Study of hydrodynamic characteristics of regular packing of the nozzle-shaped elements

Full Text

Регулярно уложенные в колонный аппарат кольцеобразные насадки, а также насадки в виде вертикально расположенных гофрированных листов для осуществления процессов тепло- и массообмена получили довольно широкое применение в химической промышленности, а также в энергетике [1-9]. При этом в последнее время были опубликованы исследования, направленные на разработку новых способов укладки кольцевых насадок с определенным дистанционированием соседних элементов насадки друг относительно друга [10, 11], что позволяет избежать образования менисков и других вредных застойных зон в местах контактов соседних кольцевых элементов друг с другом, увеличивая тем самым активную поверхность слоя насадки [6]. Рисунок 1. Общий вид элемента насадки В соответствии с данными работ [16, 17] представляет практический интерес реализация пульсирующего режима течения газового потока в слое регулярной насадки из вертикальных цилиндрических элементов, выполненных с плавным сужением в своей центральной части, подобных соплу Лаваля [18]. Геометрическая форма элемента такой насадки показана на рисунке 1. Рисунок 2. Схема опытного стенда: 1 - опытная колонна с насадкой; 2 - манометр; 3 - водораспределительная система; 4 - насос; 5 - вентилятор Результаты гидродинамических испытаний сухой и орошаемой регулярной насадки из полимерных соплообразных элементов представлены ниже. Опыты проводили на стенде, схемы которого показаны на рисунке 2. Испытуемая насадка загружалась в стеклянные царги колонного аппарата диаметром 200 мм. Высота слоя насадки в опытах составляла 600 мм. Опыты проводили на системе воздух - вода в диапазоне скоростей газового потока от 0,1 до 1,1 м/с и нагрузок по жидкости от 9,6 до 19,1 м3/(м2ч). Общий вид колонного аппарата с испытуемой насадкой представлен на рисунке 3. Рисунок 3. Фотография опытного стенда с вертикально установленными в стеклянной колонне элементами испытанной насадки Основные геометрические характеристики испытанной соплообразной насадки представлены в таблице 1. Зависимость удельной поверхности а (м2/м3) регулярных насадок различной конструкции от величины порозности ε (м3/м3) представлена на рисунке 4. Как следует из данных этого рисунка, в классе регулярных насадок можно выделить две группы, в которых зависимости а=f(ε) имеют различный характер: - хордовые и геликоидные насадки; - структурированные насадки из гофрированных листов. Графические зависимости а=f(ε) для каждой из этих двух групп насадок описываются, соответственно, кривыми 8 и 7 на рисунке 4. Таблица 1. Геометрические характеристики испытанной регулярной соплообразной насадки Габаритные размеры насадки, мм Удельная поверхность a, м2/м3 Порозность м3/м3 Эквивалентный диаметр, ,м Число элементов насадки в 1 м3 58x110 518,99 0,99 7,63x10-3 90 Рисунок 4. Зависимость а=f(ε) для различных регулярных насадок: 1 - деревянная хордовая насадка по данным [12]; 2 - регулярная насадка из полимерных гофрированных листов по данным [13]; 3 - структурированная насадка из вертикальных гофрированных листов по данным [14]; 4 - регулярная насадка в форме каплевидных профилей из сетки, выполненной из лавсановых мононитей по данным [13]; 5 - регулярная насадка из горизонтально расположенных полимерных четырехзаходных геликоидных элементов по данным [7, 15]; 6 - испытанная в настоящей работе регулярная насадка из соплообразных элементов; 7 - обобщение результатов по структурированным насадкам [12]; 8 - обобщение результатов по хордовой и геликоидной насадкам Испытанная нами[1] регулярная насадка из соплообразных элементов по своим геометрическим характеристикам - удельной поверхности и