CC BY
28
УДК 621.577
ВЛИЯНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ РАСТВОРОВ СОЛЕЙ НА ПРОЦЕСС
ДЕСОРБЦИИ КАПЛИ
В.Е. НАКОРЯКОВ, С.Л. ЕЛИСТРАТОВ, С.Я. МИСЮРА Институт теплофизики СО РАН, г. Новосибирск
В данной работе исследован процесс неизотермической десорбции водных растворов ЫБг-Н20, СаС12-Н20 капель на горизонтальной нагреваемой поверхности. Наблюдается существенное уменьшение интенсивности десорбции с ростом концентрации соли. Процесс десорбции сопровождается образованием и движением поверхностного фронта кристаллогидратов. Экспериментальная методика позволяла проводить прямые измерения массы испаряющейся капли.
Ключевые слова: растворы солей, неизотермическая десорбция, десорбция капли, скорость десорбции, фронт кристаллизации.
При расчёте абсорбционных термотрансформаторов наибольшее внимание уделяется процессам абсорбции. Не менее важную роль играет десорбция растворов сложного состава в десорбере. Экспериментальное исследование плёнок [1, 2] на горизонтальной и вертикальной поверхности показало, что при развитии плёнки в технических аппаратах происходят разрывы и образование струй, капель. Поверхностные силы Марангони усиливаются при абсорбции и увеличивают неустойчивость плёнок, что заметно уменьшает эффективность работы абсорбера. В десорберах из-за высоких концентраций соли и больших температурных градиентов на поверхности стекающего раствора соли ещё существеннее сказывается на процесс разрыва плёнки. Поэтому представляет интерес исследование десорбции струй и капель. Общие положения разработанной и успешно применяемой сегодня теории неизотермической абсорбции [3] только в предельном случае могут использоваться и для задач десорбции. В отличие от процессов квазистационарной абсорбции -десорбция существенно нестационарна. При десорбции значительно изменяется концентрация соли, равновесная температура и равновесное парциальное давление на поверхности раздела фаз. Таким образом, для корректного теоретического описания существенно нестационарной и неизотермической десорбции требуется проведение дополнительных экспериментальных исследований в широком диапазоне определяющих параметров. При испарении однокомпонентных и многокомпонентных жидкостей, когда испаряются все компоненты, имеется три характерных режима испарения: 1) полное испарение без отрыва жидкости от твёрдой стенки, 2) перемежающийся отрыв (чередование пузырькового и плёночного кипения), 3) устойчивое плёночное кипение при температуре Лейденфроста. При десорбции высококонцентрированных водных солевых растворов третий режим (устойчивоё плёночное кипение) не наблюдается. Происходит вырождение кризиса теплообмена [4]. При использовании растворов солей имеет место образование третьей твёрдой фазы -кристаллогидратной плёнки, что существенно влияет на интенсивность десорбции и требует учёта при теоретическом описании.
Для изучения физической картины процессов тепломассообмена в такого рода системах нами были выполнены экспериментальные исследования по нестационарному испарению капель водных растворов солей СаС12 и ЫБг с различной начальной весовой концентрацией Со для широкого диапазона температур стенки Тст при атмосферном давлении окружающей среды. © В.Е. Накоряков, С.Л. Елистратов, С.Я. Мисюра Проблемы энергетики, 2013, № 1-2
Для регистрации текущих параметров неизотермической десорбции дозированных объемов водно-солевых растворов (капель) на горизонтальной поверхности нагрева была разработана экспериментальная методика для проведения прямых измерений веса испаряющейся капли. Рабочий участок был установлен на электронные весы. Использование при этом видео и тепловизионной съемки позволило определить качественные и количественные характеристики процесса неизотермической десорбции капель для закона теплообмен Тст = const. Измерения проведены на металлическом цилиндре из титана диаметром 0,08 м, высотой 0,06 м. Подробное описание экспериментальной методики представлено в работе [5].
На рис. 1 показано изменение времени испарения капель от температуры стенки при различной начальной массовой концентрации соли. Для начальной концентрации соли 0 - 10 % происходит полное испарение воды, поэтому берётся полное время испарения (tj). В конце десорбции на поверхности металла образуется сухой остаток соли. При начальной массовой концентрации соли Со равной 22 % и выше на межфазной поверхности жидкость-газ образуется тонкая, прочная кристаллогидратная плёнка, которая уменьшает скорость десорбции в десятки раз. Поэтому для этих случаев бралось не полное время десорбции, а время начала образования плёнки (t2). Как видно из рис. 1, при температуре выше 180 °С время испарения (t2) перестаёт зависеть от температуры стенки. Данный факт можно объяснить ограничением предельной скорости десорбции из-за ограничения диффузии (диффузия в газовой фазе много выше диффузии в жидкости) в водно-солевом растворе и высокого градиента концентрации соли вблизи межфазной поверхности жидкость-газ.
