Исследование эффективности вихревых аппаратов с закрученным потоком теплоносителей

АННОТАЦИЯ

Приведены результаты экспериментальных исследований интенсификации теплообмена с использованием закрученных потоков газа и жидкости. Конструкции современных скоростных, реализующих газожидкостной контакт в поле центробежных сил более просты, надежны и эффективны в плане промышленного использования. Решены вопросы, касающиеся равномерного распределения жидкости на контактных элементах, предотвращения брызгоуноса. Широкое внедрение вихревых аппаратов в промышленности в настоящее время сдерживается из-за недостаточной изученности гидродинамики вихревого потока, а также процессов тепломассообмена в центробежном поле. Поэтому исследование гидродинамики и процессов тепломассообмена вихревых аппаратов, а также разработка методов их конструктивного расчета и определения основных гидродинамических характеристик являются актуальными задачами. Закручивание потока теплоносителя в аппарате существенно интенсифицирует теплоотдачу. В закрученном потоке центробежные силы оттесняют поток к стенке аппарата, при этом возникает вторичное поперечное течение среды и увеличение пристенной скорости потока (суммирование продольного и поперечного течения), что содействует улучшению теплообмена.

АBSTRACT

The results of experimental studies of heat transfer intensification using swirling gas and liquid flows are presented. The designs of modern high-speed vortex apparatuses that realize gas-liquid contact in the field of centrifugal forces are simpler, more reliable and effective in terms of industrial use, issues related to the uniform distribution of fluid on the contact elements, and the prevention of splashing water. The widespread introduction of vortex devices in industry is currently being restrained due to insufficient knowledge of the hydrodynamics of the vortex flow, as well as heat and mass transfer processes in a centrifugal field. Therefore, the study of hydrodynamics and heat and mass transfer processes of vortex apparatuses, as well as the development of methods for their constructive calculation and determination of the main hydrodynamic characteristics, are urgent tasks. Swirling the coolant flow in the apparatus significantly intensifies heat transfer.  In a swirling flow, centrifugal forces push the flow to the wall of the apparatus, while a secondary transverse flow of the medium and an increase in the wall velocity (summation of the longitudinal and transverse flows) occur, which helps to improve heat transfer.

Ключевые слова: вихревой аппарат, тангенциальный завихритель, центробежная сила, плотность орошения, теплообмен, коэффициент теплопередачи, теплообменник смешения, интенсивность теплопередачи, поверхностных теплообменников, термическое сопротивление.

Keywords: vortex apparatus, tangential swirl, centrifugal force, irrigation density, heat transfer, heat transfer coefficient, mixing heat exchanger, heat transfer rate, surface heat exchangers, thermal resistance.

Теплопередача при непосредственном соприкосновении теплоносителей встречается значительно реже, чем через разделяющую их стенку [1]. Возможность применения смесительных теплообменников ограничена тем, что далеко не всегда допустимо смешение теплоносителей. Однако в ряде случаев (например, при охлаждении воды воздухом) такой вид переноса теплоты позволяет с большой эффективностью проводить процессы теплообмена и существенно упрощать их аппаратурное оформление. Теоретические предпосылки и практические исследования показали, что процессы теплопередачи в контактных аппаратах происходят весьма интенсивно.

Для поверхностных теплообменников характерно наличие термического сопротивления, создаваемого поверхностью теплообмена. При загрязнении такой поверхности отложениями, термическое сопротивление может возрастать в десятки раз (гидравлическое - в разы) что приводит к существенному снижению интенсивности теплообмена и значительному увеличению гидравлического сопротивления такого теплообменника.

Теплообменники смешения характеризуются высокими коэффициентами теплопередачи и большой производительностью, а также незначительным гидравлическим сопротивлением. Теплообменники смешения можно применять при работе с агрессивными и склонными к солеотложению средами. Стенки аппарата могут быть футерованы коррозионностойким материалом, а внутренние контактные устройства (насадки или тарелки) изготовлены из такого же материала. При этом такое конструктивное решение не оказывает абсолютно никакого влияния на условия теплопередачи, так как последняя происходит в пленке жидкости на поверхности насадки и стенок аппарата. Таким образом, теплообменники смешения во всех случаях могут быть изготовлены из дешевых материалов.

