Лако-красочные материалы — производство

Процессы с нагреванием и охлаждением жидкостей большой вязкости издавна были серьезной проблемой в промышленности. Коэффициенты теплоотдачи для этих жидкостей очень малы. Причи­ной этого является образование тонкого слоя жидкости, плотно прилегающего к стенке аппарата. Тепловой обмен через слой при малых значениях коэффициентов теплопередачи резко ограничен.

Устранить это препятствие можно двумя способами. В случае жидкостей малой вязкости (например, воды) достаточно повысить турбулентность в аппарате, чтобы толщина пристенного слоя умень­шилась. Однако для жидкостей большой вязкости (таких, например, как полимеры и масла) повышение турбулентности приводит только к незначительному увеличению теплообмена, поскольку слой, обра­зовавшийся на стенке аппарата, очень плотно прилегает к ней. Улучшения теплообмена в этом случае можно добиться механическим удалением слоя с помощью скребков.

Хаггинс [41] измерял теплообмен в аппарате, снабженном мешалкой со скребками для жидкостей вязкостью 1-10"3 —2,3 Па-с (1—2300 сП). Для сравнения такие же измерения автор провел в том же самом аппарате, но с рамной мешалкой без скребков. Полученные результаты показывают, что применение скребков дает явный эффект в случае перемешивания жидкостей большой вязкости. При этом время нагревания или охлаждения жидкости уменьшается в несколько раз и, кроме того, снижается мощность приводного двигателя.

В последние годы появились новые конструкции аппаратов, в которых пристенный слой разрушается. Аппараты этого типа можно разделить на две группы. К первой группе относятся те аппа­раты, в которых поток жидкости движется по всему их свободному сечению, а ко второй группе — аппараты, в которых жидкость сте­кает в виде пленки по стенке.

Наиболее известный аппарат первой группы конструкций назы­вается «вотатором». Этот аппарат снабжен скребками. При неподвиж­
ном вале скребок свободно располагается на штыре, выступающем из вала, и только во время вращательного движения его кромка под действием центробежной силы приближается к стенке трубы (рис. V-19).

Теплообмен в «вотаторе» исследовали Хаултон [39] и Скелланд с сотрудниками [74, 76]. Хаултон охлаждал горячую воду, движу­щуюся через аппарат, холодной водой, подаваемой в рубашку, и по­лучил значения коэффициентов теплоотдачи (со стороны горячей воды) порядка 4,7 кВт/(м2 — К). Однако диапазон его исследований был настолько узок, что нельзя было обобщить экспериментальные дан­ные в виде уравнения, дающего возмож­ность рассчитывать коэффициенты тепло­отдачи.

Скелланд [74] провел исследования, целью которых было установление зави­симости коэффициента теплоотдачи (со сто­роны разрушаемого пристенного слоя) от условий проведения процесса, разме­ров аппарата с мешалкой и физических свойств жидкости. Экспериментальные измерения охватывали следующие диапа­зоны значений критерия Рейнольдса: Re = 0,7-j-1690 и Rem — 44-f-380 ООО (где Re = wDy/r]’, Rem = nD2y/r; D — диаметр трубы, равный диаметру мешалки). Кроме того, Скелланд после предварительной обработки использовал данные, опубли­кованные Хаултоном. В полученном уравнении не было учтено влияние изменения диаметра вала (при постоянном диаметре трубы), а также влияние числа скребков. В следующей работе Скелланд, Оливер и Туке [76] дополнили ко­личество переменных параметров и окончательно получили зави­симость:

Где D — внутренний диаметр трубы теплообменника; as — диаметр приводного вала; W — скорость осевого потока жидкости; Nz — Число скребков на окружности вала.

