Гидродинамика, тепло- и массообмен во вращающихся барботажных потоках
The swirling of a gas-liquid flow enables one to brake up in the application of barbotage equipment. It is shown that the vortex barbotage flow provides the high specific interface between gas and liquid, approximately permanent gasbubble size, two-phase flow stability at a gas flow speed up to 5...
Gespeichert in:
| Datum: | 2008 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
2008
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/4100 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Гидродинамика, тепло- и массообмен во вращающихся барботажных потоках / И.И. Борисов, А.А. Халатов // Доп. НАН України. — 2008. — № 3. — С. 84-89. — Бібліогр.: 15 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-4100 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-41002010-03-11T14:20:46Z Гидродинамика, тепло- и массообмен во вращающихся барботажных потоках Борисов, И.И. Халатов, А.А. Теплофізика The swirling of a gas-liquid flow enables one to brake up in the application of barbotage equipment. It is shown that the vortex barbotage flow provides the high specific interface between gas and liquid, approximately permanent gasbubble size, two-phase flow stability at a gas flow speed up to 5 m/s, and high heat and mass transfer rates. 2008 Article Гидродинамика, тепло- и массообмен во вращающихся барботажных потоках / И.И. Борисов, А.А. Халатов // Доп. НАН України. — 2008. — № 3. — С. 84-89. — Бібліогр.: 15 назв. — рос. 1025-6415 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/4100 532.529 ru Видавничий дім "Академперіодика" НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| topic |
Теплофізика Теплофізика |
| spellingShingle |
Теплофізика Теплофізика Борисов, И.И. Халатов, А.А. Гидродинамика, тепло- и массообмен во вращающихся барботажных потоках |
| description |
The swirling of a gas-liquid flow enables one to brake up in the application of barbotage equipment. It is shown that the vortex barbotage flow provides the high specific interface between
gas and liquid, approximately permanent gasbubble size, two-phase flow stability at a gas flow
speed up to 5 m/s, and high heat and mass transfer rates. |
| format |
Article |
| author |
Борисов, И.И. Халатов, А.А. |
| author_facet |
Борисов, И.И. Халатов, А.А. |
| author_sort |
Борисов, И.И. |
| title |
Гидродинамика, тепло- и массообмен во вращающихся барботажных потоках |
| title_short |
Гидродинамика, тепло- и массообмен во вращающихся барботажных потоках |
| title_full |
Гидродинамика, тепло- и массообмен во вращающихся барботажных потоках |
| title_fullStr |
Гидродинамика, тепло- и массообмен во вращающихся барботажных потоках |
| title_full_unstemmed |
Гидродинамика, тепло- и массообмен во вращающихся барботажных потоках |
| title_sort |
гидродинамика, тепло- и массообмен во вращающихся барботажных потоках |
| publisher |
Видавничий дім "Академперіодика" НАН України |
| publishDate |
2008 |
| topic_facet |
Теплофізика |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/4100 |
| citation_txt |
Гидродинамика, тепло- и массообмен во вращающихся барботажных потоках / И.И. Борисов, А.А. Халатов // Доп. НАН України. — 2008. — № 3. — С. 84-89. — Бібліогр.: 15 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT borisovii gidrodinamikateploimassoobmenvovraŝaûŝihsâbarbotažnyhpotokah AT halatovaa gidrodinamikateploimassoobmenvovraŝaûŝihsâbarbotažnyhpotokah |
| first_indexed |
2025-07-02T07:20:05Z |
| last_indexed |
2025-07-02T07:20:05Z |
| _version_ |
1836518794914168832 |
| fulltext |
оповiдi
НАЦIОНАЛЬНОЇ
АКАДЕМIЇ НАУК
УКРАЇНИ
3 • 2008
ТЕПЛОФIЗИКА
УДК 532.529
© 2008
И.И. Борисов, член-корреспондент НАН Украины А. А. Халатов
Гидродинамика, тепло- и массообмен во вращающихся
барботажных потоках
The swirling of a gas-liquid flow enables one to brake up in the application of barbotage equip-
ment. It is shown that the vortex barbotage flow provides the high specific interface between
gas and liquid, approximately permanent gas-bubble size, two-phase flow stability at a gas flow
speed up to 5 m/s, and high heat and mass transfer rates.
