость массопередачи уменьшается с ростом Z .
Теория обновления поверхности Данкверста [52, 83] отбрасывает допущение о пограничных пленках и вместо этого предполагает, что поверхность раздела фаз непрерывно обновляется свежей жидкостью.
Средняя скорость образования новой поверхности не зависит от времени ее существования, а коэффициент массоотдачи представляется зависимостью
J3X =]0S> /1.4/
где S - скорость обновления поверхности /доля поверхности, обновляемая в единицу времени/, выраженная в с .
19 Модель Кишиневского [52] отличается от модели Данкверста тем, что, наряду с коэффициентом молекулярной диффузии JJ , вводится коэффициент турбулентной диффузии 7) , а коэффициент массопередачи определяется из следующего соотношения
Сторонники модели обновления считают ее преимуществом по сравнению с пленочной в том, что время контакта имеет реальный физический смысл, тогда как толщина пленки является фиктивной величиной. Так, в насадочных аппаратах временем контакта можно считать время, за которое жидкость проходит расстояние, равное высоте элемента насадки.
Однако в большинстве случаев время контакта /или скорость обновления в модели Данкверста/ не поддается непосредственному измерению,и для практических целей эта теория, по-видимому, не имеет особых преимуществ перед другими. В работе [52] отмечается несоответствие допущений модели обновления реальной картине переноса массы в турбулентном потоке.
По-видимому, ни Кишиневский, ни Данкверст не учитывали энергетические затраты на перемещение вихрей, которые имеют место на границе раздела фаз и играют важную роль в современных теориях массопередачи, развитых на базе теории обновления поверхности контакта. В дальнейшем Кишиневский [52, 83] пришел к модели кратковременного контакта фаз и установил, что пленочная теория не противоречит теории обновления. В количественном отношении его уравнение также не позволяет определить коэффициент массоотдачи.
Существуют и другие модели процесса массопередачи, рассмотренные в работах [52, 83, 12] и занимающие промежуточное положение между пленочной теорией и теорией обновления поверхности.
20 Общей для них является необходимость получения специальной информации о гидродинамическом характере протекания процессов обмена.
Следующая идея касается развития представлений о свободной турбулентности, то есть движения потока без ограничивающих стен в вязкой среде. Эти представления, разработанные Тейлором для теплообмена жидкости с твердой поверхностью, применены к процессам массопередачи в работах Кафарова [52]. Согласно [52] при свободном движении потоков жидкости /газа/ в среде другой жидкости на поверхности раздела фаз возникает межфазная турбулентность. Вследствие торможения потока образуются пары сил, вращающие слои потоков, что и приводит к образованию вихрей в двухфазном потоке. На границе раздела двухфазного потока будет наблюдаться пересечение изобарических и изотермических поверхностей, приводящее к интенсивному образованию вихрей.
Количественный учет межфазной турбулетности предлагается проводить посредством экспериментальной безразмерной величины f - фактора динамического состояния двухфазной системы
1 m-w
Общая форма уравнения массопередачи принимает вид
Nu^/IReZPxJi+fl /1.7/
Введение этого понятия количественно характеризует гидродинамическое состояние поверхности раздела. В работе [84] введение величины J подвергнуто основательной критике.
В работе [101] рассматривается попытка описать конвективный тепло- и массоперенос путем анализа описывающей процесс системы дифференциальных уравнений. В этом случае вязкий подслой тракту-
21 ется как область течения, прилегающая к межфазной границе, в пределах которой поток импульса, переносимый молекулярной вязкостью, больше, чем поток импульса, переносимый ее турбулентными пульсациями. По этой теории предполагается, что пульсацион-ный компонент скорости в направлении к стенке линейно затухает. Однако значения коэффициентов затухания, полученные рядом авторов, колеблются в широких пределах.
Реальная картина турбулентности в вязком подслое неизмеримо сложнее простейших гидродинамических моделей, предлагаемых в рамках теории "проницания" и "обновления поверхности".
По-видимому, при современном состоянии знаний трудно создать модель, правильно отражающую физические процессы на границе непосредственного контакта фаз и, хотя на базе той или иной теории получены пригодные для практических целей соотношения, основой при определении коэффициентов тепло- и массообмена остается эксперимент.
Физическая сущность совместного тепломассообмена описана в работах Бермана [13, 14]. В работе [НО] подчеркивается взаимное влияние процессов тепло- и массоотдачи, условий движения и свойств взаимодействующих на границе раздела фаз потоков.
1.2. Методы интенсификации процессов тепло- и массообмена и конструктивные особенности регулярных насадок
Несмотря на несовершенство рассмотренных выше моделей, они указывают путь к разработке практических методов интенсификации процессов тепло- и массообмена на подвижной границе раздела фаз. В [12, 52] показано, что для процессов обмена в системе "вода -воздух" применимы пленочная теория и теория турбулентного пограничного слоя. Для данной системы основное термическое и диф-
фузионное сопротивление сосредоточено в газовой фазе [52, 108] и является определяющим. Поэтому суть существующих и вновь разрабатываемых методов сводится к воздействию на газовый /воздушный/ пограничный слой.
Обычно применяемый и все еще распространенный способ увеличения теплосъема /массы/ с поверхности орошаемой насадки путем повышения скорости теплоносителей в ряде случаев оказывается неэффективным /см. I.I/.
Повышение давления газового потока /при фиксированных потерях на гидравлическое сопротивление/ также интенсифицирует теплообмен .
Эффективным методом является применение прерывистых поверхностей, использующих эффект обновления и турбулизации пограничного слоя.
В последние годы получил распространение и такой способ интенсификации тепломассообмена, как уменьшение гидравлического диаметра или повышение компактности насадок. Однако применение каналов очень малого диаметра приводит к появлению ламинарного режима течения и их заполнению жидкостью при орошении.
Поиски рациональных методов интенсификации конвективного тепломассообмена в пленочных аппаратах привели к созданию большого числа типоразмеров регулярных насадок. Их разработке и исследованию посвящено большое количество работ советских и зарубежных ученых.
Насадки изготовляются с помощью штамповки с образованием гладких прямых, непрерывных, волнистых и перфорированных ребер. При изготовлении на них могут наноситься прорези, перемычки между прорезями отгибаются и им придается та или иная форма /прерывистые и чешуйчатые насадки/.
В [III] для повышения интенсивности процесса тепломассооб-
мена и улучшения распределения жидкости по поверхности насадки предлагается ее выполнение из чередующихся плоских и перфорированных листов или из пластин с поперечными прорезями [112J.
Для улучшения контакта фаз и равномерного распределения жидкости по поверхности насадки ее перфорированные пластины снабжаются вертикальными иглами ГІІЗ].
Большое количество работ и изобретений посвящено насадкам, состоящим из гофрированных пластин /листов/. Рассматриваются пластины с вертикальными гофрами, входящими друг в друга и с зеркальным их расположением. При этом в каналах между пластинами образуются чередующиеся по высоте диффузоры и конфузоры [114]. Имеются пластины насадок с горизонтальными гофрами, выступы которых входят во впадины гофр соседних пластин [115, 117], создавая тем самым волнистые каналы.
