Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Введение 2
1.1 Особенности теплообменных процессов в потоках жидкости 2
1.2 Анализ теплообменных процессов при контакте поверхности жидкости с газовыми потоками и каплями жидкости 6
1.3 Интенсификация процессов испарения и конденсации в пленке жидкости ...12
1.4 Анализ воздействия электрического поля на гидродинамические и теплообменные процессы 19
1.5 Методы повышения эффективности теплообменных процессов 30
Глава 2. Теплообменные процессы в жидкости с капельным орошением 34
2.1 Теплообмен в пленке жидкости при капельном нолидисперсном орошении 34
2.2 Теплообменньгй аппарат с капельным орошением 49
2.3 Сравнительный расчет характеристик испарителей 53
Глава 3. Влияние электрического поля на теплообмен в пленке жидкости 57
3.1 Влияние электрического поля на теплообмен в пленке жидкости, осложненной наличием фазовых превращений (ламинарный режим, конденсация) 57
3.2 Влияние электрического поля на интенсивность пленочной конденсации жидкости (турбулентный режим течения) 65
3.3 Теплообменные аппараты с применением электрического поля 69
Глава4. Теплообмен тонких слоев жидкости с газовым потоком 78
4.1 Анализ теплообменных процессов в тонких слоях жидкости взаимодействующих с нагретым (охлажденным) потоком газа 78
4.2 Теплообменные аппараты со сіру иным смешением 86
Выводы,, 91
Литература 93
- Интенсификация процессов испарения и конденсации в пленке жидкости
- Теплообменньгй аппарат с капельным орошением
- Влияние электрического поля на интенсивность пленочной конденсации жидкости (турбулентный режим течения)
- Анализ теплообменных процессов в тонких слоях жидкости взаимодействующих с нагретым (охлажденным) потоком газа
Введение к работе
Актуальность темы: Процессы теплообмена широко используются в промышленности. Интенсификация теплообменник процессов позволяет получить продукт более высокого качества, добиться снижения расхода знергоресурсов. Процессы, в которых используются нагрев или охлаждение жидкости встречаются практически во всех областях промышленности. Значительное практическое применение получили теплообменник процессы в жидкости, которые при этом осложняются фазовыми превращениями, то есть, сопровождающиеся парообразованием или конденсацией.
Интенсификация процессов конденсации чрезвычайно важна во многих технологических процессах, таких как производство аммиака, метанола, очистка отходящих газов сушильных камер.
Теплообменпые аппараты, в которых происходит процесс испарения, также широко используется в таких отраслях, как пищевая и химическая промышленность при производстве пенопластов и пластиков, в ядерных реакторах и котельных.
Вопросы теплообмена исследуются в течении нескольких столетии, и в данной области уже накоплена обширная база теоретически и экспериментально изученных процессов и явлений.
Однако в современных условиях потребность в интенсификации процессов теплообмена приводит к необходимости разрабатывать новые методы и новые технологии, широкому внедрению которых препятствует их недостаточная исследованность, как в теоретическом, так и в экспериментальном плане, отсутствие методик расчета. Поэтому разработка новых методов и аппаратов позволяющих повысить эффективность работы теплообменных аппаратов является актуальной задачей.
Цель работы: Выявление особенностей процесса тепломассообмена в тонких пленках жидкости в условиях гидродинамического возмущения течения пленки внешними факторами, такими как капельное орошение, электрическое поле, микроструи газа пронизывающие всю толщину пленки.
Целью работы является разработка и внедрение в инженерную практику методов расчета и моделирования теплообменных аппаратов с тонкими слоями жидкости с учетом наличия электрического поля, капельного орошения, смешения с микроструями газа. Создание на базе исследованных физических эффектов новых высокоэффективных аппаратов превосходящих свои аналоги в 1,2 раза.
Методы исследования: При выполнении математических исследований использованы основные закономерности, описывающие гидродинамические и теплообменные процессы, происходящие в пленке жидкости. Исследования проводились с использованием традиционных методов математического моделирования, таких как, метод интегральных соотношений, численных методов, хорошо зарекомендовавший себя при расчете пленочных течений. Оценка достоверности полученных данных проводилась путем сравнения с экспериментальными данными и результагами, полученными другими авторами.
