不凝气对水喷射冷凝器内传质过程影响的实验研究.pdf

CHEMICAL ENGINEERING DESIGN
化工设计2010,20(3)
不凝气对水喷射冷凝器内传质过程影响的
实验研究
郑建川*杨雪峰“党慧丽陈振宇四川大学化工学院成都610065
摘要在密封的水喷射抽气冷凝系统中,分别利用含不凝气体和不含不凝气体的水作为工作液体,
在同样的初始抽气压力和工作液体初始温度下,对相同量的蒸汽进行冷凝,记录不同流量下吸人室的真空
度变化,分别得出了两种工作液体的极限液汽比,并根据实验数据计算出两种工况下的传质系数。实验结
果表明,在封闭系统内使用无不凝气体的工作液体可提高蒸汽的冷凝效果,其传质系数的提高与气膜厚度
呈线性关系,通过对实验数据的线性回归得出其关系为:K。=9.7198+1
关键词水喷射冷凝不凝气体传质
水喷射器一般有两种工作方式:一是单纯用极限进行研究,并对不凝气体对喷射冷凝的传热
来抽吸气体,二是在冷凝蒸汽的同时排除一定的影响进行分析和讨论。
气体。文献报道的研究大多集中在对喷射器内无
相变工作时的各种临界状态和影响因素,而对冷
理论分析
凝菾汽时的最大冷凝量研究较少,向清江等1.1喷射泵工作原理
通过实验认为混合室内液气两相混合的位置和流
喷射泵结构见图1。
动状态是影响最大吸气流量的重要因素。陆宏圻
等2用准二维二相非均匀变密度模型首次导出
了相变情况的液一液气射流泵基本方程,但形式
非常复杂,而且仅以非相变的情况对其进行
验证。
a喷嘴吸入室
混合室
扩散管
在喷射冷凝器设计中,由于传热传质的限
图1喷射泵结构图
制,一定量的工作液体能够冷凝的蒸汽是非常有
限的,在设计手册中,一般情况下喷射冷凝
喷射泵主要由喷嘴、吸入室、混合室、扩散
的气液质量比q仅为0.017~0.029,如何提高管等构成,是一种能量转换装置。它以一定能量
冷凝水的冷凝效率,降低运行和设备成本是设计(压力和流量)的工作流体,经喷嘴喷出,形成
中亟待解决的问题。
高速射流,由于射流与被吸气体之间产生的卷吸
不凝气的存在会阻碍冷凝传热传质“,周作用和亲动扩散作用,把吸入室内的以空气为主
兴东等?通过实验对不凝气存在时滴状冷凝的的不凝气体带走,使该处产生真空,在外界压力
传热传质研究认为,混合蒸汽传热冷凝传熱阻力或被吸流体静压力的作用下,被吸流体进人吸入
主要由气相边界层控制。而喷射冷凝中,一且有室,同高速流动的工作流体一同进入混合室,并
不凝气存在,亦可对传热传质阻力产生较大的影进行能量交换。在混合室中,处于高度湍动
响。直接接触冷凝的热阻主要由相际传质和蒸汽的工作流体将被吸流体剪碎成小气泡,形成气液
传递阻力,即界面传质阻力和气相传质阻力两相混合物,且速度趋近,然后人扩散管,降速
引起?。
增压后排出。
本文以实验的方法,就水喷射冷凝器的工作
水喷射冷凝器与水喷射泵的原理基本一致,
*郑建川:四川大学化学工程专业在读硬士研究生。研究方向为传质与分离。联系电话:(028)85406869,E-mail:ic481036
**杨雪峰:副教授,通讯作者。联系电话:(028)85990908,E-mail: angoras@scu,edu,cn
2010,20(3)
郑建川等不凝气对水喷射冷凝器内传质过程影响的实验研究
但水喷射冷凝器是以冷凝为主,抽气为辅。低温处的压力,Pa。
喷射水流与蒸汽接触,进行充分的热交换,绝大
传质系数:
部分水蒸汽被冷凝,使体积急剧缩小,形成真
空,同时通过高速紊动扩散,将极少量未冷凝的
水蒸汽吸人混合室,然后从扩散管排出。
1.3不凝气体对传质的影响
喷射泵的重要结构参数为混合室截面积和喷
在喷射冷凝器中,水蒸汽需要在分压差的推
嘴面积比m,即d/2,以及b,c,e截面处的动下从气相主体传递到喷射液柱表面,冷凝后进
水力损失系数pb、9。、9。,操作参数有喷嘴压液柱主体。而液相中溶解的以空气为主的不凝气
カp。,吸人室压力p,出ロ压力p。等。孙奉仲由于压力的锐减从液柱中逸出,可在气液接触表
等通过变量全微分方法分析认为,结构参数面形成气膜,在换热器设计中,即使含量极微的
中,m对液气两相的流量比q的影响最大,操作不凝气,也会对凝结換热产生十分有害的影
参数中,p。对g的影响最大
响。故在水喷射冷凝中,不凝气的存在也会
1.2传质系数计算
增加水蒸汽的传质阻力,而且由于不凝气的扩散
方向与水蒸汽的压力梯度方向相反,也会降低水
为计算冷凝的传质系数,做以下假设:
(1)水从喷嘴喷出之后,在混合冲波之前蒸汽的传质效果。
保持与喷嘴形状一致的圆柱形,冷凝只发生在水
假设:不凝气从水中逸出后在吸入室中滞
留,并在液柱表面形成的相对稳定的气膜。
柱表面。
由亨利定律?可知,对稀溶液,溶质在液
(2)在整个喷射冷凝过程中,由于冷凝水
相中的溶解度与其在气相中的分压成正比。
蒸汽的量远小于工作液体的量,故认为工作液体
流量L保持不变。
(6
3)由于工作流体的温度变化范围较小,式中,x为空气在水中的摩尔分数;p'为水中
可以认为水的比热C和水蒸汽的潜热r为定值。的空气在气相中的平衡分压,Pa;E为亨利常
蒸汽的比焓为
数,Pa。
由道尔顿分压定律知
式中,hc为素汽的比焓,J/kg;h』为工作液体
p=p+PA
的比焓,J/kg;r为汽化潜热,J/kg
式中,p。为水的饱和蒸汽压,只与温度有关,
由于h远小于r,故可认为:
Pea;p为系统压力,Pa。故
P-P, T)
8
工作液体水的比焓为:
E
当系统压力p减小时,空气在水中的溶解度
1 =C, 47
减小,并从水中逸出。工作液体从喷嘴射出之
式中,T为工作液体的温度,℃。
后,由高压进人到低压状态,逸出的空气摩尔分
对被冷凝的蒸汽做热量衡算有
数为:
LC(T2-71)=C
(3)
式中,L为工作液体流量,kg/s;T1、T2分别为
Ar E PO-PO (2 - 1) s Po -p
工作液体进入和排出的温度,℃;G.为冷凝的蒸式中,pP为外界大气压力,Pa;T为温度,℃。
汽质量,kgs
故吸入室内逸出空气质量的变化为
以气相分压为基准的总传质方程为:
po - Pb
(10)
G=KA
(4
式中,A为气液相接触面积,m2;K。为以气相式中,m为空气质量,kg。
积分可得吸入室内逸出空气质量:
为基准的总传质系数,g/(s?m2·Pa);p为a
截面处水温度对应的饱和压力,Pa;p2为b截面
29.P0