Главная Минимаркер Железнодорожный транспорт Минимаркер Транспортная энергетика (хладотранспорт) Минимаркер Теплообменники с двухфазными теплоносителями в режиме псевдоожижения

Теплообменники с двухфазными теплоносителями в режиме псевдоожижения

Страница 18 из 22
Содержание лекции:
Теплообменные аппараты (теплообменники)

В теплообменных аппаратах часто используется взаимодействие газов или жидкостей с зернистым материалом, находящимся на беспровальной решетке. Процесс взаимодействия зависит от давления газа под решеткой, от свойств и геометрической формы материала.

При изменении давления и скорости газа от нуля до критического ркр и wкр (рис. 4.7, а) будет происходить фильтрация газа сквозь неподвижную массу зернистого материала без изменения объема или высоты слоя при постоянной площади сечения камеры. Сопротивление решетки и слоя ∆рсл при этом увеличивается по степенному закону до максимального значения ∆ркр (рис. 4.7, е и ж, точка А). При плотном слое зернистого материала сопротивление неподвижного слоя возрастает по более крутой ветви (рис. 4.7, ж, кривая 1), чем в рыхлых структурах (см. рис. 4.7, ж, кривые 2, 3).

С увеличением скорости потока газов (жидкости) частицы, находящиеся на поверхности слоя, начинают вибрировать, затем вибрация усиливается, глубже лежащие частицы перемещаются к поверхности слоя, но его высота еще существенно не изменяется. Максимальное (пиковое) сопротивление слоя ∆ркр требует дополнительных затрат энергии на преодоление сил сцепления между частицами. Пик сопротивления ∆р′ = ∆ркр – ∆рс обусловливается плотностью первоначальной упаковки частиц, формой и состоянием их поверхности.

При скорости газа w > wкр слой начинает разбухать вследствие усиления передвижения зернистого вещества из нижних слоев к поверхности. Увеличивается площадь сечения для прохода газа, уменьшается сопротивление до ∆рпс при скорости wпс.

Переход от режима фильтрации к стабильному состоянию псевдоожижения будет при скорости wпс (см. рис. 4.7, е, ж), которая называется скоростью однородного псевдоожижения (рис, 4.7, б). Высота слоя при этом увеличивается примерно в 1,4–2,0 раза.

По мере роста скорости в слое возникают компактные массы газа («пузыри», «каверны»), наблюдаются значительные пульсации статического и динамического напора псевдоожижающего агента. Такое состояние псевдоожиженного слоя называется неоднородным псевдоожижением (рис. 4,7, в).

Изменение свойств псевдоожиженного слоя зависит от конструктивных особенностей аппаратов. Например, в аппаратах с большим отношением h/D (то есть в узких и высоких) пузыри газа, сливаясь по мере подъема, перемещаются с так называемыми движущимися «поршнями» псевдоожиженного зернистого материала (поршневое кипение) (рис. 4.7, г). Сопротивление слоя при этом начинает превышать расчетную величину ∆рсл (рис.4.7, з, кривая 4). При малых отношениях h/D и небольших скоростях псевдоожиженного агента в аппаратах с перфорированными газораспределительными решетками могут возникать сквозные каналы, по которым устремляется основная часть газового потока – слои с каналообразованием (рис. 4.7, д).

Газодинамическая характеристика процесса в двухфазном слое

Рис. 4.7 – Газодинамическая характеристика процесса в двухфазном слое: а – неподвижный; б – однорядный псевдоожиженный при wwпс; в – слой с ядерным образованием; г – слой с поршнеобразованием; д – слой с каналообразованием; е – границы формирования псевдоожиженного слоя; ж – реальные кривые псевдоожижения; з – псевдоожижение с поршнеобразованием (кривая 4), псевдоожижение с каналообразованием (кривая 5)

Существенную роль при формировании псевдоожиженного слоя играет конструкция распределительной решетки и диаметр отверстий в ней. Как показали экспериментальные исследования, с уменьшением диаметра отверстий в распределительной решетке псевдоожижение становится равномерней. Но в то же время постепенно происходит забивание отверстий решетки. Для предотвращения забивания гладкие решетки с отверстиями следует заменять беспровальными колпачковыми решетками или провальными с распределительными отводами в виде «лепестков» ромашки с отверстиями в нижней части лепестка.

При достижении скорости витания wвит твердые частицы начинают выноситься из слоя, и их количество в аппарате уменьшается. Порозность εпор такого слоя стремится к единице, а сопротивление слоя падает.

Одновременно с обычной формой сечения рабочей камеры с вертикальными стенками нашли применение и аппараты с переменным сечением по высоте.

В теплообменных аппаратах конической формы скорость псевдоожиженного агента уменьшается снизу вверх, что дает возможность использовать полидисперсные твердые материалы, а значительная скорость газа внизу аппарата позволяет существенно упростить поддерживающую (рабочую) решетку, а иногда и отказаться от нее. Это особенно важно для высокотемпературных процессов, при применении агрессивных сред, сушке и обработке слипающихся материалов.