Научная новизна: Найдена зависимость профилей скорости и температуры пленки жидкости и ее толщины в зависимости от интенсивности капельного орошения, а также диаметра и угла падения капель.
Обнаружено, что относительный коэффициент теплоотдачи — (который выражает
«О
отношение коэффициента теплоотдачи в пленке жидкости при капельном орошении ак и без капельного орошения tt0) монотонно взрастает при увеличении интенсивности
І Я0С НАЦИОНАЛЬНА*) і ВИМИОТЕКА |
* м т%* I
капсльного орошения до критической величины 1„р, а при дальнейшем увеличении интенсивности орошения относительный коэффициент теплоотдачи резко падает.
Исследовано влияние электрического поля на теплообмен в ламинарной диэлектрической пленке жидкости, стекающей по вертикальной поверхности, в присутствии электростатического поля. Обнаружено, что влияние электрического поля на пленку жидкости сказывается лишь при превышении критического значения, Е*р.
_ aF
Показано, что с ростом Е превышающего Jiv, наблюдается увеличение —-
«о
(отношение коэффициента теплоотдачи afc. при включенном электрическом поле, и без электрического поля й0).
Рассмотрен процесс формирования заряда у капель жидкости и их движение между электродами при турбулентном режиме течения.
Рассмотрен механизм интенсификации теплообменного процесса при воздействии электрического поля на турбулентную пленку жидкости.
Определено, что, эффективность процесса теплообмена систем "жидкость-газ" зависит, прежде всего, от эффективности разделения газового потока на системы небольших микроструй равномерно пронизывающих потоки жидкости и скорости жидкости. Найдено изменение температуры слоя жидкости при прохождении через нее микроструй газа.
Практическое значение работы: Разработаны методы, расчета тсплообменных процессов в тонкой пленке жидкости текущей по плоской вертикальной стенке, с учетом воздействия на пленку таких внешних факторов, как; капельное орошение, постоянное электрическое поле, прохождение потока газа сквозь пленку жидкости.
Предложены 5 новых теплообменных аппаратов, позволяющих повысить эффективность теплообменных процессов в образующихся внутри аппарата пленках жидкости, за счет; капельного орошения, наложения электрического поля, смешения газовых микроструй с потоком жидкости.
В частности разработан аппарат без вращающихся элементов с кольцевой спиральной вставкой, использующий капельное орошение, позволяющий заменить энергоемкие роторно-пленочные теплообменные аппараты.
Разработаны теплообменники для систем "газ-жидкость" (оросительный теплообменник и теплообменник с сотовыми элементами), в которых воздействие на пленку жидкости осуществляется электростатическим полем.
Разработаны два аппарата, в которых процесс теплообмена осуществляется между слоями жидкости и микроструями газа, равномерно пронизывающими данную пленку.
Апробация: Результаты работы доложены на следующих конференциях и семинарах:
ГУ международный симпозиум молодых ученых, аспирантов и студентов UNESKO, г.
Москва 2000
V международный симпозиум молодых ученых, аспиратов и студентов UNESKO, г.
Москва 2001
Семинаре в институте проблем механики РАН г. Москва 1999, 2000г.
Структура и объем работы:
Интенсификация процессов испарения и конденсации в пленке жидкости
При замедлении потока в свободном слое смешения имеется тенденция к возникновению обратного течения, которое намного слабее на твердой стенке. Поскольку градиенты скорости в свободных слоях смешениях не больше градиентов скорости в глубине потока. То скорость диссипации энергии будет тої о же порядка, что и в глубине потока.
При возникновении на свободной поверхности волнового движения вблизи свободной поверхности появляется вторичное движение. В результате амплитуда волнового движения со временем уменьшается из-за потери энергии движения. Эта диссипация анергии происходит, в основном, в области потенциального течения.
Свободные слои смешения можно наблюдать и при турбулентном режиме течения. При турбулентном движении одной или обоих сред, образующих свободную поверхность, существенный вклад в деформацию поверхностей вносят различие в динамическом напоре турбулентных вихрей в разных точках свободной поверхности. Деформация может быть настолько большой, что происходит разрыв сплошности одной из фаз или обеих и фазы в виде мелких элементов проникают друг в друга. Деформация поверхности согласно [2, 26-29] связана с развитием межфазной турбулентности.
