Исследование внешнего массообмена (массоотдачи) от свободно плавающих тел в виброкипящем слое инертного материала Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 66.015.23

ИССЛЕДОВАНИЕ ВНЕШНЕГО МАССООБМЕНА (МАССООТДАЧИ) ОТ СВОБОДНО ПЛАВАЮЩИХ ТЕЛ В ВИБРОКИПЯЩЕМ СЛОЕ ИНЕРТНОГО МАТЕРИАЛА

А.М. СИВКОВА, Б.Г. САПОЖНИКОВ

Уральский федеральный университет, г. Екатеринбург

Приводятся экспериментальные данные по коэффициентам массоотдачи при испарении (сублимации) от тел простой геометрической формы (шаров и цилиндров) в виброкипящем слое инертного материала.

Ключевые слова: массообмен, вибрация, дисперсный материал.

В теплотехнологии значительное место занимают процессы теплообмена, протекающие совместно с массообменом. Для осуществления гетерогенных процессов перспективным является использование принципа виброкипящего слоя. В то время как внешний теплообмен в виброкипящем слое достаточно хорошо изучен [1 и др.], сведения о внешнем массообмене (массоотдаче), по-видимому, отсутствуют.

Для экспериментального исследования массоотдачи в данной работе в качестве модельного, как и в псевдоожиженном слое [2-4], использовался процесс испарения (сублимации) тел простой геометрической формы (шаров и цилиндров), изготовленных из нафталина и помещенных в виброкипящий слой инертного сыпучего материала. Опыты проводились в вертикальной камере квадратного сечения 100x100 мм высотой 100 мм, которая жестко крепилась к столу вибростенда. Параметры вертикально направленной вибрации составляли: частота / = 40^50 Гц, амплитуда А = 0,2^1,4 мм. При этом относительное ускорение вибрации К = A(2%f)2/g не превышало 15. Сыпучим материалом служил электрокорунд узких фракций с размером частиц ^ = 0,12, 0,25, 0,4 и 0,63 мм, и инертный по отношению к парам нафталина. Высота слоя составляла Н0 = 60 мм. В качестве тел использовались выполненные из нафталина шары диаметром Б = 10,1^15,3 мм, а также цилиндры диаметром 0 12^13,4 и длиной 20^25 мм, свободно плавающие в виброкипящем слое. Для расчета коэффициента массоотдачи в, м/ч, отнесенного к разности концентраций, использовалось известное уравнение, записанное, как и в [3, 4], через парциальное давление паров (в данном случае нафталина):

в = М^ПН -ТСЛ ^ (1)

р ' т '(пас - РПН,0 )

где АМ - изменение массы испытуемого тела за время т, 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; т - время, в течение которого произошло изменение массы тела на величину АМ, ч; РПН, с, Рцн, 0 -парциальные давления паров нафталина на поверхности тела и вдали от нее, Па.

Для увеличения парциального давления паров нафталина на поверхности тела РПН, с, а значит и массообмена, согласно данным [2] применялся подогрев слоя до

© А.М. Сивкова, Б.Г. Сапожников Проблемы энергетики, 2012, № 3-4

температуры ?СЛ = 55^60 С. Кроме того, как и в работах [2, 3], парциальное давление вдали от поверхности РПН, 0 принималось равным нулю.

Опыты проводились следующим образом. В камеру засыпался материал, включались вибрация и обогрев. При достижении определенной температуры и наступлении стационарного режима в слой помещалось предварительно взвешенное испытуемое тело. Продолжительность каждого опыта составляла 20^40 мин. После окончания опыта тело взвешивалось вновь, что позволяло определить изменение массы образца. Взвешивание производилось с погрешностью ± 0,5 мг. Температура слоя фиксировалась с погрешностью ±1 0С, а размеры образца - ± 0,1 мм. Среднеквадратичная погрешность определения коэффициента массоотдачи в не превышала ± 8 %.

