автореферат диссертации по строительству, 05.23.03, диссертация на тему:Моделирование теплообмена и гидродинамики контактно-поверхностных аппаратов при переменной вязкости орошающей жидкости

?Г6 од

2 г СЕН 1ЬВЬ

На правах рукописи

Фомин Олег Павлович

МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛООБМЕНА И ГИДРОДИНАМИКИ КОНТАКТНО - ПОВЕРХНОСТНЫХ АППАРАТОВ ПРИ ПЕРЕМЕННОЙ ВЯЗКОСТИ ОРОШАЮЩЕЙ ЖИДКОСТИ

Специальность 05.23.03 - Теплоснабжение, вентиляция, кондиционирование воздуха, газоснабжение и освещение

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

<7? оД'

Воронеж 1998

Работа выполнена в Воронежской строительной академии

государственной

архитектурно -

Научный руководитель:

Научный консультант:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор технических наук, профессор Мелькумов В. Н. доктор технических наук, профессор Шитов В. В. доктор технических наук, профессор Харин В. М. кандидат технических наук, доцент Агапов Ю. Н. АООТ ВПИ Воронежпроект, г. Воронеж

Защита состоится

1998 г. в

час.

Од

мин. на засе-

дании диссертационного Совет К 063.79.03 в Воронежской государственной архитектурно - строительной академии по адресу: 394006, г. Воронеж, ул. 20 -летия Октября, д. 84,ауд.20,корп.З.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке академии.

Автореферат разослан - « [О » ^¿-¿.'Ус«. '/^1998 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета кандидат технических наук, доцент

Сотникова О. А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Проблема рационального использования топливно-энергетических ресурсов страны и охраны воздушного бассейна от вредных выбросов обуславливает необходимость дальнейшего повышения эффективности работы теплообменных аппаратов в системах утилизации теплоты и извлечения вредных примесей.

Большой интерес представляют контактно-поверхностные аппараты (КПА) - теплообменные устройства, позволяющие одновременно улавливать вредные вещества и утилизировать теплоту абсорбции. Область применения КПА велика: химическая промышленность, нефтехимическая, горная, металлургическая, энергетика.

В качестве абсорбента широко используются органические поглотители. Так, например, при поглощении бензольных углеводородов применяется каменноугольное и соляровое масло, при извлечении бутадиена, спирта, эфира -керосин и скипидар, а при получении ацетилена - диметалформамид и метанол. Углекислый газ СО2 улавливается метанолом и водными растворами эта-ноламинов, сероводород Н23 поглощается щелочными солями органических кислот (фенола, аминокислот) и растворами слабых оснований (аминоспирты), а двуокись серы ЭСЬ - органическими основаниями (ксилидин, толуидин).

В связи с'широким использованием в качестве поглотителей органических соединений в различных отраслях промышленности представляет интерес исследование процессов теплообмена и гидродинамики в КПА с внутренним отводом теплоты.

Цель и задачи исследования. Целью настоящей работы является получение аналитических зависимостей для описания теплообмена и гидродинамики в КПА с неподвижным зернистым слоем насадки и погруженными в него теплообменными поверхностями при вязкости орошающей жидкости, превышающей вязкость воды.

Для реализации этой цели необходимо решить следующие задачи:

1. Теоретически обосновать общий вид уравнения теплообмена в КПА с погруженными в слой неподвижной зернистой насадки теппообменными поверхностями и вязкой орошающей жидкостью.

2. Получить критериальное уравнение, описывающее закономерности теплоотдачи от вязкой орошающей газожидкостной смеси (ГЖС) к стенке погруженного теплообменного элемента.

3. Теоретически и экспериментально определить гидравлические потери давления в КПА при вязком орошении.

4. Предложить расчетные зависимости для определения сопротивления слоя насадки, орошаемой вязкой жидкостью.

5. Разработать методику инженерного расчета КПА с вязкой.орошающей жидкостью. ,

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. По результатам проведенного теоретического анализа процесса теплоотдачи от вязкой газожидкостной смеси к стенке теплообменного элемента аналитически получено критериальное уравнение теплоотдачи, постоянные коэффициенты которого определены при проведении экспериментальных исследований.

2. Предложено уравнение для определения сопротивления неподвижной зернистой насадки с погруженными теппообменными элементами, учитывающее вязкость орошающей жидкости.

3. По результатам экспериментальных исследований предложены зависимости для определения коэффициента вязкого орошения и коэффициента гидравлического сопротивления зернистого слоя насадки с погруженными в него теппообменными поверхностями.