Поведение сред, наблюдаемое на свободной поверхности, существенно отличается от поведения вблизи твердой границы. Вблизи твердой границы (стенки) скорости и турбулентные пульсации убывают и на стенке обращаются в нули. На границе раздела фаз происходит развитие системы вихрей и взаимное проникЕїовение их в обе фазы. На границе раздела фаз отсутствует гашение турбулентных пульсаций, нормальные составляющие скорости отлична от нуля, влияние молекулярных характеристик незначительное. На свободной поверхности наблюдается развитое турбулентное движение.
Движение газа с большой скоростью над свободной поверхностью жидкости приводит к непрерывному срыву с поверхности части жидкости. При этом сорвавшаяся жидкость из-за турбулентного движения возвращается в жидкость обратно. То есть устанавливается динамическое равновесие между количеством жидкости, уносимой с поверхности и возвращающейся обратно на поверхность.
Учитывая это, вблизи свободной поверхности коэффициент турбулентной вязкости одного порядка с коэффициентом турбулентной вязкости в глубине потока или больше. процесс взаимодействия падающей капли жидкости со свободной поверхностью можно найти в работах [17-20, 104-115J. Изучение процесса вхождения капли в поверхностный слой жидкости с помощью скоростной киносъемки показано, согласно, что в месте удара капель о поверхности жидкости возникает полусферическая каверна, размеры которой через некоторое время становятся значительно больше капли.
Далее упавшая кайля вместе с частью жидкости, объем которой в 1.7 раз превышает массу нападающей капли, уходит вглубь потока а в освободившийся после каверны объем устремляется жидкость из нижних слоев, образуя восходящую вверх струю,, высота которой растет и возвышается над свободной поверхностью. Далее каверна схлопывается, а над поверхностью жидкости появляется султан. Выплеснутая в виде султана жидкость возвращается обратно вглубь жидкости, после возвращения султана в жидкость, на поверхности возникает гонкий выброс. Если скорость падения капли больше 5м/с. то падагошая капля помимо части поверхностной жидкости утаскивает с поверхности и пузырьки воздуха. Глубина каверны, зависит от кинематической энергии, падающей капли жидкости.
Взаимодействие газовых струй и жидкости рассматривается в работах 2, 89-103]. При ударе струи газа о поверхность жидкости, также как и при ударе капли, образуется каверна, через которую струя эжектирует газ внутрь жидкости. Различаю ламинарный и турбулентный режимы течения струй. Если течение в струе ламинарное, то вокруг ядра струи, входящей в жидкость, образуется тонкий слой воздуха, который увлекается струей вглубь потока, где под действием турбулентного движения дробиться на систему пузырьков.
Наибольшей эжекхирующей способностью обладают турбулентные струи. Если одна из сред взаимодействует с другой средой через свободную поверхность рассредоточено в виде капельного орошения или системы многих струй и размеры капель, струй, пузырьков газа или твердых частиц малы но сравнению с характерным масштабом движения. То тогда среды по обе стороны от свободной поверхности можно идеализировать как квазигомогенные среды. Например, для случая капельного орошения область над свободной поверхностью можно представить, согласно [47, 118], как квазнгомогенкую среду с плотностью єр, где р - плотность жидкости, - объемная доля дождевых капель или струй и газовой фазе. Таким образом, свободная поверхность является свободной поверхностью сред с плотностями р и р и на свободной поверхности происходит скачок скорости с V - скорости жидкости на свободной поверхности, что приводит к появлению касательных напряжений на свободной поверхности, описываемых выражением: здесь a - угол наклона поверхности к траектории падения капель порождает «мольный» обмен между слоями жидкости, что эквивалентно появления дополнительной турбулентной вязкости. Вклад данной дополнительной турбулентной вязкости в общую вязкость, согласно [1] описывается выражением где М - масса жидкости. Уносимой каплей с поверхностных слоев на глубину Н, / - интенсивность капельного орошения, т - масса капель. Отношение М/т приближенно равно 15-17. Появление данной дополнительной турбулентной вязкости и объясняет внезапное начало гашения волн в водоемах с момента выпадения дождя.