Контактные (газ — жидкость) аппараты широко используются в различных приложениях
для утилизации теплоты, нагрева и охлаждения газов и жидкостей, очистки промышлен-
ных газов, улавливания ценных и вредных газообразных продуктов. Для осуществления
прямого контакта между газом и жидкостью, как правило, используются барботажные
аппараты, имеющие ряд недостатков. Во-первых, скорость движения газа без уноса бар-
ботируемой жидкости не может превышать 1–2 м/c, во-вторых, при движении пузырьков
газа в жидкости происходит их быстрое слияние, что ведет к увеличению гидравлическо-
го сопротивления и снижению тепло- и массообмена. Высота современных барботажных
аппаратов достаточно большая, а само оборудование весьма металлоемкое.
Дальнейшее повышение производительности барботажных аппаратов требует принци-
пиально нового подхода к организации контакта между газом и жидкостью. Одним из
перпективных методов является закрутка потока, которая позволяет повысить устойчи-
вость барботажа при более высокой скорости движения газа, увеличить межфазную поверх-
ность и интенсифицировать процессы переноса теплоты и массы. Использование принципа
закрутки газожидкостных потоков позволяет создать интенсивные контактные аппараты
и значительно снизить их материалоемкость [1].
В Институте технической теплофизики НАН Украины выполнен обширный цикл экспе-
риментальных исследований гидродинамики и тепломассообмена в вихревых барботажных
аппаратах, в которых вращающийся пузырьковый слой формируется внутри стационарной
вихревой камеры за счет тангенциальной подачи газового потока [2, 3]. Принципиальная
схема одного из таких аппаратов показана на рис. 1. Воздух подается в вихревую камеру
через тангенциально-лопаточный завихритель, а сверху поступает жидкость. Закрученный
газ “подхватывает” жидкость и создает около боковой стенки камеры вращающийся газо-
жидкостный слой, ограниченный сверху и снизу кольцевыми торцевыми поверхностями,
определяющими также его толщину.
84 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2008, №3
Рис. 1. Схема вихревого барботажного аппарата [2]
Рис. 2. Удельная поверхность контакта фаз для различных типов контактного оборудования:
1 — вихревой барботажный аппарат с подкруткой камеры (n = 350 об/мин) [4]; 2 — данные авторов для
вихревого барботажного аппарата с неподвижным корпусом; 3 — циклонно-пенный аппарат [5]; 4, 5 —
данные работ [6, 7] для барботажа на ситчатых и провальных тарелках
В отличие от традиционных пенно-барботажных потоков, в которых давление газожид-
костного слоя на распределительную решетку создается внешними силами естественной
гравитации, при вихревом барботаже создается искусственная гравитация за счет вращения
газожидкостного потока. В данном случае межфазная поверхность формируется в условиях
интенсивного вращения при значениях центростремительного ускорения, в несколько раз
(иногда в десятки раз) превышающих ускорение гравитации, при этом поступающие массы
газа интенсивно дробятся на мелкие пузырьки.
На рис. 2 показано сравнение опытных данных по удельной межфазной поверхности
газа для различных типов контактных аппаратов. Как видно, значение этого параметра во
вращающемся газожидкостном потоке существенно выше значений, имеющих место в гра-
витационных аппаратах. Если для последних a ∼ w0,15...0,3, то в вихревой камере с не-
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2008, №3 85
Рис. 3. Зависимость линейной скорости вращения газожидкостного слоя от тангенциальной составляющей
скорости газа в щелях завихрителя:
1–4 — hк = 29 мм; 5–8 — hк = 58 мм; 1,5; 2,6; 3,7 и 4,8 — Hсл = 15; 20; 25 и 30 мм соответственно
подвижным корпусом a ∼ w0,6, а во вращающемся газожидкостном потоке с подкруткой
корпуса a ∼ w0,8. Такой характер зависимости объясняется интенсивным диспергированием
газа в зоне его входа в вихревую камеру. Как видно из рис. 2, для вихревых барботажных
аппаратов имеет место монотонная зависимость до скорости 5 м/с, т. е. наблюдается устой-
чивая работа аппарата при более высокой скорости движения газа. При этом обнаружено,
что средний размер газового пузырька во вращающемся газожидкостном потоке сохраня-
ется примерно постоянным по об’ему.