4. На основании теоретических и экспериментальных исследований разработана методика инженерного расчета КПА при вязком орошении.

Автором выносится на защиту:

1. Критериальное уравнение теплоотдачи от вязкой газожидкостной смеси к поверхности теплообменного элемента, погруженного в слой неподвижной зернистой насадки.

2. Зависимость, позволяющая определить гидравлическое сопротивление слоя при фильтрации вязкой газожидкостной смеси через неподвижную зернистую насадку.

3. Зависимости, определяющие коэффициент вязкого орошения в КПА с неподвижным слоем насадки и погруженными в него теплообменными поверхностями.

4. Выражения для определения коэффициента гидравлического сопротивления при орошении вязкой жидкостью насадки с погруженными элементами.

5. Методика инженерного расчета КПА с неподвижным зернистым слоем насадки и погруженными в нее теплообменными элементами при вязком орошении.

Практическая ценность работы заключается в том, что в результате теоретических и экспериментальных исследований предложена методика инженерного расчета КПА при вязком орошении и внедрена в учебный процесс. Ее можно широко применять при расчете, конструировании и эксплуатации подобных аппаратов.

Результаты диссертационной работы внедрены в производство: в АОЗТ «Тяжмехпресс» КПА как абсорбер эксплуатировался в вентиляционной системе гальванического цеха; в АООТ «Техоснастка» КПА использовался в качестве утилизатора теплоты за котлами «Универсал - 5».

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на региональной научно-технической конференции «Проблемы экологии и экологической безопасности Центрального Черноземья» (г. Липецк, 1997 г.), научно-технических конференциях ВГАСА (1997 и 1998 г.г.), заседании регионального семинара «Моделирование процессов тепло - и массообмена» (г. Воронеж, 1998 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 работ [1-6].

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, основных выводов, списка литературы и приложений.

Работа изложена на 153 страницах основного машинописного текста, содержит 41 рисунок, 3 таблицы, 5 приложений (в том числе 2 таблицы) и списо* литературы из 124 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность диссертации, сформулированг цель работы, поставлены задачи исследования и положения, выносимые нг защиту.

Первая глава посвящена анализу опубликованных работ отечественны) и зарубежных авторов в области теоретических и экспериментальных иссле дований теплообмена и гидродинамики в контактно-поверхностных аппаратах < насадкой.

Исследованию этих процессов посвящены труды М. 3. Азрова, В. В. Ка

фарова, В. М. Рамма, Н. М. Жаворонкова, В. В. Балуева, Ю. П. Соснина, О. А

Сотниковой, У. Мак - Адамса, Р. Тзкера, О. Хоугена и других. Изучение эти:

работ позволило выявить широкий диапазон использования органических со

единений в качестве поглотителей углеводородов и различных вредных ве

ществ. Анализ существующих уравнений теплообмена в КПА с неподвижно!

насадкой позволил установить форму зависимости коэффициента теплообме

на КПА при вязком орошении. Установлено также, что известные критериаль

ные уравнения, связывающие основные параметры теплообмена между слое?,

зернистой неподвижной насадки и ПЖС, дают значительные расхождения и Н1

учитывают влияние вязкости орошающей жидкости. Поэтому данные зависи

мости не могут быть применимы для описания теплообмена между стенкой по

груженного в спой неподвижной насадки тегшообменного элемента и вязко!

ГЖС. На основании анализа этих работ установлено, что при движении вязко

ГЖС через спой неподвижной зернистой насадки пренебрегается влияние»

вязкости орошающей жидкости и не всегда учитывается дополнительно

г

влияние порозности на гидравлическое сопротивление при погружении в ело теплообменных поверхностей.

Таким образом, с целью определения окончательного вида критериального уравнения теплообмена и уточнения зависимости для определения сопротивления насадки КПА при вязком орошении необходимо провести дополнительные теоретические и экспериментальные исследования.

Во второй главе представлены результаты теоретических и экспериментальных исследований теплообмена в КПА при вязком орошении.