240
t, сек
200 -
—I.iBr-0% —•-- Lffli=l% LiBl-5% -О- Lffli=10% —*— LiBr-22% —в— LlBt=36°/e -X- LiBi=53%
80 100 120 140 160 180 200 220 240
-г 0r
Рис. 1. Зависимости для времени испарения капель дистиллированной воды и водного раствора соли от температуры стенки при различной начальной массовой концентрации соли ( Уо=46 мкл)
Были выявлены следующие закономерности неизотермической десорбции водно-солевых растворов. В диапазоне температур Тст < Ткип (температура стенки меньше температуры начала кипения) с увеличением начальной массовой концентрации соли Со наблюдалось (см. рис.2) существенное снижение интенсивности десорбции. Такая закономерность определяется снижением давления насыщенных паров растворителя (воды) над межфазной поверхностью раствора (жидкость-газ) с увеличением концентрации соли [6-8]. Низкая скорость диффузии в растворе не компенсирует уменьшение концентрации воды на поверхности раздела фаз. Рост равновесной
© Проблемы энергетики, 2013, № 1-2
поверхностной концентрации соли приводит к уменьшению равновесного парциального давления пара и к уменьшению скорости десорбции. Следовательно, для правильного описания данного процесса необходимо совместно решать уравнение переноса тепла в жидкой фазе, нелинейное уравнение диффузии (коэффициент диффузии зависит от температуры и концентрации) в жидкой фазе, а также диффузию пара в газовой среде. При приближении концентрации раствора к линии кристаллизации, на поверхности капли образуется кристаллогидратная плёнка, которая первоначально образуется на краях капли и затем перемещается к центру, полностью покрывая всю поверхность. Дальнейшее испарение воды происходит с поверхности при наличии трёх фаз: жидкая под плёнкой, твёрдая плёнка и водяной пар над поверхностью раздела фаз. Для данного случая необходимо учитывать процесс диффузии воды через твёрдую плёнку. При наличии кристаллогидратной плёнки скорость десорбции уменьшается в десятки раз по сравнению с чистой водой.
CaCIZ ■ 3754 -е-СаШ-20%
t, сек
Рис.2. Изменение массы капель дистиллированной воды и водных растворов солей при различной начальной массовой концентрации соли Со ( Vo=300 мкл; Тст =80 °С)
Таким образом, для описания десорбции капель растворов солей не могут быть в полной мере использованы теоретические модели квазистационарной абсорбции. Существенное изменение концентрации соли и парциального давления пара приводит к зависимости диффузии от вышеуказанных параметров. Изменение парциального давления пара и концентрации раствора в несколько раз приводит к тому, что связь между равновесной концентрацией и температурой становится существенно нелинейной, а константы уравнения значительно изменяются с изменением равновесного парциального давления пара на поверхности раздела фаз. Для корректного теоретического описания важно знать зависимость скорости десорбции от концентрации и температуры, а также учитывать влияние кристаллогидратной плёнки. Исследование физической картины неизотермической десорбции капель, тонких пленок сложного состава имеет междисциплинарный характер.
Работа выполнена при финансовой поддержке гранта No. 11.G34.31.0046 (ведущий учёный К. Ханъялич, НГУ).
Summary
This paper presents the process of nonstationary evaporation of aqueous solutions of LiBr-H2O, CaCl2-H2O droplets on a horizontal heating surface. The significant decrease in desorption intensity with a rise of initial mass concentration of salt has been observed. Formation of a surface crystallization front at evaporation of a droplet has been detected.
© Проблемы энергетики, 2013, № 1-2
We have developed the experimental method for direct measurements of the mass of evaporating droplet.
Key words: droplets nonstationary evaporation, aqueous salt solutions, desorption, heating surface.
Литература
1. Накоряков В.Е., Григорьева Н.И., Буфетов Н.С., Дехтярь Р.А. Тепломассообмен при паровой абсорбции на ряде горизонтальных труб / Сборник научных статей: Современная наука: исследования, идеи, результаты, технологии. Киев: НПВК Триакон. №2 (7). 2011. С. 86-90.
2. Накоряков В.Е., Буфетов Н.С., Дехтярь Р.А. Исследование неизотермической абсорбции при переменной толщине абсорбата: Сборник научных статей: Современная наука: исследования, идеи, результаты, технологии. Киев: НПВК Триакон. №2 (10). 2012. С. 246-250.
3. Накоряков В.Е., Григорьева Н.И. Неизотермическая абсорбция в термотрансформаторах. Новосибирск: Наука, 2010. C.113.
4. Nakoryakov V. E. Experimental investigation of the nonstationary desorption of water-salt solutions in the spheroidal state/V .E. Nakoryakov and S. L. Elistratov. Journal of Engineering Thermophysics. 2009. V. 18, № 2. Р. 87-92.
5. V. E. Nakoryakov, S. L. Elistratov, and S. Ya. Misyura. Evaporation of water solution droplets on a horizontal heating surface. International Journal of Energy and Technology, (2012), р. 1-7.
6. Lower H. Thermodynamishe und Physikalische Eigenschaften der wassrigen Lifhum-Bromid Losung: Dissertation.- Karlsruhe, 1960, 113s.
7 . Boryta D.A. Solubility of lithium bromide in water between 50 and 100°С. (45 to 70% lithium bromide). Journal on Chemical and Engineering Data. 1970. V.15, №1, P. 142-144.
8. Груздев В.А., Верба О.И. Давление насыщенных паров водных растворов бромистого лития. Исследование теплофизических свойств жидких растворов и сплавов: Сб. научных трудов. Новосибирск, 1977, C.5-19.
Поступила в редакцию 16 ноября 2012 г.
Накоряков Владимир Елиферьевич - Академик РАН, советник РАН, профессор Института теплофизики СО РАН, г. Новосибирска. Тел.: 8 (383)3309276. E-mail: nakve@itp.nsc.ru.
Елистратов Сергей Львович - д-р техн. наук, профессор, старший научный сотрудник Института теплофизики СО РАН, г. Новосибирска. Тел.: 8 (383)3306040. E-mail: elistratov@itp.nsc.ru
Мисюра Сергей Яковлевич - научный сотрудник Института теплофизики СО РАН, г. Новосибирска. Тел.: 8 (383)3306040.E-mail: misura@itp.nsc.ru.
© Проблемы энергетики, 2013, № 1-2