На турбулентные характеристики потока непосредственное влияние оказывает состояние свободной поверхности. Хотя газовая фаза над потоком неподвижна, тем не менее, образуются на поверхности крупномасштабные турбулентные вихри, уходящие с поверхности вглубь потока. Косвенно это подтверждается в ряде экспериментов. Крупномасштабные пульсации температуры возникают на поверхности и связаны с зарождением крупномасштабных вихрей, которые уносятся с поверхности вглубь потока, где дробятся. И чем дальше от поверхности, тем меньше крупномасштабные вихри и тем меньше величины флотации температуре. Таким образом, поверхность жидкости непрерывно обновляется, так как обраїующиеся крупномасштабные вихри утаскивают с поверхности жидкость вглубь потока. Частота появления таких вихрей составляет 0,82, что соответствует волновому числу К =56 (1/м), определялось по формуле К = 2frf / Vnilll, Vami - скорость на поверхности жидкости. Волновое число А" = 56 соответствует нижнему значению иолнового числа в области спектра волновых чисел с тангенсом угла наклона - I. Подученный спектр волновых чисел может реализовываться только в случае образования крупномасштабных вихрей на свободной поверхности.
Вблизи поверхности крупномасштабные вихри, образующиеся на свободной поверхности, играют основную роль в переносе тепла. По мере удаления от поверхности начинают увеличивать свой вклад в перенос тепла вихри, образуемые вблизи дна и диффузируемые к поверхности. Хотя время пребывания элементов жидкости, устанавливаемых с поверхности крупномасштабными вихрями мало (менее 0.1), но вклад в теплопередачу с поверхности составляет более 60% от всей теплопередачи. И крупномасштабные вихри, обновляющие поверхность, вносят основной вклад в тепломассопередачу через свободную поверхность.
Теплообменньгй аппарат с капельным орошением
В результате расчетов была выявлена существенная зависимость толщины пленки жидкости и ее скорости от интенсивности капельного орошения и, в особенности от среднего диамеїра капель падающих на жидкость. Увеличение интенсивности и среднего диаметра капель ведет к значительному увеличению толщины пленки жидкости при одновременном падении ее скорости, при этом если эффект орошения незначителен то скорость возрастает. Температура между поверхностью стенки и жидкостью заметно изменяется на расстоянии нескольких сантиметров вниз по течению, а затем довольно стабильна и зависит в основном от толщины пленки жидкости. На рисунке 2.1 изображена зависимость толщины пленки жидкости h от вертикальной координаты х, при этом средний диаметр капель падающих на жидкость выбирается маленьким d=0,0lcM, а интенсивность орошения варьируется от: линия 1 - 1=0,01см/с; линия 2 - 1=0.21см/с; линия 3 - 1=0.41см/с; линия 4 - 1=0.61см/с. Как видно, если 1=0.01см/с, то орошение не оказывает никакого влияния на движение пленки жидкости и под влиянием гравитации ее скорость увеличивается, а толщина пленки падает. В дальнейшем орошение пленки жидкости приводит к увеличению ее .массы и объема, что ведет к увеличению толщины и при 1 0.61 см/с, при начальной толщине пленки ІіЮ.8ем в х=0 достигает 0.9 см. На рисунке 2.2 показано как изменится толщина пленки жидкости, если орошение проводится каплями с большим средним диаметром і=0.81см. Как видно с увеличением интенсивности орошения от I - 1=0.01 см/с; до 2 -1=-0.21 см/с; 3 - 1=0.41 см/с; 4 - 1=0.61 см/с; толщина жидкости существенно увеличивается и достигает при 1=0.6Ісм/c, h= 1,35см. Это связано с тем. что капли с большим диаметром несут в себе большую массу воды и это значительно увеличивает количество воды в пленке жидкости. На рисунке 2.3 изображена зависимость продольной скорости пленки жидкости vx. от у (рассматривается профиль скорости пленки жидкости взятый в поперечном сечении пленки от 0 до h, профили берутся в различных точках вниз по потоку). Температура стенки постоянна и равна ТС=30 С При среднем диаметре капли d=0.01cM и интенсивности орошения 1=0.01 см/с орошение не оказывает влияния на скорость жидкости, и она постепенно увеличивается под действием гравитации. Линия 1 - профиль скорости в сечений х=0, как видно в сечении х=20см, линия 2 профиль скорости больше. Линии 3, 4 отображают орошение пленки при среднем диаметре капли d=0.81cM и интенсивности орошения 1=0.