Для повышения эффективности работы колонн, например, ректификационных, рекомендуется насадка из гофрированных листов с остроконечными серповидной формы выступами [116]. Этому виду поверхностей свойственны, во избежание уноса жидкости, малые скорости газовой среды, большие эквивалентные диаметры, но при этом низкая удельная поверхность тепломассообмена.
В работе [65] проводились исследования капиллярной насадки из мипластового материала с гидравлическим эквивалентным диаметром, равным 3,7 10~3 м.
Определенный интерес представляет работа [70]. Фирмой Эшер-Висс выпускаются пленочные градирни системы Мунтерса, в качестве тепломассообменной поверхности которых используются насадки с капиллярными каналами /диаметром порядка 0,5 ... 1,0«10~3 м/, обладающие большими поверхностями контакта теплоносителей и высокими коэффициентами теплоотдачи, достигающими значений 100... 150 В?/(ыг.1$. Благодаря тонкой ламинарно стекающей пленке воды
возможно принять сравнительно высокие скорости воздуха без уноса капель воды. Сопротивление насадки потоку воздуха невелико и в основном состоит из местных потерь входа и выхода. В такого типа градирнях огромное значение имеет смачиваемость материала насадки водой. В данном конкретном устройстве для изготовления насадки использовалась бумага, пропитанная феноловой смолой.
Основная сложность в создании и эксплуатации пленочных градирен с капиллярными насадками состоит в обеспечении в капиллярных трубках /каналах/ свободного прохода для воздуха, то есть необходимо исключить заполнение водой всего сечения капилляра.
С целью устранения капиллярных сил в каналах насадки было предложено срезать трубки в нижней части под острым углом, при этом высота среза должна быть больше капиллярного уровня.
Малые эквивалентные диаметры можно создать, применив в качестве насадки сетки, которые располагаются в виде шюскопарал-лельной насадки или устанавливаются в колонны в виде рулонов, а также образуются наложением сеток одна на другую /типа фильтра/.
В работе [91] приводятся результаты исследования сеток из плоских капроновых нитей с удельной поверхностью 1600 ... 2700 wr/м3 и эквивалентным диаметром насадки а = /1,5 ... 2,0/ «I0"3m. Сравнение, проводимое, например, с типовой форсуночной камерой, показывает, что применение сеток позволит сократить в два раза объем устройства и расход воды. По сравнению с аппаратом, заполненным кольцами Рашига, толщина слоя насадки уменьшается в 10 ... 15 раз при значительном снижении сопротивления.
Регулярные насадки из тканых или вязаных сеток находят все большее применение для ректификационных аппаратов [99].
В [128] исследовали работу скруббера нового типа с насадкой
25 из большого числа слоев тканой проволочной сетки /диаметр проволоки 0,2 ІСГ3 м/, собранных в пакет и орошаемых раствором в прямотоке с очищаемым газом /отходящими газами печей для получения графит-целлюлозы сульфитным способом/. Насадка при эксплуатации засоряется и может работать только с растворяющимися веществами.
Исследования сетчатой насадки, сплетенной из волнистой проволоки диаметром 0,16*10 м, описаны в работе [129). Показано, что падение напора на одну теоретическую тарелку составляет 0,3 м, тогда как для колец Палля - 0,9 м.
В работе [47] исследовалась эффективность насадки Панченко-ва при ректификации различных химических смесей. Насадка представляет собой тканую из пучка металлических проволок ленту, на которую нанесены гофры в формн шеврона с углом при вершине 120 и которая устанавливается в колонку в виде рулонов. Сравнение исследованной насадки с другими насадками тканевого типа показывает ее хорошую эффективность.
В сетчатых насадках, продуваемых воздухом вдоль сетки /рулонная конструкция/ или поперек ее /внавал/, на коэффициенты тепломассоотдачи не оказывают влияния не только размер нити или проволок, из которых изготовлена сетка, но и эквивалентный диаметр насадки, так как происходит, по-видимому, заполнение ячеек водой.
Как это видно из вышеизложенного, в данном типе насадок не реализуются индивидуальные особенности тел малых геометрических размеров, обладающих высокой интенсивностью в процессах передачи теплоты и массы.
26 1.3. Особенности тепло- и массоотдачи цилиндрических тел
Исследования, проведенные разными авторами в области тепло-и массообмена цилиндрических тел [18 - 20, 43, 60, 61, 73, 74'], показали, что с уменьшением их диаметра коэффициенты тепло- и массообмена увеличиваются. Физическое объяснение происходящего процесса дано сотрудниками ИТТФ АН УССР Боровским и Духненко в работе [18].
\)Х/
Как известно, пограничный слой образуется около поверхности вследствие сил трения, которые возникают при движении потока, и его толщина зависит от величины этих сил. При цилиндрической форме тела и, соответственно, пограничного слоя с удалением от поверхности тела величина сил трения, которые приходятся на единицу поверхности трения, уменьшается в большей степени, чем при обтекании плоскости. Это происходит вследствие увеличения поверхности последующих прослоек пограничного слоя, через их цилиндрическую форму, что обусловливает уменьшение толщины пограничного слоя и, как следствие, интенсификацию теплообмена. В работе [19] получена теоретическая зависимость отношения коэффициентов теплоотдачи цилиндрического тела и пластины от различных параметров кривизны. На рис. І.І приведена эта зависимость. Из этого рисунка следует, что при одинаковых параметрах
U'ос 20 коэффициент теплоотдачи для цилиндрического тела всегда больше, чем для плоской пластины. Возрастание теплоотдачи усиливается с уменьшением диаметра цилиндрического тела, который входит в выражения для параметра, в отличие от других величин, во второй степени.
Таким образом, полученный рост интенсивности процесса теплоотдачи в основном следует отнести за счет особенностей пограничного слоя цилиндрической формы.
9 в 7 6 5
0.1
10 \}x/ г
Рис. I.I. Зависимость отношения коэффициентов теплоотдачи цилиндрического тела и пластины от параметра кривизны [19]
Ввиду того, что поверхность последующих слоев цилиндрического пограничного слоя увеличивается, тепловой поток, приходящийся на единицу поверхности, уменьшается. Это обусловливает более резкое изменение градиента температур в пограничном слое цилиндрической формы по сравнению с плоским слоем. Поэтому с уменьшением радиуса цилиндрического тела градиент температур у его поверхности при прочих равных условиях увеличивается. Следует отметить, что изменение отношения коэффициентов теплоотдачи оС^/оС^ = {(а)* полученное в результате расчетного анализа, подтверждено экспериментально [19]. Так, например, изменение диаметра цилиндрического тела от 0,2*І0~3 м до 0,02« КГ3 м приводит к увеличению коэффициента теплоотдачи примерно в 5,2 раза.
Таким образом, тепломассоотдача цилиндрических тел всегда больше плоских и обусловлена особенностью пограничного слоя цилиндрической формы, которая влияет на его толщину
и, следовательно, на интенсивность тепломассообмена.
