CC BY
8УДК 66.021.3
А.М. Горбунова, Б.Г. Сапожников
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВНЕШНЕГО МАССООБМЕНА В СЛОЕ ДИСПЕРСНОГО МАТЕРИАЛА, ПОДВЕРЖЕННОГО ВИБРАЦИОННОМУ ВОЗДЕЙСТВИЮ
(Уральский федеральный университет) e-mail: anessa.86.@mail.ru
С помощью модельного метода, основанного на процессе испарения сферических тел размером 12-14,5 мм, изготовленных из нафталина и занимающих фиксированное положение в середине слоя, экспериментально исследован внешний массообмен в дисперсном материале, подверженном вибрационному воздействию. Для количественной характеристики процесса использовался коэффициент массоотдачи, отнесенный к разности концентраций диффундирующего вещества. Получены данные о влиянии параметров вибрации и размера частиц дисперсного материала, свидетельствующие о высокой интенсивности процесса массообмена в изученной системе.
Ключевые слова: массообмен, вибрация, дисперсный материал
Многие технологические процессы сопровождающиеся испарением с поверхности раздела в окружающую среду [1], значительно интенсифицируются, если в качестве таковой выступает подвижная дисперсная система в виде псевдо-ожиженного [2] или виброподвижного (виброки-пящего) слоя [3]. Однако данные по внешнему массообмену (массоотдаче) в псевдоожиженном слое ограничены [4-6], а в виброкипящем слое практически отсутствуют.
Для экспериментального исследования массоотдачи в виброкипящем слое в качестве модельного использовался процесс испарения (сублимации) тел сферической формы диаметром 0 12^14,5 мм, изготовленных из нафталина. Опыты проводились в вертикальной камере квадратного сечения 100^100 мм высотой 120 мм, которая жестко крепилась к столу вибростенда. Параметры вертикально направленной вибрации составляли: частота / = 35^55 Гц, амплитуда А = 0,4^1,4 мм. При этом относительное ускорение вибрации К = Aю2/g не превышало 15, где ю = 2л/" - угловая частота вибрации, 1/с. В качестве сыпучих материалов, инертных по отношению к парам нафталина, применялись электрокорунд узких фракций с размером частиц а?т = 0,12, 0,25, 0,4, 0,63 и 1,25 мм, а также стеклянные шарики а?т = 0,675 мм. Высота слоя составляла Н0 = 60 мм. Исследуемое тело с помощью державки размещалось в середине слоя и жестко крепилось к стенкам камеры, и, следовательно, вибрировало вместе с нею с частотой и амплитудой вынужденных колебаний.
Для характеристики процесса массообмена использовался коэффициент массоотдачи в, отнесенный к разности концентраций, рассчитанный
по известному уравнению (аналогу уравнения Ньютона-Рихмана), записанному через парциальное давление паров (в данном случае нафталина):
ЛМ-ЯШТСЛ м/ч^ (1)
,С Рпн,й)
где ДМ - изменение массы испытуемого тела за время п, кг; ЛПн = 8314/цН - газовая постоянная паров нафталина, Дж/(кг-К), цн = 128,17 кг/кмоль - молекулярная масса паров нафталина; ТСЛ -температура слоя, К; ^ - поверхность тела, м2; п -время, в течение которого произошло изменение массы тела на величину ДМ, ч; -РПН,С, -РПН,0 - парциальные давления паров нафталина на поверхности тела и вдали от нее, Па. Последнее вследствие интенсивной самовентиляции в виброкипящем слое [7] принималось равным нулю. Для интенсификации процесса и уменьшения погрешности при определении изменения массы образца АМ осуществлялся подогрев слоя до /г л = 60 °С. В этом случае, согласно работе [5], в которой изменение температуры слоя лежало в пределах 3-60 °С, отличие коэффициентов массоотдачи (3 в интервале температур 30-60 °С не превышало ± 4 %. Кроме того, согласно этим же данным, абразивный износ в кипящем слое корунда при ¿сл = 60 °С был незначительным. Это же подтвердили и опытные данные, полученные в виброки-пящем слое при комнатной температуре и показавшие, что доля абразивного износа не превышает 4 % от общего изменения массы образца при tcл = 60 °С. В целом, среднеквадратичная погрешность определения коэффициентов массоотдачи не превышала ± 8 %.
Некоторые типичные экспериментальные данные по коэффициентам массоотдачи приведе-
ны на рис. 1-3, которые позволяют выяснить влияние на внешний массообмен параметров вибрации и размера частиц сыпучего материала.
