CC BY
12
УДК 532.51
ОСОБЕННОСТИ ПЛЕНОЧНОГО ТЕЧЕНИЯ ЖИДКОГО АЗОТА ПО ЕДИНИЧНЫМ ЭЛЕМЕНТАМ СТРУКТУРИРОВАННЫХ НАСАДОК
Александр Николаевич Павленко
Институт теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 1, доктор физико-математических наук, член-корреспондент РАН, зав. лабораторией низкотемпературной теплофизики, тел. (383)328-43-87, e-mail: pavl@itp.nsc.ru
Антон Сергеевич Суртаев
Институт теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 1, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник, тел. (383)330-87-00, e-mail: surtaevas@gmail.com
Владимир Сергеевич Сердюков
Институт теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск,
пр. Академика Лаврентьева, 1, инженер-исследователь, аспирант, тел. (383)330-87-00, e-mail: vsserd@gmail.com
Олег Александрович Володин
Институт теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 1, кандидат физико-математических наук, научный сотрудник, тел. (383)330-87-00, e-mail: volodin_o@mail.ru
Дается краткий анализ результатов экспериментального исследования гидродинамики пленочного течения криогенной жидкости по поверхности единичных элементов структурированной насадки. На основе сравнения опытных данных показано влияние формы микротекстуры, диаметра отверстий, угла наклона больших ребер на зоны растекания пленки жидкости по корругированным поверхностям при различных значениях пленочного числа Рейнольдса.
Ключевые слова: стекающие пленки жидкости, степень орошения, смачивание, структурированные насадки, корругированные пластины, микротекстура, отверстия.
FEATURES OF LIQUID NITROGEN FILM FLOW ON SINGLE ELEMENTS OF STRUCTURED PACKINGS
Aleksandr N. Pavlenko
Kutateladze Institute of Thermophysics SB RAS, 1, Prospect Аkademik Lavrentiev St., Novosibirsk, 630090, Russia, D. Sc., Corresponding Member of RAS, Head of Low Temperature Thermophysics Laboratory, phone: (383)328-43-87, e-mail: pavl@itp.nsc.ru
Anton S. Surtaev
Kutateladze Institute of Thermophysics SB RAS, 1, Prospect Аkademik Lavrentiev St., Novosibirsk, 630090, Russia, Ph. D., Senior Researcher, phone: (383)330-87-00, e-mail: surtaevas@gmail.com
Vladimir S. Serdyukov
Kutateladze Institute of Thermophysics SB RAS, 1, Prospect Аkademik Lavrentiev St.,
Novosibirsk, 630090, Russia, Engineer-researcher, Ph. D. Student, phone: (383)330-87-00, e-mail: vsserd@gmail.com
Oleg A. Volodin
Kutateladze Institute of Thermophysics SB RAS, 1, Prospect Акаёеш1к Lavrentiev St., Novosibirsk, 630090, Russia, Ph. D., Researcher, phone: (383)330-87-00, e-mail: volodin@ngs.ru
The brief analysis of the results of an experimental study of the hydrodynamics of the film flow of a cryogenic liquid over the surface of single elements of a structured packing is given. On the basis of a comparison of the experimental data, the influence of the shape of the microtexture, the diameter of the holes, and the angle of inclination of the large ribs on the zones of spreading of the liquid film along the corrugated surfaces at different values of the Reynolds film number was shown.
Key words: flowing liquid films, irrigation degree, wetting, structured packings, corrugated plates, microtexture, holes.
Использование дистилляционных колонн со структурированными насадками в сравнении с тарельчатыми колоннами обеспечивает существенно меньшее гидравлическое сопротивление в расчете на единицу переноса, более высокие нагрузки по пару и жидкости, что значительно повышает производительность колонн и снижает затраты энергии на получение полезных продуктов. Однако регулярные насадки по сравнению с насыпными весьма чувствительны, например, по эффективности разделения смесей при дистилляции, к равномерности распределения жидкости по сечению [1]. Результаты исследований и эксплуатации промышленных ректификационных колонн с широко используемыми в настоящее время регулярными насадками показали, что эффективность разделения при увеличении их диаметра может значительно снижаться, что сказывается на производительности и чистоте готовой продукции. Это связано с существенным влиянием неравномерности распределений параметров потоков по сечению и высоте колонны, определяемой как начальными условиями орошения жидкости и ввода пара в насадку, так и внутренними процессами перераспределения потоков жидкости и пара при разделении смесей вследствие целого ряда факторов. Поэтому проблема интенсификации тепло - и массооб-мена в таких многоканальных системах, дальнейшее развитие оптимальных аппаратов насадочного типа являются чрезвычайно актуальными. Несмотря на широкое использование на практике данных режимов в контактных аппаратах, закономерности гидродинамики и тепломассообмена при таких течениях, выявление которых служит основой для разработки как конструктивных, так и технологических методов интенсификации процессов разделения смесей, исследованы весьма слабо. Исследования особенностей течения пленок различных жидкостей по структурным элементам регулярных насадок интенсивно развиваются в последнее время [2-7]. Строгое теоретическое исследование, моделирование таких течений и процессов весьма затруднительно и не является на сегодня решенной задачей в связи с чрезвычайно высокой сложностью их описания. Значительное влияние на эффективность разделения смесей, интенсивность тепломассообмена при пленочных течениях жидкостей и их смесей по структурированным поверхностям оказывают эффекты перераспределения жидкости, особенности эволюции волновых характеристик на свободной по-
верхности, динамика образования несмоченных зон. Существует лишь ограниченное число работ, посвященных исследованию гидродинамики при волновых пленочных течениях маловязких высокосмачивающих криогенных жидкостей. В тоже время исследования характеристик пленочного течения криогенных жидкостей по поверхностям сложной геометрии являются весьма актуальными, поскольку такие гидродинамические режимы реализуются в условиях дистилляции на структурированных насадках при криогенном разделении жидкого воздуха для получения чистых кислорода, азота, аргона и др. продуктов, в пленочных теплообменниках различного назначения.