В процессе вывода критериального уравнения теплообмена использована аналогия между характером протекания процессов при движении вязкой ГЖС в слое насадки с погруженными элементами и теорией барботажа. При скорости движения газа в неподвижном зернистом слое 1 - 2 м/с при условии одновременного орошения вязкой жидкостью рассматриваемый процесс будет аналогичен пенному режиму барботажа, который характеризуется автомо-дельностью теплообмена относительно числа Рейнольдса по газу. При этом коэффициент теплопередачи не зависит от скорости газа и сохраняется постоянство температуры ядра ГЖС и толщины пленки, соответственно этому должно сохраняться постоянство термического сопротивления слоя и, как следствие, коэффициента теплоотдачи от вязкой ГЖС к поверхности теплооб-менного элемента. Таким образом, рассматривается область интенсивно движущейся вязкой ГЖС с постоянной температурой по всему объему и область медленно движущейся пленки вязкой жидкости на поверхности погруженных труб.

Распределение температур и скоростей в общем случае описывается системой уравнений теплопроводности, движения и неразрывности:

& ... дгг

1¥х — + 1Уу — = а —¥; (1)

& ду дх

т\ „, зух Х1Г аух 1 1 ст ,и {дгшх д2шх

—~ + --—+№у--- = —х----+ —• --

дт дх ду р р дх р \ ах ду у

с1¥}. „, ЗУ,- т„ сШ'у 1 1 оР ц {д21Ух дгЦ'х

—— + IVх--}- + Ж¥--= ----+ --

дх дх ду р р ду р V дх ду" У

(2) (3)

Шх д1¥т л

-А- +-- = 0. (4)

¿к ду

Так как значение Реж < ЯеКр и значение Н0 < 1, то данный процесс можно рассматривать как стационарный. Стационарное пленочное течение определяется уравнениями, по форме совпадающими с уравнениями ламинарного пограничного слоя:

тх, с1 & д2Т.

Жх— + Щ, — = а-—(5) Л У ду

дк ду р ду1

= (7)

<ж ду

при граничных условиях первого рода: 1 = 1от; \Л/Х = У/у = 0; при у = 0; г = 1ср; \/Ух=итах;б = f (х; т); при у = 8 .

Приводя уравнение к безразмерному виду, получаем зависимость:

Ми =-- с-Са3 ■ ДЯе,Рг), (8)

В известных исследованиях при описании теплообмена между ГЖС и погруженным теплообменными элементами в качестве жидкости обычно рассматривалась вода. Учет изменения вязкости при замене воды более вязкой жидкостью предлагается производить с помощью безразмерного коэффициен-/,

та

РеК

Рев

представляющего собой отношение критерия Пекле вязкой жид-

кости Реж к критерию Пекле воды Рев.

Тогда критериальное уравнение (8) примет следующий вид:

Ыи = с-Са>- Рг'-Яе^^ . (9)

После упрощения и преобразования выражение (9) запишется в форме

где о, П1, п2 - соответственно коэффициент пропорциональности и показатели степени, определяемые в данной работе экспериментальным путем.

Проведение опытных исследований осуществлялось по плану полного факторного эксперимента, в результате которого решалось уравнение регрессии и определялись его коэффициенты.

Для подтверждения правильности выдвинутой гипотезы и определения конечного вида критериального уравнения (10) проведено экспериментальное исследование на опытной лабораторной установки.

Рабочий участок экспериментальной установки представляет собой контактную камеру прямоугольного сечения, высотой 660 мм и внутренним сечением 130x130 мм. Передняя съемная стенка аппарата толщиной 10 мм выполнена из органического стекла, что дает возможность визуального наблюдения за насадочной камерой. В боковых стенках аппарата устроены окна, перекрытые накладными пластинами из вакуумной резины толщиной 10 мм, через которые пропущены две медные трубки наружным диаметром 15 мм с толщиной стенки 0,8 мм. Слой насадки высотой 160 мм помещается на распределительной решетке. Горячий воздух подается в аппарат через входной патрубок, а удаляется охлажденный воздух через патрубок. Нагрев воздуха осуществляется в печи СУОЛ - 044, а нагнетание - вентилятором с максимальной подачей 0,1 м3/с и давлением 400 Па. Подача воды в трубы осуществляется из водопровода. Подача воды в смесительный бак осуществляется с помощью нагнетательного насоса, подача высоковязкостной жидкости в смесительный бак происходит из сосуда. Подача орошающей жидкости в рабочую камеру происходит с помощью насоса. Расход воды контролируется оттарированными ротаметрами, для каждого из них был составлен тарировочный график, позволяющий по показанию ротаметра определить расход жидкости при различных температурах. Регулирование расхода осуществлялось вентилями. Контроль измеряемых температур проводился медно-константановыми термопарами, выведенными на потенциометр КСП - 4.

