Капельная конденсация

Чем богаче «реквизит», тем сильнее эффект. И зрелищно, и по физическим свойствам кипящие слои, псевдо-ожижаемые различными газами (водородом, гелием, воздухом, углекислым газом или ксеноном), существенно различаются. Очень заметное влияние на поведение кипящего слоя оказывают давление и температура. А какая «чудотворная сила» заключена в материале зернистых частиц (особенно в его размере и плотности). Но ведь слои твердых частиц могут псевдоожижаться и капельными жидкостями, тем самым демонстрируя совершенно новые качества. Не исключена фильтрация газа сквозь слой зернистого материала, заполненный жидко-

точно равна массе ртути, деленной на поперечное сечение капельной трубки, так как верхняя поверхность ртути искривлена меньше, чем нижняя. Следовательно, действия сил капиллярности на концах капли не равны и равнодействующая их стремится задержать падение. Это «лобовое сопротивление» зависит в первую очередь от диаметра капельной трубки, температуры и не зависит от длины столбика ртути. Как показали экспериментальные исследования, при движении ртути в контакте с капельными жидкостями в трубке с диаметром около 3 мм эффект торможения мал.

В последние годы ряд .работ лучше, чем прежде, объяснил наличие неоднородности даже в слоях, псевдоожиженных капельными жидкостями Л. 376, 499, 565]. Показано, что состояние однородного псевдоожижения принципиально неустойчиво. Это связано прежде всего с инерционностью частиц. Любое малое возмущение плотности псевдоожиженного слоя, имеющее вертикальную составляющую, не затухает, а растет (Л. 565] по мере распространения от места возникновения. Противополож'ное мнение '[Л. 548—550] о принципиальной устойчивости однородного псевдоожиженного слоя, видимо, неправильно, так как базируется на - ряде упрощающих допущений. В частности, в указанных работах принимается, что в псевдоожиженных системах отсутствуют значительные возмущения, создаваемые входным газораспределительным устройством, и игнорируются экспериментальные данные о действительной неоднородности практически кажущихся однородными слоев, псевдоожиженных капельными жидкостями [Л. 521].

Целый спектр вертикальных возмущений плотности всегда имеется в псевдоожиженном слое как следствие внешних вибраций и неравномерности течения. Расчеты автора (Л. 499] показали, что рост возмущений в псевдоожиженных газом слоях происходит во много раз 'быстрее, чем в слоях, псевдоожиженных капельными жидкостями. Это объясняет обычную практическую однородность последних, если учесть естественное ограничение продолжительности роста каждого возмущения из^за конечной и довольно небольшой высоты слоев. Поэтому всякое случайное локальное уменьшение концентрации материала в какой-либо точке псевдоожиженного слоя не обязательно приводит к появлению пузыря или другого вида пустот. Отметим еще, что теория ограничивается пока рассмотрением начальной стадии роста возмущений и, как указывают авторы [Л. 376], не дает сведений о характере получившихся в конечном итоге макроскопических неоднородностей. Но и столь ограниченная теория

Представляет известный интерес и описание однородного псевдоожижения. Хотя абсолютно однородного псевдоожижения не бывает, но достаточная для некоторых практических нужд однородность достигается при ожижении капельной жидкостью невысоких слоев округлых частиц. Кроме того, рассмотрение однородных систем позволяет выявить общие свойства, в той или иной степени присущие также и неоднородным, и предугадать различия, вносимые неоднородностью. Так, например, аналитическое исследование теплообмена стенки с однородным псевдоожиженным слоем [Л. 141] позволило объяснить даже многие особенности переноса тепла неоднородным слоем. С точки зрения объяснения фундаментальных свойств всех псевдоожиженных систем и получения новых практически важных сведений для случая псевдоожижения капельными жидкостями интерес представляет кинетическая теория 'псевдоожиженного состояния :[Л. 204]. Как отмечено в ,[Л. 10], на основе этой теории получены интересные качественные выводы о максвелловском распределении твердых частиц по скоростям с эффективной температурой, пропорциональной скорости газа в степени 2/з, и объяснено существование верхней границы псевдоожиженного слоя с позиций минимума затрат энергии при движении псевдоожижающего агента сквозь слой. Работа по созданию кинетической теории псевдоожижения ведется и за рубежом (Л. 597]. Марковскую теорию «диффузии» твердых частиц при однородном псевдоожижении разрабатывает автор работы (Л. 495].