1.4. Течение тонких слоев вязкой жидкости и результаты экспериментальных исследований их гидродинамики при отекании по вертикальной нити
Одной из сложных проблем, с которой приходится сталкиваться при создании регулярных насадок для пленочных тепломассообмен-ных аппаратов, является организация устойчивого и равномерного течения тонкого слоя жидкости на поверхности насадки.
Основы теории устойчивости ламинарного течения тонкого- слоя вязкой жидкости, имеющей свободную поверхность, были разработаны П.Л. Капицей [50] , который показал, что при числах Рейнольдса, больших некоторого критического значения, энергетически более выгодным является ламинарно-волновое течение.
Исследование [51] подтвердило это положение, показав, что
29 существует некоторый минимальный расход, при котором на поверхности жидкости возникают волны. При расходах, меньших минимального, волновой режим течения не развивается, причем в этих условиях искусственно созданные волны затухают.
Имеется значительное количество работ, в которых развитие волнообразования на поверхности жидких пленок изучалось экспериментально [23, 24, 26 - 29].
Согласно [51, 69] при гравитационном движении пленки первые волны образуются при а^ = 4...5. Наличие возмущающего воздействия газового потока приводит к уменьшению величины Г\Єп/? [69]. Кинней [132] отмечает, что отнесенный к единице периметра пленки минимальный расход жидкости, при котором возникают волны, не зависит от диаметра трубы и остается примерно постоянным при разных скоростях газового потока. В указанной работе делается также вывод о том, что начало волнообразования совпадает с моментом проникновения поверхности пленки в ту часть газового потока, где силы, обусловленные турбулентностью, больше вязкостных.
Некоторые качественные представления о характере влияния физических констант на величину минимального расхода жидкости в пленке, при котором начинается процесс волнообразования, можно получить из теоретического решения Капицы [50], согласно которому значение Г\Єп/г .определяющее границу возникновения волн, зависит от вязкости и поверхностного натяжения. По данным [85]
пб^ш является функцией только отношения вязкостей жидкости и газа и не зависит от поверхностного натяжения. Последний вывод вызывает определенные сомнения, так как он противоречит представлениям о физике процесса волнообразования [50], а также данным работы Брауэра [127] , который установил, что уменьшение поверхностного натяжения приводит к затуханию волн.
Большое число экспериментальных работ посвящено изучению развитого волнового движения [23, 38, 54]. Установлено, что в общем случае интенсивность волнообразования зависит от физических констант и расходов /чисел Рейнольдса/ жидкой и газовой фаз.
При свободном стекании пленки под действием одних сил тяжести определяющую роль в образований волн играет безразмерный расход жидкой фазы /число Рейнольдса пленки/. Как уже отмечалось выше, в этом случае первые волны, синусоидальные по форме, появляются при п6пл =4 ... 5 [50, 127]. С ростом пвпл амплитуда и частота волн увеличиваются, а периодичность их движения нарушается. Уже при л Q = 180 ... 200 вся поверхность пленки покрыта сплошной волновой сеткой [31, 102]. Увеличение числа Рейнольдса пленки сопровождается усилением взаимодействия между волнами. Возникают крупные одиночные волны, которые начинают двигать перед собою серию волн меньшей амплитуды [51, 132]. Согласно [132], образование крупных одиночных волн при свободном стекании пленки сопровождается уносом капель. Редкий срыв отдельных капель с гребней волн в нижней части длинного рабочего участка / L = 19 м/ начинается уже при п впЛ - 1300 ... 1500. С увеличением п6пл интенсивность такого срыва возрастает, а граница его возникновения смещается ближе к входному участку вертикального канала. Отсюда следует, что волновой характер стекающей пленки жидкости весьма разнообразен. В общем случае /при достаточно высоких числах /ГВпл / граница раздела фаз покрыта трехмерными волнами различной формы, амплитуды и частоты.
Наличие встречного или попутного газового потока, взаимодействующего с поверхностью жидкости, еще более усложняет картину течения, поскольку в этих условиях характер и интенсивность вол-
нообразования, помимо Нбпй , зависит также и от f\6L . Согласно данным [20] при вынужденном движении пленки наблюдается шесть разновидностей состояния волновой поверхности. Вместе с тем, имеющийся в литературных источниках [23, 24] материал показывает, что в качественном плане вид волновой поверхности, возмущенной газовым потоком, близок к тому, который имеет место при свободном отекании пленки. По-видимому, в этом случае, так же как и при рассмотрении свободного движения пленки [51] , можно ограничиться в первом приближении двухслойной моделью волнового течения, выделив два основных типа возмущений [50, 55]: мелкомасштабную рябь с длиной волны порядка десяти толщин пленки и длинноволновые возмущения с большей амплитудой волны.
Своеобразный узор мелких волн на пленке, движущейся навстречу газовому потоку [66], очень близок к той картине, которая наблюдается при свободном отекании тонких слоев жидкости в гравитационном поле [51]. Хотя волны ряби имеют непериодический характер, но форма их близка к синусоидальной и амплитуды сравнительно невелики. Длина этих волн с увеличением скорости газовой фазы несколько уменьшается и слабо зависит от расхода жидкости [55] . С ростом скорости газовой фазы волны ряби приобретают характерный трехмерный вид, на фотографии напоминающий булыжную мостовую [103].
При расходах жидкости, превышающих некоторый вполне определенный для данной скорости газа предел, на поверхности пленки появляются длинноволновые возмущения с большой амплитудой, так называемые катящиеся или возмущающие волны. Б отличие от мелкомасштабных возмущений, катящиеся волны имеют форму колец, занимающих весь периметр канала [63]. Профиль катящейся волны значительно отличается от правильной синусоидальной формы [63] -волна имеет крутой фронт и пологий скат. Детальное изучение
фотоснимков движения пленки при дисперсно-кольцевом режиме течения показало, что срыв капель жидкости и унос их в ядро потока происходит только с гребней возглущающих волн [63, 132]. Было установлено также, что чем больше расход жидкости в пленке пре-
'1 пред ' , тем выше амплитуда возмущающих волн и тем интенсивнее осуществляется срыв капель с их поверхности [79]. Некоторые соображения о вероятном механизме дробления гребней возмущающих волн излагаются в [132].
Как известно, основным параметром, характеризующим работу пленочного аппарата, является толщина текущего слоя жидкости. Расчетное и экспериментальное определение этой величины вызывает значительные трудности вследствие гидродинамически сложного состояния поверхности пленки.
Точное аналитическое решение, позволяющее вычислить толщину пленки при свободном отекании, получено только для случая ламинарного движения вязкой жидкости с невозмущенной волнами поверхностью. В этом случае, согласно Нуссельту [93], связь между толщиной пленки и расходом жидкости может быть записана в следующем виде
Однако этот вид течения имеет место только при /1^4 4...5. При более высоких числах Рейнольдса на поверхности ламинарного слоя жидкости, как отмечалось выше, образуются волны. Это приводит к появлению в жидкости градиента давления, воздействие которого на характер течения пленки решение Нуссельта не учитывает.