Обработка полученных экспериментальных данных сводилось к определению критериев Ми, Са, Ргж, К еж, Ргв, Яеа. В качестве определяющей температуры использовалась усредненная температура газожидкостной смеси Ьр и все тегшофизические свойства жидкости определялись по этой температуре.

В качестве характерного линейного размера принят наружный диаметр погруженного в насадку теплообменного элемента.

Окончательный вид критериального уравнения, характеризующего кон-■ вективный теплообмен в КПА при вязком орошении

Ми = 0,127 • ба5 • I —^ .Ргв)

Исследования подтвердили, что процесс теплообмена автомоделей относительно критерия Рейнольдса газа. Произведено сравнение полученного критериального уравнения с собственными экспериментальными данными, расхождение результатов колеблется в интервале от 8 до 19 %.

В третьей главе приведены результаты теоретических и экспериментальных исследование процессов гидродинамики в КПА с погруженными в насадку теплообменными поверхностями при вязком орошении.

Анализируя работы отечественных и зарубежных авторов можно сделать заключение, что структура слоя зернистой насадки при погружении в него теплообменных поверхностей изменяется. При этом различают две параллельно расположенные концентрические зоны: пристенную и периферийную. Порозность в этих зонах не является величиной постоянной, а может меняться в зависимости от вибрации, встряхивания, удара. Предложено ввести понятие коэффициента вязкого орошения <ру и уточнить уравнение для определения гидравлического сопротивления слоя, орошаемого вязкой жидкостью

1'9у

ДР = - з т

200• (1 - т)2 • ¿и • Щ)Г 1,85

¿1

(12)

Для проверки правильности предложения о введении коэффициента вязкого орошения и определения его значения была создана опытно лабораторная установка и проведен ряд экспериментов на ней (рис.1).

Рис.1. Схема экспериментальной установки по гидродинамике КПА.

Рабочий участок экспериментальной установки 1 представляет собой камеру прямоугольного сечения, высотой 1м и внутренним сечением 0,25x0,25 м. Конструкция аппарата герметичная, выполненная из оцинкованной стали. Сквозь боковые стенки КПА пропущены теплообменные элементы 2 диаметром 0,015 м, установленные в виде коридорного пучка, который, в свою очередь, легко трансформируется в шахматный.

В рабочей камере аппарата на распределительной решетке 4 находится неподвижный зернистый слой насадки 3 высотой 0,28 м. В качестве зернистого материала использовался полиэтилен низкого давления (эллипсовидные гранулы диаметром 0,004 м), который загружался через верхнюю съёмную крышку 21. С помощью жидкостного дифманометра 22 измеряется падение давления за насадкой. Для замера падения давления в слое зернистой насадки по высоте рабочей камеры аппарата сделаны отверстия диаметром 0,005 м, в которых герметично закреплены штуцеры 13-19, которые с помощью резиновых трубок через распределитель соединены с микроманометром 23.

Для нагрева воздуха использовалась печь 8 марки СУОЛ - 044, а для подачи его в аппарат - центробежный вентилятор 7 марки Ц4-76 №6,3 производительностью до 8000 м3/ч и напором 3 кПа. Нагретый воздух подавался в аппарат через патрубок 9, а охлажденный отводился через патрубок 10. Регулирование подачи осуществлялось шибером 25.

Подача орошающей жидкости из бака 6, осуществлялась с помощью автомобильного насоса 5 марки. Количество орошающей жидкости регулировалось вентилем 26 на подающем трубопроводе 11. Вентиль 24 на отводящем трубопроводе 12 использовался для создания в нижней части КПА гидравлического затвора. Расход воздуха определялся через скорость на выходе из аппарата, измеряемую с помощью крыльчатого анемометра. Во время проведения экспериментов на опытной лабораторной установки, с целью определения гидравлического сопротивления слоя насадки с погруженными элементами, варьировалась вязкость орошающей жидкости (1,024*10"5 8,522*10"3 Па«с), расход газа и плотность орошения вязкой жидкости (от 8,3» Ю^1 -2,36.10"3 м3/м2.с).

По результатам измерений построены графики зависимости гидравличе-

I

ского сопротивления, пересчитанного на 1 м высоты насадки, от вязкости орошающей жидкости, плотности орошения и скорости газа.