считает, что в слоях, однородно псевдоожиженных капельными жидкостями, механизм перемешивания твердой фазы диффузионный, аналогичный турбулентной (для слабо расширенного слоя) или молекулярной диффузии (для сильно расширенного слоя). Псевдоожи-женные слои частиц крупнее 100 мкм по мнению автора [Л. 593] перемешиваются только пузырями, увлекающими за собой твердую фазу. Слои частиц мельче 60 мкм, псевдоожиженные газами, ведут себя промежуточным образом. В них образуются пузыри и непосредственно увлекают за собой твердую фазу, но одновременно существует и побуждаемая движением пузырей турбулентная диффузия материала благодаря известному разрыхлению «непрерывной фазы» такого слоя. Детали механизмов перемешивания твердой фазы заметны в монофракционных слоях сферических частиц. В слоях частиц иной формы, особенно полидисперсных, механизмы перемешивания материала выражены менее четко и возможно их взаимное переплетение. Подобная классификация, видимо, качественно правильно отражает общие тенденции, но слишком упрощенно трактует, например, влияние диаметра частиц.

вперёд, можно отметить, что обычно подобные каналы не образуются или не остаются в высоких слоях. Они пролезают там только нижнюю часть слоя, а верхняя псевдоожижается удовлетворительно. Общее АР будет в последнем случае опят-таки «иже теоретического, так как нижняя часть слоя прорезана каналами. Каналы не развиваются обычно при малых значениях отношения YM/YC плотности материала к плотности текучего (например, при псевдоожижении капельными жидкостями) . Однако основную группу процессов в псевдоожиженном слое составляют проводимые при 'больших YM/YC, причем, имея в виду затрату энергии на преодоление гидравлического сопротивления слоя, выгодно работать со сравнительно низкими, а значит, особо подверженными каналоабразО'Ванию слоями. Поэтому выбор типа газораспределительного устройства имеет существенное практическое значение.

До сих пор не сложилось, однако, ясного представления о механизме стремления псевдоожиженных слоев к .неоднородному, двухфазному псевдоожижению и образованию плотной фазы с порозностыо, близкой к пороз-ности слоя при минимальном псевдоожижении. Некоторые ученые, исследовавшие неоднородное псевдоожижение, как, например, Тумей и Джонстон [Л. 567], не пытаются объяснить даже такие основные опытные факты, как наличие двухфазного псевдоожижения для слоев, псевдоожиженных газами, и практически однофазное псевдоож'ижение того же материала капельными жидкостями. Иной характер носит работа Морзе [Л. 459] — одно из ранних, но обстоятельных исследований неоднородности пеевдоожижения. Он анализирует различие между псевдоожижением капельной жидкостью и газом и приходит к правильному выводу, что тенденция к неоднородному псевдоожижению увеличивается с ростом (рм—Рс)/!1, гдерм —плотность материала; Рс и ц — плотность и динамический коэффициент вязкости среды. К сожалению, Морзе не дает сколько-нибудь убедительного физического объяснения того, почему должна наблюдаться подобная зависимость, выводя ее из довольно -формального применения уравнения Кармана — Козени (фильтрации сквозь плотный слой) к определению «скорости отделения жидкости от частиц», остающейся неясным понятием.

Примером первого («однофазного») состояния является, как упоминалось выше, большинство случаев псевдоожижения слоя частиц капельными жидкостями.

