Интенсификация процесса тепломассообмена в контактных аппаратах с регулярной насадкой, страница 8

Это является следствием высокой эффективности регулярныхнасадок и их малым гидравлическим сопротивлением по сравнению снасыпными насадками. Также в литературе можно найти множествоэкспериментальных работ по исследованию плёночных течений жидкостейпо поверхностям регулярных насадок. Это связано с тем, что во многоминтенсивность процесса тепломассообмена на насадках определяетсяхарактеристиками плёночного течения – площадью смоченной поверхностинасадки, наличием волн на свободной поверхности плёнки жидкости и т.д. Вто же время продолжаются поиски более эффективных тепломасообменныхповерхностей.Современные регулярные насадки, в большинстве своем, представляютсобой блоки из собранных под углом гофрированных листов (например, см.работы [22, 48, 60, 83, 109]).

Хотя данные насадки и обладают высокойудельной поверхностью, но, как правило, работают в условиях неполногосмачивания [12, 109]. Это не только затрудняет определение действительнойповерхности тепломассообмена, но и является следствием неполногоиспользования объема насадочной части аппарата. Учитывая высокую48стоимость регулярных насадок, это является следствием повышенныхкапитальных затрат при производстве тепломассообменного оборудования.Чтобы увеличить площадь смоченной поверхности (коэффициентсмачивания), можно увеличить плотность орошения (за счет уменьшенияплощади поперечного сечения аппарата), т.к. существует прямая связь междукоэффициентом смачивания и расходом жидкости [36]. Однако этомалоэффективно, так как приводит к росту скорости газа и, как следствие,гидравлического сопротивления и уноса жидкости из аппарата.

Более того,уменьшать площадь сечения аппарата возможно лишь до тех пор, покаскорость газа не достигнет скорости, при которой наступает захлебываниеаппарата. Кардинальным выходом из этой ситуации является организацияперекрёстного (поперечного) тока в насадочном аппарате.

При этомвозможна компоновка блока насадки таким образом, чтобы сечение дляпрохода газа было больше сечения для прохода жидкости [90]. При этомможно при небольших расходах газа обеспечить достаточную плотностьорошения, без увеличения скорости газа, тем самым ограничив явление уносажидкости и не увеличивая гидравлическое сопротивление аппарата по газу.Кроме того с уменьшением длины блока насадки lнас можно достичь большихзначений коэффициента массоотдачи (см.

формулу (1.23)).Из анализа литературных источников установлено, что одним изспособов обеспечения более полного смачивания насадки является нанесениена поверхность насадки регулярной шероховатости в виде впадин, выступов,мелких гофр. Перфорация насадок позволяет обеспечить перетеканиежидкости через отверстия, что приводит к более равномерному смачиваниювсего насадочного объема.

Однако насколько интенсивно происходитперетекание жидкости через отверстия в насадке, и как это влияет наинтенсивность тепломассообмена в литературе не указано.Процесс передачи теплоты при непосредственном соприкосновениигаза и жидкости исследован недостаточно. Из анализа большинстватеоретических работ можно сделать вывод, что процесс передачи теплоты49между газом и жидкостью при их непосредственном соприкосновениилимитируется газовой фазой. Следовательно, коэффициенты теплоотдачи имассоотдачи не должны зависеть от расхода жидкости 4. Однако, из анализамножества экспериментальных работ, в которых исследовались процессыиспарительного охлаждения оборотной воды, охлаждения дымовых газовконтактным способом и т.д.

установлено, что коэффициенты массоотдачи итеплоотдачи в значительно большей степени зависят от расхода жидкости,чем это следует из теоретических соображений. Так, например, врекомендуемое в работе [31] критериальное уравнение для расчета критерияКирпичева входят ReG и ReL. Причем показатели степени у обоих критериевравны 0,7. По-видимому, это может быть следствием того, что эта формулабыла получена в условиях неполного смачивания насадки.

При этомочевидно, что с увеличением расхода жидкости, будет увеличиваться нестолькокоэффициентмассоотдачи,сколькоактивнаяповерхностьмассообмена. Здесь следует отметить работу [111], где авторы исследовалипроцесс тепломассообмена при испарительном охлаждении воды накерамической регулярной насадке. Авторами было установлено, что сувеличением расхода жидкости наблюдается рост объемного коэффициентамассоотдачи до значений относительного расхода λ = L/G = 1. Учитываяотличное смачивание керамики, можно прийти к выводу, что прекращениеростакоэффициентамассоотдачисвязаноснаступлёниемполногосмачивания насадки (что зачастую не достигается в насадках из ПВХ из-заменьшего значения краевого угла смачивания). Таким образом, из анализалитературных источников следует сделать вывод, что в настоящее времяотсутствуютнадежныеметодикирасчетапроцессовконтактноготеплообмена при непосредственном соприкосновении потоков газа ижидкости.

