книги из ГПНТБ / Холланд Ф. Химические реакторы и смесители для жидкофазных процессов

и результаты Чилтона, Дрю и Джебеиса [9], хотя условия, в ко­ торых получены их данные, различны. Экклей [12] обработал только данные Каммингса н Веста н нашел, что уравнение должно иметь вид:

(VII,16). Показатель степени симплекса вязкости в этой работе не определяли, а приняли на основе работ Чилтона, Дрю и Джебенса [9], а также Зидера п Тэйта [8].

Кроме того, Каммингс и Вест провели опыты с двухрядной турбинной мешалкой с изогнутыми лопатками при расстоянии между мешалками, равном 0,250 м. При этом значение коэффи­ циентов теплоотдачи не увеличилось (по сравнению с одной тур­ бинной мешалкой), вопреки предположению Экклея [12]. Были также проведены исследования систем с крыльчатой турбинной мешалкой с шестью лопарками и с углом наклона к оси вала, равным 45°. Мешалка имела диаметр 0,250 м, ширину лопатки 0,075 м и была расположена на расстоянии 0,250 м от дна со­ суда.

Значение коэффициента теплоотдачи пленки конденсирующегося пара на поверхностп змеевика а 3, полученное при использова­ нии крыльчатой турбинной мешалки, было примерно на 10% ниже, чем в случае турбинной мешалки с изогнутыми лопатками.

ками в системе многорядных турбинных мешалок); отношение ширины лопатки мешалки к диаметру мешалки

■bT/DT = 0,166 (для турбинных мешалок с изогнутыми лопатками); br/DT = 0,250 (для крыльчатых турбинных мешалок);

отношение диаметра змеевика к диаметру аппарата DJD =

=0,80;

отношение длины змеевика к диаметру аппарата L3/D = 1,00;

отношение наружного диаметра трубок змеевика к диаметру -змеевика dTp/D3 = 0,042;

отношение расстояния между.змеевиками к диаметру трубок h/dтр = 1,00;

отношение расстояния между змеевиком и дном сосуда к диаыетру аппарата h3/D = 0,10.

122

Претт [14] вывел уравнения расчета коэффициентов тепло­ отдачи для сосудов цилиндрической и кубической формы с пло­ ским днищем, оборудованных спиральными змеевиками, переме­ шивание в которых осуществляли одноили многорядными ло­ пастными мешалками. Претт исследовал 25 различных конструк­ ций и получил следующие уравнения:

для сосудов кубической формы

Рейнольдса должен быть ближе к 0,6, чем к 0,5.

Работа по изучению теплоотдачи в сосудах с перемешиванием турбинной мешалкой и с подводом тепла через вертикальные

ром 1,2 м с плоским днищем и с вертикальными нагревательными трубами в качестве перегородок. Нагревательная перегородка была сделана из оцинкованных стальных труб диаметром 0,025 м. Четыре трубы соединяли в секцию, образующую перегородку. Каждая секция располагалась на расстоянии 0,280 м от центра сосуда; расстояние между стенкой аппарата и близлежащей нагревательной трубой составляло 0,025 м; расстояние между трубами было 0,038 м.

Для перемешивания использовали стандартную турбинную мешалку с шестью прямыми ровными лопатками, крепящимися на диске. Интервал значений критерия Прандтля при этом исследо­ вании был слишком мал, чтобы можно было установить какуюлибо зависимость. Однако было показано, что расстояние турбин­ ной мешалки от дна сосуда влияет на теплоотдачу. Самый высокий коэффициент теплоотдачи получили при расположении турбин­ ной мешалки на высоте, равной 1/2 высоты жидкости [16]. Когда турбинную мешалку располагали выше, чем 1 /2 высоты ж и д к о с т и ,

увеличивалось вихреобразование, и значение коэффициента тепло­ отдачи уменьшалось.

Система со стандартной турбинной мешалкой с шестью пря­ мыми ровными лопатками, использованная Раштоном, Литманом и Магонеем, показана на рис. VII-4, г и имеет следующие геомет­ рические характеристики:

12а

отношение диаметра турбинной мешалки к диаметру аппарата

DJD = 0,250-0,333;

отношение высоты расположения турбинной мешалки над дном сосуда к диаметру аппарата h/D = 0,50 (для наивысшего

отношение высоты слоя жидкости к диаметру аппарата HUD =

= 1,00;

отношение расстояния между близлежащими трубами к диа­ метру аппарата IJD — 0,0312;

отношение диаметра труб к диаметру аппарата dTp/D = 0,0208; отношение расстояния от стенки сосуда до первой трубы к диа­

метру аппарата 8/D = 0,0208.

