Экспериментальное исследование термокапиллярной конвекции в растворе бромида лития при неизотермической абсорбции

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 поглощаемого газа – водяной пар. Такая система чаще других используется в абсорбционных тепловых насосах и холодильных машинах, а ее теплофизические свойства хорошо исследованы и представлены в [11].

Рис. 1. Схема экспериментальной установки:

1 – вакуумная камера; 2 – кювета; 3 – смотровые и инфракрасные окна; 4 – инфракрасная (ИК) камера;

5 – видеокамера; 6 – световой нож; 7 – генератор пара; 8 – клапан; 9 – персональный компьютер

Установка состояла из абсорбера 1, в который помещалась заполненная абсорбентом круглая кювета 2 диаметром 70 мм. Дно кюветы изготовлено из оптического стекла толщиной 15 мм, а стенки из тонкой (40 мкм) прозрачной пленки. Абсорбер имел дно, верхнюю крышку и боковые стенки 3, прозрачные как в видимом свете, так и в инфракрасном спектре. Это позволяло проводить измерения температуры поверхности с помощью инфракрасной камеры 4. Регистрация течения в поверхностном слое проводилась видеокамерой 5 с использованием как горизонтальной, так и вертикальной подсветки 6. Генератор водяного пара 7 соединялся с абсорбером паропроводом и клапаном 8, отсекающим их друг от друга. Экспериментальная установка была оснащена автоматизированной системой поддержания заданного давления с точностью ±5 Па, а также системой автоматического сбора и обработки информации 9.

Основным параметром, определяющим термоконцентрационное течение, является величина ∆ξ = ξ 0 – ξ e - разность между начальной концентрацией абсорбента ξ 0 и равновесной концентрацией ξ e , соответствующей температуре межфазной поверхности Т e при заданном давлении P. Величина ∆ξ варьировалась за счет изменения давления абсорбируемого пара P и начальной температуры Т ₀ . Начальная концентрация раствора бромида лития ξ 0 = 58.0 ± 0.1 %, толщина слоя раствора h 0 = 20 ± 0.1 мм.

В качестве меток использовались очень мелкие частицы оксида железа. Простые расчеты для скорости оседания частиц за сутки на глубину 20 мм показали, используя закон Стокса, что частицы должны быть радиусом не более 0.1 мкм. Таким образом, большая часть частиц размером порядка 10 мкк за сутки успеют осесть на дно кюветы. Оставшихся частиц было достаточно для визуализации поля скоростей в слое абсорбента.

Перед началом каждого эксперимента производилось удаление неабсорбируемых примесей и длительное термостатирование раствора. Процесс абсорбции начинался с открытия клапана 8 и подачи водяного пара из генератора 7 в абсорбер 1. При этом синхронно начиналась запись на видеокамеру 5 со скоростью 60 к/с через боковое смотровое окно 3 камеры 1 возникающих конвективных движений в слое жидкости и на инфракрасную камеру 4 через верхнее специальное окно 3 термограмм поверхности раздела фаз.

Результаты и обсуждение

Была проведена визуализация поля скоростей в растворе бромида лития при неизотермической абсорбции водяного пара в ограниченном сосуде. Для примера на рис. 2 приведены характерные кадры видеосъемки с визуализационными метками для различных моментов времени с начала абсорбции, для значений начальной температуры раствора в кювете 20.0 °С при P = 2 000 Па, h ₀ = 20 мм. На рис. 2, a показана картинка при наложении нескольких кадров с интервалом между ними 0.5 с, на рис. 2, b – с интервалом 1 с. Судя по рисункам, возникающее при абсорбции движение меток наблюдалось в приповерхностном слое жидкости толщиной 5–7 мм. При этом поверхность раздела фаз на рис. 2 расположена в самой верхней части рисунка. Расчет скоростей движения меток производился по стандартной методике: после наложения ряда видеокадров друг на друга измерялось расстояние, которое проходили выделенные метки на кадрах, а время прохождения меток определялось по номерам видеокадров. На рис. 2 видно, что в первые 2.5 с с начала процесса абсорбции при приближении к поверхности расстояние между метками увеличивается.

Это означает, что с удалением от поверхности скорость жидкости уменьшается. На рис. 2, b показаны треки частиц на интервале времени от 2.5 до 12 с в наблюдаемой области толщиной 5–6 мм. Из рисунка видно, что вследствие прорастания температурного слоя движением охватывается вся наблюдаемая область. При этом в наблюдаемой области происходит вырывание скоростей движения меток по глубине, а также дальнейшее уменьшение скорости движения меток с течением времени.

Рис. 2. Треки частиц в слое жидкости на начальной стадии абсорбции при Т 0 = 20.0 °С: a – 0 < t < 2,5 с (интервал 0.5 с); b – 2.5 < t < 12 c (интервал 1.0 с)

На рис. 3 представлены результаты обработки видеоматериалов по измерению продолжительности конвективного движения τ ^* в зависимости от давления абсорбции P для раствора бромида лития толщиной слоя 20 ± 0.1 мм. Начальные концентрация и температура составили ξ ₀ = 58 % и Т ₀ = 22 ± 0.5 °С, что соответствует равновесному давлению насыщенных паров над раствором P = 255 ± 10 Па. Из рисунка видно, что при значениях давления меньше 500 Па движение жидкости в слое абсорбента слабо выражено. Дальнейшее повышение давления приводит к развитию термоконцентрационного конвективного течения, продолжительность которого увеличивается с ростом давления и изменяется от нескольких секунд до нескольких минут. Следует отметить, что при P > 1 500 Па имеет место большой разброс экспериментальных данных, что объясняется спонтанностью возникновения движения в слое абсорбента. Здесь же можно выделить две зоны возникновения неустойчивостей, связанных с горизонтальными и вертикальными потоками в слое жидкости: верхние точки 1 на рис. 3 свидетельствуют о продолжительном перемешивании в слое именно в вертикальном направлении, т. е. сверху от границы раздела фаз ко дну кюветы. Нижние точки 3 на графике относятся к случаю, когда перемешивание происходило только в тонком приповерхностном слое в горизонтальном направлении. Данные для вертикальной конвекции интерполируются эмпирической зависимостью τ ^* = 7 P ^0.5 , а для горизонтальной конвекции τ ^* = 4 ⋅ 10 ^–5 P ² . В этих зависимостях численные коэффициенты приведены для давления в [Па], а времени в [c].