Использование результатов теоретических и экспериментальных4Очевидно, что незначительный вклад расхода жидкости в коэффициенты тепломассоотдачи все же долженприсутствовать. Это связано с тем, что с увеличением расхода жидкости, увеличивается скорость плёнкижидкости на свободной поверхности. Это приводит к тому, что относительная скорость газа и жидкости внасадочном аппарате увеличивается.50исследований плёночных течений жидкости, в том числе и по поверхностямрегулярных насадок, при расчете насадочных аппаратов затруднено.1.7.Постановка задач исследованияВ соответствии с поставленной целью и результатом анализалитературныхданных,былисформулированыследующиезадачиисследования:- разработка новой эффективной конструкции регулярной насадки;-исследованиеособенностейгравитационноготеченияпленкижидкости по поверхности новой насадки;- исследование процесса контактного теплообмена в условияхперекрёстного тока между газом и пленкой жидкости, гравитационностекающей по поверхности новой насадки;- разработка методики расчета контактного тепломассообменногоаппарата с разработанной насадкой.51ГЛАВА 2.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ И МЕТОДИКИПРОВЕДЕНИЯ ИСПЫТАНИЙ ГОФРИРОВАННО-ПРОСЕЧНОЙНАСАДКИ2.1. Конструкция и характеристики новой регулярной насадкиОсновываясь на опыте использования в промышленности регулярныхнасадок, работающих в плёночном режиме [31, 38, 51, 66], нами быларазработана конструкция регулярной, гофрировано-просечной насадки(ГПН), представленная на рис. 2.1.Рис.

2.1. Элемент гофрировано-просечной насадки (ГПН) в изометрии (а);вид на элемент насадки спереди (б);вид на блок насадки сбоку (в):1 – выступ гофры; 2 – впадина гофры; 3 – щель;Δ – зазор между соседними элементами насадки в блокеЭлемент насадки представляет собой лист алюминия с выполненнымина его поверхности гофрами. Гофры выполнены в несколько рядов,сдвинутых друг относительно друга. За счет сдвига между соседними в рядахгофрами образованы щели прямоугольной формы (см.

рис. 2.1). Гофры52позволяют увеличить удельную поверхность насадки (по сравнению сплоской пластиной аналогичных габаритных размеров почти в 2 раза).Толщина элемента насадки c составляет 3 мм. Гофры имеют прямоугольнуюформу. В рамках настоящей работы элементы насадки выполнялись изалюминиево-марганцевогосплава,которыйхарактеризуетсявысокойкоррозионной стойкостью и жаростойкостью, а также хорошо смачиваетсяводой. Элементы насадки изготавливаются путем прокатывания заготовки(фольги толщиной 0,2 мм) между зубчатыми колесами специальной формы втри стадии. Таким образом, данная насадка может быть выполнена сдостаточной точностью и низкой шероховатостью поверхности (Ra = 1,2 ÷1,6 мкм).Блок предлагаемой насадки представляет собой совокупность изнескольких элементов, установленных параллельно друг относительно другас определенным зазором Δ (см. рис. 2.2).

Изменяя величину зазора междусоседними элементами насадки, можно изменять удельную поверхностьнасадки a и свободный объем ε. Основные геометрические характеристикипредлагаемой насадки представлены в табл. 2.1. Конструкция насадкизащищена патентами РФ [16, 63].Табл. 2.1.

Основные характеристики ГПН-насадкиΔ ∙ 103, мde ∙ 103, мa, м2/м3ε, м3/м368,2463,70,947810379,30,95610123210,9631214278,20,9681416245,40,9731618219,60,9751820198,70,9772022181,40,97953Рис. 2.2. Блок ГПН-насадки в сборе для насадочного аппарата (габаритные размеры248х248х450 мм); 1 – элемент насадки; 2 – дистанционирующая проставка;3 – поперечные стержни; 4 – раскосы; 5 – вертикальные распорки2.2. Экспериментальный стенд №1 для исследования течения плёнкижидкости по единичному элементу гофрировано-просечной насадкиВ соответствии с поставленными целями для исследования теченияплёнки жидкости по поверхности исследуемой насадки, был созданэкспериментальный стенд, представленный на рис.

2.3. При разработкестенда учитывался опыт экспериментальных установок и исследованияплёночных течений по элементам других насадок или тепломассообменныхповерхностей, таких как цепная насадка [65], насадки, представляющихсобой каналы с сеточным покрытием [6], и другие насадки [12, 48, 89, 97]. Врезультате был изготовлен стенд, который позволял наблюдать и изучать54характер и особенности течения плёнки жидкости при подаче орошения наодну из сторон элемента насадки. Стенд состоял из рамы, в которойвертикально фиксируется элемент ГПН-насадки 1 таким образом, чтобыгофры были расположены горизонтально.

Жидкость (вода) подавалась наверхний торец элемента испытуемой насадки через оросительное устройство2 типа «перфорированная труба». Температура воды в опытах была равна7÷10 оС. Для обеспечения подачи орошающей жидкости только на переднююсторону элементанасадки,к нему былприкреплёндефлектор3,исключающий на начальном этапе орошения попадание жидкости на заднююсторону элемента насадки. Для обеспечения равномерного плёночногоорошения испытуемой насадки и исключения образования брызг переддефлектором 3 устанавливалась заслонка 4. Стекающая с элемента насадкиРис.