Приближенный метод расчета и при ламинарно-волновом режиме движения пленки под воздействием сил тяжести был впервые
33 разработан П.Л. Капицей [50] и в дальнейшем усовершенствован В.Г. Левичем [64] и другими. Согласно [50], средняя толщина ламинарного слоя жидкости, поверхность которого покрыта двумерными синусоидальными волнами, примерно на 7 % меньше, чем это следует из уравнения /1.8/, справедливого для чисто ламинарного режима течения, то есть в этом случае
^=М&*. /1.9/
Наличие такой сравнительно небольшой разницы между толщинами пленок, рассчитанными по уравнениям /1.8/ и /1.9/, объясняет причину удовлетворительного согласования результатов многочисленных экспериментальных работ [25, 46, 64, 76], в которых изучалась и при ламинарно-волновом режиме течения.
Переход от ламинарно-волнового к турбулентному режиму движения пленки происходит при 1*&пл ~ 400« В литературных источниках [21, 30] при определении средней толщины свободно стекающей пленки используются приближенные методы расчета турбу-летного пограничного слоя, разработанные для однофазной жидкости. В частности, предполагается, что распределение скоростей внутри турбулентной пленки жидкости подчиняется степенному закону [30]. Такой подход позволил получить зависимость
устанавливающую связь между безразмерной толщиной и числом Рей-нольдса при турбулентном отекании пленки.
Работы, в которых анализировалось бы турбулентное движение пленки с учетом волнообразования на границе раздела фаз, нами не обнаружены. Однако, поскольку опытные данные, полученные при
34 Нбпл > 500, вполне удовлетворительно согласуются с результатами расчета по уравнению /1.8/, это позволяет сделать вывод о том, что наличие волн не очень сильно воздействует на осредненную во времени толщину пленки жидкости.
Примечателен также тот факт, что полученная аналитически зависимость /1.9/ весьма близка по своему численному значению к эмпирическим формулам Л.Я. Живайкина и Б.П. Волгина [41]
fy*=Q308/?e*
/І.И/
Брауэра [127]
ІЗІ3 - к Res/'5
ук -кпепл,
И. И. Чернобыльского и Е.Г. Воронцова [104] B.C. Тимофеева [95]
!< =0.309 Ret
/I.I2/
/I.I3/
/I.I4/
Приведение показателей при числах Re., к одному знамена-
п 25/60 телю дает соответственно следующие результаты: Ганчев- п6„„ ,
Л 35/60 Q 32/60
Живайкин - 1\6 пй , Брауэр - пЄ , Чернобыльский
/ТЄпл , Тимофеев - ft Є л » то есть имеет место почти
полное согласование теории и эксперимента.
Результаты теоретических выкладок Б.Г. Ганичева [27] позволяют оценить характер зависимости толщины свободно стекающей пленки от кинематической вязкости жидкости при ламинарном и тур-
булентном режимах ее движения.
Действительно, из /I.II/ и /I.I4/ О -V , О ~ V , то есть влияние вязкости на величину средней толщины пленки при ламинарном режиме течения существенно сильнее, чем при турбулентном.
Экспериментальные исследования толщины пристенного жидкостного слоя при движении двухфазного потока в каналах круглой формы проводились преимущественно на системе вода - воздух [26-28]. Анализ опубликованного материала показал, что количественное сопоставление полученных опытных данных провести весьма затруднительно из-за различной методики проведения эксперимента, а также в связи с тем, что большинство авторов не фиксировали границу перехода от кольцевого режима течения к дисперсно-кольцевому.
В связи с этим представляется целесообразным первоначально изложить основные качественные представления о характере зависимости средней толщины пленки от режимных параметров и физических констант двухфазного потока.
Установлено, что при движении пленки в горизонтальной плоскости б для досрывных режимов течения зависит от расхода жидкости и газа, а в наклонных и вертикальных каналах - от направления движения фаз. В последнем случае различают: а/ нисходящее спутное движение жидкости и газа; б/ нисходящее течение жидкости при подъемном /противоточном/ движении газа; в/ подъемное спутное движение жидкости и газа.
При нисходящем спутном течении трение газа о поверхность жидкости увеличивает скорость движения пленки. В этих условиях увеличение скорости газа приводит к утончению пленки [68].
Более сложный характер зависимости и от VL наблюдается при противоточном движении жидкости и газа в вертикаль-
36 ных трубах. В области малых скоростей легкой фазы восходящий поток газа тормозит отекание жидкой пленки и увеличивает ее толщину [40]. Этот процесс идет до тех пор, пока не возникнет обратное /подъемное/ движение наружных слоев жидкости, что приводит к потере устойчивости, "захлебыванию" канала и в конечном счете к возникновению прямоточного восходящего движения.
Сравнение опытных данных по средним толщинам пленок [68] , полученных при одной и той же скорости в трубах разного диаметра, показало, что диаметр трубы заметно влияет на среднюю толщину пленки [68]. Однако окончательный вывод по этому вопросу сделать затруднительно, так как в работе [68] не указано, какой режим течения пленки /кольцевой или дисперсно-кольцевой/ имел место во время измерения толщины пристенного слоя.
Теория движения тонких слоев вязкой жидкости находится пока в начальной стадии развития [103]. Вместе с тем, уже в настоящее время аналитически полученные зависимости позволяют сделать ряд качественных, а в некоторых случаях и количественных выводов.
Для ламинарного течения вязкой жидкости с невозмущенной поверхностью аналитическая зависимость
связывающая расход жидкости Ьгпл и толщину пленки и с градиентом давления ир/с/х и величиной касательного напряжения на границе раздела фаз Z0 , впервые была получена П.А. Семеновым [86]. Отмечается [87], что, несмотря на отсутствие учета волнового характера движения жидкости, соотношение /I.I5/ удовлетворительно описывает опытные данные при малых толщинах пленки / и <С 0,15 10~3 м/.
Рекомендации по расчету и при ламинарно-волновом тече-
37 ний тонкого слоя вязкой жидкости, взаимодеиствущего с потоком газа, были получены П.Л. Капицей [50]
3і = 0,27&(Ч- v-JG: -Ш/о Gm . /і.іб/
Результаты последних теоретических работ А.А. Точигина [96, 97] показывают, что, несмотря на наличие ряда серьезных допущений, теория ламинарно-волнового движения дает в отдельных случаях неплохое количественное согласование с экспериментом. Однако окончательный вывод по этому вопросу в настоящее время сделать затруднительно, так как в [96] сопоставление было проведено только для узкого диапазона режимных параметров.
Теория турбулентно-волнового движения пленки вязкой жидкости, взаимодействующей на поверхности раздела фаз с потоком газа, еще не разработана [103]. В этих условиях для расчета средней толщины пристенной жидкостной пленки обычно используют теоретический аппарат однофазного турбулентного пограничного слоя [62, 134]. Начало этому направлению положили работы Даклера [130, 131], который предложил, что пленка жидкости, взаимодействующая с газовым потоком, ведет себя аналогично пристенному слою той же толщины в однофазном потоке. Такой подход позволил установить следующую связь между толщиной пленки и числом Рейнольдса для турбулентного режима ее течения
Rem =55 + +2,55+ln6+- 6k, /Li?/
где и = Ух и/у - безразмерная толщина пленки; ^x-V%T/pL-скорость касательных напряжений.