б1см/с (обозначены линиями с ромбиками). Как видно орошение играет заметную роль в изменении профиля скорости, орошение существенно замедляет пленку жидкости и скорость падает 3 - скорость в сечении х=0; 4 - скорость в сечении х=20см. На рисунке 2.4 показана зависимость продольной скорости пленки жидкости v от у, при постоянной температуре стенки ТСГ=500С и интенсивности орошения 1=0.41 см/с. При среднем диаметре капли d O.OIcM, капли имеют столь малый размер, что фактически не влияют на скорость стекания пленки жидкости. В сечениях вниз по потоку: линия 1 - профиль скорости в сечении х-0; линия 2 - в х-10см; линия 3 - в х=20см. Как иидно скорость постепенно увеличивается. Но при некотором увеличении среднего диаметра капли профиль скорости серьезно меняется. Поток постоянно замедляется вит по течению, а скорость уменьшается при увеличении среднего диаметра капли при среднем диаметре капли d=0.41cM (обозначены линиями с квадратами) линия4 - профиль скорости в сечении х=0; линия 5 - в сечении х=10; линия 6 - в сечении х=20см. При среднем диаметре капли (1==0.81см (обозначены линиями с ромбиками) линия 7 - профиль скорости сечении х=0; линия 8 - в сечении х=10; линия 9 - в сечении х=20см, сравнивая профили при с!=0.41см и d=0.81cM в одинаковых по высоте сечениях можно увидеть, что скоросіь хоть и падает но незначительно, следовательно, увеличение среднего диаметра капель, начиная с d=0.4lcM не оказывает такого существенного влияния на профиль скорости пленки жидкости какое он оказывает- на ее толщину. На рисунке 2.5 показана зависимость продольной скорости пленки жидкости \\ от у, при постоянной температуре стенки Тст=50 С и среднем диаметре капли d=0.41cM. И при изменяющейся интенсивности орошения. Как и в предыдущем случае с малым диаметром капли, малая интенсивность орошения [=0.01 см/с большой) влияния на профиль скорости не оказывает, хотя скорость потока и увеличивается, но более медленными темпами Линия і - профиль скорости в сечении х=0; линия 2 - в сечении х-10ем; линия 3 - в сечении х=20см. При интенсивности орошения 1=0.41 см/с (обозначены линиями с квадратами), линия 4 - профиль скорости в сечении х=0; линия 5 - в сечении х=10; линия 6 - в сечении х-20см. Как видно из графика скорость пленки жидкости резко уменьшается вниз по течению. Интенсивности орошения [=0.61см/с обозначены линиями с ромбиками, линия 7 - профиль скорости в сечении х=0; линия 8 - в сечении х 10; линия 9 - в сечении х=20см. Сравнивая профили скорости при интенсивности 1=0,41 см/с и 1=0.61 см/с в одном сечении, например в х=20 видно, что при увеличении интенсивности орошения скорость пленки жидкости очень быстро уменьшается. На рисунке 2.6 показана зависимость температуры пленки жидкости Т от у (график изменения профиля температуры от стенки до поверхности пленки) при среднем диаметре кайли d-О.ОІсм, интенсивности 1=0.41 см/с и температуре стенки, Тс,=30 С: линия I - профиль температуры в сечении х=0; линия 2 - х=20см. при ТСТ 50С (обозначены линиями с квадратами) линия 3 -профиль температуры в сечении х=0; линия 4 - х-20см. При ТСТ=70С (обозначены линиями с ромбиками); линия 5 - профиль температуры в сечении х=0; линия 6 - в х=20см. При Тст=90 С (обозначены линиями с крестами) 5 - в сечении х-0; линия 8 - в х=20см Как видно из трафика начальная неравномерность распределения температуры быстро переходит в линейный режим распространения температуры от стенки до поверхности жидкости. На рисунке 2.7 показана зависимость температуры пленки жидкости Т от у, при постоянной температуре стенки Тст-ЗО С и минимальных. рассчитанных значениях среднего диаметра капли і=0,01см, и интенсивности орошения [=0.01 см/с; линия 1 - профиль температуры в сечении х=0; линия 2 в сечении х=10см; линия 3 - в сечении х=20см. Как видно, орошение не оказывает значительного влияния на теплообмен и при максимальных рассчитанных значениях d=0.SlcM; 1=0.61 см/с (обозначены линиями с квадратами). Линия 4 - профиль температуры в сечении х=0; линия 5 - в сечении х=10; линия 6 - в сечении х=20см.