Сосуды с наружными рубашками

Чилтон, Дрю и Джебенс [9] получили для коэффициентов теплоотдачи в сосудах с рубашками уравнение

для критерия Рейнольдса в интервале 300—400 000. Они исполь­ зовали сосуд с рубашкой, показанный на рис. VII-4, а, но без змэевиков.

Ул [10] продолжил работу Чилтона, Дрю и Джебенса [9], исследуя область более низких значений критерия Рейнольдса — в интервале 20—4000. Он предположил, что общий коэффициент теплоотдачи пропорционален скорости мешалки, причем коэффи­ циент пропорциональности равен 0,67. Ул исследовал сосуды с перегородками и без них. Во всем исследованном интервале критериев Рейнольдса перегородки не влияли на теплоотдачу, так что уравнение вида

= 0,415Re0.e7pro.33C-o.u (VII,21)

■справедливо для сосудов как с перегородками, так и без них. Было получено хорошее соответствие показателя степени симплекса вязкости (хотя и более высокое, чем принято в литера­ туре) с данными Чапмана, Даленбейча и Холланда [6], приме­ нивших расчеты на ЭВМ для критериев Рейнольдса в интервале

.30-50 000.

Каммингс и Вест [13] изучали теплоотдачу в сосудах с рубаш­ кой, в которых перемешивание проводили как однорядными, так и многорядными турбинными мешалками с шестью лопатками и углом наклона к оси вала 45°. Они использовали тот же сосуд, что и при исследовании перемешивания с обогревом змеевиками (рис. VII-4, в). Змеевики удаляли, а наружные рубашки исполь­ зовали для обогрева.

124

Соотношение

•если их данные не объединять с данными Чилтона, Дрю и Дже­ бенса [9].

Влияние перегородок на коэффициент теплоотдачи исследо­ вали Брукс и Су [5] для сосудов с выпуклым днищем, снабжен­ ных турбинной мешалкой с шестью прямыми ровными лопатками, соответствующих конструкции, показанной на рис. VII-4, д. Они применили сосуд диаметром 0,500 м с рубашкой, заполненной так, что высота слоя жидкости составляла 0,530 м. Турбинная мешалка диаметром 0,150 м была расположена на расстоянии 0,150 м от дна сосуда. Ширина перегородок составляла 1/10 диа­ метра аппарата [17]. Опыты проводили в сосудах с одной, двумя

400, когда в системе наблюдали в основном ламинарный поток.

Получаемое из этого уравнения значение коэффициента тепло­ отдачи примерно на 37% ниже, чем из уравнения для сосудов с перегородками при Re > 400:

- ^ - = 0,74Ле°.б7рго,ззс-о,ы (VII,24)

Увеличение на 37% коэффициента теплоотдачи при переходе от уравнения (VII,23) к уравнению (VII,24) должно быть посте­ пенным, достигая максимальной величины (37%) при полностью

сопротивления Фт в уравнении (VII,8). Брукс и Су использовали аппарат со стандартной турбинной мешалкой с шестью прямыми ровными лопатками, имеющий следующие геометрические характеристики:

125

отношение диаметра турбинной мешалки к диаметру аппарата

D r/D = 0,30;

отношение высоты слоя жидкости к диаметру аппарата ffx/D = = 1,05;

отношение ширины перегородки к диаметру аппарата b/D =

= 0 , 10;

отношение высоты расположения турбинной мешалки над дном аппарата к диаметру аппарата h/D = 0,30.

Броун, Скотт и Тайн [18] исследовали теплоотдачу в аппара­ тах с пропеллерными и якорными мешалками. Опыты проводи­ лись в сосудах без перегородок диаметром 1,5 м с полусфериче­ ским днищем и с рубашками. В середине сосуда располагали

Броун, Скотт и Тайн принимали показатель степени крите­ рия Рейнольдса на основе работ Чилтона, Дрю и Джебенса [9], а показатель степени критерия Прандтля находили решением уравнения (VII,25).

Этот сосуд использовали также для изучения теплоотдачи в системах с перемешиванием якорными мешалками. Применяли два различных типа конструкций этих систем. В первой конструк­ ции зазор между стенкой аппарата и внутренним диаметром якор­ ной мешалки составлял 0,130 м, наружный диаметр якорной мешалки был равен 1,2 м, внутренний диаметр 1,1 м, ширина лопасти 0,075 м. Во второй конструкции зазор между якорной

Уравнение (VII,26) Броун, Скотт и Тайн получили аналогично уравнению (VII,25). Конструкция с якорной мешалкой показана на рис. VI1-4, е.

