Интенсификация процесса тепломассообмена в контактных аппаратах с регулярной насадкой, страница 7

Сложность одновременного моделирования (даже на ЭВМсредствамипрограммвычислительнойгидродинамики)процессовтеплообмена, массообмена, учета смачиваемости материала насадки и т.д.2В поверхностных теплообменных аппаратах и тепловой и гидродинамический пограничный слойобразуются со стороны теплообменной поверхности. При этом непосредственно у теплообменнойповерхности передача теплоты в теплоносителе происходит только за счет теплопроводности. В контактныхаппаратах с насадкой, передача теплоты от газа к жидкости (или наоборот) идет через свободнуюповерхность плёнки жидкости, на которой скорость жидкости максимальна, и теплопередача происходит засчет конвекции на свободной поверхности плёнки жидкости.3Это не всегда верно. Для случая охлаждения горячих ненасыщенных парами воды газов холодной водой впротивоточном аппарате на верхних слоях насадки происходят одновременно процессы нагрева воды засчет теплопередачи и охлаждения воды за счет её испарения в поток ненасыщенного газа.

При этоминтенсивность процесса нагрева воды остается невысокой до тех пор, пока газ не достигнет состояниянасыщения. В дальнейшем, процесс нагрева жидкости газом будет являться результатом как теплообменасоприкосновением, так и конденсации водяных паров из газа.421.5.1. Массообмен в процессе контактного теплообменаВотличиеотпроцессовтеплообменавповерхностных(рекуперативных) теплообменниках, в процессах контактного теплообменамежду газом и жидкостью отсутствует разделяющая потоки теплоносителейстенка. Как следствие, при непосредственном соприкосновении газа ижидкости происходит передача теплоты и массы. Если температуражидкости выше температуры газа, а газ не насыщен парами этой жидкости,тогда происходит процесс контактного теплообмена между газом ижидкостью.

При этом одновременно с теплообменом, протекают и процессымассообмена, заключающиеся в испарении жидкости в газ. Это такжесопровождается передачей теплоты фазового перехода от газа к жидкости.Такие процессы нашли распространение, например, в градирнях прииспарительном охлаждении оборотной воды. Если же газ являетсянасыщенным парами жидкости, а его температура выше, чем температуравзаимодействующей с ним жидкости, тогда при соприкосновении с этойжидкостью происходит охлаждение газа и его осушка (за счет конденсациипара из газа). Жидкость при этом нагревается как за счет конвективноготеплообмена, так и за счет конденсации паров жидкости из газа.

Такойпроцесс имеет место при утилизации теплоты конвективных сушилок, когдаотработанный газ, имеющий высокую влажность и температуру, охлаждаетсяводой в контактных аппаратах. Если же относительная влажность газа ниже100%, то при контакте с водой, имеющей меньшую температуру,одновременно происходят процессы нагрева воды за счет конвективноготеплообмена, и её охлаждения за счет массообмена. Такие процессы имеютместо в контактных экономайзерах на начальном этапе взаимодействияхолодной воды и горячих дымовых газов (в верхних слоях насадки в случаепротивоточного взаимодействия газа и жидкости).

При этом газ охлаждаетсяи насыщается влагой (при постоянной энтальпии) до состояния, при котором43влажность становится равной 100%, после чего передача теплоты к жидкостиинтенсифицируется за счет изменения направления массообмена.1.5.2. Коэффициенты теплоотдачи и массоотдачиОсновнойзадачейисследованияпроцессатепломассообменавконтактных теплообменных аппаратах является получение расчетногоуравнения для определения коэффициентов теплоотдачи и массоотдачи. Дляпроцесса охлаждения горячих газов жидкостью в насадочных аппаратах, напрактике пользуются уравнением вида [31, 55]:Ki  0,01ReG 0,7  ReL 0,7  Pr 0,33 ,(1.10)где Ki – критерий Кирпичева (аналог критерия Нуссельта Nu), учитывающийвсе виды теплообмена. Однако уравнение (1.10) обладает рядом недостатков.Так, например, оно не учитывает начальную влажность газа, сменунаправления массообмена по высоте колонного аппарата, и, как будетпоказано далее, выведено в условиях неполного смачивания слоя насадки.ЗачастуювместокритерияКирпичевапользуютсяобобщеннымкоэффициентом теплоотдачи (учитывающим все виды теплообмена) [96].

Влитературе можно найти и другие данные по массообмену при контактномтеплообмене. Так, например, в работе [29] для случая противоточногоконтакта между гравитационно-стекающей плёнкой жидкости и потокомгорячего газа получено выражение для расчета коэффициентов теплоотдачии массоотдачи в критериальном виде:Nu  0,007 ReG 0,5  Reпл 0,09  Pr 0,33 ,(1.11)Sh  0,014ReG 0,6  Reпл 0,6  Sc 0,33.(1.12)Уравнения (1.11)-(1.12) выведены для зоны конденсации контактногоаппарата.Для расчета коэффициента массоотдачи от воды к воздуху прииспарительном охлаждении воды используются уравнения вида [54]:44βV A  λm ,q(1.13)Me  A  h  λ m .(1.14)илиВ формулах (1.13) и (1.14) Me – число Меркеля, λ=G/L – относительныйрасход.

