Розробити та запроектувати вимірювальний канал для автоматичного контролю витрати води в теплообмінному апараті, страница 11

РОЗДІЛ 5

КОНВЕКТИВНИЙ ТЕПЛООБМІН У ДВОФАЗНИХ ПОТОКАХ

5.1 Особливості конвективного теплообміну у двофазних потоках

Багато теплообмінних процесів хімічної та нафтохімічної технології, а також процеси теплообміну в ядерних і теплоенергетичних уста-новках проходять у дво- і багатофазних потоках.

Особливістю процесів теплообміну у двофазних потоках є те, що теплообмін може відбуватися як у результаті безпосереднього контакту між взаємодіючими фазами (наприклад, у системі газ – тверді частинки, газ – краплі рідини, тверді частинки – рідина й ін.), так й у результаті взаємодії двофазних потоків з поверхнею теплообміну. Поверхня контакту фаз у двофазних потоках може бути як фіксованою (наприк-лад, у насадкових апаратах), так й утворюватися у процесі руху фаз (наприклад, при охолодженні газу в пінних скруберах або в скруберах, що розпилюють рідину). Крім того, у двофазних потоках середовище може бути однорідним з рівномірно розподіленою в ньому дисперсною фазою певної об'ємної концентрації в дисперсійному середовищі або може бути неоднорідною із включеннями частинок широкого поліди-сперсного складу. Також відзначимо, що процеси теплообміну в дис-персних потоках газ – рідина або рідина – тверде тіло часто супровод-жуються масообміном.

В основному у двофазних потоках відбувається конвективний тепло-обмін як між взаємодіючими фазами, так і між потоком і теплообмінною поверхнею апарата. Наявність у двофазному потоці твердої дисперсної фази певною мірою підвищує значення коефіцієнта тепловіддачі в результаті зниження термічного опору на межі розділення фаз, наявність у двофазному потоці рідкої дисперсної фази зменшує значення коефіцієнта тепловіддачі внаслідок підвищення термічного опору.

Проблема розрахунків теплообмінних процесів у двофазних потоках є надзвичайно актуальною та досить складною [12, 21, 46], тому нижче представлені рекомендації, використовувані в практичних розрахунках теплообмінного устаткування.

5.2 Деякі характеристики двофазних потоків

У двофазному потоці звичайно розрізняють дисперсійне середовище – зовнішню однорідну суцільну фазу, у якій рівномірно розподілені частинки або краплі іншої дисперсної – внутрішньої фази.

Залежно від агрегатного стану та відносного вмісту фаз у потоці розрізняють такі двофазні системи: газ – зважені тверді частинки; газ – зважені краплі рідини; рідина зі зваженими твердими частинками; рідина із включеннями крапель іншої нерозчинної рідини, а також інші неоднорідні дво- і багатофазні системи. Прикладом використання системи газ – рідина є теплообмінні установки для охолодження й конденсації природних і попутних газів нафтовидобутку. Прикладом складної тепломасообмінної взаємодії в системі газ – тверді частинки є псевдозріджені та пневмотранспортні системи, використовувані для проведення процесів теплообміну, випалювання та сушіння зернистих матеріалів. Прикладом взаємодій у системі рідина – тверді частинки є процеси випарювання та кристалізації в апаратах із циркулюючою або класифікованою суспензією [6, 57].

Найважливішими характеристиками двофазних потоків є індиві-дуальні фізико-хімічні властивості фаз (агрегатний стан, густина, в'язкість, теплоємність, теплопровідність та інші властивості кожної з фаз), середня об'ємна або масова концентрація дисперсної фази в потоці, а також ступінь дисперсності внутрішньої фази.

Надалі будемо вважати, що дисперсна фаза рівномірно розподілена в суцільному дисперсійному середовищі, краплі рідини, газові пухирці та частинки дисперсної фази не розчиняються й не змінюють своїх розмірів.

Середня відносна об'ємна концентрація дисперсної фази у двофазному потоці дорівнює

 (5.1) де mv , m – відносна об'ємна та масова концентрація дисперсної фази в дисперсійному середовищі відповідно; Vдф, Vср – об'ємна витрата дис-персної фази та дисперсійного середовища відповідно, м3/с; Gдф, Gср – масова витрата дисперсної фази й дисперсійного середовища від-повідно, кг/с; ρдф, ρср – істинна густина дисперсної фази та дисперсійного середовища відповідно, кг/м3.