Интенсификация процесса тепломассообмена в контактных аппаратах с регулярной насадкой, страница 5

Границы режимов гравитационного течения плёнки жидкости по гладкойвертикальной поверхности для ньютоновской жидкости [71]Наименование режиматеченияНижняя границарежимаВерхняя границарежимаЗависит от условийустойчивости плёнкиReпл = 1,88Fi1/10Первый переходныйReпл = 1,88Fi1/10Reпл = 8,8Fi1/10ВолновойReпл = 8,8Fi1/10Reпл = 300Второй переходныйReпл = 300Reпл = 1600ТурбулентныйReпл = 1600ЛаминарныйНачало изучения волнового течения плёнки жидкости было положеноП.Л. Капицей в середине прошлого столетия [28].

В дальнейшем,значительного успеха в изучении волновых течений плёнки жидкости,добились сотрудники института теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН[3, 4, 5, 12, 109]. Остановимся на следующих особенностях волновыхтечений. Волновое течение плёнки жидкости характерно появлением насвободной поверхности плёнки жидкости волн различных форм и размеров.При этом профиль волн изменяется при изменении расхода жидкости, приизменении расстояния от источника орошения, при нагреве плёнкижидкости, при пульсациях расхода и т.д. На рис. 1.4 представлена схемаэволюции волн при гравитационном течении плёнки водоглицериновогораствора по поверхности цилиндра, диаметром 60 мм (h – высотаорошаемого цилиндра, мм).

Из рисунка можно видеть, что по высотеорошаемого участка, волны на поверхности насадки изменяют свой профиль– передний склон волн становится более крутым, принимая форму,называемою солитоном (см. рис. 1.5). При этом по высоте орошаемого30участка волны из двумерных (кольцевых) становятся трехмерными (см. рис.1.4). Для практических тепломассообменных расчетов это затрудняетопределение действительной поверхности тепломассообмена. Кроме тогопрофиль волн влияет также и на перемешивание в плёнке жидкости, а,следовательно, и на массопередачу в жидкой фазе.

Средняя толщина плёнкижидкости при волновом течении по вертикальной поверхности с достаточнойдля практических расчетов точностью может быть определена по формуле(1.3) [15].Рис. 1.4. Эволюция волн,стекающих по поверхностивертикального цилиндрапри Reпл = 60 [3]Рис. 1.5. Форма волны типа «солитон»(шкала в мм) [4]При увеличении плёночного числа Рейнольдса Reпл > 1200 ± 200, вплёнке жидкости начинает развиваться поперечное перемешивание. Профильскорости в плёнке жидкости становится турбулентным, что характеризуетсяуменьшениемотношенияскоростиплёнкижидкостинасвободнойповерхности к средней скорости плёнки жидкости.

Для определения среднейтолщины плёнки жидкости (в мм) для турбулентного течения, применяютформулу [37]:δ  3,117712Г1 νL 121g3.(1.4)31В реальной тепломассообменной аппаратуре не всегда даже придостаточном орошении вся поверхность насадки оказывается смоченной. Этоотмечается в работе [114], где средствами компьютерных программвычислительной гидродинамики моделируется течение плёнки жидкости погладкой пластине, установленной под углом 60 о к горизонту.

Результатымоделирования плёночного течения [114] представлены на рис. 1.6 в видезависимости толщины плёнки жидкости от расхода жидкости (выражаемогочерез число Вебера). Из рисунка видно, что при малых расходах орошающейжидкости, на некотором расстоянии от места орошения, плёночное течениепереходит в ручейковое. Кроме того авторы работы [114] отмечают, что навеличинусмоченнойповерхностизначительноевлияниеоказываетнаправления изменения расхода жидкости.Рис.

1.6. Схема течения плёнки жидкости по гладкой наклонной поверхности приWe = 0,04 (а); We = 0,42 (б); We = 0,80 (в); We = 1,14 (г); We = 1,44 (д) [114]Обработка результатов экспериментов в работе [114], также позволилаустановить зависимость коэффициента смачивания, равного отношениюплощади смоченной поверхности, к площади всей орошаемой поверхности,от числа Вебера. Эта зависимость представлена на рис.

1.7. Из неё видно, чтона величину смоченной поверхности сильное влияние оказывает направлениеизменения расхода жидкости. Анализируя кривые на рис. 1.6 можнонаблюдать гистерезис в диапазоне чисел Вебера от 0,6 до 1,4.32ΦWeРис. 1.7. Зависимость коэффициента смачивания от числа Вебера; 1 – приувеличении расхода жидкости; 2 – при уменьшении расхода жидкости; 3 – данныеработы [102]1.4.2. Течение плёнки жидкости по насадкам и поверхностям с комплекснойгеометриейПростейшим случаем плёночного течения жидкости по поверхностям скомплексной геометрией, является случай гравитационного течения плёнкижидкости по поверхности с регулярной шероховатостью.

В зависимости отвысоты выступов регулярной шероховатости изменяется и характерплёночного течения.В работе [52] отмечено, что при течении плёнки жидкости поповерхности с регулярной песочной шероховатостью, критическое значениеплёночного числа Рейнольдса Reкр ниже, чем на гладкой. Критическим, вданном случае, считают значение плёночного числа Рейнольдса, отвечающеепереходу от волновых режимов течения к турбулентным.

