Материал: Тишин ВБ Новоселов АГ Процессы переноса в технолог аппаратах

где H гж – высота газожидкостного слоя в культиваторе; wг – приведѐнная скорость газа; Sa – площадь поперечного сечения аппарата.

Исследования по теплообмену между стенкой аппарата и газожидкостной смесью [10] показали, что в уравнение (5.42) необходимо ввести поправку, умножив его правую часть на величии-

ну (1 г )2 . Введение поправки было обусловлено некоторым отсут-

ствием сходимости экспериментальных данных с результатами расчѐтов по уравнениям, полученным полуэмпирическим методом. Объяснялось это тем, что в аппаратах, в которых отношение dп / dа << 1,

пузырьки газа, находящиеся у стенки, играют роль демпферов, гася турбулентные пульсации и затрудняя их проникновение в пристеночный слой жидкости.

Как показали дальнейшие исследования теплообмена в плоских щелевых каналах, необходимость в поправке отпадает, так как зазор между пластинами и размеры пузырей соизмеримы. На этих вопросах мы остановимся несколько позднее.

С учетом поправок уравнение (5.42) для барботажных аппаратов колонного типа примет вид

Динамическую скорость находим из уравнений (5.31) и (5.32) подстановкой в них уравнения (5.43):

Подставляя равенство (5.44) в уравнение (5.4), получим выражение для максимального масштаба турбулентности в аппаратах колонного типа:

156

ний (5.18), (5.41) и (5.45) следует уравнение для расчѐта коэффициента теплообмена между газожидкостной смесью и стенкой культиватора с рубашкой:

Для расчета газосодержания в барботажных культиваторах колонного типа можно рекомендовать уравнения В.В. Консетова (2.94) и (2.95), полученные аналитически и наиболее полно учитывающие

же размеров аппарата.

Анализ уравнения (5.46) позволяет сделать вывод о том, что интенсифицировать процесс теплообмена в аппаратах колонного типа можно только за счѐт увеличения приведѐнной скорости газа. Однако возможности такой интенсификации весьма ограничены.

При культивировании микроорганизмов в барботажных культиваторах колонного типа приведѐнная скорость газа сравнительно невелика. Так, например, на товарной стадии культивирования хлебопекарных дрожжей удельный расход воздуха через дрожжерастительный аппарат поддерживается на уровне 60–70 м3/(ч∙м3). При таких условиях приведенная скорость не превышает 0,2 м/с.

Увеличение скорости выше указанного значения приводит к появлению сильных пульсаций в жидкости, которые вызывают вибрации корпуса аппарата и подводящих трубопроводов, способные привести к серьезным авариям. Кроме того, при высоких скоростях движения воздуха возможен его проскок и степень использования кислорода падает, т. е. расход энергии на транспортировку газа становится нерациональным.

Для интенсификации процессов, протекающих в культиваторах, иногда применяют различные перемешивающие устройства. Од-

157

нако такой путь значительно усложняет конструкцию аппаратов, поэтому используется при крайней необходимости.

5.2.2.Теплообмен между газожидкостным потоком

итеплопередающей поверхностью теплообменников

Рассматриваемый процесс теплообмена имеет место при течении газожидкостных потоков в теплообменниках с различной конфигурацией теплопередающей поверхности, например в теплообменниках кожухотрубных и пластинчатых, типа труба в трубе, в змеевиках

ит. п. Общим для них является то обстоятельство, что источником турбулентности служат стенка (касательные напряжения на стенке)

иотносительное движение фаз. При наличии двух источников турбулентности полная диссипация энергии E представляется в виде суммы [10]

в жидком пристеночном слое, возникающее при движении газожидкостного потока и зависящее от относительной скорости.

Значение E1 можно найти из уравнения (5.43), заменив в нѐм

приведѐнную скорость газа на относительную.

Теплообмен в трубах. С учѐтом предыдущих замечаний в каналах, для которых справедливо условие dп / da << 1, полная диссипация энергии в уравнении (5.47) примет вид

ж

158

Уравнение теплообмена в аппаратах подобного типа получается путѐм подстановки уравнения (5.49) в равенство (5.18). В итоге получим выражение для расчѐта коэффициента теплоотдачи в следующем виде:

Эксперименты по теплообмену в вертикальных трубах показали, что в уравнении (5.50) для восходящих газожидкостных потоков 1,9 ; для нисходящих – 2,2.

Для вычисления истинного объемного газосодержания в трубах при восходящих потоках можно рекомендовать уравнение (2.96); при нисходящих течениях – эмпирическую формулу (2.97).

В заключение следует обратить внимание на одну интересную особенность уравнения (5.50), согласно которому при движении га-

может в определѐнных условиях снижаться с увеличением приведѐнной скорости жидкой фазы при постоянной скорости газа. Особенно этот эффект заметен при малых приведѐнных скоростях газа и изменении скорости жидкости от 0 до 1 м/с.

Объяснение этому, казалось бы, противоречащему здравому смыслу факту может дать анализ уравнения (5.49). При увеличении скорости жидкости изменяются оба слагаемых подкоренного выражения уравнения (5.49). Первое слагаемое увеличивается, а второе – снижается за счѐт снижения газосодержания и относительной скорости. Причѐм снижение численного значения второго слагаемого происходит быстрее, чем рост первого, вследствие чего снижается динамическая скорость, а следовательно, и коэффициент теплоотдачи.

Теплообмен в плоских щелевых каналах. В отличие от аппа-

ратов колонного типа и трубчатых теплообменников в пластинчатых аппаратах с любой формой теплопередающей поверхности зазор между пластинами и размеры пузырей соизмеримы, вводить поп-

159

равку (1 г )2 в уравнения (5.48) и (5.49) нет необходимости. Поэтому для плоских каналов они примут несколько иной вид:

вие зависимости коэффициента от направления движения потока. Для них в любом случае 1,5 .

Изменение в определении динамической скорости повлечѐт за собой изменение уравнения (5.50), которое с учѐтом равенства (5.26) примет вид

В щелевых каналах газосодержание несколько выше, чем в трубах, и рассчитывается по уравнениям (2.98). Объяснить это можно тем, что в узких каналах сказываются пристеночные эффекты, тормозящие движение газа относительно жидкости, на основании чего происходит его задержка и, как следствие, увеличение газосодержания.

Во всех случаях относительная скорость фаз рассчитывается

нию, приведѐнному в работе [10]:

160