При подводе газов через небольшое отверстие внизу конического аппарата и значительном угле конусности входящая струя псевдоожиженного агента может оторваться от стенок аппарата и образовать сплошной канал, по которому движется поток газовзвеси и образует над поверхностью слоя фонтаны твердых частиц. Такой слой называется фонтанирующим. Для аппаратов с фонтанирующим слоем, как и для большинства конических аппаратов, характерно наличие интенсивной циркуляции твердых частиц от центра потока и периферии и сползание вдоль стенок к устью конуса.

Теплообменник в псевдоожиженном слое

Рис. 4.8 – Теплообменник в псевдоожиженном слое: 1 – подвод газообразной греющей среды; 2 – беспровальная решетка; 3 – гладкотрубная поверхность теплообмена; 4 – газовая камера; 5 – патрубок для отвода отходящих газов; 6 – взрывной клапан; 7 – подводящий и отводящий коллекторы; 8 – окно для подачи зернистого материала; 9 – охлаждаемые опорные трубы

Некоторые расчетные соотношения для псевдоожиженного слоя. В момент начала псевдоожижения для аппаратов с постоянным сечением по высоте масса зернистого материала, приходящаяся на единицу площади поперечного сечения аппарата, уравновешивается силой гидравлического сопротивления слоя

рсл = Gсл·g/f. (4.45)

С учетом архимедовых сил, действующих на частицы, выражение (4.45) можно представить в виде

рсл = (ρт - ρг)(1 – ε0h0·g, (4.46)

где h0 – высота неподвижного слоя, м;

ρт и ρг – плотности твердого вещества и газа, кг/м3;

ε0 – порозность неподвижного слоя, то есть относительный объем пустот в неподвижном слое; ε0 = (V0Vт)/V0; V0 и Vт – объемы неподвижного слоя и частиц.

Начиная со скорости стабильного псевдоожижения wпс и выше, сопротивление слоя ∆рсл = ∆рпс практически остается постоянным до значения скорости витания wвит (рис. 4.7, е). Это объясняется тем, что контакт между частицами уменьшается, и они получают большую возможность хаотического перемещения по всем направлениям. При этом возрастает среднее расстояние между частицами, увеличивается порозность слоя ε и его высота h. Если перепад давлений в псевдоожиженном слое ∆рпс остается постоянным, тогда из условий (4.46)

рпс = (ρт - ρг)(1 – ε0h0·g = (ρт - ρг)(1 – ε)·h·g, (4.47)

откуда

200314_f30

В инженерных расчетах очень важно умение оценить пределы существования псевдоожиженного слоя, то есть определить значения wпс и wвит. Начальная скорость псевдоожижения wпс может быть определена из соотношения Re″пс = 0,19·Fe1,56 или

200314_f31

где wпс – скорость начала спокойного псевдоожижения, отнесенная к полному сечению аппарата, м/с; d – диаметр сферических частиц, м; vг – коэффициент кинематической вязкости газов, м2/с; ρт, ρг – истинная плотность твердых частиц и плотность газа, кг/м3, при tг.

Для монодисперсного слоя сферических частиц значение wпс с точностью ±20% можно также вычислить по формуле:

при порозности неподвижного слоя ε0 = 0,4

200314_f32

при порозности неподвижного слоя ε0 = 0,48

200314_f33

Для частиц несферической формы скорость начала псевдоожижения находят с учетом фактора формы, являющегося отношением поверхности шара Sш, объем которого равен объему твердой частицы к фактической поверхности частицы Sф:

200314_f34

Для слоя частиц переменной формы значение Ф необходимо определить экспериментально.

Понятие о скорости витания дается соотношением Стокса (смотрите в предыдущих лекциях, формула – 4.26′), а скорость витания может быть определена из решения равенства (4.26). Очевидно, что при скорости потока, превосходящей скорость витания, будет происходить вынос частиц из псевдоожиженного слоя, то есть будет создаваться так называемый режим пневмотранспорта.

Скорость псевдоожижения wпс и скорость витания можно представить в виде зависимости Re (Ar, Ly).

Скорость витания одиночной частицы, соответствующая равновесной скорости движения газовой среды,

Re3 = Ar·Ly, (4.53)

где Ly – число Лященко;

200314_f35

откуда

200314_f36

По аналогичному уравнению рассчитывают начальную скорость псевдоожижения wпс или вообще промежуточную скорость w между значениями wпс и wвит:

200314_f37

Для определения числа Ly при различных формах частиц можно построить номограммы Ly (Аr), а при псевдоожижении группы частиц или слоя, состоящего из зернистого материала, в этой зависимости необходимо учитывать порозность слоя ε и тогда Ly (Ar, ε).

Теплообменники и сушильные установки с псевдоожиженным слоем должны работать при оптимальной скорости потока wопт (лежащей между wпс и wвит), которой соответствует интенсивное перемешивание частиц по всему объему, а также максимальный коэффициент теплопередачи, то есть

wопт = Kw·wпс, (4.57)

где Kw – число псевдоожижения.