порозности, а также форме элементов - может быть отнесена к классу структурированных насадок (см. рисунок 4). Рисунок 5. Зависимость ΔP/H=f(W0) для сухой сопловой насадки Результаты опытов по испытаниям гидравлического сопротивления сухой сопловой насадки представлены на рисунке 5. Здесь ΔP - потери напора, Па; H - высота слоя насадки, м; W0 - средняя скорость воздушного потока в расчете на полное сечение пустого аппарата (фиктивная скорость), м/с. Рисунок 6. Изменение живого сечения по высоте регулярной сопловой насадки На рисунке 6 схематически показано изменение живого сечения каналов сопловой насадки по её высоте. Как это видно, площадь живого сечения и форма сквозных каналов сопловой насадки постоянно изменяется по высоте, что приводит к соответствующему изменению пульсации локальных расходов газовой фазы по высоте насадки [18] и, как следствие, к известной интенсификации процессов тепло и массообмена в аппарате [16, 17]. На рисунке 7 показаны результаты сравнения потери напора испытанной и других промышленных насадок, в том числе хордовых, колец Рашига 50х50, насадки их цепей [19] и других. Как видно из рисунка 7, предлагаемая сопловая насадка в диапазоне линейных скоростей воздушного потока W0 от 0,3 до 0,7 м/с имеет более низкое гидравлическое сопротивление (на 15-20%) по сравнению с кольцами Рашига 50х50, а также насадкой из цепей [19]. Следует отметить, что предложенная в [19] насадка из цепей имеет меньшую, по сравнению с сопловой, величину удельной поверхности - 433 м2/м3 против 519 м2/м3. Вместе с тем, сопловая насадка имеет на 30-50% большее гидравлическое сопротивление по сравнению с хордовой насадкой в виде решеток, уложенных накрест [1]. Рисунок 7. Зависимость ΔP/H=f(W0) для различных сухих насадок: 1 - испытанная сопловая насадка; 2 - керамические кольца Рашига 50х50х5, уложенные трубчаткой [1]; 3 - керамические кольца Рашига 50х50х5, уложенные в шахматном порядке [1]; 4, 5, 6, 7 - хордовые насадки в виде решеток, уложенных на крест [1]; 8 - керамические кольца Рашига 50х50х5 внавал [1]; 9 - цепная насадка [19] В соответствии с результатами опытов в работах [6, 12, 16, 17] можно ожидать, что сопловая насадка, имеющая более развитую удельную поверхность и гидравлическое сопротивление, соизмеримое с наиболее распространенными промышленными насадками, обеспечит эффективное осуществление процессов испарительного охлаждения оборотной воды в градирнях. Опытные данные по гидравлическому сопротивлению орошаемой сопловой насадки, в сравнении с данными по сухой насадке, представлены на рис. 8. Как видно из приведенных графиков, сопловая насадка устойчиво работает в пленочном режиме во всем испытанном диапазоне нагрузок по газу и жидкости. Рисунок 8. Зависимость ΔP/H=f(W0) для сухой и орошаемой испытанной насадки: 1 - сухая насадка; 2 - нагрузка по жидкости qж=9,6 м3/м2ч; 3 - нагрузка по жидкости qж=14,4 м3/м2ч; 4 - нагрузка по жидкости qж=19,1 м3/м2ч Выводы Предлагаемая сопловая насадка обладает более развитой удельной поверхностью, по сравнению с известными распространенными регулярными насадками, при сопоставимом гидравлическом сопротивлении, поэтому она может повысить разность температур охлаждаемой воды в градирнях при замене существующих насадок в ходе реконструкции градирен.

About the authors

A. S Pushnov

Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI)

Email: pushnovas@gmail.com
Ph.D.; +7 499 267-07-97, +7 499 267-07-49

E. Yu Baranova

Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI)

Ph.D.; +7 499 267-07-97, +7 499 267-07-49

A. S Sokolov

Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI)

Email: echuma@yandex.ru
Ph.D.; +7 499 267-07-97, +7 499 267-07-49

References

Supplementary files