На рисунке 1 приведены опытные данные по коэффициентам массоотдачи в для свободно плавающих тел (шаров) в зависимости от амплитуды вибрации при различных размерах частиц слоя. Видно, что с увеличением амплитуды коэффициент массоотдачи во всех случаях (кривые 1-4) монотонно возрастает, так как одновременно повышается интенсивность пульсаций давления газовой среды, а вместе с ними и скорость неустановившейся фильтрации газовых потоков [1], существенных в виброподвижных слоях с размером частиц ёТ < 0,8 мм. Кроме того, с увеличением размера частиц при прочих равных условиях, коэффициенты в вначале снижаются (кривые 1-3), а при > 0,32 мм (кривые 3, 4) практически не изменяются, что связано с аналогичным характером изменения средней скорости пульсаций газовых потоков [1].

Рис. 1 Зависимость коэффициентов массоотдачи в и теплоотдачи а для свободно плавающего шара от

амплитуды вибрации А в виброкипящем слое корунда узких фракций,/ = 40 Гц, Н0 = 60мм, ГСЛ = 60 0С; для массоотдачи: 1 - • Б = 11,6^13,7 мм, = 0,12 мм; 2 - х Б = 13^15,3 мм, = 0,25 мм;

3 - о Б= 12,8^15,2 мм, 3Т =0,4 мм; 4 - ▲ Б = 10,1^12,3 мм, = 0,63 мм; для теплоотдачи:5 - Д медный шар Б = 16 мм, = 0,18 мм, Н0 = 90 мм [5].

Установлено также влияние формы свободно плавающих тел: для цилиндра коэффициенты в, при прочих равных условиях, были несколько меньше (в среднем на 20 %), чем для шара.

Сравнение с данными по теплоотдаче [5] в аналогичных условиях (кривые 1 и 5) показывает, что характер кривых идентичен, что свидетельствует о существенной связи процессов внешнего тепло- и массообмена в виброкипящем слое, обусловленных интенсивностью движения частиц или их групп и возникающих неустновившихся потоков газовой среды.

© Проблемы энергетики, 2012, № 3-4

Summary

An experimental data of mass transfer coefficients by vaporization simple geometric form objects (spheres or cylinders) are given. The objects freely float in the vibrofluidized bed of inert material. A comparison mass transfer coefficient with heat transfer is offered.

Key words: mass transfer, vibration, disperse material.

Литература

1. Сапожников Б.Г. Исследование скорости газовой среды в виброкипящем слое и ее влияние на внешний теплообмен /Б.Г. Сапожников, Ю.О. Зеленкова, Е.Г. Решетников, Г.Б. Сапожников, Н.П. Ширяева. Труды пятой Российской национальной конференции по теплообмену. В 8 томах. (25-29 октября 2010 г., Москва). Т. 5. Двухфазные течения. Дисперсные потоки и пористые среды. М.: Издательский дом МЭИ, 2010. С. 214-217.

2. Баскаков А.П., Супрун. В.М. Массоотдача с поверхности тела, погруженного в кипящий слой //Хим. промышленности 1970. № 9. С. 698-701.

3. Островская А.В., Королев Н.В. Локальный массообмен по высоте цилиндра, погруженного в псевдоожиженный слой //Инж.-физ. журнал. 1994. Т. 67. № 1-2. С. 43-47.

4. Маркова М.Н. Массообмен при испарении с поверхности тела, погруженного в псевдоожиженный слой инертного материала /М.Н. Маркова // Теорет. осн. химич. технологии. 1972. Т. 6. № 5. С. 773-775.

5. Блинов А.В., Сапожников Б.Г., Сыромятников Н.И. Исследование теплообмена тел, свободно перемещающихся в виброкипящем слое //Журнал Всесоюзн. химич. об-ва им. Д.И. Менделеева. 1982. Т. 27. № 6. С. 111-112.

Поступила в редакцию 18 июля 2011 г.

Сивкова Анастасия Михайловна - аспирант кафедры «Теоретическая теплотехника» Уральского федерального университета. E-mail: anessa.86@mail.ru.

Сапожников Борис Георгиевич - д-р техн. наук, профессор кафедры «Теоретическая теплотехника» Уральского федерального университета. Тел.: 8(343) 341-81-76.

© Проблемы энергетики, 2012, № 3-4