Интенсификация процесса тепломассообмена в контактных аппаратах с регулярной насадкой, страница 4

Так, например, выполнение насадочного слоя избольшого количества блоков насадки незначительной высоты позволяет приодном и том же объеме насадки добиться более высоких коэффициентовмассоотдачи [85].Значительный интерес представляет также перекрёстноточная схема(поперечный ток) организации процесса тепломассообмена в насадочныхаппаратах (см. рис. 1.3). Однако, преимущества этого способа организациидвижения взаимодействующих потоков не так очевидны. Это связано сособенностямипроцессовконтактноготеплообменамежду газомижидкостью на насадках. Дело в том, что современные регулярные насадки, вбольшинстве своем, представляют собой блоки из собранных под угломгофрированных листов (например, см.

работы [22, 83, 85 ,106, 109]). Хотяданные насадки и обладают высокой удельной поверхностью, но в процессахконтактного теплообмена, как правило, работают в условиях неполногосмачивания. К этому выводу можно прийти на основе анализа методикрасчета контактных аппаратов [24, 31, 55].

Так, например, при расчетеплотности орошения в контактных насадочных противоточных аппаратахпринято пользоваться формулой [24]:qmin  0,12...0,24aнас .(1.2)Расчет по формуле (1.2) позволяет, например, рассчитать что насадке судельной поверхностью a = 50 м2/м3 для гарантированного смачиванияповерхности требуется обеспечить плотность орошения q не менее 12м3/(м2∙час). В то же время в градирнях плотность орошения редко превышает11 м3/(м2∙час) [54]. В работе [55] для контактных теплообменных аппаратов,25автор ограничивает плотность орошения значением 9 м3/(м2∙час). Приувеличении плотности орошения (за счет уменьшения площади поперечногосечения аппарата) можно добиться увеличения коэффициента смачивания Φ1.Однако уменьшение площади поперечного сечения аппарата приводит такжек увеличению скорости газа.

С ростом скорости газа кроме очевидногоувеличения коэффициента массоотдачи (приблизительно пропорциональноскорости газа в степени 0,6-0,8), происходит уменьшение глубиныохлаждения, из-за большего объема жидкости в насадочном слое. Крометого, рост скорости газа в аппарате влечет за собой увеличениегидравлического сопротивления аппарата и рост уноса капельной жидкости.Более того, увеличение скорости газа ограничено явлением захлебываниянасадочного аппарата при больших скоростях газа.

Из вышесказанногоможно сделать вывод, что использование насадок с высокой площадьюудельной поверхности зачастую оказывается малоэффективным.Рис. 1.3. Насадочный перекрёстноточный аппарат1Коэффициент смачивания представляет собой отношение смоченной поверхности насадки, кгеометрической поверхности насадки. При полном смачивании насадки, когда вся поверхность насадочныхтел покрыта плёнкой жидкости, коэффициент смачивания равен 1.

Иногда его включают в формулукритерия Нуссельта или Шервуда в знаменатель [32].26Похожая ситуация наблюдается и в контактных аппаратах дляохлаждения горячих газов (контактных экономайзерах). В них, помимоохлаждения горячих газов, как правило, ставится цель получить воду смаксимальновысокойтемпературой,котораяможетвдальнейшемиспользоваться для различных технологических или бытовых нужд. Этомуможет способствовать уменьшение плотности орошения (в противоточныхаппаратах). Однако при этом, как уже отмечалось, возможно неполноесмачивание поверхности насадки.Преимущество перекрёстного тока по сравнению с противотокомзаключается в том, что в условиях перекрёстного тока возможна компоновкаблока насадки таким образом, чтобы сечение для прохода газа было большесечения для прохода жидкости [90]. Таким образом, оказывается возможнымизменять плотность орошения за счет изменения соотношения длины,ширины и высоты блока насадки, не влияя при этом на скорость газа.

