Учебное пособие 800409

Если принять в первом приближении, что в периоды нагревания и охлажденияtНАС.O tНАС.Н , то количество передаваемой в регенераторе теплоты можно выразить:

Из сопоставления этого выражения с общим уравнением теплопередачи

следует, что коэффициент теплопередачи за цикл равен выражению в знаменателе уравнения (128).

Если принять, что Н О 0,5 Ц , тогда

Слагаемое 4 R характеризует тепловое сопротивление аккумулирова-

Ц

ния для условия нагревания и охлаждения элемента насадки постоянным тепловым потоком.

В действительности средняя температура насадки за период нагрева больше аналогичной за период охлаждения на величину

где tПЕР - максимальный перепад средних по массе температур насадки;- коэффициент температурного гистерезиса.

Для регенераторов плавильных и нагревательных печей 10,0. для доменных воздухонагревателей 2..5.

С учетом этого получаем

91

Из баланса теплоты в насадке следует

R c

Поставляя полученное выражение в (130) и, учитывая Н С , получаем

Из уравнения (135) следует, что тепловое сопротивление насадки состоит из двух слагаемых. Первое слагаемое связано с тепловым потоком по ее толщине, второе – с аккумулированием теплоты. Первое слагаемое с увеличением толщины элемента увеличивается, второе – уменьшается.

Для вполне конкретных параметров и условий работы насадки существует ее оптимальная величина.

В реальных регенераторах характер изменения температурных полей газовых потоков и насадки по высоте и по времени значительно сложнее. Он будет определяться отношением полных теплоемкостей газовых потоков и теплофизическими свойствами насадки. Еще большее усложнение дает неравенство периодов нагрева и охлаждения, как это бывает в воздухоподогревателях доменных печей.

92

5. ТЕПЛООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ С «КИПЯЩИМ» («ПСЕВДООЖИЖЕННЫМ») СЛОЕМ

В последние годы все большее применение в теплообменной аппаратуре получили аппараты с так называемым «кипящим» или «псевдоожиженным» слоем.

Слой измельченного твердого вещества, частицы которого могут передвигаться относительно друг друга в результате механического, электрического или какого другого воздействия, называется кипящим или псевдоожиженным.

Кипящему слою присущи свойства жидкости: текучесть, вязкость, поверхностное натяжение. Процессы, в которых используется псевдоожижение твердых материалов, широко применяются в различных отраслях промышленности: крекинг нефтепродуктов, газификация топлив, обжиг и сушка материалов, термообработка металлов, нагревание и охлаждение газов, гранулирование, смешивание и обогащение материалов, транспортировка зернистых веществ и др. Этому способствуют уникальные свойства материала в состоянии псевдоожижения: возможность транспортировки подобно жидкости, практически однородное поле температур в слое в результате интенсивного перемешивания, низкое термическое и диффузионное сопротивления при теплообмене в газовой фазе и другие.

Параметром, определяющим состояние слоя, является порозность - отношение объема пустот между частицами ко всему объему слоя.

Если в объеме зернистого слоя V0 содержится Vплотного (монолитного) материала, то

удельная площадь поверхности f , м2/м3.

Состояние и механизм образования кипящего слоя в первую очередь связан со свойствами самого слоя частиц. В связи со сложностью процессов гидродинамики и теплообмена удобно рассматривать протекание этих процессов с использованием абстрактного понятия – «идеальный монодисперсный слой частиц». Под этим понимается слой частиц сферической формы, с абсолютно гладкой поверхностью, изготовленных из абсолютно твердого вещества. В реальном монодисперсном слое частицы произвольной формы, с шероховатой поверхностью и их размеры приблизительно равны друг другу. Иногда используется слой с частицами различной величины - полидисперсный слой.

93

Принцип образования кипящего слоя в следующем. Если под слой зернистого материала, расположенного на поддерживающей решетке, подавать поток теплоносителя (газа или жидкости), то состояние слоя оказывается различным в зависимости от скорости потока.

