Интенсификация процесса тепломассообмена в контактных аппаратах с регулярной насадкой, страница 13

В последующем это учитывалось при составлениикритериального уравнения.ShTG/ТLРис. 4.5. Зависимость критерия Шервуда от относительной температуры1– ReG = 1850, w = 1,69 м/с; 2 – ReG = 1276, w = 1,17 м/с; 3 – ReG = 724, w = 0,66 м/сВлияние размеров блока насадки на коэффициент массоотдачиисследовалось путем проведения нескольких серий экспериментов дляблоков насадки с длиной 52, 100, 150, 200 мм и зазором между элементами87насадки 14 и 17 мм. Большие длины блока насадки не исследовались, ввидуприближения значений относительной влажности газа на выходе из аппаратак 100% (при малых скоростях газа). Каждая серия экспериментовпроводилась при переменной скорости газа для нескольких расходовжидкости. Результаты каждой из этих серий экспериментов представлены вприложении 1 в виде зависимости критерия Шервуда от критерия Рейнольдсагаза.

Совместная обработка графиков представлена на рис. 4.6. Из графиковвидно, что с увеличением длины элемента насадки уменьшается величинакоэффициента массоотдачи. То же наблюдается и при уменьшении зазорамеждуэлементаминасадки.Вработе[49]исследовалсяпроцесстепломассообмена при испарительном охлаждении воды в щелевом каналепотоком газа.

Там же предложено использовать в критериальном уравнениибезразмерный симплекс геометрического подобия, представляющий собойотношение длины исследуемого канала, к его ширине. Для ГПН-насадки этоможно представить как отношение длины блока насадки lнас к зазору междусоседними элементами насадки Δ.

Вводя в рассмотрение симплексгеометрического подобия, а также получив среднее значение показателястепени при критерии Рейнольдса газа (обработка экспериментальныхданных проводилась методом наименьших квадратов), было полученокритериальное уравнение для нахождения величины критерия Шервуда наГПН-насадке вида:Sh  0,22 ReG0,68  TG  ТL 0,57   lнас 0,62Sc 0,33.(4.18)Уравнение (4.18) позволяет при расчетах коэффициента массоотдачиучитывать не только режимные параметры работы контактного аппарата, нои геометрические размеры блока насадки, а также теплофизические свойствагаза и жидкости.

Опытные данные с максимальной погрешностью ± 20%описываются уравнением (4.18).88ShReGShReGРис. 4.6. Зависимость критерия Шервуда от критерия Рейнольдса газа при различнойдлине блока насадки lнас и зазоре между элементами насадки Δ = 14 мм (а) Δ = 17 мм (б).1 – lнас = 52 мм; 2 – lнас = 100 мм; 3 – lнас = 150 мм; 4 – lнас = 200 мм894.3. Результаты сравнительных испытаний ГПН-насадки сдругими конструкциями насадокПредставляется разумным провести сравнительную оценку ГПНнасадки с существующими конструкциями насадок.

Для этой цели, следуетсравнивать ГПН-насадку с насадкой, имеющей аналогичную структуру иконфигурацию блока, т.е. представляющую собой совокупность щелевыхканалов. Плоскопараллельная насадка (далее ППН-насадка) [20, 57] обладаетаналогичной конфигурацией блока и представляет собой, как правило,гладкие металлические листы, устанавливаемые в контактный аппаратвертикально с определенным зазором друг относительно друга. Поэтомубыла проведена серия экспериментов на ППН-насадке.

ППН-насадкапредставляла собой набор параллельно устанавливаемых в аппарат пластин.Во избежание значительной разницы в величине краевого угла смачивания,элементы ППН-насадки выполнялись также из алюминиевого сплава.Габаритные размеры ППН-насадки были выбраны соответствующими ГПНнасадке. Зазор между пластинами составлял 14 мм. По сечению аппаратабыло установлено 11 пластин. Использовалось то же самое оросительноеустройство, что и в сериях экспериментов с ГПН-насадкой. Было проведенотри серии экспериментов при четырех различных расходах жидкости.

Приэтом в экспериментах изменялась скорость газа. Непосредственно передэтими сериями экспериментов, были проведены испытания ГПН-насадки сблоком аналогичных размеров и конфигурации. Результаты экспериментовпредставлены на рис. 4.7 в виде зависимости объемного коэффициентамассоотдачи от F-фактора.