Некоторые авторы [63, 133] полагают, что для очень тонких пленок с целью упрощения расчетов можно использовать линейный
38 профиль скоростей жидкости по их толщине. В этом случае безразмерная средняя толщина пленки может быть определена из уравнения
Изложенная выше методика расчета толщины пленок с помощью уравнений /1.10/ и /I.II/ обладает тем недостатком, что не учитывает воздействия волнообразования на границе раздела фаз на характер движения пристенного жидкостного слоя.
Таким образом, в настоящее время в литературных источниках накоплено большое количество разнородной информации о волновом течении вязкой жидкости. Эти материалы необходимы для создания надежных рекомендаций по тепловому и гидравлическому расчету пленочных аппаратов, работающих на двухфазных потоках.
Наиболее подходящими тонкими цилиндрическими телами для организации на них пленочного течения жидкости являются многожильные нити [78], которые изготовляются из текстильных или других многоволокнистых /многофиламентных/ нитей путем наложения друг на друга, свивки, скрутки и т.д.
Число переменных, влияющих на пленочное течение жидкости и его характеристики, достаточно велико. К ним относятся, например: род материала, из которого состоит нить; число составляющих нитей и способ их кручения /свивки/; диаметр нити; вид обработки, которой подвергаются нити; степень натяжения; угол наклона нити по отношению к вертикальной оси; различные перераспределители жидкости, установленные по длине нити; пространственное расположение нитей в пучке.
Рассмотрим и проанализируем основные из них.
I. Материал нитей. Очевидно, что при выборе многожильных нитей необходимо иметь ввиду требования смачиваемости и стойкости к обрабатываемым жидкостям. Нити должны быть нейтральны по от-
ношению к жидкостям, с которыми они вступают в контакт. При их выборе необходимо учитывать механические, физические и химические свойства материала нити.
Нити разделяются на два класса [81, 98]: натуральные и искусственные. К первому классу относятся волокна природные растительного, животного и минерального происхождения. Искусственные нити разделяются на три основных вида:
искусственные нити, получаемые путем переработки природных органических полимеров и их производных /эфиров целлюлозы, гидрат-целлюлозы, белков и т.п./;
синтетические нити из различных синтетических полимеров /полиамидные, полиэфирные, полипропиленовые и т.п./;
неорганические минеральные нити /асбестовые
и стеклянные нити/.
Искусственные и особенно синтетические нити не являются суррогатами природных текстильных нитей. Для различных целей и, в частности, для создания нитяных насадок, эти нити являются не только полноценным материалом, но и обладают более подходящими, по сравнению с природными нитями, свойствами.
При получении искусственных нитей из природных высокомолекулярных соединений большое изменение свойств тех или иных соединений невозможно, так как химическая природа исходного полимера и, в частности, характер связи между элементарными звеньями в макромолекуле не могут быть существенно изменены.
При синтезе высокомолекулярных соединений из мономеров принципиально возможно, изменяя характер мономера и условия синтеза, получить соединения различного состава и, следовательно, изменить свойства полимера и получаемых из него изделий в требуемом направлении.
В связи с этим становится вполне реальной возможность полу-
чения нитей с новыми, заранее заданными свойствами.
Поэтому эти нити имеют наибольшее значение при создании нитяной насадки. Особенно перспективны полиамидные нити /капрон/.
Нити, также могут быть выполнены из металлической проволоки, включая платину, золото, никелевые сплавы, нержавеющую сталь и другие. Эти нити /провода/ могут быть различного сечения. Комплексные /многожильные/ нити могут состоять из одного или более компонентов, различных по составу.
2. Структура нитей. По своей структуре нити бывают одножильные и многожильные. Многожильная нить, крученая или свитая, имеет ряд особенностей, влияющих на характер пленочного течения вдоль ее поверхности. Применение нити такой структуры особенно необходимо [78] для предотвращения разрыва и диспергирования жидкостного слоя /пленки/, которые возникают в результате высокой скорости вращения пленки. По мнению заявителя патента, этого можно достигнуть добавлением к основной нити одной или нескольких стабилизирующих. Их добавление к основной нити /состоящей из большого числа волокон, скрученных между собой или параллельных/ путем скрутки или свивки противостоит тенденции быстрого вращения жидкостного слоя /пленки/ и его /ее/ диспергированию в виде капелек жидкости. Сами стабилизирующие нити могут быть любыми по типу, составу, структуре; они могут иметь параллельные или непараллельные волокна; могут отличаться от тех, которые используются как основные; могут быть стегаными или ткаными; могут быть подвергнуты некоторой механической, физической, химической или другой обработке. Стабилизирующие нити могут состоять из сплошных нитей или резаных и скрученных. Их можно добавлять любым способом к основным нитям, независимо от того, как они изготовлены. Они могут просто накладываться друг на друга или перекручиваться. Это кручение может иметь любую величину в зависимо-
сти от того, на какой длине надо погасить вращение пленки. Конечно, если приданный шаг винта слишком мал, будет получена новая крученая нить, действующая как основная с вышеупомянутыми недостатками.
Кручение основной или стабилизирующей нити рекомендуется проводить [78] между 0 и 100 поворотами на метр и предпочтительно в диапазоне между 0 и 25 поворотами на метр.
Натяжение нити. Нити в насадке могут первоначально находиться под натяжением или без него и, соответственно, могут быть подтянуты или ослаблены. При этом режим течения пленки регулируется с помощью ослабления или натяжения нитей. Очевидно, что если применяемые жидкости оказывают сокращающее влияние на нити, необходимо их устанавливать в аппарате в слабом состоянии, принимая во внимание степень ожидаемого сжатия. С другой стороны, если жидкости способствуют растягиванию нити, последние должны быть предварительно подтянуты с помощью грузов или других устройств. Натяжение нити можно увеличить, если воздействие газового потока таково, что приводит к ее залипанню с рядом стоящей нитью. Предпочтительным является натянутое состояние нити. Если условия подачи жидкости на каждую из нитей и их натяжения идентичны, диаметр и скорость пленки практически одинаковы на всех нитях насадки. При необходимости нити могут также вибрировать с целью улучшения условий передачи теплоты или массы при увеличении турбулентности в газообразной среде.
Диаметр нитей. Создание пленок жидкости на тонких нитях с диаметром порядка /0.1 ... 0,3/ . Ю-3 м представляет серьезные технические трудности [19]. Это, по-видимому, вызвано тем обстоятельством, что сил трения между жидкой и твердой поверхностью стенки нити недостаточно для удержания пленки на ней. В работе [134] указывается, что даже отекание вязкой жидкости по
тонким нитям /диаметр 1,65-10-5 м/ происходит в виде капель с вытянутой сферической поверхностью /ундуклоид/. Наименьший диаметр нити должен составлять /0,8 ... 1,0/«ІСГ3 м [78] , при этом необходимы специальные меры по формированию структуры нити.
