Интенсификация процесса тепломассообмена в контактных аппаратах с регулярной насадкой, страница 10

Такиенасадки можно использовать с большинством типов существующихоросительных устройств. Случай, когда H ≈ 1, по мнению автора, можетбыть в том случае, когда плоскость всех отверстий в элементах насадкиобразует острый угол с вектором силы тяжести. В качестве примера можноотметить насадку HOLPACK, выполняемую из листов просечно-вытяжной64стали [95]. Из рис. 3.3 видно, что в случае подачи жидкости на правуюсторону элемента насадки (см. вид (б) на рис. 3.3), создаются благоприятныеусловия для перетекания жидкости на левую сторону элемента насадки.Однако если жидкость будет подаваться на левую сторону элемента насадки,перетекание жидкости на правую сторону элемента насадкиТеоретическоеопределениечисламаловероятно.перетока осложненонеобходимостью учета целого ряда факторов, средикоторых: формаотверстий и их площадь, высота элементов насадки, режим течения плёнкиГз /ГReплРис.

3.2. Зависимость количества жидкости, перетекающей на противоположнуюсторону насадки через щели от расхода жидкости. 1 – Серия экспериментов припостепенном увеличении плотности орошения; 2 – серия экспериментов припостепенном уменьшении плотности орошения65жидкостипоповерхностиэлементанасадкиравномерностьподачиорошающей жидкости, поверхностное натяжение жидкости, ориентацияотверстий в пространстве и т.д.Рис. 3.3.

Вид спереди на элемент насадки HOLPACK (а); вид сбоку (б) [95]В настоящей работе проводилось две серии экспериментов. В первойсерии последовательно увеличивалсярасход жидкости от значения,соответствующего минимальной плотности орошения(когда сторонаэлемента насадки, на которую подается орошающая жидкость, полностьюпокрывалась сплошной плёнкой жидкости) до максимальной плотностиорошения (когда плёнка жидкости схватывалась с элементами рамы по бокамот элемента насадки). Результаты этой серии опытов представлены на рис.3.1 и рис. 3.2 (кривая 1).После этой серии опытов, проводилась вторая серия опытов, когдазадняя сторона элемента насадки интенсивно орошалась жидкостью, иэксперименты повторялись при последовательном уменьшении расходаорошающей жидкости вплоть до значений, соответствующих минимальнойплотности орошения. Результаты этой серии экспериментов представлены нарис.

3.1 и рис. 3.2 (кривая 2).Из кривых (1) на рис. 3.1 и рис. 3.2 видно, что при малых плотностяхорошения (Reпл < 1320) перетекание жидкости с передней стороны элемента66насадки на заднюю не наблюдается (здесь и далее за переднюю сторонуэлемента насадки будем считать ту сторону, на которую первоначальноподаётся орошающая жидкость). В это время с задней стороны элементанасадки в местах щелей наблюдалось образование менисков жидкости.

Этосвидетельствует о том, что от перетекания на заднюю сторону элементанасадки,жидкостьудерживаюткапиллярныесилы.По-видимому,инициировать перетекание жидкости на заднюю сторону можно, уменьшиввеличину поверхностного натяжения. Одним из способов уменьшитьвеличину поверхностного натяжения может являться нагрев жидкости.Согласно данным работы [82], величина поверхностного натяжения прямопропорциональна температуре жидкости. Таким образом, использованиепредлагаемой насадки может оказаться перспективным в аппаратах, гдежидкость нагревается в результате взаимодействия с газовым потоком(например, утилизация теплоты отходящих газов конвективных сушилок,утилизация теплоты дымовых газов, абсорбция или хемосорбция свыделением теплоты и т.д.).

Инициировать перетекание жидкости на заднююсторону элемента насадки можно также за счет вибрации элемента насадки, икак будет показано далее – за счет турбулизации плёнки жидкости. Крометого, величина краевого угла смачивания зависит от того, поступаетжидкость на сухую, или на предварительно смоченную поверхность.При значении критерия Рейнольдса Reпл ≈ 1320 наступает резкоеувеличение числа перетока.

По-видимому, это может быть вызванопоявлением в стекающей плёнке жидкости турбулентности.Из литературы известно [51], что турбулентный режим течения пригравитационном стекании плёнки жидкости по вертикальной поверхностинаступает при условии Reпл > 1600. В то же время исследователи[52]сходятся во мнении, что с увеличением высоты выступов шероховатости,критическое число Рейнольдса, соответствующее переходу от ламинарного(ламинарно-волнового) режима течения к турбулентному уменьшается.

Наисследуемой насадке высота гофр равна 2,8 мм, что позволяет рассматривать67гофрынаданнойшероховатость.Этонасадкекакпозволяеткрупномасштабнуюпредположить,чторегулярнуюнаступлениетурбулентного режима течения на данной насадке должно произойти применьшем значении Reпл, чем на гладкой вертикальной поверхности. Развитиетурбулентности в плёнке жидкости вызывает поперечные флуктуациивектораскорости.Этоприводиткпериодическимувеличениямдинамического давления на мениски жидкости в щелях со стороныстекающей плёнки жидкости. Под действием поперечных флуктуацийвектора скорости, мениск жидкости в одной из щелей продавливается, ижидкость через эту щель начинает перетекать на заднюю сторону элементанасадки единичной струей.