Значение коэффициента С и показателя степени в уравне­нии (V-59) следующие:

При охлаждении жидкостей большой вязкости

С = 0,014; р = 0,96 при охлаждении жидкостей малой вязкости

С = 0,039; Р = 0,70

Уравнение (V-59) было выведено для процесса охлаждения жидкости. Как отмечают авторы, обязательна проверка его
справедливости в случае нагревания. Кроме того, необходимо будет исследовать влияние симплекса LID.

В аппаратах второй группы конструкций жидкость стекает в виде пленки по стенке. Для нагревания жидкости в теплообменниках этого типа Ботт и Ромеро [14] предлагают уравнение:

Величина De определяется по зависимости:

Где L — полная длина трубы теплообменника; К — постоянная, равная 0,0703.

По данным авторов, уравнение (V-60) обеспечивает также хоро­шие результаты при увеличении размеров аппарата.

Ботт и Шейкх [15 ] исследовали влияние конструкции скребков на теплообмен. Оказалось, что при использовании скребков с про­резями коэффициенты теплоотдачи выше, чем для сплошных плоско­стей скребков. Изучение фотографий профиля жидкости показало, что в первом случае интенсивность перемешивания выше; именно этим и объясняется увеличение коэффициентов теплоотдачи. Авторам не удалось представить полученные результаты в виде уравнения.

Наряду с экспериментальными разработками предпринимались также попытки теоретического определения зависимости коэффи­циента теплоотдачи от переменных параметров. Такие вычисления провел Кул [45], показавший, что рассчитанные значения коэффи­циентов теплоотдачи приблизительно на 50% выше значений, полу­ченных экспериментально.

Латинен [51] установил возможность применения разработанного теоретически уравнения для расчета коэффициентов теплоотдачи, а результаты сопоставил с данными, полученными по эмпирическому уравнению, предложенному Скелландом [74]. Выведенное Латине — ном уравнение имеет вид:

А=2( LycPnnZ У’* (v_62)

Показатели степени при переменных параметрах одинаковы как в эмпирическом, так и в теоретическом уравнении. По Латинену, разница результатов является следствием несовершенства пред­полагаемого механизма процесса.

Подобные уравнения, отличающиеся только величиной постоян­ной, получили Харриот [34], а также Брагинский, Бегачев и Пав — лушенко [16].

Троммелен [92] обработал результаты, опубликованные Скеллан­дом с сотрудниками [74], получив при этом другое уравнение:

АЯ I D2nnzycp О,5

^L = lf13l——————— JlLL (1 —/) (V-63)

Величина F является поправкой. Экспериментально определен­ная поправка / имеет вид:

/=2,78 (Ре+ 200)o>i8 (V-64)

Для значений критерия Пекле Ре < 1500 эту поправку можно выразить простым уравнением:

/ = 3,28 Ре-0-22 (V-65)

Стренк, Масюк и Жавартко [91] провели исследования тепло­обмена в аппарате приблизительно одинаковой конструкции с «вота — тором». Обогрев аппарата был электрическим. В качестве рабочей жидкости использовалась вода. Полученные значения коэффициентов теплоотдачи незначительно отличаются от тех, которые дают уравне­ние Скелланда и сотрудников [76]. Для сравнения были рассчитаны также коэффициенты теплоотдачи по уравнениям других авторов [51, 92]. Оказалось, что эти расчетные значения коэффициентов тепло­отдачи превышают приблизительно на 50% значения а, измеренные в используемом Стренком, Масюком и Жавартко аппарате.

Изучение теплообмена в аппаратах, снабженных скребковыми мешалками, еще нельзя считать завершенными. Необходимо будет провести исследования для значений критерия Рейнольдса Re > 2300 (турбулентное течение), а также исследования влияния геометри­ческих параметров (главным образом, зазора е между скребком и стен­кой; проведенные в настоящее время исследования показывают, что параметр е оказывает значительное влияние на теплоотдачу). Кроме того, представленные выше уравнения не дают точных результатов, вследствие чего они не являются полностью пригодными при проек­тировании таких аппаратов; вернее ими можно пользоваться при увеличении масштаба процесса.