Основные гидродинамические и тепломассообменные характеристики вихревого барбо-
тажного потока определяются структурой газожидкостного слоя, поэтому в ИТТФ НАН
Украины был выполнен цикл фундаментальных исследований, направленных на понима-
ние его физической природы, изучение закономерностей тепло- и массообмена и гидрав-
лических потерь.
Линейная скорость вращения газожидкостного потока во многом определяет его струк-
туру и характеристики. Ее измерение, проведенное с помощью помещенного в двухфазный
вращающийся поток лопаточного анемометра, показало (рис. 3), что скорость вращения
слоя (wсл) линейно зависит от скорости газа в щелях завихрителя. С увеличением толщины
слоя значение wсл уменьшается, что обусловлено увеличением трения потока о торцевые
поверхности камеры.
Одним из факторов, определяющих скорость вращения барботажного слоя, является
трение двухфазного потока о торцы и боковую поверхность завихрителя. Влияние поверх-
ности завихрителя различными авторами трактуется по-разному — от полного оттеснения
газожидкостного слоя с образованием газовой подушки [8, 9] до его полного прижатия [10].
Уравнение сохранения момента количества движения с учетом закрутки жидкости, посту-
пающей в двухфазный слой с нулевой скоростью, записывается следующим образом:
Gг(R0w0 − R1w1) =
∫
S
Cfε
ρжw2
сл
2
RdS + 2πR0hкKCfε1
ρжw2
сл
2
R0 + GжwслR0, (1)
86 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2008, №3
где w0 и w1 — тангенциальные составляющие скорости газа на выходе из щелей завихри-
теля и на выходе из вращающегося слоя; R0 и R1 — внешний и внутренний радиусы слоя;
hК — высота вихревой камеры; ε — объемное содержание жидкости в двухфазном слое; S —
площадь торцевых поверхностей; wсл — линейная скорость вращения слоя; Gг и Gж — мас-
совые расходы газа и жидкости; K — коэффициент, учитывающий уменьшение поверхности
трения за счет щелей завихрителя. Значение коэффициента трения Cf двухфазного слоя
о поверхность принималось равным 0,025 [11], а объемное содержание жидкости в слое ε —
0,30 [4]. Объемное содержание жидкости вблизи поверхности завихрителя ε1 является неиз-
вестной величиной, которая определялась в результате решения этого уравнения. Резуль-
таты решения характеризуются следующим уравнением для скорости вращения слоя:
w =
−ξ(1 + β) +
√
ξ2(1 + β)2 + 4B(C + Kε1)
2B(C + Kε1)
, (2)
где w̄ =
wсл
w0
; ξ =
Rк − Hсл
Rк
; η =
hк
Rк
; β =
Gж
Gг
; B =
ρж
ρг
Cf sinΘ
2s
; s =
Nb
2πRк
; C =
2ε(1 − ξ3)
3η
.
Анализ экспериментальных данных показал, что вклад боковой поверхности завихрите-
ля в поверхностное трение является переменной величиной, определяемой толщиной двух-
фазного слоя. Расчеты по уравнению (2) при Hсл = 30 мм позволили получить значе-
ние ε1 = 0,3, что свидетельствует о том, что боковая поверхность полностью участвует
в поверхностном трении. С уменьшением толщины слоя Hсл соответствие результатов экс-
периментов и расчета по уравнению (2) достигается при мeньших значениях объемного
содержания жидкости вблизи завихрителя. При Hсл = 25, 20 и 15 мм значение ε1 состав-
ляет 0,25, 0,2 и 0,14 соответственно, что свидетельствует о частичном оттеснении враща-
ющегося слоя от завихрителя.