По результатам экспериментальных данных построены зависимости коэффициента гидравлического сопротивления от эквивалентного критерия Рей-нольдса газа и получены расчетные зависимости для каждого из режимов вязкостного орошения

< цж -- 0=001926; Ах = 750; В = 50; т = 0,54;

.£=-^--50-иГ; 03)

0,001926< цж * 0,003558; Ах - ПЪ,В = 42;т = 0,54;

4=Ж-42-иГ', ■ (14)

. Келэ

0,003558 < Мж ^ 0,008522; Ах = 931;й = 878; т = 0,9;

-иГ. (15)

Кег,э

Получены зависимости коэффициента вязкого орошения от плотности орошения в виде

< иж < 0,001926; В1 = 76,41; В2 = 1,34;

<рч = 76,41 -и0+1,34; (16)

0,001926 < цж < 0,003558; Л, = 96,67; й2 = 1,102; ^ = 96,67-^0 + 1,102; (17)

0,003558 < ¿и}!.; < 0,008522; Вх = 107,09; й2 = 1,177; (ру =107,09 -£/0 +1,177. (18)

Произведено сравнение уточненного уравнения для определения сопротивления насадки в КПА при вязком орошении с известными зависимостями

В четвертой главе излагается методика инженерного расчета КПА, в которых неподвижная зернистая насадка с погруженными теплообменными элементами орошается вязкой жидкостью.

В приложениях диссертации приведены алгоритм, блок схема программы обработки экспериментальных данных и результаты экспериментальных расчетов, акты внедрения в учебный процесс и производство.

ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИИ.

1. Аналитическим путем получено критериальное уравнение теплоотдачи от вязкой газожидкостной смеси к поверхности теплообменного элемента, погруженного в слой неподвижной зернистой насадки.

2. На основе экспериментальных данных, полученных на опытной лабораторной установке при исследовании теплообмена от орошающей жидкости с переменной вязкостью к погруженным в неподвижную насадку теплообменным элементам, определен конкретный вид уравнения.

3 Предложена и теоретически обоснована зависимость, позволяющая определить гидразлическое сопротивление КПА при прохождении вязкой газожидкостной смеси через спой неподвижной зернистой насадки.

4. На основе экспериментальных исследований найдены выражения, учитывающие зависимость коэффициента вязкого орошения в КПА с неподвижным слоем насадки и погруженными в него теплообменными поверхностями от вязкости орошающей жидкости и плотности орошения.

5. Найдены зависимости коэффициента гидравлического сопротивления КПА от эквивалентного критерия Рейнольдса газа и плотности орошения вязкой газожидкостной смеси, фильтрующейся через насадку с погруженными теплообменными элементами.

6. Разработана методика инженерного расчета КПА с неподвижным зернистым слоем насадки и погруженными в нее теплообменными элементами при вязком орошении.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ.

1. Сотникова О. А. Фомин О. П. Закономерности теплообмена в контактно-поверхностных аппаратах И Региональный межвуз. Семинар, сб. науч. тр. -Воронеж, 1995. - С. 54.

2. Фомин О. П., Мелькумов В. Н., Сотникова О. А. Основные закономерности тепломассообмена в неподвижных зернистых слоях с погруженными теппообменными элементами I11637 - В96, ВИНИТИ, 1996. -10 с.

3. Фомин О. П., Мелькумов В. Н., Сотникова О. А. Оценка влияния входного участка при определении гидродинамического сопротивления контактно-поверхностных аппаратов I11638 -В96, ВИНИТИ, 1996. -10 с.

4. Фомин О. П. Процессы гидродинамики в контактно-поверхностных теплообменниках II Материалы 50-ой научно - технической конференции, ВГАСА. - Воронеж, 1997. - С.65 - 66.

5. Фомин О. П. Теплопередача в контактно-поверхностных аппаратах II Материалы 51 - 52 научно - технической конференции, ВГАСА. - Воронеж, 1997 -С.47.

3. Фомин О.П., Мелькумов В. Н., Сотникова О. А., Шитов В.В. Новое в проектировании аппаратов очистки вентвыбросов от аэрозолей и паров И Высокие технологии в экологии: Тр. международной научно - технической конференции. - Воронеж: ВГАСА, 1998. - 4.2. - С.47 - 51.

ЛР № 020450 от 04.03.97 г.

Подписано в печать 08.07.98 г. Уч. Изд. 1.0. Усл. печ. 1.1 Бумага для множительных аппаратов Заказ № 143

Формат 60x84 1\16 Тираж 100 экз.

Отпечатано на ратопринте ВГАСА 394006, г. Воронеж, ул. XX лет Октября, 84