Основным условием эффективной работы контактных аппаратов является наличие развитой поверхности контакта между газом и жидкостью, что достигается оформлением аппарата в виде колонны с насадкой, практически не отличающейся по конструкции от абсорбционных аппаратов. В качестве теплообменников смешения могут использоваться, помимо аппаратов с насадкой, также колонны с механическим распыливанием жидкости, однако это не целесообразно, так как усложнение конструкции не дает особых преимуществ. Весьма эффективными теплообменниками смешения оказались вихревые аппараты [2, 3].

Основные преимущества вихревых аппаратов перед традиционными теплообменниками смешения:

1. Характеризуются практически полной передачей тепловой энергии нагреваемой среде в течение всего периода эксплуатации (термический КПД в этом случае не менее 99%), благодаря развитой поверхности контакта фаз, интенсивным перемешиванием и высокой дисперсностью вращающегося газожидкостного слоя.

2. Обладают высокой пропускной способностью.

3. Низкое гидравлическое сопротивление данных аппаратов, может дать экономию электроэнергии за счет использования вентилятора меньшей мощности.

4. Отличаются значительно большей устойчивостью к загрязнениям, существенно меньшими габаритными размерами и массой, по сравнению с традиционными контактными теплообменниками, что приводит к значительному снижению эксплуатационных и капитальных затрат.

5. Не имеют вращающихся и трущихся частей, не подвержены зарастанию накипью и коррозии, в результате существенно повышаются их надежность и долговечность, понижаются затраты на ремонт и обслуживание по сравнению с насадочными колоннами.

Конструкции современных скоростных вихревых аппаратов, реализующих газожидкостной контакт в поле центробежных сил более просты, надежны и эффективны в плане промышленного использования, решены вопросы, касающиеся равномерного распределения жидкости на контактных элементах, предотвращения брызгоуноса [5,6].

Широкое внедрение вихревых аппаратов в промышленности в настоящее время сдерживается из-за недостаточной изученности гидродинамики вихревого потока, а также процессов тепломассообмена в центробежном поле. Поэтому исследование гидродинамики и процессов тепломассообмена вихревых аппаратов, а также разработка методов их конструктивного расчета и определения основных гидродинамических характеристик являются актуальными задачами.

Закручивание потока теплоносителя в аппарате существенно интенсифицирует теплоотдачу. В закрученном потоке центробежные силы оттесняют поток к стенке аппарата, при этом возникает вторичное поперечное течение среды и увеличение пристенной скорости потока (суммирование продольного и поперечного течения), что содействует улучшению теплообмена теплообмена. Высокая интенсивность переноса тепла и массы, возможность регулирования времени пребывания жидкости в зоне контакта с газом, а также малые габариты, низкий брызгоунос, простота конструкции и отсутствие движущихся элементов делают аппараты с закрученным потоком теплоносителя весьма перспективными при проведении многих технологических процессов, в том числе теплообмена, абсорбции, ректификации, экстрагирования, охлаждения газов и жидкостей, а также пылеулавливания и газоочистки [7]. 

Цель работы:

- интенсификация теплообмена при нагревании воздуха горячей водой в вихревом теплообменном аппарате;

- разработать и исследовать способ интенсификации процесса теплопереноса, который основан на закручивании потока газа путем его тангенциальной подачи.

Экспериментальная часть

Проведены экспериментальные исследования интенсивности теплообмена в вихревом аппарате. В качестве рабочих сред использовались горячая вода с температурой 40–60°С и атмосферный воздух температура которого на входе в аппарат была порядка 15–25°С. Опытами была охвачена область изменения чисел Рейнольдса от 1100 до 4050 по газовой фазе, вычисленное по среднерасходной скорости воздуха (приходящихся на полное поперечное сечение аппарата). Исследования проводились на экспериментальной установке, схема которой приведена на рис. 1.

