CC BY
27
УДК 621.1.016.4
А. В. Дмитриев, Л. В. Круглов, О. С. Дмитриева
ОПРЕДЕЛЕНИЕ СРЕДНИХ КОЭФФИЦИЕНТОВ ТЕПЛООТДАЧИ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНО ПАДАЮЩИХ КАПЕЛЬ В ПОТОКЕ ГАЗА
Ключевые слова: коэффициент теплоотдачи, контактное устройство, распыл капель.
С использованием программного комплекса SolidWorks Flow Simulations проведены исследования тепло- и гидродинамических процессов в струйно-барботажном контактном устройстве. Важным исследованием диспергирования струй из контактных элементов является определение гидродинамики падающих капель, что позволяет судить об эффективности и интенсивности протекающих тепломассообменных процессов. В статье представлены исследования по анализу теплоотдачи последовательно падающих капель в потоке газа при различных углах его атаки.
Keywords: heat transfer coefficient, contact device, spray droplets.
Investigations of thermal and hydrodynamic processes in the jet-bubbling contact device are conducted by using the software package SolidWorks Flow Simulations. The research of the dispersion jets of the contact elements to determine the hydrodynamics of falling drops is important. Research allows to judge the effectiveness and intensity of the occurring heat and mass transfer processes. The article presents a study on the analysis of heat consistently falling drops in the gas stream at various angles of his attack.
В химической технологии и энергетики широко используются тепломассообменные аппараты, такие как ректификационные и абсорбционные колонны. Эффективность осуществления процессов при этом определяется, как правило, конструктивными особенностями используемого контактного устройства, что в значительной степени определяет материальные и энергетические затраты, а также качество продукции. Регулярные насадки обладают более упорядоченной структурой, что положительным образом сказывается на их гидродинамических и массообменных показателях. В настоящее время известны фирмы-производители контактных устройств для ректификационных и абсорбционных колонных аппаратов, отличающихся достаточно высокой массообменной эффективностью, «NORTON» (насадка INTALOX), ВАКУПАК, «Sulzer» (насадка Mellapak), «Инжехим» и др. [1-5].
Авторами была разработана конструкция струйно-барботажного контактного устройства, принцип работы которой и анализ гидродинамической структуры двухфазного потока представлен в работе [6]. Через множество отверстий в днище контактной ступени устройства стекающий поток жидкости распределяется струями на нижележащий уровень. Вследствие того, что на ступени поддерживается постоянный уровень жидкости за счет наличия вертикальных стенок, появляется возможность регулирования времени контакта фаз. При этом, образовавшиеся струи жидкости распадаются на множество капель, которые, соударяясь о поверхность жидкости на ступени, разлетаются в разные стороны брызгами. Таким образом, создается развитая постоянно обновляющаяся поверхность контакта фаз, характеризующаяся наличием относительно небольших газовых пузырей в слое жидкости и вылетающими каплями с поверхности. Восходящий поток газа контактирует с падающими струями и каплями жидкости.
Целью работы является получение критериальных зависимостей для расчета средних коэффициентов
теплоотдачи капель, последовательно падающих в потоке газа при различных углах атаки воздушного потока. Теоретическое исследование выполнялось в программном пакете SolidWorks Flow Simulations. Комплекс задач, связанных с вопросами гидродинамики и теплообмена, в программе решается с помощью системы дифференциальных уравнений движения, неразрывности, энергии, теплопроводности стенок канала. Замыкает систему уравнений двухпараметрическая k-e модель турбулентности [7, 8]. Исследования проводились на примере теплообмена между воздухом и каплей воды. Температура воздуха задавалась 20°С, температура капли 40°С, давление 1 атм. Ширина одного контактного элемента 60 мм, его высота 30 мм. Уровень воды на контактной ступени варьируется в диапазоне 15-30 мм. Среднерасходная скорость потока воздуха (на полное сечение устройства) варьировалась в диапазоне 1,18-4,365 м/с; плотность орошения 11,5 - 47,9 м3/м2^ч.
Рис. 1 - Визуализация обтекания группы капель
Рассмотрена группа капель, сформированных дроблением потоком воздуха стекающей струи воды
через отверстия в днище контактной ступени. Капли имеют шарообразную форму, летят одна за другой по вертикальной оси на некотором расстоянии. При этом на каждую каплю в поле однородной турбулентности действуют силы со стороны несущего потока -динамический напор, сила вязкого трения и сила поверхностного натяжения [9]. Были получены значения поля скоростей, температур, давлений в рассматриваемых контактных устройствах. На рис. 1 наглядно показано влияние возмущенного потока воздуха от одной капли на другую. Очевидно, что влияние на структуру потока изменит условия теплоотдачи и массоотдачи. В связи, с чем необходимы зависимости, учитывающие обтекание потоком газа ряда капель.
Nu/Nu; ;,;5 -
;,05 lal
_
X
0,95 -
0,85 -
0,75
0,65 -
0,55
3
3,5
la, мм
2 2,5
Рис. 2 - Зависимость отношения осредненного числа Нуссельта к числу Нуссельта, рассчитанному для одиночной капли, от угла атаки воздушного потока: 1 - 0°; 2 - 30°; 3 - 45°; 4 - 60°; 5 - 90°; расстояние между центрами капель la = 1,5a, где a -средний диаметр капель, мм
В большинстве исследований предполагается, что капли сохраняют свои сферические формы, и температура поверхности капли остается постоянной, хотя она может изменяться во времени. Исследование процесса конвективной теплоотдачи в газовой фазе основано на аналогии Нуссельта. Для диапазона значений критерия Прандтля 0,25 < Pr < 100 получено значение критерия Нуссельта Nu = 2 + 0,47Re0'54Pr0'33
[10], где Nui = ab/À - число Нуссельта; а -коэффициент теплоотдачи, Вт/(м-K); b - ширина одного контактного элемента, м; À - коэффициент теплопроводности, Вт/(м^К); Pr - число Прандтля; Re = bWg/Vg - число Рейнольдса; WG - действительная скорость газа, м/с; vG - коэффициент кинематической вязкости газа, м2/с.
