CC BY
9
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОВЕРХНОСТИ КОНТАКТА ФАЗ ХИМИЧЕСКИМ МЕТОДОМ В УВЛАЖНИТЕЛЕ СО ВСТРЕЧНЫМИ ЗАКРУЧЕННЫМИ ПОТОКАМИ
И.А. Тимонов, Е.Т. Тимонова
УДК 544: 697.94
РЕФЕРАТ
ABSTRACT
контактный аппарат, хемосорбция, поверхность контакта фаз, теплообмен, коэффициенты тепломассообмена
CONTACT DEVICE, HEMOSORBTION, SURFACE OF CONTACT OF PHASES, HEAT EXCHANGE, HEAT MASS EXCHANGE COEFFICIENTS
в статье представлены результаты исследований по выявлению возможности использования химического метода для определения истинной поверхности контакта фаз в аппарате форсуночного типа - увлажнителе со встречными закрученными потоками. Сущность метода заключается в определении характеристик массопереноса при абсорбции, сопровождаемой химической реакцией, и установлении связи этих характеристик с кинетикой протекающей химической реакции. Установлено, что поверхность контакта фаз пропорциональна гидродинамическим условиям работы - коэффициенту орошения и массовой скорости воздуха. Полученные данные показали, что применение химического метода позволяет определять истинную поверхность контакта фаз в тепломассообменных аппаратах.
The results of the researches of the chemical methods for determining the true surface contact between the phases and heat and mass transfer coefficients for the machine-humidifier with counter swirling flow are shown. This method can be used in other heat and mass transfer devices of the industrial air-conditioning systems.
Тепломассообменные процессы широко распространены в различных отраслях промышленности. Для проведения таких процессов используется большое количество аппаратов, характеризующееся значительным разнообразием конструкций и условий работы. Одним из важнейших факторов, определяющих эффективность тепломассообменных аппаратов, является поверхность контакта фаз (ПКФ) между газом и жидкостью. Прежде всего это относится к контактным аппаратам для тепловлажностной обработки в промышленных установках кондиционирования воздуха. Основная сложность при расчетах коэффициентов переноса в них связана с определением действительной поверхности взаимодействия воздуха и воды. Поэтому при обработке экспериментальных данных обычно применяют условную ПКФ, равную площади поперечного сечения или объему камеры аппарата,
считая ее величиной постоянной. По принятой ПКФ вычисляются условные средние коэффициенты переноса тепла и влаги. В действительности величина межфазной поверхности зависит от многих конструктивных и режимных параметров аппарата и изменяется в широких пределах.
В данной работе была предпринята попытка экспериментального определения ПКФ в увлажнителе со встречными закрученными потоками (ВЗП-У) с помощью химического метода, который использовался в пенно-барботажных и вихревых газожидкостных аппаратах [1, 2]. Этот метод позволяет определять интегральную ПКФ независимо от структуры двухфазного потока. Сущность метода заключается в определении характеристик массопереноса при абсорбции, сопровождаемой химической реакцией (хе-мосорбцией), и установлении связи этих характеристик с кинетикой протекающей химической
реакции. Для этой цели использовалась реакция поглощения С02 из смеси с воздухом водным раствором ЫаОИ.
Указанная реакция протекает по «псевдопервому» порядку. В этом случае истинный коэффициент массоотдачи в жидкой фазе (м/с) при хемосорбции не зависит от гидродинамики слоя и полностью определяется скоростью химической реакции.
где Ор = ОН20 + Ош0Н - расход раствора, м3/с; 2 = 2 - стехиометрический коэффициент.
Пренебрегая сопротивлением газовой фазы, определим е1 по закону Генри:
где к2 - константа скорости химической реакции, м3/(кмоль с); Da - коэффициент диффузии С02 в растворе щелочи, м2/с; е - средняя концентрация щелочи в растворе, кмоль/м3.
Константа скорости химической реакции к2 определяется по следующим зависимостям:
, (2)
, (3)
где Т - средняя абсолютная температура взаимодействующих сред, К.
Средняя концентрация щелочи в растворе
где ен и ек - концентрации щелочи на входе и выходе из аппарата, кмоль/м3.
Диффузионное сопротивление газовой фазы незначительно, поэтому можно принять объемный коэффициент массоотдачи в жидкой фазе при хемосорбции ^ равным объемному коэффициенту массопереноса к .Тогда
где М - количество С02, поглощенное раствором щелочи, кмоль/с; Уап - объем рабочей камеры аппарата, м3; е1 - концентрация С02, в массе газа, кмоль/м3.