Главным элементом установки является прямоточный вихревой контактный теплообменник. Теплообменный аппарат представляет собой цилиндрический сосуд диаметром 100 мм и высотой рабочей зоны 1000 мм. В верхней части его размещены тангенциальные патрубки для подачи воздуха и горячей воды. Воздух, подаваемый сверху вентилятором высокого давления 5 через тангенциальные патрубки 2, поступает в рабочую камеру 1, приобретает вращательно-поступательное движение и далее по ее внутренней поверхности направляется вниз. Горячая вода также подается сверху тангенциально через завихритель3 и в виде жидкостной пленки на внутренней поверхности аппарата спиралеобразно движется вниз. В результате такого подвода фаз в рабочей камере аппарата образуется закрученный высокотурбулизированный газожидкостной поток. При этом процесс теплообмена происходит на поверхности пленки жидкости, которая непрерывно обновляется благодаря наличию относительных скоростей фаз.

Далее вращающийся газожидкостной поток поступает в нижнюю сепарационную часть аппарата. Поток газа отводится из аппарата через нижний аксиальный штуцер 10, а жидкость удаляется через боковой штуцер 11 бункера-емкости 4.

Рисунок 1. Схема экспериментальной установки:
1 – рабочая камера вихревого аппарата; 2 – тангенциальные завихрители газа; 3 – завихритель жидкости; 4 – бункер-емкость жидкости; 5 – вентилятор; 6 – расходомер воздуха; 7 – расходомер воды; 8, 9 – дифференциальные манометры; 10– термопары; 11 – штуцер для отвода газа; 12 – штуцер для отвода жидкости.

В процессе проведения экспериментов измерялись: расход воздуха с использованием стандартной диафрагмы 6 и U-образного дифманометра8; расход горячей воды ротаметром 7; перепад давления в вихревом аппарате U-образным дифманометром 9; температура рабочих сред на входе в аппарат и на выходе из него термопарами типа ТХК 10, присоединенных к потенциометру КСП-4. Измерение температур горячей воды и воздуха дублировались стеклянными термометрами, с ценой деления 0,1°С.

Эксперименты проводились при фиктивных (среднерасходных) скоростях воздуха w = 6–30 м/с и отношениях массовых расходов жидкости и газа L/G = 0,5–3. Для получения надежных данных, учитывая вероятность проскока определенной части газа с плохим контактом с жидкостью, опыты для каждого режима повторялись 4–6 раз. При этом среднеквадратичная относительная погрешность при определении коэффициента теплопередачи не превышала 6–9%.

Тепловая нагрузка (Вт) определялась по тепловому балансу как со стороны жидкости (горячей воды) Q_ж, так и газа (холодного воздуха) Q_г:

                                                               (3)

                                                                (4)

где L – массовый расход горячей воды, кг/с; c_ж – удельная теплоёмкость горячей воды, Дж/(кг·К); t_жн и t_жк – температуры горячей воды на входе в аппарат и на выходе из него, °С; G – массовый расход холодного воздуха, кг/с; c_г – удельная теплоемкость холодного воздуха, Дж/(кг·К); t_гн и t_гк – температуры холодного воздуха на входе в аппарат и на выходе из него, °С.

Результаты опытов, при которых значения Q_ж и Q_г отличались друг от друга более чем на 5% не подлежали к обработке. (Отличие Q_ж от Q_г более 5% очень редко и скорее всего оно связано с ошибками измерений, и частично с потерями тепла, хотя аппарат был теплоизолирован).

Среднюю движущую силу теплопередачи Δt_ср, °С, рассчитывали по уравнению:

                                                         (5)

Результаты одной из серий опытов приведены на рис. 2 в виде зависимости поверхностного коэффициента теплопередачи K_F от фиктивной скорости воздуха w при различных расходах воды. Расход воды оценивался линейной плотностью орошения Г, (кг/(м×ч).

Анализ полученных экспериментальных данных показал, что с увеличением скорости потока газа и плотности орошения интенсивность теплообмена увеличивается. Такой характер изменения коэффициента теплопередачи объясняется ростом турбулентности потока, возникновением относительной скорости жидкости и газа, что способствует быстрому обновлению поверхности пленки воды. Однако, при увеличении нагрузок как по жидкости, так и по газу сильно растет перепад давления в аппарате и при высоких значениях плотности орошения появляется унос жидкости.

