Интенсификация процесса тепломассообмена в контактных аппаратах с регулярной насадкой, страница 6

Течение плёнки жидкости повнутренней поверхности вертикальной трубысо спиральной шероховатостью при Reпл =5000 (а) и при Reпл = 10000 (б) [11]формула. При отношении 6,7 < Sш /hш < 13,3, средняя толщина плёнкижидкости может быть найдена по формуле:Reпл  ν 2 Sδ   0,429 ш  50,05  .hш  Sш  g hш(1.8)При отношении 13,3 < Sш /hш < 20, средняя толщина плёнки жидкости можетбыть найдена по формуле:Reпл  ν 2 Sδ   0,028 ш  44,73  .hш  Sш  g hш(1.9)Формулы (1.8) и (1.9) могут быть использованы для случая полногосмачивания поверхности насадки. Для величины отношения Sш /hш < 6,7соотношение для расчета средней толщины плёнки жидкости в работе [8] непредставлено.В работе [97] исследовалось течение плёнки жидкости по поверхностис регулярной шероховатостью типа «впадина». В этой работе показано, чтоналичие регулярной шероховатости на поверхности насадки ускоряетпереход от ламинарного режима течения плёнки жидкости к турбулентному.37Это совпадает с выводами работы [52].

При этом наименьшее значениекритического числа Рейнольдса, отвечающее переходу от волнового режиматечения к турбулентному, соответствует насадке с параметром Sш /hш ≈ 10 (вданном случае hш представляет собой глубину канавки). Кроме того опыты[97] показывают, что при уменьшении параметра Sш /hш, в диапазоне от 30 до2,5 средняя толщина плёнки жидкости увеличивается. Это объясняется тем,что при уменьшении соотношения Sш /hш, т.е. при увеличении количестваканавок на пути фронта стекающей плёнки жидкости, увеличиваетсягидравлическоесопротивлениеплёночномутечению.Какследствиеуменьшается скорость течения плёнки жидкости и растет её толщина.Один из важнейших выводов работы [97] заключается в том, чторегулярная шероховатость типа «впадина» (ориентированная поперек фронтастекающей плёнки жидкости) увеличивает равномерность распределенияплёнки жидкости на поверхности полимерного листа насадки.

Остановимсяна этом подробнее. Особенность гравитационного течения плёнки жидкостипо гладким плоским поверхностям заключается в том, что в реальныхусловиях на определенном расстоянии от места орошения, может изменятьсяхарактер течения с плёночного на ручейковый. Этому посвящена работа[114], где авторы исследуют плёночное течение жидкости по поверхности стреугольным гофрированием (высота гофр 0,6 мм, длина 2,8 мм). Гофрыориентированы горизонтально поперек фронта стекающей плёнки жидкости.Характер плёночного течения жидкости на данной поверхности приразличных числах Вебера представлен на рис. 1.10. На гладкой поверхностихарактер плёночного течения представлен на рис.

1.6. Из рис. 1.10 видно, чтодля шероховатой поверхности полное смачивание наступает при меньшихрасходах орошающей жидкости (при We = 1,14), чем для гладкойповерхности (при We = 1,44) (см. рис.1.6). Похожие результаты былиполучены в работе [94], где исследовалось течение жидкости по наклоннойгладкой и структурированной поверхностям. При этом в отличие от работы[114] структурированная поверхность представляла собой пластину с38продольным (а не поперечным) рельефом в виде выступов прямоугольногопрофиля (ширина 0,4 мм, высота 0,2 мм, зазор между соседними выступами0,8 мм). В этой работе также установлено, что наличие на поверхностивыступов приводит к полному смачиванию поверхности при меньшихрасходах жидкости, чем это имеет место на гладких поверхностях.Рис.

1.10. Схема течения плёнки жидкостипо гофрированной наклонной поверхности (угол наклона 60 о к горизонту)при We = 0,04 (а); We = 0,42 (б); We = 0,80 (в); We = 1,14 (г); We = 1,44 (д) [114]Поверхности некоторых насадок оснащены перфорацией различныхформ и размеров. В работе [12] исследовался характер течения плёнкижидкости по вертикальной перфорированной пластине. При этом отмечается,что при расходах жидкости, соответствующих плёночному числу Рейнольдса400 < Reпл < 900, наблюдается картина, представленная на рис.

1.11. Из рис.1.11 видно, что жидкость обтекает отверстия по периметру и периодическисрывается в виде капель с верхнего участка отверстий. Автор [12] отмечает,что при Reпл > 900 вся поверхность перфорированной пластины покрытаплёнкой жидкости.Течениежидкостипоперфорированнымповерхностямрассматривалось в работе [51]. Однако там не исследовался вопрос оперетекании жидкости с одной стороны пластины через отверстия на другуюсторону.