Количество С02, поглощенное раствором щелочи, определяется по выражению
где Рср - среднее парциальное давление С02 в смеси, кПа; т - константа равновесия [3]; Я = 8,21 - газовая постоянная, м3 кПа/(кмоль К).
Так как ^ = 0ж • а, можно определить удельную ПКФ «а» (м2/м3), отнесенную к объему аппарата:
а ~
Ръ Ср(.сн - сК)тИТ
Рп г^к2сОа РсрУ„
(8)
где Уап - объем рабочей камеры аппарата, м3. Тогда истинная ПКФ будет равна:
■-
Г = а • У . ап (9)
Данная методика использовалась для определения истинной ПКФ в аппарате ВЗП-У с диаметром 260 мм при высоте рабочей камеры 730 мм [4].
Принципиальная схема экспериментальной установки показана на рисунке 1.
Воздух, поступающий в аппарат 1, смешивался в заданном соотношении с углекислым газом, подаваемым из баллона 2. Раствор щелочи из бака 3 насосом перекачивался к аппарату, где центробежными форсунками 4 распылялся в рабочей камере аппарата. После взаимодействия с газом раствор стекал в поддон, откуда откачивался насосом. Газ удалялся через верхний патрубок аппарата.
Объемная доля С02 в воздухе изменялась от 1,4 до 1,8 %, щелочи в растворе - от 1,9 до 2,7 кмоль/м3. Температура газа и жидкости измерялась лабораторными термометрами, расход воздуха и углекислого газа - мерными шайбами, расход раствора - ротаметрами. Концентрацию
раствора в отобранных пробах определяли титрованием соляной кислоты в присутствии фенолфталеина и избыточного количества хлористого бария для нейтрализации соды.
В настоящей работе исследовался процесс увлажнения и охлаждения воздуха. При прохождении воздуха через разбрызгиваемый форсунками раствор щелочи происходит одновременно хемосорбция СОг, увлажнение и охлаждение воздуха. Процесс хемосорбции позволяет измерить истинную ПКФ, а увлажнение и охлаждение воздуха - коэффициенты тепло- и массопереноса. Расчет коэффициентов тепло- и массопереноса основывается на исследованиях Льюиса и Меркеля [5].
В работе исследовалась теплоотдача от воздуха к воде. Коэффициент теплоотдачи а (Вт/(м2 °С)) определялся по формуле:
сэ№ - ¿1)
1000 ■ 3600 • ¿^ ■ р
(10)
где Оя - общий расход воздуха, поступающего в аппарат, кг/ч; ср - теплоемкость сухого воздуха, кДж/(кг°С); и - температура воздуха на входе и выходе из аппарата, °С; F - истинная ПКФ, м2; ЬЛсрл - среднелогарифмический температурный напор, °С.
При исследовании испарения воды все диффузионное сопротивление сосредоточено в газовой фазе, поэтому коэффициент массопередачи кв примерно равен коэффициенту массоотдачи в газовой фазе м/с
где и й1 - влагосодержание конечного и начального состояния воздуха, г/кг; &Ксрл - средне логарифмический напор концентраций водяного пара,кг/м3.
Коэффициент полного теплообмена о, Вт/[м2(кДж/кг)] определяется по формуле
где 11 и 12- энтальпия начального и конечного
2
состояния воздуха, кДж/кг; М 1срл - средне логарифмический напор энтальпий, кДж/кг.
При проведении эксперимента были выбраны три параметра, характеризующие режим работы аппарата ВЗП-У: коэффициент орошения В = Ор / С3, массовая скорость воздуха в поперечном сечении аппарата ьр и отношение расходов воздуха е = С2 / Оя (С2 - расход воздуха, поступающего в аппарат через верхний ввод).
Результаты экспериментальных исследований показаны в таблицах 1 и 2.
Анализ полученных экспериментальных данных показывает, что истинная ПКФ возрастает с увеличением коэффициента орошения В, массовой скорости воздуха ьр и коэффициента £. Причем влияние фактора е на порядок ниже, чем В и ьр. Это полностью согласуется с результатами ранее выполненных исследований, показавших, что эффективность процесса тепловлажностной обработки воздуха возрастает с увеличением указанных параметров. В свою очередь, увеличение коэффициентов а, 0 и о происходит при уменьшении значений В, ьр и £.
В результате выполненной работы было установлено, что применение химического метода позволяет определять истинную ПКФ и коэффициенты тепло- и массообмена в различных контактных аппаратах, в частности в аппаратах форсуночного типа. Полученные результаты дают возможность осуществить более точный расчет процессов тепловлажностной обработки воздуха в увлажнителе со встречными закрученными потоками.