400 -I—।—।—।—।—।—।—।—।—।—।—।—।—।—।—।—।—।—।—।—L

I—i—i—i—i—।—i—i—i—i—।—i—i—i—i—।—i—i—i—i—।—i

0          500         1000        1500        2000

P, Па

Рис. 3. Зависимость продолжительности течения τ ^* от давления абсорбируемого пара:

1, 3 – опытные данные, 2 – интерполяция τ ^* = 4 ⋅ 10 ^–5 P ² , 4 – интерполяция τ ^* = 7 P ^0.5

В результате обработки массива видеоданных для треков частиц в слое жидкости были рассчитаны вертикальные Vy и горизонтальные Vx компоненты скорости их движения в зависимости от времени (рис. 4), при этом ось x направлена горизонтально, а ось y – вертикально. На рис. 4 показаны результаты для температуры раствора Т0 = 24.5 °С и давления Р = 2030 Па (продолжительность движения меток составляла примерно 145 с). Видно, что в верхнем слое жидкости в первые 40 с движение в основном происходит в горизонтальном направлении. На этом интервале времени в наблюдаемой области достигаются наибольшие значения горизонтальной скорости (до 0.8 мм/с) в направлении противоположном оси х. Затем, в течение последующих 20 с, преобладает движение в направлении оси x. В дальнейшем в исследуемой области нельзя выделить преимущественного движения меток: одновременно наблюдается движение в различных направлениях по оси x, при этом средняя скорость |V| движения снижается. Вертикальные составляющие скорости Vx в основном имели значения на порядок меньше, чем горизонтальные Vy. Выделить преобладающее направление вертикальных составляющих скорости в какой-либо момент времени на основании этой серии опытов не представляется возможным. Следует отметить, что со временем движение меток замедляется и при t > 150 с практически прекращается.

Рис. 4. Зависимость скорости течения раствора в наблюдаемой области от времени: V x – горизонтальная составляющая скорости; V _y – вертикальная составляющая; |V| – абсолютные значения скорости

При фиксированных значениях P и ∆ξ уменьшение начальной толщины абсорбента h ₀ от 20 мм до 3 мм приводит к увеличению продолжительности конвективного течения (рис. 5). Данные для зависимости продолжительности конвективного движения τ ^* от толщины слоя δ интерполируются эмпирической зависимостью τ ^* = 95 + 5000 ⋅ exp[–(δ/0.5–0.4) ^0.5 ]. В этой зависимости численные коэффициенты приведены для толщины слоя [δ] в [мм], времени в [c].

Рис. 5. Зависимость продолжительности конвективного течения τ ^* от толщины слоя: ξ 0 = 58 %, T 0 = 22 °C, P = 2 000 Па: 1 – опытные данные, 2 – интерполяция τ ^* = 95 + 5 000⋅exp[–(δ/0.5–0.4) ^0.5 ]

Для раствора бромида лития при P = const коэффициент поверхностного натяжения возрастает с ростом температуры на поверхности, находящейся в состоянии термодинамического равновесия [12]. Так как движение слоя жидкости вследствие термоконцентационной конвекции направлено от мест с меньшим поверхностным натяжением к местам с большим поверхностным натяжением [10], можно утверждать, что жидкость будет двигаться от более холодной зоны на поверхности раздела фаз к более горячей зоне. Непрерывные измерения температуры поверхности абсорбирующего раствора с помощью тепловизионной техники позволили подробно проследить за изменением температурного поля межфазной поверхности.

На рис. 6 приведены термограммы межфазной поверхности раствора через 0.3 с после начала абсорбции, ξ 0 = 58 %, P = 2 000 Па. Показаны две характерные термограммы: одна при начальной температуре раствора Т 0 = 24.5 °С (рис. 6, a) и при Т 0 = 20.4 °С (рис. 6, b). Можно видеть, что для раствора с меньшей начальной температурой наблюдаются наиболее заметные неоднородности распределения температуры по поверхности, которые вызваны тепловыделением при абсорбции над мениском около стенки кюветы. Такое температурное поле приводит к концентрационной неоднородности на поверхности, вызывающей термоконцентрационную конвекцию различной интенсивности. Таким образом, чем ниже начальная температура раствора, тем выше возникающие градиенты температур на поверхности раздела фаз и тем выше сорбционные свойства раствора.

Рис. 6. Распределение температуры на поверхности раствора через 0.3 с после начала абсорбции, ξ 0 = 58 %, P = 2 000 Па: a – Т 0 = 24.5 °С; b - Т 0 = 20.4 °С

Заключение

Получены новые экспериментальные данные для полей скоростей в слое раствора бромида лития и поле температур на межфазной поверхности при неизотермической абсорбции водяного пара в ограниченном сосуде. Определены характерные времена существования и развития термокапиллярной конвекции. На основании полученных данных предложены эмпирические выражения для времени существования конвективного движения в зависимости от давления пара и толщины слоя абсорбента. Показано, что понижение начальной температуры раствора приводит к интенсификации термоконцентрационной конвекции.