Кроме перечисленных и проанализированных основных переменных, влияющих на пленочное течение жидкости и его характеристики, важное значение имеют еще и такие факторы, как: размеры и конструкция распределителя жидкости; напор или давление жидкости на распределителе; направление течения теплоносителей /продольное, перекрестное или продольно-перекрестное/. Анализ влияния этих факторов в литературных данных не был обнаружен.
Некоторые результаты экспериментального исследования гидродинамики пленки воды, стекающей по вертикальной нити, представлены в патенте [78] и являются единственными известными нам из литературных источников.
В первом случае испытанию была подвергнута многожильная нить, состоящая из основной и стабилизирующей. Материалом основной нити был полиамид 66 /капрон/, и получена она была в результате перекручивания четырех нитей условной толщиной /титр/ 940 с шагом витка 3»10~3 м. При этом число круток составляло 250 на I метр для одной нити. Скручивание четырех нитей с шагом витка З'Ю"3 м дало 125 круток на I метр. Стабилизирующая нить также была сделана из полиамида 66 и получена в результате перекручивания двух нитей титра 236, каждея из которых имеет 800 кручений на один метр. Скручивание двух нитей дало 400 кручений на метр. Сочетание основной и стабилизирующей нити получено путем ее перекручивания пять раз на метр.
Исследования пленочного течения были проведены на нити длиной 1,5 м, находящейся под нагрузкой 0,6 Н. В качестве жидкости использовалась дистиллированная вода, расход которой изменялся
в диапазоне /1,7 ... 18,3/-10 кг/с. Результаты испытаний приведены в таблице I.I.
Таблица I.I
Как видно из таблицы I.I, отсутствие стабилизирующей нити вызывает разрыв пленки даже при незначительных расходах воды. Добавление стабилизирующей нити к основной дает возможность получить устойчивое пленочное течение по всей длине, даже если расход воды довольно большой /до 1,67 Ю~3 кг/с/. Таким образом, добавление стабилизирующей нити придает объемность всей нити, которая, по мнению заявителя патента, является главным фактором для придания пленке устойчивости.
Было замечено, что при относительно малых расходах жидкости толщина пленки на некрученных нитях меньше, чем на крученых. Этот эффект объясняется тем, что большая часть жидкости течет в
сердцевине многоволокнистой нити. Аналогичные опыты были проделаны и для других структур и материалов крученых нитей. Основные выводы рассмотренных гидродинамических исследований следующие:
добавление стабилизирующей нити к основной крученой препятствует разрыву пленки жидкости. Без стабилизирующей нити пленка разрывается на крученой нити после 0,25 ... 0,3 м пробега при расходе воды порядка 0,84 Ю~3 кг/с;
стабилизирующая нить, установленная в месте нарушения пленочного течения, способствует его стабилизации;
меняя крутку нити по длине, можно управлять устойчивостью пленки.
Анализ приведенного выше материала показывает, что на нитях с диаметром порядка /1,0 ... 1,5/ 10~3 м возможно устойчивое пленочное течение жидкости, и они могут использоваться для создания нитяной насадки. Для удержания пленки жидкости на крученых нитях используются стабилизирующие нити, что усложняет технологию подготовки составной нити.
Поэтому необходимы исследования по созданию новых структур нитей, технологичных в изготовлении и одновременно обладающих хорошими гидродинамическими показателями по устойчивости стекающих по ним пленок жидкости.
Методы интенсификации процессов тепло- и массообмена и конструктивные особенности регулярных насадок
Несмотря на несовершенство рассмотренных выше моделей, они указывают путь к разработке практических методов интенсификации процессов тепло- и массообмена на подвижной границе раздела фаз. В [12, 52] показано, что для процессов обмена в системе "вода -воздух" применимы пленочная теория и теория турбулентного пограничного слоя. Для данной системы основное термическое и диф фузионное сопротивление сосредоточено в газовой фазе [52, 108] и является определяющим. Поэтому суть существующих и вновь разрабатываемых методов сводится к воздействию на газовый /воздушный/ пограничный слой.
Обычно применяемый и все еще распространенный способ увеличения теплосъема /массы/ с поверхности орошаемой насадки путем повышения скорости теплоносителей в ряде случаев оказывается неэффективным /см. I.I/.
Повышение давления газового потока /при фиксированных потерях на гидравлическое сопротивление/ также интенсифицирует теплообмен . Эффективным методом является применение прерывистых поверхностей, использующих эффект обновления и турбулизации пограничного слоя.
В последние годы получил распространение и такой способ интенсификации тепломассообмена, как уменьшение гидравлического диаметра или повышение компактности насадок. Однако применение каналов очень малого диаметра приводит к появлению ламинарного режима течения и их заполнению жидкостью при орошении.
Поиски рациональных методов интенсификации конвективного тепломассообмена в пленочных аппаратах привели к созданию большого числа типоразмеров регулярных насадок. Их разработке и исследованию посвящено большое количество работ советских и зарубежных ученых. Насадки изготовляются с помощью штамповки с образованием гладких прямых, непрерывных, волнистых и перфорированных ребер. При изготовлении на них могут наноситься прорези, перемычки между прорезями отгибаются и им придается та или иная форма /прерывистые и чешуйчатые насадки/.
В [III] для повышения интенсивности процесса тепломассооб мена и улучшения распределения жидкости по поверхности насадки предлагается ее выполнение из чередующихся плоских и перфорированных листов или из пластин с поперечными прорезями [112J. Для улучшения контакта фаз и равномерного распределения жидкости по поверхности насадки ее перфорированные пластины снабжаются вертикальными иглами ГІІЗ].
Большое количество работ и изобретений посвящено насадкам, состоящим из гофрированных пластин /листов/. Рассматриваются пластины с вертикальными гофрами, входящими друг в друга и с зеркальным их расположением. При этом в каналах между пластинами образуются чередующиеся по высоте диффузоры и конфузоры [114]. Имеются пластины насадок с горизонтальными гофрами, выступы которых входят во впадины гофр соседних пластин [115, 117], создавая тем самым волнистые каналы.
Для повышения эффективности работы колонн, например, ректификационных, рекомендуется насадка из гофрированных листов с остроконечными серповидной формы выступами [116]. Этому виду поверхностей свойственны, во избежание уноса жидкости, малые скорости газовой среды, большие эквивалентные диаметры, но при этом низкая удельная поверхность тепломассообмена.
В работе [65] проводились исследования капиллярной насадки из мипластового материала с гидравлическим эквивалентным диаметром, равным 3,7 10 3 м.
Определенный интерес представляет работа [70]. Фирмой Эшер-Висс выпускаются пленочные градирни системы Мунтерса, в качестве тепломассообменной поверхности которых используются насадки с капиллярными каналами /диаметром порядка 0,5 ... 1,0«10 3 м/, обладающие большими поверхностями контакта теплоносителей и высокими коэффициентами теплоотдачи, достигающими значений 100... 150 В?/(ыг.1$. Благодаря тонкой ламинарно стекающей пленке воды возможно принять сравнительно высокие скорости воздуха без уноса капель воды. Сопротивление насадки потоку воздуха невелико и в основном состоит из местных потерь входа и выхода. В такого типа градирнях огромное значение имеет смачиваемость материала насадки водой. В данном конкретном устройстве для изготовления насадки использовалась бумага, пропитанная феноловой смолой.
