ГЛАВА 2 ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ
ИССЛЕДОВАНИЕ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ
ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ДВУХФАЗНЫХ ПЛЕНОЧНО-ДИСПЕРСНЫХ
ПОТОКОВ В ЦЕНТРОБЕЖНОМ ПОЛЕ
2.1 Описание установки и экспериментальных методик
2.1.1 Схема экспериментальной установки
Рис. 2.1. Схема установки для изучения гидродинамики
1 - накопительный бак; 2 - ротаметры; 3 - насосы; 4 - термометры;
5 - аппарат; 6 - газодувка; 7 - ротаметры; 8 - психрометр; 9 - микроманометр, 10 - дифрагма, 11 - дифманометр
Изучение гидродинамики производили на установке, схема которой представлена на рис. 2.1.
Жидкость насосом 3 подавалась в центробежный аппарат 5 внутрь вращающегося контактного элемента. Жидкость за счет центробежной силы двигалась на периферию элемента и при этом взаимодействовала с идущим противотоком к ней газом (воздухом) и отводилась из корпуса аппарата в канализацию. Расход исходной жидкости измеряли ротаметрами 2. Воздух, подаваемый в аппарат 5 газодувкой 6, поступал в корпус аппарата тангенциально, проходил контактный элемент и удалялся из аппарата по осевой трубе. Расход подаваемого воздуха измеряли с помощью диафрагмы и U-образных водяных манометров. Перепад давления в аппарате измеряли при помощи микроманометра 9.
Вращение ротора в аппарате осуществлялось за счет электродвигателя. Скорость вращения ротора изменяли с помощью автотрансформатора.
Гидродинамику исследовали на подробно обсуждаемых ниже конструкциях контактных элементов диаметром 200 мм. Частоту вращения ротора изменяли от (1000 - 9000 об/мин), что соответствует центробежному ускорению от 100 до 3150 g на среднем радиусе, нагрузку по газу варьировали от 1,04 до 2,89 кг/(м2?с) (58,6 - 145 м3/ч), плотность орошения при исследовании массоотдачи - от 0,354 до 4,24 кг/(м2?с) (20-1500 кг/ч). Исследование гидродинамики аппарата проводили на системе воздух-вода. Выбор указанных веществ в качестве модельных был обусловлен производственными возможностями и требованиями техники безопасности. Применение этих систем правомерно, т.к. физические процессы, протекающие в рассматриваемых аппаратах, зависят от вида насадок, нагрузок по газу в жидкости, скоростей вращения ротора, и в меньшей степени от физических свойств взаимодействующих фаз.
Температуру газа и жидкости поддерживали в пределах от 18 до 23°С.
Аппарат 5 работал при атмосферном давлении.
Общий вид экспериментальной установки центробежного аппарата с диаметром ротора 200 мм, показан на рис. 2.2.
2.1.2 Конструкция центробежного аппарата
Конструкция аппарата, использованного при проведении исследований, показана на рис.2.2. Основным элементом аппарата является перфорированная корзина ротора, установленная на вертикальном консольном валу, в которой расположен кольцевой контактный элемент. Исходная жидкость поступает в аппарат через распределительное устройство, расположенное по оси аппарата. Через штуцер в корпус аппарата тангенциально подается газ или пар, который взаимодействует с жидкостью в контактном элементе и затем отводится из аппарата через штуцер. Вращение ротора осуществлялось при помощи электродвигателя. За счет этого под воздействием центробежной силы жидкость, поступающая в контактный элемент, движется противотоком с идущим встречу газом (паром) и выводится из аппарата через штуцер. Для предотвращения возможности обхода газом (паром) боковой поверхности ротора через осевую трубу или вал предусмотрены уплотнения.
Рис. 2.2. Конструкция центробежного аппарата
Диаметр корзины центробежного аппарата был принят равным 200 мм. При таком диаметре для создания центробежного ускорения порядка 1000 g необходимо обеспечить вращение ротора с частотой до 5000 об/мин.
Особое внимание при разработке конструкции аппарата уделяли устройству подачи и распределения жидкости. Основными требованиями к распределительному устройству были: равномерное расположение отверстий или щелей по высоте корзины ротора и максимальная приближенность точек выхода жидкости к внутреннему диаметру контактного элемента для исключения брызгоуноса. При этом само распределительное устройство не должно было перекрывать сечение осевой отводной трубы для прохода газового (парового) потока. Кроме обычной перфорированной трубки были изготовлены и испытаны конструкции распределительных устройств отвечающие вышеперечисленным требованиям в широком диапазоне нагрузок по жидкости и газу с учетом свойств перерабатываемых сред. Для обеспечения герметичности аппарата рассмотрены различные конструкции газонепроницаемых уплотнений вращающихся частей. Определено, что уплотнения традиционных конструкций (торцовые, сальниковые и др.) работают малоэффективно при высоких окружных скоростях. К тому же дополнительный нагрев аппарата за счет трения может отрицательно сказаться на качестве конечного продукта. Использованы газонепроницаемые уплотнения с гидравлическим затвором. Как видно из рисунка, в качестве затворной жидкости используется раствор, прошедший контактный элемент и, таким образом, провзаимодействовавший с газовым потоком. Это является одним из достоинств данной конструкции перед известными. Кроме того, камера и диск отнесены на периферию ротора, что позволяет наиболее полно использовать центробежное давление на вращающееся кольцо затворной жидкости.
2.1.3 Контактные устройства центробежного аппарата
Многообразие процессов разделения в которых требования к получаемым продуктам, рабочие условия (давление, температура, состав, соотношение потоков) изменяются в широких пределах, приводит к созданию большого числа различных конструкций контактных устройств центробежных тепломассообменных аппаратов. Поскольку универсальных конструкций нет, т.е. каждая конструкция наиболее полно удовлетворяет требованиям только одного или группы процессов, то появление новых конструкций естественно и закономерно.
Для проведения эффективного массообмена необходимо, чтобы контактные элементы имели высокую проницаемость, развитую удельную поверхност