Из анализа графика на рис. 4.7 можно сделатьвывод, что ГПН-насадка обладает более высокой эффективностью посравнению с ППН-насадкой в исследованном диапазоне расходов газа ижидкости. Из рисунка также видно, что на коэффициент массоотдачи наППН-насадкезначительноевлияниеоказываетрасходжидкости.С90увеличением расхода жидкости увеличивается коэффициент массоотдачи.Столь значительное влияние расхода жидкости на коэффициент массоотдачиможет быть объяснено неполным смачиванием поверхности насадки водой.Автор убедился в этом после окончания опытов, путем визуальногообследованиялинийтокажидкостинаэлементахППН-насадки,участвовавших в экспериментах.βV, кг/(м3∙с∙кг/кг сух.

газа)F, Па0,5Рис. 4.7. Зависимость объемного коэффициента массоотдачи от F - фактора.1 – Reпл = 410, q = 28 м3/(м2∙ч); 2 – Reпл = 866, q = 59 м3/(м2∙ч); 3 – Reпл = 1374, q = 94м3/(м2∙ч); 4 – Reпл = 1606, q = 110 м3/(м2∙ч); 5 – ГПН-насадка, 880 < Reпл < 2400На рис. 4.8 представлена фотография элементов ППН-насадки,извлеченных из экспериментальной установки после проведения серийэкспериментов.

Из рис. 4.8 видно, по каким траекториям стекала жидкость по91элементам насадки. Можно наблюдать, что на ППН-насадке имеет местопреимущественно ручейковое течение жидкости, в то время как на ГПНнасадке – плёночное (см. главу 3). В то же время, в верхней части аппаратанасадкадостаточноравномерноорошаласьжидкостью изустройстваКроме(см.того,обладаеторосительногорис.4.8).ГПН-насадкаболеевысокойудерживающей способностьюпо жидкости. Об этом можносудитьпотому,чтосувеличением скорости газа дозначений,соответствующихF-фактору 3 Па0,5 (w ≈ 3 м/с),наблюдаетсяравномерныйлинейный рост коэффициентамассоотдачи на ГПН-насадкеРис.

4.8. Элементы ППН насадки послепроведения аэротермических испытаний. G –направление движения газа в аппарате; L –направление стекания плёнки жидкости ваппарате.(см. рис. 4.7). Обращаясь сновак фотографии на рис. 4.8следуетотметить,чтотраектории, по которым стекали ручейки жидкости по ППН-насадке,искривляются к нижней части аппарата и устремляются в сторону движениягазового потока.Врезультатеобработкиэкспериментальныхданныхпоиспарительному охлаждению оборотной воды на ППН-насадке былополучено критериальное уравнение:Sh  0,006ReG 0,609  Reпл 0,432  Sc 0,33 .(4.19)92Критериальное уравнение (4.19) получено при рабочих расходах жидкости вдиапазоне 410 < Reпл < 1605 и газа в диапазоне 1100 < ReG < 7900.

Опытныеданные описываются уравнением (4.19) с максимальной погрешностью ±15% (см. рис. 4.9).Было проведено сравнение ГПН-насадки с другими конструкцияминасадок. Это сравнение может быть проведено различными способами, средикоторых сравнение по числу Меркеля, сравнение по числу единиц переноса,сравнение по критерию Шервуда или по коэффициенту массоотдачи.Сравнение результатов по числу Меркеля Me осложняется различиями вобработкеэкспериментальныхданныхразличнымиисследователями.Ошибки некоторых исследователей при расчете числа Меркеля отмечаются вработе [27].

Например, в работе [33] можно видеть, что автором быланеверно подсчитано значение числа Меркеля, единица измерения которого врезультате авторских расчетов кг/м3 (из-за использования объемнойплотности орошения вместо массовой). Зачастую на это не обращаютвнимания авторы и некоторых других работ [60]. Кроме того использованиечисла Меркеля имеет практический смысл при сравнении насадок лишь впроцессахиспарительногоохлаждения.Отношениекоэффициентамассоотдачи (в числителе Me) к плотности орошения (в знаменателе Me)является критерием оценки глубины охлаждения.

В то же время в другихпроцессах химической технологии, например, в процессе охлаждениядымовых газов (где основной целью является охлаждение газа, а степеньнагрева воды является вторичной), следует выбрать другой критерий. Так,например число единиц переноса (ЧЕП) получило распространение взарубежной литературе [91, 93] при расчетах градирен. Являющеесязачастую аналогом критерия Меркеля [93, 103] ЧЕП может иметь взнаменателе вместо плотности орошения (как в критерии Me), удельныймассовый расход газа (в кг/м2∙с) [91]. В таком виде ЧЕП более разумноприменять в процессах, когда ключевой целью является изменениетемпературы газа (охлаждение дымовых газов контактным способом).