Рисунок 2. Зависимость коэффициента теплопередачи  K_F от скорости газа w и плотности орошения Г: 1–3 – в вихревом аппарате при Г, кг/(м·ч): 1 – 2830;  2 – 1380; 3 – 570; 4 – в насадочной колонне при Г = 620 кг/(м·ч)

Проведено сравнение полученных значений коэффициентов теплопередачи в насадочном и в вихревом аппарате. Как видно из рис. 2, интенсивность теплопередачи в вихревом аппарате существенно выше, чем в насадочном аппарате. Кроме того, насадочный теплообменник устойчиво работал в узком диапазоне скоростей воздуха, т.е. при 1,5–3,0 м/с. Вихревой аппарат интенсивно работал при гораздо больших скоростях газа 7–30 м/с. В связи с этим определить степень интенсификации теплообмена в виде отношений коэффициентов теплопередачи в исследованных аппаратах не удалось. [4]

Обработка экспериментальных данных в виде зависимости коэффициента теплопередачи K_F от отношений массовых расходов жидкости и газа L/G подтвердила рост интенсивности теплопередачи при увеличении скорости газа и плотности орошения (рис. 3).

Рисунок 3. Зависимость коэффициента теплопередачи  K_F от отношений массовых расходов жидкости  и газа L/G при скорости газа w, м/с: 1 – 22; 2 – 17.

Из анализа опытного материала следует, что при использовании сильнозакрученных потоков можно добиться значительной интенсификации теплообмена. При этом с увеличением числа Рейнольдса Re эффект интенсификации снижается, так как при больших числах Re поток становится настолько турбулизированным, что гидродинамическое воздействие на теплообмен возмущений, вносимых закрученным потоком, сказывается слабее, чем турбулентный перенос тепла. [5]

Интенсивность теплообмена оценивалась поверхностным K_F, Вт/(м²×K), и объемным K_V, Вт/(м³×K), коэффициентами теплопередачи, которые определялись с использованием основного уравнения теплопередачи:

                                                                                                       (1)

                                                                                                       (2)

где Q – количество теплоты, переданной от воды к воздуху, Вт; F – поверхность теплообмена, равная площади внутренней поверхности рабочей зоны аппарата, м²; V – объем рабочей зоны аппарата, м³; Δt_ср – средняя разность температур теплоносителей в аппарате, °С.

Вывод:

Таким образом, использование закручивания потоков газа и жидкости позволяет существенно интенсифицировать контактный теплообмен между жидкостью и газом. Область устойчивой работы вихревого аппарата гораздо шире чем традиционных аппаратов, работающих при контактировании газа и жидкости. С ростом скорости газа и плотности орошения интенсивность теплопереноса повышается. На основании экспериментальных исследований гидродинамики и теплообмена в принципиально новых вихревых устройствах разработана конструкция высокоэффективного промышленного вихревого теплообменника.

Список литературы:

1. Касаткин А. Г. Основные процессы и аппараты химической технологии.-  М.: Альянс, 2005. - 750 с.
2. Щукин В. К. Теплообмен и гидродинамика внутренних потоков в полях массовых сил. - М.: Машиностроение, 1980. - 240 с.
3. Дрейцер Г. А. Эффективность использования закрутки потока для интенсификации теплообмена в трубчатых теплообменных аппаратах // Теплоэнергетика. - 1997. - № 11. - С. 61–65.
4. Романков П. Г., Фролов В. Ф., Флисюк О. М. Методы расчета процессов и аппаратов химической технологии. -СПб.: Химиздат, 2009. - 543 с.
5. Туробов Ш.Н., Хасанов А.С., Шодиев А.Н. Исследование технологии извлечения ванадия из отходов сернокислотного производства // UNIVERSUM: Технические науки. – 2020. - 11(80) – 82-85 с.
6. Хасанов А.С., Шодиев А.Н., Саидахмедов А.А., Туробов Ш.Н. Изучение возможности извлечения молибдена и рения из техногенных отходов // Горный вестник Узбекистана  г. Навои. -2019. -№3. -  C. 51-53. 
7. Пирматов Э.А., Хасанов А.С., Шодиев А.Н., Туробов Ш.Н., Хамидов С.Б. Современное оборудование, применяемое в гидрометаллургической переработке редких металлов // UNIVERSUM: Технические науки. - Москва, 2019. - №11. -   C. 33-39.