Гидравлические потери в вихревом барботажном аппарате являются суммой потерь
в “сухой” решетке и потерь в двухфазном слое, обусловленных его “весом”. Анализ публика-
ций по гидродинамике вихревых барботажных потоков показывает, что данные различных
работ по общему сопротивлению аппарата практически совпадают. При увеличении толщи-
ны слоя сопротивление растет, что связано с ростом составляющей, связанной с “весом” га-
зожидкостного слоя. Поскольку вклад каждой из составляющих сопротивления трактуется
в различных работах по-разному, были выполнены эксперименты по измерению статическо-
го давления в двух точках — в щели завихрителя, около выхода потока в вихревую камеру
(ps) и на боковой поверхности вихревой камеры (pL).
В результате измерений обнаружено, что в узкой зоне после выхода газа из щелей за-
вихрителя имеет место скачкообразное (примерно в 1,5 раза) уменьшение статического дав-
ления, что, по-видимому, связано с затратами на диспергирование газа. С увеличением
скорости газа и толщины слоя значения ps и pL возрастают, однако разность этих давле-
ний практически не зависит от толщины слоя. Сравнение значений статического давления
на боковой поверхности завихрителя с центробежным “весом” газожидкостного слоя для
Hсл = 30 мм показало, что при малых расходах газа имеет место практически полное сов-
падение расчетов и экспериментов, а при увеличении расхода расчетные данные превышают
экспериментальные (примерно на 20%). Возможно, это связано с некоторым ростом газо-
содержания потока, которое при расчетах принималось постоянным (≈ 0,7).
Высокая скорость всплытия пузырьков в радиальном направлении и интенсивное пере-
мешивание и обновление поверхности контакта обусловливает высокие тепломассообменные
характеристики вращающихся барботажных потоков. На рис. 4 показана зависимость числа
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2008, №3 87
Рис. 4. Теплообмен во вращающихся барботажных потоках:
1 — ротационно-барботажный аппарат [12]; 2 — данные работы [4] для вихревого барботажного аппарата
с подкруткой корпуса; 3 — данные авторов для вихревого барботажного аппарата с неподвижным корпусом;
4 — теплообмен на провальных ситчатых тарелках [13]
Нуссельта Nu = αdп/λг от числа Рейнольдса Re = wпdп/νг, где в качестве определяющего
размера принят диаметр пузырька, по измерениям, проведенным авторами в работе [14].
Из рис. 4 видно, что уровень теплообмена во вращающихся барботажных аппаратах (ВБА)
в несколько раз превышает теплообмен в традиционных барботажных аппаратах. Для срав-
нения на этом же графике приведены данные работы [12] для ротационно-барботажных
аппаратов (РБА), в которых вращение двухфазного слоя достигается за счет вращения
корпуса. Видно что, коэффициенты межфазного теплообмена в РБА находятся примерно
на одной линии с аналогичными данными для ВБА.
Как показали эксперименты, для вихревых барботажных потоков соблюдается аналогия
между теплообменом и массообменом в газовой фазе, т. е. можно сделать вывод о том, что
массообменные характеристики в основном лимитируются растворимостью газа и массооб-
меном в жидкой фазе. Этот вывод подтверждается результатами экспериментов по водной
абсорбции диоксида азота. Степень его поглощения в закрученном потоке оказалась не
высокой (порядка 12–13%), т. е процесс носит существенно незавершенный характер. Дан-
ный факт объясняется малым временем пребывания газа (несколько миллисекунд), а также
невысокой растворимостью двуокиси азота в воде. Отсюда следует вывод, что при практиче-
ском использовании вихревых барботажных аппаратов следует учитывать время пребыва-
ния газа во вращающемся слое и характерное время процесса. Особенно привлекательным
является использование ВБА для улавливания аэрозолей [15], степень поглощения которых
приближается к 100%.