Принебольших скоростях газа оказывается возможным обеспечить достаточнуюплотность орошения насадки, без увеличения расхода жидкости и скоростигаза, тем самым ограничивая явление уноса жидкости и не увеличиваягидравлическое сопротивление аппарата по газу.Следует отметить, что, несмотря на то, что, как известно [38], процессыконтактного теплообмена лимитируются газовой фазой, значительную роль ваппаратах рассматриваемого типа играет также движение жидкости.Гофрирование, зиговка и рифление поверхности насадок, помимо увеличенияудельной поверхности насадки, влияет на особенности плёночного теченияжидкости по насадке, на коэффициент смачивания и т.д. Перфорацияповерхности насадки может интенсифицировать перетекание жидкости содной стороны элемента насадки на другую. Выполнение насадки из хорошосмачиваемых материалов позволяет обеспечить полное смачивание насадкипри малых расходах жидкости. Выполнение блоков насадки небольшойвысоты (для противоточных аппаратов) позволяет обеспечивать высокиезначения коэффициентов массоотдачи [85].

Этому также способствует27перекрёстный ток, в условиях которого блок насадки может быть выполненнебольшой длины, что обеспечивает как высокие значения движущей силы,так и высокую плотность орошения. Поэтому с целью оптимизацииконструкциинасадочногоконтактноготеплообменногоаппаратапредставляется целесообразным рассмотреть особенности гидродинамикиразличныхрегулярныхнасадок(какнаиболееэнергоэффективныхконтактных устройств).1.4.Особенности гидродинамики плёночных регулярных насадокРегулярныенасадкинашлинаибольшеераспространениенапромышленных и энергетических предприятиях.

В первую очередь этоотносится к тем насадкам, у которых поверхностью тепло- и массообменаявляется плёнка жидкости (сюда же относятся плёночные оросителиградирен). Как правило, такие регулярные насадки сочетают в себе низкоегидравлическое сопротивление и высокую эффективность [21, 39]. Вомногом именно от характеристик плёночного течения жидкости поповерхностям насадок зависит эффективность процесса тепломассообмена вконтактных аппаратах. Регулярные насадки обычно представляют собойгладкиеилишероховатыеповерхности,оснащенныерифлением,перфорацией, гофрами, щелями и т.д. Столь большое разнообразиеконфигураций форм и рельефа поверхностей насадок является следствиемтого, что не имеется достаточно полного представления о влиянии рельефаповерхности насадки на особенности плёночного течения жидкости иэффективность тепломассообменных процессов. Характеристики плёночноготечения, такие как толщина плёнки жидкости, скорость стекания плёнкижидкости, площадь смоченной поверхности насадки и т.д.

напрямую зависятот геометрии насадки. Ввиду многообразия форм, размеров и конфигурациирегулярных насадок сложно систематизировать закономерности плёночноготечения жидкости по их поверхностям. Представляется целесообразным28проанализировать процессы течения жидкости отдельно по гладкимповерхностям и по поверхностям с комплексной геометрией.1.4.1. Течение плёнки жидкости по гладким вертикальным и наклоннымповерхностямПригравитационномтеченииплёнкижидкостипогладкойвертикальной или наклонной поверхности имеют место несколько режимовтечения плёнки жидкости. Обычно, выделяют пять режимов течения:ламинарныйбезволновой,первыйламинарныйволновой,второйламинарный волновой, псевдотурбулентный и турбулентный [51].

Границырежимов течения плёнки жидкости по гладкой вертикальной поверхностипредставлены в табл. 1.1. В некоторых работах, выделяют всего три режиматечения:ламинарный,турбулентныйиволновой.Наиболееизученламинарный режим течения плёнки жидкости, исследованием которогозанимался еще Нуссельт. Им же впервые получено выражение дляопределения толщины плёнки жидкости, при её гравитационном течении погладкой поверхности [15]:133 νδ   ж Reпл  ,4 g2(1.3)где Reпл – плёночное число Рейнольдса, определяемое по формуле Reпл =4Г/νж [3].

Для нахождения толщины плёнки жидкости, стекающей понаклонной поверхности, знаменатель в правой части уравнения умножают насинус угла наклона поверхности (по которой стекает жидкость) к вертикали.На практике ламинарное течение практически не используется.

Этосвязано с его неустойчивостью. Еще П.Л. Капицей [28] отмечено, чтоволновое течение более устойчиво из-за меньшей средней толщины плёнкижидкости, чем при ламинарном течении. При малых расходах жидкости(вблизи нижней границы режима течения), ламинарное плёночное течение29легко переходит в ручейковое, а при больших (вблизи верхней границы) наповерхности плёнки жидкости появляются волны. Отметим, что волныпоявляются даже при малых расходах жидкости на большом расстоянииот места орошения (более метра).Табл. 1.1.