Влияние электрического поля на интенсивность пленочной конденсации жидкости (турбулентный режим течения)
В отечественной промышленности реализована схема с ионообменной очисткой водного раствора капролактама. В основе конечной стадии очистки, па которой получают товарный капролактам во всех промышленных схемах лежат процессы дистилляции и ректификации.
Известно, что капролактам является веществом термолабильным, при нагревании которого возможно как разложение с образованием легкокипнщих продуктов, так и полимеризация с образованием тяжелокипящих продуктов. Как те, так и другие продукты, образуясь в процессе дистилляции, могут ухудшить качество товарного капролактама. В связи с этим очистка капролактама дистилляцией и ректификацией должна осуществляться при возможно более низких температурах. Одной из схем выделения и очистки капролактама, состоит из следующих основных узлов: - экстракции капролактама толуолом с предварительной каустификацией; - обработки толуольного раствора капролактама гинохлори том натрия; - реэкстракции капролактама водой; - регенерации толуола; - концентрирования водного раствора капролактама выпаркой; перманганатной очистки водного раствора капролактама с последующей фильтрацией двуокиси марганца; - тонкой очистки капролактама пятяступенчатой дистилляцией. Здесь на конечной стадии происходит обезвоживание капролактама в тсплообмепных аппаратах. Водный раствор капролактама с концентрацией 75-78% после обработки перманганатом калия поступает в роторный испаритель 1 с поверхностью теплообмена Г = 40 м2, где при температуре 140С и давлении до 50 мм рт. ст. отгоняется вода, которая после конденсации и охлаждения в конденсаторе собирается в емкости и используется затем в стадии нигрозирования и лактамизации. Кубовый остаток испарителя ! с содержанием влаги до 0,2% направляется на вторую ступень для отгонки капролактама от высококинящнх продуктов (обессмоливанис).
Обесемоливание осуществляется в тонкопленочном роторном испарителе 2 с поверхностью теплообмена Г = 32 м при температуре 132С и давлении 5 мм рт. ст. Пары капролактама отделяются от жидкости, которая в некотором количестве уносится с паром, и направляются в теплообменник на конденсацию. Кубовый остаток роторною испарителя 2 - это капролактам с содержанием примесей менее 1%, поэтому он подвергается дополнительной дистилляции для извлечения оставшегося капролактама. Для этого кубовый остаток испарителя 2 насосом подают на роторный испаритель 3. При температуре 130С и давления 5 мм рт. ст. отгоняется около 55% капролактама, пары которого сконденсировавшись в теплообменнике, присоединяются к дистилляту предыдущей ступени.