Таблица 1 - Параметры работы аппарата ВЗП-У
№ п/п В, кг/кг vp, кг/(м2с) G3, кг/ч £ Gp, кг/ч
1 0,6 5,24 1000 0,6 600
2 0,6 6,2 1180 0,4 708
3 1,2 5,24 1000 0,4 1200
4 1,2 6,2 1180 0,6 1416
5 0,6 5,24 1000 0,4 600
6 0,6 6,2 1180 0,6 708
7 1,2 5,24 1000 0,6 1200
8 1,2 6,2 1180 0,4 1416 ■У
Таблица 2 - Экспериментальные данные по определению ПКФ
№ п/п M 10-3, кмоль/с с к, кмоль/м3 с , к' кмоль/м3 с, кмоль/м3 Т, К m Р , кПа ср к2, с-1 D 10-9, a ' м2/с, а, м2/м3
1 0,179 2,66 2,54 2,60 298,1 2,29 1,7 15268 1,96 96,04
2 0,202 2,38 2,25 2,32 291,8 1,80 1,6 8748 1,76 149,2
3 0,188 2,00 1,82 1,91 298,8 1,96 1,8 13062 2,00 292,4
4 0,188 2,61 2,44 2,53 293,2 2,00 1,4 10371 1,81 431,8
5 0,184 2,13 2,02 2,07 297,0 1,96 1,7 11940 1,94 96,03
6 0,179 2,77 2,62 2,69 297,3 2,30 1,4 14307 1,96 172,4
7 0,184 2,10 1,91 2,00 297,7 1,96 1,7 12436 1,97 328,3
8 0,202 2,49 2,32 2,40 292,5 1,91 1,6 9526 1,78 387,°
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ
источников
REFERENCES
1. К расчету поверхности контакта фаз в процессе абсорбции С02 растворами щелочей на ситчатых тарелках / А. И. Родионов, В. Е. Сорокин // Журн. прикл. хим. - 1970. - № 11
- С. 87-91.
2. Тепло- и массоперенос в закрученном газо-
жидкостном слое / А. П. Бурдуков [и др.] //
Журн. прикл. мех. и техн. физ. - Сибирское
отделение АН СССР: Наука. - 1981. - № 6
- С. 52-55.
1. Rodionov, A. I., Sorokin, V. E. (1970), On the calculation of surface contact between the phases in the process of CO2 absorption alkalis on sieve trays [K raschetu poverkhnosti kontakta faz v processe absorbcii CO2 rastvorami schelochei na sitchatych tarelkakh], Gurn. prikl. khim. T 43 № 11, pp. 2461-2465.
2. Burdukov, A. P. (1981), Heat and mass transfer in swirling gas-liquid laye [Teplo- i massoperenos v zakruchennom gazogidkostnom sloe], Gurn. prikl. mekh. i tekhn. fiz. - Sibirskoe otdelenie AN
г
3. Рамм В. М. Абсорбция газов / В. М. Рамм. -Москва : Химия. 1976. - 655 с.
4. Омельчук В. С. Экспериментальное исследование полупромышленного увлажнителя со встречными закрученными потоками / В. С. Омельчук, И. А. Тимонов // Повышение эффективности тепломассобменных и гидродинамических процессов в текстильной промышленности и производстве химических волокон : межвуз. сборник научн. трудов / МТИ им. А.Н. Косыгина. - Москва, 1985. - С. 116-118.
5. Кокорин О. Я. Установки кондиционирования воздуха / О. Я. Кокорин. - Москва: Машиностроение. 1971. - 262 с.
SSSR: Nauka № 6, pp 68-72.
3. Ramm, V.M. (1976), Absorption of gases [Absorbciya gazov]. Moskva: Khimiya, 655 pages.
4. OmeLchuk, V.S., Timonov, I.A. (1985), Experimental research of semi-humidifier with counter swirling flows [Eksperimentalnoe issledovanie polupromyshlennogo uvlagnitelya so vstrechnymi zakruchennymi potokami] // Povyshenie effektivnosti teplomassoobmennykh i gidrodinamicheskikh processov v tekstilnoi promyshlennosti i proizvodstve khimicheskikh volokon: megvuz. Sbornik nauchnykh. trudov / MTI im. A.N. Kosygina. - Moskva, pp. 116-118.
5. Kokorin, O. conditioning vozdukha]. 262 pages.
Y. (1971), [Ustanovki Moskva:
installation of air kondicionirovaniya Mashinostrojeniye,
Статья поступила в редакцию 10.03.2014 г.