и А = 0,4^1,4 мм, Н0 = 60 мм) при представлении опытных данных в виде зависимости коэффициентов ß от скорости вибрации Аю при dT = const (рис. 2, б) можно видеть, что опытные точки удовлетворительно располагаются вдоль восходящей прямой. Это свидетельствует о том, что, в целом, рост частоты вибрации также приводит к возрастанию интенсивности массообмена. Аналогичные результаты получены для других размеров частиц.
Рис. 1. Зависимость коэффициентов массоотдачи ß от амплитуды вибрации А; f = 40 Гц, корунд: 1 - dT = 0,12 мм; 2 - dT = =0,40 мм; 3 - dT = 0,63 мм; 4 - dT = 1,25 мм; 5 - стеклянные
шарики, Д dT = 0,675 мм Fig. 1. Dependence of mass transfer coefficients ß on vibration amplitude А; f = 40 Hz, electro corundum: l - dT = 0.12 mm; 2 -dT = 0.40 mm; 3 - dT = 0.б3 mm; 4 - dT = 1.25 mm; 5 - glass spheres, Д dT = 0.б75 mm
На рис. 1 видно, что с ростом амплитуды вибрации при прочих равных условиях коэффициенты ß монотонно возрастают, что объясняется аналогичным изменением величины пульсации скорости газовых потоков, которые, в свою очередь, связаны с пульсациями давления газовой среды в виброкипящем слое [7]. В этом случае на малоинтенсивный процесс диффузии накладывается конвективный перенос массы. Кроме того, определенную положительную роль в процессе массообмена играют хаотическое движение самих частиц и их групп, турбулизирующих газовую среду вблизи вибрирующего тела и доставляющих к поверхности свежие порции газа с малой концентрацией паров нафталина, а также само вибрирующее тело.
Сравнение с данными, полученными в слое стеклянных шариков (рис. 1, кр. 3 и 5, штриховые линии), показывает, что в последнем коэффициенты ß на 30^55 % ниже, чем для электрокорунда, так как в слое с меньшей плотностью материала частиц (рт = 2500 кг/м1 - для стекла против рт = 4000 кг/м1 - для корунда) снижаются пульсации скорости газовых потоков и интенсивность движения самих частиц и их групп.
Установлено, что влияние частоты вибрации на массообмен более сложное (рис. 2, а), поскольку непосредственно связано с волновой природой образования виброкипящего слоя. Однако в условиях проведенных исследований (f = 35^55 Гц
55 /. Гц
0 0.1 0.2 0.3 0.4 Ли. мм
Рис. 2. Зависимость коэффициентов массоотдачи р от частоты f (а) и скорости вибрации Аю (б), шары диаметром 12-14,5 мм; а: dT = 0,12 мм: 1 - А = 0,6 мм; 2 - А = 1,0 мм; dT = 0,25 мм: 3 - А = 0,8 мм; 4 - А = 1,2 мм; dT = 0,63 мм: 5 - А = 0,6 мм; 6 - А = 1,0 мм; б: dT = 0,12 мм, f = 35-55 Гц; • А = 0,6 мм; х А = 1,0 мм; о А = 1,2 мм Fig. 2. Dependence of mass transfer coefficients в on vibration frequency f (a) and vibration rate Аа (б), spheres diameter is 12-14,5 mm; a: dT = 0.12 mm: 1 - А = 0.6 mm; 2 - А = 1.0 mm; dT = 0.25 mm: 3 - А = 0.8 mm; 4 - А = 1.2 mm; dT = 0.63 mm: 5 - А = 0.6 mm; 6 - А = 1.0 mm; б: dT = 0.12 mm, f = 35-55 Hz;
• А = 0.6 mm; х А = 1.0 mm; о А = 1.2 mm
Наконец, о влиянии размера частиц на коэффициент массоотдачи можно судить по данным, представленным в полулогарифмических координатах на рис. 3. На рисунке видно, что при dT ~ 0,25 мм в условиях опытов практически на всем исследованном диапазоне амплитуд наблюдается заметный минимум, затем с ростом размера частиц следует увеличение коэффициента массо-отдачи ß до максимума при dT ~ 0,63 мм с последующим снижением ß при dT = 1,25 мм.
Вместе с тем известно (например, данные [7,8]), что с увеличением размера частиц при dT > 0,1 мм коэффициент теплоотдачи а монотонно уменьшается, что связано, во-первых, со снижением скорости пульсирующих газовых струй в виброкипящем слое [7], во-вторых, с увеличением контактного термического сопротивления, обусловленного воздушным зазором между поверхностью тела и первым рядом частиц, а также тонким слоем частиц вблизи поверхности [8].