Там жепредставлена критериальная зависимость, для нахождения критическогозначения плёночного числа Рейнольдса:331,740, 5hш   sш sш .Reкр  16001  0,25exp0,35 h 6  10 4   hш ш (1.5)В уравнении (1.5) отношение hш /6∙10-4 представляет собой отношениевысоты выступов регулярной шероховатости hш к максимальной высотевыступов шероховатости в экспериментах авторов [52]. При высоте выступоврегулярной шероховатости более 0,6 мм уравнение (1.5) не применимо.

Этосвязано с самим механизмом появления турбулентности при течении пошероховатой поверхности. Если высота выступов сопоставима или меньшетолщины вязкого подслоя гравитационно стекающей плёнки жидкости (hш <0,6 мм), то при плёночном течении вязкий подслой разрушается собразованием вихрей, интенсифицирующих поперечное перемешивание вплёнке жидкости. Более ранний переход от ламинарного течения плёнкижидкости к турбулентному происходит и на поверхностях с другими типамирегулярной шероховатости, например с сеточным покрытием [74].Если высота выступов шероховатости больше толщины вязкогоподслоя, то плёнка жидкости при гравитационном течении огибает выступышероховатостибезразрушениявязкогоподслоя.Такоетечениерассматривалось в работе [59] для случая течения жидкости по поверхностинасадки из гофрированных полимерных труб.

Авторы работы отмечают, чтотолщина плёнки жидкости на выступах гофр меньше, чем во впадинах. Имиже предложены уравнения для расчета средней толщины плёнки жидкости вовпадинах гофр:13νδ   0,83 ж Reпл  ,g2(1.6)и для расчета толщины плёнки жидкости на выступах гофр:13νδ   0,68 ж Reпл  .g2(1.7)34Из анализа уравнений (1.6) и (1.7) видно, что они отличаются от выраженияНуссельта (1.3) значением постоянного множителя. Однако, в работе [59]отсутствует информация о профиле гофр на насадке, а в формулы (1.6) и (1.7)не входит характерный размер гофр, что ограничивает возможностьиспользование этих формул для практических расчетов.В работе [107] представлены результаты измерения толщины плёнкижидкости, стекающей по поверхности с регулярной шероховатостью.Исследуемый участок представлял собой плоскую пластину с поперечнымиканавками глубиной 0,15 мм и шириной 0,5 мм.

Расстояние между соседнимиканавками составляло 1,5 мм. Толщина плёнки жидкости измеряласьметодом касания, что позволило получить картину распределения среднейтолщины плёнки жидкости на орошаемой поверхности (рис. 1.8). Анализ рис.1.8 показывает, что толщина плёнки жидкости во впадинах гофр не всегдабольше, чем на выступах гофр, что не согласуется с данными работы [59].Это связано, вероятно, с тем, что при течении плёнки жидкости поповерхностям,представляющимсобойтелавращения(например,вертикальная гофрированная труба), увеличение толщины плёнки жидкостиво впадинах (канавках) может происходить частично из-за того, что вовпадинах уменьшается смоченный периметр.

При постоянном расходежидкости это приводит к увеличению плёночного числа Рейнольдса, и, какследствие, к увеличению толщины плёнки жидкости.Рис. 1.8. Распределение средней толщины плёнки жидкости, стекающей повертикальной поверхности с поперечными канавками [107];35В работах [11, 47, 52] исследовались плёночные биоректоры, в которыхжидкость движется турбулентной плёнкой по внутренней поверхностивертикальных труб. Для интенсификации массопередачи в жидкой фазе навнутреннюю поверхность труб наносилась регулярная шероховатость в видепроволочных спиралей. В монографии [52] отмечается, что течение жидкостипо внутренней поверхности труб со спиральной шероховатостью при высотевитков 1,5 < hш < 10 мм характеризуется наличием трех режимов течения:струйного, кольцевого и режима однофазного течения (полное заполнениетрубы).

Шероховатость в виде проволочной спирали придает плёнкежидкости вращательное движение в трубе. Также следует отметить, что привысоких расходах жидкости в результате скоростного обтекания гребнейвыступов регулярной шероховатости образуется разность статическихдавлений между свободной поверхностью плёнки жидкости и внутреннейстенкой трубы. Это приводит к барботажу газа в плёнку жидкости иповышению его газосодержания (см.

рис. 1.9). Это также можно проследить вработе [98], где средствами компьютерных программ вычислительнойгидродинамики исследуется обтекание выступов в виде полукруга и круга(двумерная задача) плёнкой жидкости. Полученные профили плёнкижидкости отчетливо демонстрируют явления захвата газовых пузырей приобтекании преграды круглого сечения плёнкой жидкости. В работе [47]представлены результаты экспериментального исследования зависимостисредней толщины плёнки жидкости от соотношения Sш /hш. При этомустановлено, что с увеличением соотношения Sш /hш от 0 (без спиральнойшероховатости) до 8, средняя толщина плёнки жидкости увеличивается идостигает максимума при 8 < Sш /hш < 12.

Дальнейшее увеличениесоотношения Sш /hш приводит к уменьшению средней толщины плёнкижидкости.36В работе [8] представленаматематическая модель процессагравитационного течения плёнкижидкостипоповерхностиперпендикулярнымижидкостиспицамиспотокукруглогосечения (двумерная задача). Этотслучай гравитационного теченияплёнкижидкостиусловияманалогиченэксперимента,поставленным в работе [47]. Врезультатебылаполученапригодная для расчета среднейтолщиныплёнкижидкостиРис. 1.9.