На рис. 30 представлено состояние слоя в виде «кривой псевдоожижения», выражающей зависимость перепада давления до и после насыпного слояp от скорости фильтрующейся среды w в свободном сечении аппарата.

Рис. 30. Кривые псевдоожижения для идеального и реального монодисперсного слоев

94

На рис. 30, а показана кривая идеального псевдоожижения. Восходящая ветвь до точки А (прямая при ламинарном движении и кривая при других режимах) соответствует движению через неподвижный слой – обычная фильтрация. В точке А наступает равенство сил давления потока на слой твердых частиц и их веса. Слой переходит в состояние псевдоожижения. Скорость потока в точке А называется скоростью начала кипения или псевдоожижения. Начиная с этого момента увеличивается объем слоя, уменьшается его порозность. Перепад давлений становится постоянным. При дальнейшем увеличении скорости потока, начиная с определенного момента (точка В), твердые частицы начинают уноситься с потоком. Скорость в этой точке называется «скорость уноса» или «скорость витания». В дальнейшем наблюдается разрушение слоя со снижением перепада давления.

В реальных условиях кривая псевдоожижения (рис. 30,б) отличается от идеальной. При увеличении скорости w от нулевого значения с определенного момента начинает увеличиваться высота слоя материала, происходит набухание или вспучивание. При некоторой скорости wКР в слое начинают возникать отдельные фонтаны «кипения» материала, большая же часть гранул остается неподвижной. В этот момент напор газа достигает некоторого максимального значения pKP и соответствует весу материала плюс некоторый перепад, необходимый для затраты энергии на отрыв частиц друг от друга. С последующим увеличением скорости газа под решеткой сопротивление слоя несколько уменьшается, а скорость воздуха в слое несколько увеличивается. При этом наблюдается рост высоты слоя. Увеличение слоя обеспечивает стабилизацию проходного сечения для газа и вследствие этого стабилизируется сопротивление слоя p. Повышение скорости газа свыше w'КИП способствует возникновению новых очагов кипения. Интенсивность движения частиц в слое возрастает, кипение выравнивается и устанавливается цикличное перемешивание частиц в слое. Скорость газа, соответствующая хорошему перемешиванию слоя и незначительному выносу мелких частиц, обозначается w"КИП .

Полидисперсный слой переходит в псевдоожиженное состояние не при одной фиксированной скорости, а в некотором интервале скоростей. Сначала в псевдоожиженное состояние переходят самые мелкие частицы, при дальнейшем наращивании скорости потока в этот процесс вовлекаются все более крупные частицы. Наконец, по достижении определенной скорости, весь слой переходит в состояние кипения. Упомянутые скорости не поддаются теоретическому расчету и оцениваются только приблизительно.

Скорость набегающего на решетку потока w'КИП , соответствующую началу кипения при засыпке слоя шарообразными монодисперсными частицами средней порозности 0,4, определяется по формуле Тодеса [3]:

95

1400 5,22 Ar

где Ar d2 М С g - критерий Архимеда;

C2 С

d - средний диаметр частиц, м;

C - коэффициент кинематической вязкости ожижающей среды, м2/с. Скорость уноса или скорость витания wУН не поддается точному расчету

из-за ее сложной зависимости от множества факторов (размера и формы частиц, количества и размера газовых пузырей, профиля скорости потока оживающей среды ниже поддерживающего устройства и др.).

Отношение скорости уноса к скорости начала кипения называется коэффициент псевдоожижения:

Современные аппараты с кипящим слоем работают при значении коэффициента псевдоожижения в диапазоне от 2 до 3-3.5.

Использование псевдоожижения в теплообменных аппаратах позволяет значительно интенсифицировать теплообмен.

Сравним коэффициент теплоотдачи на поверхности трубки в зависимости от скорости набегающего потока с точно такой же трубкой и теплоносителем, но помещенным в насыпной слой измельченного твердого вещества.

