Интенсификация процесса тепломассообмена в контактных аппаратах с регулярной насадкой, страница 12

Вэтом случае критерий Шервуда определяется по формуле:Sh βf  d e.D(4.15)Критерий Рейнольдса газа для слоя насадки определяется по формуле[62]:ReG 4w.aнас  νG(4.16)В качестве безразмерного критерия, учитывающего расход жидкости,было выбрано плёночное число Рейнольдса Reпл. Это позволило проводитьпараллели между экспериментами, проводимыми на стенде №1 (см. главу 3)и экспериментальной установке №2. Плёночное число РейнольдсаReплопределяли по формуле (3.1). При этом, линейная плотность орошенияопределяется по формуле:ГL,11  2bнас(4.17)где число 11 в знаменателе обозначает количество элементов насадки поширине аппарата, а 2 учитывает, что жидкость подается на обе стороныэлементов насадки.4.2. Результаты экспериментальных исследованийИз-занедостаткаопубликованныхвлитературерезультатовэкспериментальных исследований целью первых двух серий экспериментовбыло выявление особенностей гидродинамики и тепломассообмена на ГПНнасадке в условиях перекрёстного тока.

В первой серии экспериментов припостоянных значениях расхода жидкости изменялся расход газа (возрастал).79Длина блока насадки составляла lнас = 100 мм, а зазор между элементаминасадки Δ = 14 мм. Результаты этой серии экспериментов для шестиразличных расходов жидкости представлены на рис. 4.1 в виде зависимостикритерия Шервуда от критерия Рейнольдса газа. Из графика видно, что сувеличением скорости газа до значений числа Рейнольдса газа около 2500,расход жидкости практически не влияет на интенсивность массообмена наисследуемой насадке.

Для подтверждения этого вывода была проведенавторая серия экспериментов, в которой при постоянном расходе газаизменялась величина плотности орошения (возрастала). Результаты этойсерии представлены на рис. 4.2 в виде зависимости критерия Шервуда отShReGРис. 4.1. Зависимость критерия Шервуда от критерия Рейнольдса газа1 – Reпл = 321, q = 19 м3/(м2∙ч); 2 – Reпл = 683, q = 40 м3/(м2∙ч);3 – Reпл = 1037, q = 60 м3/(м2∙ч); 4 – Reпл = 1566, q = 92 м3/(м2∙ч);5 – Reпл = 1917, q = 112 м3/(м2∙ч); 6 – Reпл = 3321, q = 194 м3/(м2∙ч)80ShReплРис. 4.2. Зависимость критерия Шервуда от плёночного числа Рейнольдса1 – ReG = 510, w = 0,51 м/с; 2 – ReG = 1289, w = 1,3 м/с;3 – ReG = 1947, w = 1,96 м/с; 4 – ReG = 2645, w = 2,66 м/с;5 – ReG = 3178, w = 3,19 м/с; 6 – ReG = 3646, w = 3,63 м/с81плёночного числа Рейнольдса для шести различных значений расхода газа.Из анализа графика на рис.

4.2 можно также прийти к выводу, что прискоростях газа, соответствующих числу Рейнольдса газа ReG < 2500,коэффициент массоотдачи практически не изменяется с изменением расходажидкости.Отсутствие влияния расхода жидкости на величину коэффициентамассоотдачиможнообъяснитьследующимобразом.Коэффициентмассоотдачи в процессах контактного теплообмена лимитируется газовойфазой, а потому с увеличением расхода жидкости увеличение коэффициентамассоотдачи может происходить незначительно и преимущественно за счетувеличения относительной скорости на границе раздела фаз (газ-жидкость)(см. главу 1).

Также, увеличение интенсивности тепломассообменныхпроцессов может происходить при неполном смачивании насадки, когда сувеличением расхода жидкости увеличивается лишь смоченная поверхностьнасадки. Для ГПН-насадки, как показано в главе 3, в условиях полногосмачивания насадки, поверхность насадки покрыта «стоячими» волнами.

Тамже отмечено, что с увеличением расхода жидкости уменьшается амплитудастоячих волн. Очевидно, что при уменьшении амплитуды стоячих волн такжеуменьшаетсяплощадьсвободнойповерхностиплёнкижидкости,а,следовательно, и активная поверхность массообмена. Таким образом, приувеличениирасходажидкостинаГПН-насадкевдиапазоне700 < Reпл < 4400 увеличение коэффициента массоотдачи за счет ростамежфазнойскорости соседствует сявлениемуменьшенияактивнойповерхности тепломассообмена, из-за уменьшения амплитуды свободнойповерхности плёнки жидкости.При больших значениях критерия Рейнольдса газа (ReG > 2500)наблюдаетсясложнаякартиназависимостикритерияШервуданаисследуемой насадке от расходов теплоносителей (см.

рис. 4.1). Из рис. 4.2видно, что при скоростях газа, соответствующих ReG > 2500, наблюдаетсязначительное влияние расхода жидкости на коэффициент массоотдачи.82Увеличение расхода жидкости приводит к росту коэффициента массоотдачи.Из рис. 4.1 также можно видеть, что с увеличением ReG > 2500, увеличениерасхода газа приводит к более интенсивному росту коэффициентамассоотдачи, чем при скоростях газа, меньше 2,5 м/с (ReG < 2500). Врезультате анализа результатов экспериментов, а также литературныхисточников, автор пришел к следующему выводу.

