Главная > Разное > Газожидкостные реакторы
<< Предыдущий параграф
Следующий параграф >>
<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Макеты страниц

Теплоотдача от газожидкостной смеси к теплообменной поверхности.

В зависимости от конструктивного исполнения барботажного реактора возможны два случая теплоотдачи, обусловленные гидродинамическим состоянием двухфазного потока.

Характерной особенностью первого случая является то, что газожидкостная смесь не имеет ярко выраженного направленного движения и омывает наружную поверхность труб. Это типично, например, для барботажных колонн или реакторов с механическим диспергированием газа, имеющих в качестве теплообменных элементов змеевики. Такой случай принято рассматривать как внешнюю задачу теплообмена.

Для второго случая характерно восходящее или нисходящее движение двухфазного потока в трубах внутренняя задача теплообмена. Он имеет место в газлифтных трубчатых (тип РБГ) и барботажных змеевиковых (тип РБЗ) аппаратах.

В результате многочисленных исследований теплообмена между газожидкостной смесью и теплообменной поверхностью установлено, что основное термическое сопротивление сосредоточено в вязком пристенном слое жидкости, который не содержит газовых пузырей. Этот слой может нести в себе мелкие частицы твердой фазы, за счет скорости осаждения которых соответствующим образом деформируется его профиль скоростей. Основное влияние на теплообмен оказывают турбулентные пульсации, проникающие

в пристенный слой от турбулентного потока жидкости и от всплывающих в ней деформируемых газовых пузырей. Руководствуясь этими положениями, к нахождению уравнений для расчета коэффициентов теплоотдачи от газожидкостной смеси к стенке теплообменной поверхности как в условиях внешней, так и внутренней задач можно подойти следующим путем.

Основное уравнение переноса теплоты в плоском жидкостном потоке

с учетом выражения (11.13) можно преобразовать к виду

Здесь безразмерное расстояние от стенки — см. безразмерная разность температур:

где разность температур стенки и жидкости в точке, отстоящей от стенки на расстояние у.

Если при решении задач гидродинамики вполне приемлемо допущение о существовании невозмущенного ламинарного подслоя, в котором коэффициент турбулентного обмена то при решении задач тепло-массообмена при высоких числах Прандтля двухслойная или трехслойная модели [см. уравнение {11.19)] приводят к значительным ошибкам. Согласно теории Ландау и Левича [51, 53], подтвержденной Дайслером [103], турбулентность в пограничном слое при подчиняется закономерности

При можно воспользоваться зависимостями (11.21), вытекающими из модели Прандтля-Кармана:

Если коэффициент теплоотдачи выразить в виде

где — максимальная в поперечном сечении канала разность температур стенки и жидкости, то из (11.32) можно получить уравнение

в котором величина соответствующая значению может быть найдена интегрированием уравнения (11.31):

С учетом выражений (11.33) и (11.34) нетрудно найти уравнение для вычисления Однако оно получается столь громоздким, что пользоваться им в практических расчетах неудобно. В графическом виде зависимость для нахождения величины приведена на рис. 14.

Рис. 14. Зависимости (сплошные линии) и (штриховые линии) от при следующих значениях

В виде (11.35) коэффициент теплоотдачи используется только при расчете теплообмена, сопровождающегося изменением агрегатного состояния на свободной поверхности жидкости, например в пленочных аппаратах. В большинстве случаев коэффициент теплоотдачи вычисляется по средней температуре жидкостного потока (при температурном напоре , которой соответствует величина При этом условии выражение (11.32) легко преобразовать к виду

Величина для плоского потока может быть вычислена в соответствии с правилом нахождения средней температуры по формуле

Характер затухания турбулентных пульсаций в тонком пристенном слое, толщина которого в основном и определяет интенсивность теплообмена в целом, независимо от геометрии аппарата сохраняется таким же, как и при течении жидкости в плоском канале. Поэтому выражение (11.37), экспериментально подтвержденное [241 на различных примерах теплообмена, можно применять и для описания процесса теплоотдачи от газожидкостной смеси к стенке теплообменного элемента. При вычислениях, однако, в соответствии с (11.39) необходимо знать зависимость и которая в условиях барботажа без направленного течения является неопределенной. В этом случае величину можно ориентировочно-вычислить по формуле

Действительное значение при движении газожидкостных потоков всегда находится между вычисленными по (11.39) и (11.40). Учитывая незначительное расхождение последних, вполне допустимо брать для расчета их среднее значение или воспользоваться данными рис. 14, где зависимости от вычислены по формуле (11.40).

В случае турбулентного течения гомогенных потоков в трубах и каналах различных сечений коэффициент теплоотдачи а можно рассчитать по уравнению (11.38), воспользовавшись для динамической скорости выражением (11.11) и приняв для него

где коэффициент гидравлического трения.

Результаты численного решения уравнения (11.38) с учетом (11.18), (11.40) и (11.41) были аппроксимированы для области зависимостью

а для области зависимостью

В области значений удовлетворительный результат дает формула

Эти широко распространенные зависимости для гомогенных потоков еще раз подтверждают правомочность использования динамической скорости при описании процессов теплообмена.

При движении газожидкостных потоков в других случаях, когда турбулентность создается внешним источником, динамическую скорость для уравнения (11.38) следует рассчитывать по формуле (11.23). Применительно к различным вариантам теплообмена в газожидкостных реакторах это будет показано в соответствующих параграфах.

<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Оглавление