Кубовый остаток испарителя 3 направляется в узел экстракции для утилизации из него капролактама. Роторные испарители I и 2 подвергаются периодической промывке водой. Дистиллят испарителей 2 и 3 для отделения легкокипящих примесей от капролактама подвергается ректификация в роторном тонкопленочном ректификаторе 4 с роторным испарителем 5. Отгонка легколетучих примесей осуществляется с флегмовым числом 10 при температуре 115С и давлении 4 мм. рт. ст. Пары легколетучих примесей конденсируются в теплообменнике. Получаемый дистиллят присоединяется к кубовому остатку, полученному при обессмоливапии па испарителе 3 и после разбавления водой общая смесь направляется в узел экстракции капролактама толуолом. Кубовый остаток, полученный после ректификации на роторном ректификаторе 4. подается на основную дистилляцию, которая осуществляется на роторном топкопленочном испарителе 6. При температуре 122С и давлении 4 мм рт. ст. отгоняется 50% капролактама, пары которого конденсируются в теплообменнике, где хладоагентом служит горячая вода с температурой 70С. Оставшийся в кубовой жидкости испарителя 6 капролакіам извлекается ректификацией в роторном ректификаторе 7 с тонкопленочным роторным испарителем 8. Для более полного извлечения капролактама из кубовой жидкости дополнительно установлен роторный испаритель 9. Пары капролактама, полученные на испарителе 9 присоединяются к основному потоку паров испарителя 8. Отгонка капролактама на ректификаторе 7 осуществляется с флегмовым числом 0,25 при температуре 125С и давлении 5 мм. рт. ст. Кубовый остаток после ректификации присоединяется к потоку питания испарителя 2, где происходит отделение высококипящих и смолообразных продуктов от капролактама. Пары капролактама, полученные при ректификации 7,конденсирую гея в теплообменнике, и жидкий капролактам собирается в емкости вместе с капролактамом основной дистилляции 6. Из емкости капролактам направляется на склад. Вакуум во всех роторных испарителях и ректификаторах создается пароэжекторнымн установками. На установке тонкой очистки капролактама предусмотрено три цикла горячей воды: вода с температурой 70С, используемая в качестве хладогента и теплообменниках для снятия тепла конденсации паров при дистилляции и ректификации; вода с температурой 70С, используемая для охлаждения вращающихся роторов испарителей; вода с температурой 90С, используемая для обогрева коммуникаций. Описанная схема очистки капролактама позволяет рассчитывать на получение продукта стабильно высокого качества. Необходимо отметить, что использование тонкопленочных испарителей в технологическом процессе обусловлено тем фактом, что наряду с выпаркой в них осуществляется процесс ректификации. Использование в существующих схемах очистки капролактама тонкопленочных роторных испари гелей позволяют обеспечить эффективное испарение и ректификацию [17]. Однако данные испарители имеют существенные недостатки, которые не только усложняют технологическое обслуживание испарителей, но и значительно снижают качество капролактама. Недостатком данных роторных испарителей фирмы "Лува" является наличие вращающихся элементов (вале роторами), а так как процесс идет под разряжением, то для герметизации испарителей необходимо устанавливать дорогостоящие уплотнения. Поскольку любые уплотнения к валам пропускают воздух внутрь испарителя, сначала в небольших количествах, а затем по мере истирания все увеличивающемся объеме, то при соприкосновении с воздухом капролактама происходит осмоление части капролактама. Недостатком данных испарителей является их невысокая надежность, большой расход электроэнергии и большие эксплуатационные расходы, а также невысокая производительность. Можно привести в пример испаритель, содержащий вертикально установленный корпус с секционированными по высоте обогревом с размещенным внутри него вращающимся ротором, снабженным гофрированными полыми барабанами, у которых на выступах гофр имеются отверстия, а верхняя часть барабанов снабжена распредели тельными устройствами, на которые через перегочныс лотки подается неиснарившийся продукт [4, 10]. Недостатком данного аппарата является значительная сложность изготовления, низкая надежность и большое количество требующих герметизации соединений - торцевое уплотнение вала ротора, а также фланцев патрубков для подачи неиснарившегося продукта на распределительные устройства барабанов. К недостаткам следует также отнести высокий расход электроэнергии. Целью разработки является создание тонкоиленочного испарителя без вращающихся элементов. Роторные испарители в данной технологической схеме могут быть заменены на испаритель без вращающихся частей описанный в параграфе 2.3
Анализ теплообменных процессов в тонких слоях жидкости взаимодействующих с нагретым (охлажденным) потоком газа
Теплообменный аппарат непосредственного контакта, в котором воздух нагревает или охлаждает жидкость, стекающую но стенкам тсплообмснной камеры. Аппарат может быть использован в промышленных охладителях, и в качестве тепломассообменного аппарата.
Данное техническое предложение направлено на создание аппарата оросительного типа с целью повышения эффективности теплообменньгх процессов. На Рис. 3,21 представлен оросительный теплообменник, продольный разрез (разрез А-А на Рис. 3.22), на Рис. 3.22 - то же, поперечный разрез (разрез Б-Б на Рис. 3.21). На Рис. 3.23 в изометрической проекции показано взаимное расположение плоских пластин установленных в теплообмен ном аппарате, и их соединение с источником постоянного напряжения.
