РАСЧЕТ ЧАСТОТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПРИ ВИХРЕВОМ ДВИЖЕНИИ ГАЗОЖИДКОСТНОГО ПОТОКА В РАБОЧЕЙ ЗОНЕ ТРУБЧАТОЙ НАСАДКИ

В настоящее время разработано большое количество тепломассообменных аппаратов, используемых для проведения процессов абсорбции, ректификации, экстракции, охлаждения газов и жидкостей [1].

В большинстве случаев, в силу своих конструктивных особенностей, разработанные аппараты могут быть использованы для проведения только одного технологического процесса или сопутствующих процессов. Например, абсорбция горячего газа, содержащего твердые частицы. Основным процессом является абсорбция, но параллельно ей осуществляется теплообмен и очистка от твердых частиц. При этом регулирование параллельно протекающих процессов практически невозможно.

Особенностью разработанной и исследованной конструкции аппарата с трубчатой насадкой регулярной структуры является то, что в ней возможно регулирование процесса теплообмена непосредственно в зоне контакта при подаче теплоносителя в трубы. При этом контакт происходит через стенки труб и движение теплоносителя в трубах не влияет на структуру газожидкостного слоя в аппарате [2].

В аппарате с трубчатой насадкой регулярной структуры высокая эффективность проводимых процессов обусловлена вихревым взаимодействием потоков газа и жидкости [2,3], основным показателем которого являются частотные характеристики.

Анализ литературных данных по обтеканию двух цилиндров, расположенных рядом [3], показал, что при расстояниях менее 2d (d – диаметр цилиндра) в зазоре между ними частота срыва вихрей больше, чем та, которая получена для одиночно обтекаемых тел. С уменьшением зазора частота растет. Следовательно, ширина зазора определяет частоту срыва вихрей. В этом случае рост силы сопротивления и подъемной силы обусловлен значительными затратами энергии потока за счет увеличения числа образующихся вихрей в единицу времени.

При достижении некоторого критического расстояния между обтекаемыми телами параметром, определяющим частоту срыва вихрей, становится ширина обтекаемых тел, а сила сопротивления и подъемная сила снижаются. Дальнейшее увеличение расстояния приводит к незначительному снижению действующих на тела сил.

Согласно [4]  импульсные элементы, расположенные в одном ряду перпендикулярно к обтекаемому потоку, способствуют формированию вихрей с масштабами l. Существуют два случая для дискретно расположенных тел в одном ряду, перпендикулярному обтекаемому потоку:

1 случай при t_p>2d l=d;

2 случай при t_p<2d l= t_p-d.

Из условия взаимодействия параллельных вихревых струй следует, что коэффициент, характеризующей степень взаимодействия вихрей в радиальном направлении и учитывающий изменение частоты вихреобразования, q_р может быть определен по формуле:

                                                                   (1)

Аналогичная картина наблюдается при вихреобразовании в отверстиях тарелок тепло - и массообменных аппаратов.

Представленные в литературе данные по пульсационным характеристикам в зависимости от свободного сечения тарелки и размера отверстий были пересчитаны на безразмерный параметр t/d₀ (t – шаг между центрами отверстий; d₀ – диаметр отверстий). Результаты пересчета показывают, что и в этом случае наблюдается некоторый критический размер, t=2d₀, разграничивающий два механизма образования вихрей. При t>2 d₀ – частота образующихся вихрей характеризуется диаметром (шириной) отверстий, а при t< d₀ характерным размером являются перегородки между соседними отверстиями [5].

Объяснение механизма течения фаз через крупные отверстия видится в обтекании газовым потоком перемычек между ними размером . При этом согласно известным закономерностям образуются вихри, между которыми возникают зоны низкого давления, куда устремляется жидкость, стекая в виде струйки. Пульсирующий характер движения жидкости объясняется тем, что при обтекании газом любого тела происходит периодическое образование, а затем и срыв вихрей с его кромки. При обтекании перемычки между отверстиями происходит аналогичное явление. Причем в период, наступающий после срыва вихрей с кромки отверстия до полного образования следующего вихря, жидкость истекает. Таким образом, можно быть уверенным, что частота срыва вихря и частота истечения струи жидкости  равны [5].

Определим частотные параметры потоков. Учитывая, что струи жидкости, образующиеся при стекании пленки с поверхности трубчатых элементов приобретают пульсационное (колебательное) движение, можно воспользоваться известными оценками для волнового течения:

,                                                            (2)

где  - среднеквадратичная пульсационная скорость;   - волновое число;  - масштаб волны.

Для случая истечения свободной струи жидкости в поток легкой среды с  можно допустить, что  . Тогда из (2) получим следующую оценку для скорости истечения струи:

                                                               (3)

Частоту срыва вихрей, возникающих при обтекании трубчатых элементов, определим с учетом числа Струхаля:

                                              ,                                                              (4)

где  - скорость газа при прохождении трубчатого пучка.

Из постановки задачи следует, что . Тогда

                                                                                                         (5)

В результате, нами получена частотная характеристика, связывающая частоту истечения струи жидкости при распаде пленки жидкости стекающей с трубчатого элемента с частотой срыва вихря, возникающего при обтекании трубы. Данное выражение может быть использовано при определении эффективности массообмена в следующем виде:

                                                               (6)

Таким образом, движение вихревых потоков, проходящих через слои труб трубчатой насадки и отверстия крупноперфорированных тарелок позволил  получить частотную характеристику, связывающую частоту истечения струи жидкости при распаде пленки жидкости стекающей с трубчатого элемента с частотой срыва вихря, возникающего при обтекании трубы.

Список литературы:

1. Балабеков О.С., Волненко А.А. Расчет и конструирование тепломассообменных и пылеулавливающих аппаратов с подвижной и регулярной насадкой /Монография – Шымкент, 2015.- 184 с.
2. Сарсенбекулы Д. Методология  расчета и проектирования аппаратов с трубчатой насадкой регулярной структуры: дис. … доктора PhD. – Шымкент. 2016. -143 с.
3. Волненко А.А. Научные основы разработки и расчета вихревых массообменных и пылеулавливающих аппаратов: дис. … докт. техн. наук. – Шымкент, 1999. -300 с.
4. Балабеков О.С., Волненко А.А., Пралиев С., Корганбаев Б.Н., Балабекова М.О., Викторов С.В. Закономерность формирования параллельно движущихся вихревых струй при течении потока газа или жидкости через систему поперек к нему расположенных дискретных источников. Свидетельство о научном открытии №269. Международная ассоциация авторов научных открытий, М.- 2004.
5. Балабекова М.О. Пульсационные характеристики газожидкостного слоя на крупноперфорированной противоточной тарелке и их влияние на интенсивность массообмена: дис. … канд. техн. наук. – Шымкент, 2002. -148 с.