Изменение коэффициента теплоотдачи в этих двух случаях в зависимости от скорости потока ТН показано на рис. 31. Линия г-д соответствует теплоотдаче чистого воздуха (без твердых частиц). Линия а-б-в-д - теплоотдача в кипящем слое. Как видно из рисунка, до определенного момента (линия а-б) теплообмен в слое и без него практически ничем не отличаются. В слое происходит обычная фильтрация газа через пористый материал. Начиная с wКР , что соответствует началу ожижения, коэффициент теплоотдачи начинает резко расти, достигая своего максимума в точке б. При дальнейшем повышении скорости газа увеличивается порозность слоя и уменьшается объемная концентрация частиц, и коэффициент теплоотдачи уменьшается. Резкий скачок интенсивности теплообмена в кипящем слое объясняется механическим разрушением теплового пограничного слоя движущимися твердыми частицами.

Линия б-в-г имеет максимум, приблизительно совпадающий с оптимальной скоростью кипения wОПТ .

96

Рис. 31. Сравнение интенсивности теплообмена при обычном обтекании и поверхности трубы и в условиях «кипящего» слоя

Уравнение для определения оптимальной скорости газа, соответствующей максимальному значению коэффициента теплоотдачи, для частиц произвольной формы и шероховатой поверхностью:

- в ламинарной области:

- в турбулентной области:

В этих формулах:

97

cМ, cC - теплоемкость материала засыпки и газа, Дж/(кг∙К);

C, НАС - плотность газа и насыпная плотность материала, кг/м3;

С - коэффициент теплопроводности газа, Вт/(м∙К);С - коэффициент кинематической вязкости газа, м2/с; H0 - высота неподвижного слоя, м;

d - средний эквивалентный диаметр частиц, м;

wОПТ - оптимальная скорость фильтрующегося газа (соответствующаяМАКС ), рассчитанная по полному сечению аппарата, м/с;

D - диаметр аппарата, м.

Для расчета максимального значения коэффициента теплоотдачи используются следующие формулы [3]:

- при ламинарном режиме движения слоя в пределах от wКР до wОПТ :

формула (141) применима при следующих условиях:

dd

-при турбулентном режиме движения слоя в пределах от wКР до wОПТ :

формула (142) применима при следующих условиях:

98

Если технологическим процессом не ограничена скорость газового потока, то рекомендуется принимать

0,8 МАКС .

Коэффициент теплоотдачи в ТОА с кипящим слоем получается более высоким, чем в обычных газовых рекуперативных трубчатых теплообменниках. Его значение еще больше возрастает, если кипящий слой имеет высокую температуру. В этом случае следует учитывать лучистую составляющую теплообмена (см. п. 3.4.11), которая становится значимой только при температурах свыше 800 .

Кроме ТОА высокая интенсивность теплообмена в кипящем слое с успехом используется в сушильных установках [13].

99

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Данное учебное пособие содержит сведения об устройстве, принципах работы и методах расчета рекуперативных и регенеративных теплообменных аппаратов.

Последовательное изложение учебного материала должно способствовать глубокому усвоению студентами дисциплины «Тепломассообменное оборудование предприятий» разделов «Рекуперативные теплообменные аппараты» и «Регенеративные теплообменные аппараты».

Пособие может быть использовано при изучении соответствующих разделов дисциплины «Тепломассообменные аппараты низкотемпературных установок».

Пособие существенно восполнит имеющиеся пробелы в учебной литературе по тепломассообменной аппаратуре. Пособие может быть использовано как при изучении лекционного материала, так и при курсовом и дипломном проектировании студентами направления подготовки «Теплоэнергетика и теплотехника» профиля «Промышленная теплоэнергетика» и направления подготовки «Ядерная энергетика и теплофизика» профиля «Техника и физика низких температур» всех форм обучения.

100