Очевидно, что механизм переноса, обусловленный снижением скорости пульсирующих газовых струй, проявляется и в процессе массооб-мена с поверхностью тела. Следовательно, можно ожидать соответствующего уменьшения и коэффициентов массоотдачи (см. минимум на кривых 1, 2, 4 и 5 при dT = 0,25 мм). Однако в дальнейшем коэффициенты ß несколько возрастают, превышая их значения при dj = 0,12 мм.
ß. м/ч
200
160
120
80
40
0
0.1 0.2 0.4 0.6 1.0 1.4 dj, мм
Рис. 3. Зависимость коэффициентов массоотдачи ß от размера частиц dT при f = 40 Гц, шары диаметром 12-14 мм:
1 - А = 0,4 мм; 2 - 0,6; 3 - 0,8; 4 - 1,2; 5 - 1,4 Fig. 3. Dependence of mass transfer coefficients ß on particles dimension dT under f = 40 Hz; spheres diameter is 12-14 mm:
1 - А = 0.4 mm; 2 - 0.6; 3 - 0.8; 4 - 1.2; 5 - 1.4
Это связано с тем, что частицы при своем движении увлекают газовую среду (эффект при-
Кафедра теоретической теплотехники
соединенной массы), способствуя обмену вблизи поверхности тела свежих и обогащенных парами нафталина порций газа, масса которых пропорциональна размеру частиц. Но одновременно с увеличением размера частиц уменьшается их число в единице объема слоя, поэтому после некоторого увеличения коэффициентов в наблюдается их снижение (участки кривых при dT > 0,63 мм).
В заключение следует отметить, что полученные значения коэффициентов массоотдачи (в = 35 - 250 м/ч) свидетельствуют о высокой интенсивности внешнего массообмена в виброкипя-щем слое, а значит и о перспективности применения такой системы при проведении различных технологических процессов, связанных с массо-обменом.
Работа выполнена при поддержке конкурса на проведение научных исследований аспирантами, молодыми учеными и кандидатами наук УрФУ.
ЛИTЕРАTУРА
1. Шервуд Т., Пигфорд Р., Уилки Ч. Массопередача. М.: «Химия». 1982. 696 с.;
Sherwood T., Pigford R., Wilke Ch. Mass Transfer. M.: "Khimiya". 1982. 696 p. (in Russian)
2. Псевдоожижение / Под ред. В.Г. Айнштейна и А.П. Баскакова. М.: «Химия». 1991. 400 с.;
Fluidisation. / Ed by V.G. Aiynshteiyn and A.P. Baskakov. M: Khimiya. 1991. 400 p. (in Russian).
3. Членов В.А., Михайлов Н.В. Виброкипящий слой. М.: Наука. 1972. 326 с.;
Chlenov V.A., Mikhaiylov N.V. Vibrofluidized bed. M.: Nauka. 1972. 326 p. (in Russian).
4. Ziegler E.N., Holmes IT. // Chem. Eng. Science. 1966. V. 21. P. 117-122.
5. Баскаков А.П., Супрун. В.М. // Хим. пром-сть. 1970. № 9. С. 58-61;
Baskakov A.P., Suprun V.M. // Khim. prom. 1970. N 9. P. 58-61 (in Russian).
6. Островская А.В., Королев Н.В. // ИФЖ. 1994. T. 67 (1-2). С. 43-47;
Ostrovskaya A.V., Korolev N.V. // Inzh. Phyz. Zhurn. 1994. V. 67 (1-2). P. 43-47 (in Russian).
7. Сапожников Б.Г., Зеленкова Ю.О., Решетников Е.Г., Сапожников Г.Б., Ширяева Н.П. // Tруды пятой Российской национальной конференции по теплообмену. В 8 томах (25-29 октября 2010 г., Москва). T. 5. Двухфазные течения. Дисперсные потоки и пористые среды. М.: Издательский дом МЭИ. 2010. С. 214-217; Sapozhnikov B.G., Zelenkova Yu.O., Reshetnikov E.G., Sapozhnikov G.B., Shiryaeva N.P. // Proceedings of VRus-sia National Conf. on Heat Exchange. (25-29 October 2010, Moscow). V. 5. Two-phase flows. Disperse flows and porous environments. M.: Izdatel'skiy Dom MEI. 2010. P. 214-217 (in Russian).
8. Лайковская Е.Ю. Сыромятников Н.И. // Изв. вузов. Энергетика. 1966. № 10. С. 105-109;
Laiykovskaya E.Yu., Syromyatnikov N.I. // Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Energetika. 1966. N 10. P. 105-109 (in Russian).