Выполненные исследования дают возможность заключить, что закрутка газожидкост-
ного слоя является гидродинамическим средством, которое позволяет совершить существен-
ный “прорыв” в практическом использовании барботажных аппаратов. Вихревые барботаж-
88 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2008, №3
ные аппараты работают устойчиво и без уноса жидкости при значительно большой скоро-
сти газового потока (до 5 м/c). Они характеризуются развитой межфазной поверхностью,
примерно постоянным размером газового пузырька, более высоким уровнем тепло- и мас-
сообмена в газовой фазе, компакностью и малой металлоемкостью.
1. Борисов И.И., Халатов А.А. Центробежные контакторы: основные типы и практическое примене-
ние. Обзор // Промышл. теплотехника. – 2007. – 29, № 2. – С. 29–34.
2. Варганов I. С., Халатов А.А., Борисов I. I., Гелетуха Г. Г. Вихровий барботажний тепломасообмiн-
ний апарат. Пат. № 23520А (Україна). – 1998.
3. Борисов I. I., Халатов А.А., Варганов I.С. Вихровий барботажний тепломасообмiнний апарат //
Пат. № 73872. – (Україна). – 2005. – Бюл. № 9.
4. Бурдуков А.П., Гольдштик М. А, Казаков В.И., Ли Т.В. Тепло- и массоперенос в закрученном
барботажном слое // Расчет тепломассообмена в энергохимических процессах. – Новосибирск: Изд-во
Ин-та теплофизики СО АН СССР, 1981. – С. 37–58.
5. Богатых С.А. Циклонно-пенные аппараты. – Ленинград: Машиностроение, 1978. – 224 с.
6. Родионов А.И., Сорокин В. Е. К расчету поверхности контакта фаз в процессе абсорбции СО2 раство-
рами щелочей на ситчатых тарелках // Журн. прикл. химии. – 1970. – № 11. – С. 2453–2457.
7. Родионов А.И., Кашников А.М., Радиковский В.М. Определение поверхности контакта фаз на про-
вальных ситчатых тарелках // Там же. – 1965. – № 1. – С. 143–148.
8. Гольдштик М.А., Ли Т.В., Ханин В.М., Смирнов Н.П. О скорости вращения газожидкостного слоя
в вихревой камере // Процессы переноса в энергохимических многофазных системах. – Новосибирск:
Изд. Ин-та теплофизики СО АН СССР, 1983. – С. 93–99.
9. Казаков В.И., Кормановский Д. Г. Влияние геометрических характеристик газораспределительных
устройств на гидродинамику вращающегося барботажного слоя // Процессы переноса в аппаратах
энергохимических производств. – Новосибирск: Изд-во Ин-та теплофизики СО АН СССР, 1985. –
С. 125–137.
10. Шиляев М.И., Дорохов А. Р. К расчету скорости вращения центробежно-барботажного слоя // Теп-
лофизика и аэромеханика. – 1998. – 5, № 2. – С. 189–194.
11. Борисов И.И., Халатов А.А. Трение вращающегося барботажного потока о торцы вихревой каме-
ры // Там же. – 2004. – 11, № 2. – С. 329–331.
12. Былинкин Б.С., Белов С.А., Горшенин П.А. Основы теории вращающихся тепло- и массообменных
барботажных аппаратов. – Москва: Легпромбытиздат, 1991. – 69 с.
13. Родионов А.И., Радиковский В.М., Зенков В.В. Определение коэффициентов тепло- и массоотда-
чи, отнесенных к поверхности контакта фаз // Процессы химической технологии. Гидродинамика,
тепло- и массопередача. – Москва; Ленинград: Наука, 1965. – С. 127–133.
14. Борисов И.И., Халатов А.А., Шевцов С. В. О размерах пузырьков в вихревом барботажном слое //
Промышл. теплотехника. – 1996. – 18, № 1. – С. 81–85.
15. Борисов И.И., Халатов А.А., Шевцов С.В. Пылеулавливание в вихревом барботажном аппарате //
Там же. – 1995. – 17, № 1–3. – С. 21–25.
Поступило в редакцию 06.07.2007Институт технической теплофизики
НАН Украины, Киев
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2008, №3 89
|