При критерии Рейнольдсагазового потока ReG > 2500 увеличение интенсивности тепломассообмена засчет возникновения и развития турбулентности в газовом потоке соседствуетс явлением уменьшения коэффициента массоотдачи за счет сноса жидкости споверхности элементов насадки потоком газа. Фотография нарис. 4.3демонстрирует характер происходящих в слое ГПН-насадки процессов сносажидкости потоком газа в нижней части аппарата, при фиктивной скоростигаза w = 3 м/с. На фотографии видно, как в нижней половине насадочнойчасти аппарата с элементов насадки срывается плёнка жидкости.

Следуетотметить, что снос жидкости с насадки приводит к образованию сухих пятенна её поверхности, следствием чего является уменьшение активнойповерхности массообмена. По этой причине при значении критерияРейнольдса газа ReG > 2500 (см. рис. 4.2), значительное влияние накоэффициент массоотдачи начинает оказывать величина расхода жидкости ваппарате. При увеличении расхода жидкости уменьшается площадь сухихпятен на насадке, образуемых за счет сноса плёнки жидкости потоком газа.Из-за неполного использования насадочного объема аппарата, а также из-зазначительной нагрузки на каплеотбойник режим работы аппарата прискоростях газа более 2,5 м/с не является рациональным.

Результаты этойсерии экспериментов, также были обработаны по методике градирни. Этирезультаты представлены на рис. П1 и рис. П2 в приложении 1.Представление результатов экспериментов в виде зависимости отношениякоэффициента массоотдачи к расходу жидкости, позволяет оценить не толькоинтенсивность процесса тепломассообмена на насадке, но также и глубинуохлаждения. Из анализа разброса экспериментальных точек можно увидеть83ещеболеесложныйхарактер зависимостей, чемна рис. 4.1 и рис. 4.2.Каждаясерияэкспериментовразличныхприпостоянныхзначениях расхода жидкостиобразует кривую, имеющуюхарактерныйизлом,начинающийсяснебольшогоучасткауменьшения коэффициентамассоотдачиприувеличении расхода газа (засчетсносанасадки).Рис.

4.3. Снос жидкости с насадки при фиктивнойскорости газа w = 3 м/сИзжидкостисположениякривых на графике видно,чтонаибольшаяглубинаохлаждения может быть достигнута при минимальном расходе жидкости имаксимальном расходе газа. Отбросив ту часть экспериментальных данных,которая соответствует области турбулентного течения газа и сноса жидкостис насадки, можно видеть (см. рис. 4.4), что экспериментальные данныеобразуют семейство параллельных прямых. В то же время для другихнасадок градирен [54] эта зависимость, как правило, представляет собой однупрямую. По-видимому, это связано с тем, что для ГПН-насадки в условияхперекрёстного тока, относительный расход λ не является определяющимкритерием подобия, а увеличение расхода жидкости не приводит к ростусмоченной поверхности и интенсификации процесса тепломассообмена.84βV/qL, 1/мλ _Рис. 4.4.

Зависимость βV/qL = f(λ)1 – Reпл = 321, q = 19 м3/(м2∙ч); 2 – Reпл = 683, q = 40 м3/(м2∙ч);3 – Reпл = 1037, q = 60 м3/(м2∙ч); 4 – Reпл = 1566, q = 92 м3/(м2∙ч);5 – Reпл = 1917, q = 112 м3/(м2∙ч)85В литературе отмечается [49, 60, 101], что на интенсивность процессатепломассообмена при испарительном охлаждении могут оказывать влияниене только расходы теплоносителей. Поэтому автором были проведенынесколькосерийэкспериментовпоизучениювлияниятемпературтеплоносителей, длины блока насадки и величины зазора между элементаминасадки на коэффициент массоотдачи.

__Из-за сложности организации нагрева воздуха и поддержанияпостояннойеготемпературы,исследованиевлияниятемпературытеплоносителей на коэффициент массоотдачи удобнее проводить в условияхпеременной температуры воды. При этом в литературе по-разномуучитывается влияние температуры жидкости на коэффициент массоотдачи[49, 68, 101]. Например, в работе [49] авторами в качестве определяющегокритерия подобия была выбрана относительная температура TG /ТL,. Наосновании этого было проведено три серии экспериментов при трехразличных расходах газа. В экспериментах постепенно (в течении 80 мин.)возрастала начальная температура воды с 25 оС до 45 оС и регистрировалисьпоказания датчиков.

Размеры и конфигурация блока насадки не изменялись(lнас = 100 мм, Δ = 14 мм). Расход жидкости во всех сериях экспериментовбыл постоянный, и соответствовал линейной плотности орошения 0,49 м3/(м∙ч). Результаты этих экспериментов представлены на графике на рис. 4.5.Из графика на рис. 4.5 можно видеть, что с увеличением начальнойтемпературы воды (т.е. при уменьшении относительной температуры TG/TL)уменьшается величина коэффициента массоотдачи. В результате обработкиэкспериментальныхданныхметодомнаименьшихквадратовбылоустановлено, что величина коэффициента массоотдачи на ГПН-насадкепропорциональна относительной температуре в степени 0,57. Это близко крезультатам экспериментальных исследований Письменного [49], которыйдля плоскопараллельного канала с сеточным покрытием получил значениепоказателя степени при относительной температуре, равное 0,55.86Анализ литературных источников [19, 24, 29, 31, 32, 49, 76, 78, 110]показал, что в процессах контактного теплообмена в целом, а также впроцессахиспарительногоохлаждения,вчастности,коэффициентмассоотдачи пропорционален критерию Шмидта (диффузионное числоПрандтля) в степени 0,33.