Схема механизма перетекания жидкости назаднюю сторону элемента насадки показана на рис. 3.4.Стекая на каждую нижележащую впадину гофр по задней сторонеэлемента насадки, струя жидкости схватывается с менисками жидкости вщелях и таким образом, через эти мениски также начинает перетекатьжидкость на заднюю сторону элемента насадки.

Как видно из рис. 2.1 каждаявпадина гофр соседствует с четырьмя щелями. Процесс перетекания плёнкижидкости с одной стороны элемента насадки на другую нарастаетлавинообразно, что видно из кривой 1 на рис. 3.2.При дальнейшем увеличении плотности орошения Г выше 2 м3/(м∙ч)(Reпл ≈ 1650) рост количества жидкости, перетекающей на заднюю сторонуэлемента ГПН-насадки, начинает уменьшаться (см. рис.

3.1). Увеличениеплотности орошения Г приводит к тому, что все большее количество щелей врассматриваемой насадке начинают пропускать жидкость на заднююсторону. При этом все большая часть задней стороны элемента насадки сувеличением расхода покрывается плёнкой жидкости. При плотностиорошения около 2,7 м3/(м∙ч) (Reпл ≈ 2200) рост количества жидкости,перетекающей на заднюю сторону элемента насадки, прекращается (см.

рис.3.1). Количество жидкости, перетекающее на заднюю сторону элементанасадки,становитсяпостояннымиравным Гз = 1,37 м3/(м∙ч). Это68Рис. 3.4. Стадии механизма перетекания жидкости на заднюю сторону элемента насадки:(а) – исходное состояние; (б) – продавливание мениска жидкости и образование капли назадней стороне элемента насадки; (в) – увеличение объема капли и схватывание её смениском жидкости в соседней щели; (г) – увеличение объема капли и стекание ееединичной струей на заднюю сторону элемента насадки; (д) – схватывание струижидкости с менисками жидкости в щелях нижележащей впадины гофры; (е) образованиеплёнки и гравитационное стекание её вниз.

1 – Элемент насадки; 2 – мениск жидкости вщели; 3 – капля жидкости; 4 – струя жидкости; 5 – плёнка жидкости69критическое количество жидкости Гкр очевидно зависит от ширины элементанасадки. Это является следствием того, что с увеличением ширины элементанасадки прямо пропорционально увеличивается количество щелей, черезкоторые может перетекать жидкость. Таким образом, приняв, что существуетлинейная зависимость между величиной Гкр и шириной элемента насадки bн,можно получить выражение для расчета критического значения количестважидкости, перетекающей на заднюю сторону элемента насадки в виде:Г кр  22,9bнас ,(3.3)где множитель 22,9 представляет собой отношение критического количестважидкости,перетекающего назаднюю сторону элементанасадки вэкспериментах автора (Гзд = 1,37 м3/(м∙ч)) к ширине элемента насадки в техже экспериментах (bн = 0,06 м).В проведенных опытах экспериментально установлено наличие трехрежимов течения плёнки жидкости по поверхности предлагаемой насадки.При значении критерия Рейнольдса Reпл < 1320 жидкость стекает в видеплёнки по передней стороне элемента насадки.

Перетекание жидкости назаднюю сторону элемента насадки не наблюдается. Следует отметить, что врассматриваемом диапазоне значений критерия Рейнольдса Reпл плёнкажидкости покрыта волнами (см. рис. 3.5). Профиль этих волн напоминаетсинусоиды с различной амплитудой A, но с одинаковой длиной волны λ (см.рис. 3.6 а). Длина волны λ для обычных гравитационных волн, образующихсяпри течении плёнки жидкости по гладкой вертикальной поверхности,представляет собой расстояние между выступами гребней двух стекающихдруг за другом волн. Величина λ зависит от критерия Рейнольдса жидкости ис увеличением последнего уменьшается [84]. В то же время на предлагаемойнасадке волны имеют совершенно иную природу.

Форма и амплитуда волн,образующихся на поверхности испытуемой насадки, определяется профилемповерхности, по которой они стекают. Такие волны называются «стоячими»[84] и их длина волны λ не изменяется с изменением расхода орошающейжидкости. Увеличение расхода орошающей жидкости в этом случае70сказывается лишь на уменьшении амплитуды волн A (см. рис.

3.6) иувеличении скорости течения плёнки жидкости. Этот режим течения можноохарактеризоватькакрежимтечениясостоячими волнами на одной стороне элементанасадки (далее будем называть его первымрежимом течения).ПричислахРейнольдса1320 < Reпл < 2200 возникает другой режимтечения, начинающийся с резкого увеличениячисла перетока H от нуля до максимальногозначения. При этом обе стороны элементанасадки покрываются плёнкой жидкости со«стоячими волнами» (см. рис.