Основная сложность в создании и эксплуатации пленочных градирен с капиллярными насадками состоит в обеспечении в капиллярных трубках /каналах/ свободного прохода для воздуха, то есть необходимо исключить заполнение водой всего сечения капилляра. С целью устранения капиллярных сил в каналах насадки было предложено срезать трубки в нижней части под острым углом, при этом высота среза должна быть больше капиллярного уровня. Малые эквивалентные диаметры можно создать, применив в качестве насадки сетки, которые располагаются в виде шюскопарал-лельной насадки или устанавливаются в колонны в виде рулонов, а также образуются наложением сеток одна на другую /типа фильтра/.
В работе [91] приводятся результаты исследования сеток из плоских капроновых нитей с удельной поверхностью 1600 ... 2700 wr/м3 и эквивалентным диаметром насадки а = /1,5 ... 2,0/ «I0"3M. Сравнение, проводимое, например, с типовой форсуночной камерой, показывает, что применение сеток позволит сократить в два раза объем устройства и расход воды. По сравнению с аппаратом, заполненным кольцами Рашига, толщина слоя насадки уменьшается в 10 ... 15 раз при значительном снижении сопротивления.
Экспериментальная установка, методика и программа исследований гидродинамики пленки жидкости, гравитационно стекающей по вертикальной нити без обдува ее воздухом
Создание и расчет орошаемой насадки в виде пучков тонких составных капроновых комплексных нитей, не соприкасающихся друг с другом, предполагает знание гидродинамических характеристик одиночной нити как составной части поверхности. Изучение вопросов формирования пленки, ее основных гидродинамических характеристик необходимо для выбора геометрических размеров нити, компоновки в пучке насадки, расчета орошающего устройства. В научно-технической литературе такие данные отсутствуют, что и определило необходимость проведения исследований, выполненных в настоящей работе.
Созданная экспериментальная лабораторная установка и методика проведения опытов позволили вести исследования на одиночной нити без обдува воздухом. В качестве орошающей жидкости использовалась вода. Схема экспериментальной установки приведена на рис. 2.7.
Вода из термостата 7 насосом-мешалкой 15 подавалась в напорный бак 4 и через сетчатый фильтр 5 упорядоченным равномерным потоком поступала в верхний бачок 3. Через кольцевое распределительное отверстие 2 вода в виде тонкой пленки стекала по нити I под действием силы тяжести. Отработанная вода поступала в сборник 9 и через измерительную бюретку 8 сливалась в термостат. Регулирование расхода воды осуществлялось изменением пьезометрического напора в верхнем бачке при перемещении напорного бака вдоль штанги 6. Натяжение нити производилось грузом 10 определенной массы. Изменение длины нити осуществлялось изменением расстояния между верхним бачком и нижним сборником путем их перемещения вдоль штанги II. Температура воды контролировалась термометром 16.
Качественное изучение гравитационно стекающей по вертикальной нити пленки воды осуществлялось с помощью фотосъемки при встречной подсветке нити. Для этого использовался осветитель, состоящий из источника света 12 и матового экрана 14 размерами 0,2 х 0,5 м. Фотографирование проводилось фотоаппаратом 13 марки "Зенит-ЗМ". Геометрические характеристики исследованных нитей и распределителя с эксцентричной щелью приведены в таблице 2.1.
Для каждой нити производились замеры высоты напора и расхода воды, длины участка устойчивого течения пленки и осуществлялось его фотографирование. Для нити с условным диаметром 1,25 х х I0"3 м и удельным натяжением 200 10 H/NT замерялась средняя толщина пленки воды методом мгновенной отсечки питания [93].
Установка позволяет проводить комплекс разнообразных исследований по изучению гидродинамических характеристик гравитационно стекающих по вертикальным нитям пленок жидкости. Для решения задач, связанных с созданием нитяной насадки и методики ее расчета, в первую очередь необходимо знать следующие величины: наименьший диаметр нити, обеспечивающий безотрывное устойчивое пленочное течение воды на значительной ее длине в широком диапазоне изменения расхода воды,и коэффициент расхода эксцентричного кольцевого распределительного устройства для расчета высоты статического напора воды в орошающем бачке. Это и определило программу проводимых исследований.
Изучалось влияние диаметра нити, ее натяжения и величины максимального зазора щели на линейную объемную плотность орошения и длину устойчивости пленки, а также влияние последней на среднюю толщину пленки воды на нити диаметром 1,25 ІСГ3 м. Длина нити составляла 0,7 м. Высота столба жидкости в распределительном бачке изменялась в пределах 0,005 ... 0,4 м. Удельное натяжение нитей задавалось равным /41,120 и 200/ 10 Н/м2.
Анализ влияния начальных параметров теплоносителей на интенсивность процесса тепломассообмена между воздухом,и водой и на соотношение Льюиса
Анализ экспериментальных работ различных авторов [5-7, 22, 35] показал, что вопрос о влиянии начальных параметров взаимодействующих сред на тепло- и массообмен в контактных аппаратах до настоящего времени носит дискуссионный характер.
В связи с этим представляется целесообразным рассмотреть существующие по этому вопросу противоречия, в частности, допущенные различными авторами неточности при выборе методики обработки экспериментальных данных.
В первую очередь это относится к определению потоков теплоты, вызванных переносом массы и конвективным теплообменом, и к определению средних движущих сил процессов тепло- и массообмена. Существенное значение имеет также выбор определяющих температур, скоростей воздуха и геометрического размера поверхности тепломассообмена.
К сожалению, в литературных данных отсутствует единое мнение по определению потоков теплоты при совместно протекающих процессах тепло- и массообмена, на что указывает Берман [15,16].
При определении количества теплоты, передаваемого конвекцией и теплопроводностью, допускаются различные способы определе ния средней теплоемкости воздуха [17, 56, 57].
Известно, что в совместно протекающих процессах тепломассообмена определение среднего температурного напора как сред-нелогарифмического может приводить к большим погрешностям [101]. Однако в литературных источниках по контактным теплообменникам в большинстве случаев приведены экспериментальные данные, в которых коэффициенты теплоотдачи отнесены к среднело-гарифмической разности температур [48, 49, 55, 56]. В связи с этим заслуживает внимания работа Аничхина [9], который, анализируя опытные данные [49], высказал предположение, что зависимость коэффициента теплоотдачи от параметров взаимодействующих сред может быть объяснена неточностью, допускаемой при определении среднего температурного напора как среднелогарифмического. На неправомерность применения ереднелогарифмических значений движущих сил в совместно протекающих процессах тепло- и массообмена указывается также в работах [22, 33 - 35].
Некоторые авторы [39] при обработке экспериментальных данных в качестве определяющих принимают начальные температуры воздуха и воды. Это также приводит к различному характеру зависимостей коэффициентов тепло- и массоотдачи от начальных параметров теплоносителей, особенно для широкого диапазона их изменения. Кроме того, при выведении обобщенных зависимостей необходимо использовать параметры не сухого, а влажного воздуха.