Целью данной работы является экспериментальное изучение особенностей пленочного течения жидкого азота по различным единичным элементам структурированных насадок при изменении степени орошения. Исследования были проведены при использовании как одиночных корругированных пластин с различным углом наклона ребер, разной формой микротекстуры, так и на парных корругированных пластинах различной формы для изучения эффектов перераспределения жидкости, вследствие ее перетока через контактные точки.
Исследования были проведены на экспериментальной установке, принципиальная схема которой была детально описана в [8]. Опытные данные получены при течении жидкого азота, находящегося на линии насыщения, в диапазоне изменения пленочного числа Рейнольдса Re = ФГ/v = 258-860. Здесь: Г = q/l -
2 3
плотность орошения, м /с; q - объемный расход жидкости, м /с; l - периметр орошаемых каналов на верхнем срезе пластины, м; v - коэффициент кинематической вязкости, м /с. Рабочая жидкость подается через криогенный трубопровод из гелиевого сосуда в бак постоянного уровня жидкости, размещенный во внутренней полости оптического криостата. Из бака постоянного уровня жидкость через щелевой распределитель поступает на рабочий участок и далее стекает в измерительные сосуды. Через четыре оптических окна выполнялась визуализация течения и макросъемка с использованием высокоскоростной цифровой видеокамеры Phantom 7.0 и специальных фотообъективов. В первой серии опытов исследования были проведены на одиночных пластинах при горизонтальном, вертикальном направлениях микротекстуры, с комбинированной микротекстурой (с периодическим по высоте пластины изменением ее направления). Во второй серии опытов исследования были проведены на парных плотно прижатых друг к другу корругированных пластинах различной формы.
На рисунке (а) представлено сравнение размеров зон смоченной поверхности для пластин с горизонтальной и комбинированной микротекстурами при минимальном и максимальном значениях степени орошения. Анализ полученных результатов показывает, что форма микротекстуры оказывает существенное влияние на характер пленочного течения жидкости и размер, форму зон ее растекания по поверхности пластин. Для пластины с комбинированной микротекстурой по сравнению с пластиной, имеющей горизонтальное направление микротекстуры, размер смоченных зон увеличивается при всех указанных значениях степени орошения.
Границы областей пленочного течения жидкого азота. Угол наклона гофр к горизонтали составлял 47 град. Орошение пяти каналов на верхнем срезе: а) диаметр отверстий 4.0 мм: 1, 2 - пластина с комбинированной микротекстурой, 1', 2' - с горизонтальной микротекстурой; б) пластины с комбинированной микротекстурой: 1, 2 - 4.0, 1', 2' - 2.3 мм. 1, 1' - 110-6 м3/с (Яе= 258) 2, 2' - 3.34-10-6 (860), соответственно
В случае горизонтальной микротекстуры при наименьшем значении числа Рейнольдса (Яе = 258) жидкость практически не перетекает через вершины каналов из орошаемых каналов в неорошаемую часть пластины. Пленочное течение жидкости в зонах с вертикальными каналами микротекстуры способствует более значительному ее перетоку через вершины крупных ребер, обеспечивая смачивание большей части поверхности пластины. Как видно из рисунке (б), при малой степени орошения размер зон смоченной поверхности на корругиро-ванной пластине с диаметром отверстий 2.3 мм значительно больше, чем при диаметре отверстий 4.0 мм. При большей степени орошения нижние границы зон смачивания практически одинаковы для обеих пластин.
Таким образом, показано влияние формы микротекстуры, размера отверстий на характеристики течения, динамику и расположение зон разрыва пленки жидкости и возникновение устойчивых сухих пятен на гофрированной поверхности при различной степени орошения.
В опытах по изучению характера растекания жидкости в пакете, состоящем из двух корругированных пластин, показано, что наблюдаемое значительное перераспределение жидкости по ширине пакета с насадкой связано со зна-
чительным перетеканием жидкости через контактные точки. При этом, изменение ориентации микротекстуры с горизонтального направления на вертикальное, угла наклона ребер также приводит к существенному перераспределению локального расхода стекающей жидкости по ширине пакета. Показано, что характер данного перераспределения существенно зависит от степени орошения.