Для конструкций обоих типов с якорной мешалкой геометри­ ческими характеристиками аппарата являются следующие:

отношение диаметра мешалки к диаметру аппарата D JD =

= 0,829-0,966;

отношение ширины лопасти мешалки к диаметру аппарата

и переходном режимах потока. Для якорных мешалок, показан­ ных в табл. 6, установленных в сосудах со стандартным выпуклым

126

Эти уравнения близки к критериальным уравнениям Броуна, Скотта и Тайна [18] для принятого интервала значений критерия Рейнольдса.

Ул и Возник [19] получили уравнение для коэффициентов теплоотдачи в сосудах без перегородок с внешним обогревом и с перемешиванием якорными мешалками. Они изучали влияние расстояния якорной мешалки от стенки сосуда на величину по­ требляемой мощности (см. рис. IV-11) и на значение общего коэффициента теплопередачи. Ул и Возник исследовали расстоя­ ния от 0,0025 до 0,025 м в сосудах диаметром 0,6 и 0,26 м и при­ шли к выводу, что при увеличении расстояния между мешалкой н стенкой потребляемая мощность и общий коэффициент тепло­ передачи уменьшаются.

Капустин [15] исследовал теплоотдачу в вязких жидкостях, испытывая различные типы мешалок в сосудах с плоским дпшцем, с обогревом рубашкой. Найденные для уравнения

Nu = C ReaPr6C° (V II,29)

константы приведены в табл. 6 для каждой исследуемой системы. Капустин получил уравнение для мощности Р (Вт), потребля­

емой различными мешалками, в виде:

стема находится в условиях ламинарного потока.

Соотношение для сосудов цилиндрической формы с плоским днищем, с перегородками и с перемешиванием турбинными ме­ шалками было получено Стреком [7]. Он исследовал системы со стандартными и с нестандартными геометрическими характе­ ристиками для критерия Рейнольдса в интервале 5000—850000. Уравнение Стрека для сосудов, соответствующих стандартным геометрическим характеристикам, имеет вид

и согласуется с уравнением Брукса и Су [5], отличаясь значением константы С на 2,5%. Исследовали также теплоотдачу в сосудах

Т а б л и ц а 6- Результаты исследования теплопередачи в аппаратах с плоским днищем, с обогревом рубашками [15]

о,г?5в„

Dn —J

с нестандартными высотами расположения мешалки и диаметрами турбинны’х мешалок. Соотношение, полученное для систем с не­ стандартными геометрическими характеристиками, имеет вид

= 11ОШе0.верго,ззс-о.1< ( - ^ J’18 (VII.33)

и приводится к уравнению для систем со стандартными геометри­

Соотношения для коэффициентов теплоотдачи, полученные расчетом на ЭВМ

Во всех уравнениях, приведенных выше, задавались одним или несколькими показателями степени безразмерных комплексов.

Чапман, Дэленбейч и Холланд [6] получили уравнения для сосудов с мешалками без предположения о величине показате­ лей степени безразмерных комплексов. Экспериментальную работу они проводили в сосудах, снабженных перегородками, с плоскгш днищем, с обогревом рубашками.

Уравнение

описывает с точностью ±4,77% результаты исследований систем со стандартными геометрическими характеристиками (рис. 1-17). Все параметры этого уравнения были получены на основе экспе­ риментальных данных с помощью расчетов на ЭВМ. Уравнение

Nu=l,15ReO-«5Pr0.33C-o.M 1 (VII,35)

также позволяет учесть отклонения от стандартных геометриче­ ских характеристик. Фактор С в уравнении (VII,36) можно по­ лучить из рис. VII-5 для турбинной мешалки нестандартной кон­ струкции, а из рис. VII-6 — для нестандартной высоты жидкости.

Уравнение (VII,36) можно записать также в виде:

•с учетом всех экспериментальных данных для систем с нестандар­ тными характеристиками.

Два последних параметра в уравнении (VII,35) были получены графическим анализом ограниченного количества данных для ■систем с нестандартными геометрическими характеристиками.

Сравнение уравнений (VII,35) и (VII,36) для систем с нестан­ дартными характеристиками показывает, что должно быть спра­ ведливым следующее равенство:

по уравнению (VII-38). График показывает, что максимальное отклонение величины С от рассчитанной с использованием урав­ нения (VII,35) составляет около 9%.

Результаты расчетов по уравнению (VIL35) не совсем точно ■совпадают с расчетами по уравнению (VI 1,33), полученному Стре­ лой для систем с нестандартными характеристиками [7]. Стрек не учитывал влияния высоты слоя жидкости,, а уравнение (VII,35) не включает различия в диаметрах турбинных мешалок. Пока­ затель степени, найденный Стреком для симплекса h/D, равен Ю,12, а в уравнении (VII,35), он составляет 0,4. Стрек исследовал

.величины h/D в интервале 0,05—0,7, в то время как в работе Чапмапа, Дэленбейча и Холланда [6] этот интервал составлял

•130