Из рис. 2 видно, что коэффициент теплоотдачи может увеличиваться на 15% при относительно малом расстоянии между каплями.
Увеличение расстояния между каплями снижает влияние предыдущих капель на последующие (рис. 3), число Нуссельта меняется не более чем на 5%. При обтекании капель под углом 90° число Нуссельта существенно снижается во всем диапазоне изменения исследуемых параметров (рис. 3).
Для проверки адекватности исследований были проведены сравнения с экспериментальными данными Б.Д. Кацнельсона и Ф.А. Тимофеевой-Агафоновой
[11]. Расхождение составило не более 25%. Причем
при сравнении с данными других авторов [12] (С.И. Исатаев, З.Ж. Жанабаев, З.С. Леонтьева, И.П. Басина и И.А. Максимов) погрешность была намного меньше.
Nu/Nu
0,9 0,8 0,7 0,6
-х-4
■2 •5
la, мм
2 2,5 3 3,5 Рис. 3 - Зависимость отношения осредненного числа Нуссельта к числу Нуссельта, рассчитанному для одиночной капли, от угла атаки воздушного потока: 1 - 0°; 2 - 30°; 3 - 45°; 4 - 60°; 5 - 90°; расстояние между центрами капель /а = 2 а
Из рис. 4 видно, что при расстоянии 1а = 2а и более коэффициент теплоотдачи можно рассчитывать как для одиночной капли, так как возмущение потока газа от одной капли не влияет на другую. При меньших расстояниях увеличение коэффициента может достигать 16%. Наибольшее увеличение приходится на наименьшее значение произведения Re0•54Pr0•33.
Nu/Nu,
;,;4
1,1
1,06 Н 1,02 0,98 0,94
6 8 10 12 14 16 Рис. 4 - Зависимость отношения осредненного числа Нуссельта к числу Нуссельта, рассчитанному для одиночной капли, от параметра Re0,54Pr0,33; расстояние между центрами капель 1а: 1 - 1,5а; 2 - 1,75а; 3 - 2а
Таким образом, на формирование дисперсного состава капель существенное влияние оказывают, в основном, физические свойства жидкости и газа, параметры контактного устройства и расход газовой фазы. При расчете средних коэффициентов теплоотдачи последовательно падающих капель в потоке газа при различных углах его атаки можно пользоваться эмпирическими уравнениями определения значения критерия Нуссельта для одиночной капли.
3
Исследование выполнено при финансовой
поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 16-3860081 мол_а_дк.
Литература
1. V. Linek, T. Moucha, F.J. Rejl, Trans IChem E, 79, 725-732 (2001).
2. G.Q. Wang, X.G. Yuan, K. Yu, Industrial & Engineering Chemistry Research, 44, 23, 8715 (2005).
3. Ю.Н. Лебедев, В.Г. Чекменов, Т.М. Зайцева, И.А. Зильберберг, Р.М. Ишмухаметов, Химия и технология топлив и масел, 1, 48-52 (2004).
4. "МеЫ Rendom Packind" (каталог фирмы "Sulzer Chemtech", 22.64.06.40-v04-50).
5. Контактные элементы для колонных аппаратов (Система INTALOX®, Packed Tower System). Каталог фирмы "KOCH-GLITSCH"
6. А.В. Дмитриев, И.Н. Мадышев, О.С. Дмитриева, Промышленная энергетика, 5, 26-31 (2016).
7. А.Г. Багоутдинова, Я.Д. Золотоносов, О.В. Шемелова, Вестник Казанского технологического университета, 17, 14, 199-201 (2014).
8. Г.Х. Гумерова, А.А. Исаев, А.В. Дмитриев, Вестник Казанского технологического университета, 16, 9, 8789 (2013).
9. Э.Г. Синайский, Е.Я. Лапига, Ю.В. Зайцев. Сепарация многофазных многокомпонентных систем. ООО «Недра-Бизнесцентр», Москва, 2002. 621 с.
10. B. Melissari, S. A. Agyropoulos. Int. Journal Heat and Mass Transfer, 48, 4333-4341 (2005).
11. Б.Д. Кацнельсон, Ф.А. Тимофеева, Труды ЦКИТИ, 12, 119 (1949).
12. С.С. Кутателадзе. Основы теории теплообмена. Атомиздат, Москва, 1979. 416 с.
© А. В. Дмитриев - зав. кафедрой ТОТ ФГБОУ ВО «КГЭУ», [email protected], Л. В. Круглов - старший преподаватель кафедры ТОТ ФГБОУ ВО «КГЭУ», [email protected], О. С. Дмитриева - доцент кафедры ПАХТ НХТИ (филиала) ФГБОУ ВО «КНИТУ», [email protected].
© A. V. Dmitriev - the head of «Theoretical Bases of Heat Engineering» chair, KSPEU, [email protected], L. V. Kruglov -assistant professor of TBT chair, KSPEU, [email protected], O. S. Dmitrieva - associate professor of PAChT, NCHTI KNRTU, [email protected].