Также93Sh_0,006Reпл0,432∙Sc0,33ReGРис. 4.9. Экспериментальные данные по массообменуна ППН-насадке Δ = 14 мм, lнас = 100 мм;1 – Reпл = 410, q = 28 м3/(м2∙ч); 2 – Reпл = 866, q = 59 м3/(м2∙ч);3 – Reпл = 1374, q = 94 м3/(м2∙ч); 4 – Reпл = 1606, q = 110 м3/(м2∙ч);5 – уравнение (4.19) с учетом погрешности + 15%;6 – уравнение (4.19) с учетом погрешности - 15%94ограниченно можно сравнивать насадки по критерию Шервуда Sh. Этосвязано с тем, что в последний входит поверхностный коэффициентмассоотдачи.Вкачествеповерхностимассообменаприрасчетекоэффициента массоотдачи часто принимают геометрическую поверхностьнасадочных тел. Таким образом, для насадок с большой удельнойповерхностью критерий Sh зачастую оказывается меньше, чем для насадок смалой удельной поверхностью (крупные кольца Рашига, ППН-насадка,хордовая насадка и т.д.).

Это связано с недостаточно полным смачиваниемнасадок с высокой удельной поверхностью. Введение в знаменатель критерияШервуда коэффициента смачивания (отношение смоченной поверхностинасадки к геометрической) [32] решает эту проблему, однако определениеплощади смоченной поверхности насадки является не простой задачей. Болеерациональным представляется сравнение насадок по величине объемногокоэффициентамассоотдачи.Последнийявляется,пожалуй,наиболееуниверсальной мерой оценки интенсивности массоотдачи между газом ижидкостью в насадочном аппарате, так как характеризует удельный съемтеплоты (за счет массоотдачи) с единицы объема аппарата.На рис.

4.10 представлена зависимость объемного коэффициентамассоотдачи от фиктивной скорости газа для различных типов насадок,используемых в процессах испарительного охлаждения оборотной воды.Кривая (1) на рис. 4.10 получена для блока ГПН-насадки с параметрами Δ =14∙10-3 м, lнас = 0,3 м. Для остальных насадок рабочая высота слоя былапринята равной 0,3 м. Из анализа графика, представленного на рис. 4.10,можно сделать вывод, что ГПН-насадка обеспечивает больший теплосъем сединицы объема насадки, по сравнению с некоторыми другими насадками.Кроме того, регулируя зазор между элементами насадки, а также изменяякомпоновку блока насадки, можно обеспечить более высокие значениякоэффициента массоотдачи.Представляетсяцелесообразнымтакжесравнитьгидравлическоесопротивление исследуемой насадки с сопротивлением некоторых других95βV, кг/(м3∙с∙кг/кг сух.

газа)w, м/с.Рис. 4.10. Зависимость объемного коэффициента массоотдачи от скорости газа наразличных насадках при испарительном охлаждении воды и плотности орошенияq = 10 м3/(м2∙ч).1 – ГПН-насадка, уравнение (4.18); 2 – насадка ОГГТ-65 [7]; 3 – ККУ [83]; 4 –гофротрубы диаметром 44 мм [81]; 5 – насадка типа 36+6 [83]; 6 – насадка типа 22,5 [83]96насадок. Эксперименты (на экспериментальной установке № 2) показали, чтогидравлическоесопротивлениегидравлическимисследуемойсопротивлениемнасадкипустогосопоставимосРазличиеваппарата.гидравлическом сопротивлении пустого аппарата, и аппарата, заполненногонасадкой, находится в пределах погрешности экспериментов.

Таким образом,о гидравлическом сопротивлении можно судить по аналогии процессовтепло- и массообмена. Основная трудность в расчете гидравлическогосопротивлениянасадочногоконтактногоаппаратазаключаетсявопределении коэффициента гидравлического сопротивления орошаемойнасадки ξор. Для его нахождения можно воспользоваться аналогиейРейнольдсазависимости[56].АналогиямеждуРейнольдсакоэффициентомпредполагаетмассоотдачиисуществованиекоэффициентомгидравлического сопротивления насадки в следующем виде: ор2 8St  Sc 3 ,(4.20)где диффузионное число Стантона St (критерий Маргулиса) определяется поформуле:St Sh.ReG  Sc(4.21)Эта аналогия получена из предположения, что все гидравлическоесопротивление насадки представляет собой сопротивление трения, илобовым сопротивлением можно пренебречь.