Существенное влияние на конечный результат может оказывать и выбор определяющей скорости воздуха. Некоторые авторы [5, II] при обработке экспериментальных данных рекомендуют определять относительную скорость газа с учетом скорости стекающей по насадке пленки жидкости. Однако в работе [82] в результате решения дифференциального уравнения движения пограничного слоя на поверхности насадки доказано, что при определении критерия Рей нольдса в качестве определяющей следует принимать скорость газа.
Анализ показал, что правильным является вычисление относительной скорости газа с учетом сужения проходного сечения насадки на толщину пленки жидкости. Последнее особенно важно для каналов малого эквивалентного диаметра. В этом случае коэффициент массоотдачи не зависит от плотности орошения [101] . Следовательно, внесение в эмпирические формулы параметрических симплексов, учитывающих влияние начальных параметров контактирующих сред и расхода воды, можно объяснить несовершенством методики обработки экспериментальных данных. Правильность этого положения подтверждается отсутствием таких симплексов в обобщенных зависимостях, получаемых при рассмотрении дифференциальных уравнений тепло- и массообмена [45].
Для раздельно и совместно протекающих процессов тепло- и массообмена важное значение имеет вопрос их аналогии [48, 53]. Использование для расчета конвективного массообмена данных по конвективному теплообмену базируется /при известных условиях/ на приближенной аналогии этих процессов. Аналогия между тепло-и массообменом позволила получить ряд выводов, широко используемых в настоящее время в научных исследованиях и при решении многих прикладных задач.
В настоящее время существуют весьма противоречивые мнения о справедливости ооотношения Льюиса для совместно протекающих процессов тепло- и массообмена в контактных аппаратах, применяющихся в системах кондиционирования воздуха и холодильных установках. Полученное Льюисом [14] для испарения жидкости соотношение имеет вид
Оно пригодно лишь для условия, когда справедливо допущение об аналогии между тепло- и массообменом, то есть можно пренебречь влиянием поперечного потока массы и стефанова потока на поля скоростей, температур и парциальных давлений /или концентраций/ компонентов парогазовой смеси, и когда содержание пара в смеси незначительно.
Это подтверждено многочисленными экспериментальными данными [5, 6, 8], но имеются и исключения, дающие повод для противоречивых высказываний. Рассмотрим возможные причины полученных в ряде работ значительных отклонений величины отношения d//3x от значения Срл , связанных с методикой обработки результатов экспериментов.
Сравнение тепломассообменных и гидравлических характеристик нитяной насадки с соответствующими характеристиками других типов насадок и одиночных нити и проволоки
Интенсивность теплоотдачи и массоотдачи /рис. 4.10/нитяной насадки с относительным шагом нитей 5,6 близки по величине к результатам, полученным для одиночной нити диаметром 1,25 10 3м, вычисленным по формуле Боровского [19] . Небольшое различие в значениях коэффициентов о( и Д. подтверждает влияние пограничного слоя цилиндрической формы, образуемого на поверхности пленки воды, стекающей по вертикальной нити. Коэффициент теплоотдачи смоченной нити существенно больше, чем для сухой проволоки. Это связано с дополнительным влиянием процесса массообмена на теплообмен [19]. Объяснение влияния величины S / ин на коэффициенты и /$ дано в главе 3. Из зависимости А/ил a =f("fyj представленной на рис. 4.ІІ, виден различный характер изменения величины /\/ud от /Тбд/ для одиночной нити, проволоки и нитяной насадки. Показатель степени при IXGQI равен соответственно 0,35 и 0,65, что свидетельствует о различных режимах течения воздуха в сравниваемых случаях. В таблицах 4.2 и 4.3 приведены геометрические характеристики и расчетные зависимости по тепло- и массообмену в насадках, выбранных для сравнения. Их выбор обусловлен достаточной изученностью тешгоаэродинамических показателей данных насадок и существующим опытом их промышленного изготовления. По интенсивности теплоотдачи /рис. 4.К/ нитяная насадка /при одинаковой скорости VL / превосходит мипластовую в 2,2 ... 4,7 раза, сотоблочную - в 2,0 ... 2,2 раза и имеет одинаковую интенсивность с сетчатой для VL до 2,0 м/с.
Однако при VL =2,0 м/с сетчатая насадка работает в режиме "захлебывания" с уменьшением оС и резким увеличением лр0/0 , в то время как скорость воздуха, соответствующая "захлебыванию" нитяной, в 5,0 раз больше. При VI =10,0 м/с коэффициент оС нитяной насадки /относительный шаг S/и# =5,6/ в 2,6 раз больше. По интенсивности массоотдачи нитяная насадка превосходит все другие сравниваемые типы /рис. 4.I5V: /Зх больше по сравнению с рифленой в 10 ... II раз; с мипластовой в 4,3 ... 4,5 раза; с сотоблочной в 6,0 раз; с сетчатой в 2,0 ... 3,0 раза. Область значений полного гидравлического сопротивления нитяной насадки /рис. 4.14/ расположена ниже, чем для сравниваемых типов. Гидравлическое сопротивление одного погонного метра сетчатой насадки при 2 =2,0 м/с на два порядка превышает ве-личину ДРОР $№ нитяной насадки. В отличие от нитяной насадки сравниваемые насадки работают в области малых значений чисел /г6 /рис. 4.15/. Повышенные значения ft Єd" Для нитяной насадки обусловлены большими располагаемыми эквивалентными диаметрами и скоростями 77L .Однако характер зависимостей 4. -/( ) практически одинаков для всех сравниваемых типов насадок. Значение коэффициента для нитяной насадки /рис. 4.16/ получилось больше, чем для мипластовой и сотоблочной насадок, что вызвано ее конструктивными особенностями, а также сильным влиянием начального участка, на При разработке тепло- и массообменных аппаратов с целью определения оптимальных конструкций насадок производится оценка их по энергетическим, массо-габаритным и стоимостным показателям. Известные способы оценки эффективности теплообменных поверхностей [10, 59, 75] непригодны для орошаемых насадок, процессы на которых значительно сложнее, чем при чистом теплообмене. В последние годы разработаны методы оценки орошаемых насадок по величинам L и V [3, 32, 39, 58], которые применены в настоящей работе. итяной насадки характеризуется наибольшей протяженностью и расположена ниже, чем для срав Г ниваемых насадок. Наименьшее значение _ характерно для нитя ной насадки с величиной S/ иИ = 5,6, которое в 80 ... ... 160 раз меньше величины L для S/и и =2,4. Объемные показатели сетчатой насадки в диапазоне величин Лрор//У = НО ... 400 Па лучше, чем для нитяной,в среднем на 30 ... 40 %. Области изменения величины V для нитяной и сравниваемых с нею других типов насадок практически совпадают. Массовые и стоимостные показатели нитяной насадки получены не хуже, чем в принятых для сравнения типах насадок /см. таблицу 4.4/.
