Вестник МГТУ. 2016, №3.

Вестник МГТУ. 2016. Т. 19, № 3. С. 673–679. DOI: 10.21443/1560-9278-2016-3-673-679 673 УДК 536.423.4 Н. С. Буфетов, Р. А. Дехтярь, В. В. Овчинников Экспериментальное исследование термокапиллярной конвекции в растворе бромида лития при неизотермической абсорбции Целью данной работы являлось получение новых экспериментальных данных по развитию термокапиллярной конвекции в растворе бромида лития при неизотермической абсорбции водяного пара в ограниченном сосуде. При проведении экспериментов использовались бесконтактный метод измерения температуры межфазной поверхности, основанный на использовании тепловизионной техники, и метод визуализации течения, возникающего в слое абсорбента, путем введения меток в раствор. В качестве объекта исследования был выбран неподвижный слой раствора бромида лития с начальной концентрацией 58 % и толщиной слоя 20 мм в ограниченном сосуде диаметром 70 мм. В качестве поглощаемого газа использовался водяной пар, давление которого поддерживалось постоянным во время абсорбции и составляло примерно 2 000 Па. Процесс абсорбции начинался с подачи пара в абсорбер, начальное давление в котором соответствовало давлению насыщенных паров воды при данной температуре раствора (250–300 Па). На основании визуализации течения, возникающего вследствие термокапиллярной конвекции, измерены скорость и продолжительность конвективного движения в слое абсорбента. При развитии термоконцентрационной конвекции получены термограммы межфазной поверхности для различных режимных параметров. Определены характерные времена развития термокапиллярной конвекции. На основании анализа полученных экспериментальных данных предложены эмпирические выражения для продолжительности конвективного движения в зависимости от давления пара в абсорбере и толщины слоя абсорбента. Показано, что понижение начальной температуры раствора приводит к интенсификации термоконцентрационной конвекции. Результаты работы являются полезными для проектирования и оптимизации элементов холодильной техники абсорбционного типа. Ключевые слова: абсорбция, тепло- и массообмен, раствор, термокапиллярная конвекция. Введение В абсорбционных холодильных аппаратах и тепловых насосах используется явление физической абсорбции, сопровождающееся выделением большого количества тепла при поглощении пара раствором абсорбента. В таких аппаратах процесс абсорбции осуществляется на пленках раствора, стекающих по поверхностям, через которые отводится выделившееся при абсорбции тепло. Большинство теоретических работ посвящено исследованию именно пленочной абсорбции [1–4]. В современной энергетике, химической и перерабатывающей промышленности важной задачей является интенсификация тепло- и массопереноса, поиск новых способов увеличения производительности, снижения металлоемкости именно абсорберов как основного элемента холодильной машины или теплового насоса, которые менее всего изучены и исследованы. Одним из таких способов является введение в раствор поверхностно-активного вещества (ПАВ), которое приводит к возникновению приповерхностной конвекции и к интенсификации процессов переноса. Однако в экспериментах с использованием ПАВ трудно разделить вклад в тепло- и массоперенос конвективного и вынужденного течения, поэтому удобным объектом исследования является абсорбция пара неподвижным слоем раствора, когда вынужденное течение отсутствует [5–9]. В работе [5] показано, что в начальный период абсорбции, когда тепловой и диффузионный слои достаточно тонкие, малые градиенты концентрации и температуры приводят к возникновению движения жидкости в слое абсорбента. В работе [6] показано, что при введении в раствор ПАВ в неподвижном слое жидкости возникает интенсивное конвективное перемешивание, что приводит к интенсификации переноса теплоты и массы при абсорбции по сравнению с раствором без ПАВ [7–9]. При неизотермической абсорбции в отсутствии ПАВ имеется градиент температуры и концентрации абсорбента на поверхности жидкости. Это также может привести к появлению движения жидкости в приповерхностном слое (термоконцентрационная конвекция), рассмотренная подробно в [10, § 68]. Известно из [7], что на начальном этапе процесса абсорбции на границе раздела фаз происходит резкое повышение температуры и уменьшение концентрации раствора. Неоднородность температуры и концентрации на межфазной поверхности даже в отсутствие ПАВ вызывает движение жидкости в приповерхностном слое вследствие градиента поверхностного натяжения. Следует отметить, что при неизотермической абсорбции существенное влияние на развитие конвективного течения оказывают наличие мениска вблизи стенки сосуда с раствором абсорбента, а также тепловые условия на стенке. Цель настоящей работы – исследование конвективного течения, возникающего в приповерхностном слое неподвижного абсорбента в процессе неизотермической абсорбции. Материалы и методы Экспериментальное исследование проводилось на установке (рис. 1) по методике, подробно изложенной в [7]. В качестве абсорбента использовался водный раствор бромида лития LiBr, а в качестве