Теплообменник содержит несущий каркас 1, в ею корпусе на держателях 2 и 3 закреплены горизонтальные ряды опорных стержней 4 и 5, вокруг которых натянуто полотно 6 закрепленное зажимами 7. При этом все опорные стержни размещаются па одном уровне. Над стержнями расположено устройство для подачи жидкости состоящее из форсунок 8, в которых размещены прокладки 9. В нижней части теплообменника установлен поддон 10. По краям от опорных стержней 4 на одной высоте и одинаковом расстоянии от них размещены прямоугольные металлические пластины 11 закрепленные на держателях 12 и 13, параллельные полотну 6. В центре опорных стержней 4 и 5 находя гея пазы, в которые вставлены прямоугольные пластины 14, также параллельные полотну 6 и пластинам П. Пластины 11 поочередно соединены проводящим элементом 15. который в свою очередь соединен с клеммой 16 источника постоянного тока. Пластины 14 поочередно соединены проводящим элементом 1 7, который в свою очередь соединен с клеммой 18 источника постоянного тока, К корпусу также присоединены устройство подачи жидкости 19 и вывода жидкости 20 и патрубок подачи воздуха 21 и вывода воздуха 22.
Теплообменник работает следующим образом, жидкость через устройство подачи жидкости 19 поступает в теплообменник, затопляя при этом прокладки 9 предназначенные для выравнивания расхода жидкости. В дальнейшем жидкость через форсунки 8 попадает на стержни 4 и далее по полотну 6 топкой пленкой стекает вниз, В виду того, что полотно 6 представляє г собой сетку, жидкий хладоноситель перетекает через отверстия сетки на противоположную плоскость полотна 6, утончая при этом пленку и увеличивая поверхность теплообмена воздуха с охладителем. При течении жидкости по сетчатому полотну 6, она взаимодействует с воздухом, который подается через патрубок 21 в теплообменник, и затем выводится из теплообменника через патрубок 22.
В случае если происходит нагрев жидкости, воздух отдает свое тепло жидкости, которая при этом нагревается. В процессе теплообмена воздух охлаждается, что сопровождается выделением в жидкости из воздуха небольшого количества влаги, В результате теплообмена воздух не только охлаждается, но частично осушается при одновременном увеличении его относительной влажности. В это же время жидкость подогревается при одновременном увеличении объема жидкости из-за частичной конденсации влаги из воздуха.
Далее жидкость стекает в поддон 10, откуда через патрубок 20 удаляется из теплообменника. Прокладки 9, предусмотренные конструкцией аппарата, позволяют выровнять расход жидкости выходящего через форсунки 8, что является определяющим для поддержания одинаковой толщины пленки, стекающей по сетчатому полотну 6. При малой скорости движения воздуха 3-5м/с между элементами полотна 7, унос жидкости исключен. Металлические пластины 11 и 14, находясь друг за другам, образуют своего рода конденсатор. При подаче на пластины напряжения, на жидкость начинает действовать сильное электрическое поле. Под его воздействием происходит утоньшение пленки жидкости и резкое увеличение теплообмена. Опорные стержни 4 и 5 выполнены из диэлектрика, что исключает возможность прямого контакта между пластинами, а также пробои между ними.
Предусмотренная О - образная форма опорных стержней 4 обеспечивает полный слив с них жидкости по полотну 6 и эффективное использование их в качестве несущей конструкции. Установленные пластины 11, 14 выполняют несколько функций 1. Создают электростатическое поле в зазорах между пластиками 11, 14. 2. 11а пластины попадает часть жидкости, которая стекает по обеим стропам пластин, при этом межфазная поверхность увеличивается н несколько раз, следовательно, интенсивность теплообмена увеличивается в несколько раз. 3. Пластины II, 14 позволяют регулировать процесс охлаждения или нагрева за счет регулирования напряжения на пластинах.
Практическая реализация предложенного оросительного теплообменника в качестве воздухоохладителя или теплообменного аппарата позволит снизить габариты теплообменного аппарата, что в свою очередь позволит уменьшить расход материала и трудозатрат па изготовление, регулировать его теплообменные характеристики, резко повысить эффективность теплообменник процессов, улучшить эксплуатационные и экологические показатели, повысить долговечность аппарата.
Похожие диссертации на Моделирование теплообменных процессов в пленке жидкости с сосредоточенным воздействием внешних параметров