Иногда вместо числа Меркеля в формуле (1.14) используют числоиспарения [27]. Показатель степени при относительном расходе λ, а такжепостоянный множитель A зависят от конструкции насадки. Так, например,для насадки из асбестоцементных плит [33] расчетное уравнение дляопределения коэффициента массоотдачи имеет вид:βV 0,479 λ 0,66 .q(1.15)Для насадок из решетчатых элементов ПР50, расчетное уравнениеимеет вид [33]:βV 1,41λ 0,54 .q(1.16)Для сетчатой насадки, располагаемой в противоточном аппаратегоризонтально, было получено уравнение [38]:βV  1,04q1,04  λ0,79 .Привертикальномрасположении элементов(1.17)этой женасадки,уравнение принимает вид:βV  0,93q1,02  λ0,79 .Иногда,расчетноеуравнениедляопределения(1.18)коэффициентамассоотдачи представляют в другом виде.

Так, например, в работе [104]расчет градирни с насадкой из поливинилхлорида предлагается проводить,используя уравнение:βV  2,7513G 0,7171  L0,2829 .Длянасадкиизгофрированныхасбесто-цементныхустановленных с зазором 15 мм там же предлагается уравнение:(1.19)щитов,45 V  1,5413G 0,5815  L0,4185 .(1.20)Отметим, что форма записи уравнений (1.19)-(1.20) позволяет нагляднооценивать влияние расхода каждого из теплоносителей на коэффициентмассоотдачи. Также можно заметить, что сумма показателей степеней прирасходе газа и расходе жидкости в уравнениях (10)-(11) равна единице.

Этонаблюдается для большинства насадок градирен [54]. Поэтому, такая формазаписи принципиально не отличается от уравнений (1.15)-(1.16).Следует отметить уравнения (1.11)-(1.12). В них показатель степенипри плёночном числе Рейнольдса различный для значений коэффициентатеплоотдачи и коэффициента массоотдачи. Объясняется это тем, что висследуемом авторами работы [29] участке тепломассообменного аппарата,помимо участка контактного теплообмена между газом и плёнкой жидкости,по-видимому, имеется участок теплообмена между стенками несмоченногоучастка канала и газом. На этом участке теплообмен не сопровождаетсямассообменом.

Поэтому показатели степени при Reпл в уравнениях (1.11)(1.12) сильно различаются. Иногда, неравенство поверхностей тепло- имассообмена используется, для организации больших скоростей газа исохранения большей движущей силы массопередачи в поперечноточныхнасадочных градирнях. Этому посвящена работа [68], где различие площадитеплообмена и массообмена учитывается модернизированным соотношениемЛьюиса:Le   cGft,fm(1.21)где Le – число Льюиса, ft /fm отношение площади насадки, участвующей впроцессе теплообмена к поверхности насадки, участвующей в процессемассообмена, α – поверхностный коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2∙ оС), β –поверхностный коэффициент массоотдачи, кг/(с∙м2), cG – теплоемкость газа,Дж/(кг∙ оС).

Следует отметить, что на значение коэффициента массоотдачивлияют также размеры блока насадки, количество ярусов в блоке насадки идругие факторы. Так, например, в работе [60] авторами отмечается, что на46интенсивность процесса тепломассообмена на насадках значительно влияетвысота блока насадки. Экспериментально было установлено влияние высотыблока насадки на коэффициент массоотдачи на примере насадки типа «19»(см. табл. 1.2).Приобработкерезультатовисследованиятепломассообменаваппаратах с перекрёстным током, когда слой насадки представляет собойпараллельные каналы между соседними элементами насадки, результатыэкспериментов чаще всего представляют в виде критериальных уравнений.

ВработеДорошенко[23]критериальноеуравнениедлярасчетаперекрёстноточных градирен с насадкой из пакета листов металлическойсетки имеет вид:Sh  0,024ReG 0,93  ReL 0,34 .(1.22)Табл. 1.2. Значения постоянного множителя и показателя степени в уравнении(1.13) для различной высоты блока насадки типа «19» по данным работы [60]h, мAm0,910,9110,61,221,2020,61,521,3010,541,831,5040,52Наиболее развернутое критериальное уравнение получено в работе[49]:Sh  0,003ReGПоследнее0,75 Reпл0, 6Т Кu 0,4  G ТLуравнение0,55включает hнас  Δ в 0, 3себя l нас  Δ не0,8Sc 0,33 .

(1.23)толькорасходытеплоносителей, но и учитывает размеры блока насадки и теплофизическиесвойства газа и жидкости.47Следует обратить внимание, что в формулах (1.15)-(1.20) и (1.22)(1.23) коэффициент массоотдачи (или теплоотдачи) в той или иной мерезависит от расхода жидкости. Однако, из теоретических представлений опроцессе контактного теплообмена между воздухом и водой, коэффициентмассоотдачи не должен зависеть от расхода жидкости, так как основноесопротивление процесса сосредоточено в газовой фазе. Это отмечено еще вработе Егорова [24]. Там же отмечено, что причиной этого может служитьнеполное смачивание насадки при малых расходах жидкости.1.6.Выводы из обзора литературыНа основании анализа литературных источников, было установлено,что в настоящее время разрабатывается множество конструкций регулярныхнасадок.