Предельные нагрузки по фазам в вихревом аппарате с лопаточными завихрителями

Предельные нагрузки по фазам в вихревом аппарате с лопаточными завихрителями

П. П. ЛЮБЧЕНКОВ, Н. П. РЯБЧЕНКО

Краснодарский ордена Трудового Красного Знамени политехнический институт

Несмотря на очевидные преимущества аппаратов вихревого типа [1], широкое распространение их сдерживается отсутствием четких представлений об основных закономерностях закрученного течения, а в связи с этим и научно обоснованных расчетных зависимостей.

При расчете необходимо определить предельные нагрузки по фазам, обусловливающие общую производительность такого аппарата. Осуществить это можно только на основе анализа физической природы механизма течения и взаимодействия фаз.

Объектом нашего исследования выбран вихревой массообменный аппарат с лопаточными завихрителями, применяемый в пищевой промышленности для получения этилового спирта при переработке вторичного сырья винодельческой и консервной промышленности [2].

В выбранном аппарате (рис. а) соблюдается общий противоток фаз, что обеспечивается движением газа в корпусе аппарата 1 снизу вверх и стеканием жидкой фазы с вышележащего вихревого элемента (завихрителя) 2, закрепленного на штанге 3, на нижележащий через кольцевой сливной зазор 4. Над каждым завихрителем образуется турбулизованное вращающееся газожидкостное кольцо 5, высота которого h увеличивается пропорционально возрастанию динамического давления газового потока и зависит от большого числа геометрических и режимных параметров аппарата. С ростом h увеличивается и поперечный размер кольца — его толщина lk. Измерения угла направления вектора скорости жидкости, визуальные наблюдения и фотографирование внутренней полости кольца 5 позволили установить, что /ft увеличивается сверху вниз и достигает максимальной величины 1тах непосредственно над завихрителем 2. Жидкость вращается только в кольце 5. Над кольцом и под ним движение жидкости близко к пленочному, осевому, т. е. максимальное количество жидкости скапливается в непосредственной близости у сливного зазора.

Гидродинамические исследования показали, что в рабочем режиме при наличии вращающегося газожидкостного кольца пропускную способность всего аппарата по жидкой фазе при выбранной геометрии завихрителей и скорости газового потока определяет количество жидкости, проходящее через сливные зазоры. При этом механизм течения жидкой фазы в пространстве между завихрителями и в сливном зазоре можно представить в следующем виде. Жидкость стекает с вышележащего завихрителя в виде осевой пленки (рис. а). Достигнув верхней кромки газожидкостного кольца, она приобретает вращательное движение. По мере движения жидкости вниз по кольцу к сливному зазору скорость ее осевого движения Vж уменьшается, а толщина кольца увеличивается и становится больше величины сливного зазора б. Над завихрителем 1ь = 1тах. Так как жидкость не проваливается через лопатки завихрителя, то можно считать, что в плоскости над завихрителем осевое движение отсутствует. Из газожидкостного кольца жидкость вытекает в виде пленки толщиной & пл и движется вниз через сливной зазор.

На пленку жидкой фазы в зазоре действует сила трения газа, направленная против основного движения жидкости, которая вызывает изменение в распределении Uж — максимальное ее значение смещается к середине пленки. С увеличением скорости газового потока сила трения увеличивается. Предельной скоростью газа при заданной нагрузке по жидкости следует считать скорость, при которой на поверхности пленки имеет место иж=0. Дальнейшее увеличение скорости газа приводит к «выдуванию» жидкости из зазора, возникновению интенсивного уноса и нарушению противоточного движения фаз.

Для математического описания движения жидкости через сливной зазор принимаем допущения: движение в зазоре установившееся, равномерное, потенциальное и осевое; градиент статического давления в газовом потоке по высоте между завихрителями пренебрежимо мал по сравнению с общим перепадом статического давления на ступени, т. е. вся потеря давления имеет место в межлопаточном пространстве завихрителя [3].

Для элементарного кольцевого объема в пленке жидкости, находящейся в зазоре (рис. б), можно составить баланс количества движения [4].

Учитывая, что согласно принятым допущениям текущее значение скорости жидкости Uж|х=0 = Uж| х=0, получаем

После преобразований и интегрирования выражения (1) получаем уравнение, описывающее касательные напряжения в пленке жидкости

Для использования полученных зависимостей в инженерных расчетах необходима конкретизация значений Рь Р2 и &пл.

Величина Р\ представляет собой некоторое среднее статическое давление в жидкости в верхнем срезе сливного зазора или в нижней части газожидкостного кольца. Кольцо подвисает над завихрителем, следовательно, pi уравновешено во всех направлениях. Значит для вертикальной оси можно записать:

Рг> Ucp — плотность и среднерасходнзя скорость газового потока;

ЛРЛ— потеря давления на лопаточном завихрителе. Величина Я0 определяется из геометрических соотношений

//„ = 2 Я3 sin! sin a, (13)

где R3 — радиус завихрителя;

<р — угол сектора лопатки завихрителя;

а — угол наклона лопаток завихрителя к горизонту.

Наиболее сложно определение толщины пленки жидкости в сливном зазоре &пг. Рассчитать ее теоретически или измерить с достаточной степенью точности не возможно. Поэтому третий сомножитель уравнения (6) выражен в виде эмпирической функции, найденной экспериментально. Она же учитывает возможные отклонения принятой модели течения от реальных условий.

Для определения пропускной способности вихревого аппарата по жидкости можно использовать расчетное уравнение:

При экспериментальном определении конкретного вида зависимости (14) значения определяющих параметров менялись в пределах:

«=15-f-40°, Ф = 40-М00°, Ф1 = 40ч-100°, 6 = 0,002—0,01 м, ^ = 0,035—0,098 м. \

Величина параметров h и |ср может быть оценена по [2, 6].

Полученные уравнения позволяют рассчитывать производительность по жидкости вихревого аппарата с лопаточными завихрителями в зависимости от его геометрических характеристик при изменении иср от 1 до 6 м/с и плотности орошения от 0,8-10~4 до 9,8-10~4 м&/м2 • с.

Вывод:

Полученные расчетные уравнения позволяют определить предельные нагрузки по жидкой фазе в зависимости от гидродинамических и геометрических характеристик вихревого аппарата с лопаточными завихрителями.

Литература:

1.  , , — Изв. вузов СССР, Пищевая технология, 1977, № 4, с. 144.

2.  Исследование вихревого массообменного аппарата и его применение для получения этилового спирта-сырца из отходов винодельческой промышленности. — Автореф. канд. дис., Краснодар, 1967.

3.  , , П: — Теоретические основы химической технологии, 1975, 9, № 2, с.295.

4.  Явление переноса. — М.: Химия 1975. — 685 с.

5.  Хьюнтт Дж., Холл- Кольцевые двухфазные течения. — М.: Энергия, 1974. — 320 с.

6.  Исследование гидродинамических закономерностей закрученного течения фаз в целях разработки методики расчета и путей направленного конструирования высокоэффективной тепломассообменной аппаратуры. — Автореф. канд. дис., Краснодар, 1978.