Поэтому для слоев, псевдоожиженных газами, можно ожидать при прочих равных условиях (d, -ум) в несколько раз больших F, чем для слоев, псевдоожижснных капельными жидкостями. Например, если псевдоожи-жать материал (ум = 2600 кг/л3) в одном случае водой, а в другом — воздухом комнатной температуры, то легко подсчитать соотношение F, соответствующих воде (Fi) и воздуху (F2):

С уменьшением VM/YC агрегирующая сила F должна, уменьшаться из-за уменьшения кажущегося веса материала и скорости газа, требующейся для псевдоожижения. Уменьшаются также и силы трения между частицами, т. е. увеличивается подвижность последних. Поэтому для частиц с весьма малым объемным весом можно ожидать однородного псевдоожижения газами. Хаплель и Гроссельфингер [Л. 490] при псевдоожижении воздухом слоя пустотелых бумажных кубиков действительно наблюдали равномерное расширение слоя во всем диапазоне порозности от примерно 0,4 до 1. Зенз [Л. 490] считает, что для однородности псевдоожижения слоя значение -ум/Ye !не должно превышать 2—3. По-видимому, это ограничение отпадает при .псевдоожижении капельными жидкостями (см. выше).

Капельная конденсация водя-

1) мокрую атмосферную коррозию — коррозию при наличии на поверхности металла видимой пленки влаги. Атмосферная коррозия этого типа наблюдается при относительной влажности воздуха около 100%, когда имеется капельная конденсация влаги на поверхности металла, а также при непосредственном попадании влаги на металл (дождь, обливание конструкции водой и т. п.);

Капельная конденсация водяных паров .... 4-10*... 1,2-105

Капельная конденсация возникает на несмачиваемой поверхности и имеет коэффициент теплоотдачи на порядок выше, чем пленочная. Для получения •капельной конденсации на поверхность теплообмена наносятся специальные покрытия. Использование капельной конденсации позволяет значительно сократить габариты и массу конденсаторов. Примеси неконденсирующихся газов в паре существенно снижают интенсивность теплоотдачи при конденсации.

Капельная конденсация 125 Карбюраторный двигатель 226 Компрессор 51

При загрязненной поверхности происходит капельная конденсация, так как из-за плохой смачиваемости отдельные капли сохраняют свою индивидуальность. Учитывая, что в эксплуатации находятся достаточно чистые поверхности, капельная конденсация интереса не представляет. Теоретическое рассмотрение процесса пленочной конденсации было начато Нуссельтом в 1916 г. Представим себе на поверхности движущуюся ламинарно пленку конденсата (рис. 13-11). Чем толще пленка, тем больше ее термическое. сопротивление, ограничивающее теплоотдачу от пара к. поверхности' тела. Примем температуру жидкой пленки со стороны пара равной температуре насыщения Гк = ^„, а температуру жидкости у стенки t"x =tc. Удельный тепловой поток определяется уравнениями:

образование капель — капельйой. Пленочная конденсация имеет место, если конденсат смачивает данную поверхность теплообмена. Если же конденсат не смачивает поверхность, то происходит капельная конденсация.

теплообмена, и происходит пленочная конденсация. Капельная конденсация наблюдается при пуске теплообменного аппарата, когда на поверхностях стенок имеются различные, в том числе и масляные, загрязнения, при конденсации ртутного пара и в некоторых других случаях.

< Капельная конденсация может быть вызвана с помощью специальных веществ, 'называемых лиофобизаторами (при конденсации водяного пара — гидрофобизаторами). Эти вещества наносятся на поверхность теплообмена или вводятся в пар.

Капельная конденсация имеет место, если конденсат не см'ачиваег поверхность теплообмена. В этом случае поверхность покрыта отдельными каплями. .

Как следует из изложенного, капельная конденсация, строго говоря, является нестационарным процессом. Однако, <если осрёдненные во времени характеристики процесса не изменяются, то такой процесс можно рассматривать как стационарный.