Один из главных выводов [51] заключается в том, что для болееинтенсивного перетекания жидкости с одной стороны перфорированнойпластины на другую следует выбирать перфорацию в форме буквы «Ш». В39дальнейшем, использование перфорации в форме буквы «Ш» (она жезубчатая перфорация) для регулярных насадок, исследовалось в работахМарценюка [41, 42].

Автор [41] отмечает, что на зубцах последовательнообразуются, растут, а затем отрываются капли жидкости. Срываясь с зубца,капля жидкости пролетает расстояние до нижнего края отверстия, гдерасплющиваетсяиобразуетнаобеихсторонахэлементанасадкиобособленную плёнку жидкости [42]. В работе отмечается существованиекапельно-плёночного режима течения жидкости, а также цепного режиматечения, представляющего собой чередующееся образование капель наверхних кромках отверстий и их срыв.

Для насадки из пластин сперфорацией в форме буквы «Ш», выполненной в шахматном порядке,переход к цепному режиму течения происходит при значениях линейнойплотности орошения Г ≈ 0,079 м3/(м∙ч). Для гофрированной насадки саналогичной формой и расположением отверстий смена режимов теченияплёнки жидкости происходит при почти вдвое большем значении плотностиорошения.Рис. 1.11. Фотографии течения плёнки жидкости по вертикальнымперфорированным пластинам; (а) – пластина с поперечным рифлением иотверстием диаметром 10 мм; (б) – пластина с поперечным рифлением и отверстиемдиаметром 4 мм; (в) – гладкая пластина с отверстием диаметром 10 мм [114];В работе [65] исследовалось течение плёнки жидкости по регулярнойнасадке, представляющей собой вертикально подвешенные цепи.

Цепи быливыполнены из проволоки диаметром 2 мм и с размером звена 15х7 мм. Авторработы [65] установил, что в диапазоне 100 < ReL < 629, вся насадка40оказывается смоченной, а отверстия в звеньях цепи затягиваются плёнкойжидкости.В работе [109] исследовались особенности течения плёнки жидкогоазота по насадке, выполненной из гофрированных пластин. Такую геометриюимеют многие современные насадки, например, Montz B1-100, Montz A1,Montz C2-200, Flexipacs, блочная сетчатая насадка «Инжехим», серия насадокMellapak (Mellapak 250, Mellapak 350, Mellapak 500) и др. (см.

рис. 1.2). Приэтом измерялось количество жидкости, перетекающей через выступы гофр внижерасположенные каналы. Плёночное число Рейнольдса в экспериментахизменялось в диапазоне 258 < Reпл < 860. Из схемы перетекания жидкости,представленной в работе [109] видно, что данная форма массообменнойповерхности имеет несмоченные участки. Это приводит к неполномуиспользованию поверхности насадки в промышленной тепломассообменнойаппаратуре.

В этой работе также экспериментально установлено, что приплотностях орошения, соответствующих плёночному числу Рейнольдса Reпл> 442, лишь десятая часть подаваемой в орошаемый канал жидкостиперетекает на нижележащие каналы. Из-за этого нижняя часть блока насадкиможетработатьвусловияхнеполногосмачивания.Теоретическоеисследования процесса течения жидкостных плёнок по поверхностямсхожей геометрии представлены в работе [73].В работе [89] исследовалась теплоотдача между воздухом и плёнкойжидкости, стекающей по гладкой поверхности и по поверхности с лунками.В результате экспериментов было установлено, что при плёночном течениижидкости по поверхности со сферическими лункамиинтенсивностьтеплоотдачи выше в 1,35 … 2,87 раза, чем при течении по гладкойповерхности.

Авторы связывают это с тем, что при течении плёнки жидкостипо поверхности со сферическими лунками средняя скорость течения плёнкижидкости меньше, чем на гладкой поверхности. «Наличие лунок изменяетпрофиль течения, турбулизирует его, приводит к образованию вихрей ипространственных бурунчиков» [89]. Отсюда следует сделать вывод, что для41увеличенияинтенсивностипроцессовконтактноготеплообменанарегулярных насадках, требуется оснащать поверхность насадок рифлением,впадинами, лунками и т.д.1.5.Особенности контактного теплообмена между газом ижидкостью на насадкахВ случае осуществления процессов теплообмена при непосредственномконтакте (контактном теплообмене) из-за отсутствия разделяющей потокитеплоносителей стенки, имеют место следующие особенности процессатеплообмена:1)неизвестная величина поверхности теплообмена, а иногдазависящая от плотности орошения;2)возможность потери части жидкости из-за её уноса из аппаратапотоком газа;3)более высокая интенсивность процесса теплообмена, за счет того,что гидродинамический пограничный слой в плёнке жидкости находится состороны насадки, а тепловой – со стороны свободной поверхности 2;4)как правило, имеет место более высокая интенсивность процессатеплообмена, за счет протекания процесса массообмена3.5)отсутствие надежных методик технологического расчета такихаппаратов.