Исследование угловой скорости газо-жидкостного потока на вихревой ступени

Представлены результаты исследования величины угловой скорости вращающегося газожидкостного слоя. Установлены зависимости угловой скорости от конструктивных и технологических параметров, получено эмпирическое уравнение для ее расчета.

Ключевые слова: тангенциальный завихритель, вихревой испаритель, угловая скорость, газо-жидкостный слой.

Для интенсификации теплосъема и обеспечения устойчивого течения жидкости в испарителях предложено использовать вращательное движение газо-жидкостного потока при его кипении [1-3]. Схема контактного устройства вихревого испарителя [4] представлена на рис. 1. Вращение теплоносителя обеспечивается вращательно-поступательным движением воздуха (пара), пропускаемого через тангенциальные каналы 3 завихрителя.

Рис. 1 – Схема устройства вихревого испарителя (а) и тангенциального завихрителя (б)

1 – царга, 2 – завихритель, 3 – тангенциальные каналы, 4 – опорная шайба

- вода; - пар; - воздух

В работе [5] для определения угловой скорости, исходя из теоремы об изменении кинетического момента, получено выражение в виде:

, (1)

где – коэффициент трения на межфазной поверхности; ρг – плотность газа, кг/м3; uкр – критическая скорость газа в канале, м/с; f – площадь сечения каналов завихрителя, м2; fсn – площадь сечения газовой струи, м2; α – угол наклона каналов завихрителя; ρг-ж – плотность газо-жидкостного потока, кг/м3; λо – коэффициент трения на стенке; Rс – радиус ступени, м; R1 – расстояние от завихрителя до стенки царги, м.

Величина угловой скорости, рассчитанная по уравнению (1), в 1,5 раза отличается от полученных нами опытных данных. Что, вероятно, вызвано градиентом касательных напряжений между вращающимися газо-жидкостными слоями. Согласно [5] коэффициент проскальзывания составил 2,5-3,0.

Известно также эмпирическое уравнение [6] для расчета угловой скорости, представленное в виде:

w≈v0,8•L-0,4•m-0,4, (2)

где υ – скорость газа в каналах завихрителя, м/с; L – расход жидкости, поступающей на ступень, м3/с; m – масса жидкости на ступени, кг.

Однако уравнение (2) базируется на экспериментальных данных, полученных при вращении больших объемов жидкости, и требует экспериментальной проверки.

Вследствие отсутствия надежных зависимостей для определения угловой скорости потока, величина которой необходима для расчета коэффициента теплоотдачи, были продолжены исследования в этом направлении.

В ходе эксперимента величина угловой скорости определялась методом перемещения метки (красителя). В работе использовались два типа тангенциальных завихрителей диаметром 0,11 м – завихритель