Число псевдоожижения зависит от геометрической формы, размеров и однородности частиц, а также от порозности слоя:

200314_f38

Рассмотрим основные положения о теплообмене двухкомпонентного псевдоожиженного слоя и поверхности аппарата.

Размещение поверхности теплообмена в псевдоожиженном слое вносит некоторые коррективы в гидродинамику и условия образования данного слоя, поэтому точное представление о работе такого теплообменника может быть установлено только экспериментально. Из опыта следует, что запыленный поток в режиме псевдоожижения способствует интенсификации теплообмена с размещенной в нем поверхностью только при равномерном распределении по всему объему зернистых частиц и при сравнительно простой по форме поверхности теплообмена (в виде прямых или петлеобразных гладких труб). В большинстве случаев в этих аппаратах разность температур между запыленным потоком и поверхностью определяется только перепадом температур вблизи поверхности теплообмена.

На основе одной из моделей предполагается, что основным термическим сопротивлением является пленка газа (пограничный слой) около поверхности теплообмена, от толщины которой δг при прочих равных условиях зависит коэффициент теплоотдачи α ≈ λг/ δг. Толщина этой пленки определяется интенсивностью движения частиц твердой фазы потока и их концентрацией около поверхности теплообмена. Частицы как бы сдирают эту пленку, увеличивая тем самым значение α. В основе второй модели лежит предположение о том, что основную роль в переносе теплоты от псевдоожиженного слоя к поверхности выполняет твердая зернистая фаза путем непосредственного контакта, но в то же время не исключается теплопередача теплопроводностью через газовую пленку на поверхности теплообмена. Аналитические зависимости, выведенные на основании этой модели, не учитывают влияния на процесс многих факторов, выявленных экспериментально.

В основе третьей модели лежит идея переноса теплоты пакетами частиц твердой фазы. В этой модели в псевдоожиженном потоке рассматривается двухфазная система, состоящая из непрерывной и дискретной фаз. Около поверхности теплообмена происходит непрерывная смена газовых пузырей и неустойчивых агрегатов частиц твердой фазы – так называемых пакетов. Интенсивность локального теплообмена определяется скоростью относительно нестационарного кратковременного прогрева и частотой смены пакетов. На основании данной модели выводится следующее выражение для расчета осредненного по поверхности и времени значения коэффициента теплоотдачи:

ᾱ = (λп·cп·ρп·Фп)n, (4.59)

где Фп – фактор перемешивания; n – означает, что величины относятся к пакету.

Пакетный перенос теплоты с учетом контактного термического сопротивления лучше, чем другие модели, отражает сущность процесса теплообмена запыленного потока в режиме псевдоожижения с поверхностью. Тем не менее, созданный на основе пакетного переноса метод расчета недостаточно точен. Поэтому при расчете поверхности теплообмена в псевдоожиженной системе рекомендуется пользоваться опытными критериальными зависимостями.

Исследования показали, что с момента достижения газом скорости wпс дальнейшее ее увеличение сопровождается непрерывным возрастанием α вплоть до максимального значения. Максимальный коэффициент теплоотдачи будет при скорости интенсивного псевдоожижения wопт.

Повышение скорости газа сопровождается уменьшением α. Причиной тому является увеличение порозности слоя и уменьшение объемной концентрации твердого вещества.

В качестве примера рассмотрим некоторые уравнения из расчетных соотношений для определения коэффициента теплоотдачи от двухфазного потока, находящегося в состоянии псевдоожижения, и поверхности теплообмена.

Для змеевиковых теплообменников:

ламинарный режим

200314_f39

турбулентный режим

200314_f40

где D, dэ – диаметр аппарата и эквивалентный диаметр зернистого материала;

h0 – высота неподвижного слоя;

см, сг – теплоемкости материала и газа;

Агм = gdэ3м – ρг)/(v2ρг) – число Архимеда.

В результате экспериментальных исследований на моделях и опытных образцах получены некоторые выводы по теплообмену псевдоожиженного слоя с поверхностью нагрева: с повышением температуры слоя αmax увеличивается, причем в диапазоне от 120 до 900 °С преобладает конвективно-кондуктивный теплообмен; α для вертикально расположенных труб в слое больше, чем для горизонтальных труб и змеевиков; с уменьшением диаметра частиц α возрастает; наибольшее значение α наблюдается при h0/D ≈ 1; в активной зоне псевдоожиженного слоя значение α примерно на 10% больше, чем в верхней части слоя и в надрешеточной зоне.

Коэффициент теплопередачи k, температурный напор ∆t и поверхность теплообмена F рассчитывают по общепринятым уравнениям изменения энергии теплоносителей и уравнению теплопередачи для стационарных процессов.


© 2013 - 2017 Учебно-образовательный портал "Все лекции"
Материалы, представленные на страницах нашего сайта, созданы авторами сайта, присланы пользователями, взяты из открытых источников и представлены на сайте исключительно для ознакомления. Все авторские права на материалы принадлежат их законным авторам.
Разработка сайта - Скобелев Алексей





Яндекс.Метрика