Полученные результаты важны как для разработки оптимальных форм структурированных поверхностей с целью интенсификации тепло-массообмена и повышения эффективности разделения смесей при дистилляции на структурированных насадках, так и для построения и верификации моделей описания процессов разделения смесей в данных условиях, учитывающих реальный характер пленочного течения жидкости в структурированных насадках различной геометрии.
Исследование выполнено в ИТ СО РАН за счет гранта Российского научного фонда (проект № 14-49-00010).
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Pavlenko А. N, Zhukov V. E., Pecherkin N. I., Chekhovich V. Yu., Volodin O. A., Shilkin A., Grossmann C. Investigation of flow parameters and efficiency of mixture separation on a structured packing // AIChE J. - 2014. - Vol. 60(2). - P. 690-705.
2. Janzen A., Steube J., Aferka S., Kenig E. Y., Crine M., Marchot P., Toye D. Investigation of liquid flow morphology inside a structured packing using X-ray tomography // Chemical Engineering Science. - 2013. - Vol. 102. - P. 451-460.
3. Oluji ca Z., Rietfortb T., Jansenb H., Zich E. Performance characteristics of an intermediatearea high performance structured packing // Chemical Engineering Research and Design. - 2015. - Vol. 99. - P. 14-19.
4. Li H., Wang F., Wang C., Gao X., Li X. Liquid flow behavior study in SiC foam corrugated sheet using a novel ultraviolet fluorescence technique coupled with CFD simulation // Chemical Engineering Science. - 2015. - Vol. 123. - P. 341-349.
5. Pavlenko A. N., Li X., Zhukov V. E., Pecherkin N. I., Volodin O. A., Surtaev A.S., Gao X., Zhang L., Sui H., Li H. Effect of dynamically controlled irrigation of a structured packing on mixture separation efficiency // Journal of Engineering Thermophysics. - 2015. - Vol. 24(3). -P. 210-221.
6. Yao Y., Pavlenko A. N., Volodin O. A. Effects of layers and holes on performance of wire mesh packing // Journal of Engineering Thermophysics. - 2015. - Vol. 24(3). - P. 222-236.
7. Лаптева Е. А., Лаптев А. Г. Прикладные аспекты явлений переноса в аппаратах химической технологии и теплоэнергетики (гидромеханика и тепломассообмен) / Под ред. Н.Н. Зиятдинова. - Казань: Печать - Сервис XXI век, 2015. - 236 с.
8. Павленко А. Н., Володин О. А., Сердюков В. С. Особенности пленочного течения азота по структурированным поверхностям // Вестн. Новосиб. гос. ун-та. Серия: Физика. -2015. - Т. 10(1). - С. 33-41.
REFERENCES
1. Pavlenko А. N, Zhukov V. E., Pecherkin N. I., Chekhovich V. Yu., Volodin O. A., Shilkin A., Grossmann C. Investigation of flow parameters and efficiency of mixture separation on a structured packing // AIChE J. - 2014. - Vol. 60(2). - P. 690-705.
2. Janzen A., Steube J., Aferka S., Kenig E. Y., Crine M., Marchot P., Toye D. Investigation of liquid flow morphology inside a structured packing using X-ray tomography // Chemical Engineering Science. - 2013. - Vol. 102. - P. 451-460.
3. Oluji ca Z., Rietfortb T., Jansenb H., Zich E. Performance characteristics of an intermediatearea high performance structured packing // Chemical Engineering Research and Design. -2015. - Vol. 99. - P. 14-19.
4. Li H., Wang F., Wang C., Gao X., Li X. Liquid flow behavior study in SiC foam corrugated sheet using a novel ultraviolet fluorescence technique coupled with CFD simulation // Chemical Engineering Science. - 2015. - Vol. 123. - P. 341-349.
5. Pavlenko A. N., Li X., Zhukov V. E., Pecherkin N. I., Volodin O. A., Surtaev A.S., Gao X., Zhang L., Sui H., Li H. Effect of dynamically controlled irrigation of a structured packing on mixture separation efficiency // Journal of Engineering Thermophysics. - 2015. - Vol. 24(3). -P. 210-221.
6. Yao Y., Pavlenko A. N., Volodin O. A. Effects of layers and holes on performance of wire mesh packing // Journal of Engineering Thermophysics. - 2015. - Vol. 24(3). - P. 222-236.
7. Lapteva, E. A., & Laptev, A. G. (2015) Applied aspects of transfer phenomena in devices of chemical technology and heat power engineering (hydro-mechanics and heat and mass transfer). Kazan: Service XXI century [in Russian].
8. Pavlenko A. N., Volodin O. A., & Serdukov V. S. (2015) Features of film flow of nitrogen on structured surfaces. [Bulletin of Novosibirsk state University], series: Physics. - 2015. -Vol. 10(1). - (pp. 33-41) [in Russian].
© А. Н. Павленко, А. С. Суртаев, В. С. Сердюков, О. А. Володин, 2018
