ОСОБЕННОСТИ ГИДРОДИНАМИКИ ПОЛИДИСПЕРСНЫХ ЗЕРНИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ ПСЕВДООЖИЖЕННЫХ СЛОЕВ

АННОТАЦИЯ

Целью работы является исследование гидродинамики полидисперсных зернистых материалов в псевдоожиженном слое.

Результаты экспериментов по гидравлическому сопротивлению неподвижного слоя зернистого материала сравнивались с общеизвестными уравнениями. Установлено, что в рабочих трубах с диаметром менее 38 мм, опытные данные близки к рассчитанным по формуле, где учитывалось влияние отношения диаметра трубы к среднему диаметру твердых частиц зернистого материала. Отмечено также влияние высоты неподвижного слоя полидисперсного материала на перепад давления при работе с трубами наименьшего диаметра. Это можно объяснить с различием значений порозности одного и того же зернистого материала в трубах различного размера. В трубке малого размера порозность слоя, которое существенно влияет на гидравлическое сопротивление последнего, больше чем в аппарате большого диаметра.

Полученные результаты позволяют утверждать, что на гидродинамику зернистых материалов влияет параметр в виде отношения диаметра трубы к среднему диаметру твердых частиц.

ABSTRACT

The aim of the work is to study the hydrodynamics of polydisperse granular materials in a fluidized bed.

The results of experiments on the hydraulic resistance of a fixed layer of granular material were compared with well-known equations. It was found that in working pipes with a diameter of less than 38 mm, the experimental data are close to those calculated using the formula, which took into account the influence of the ratio of the pipe diameter to the average diameter of solid particles of granular material. The influence of the height of the fixed layer of polydisperse material on the pressure drop when working with pipes of the smallest diameter is also noted. This can be explained by the difference in the porosity values of the same granular material in pipes of different sizes. In a small tube, the porosity of the layer, which significantly affects the hydraulic resistance of the latter, is greater than in a large-diameter apparatus.

The results obtained allow us to assert that the hydrodynamics of granular materials is influenced by a parameter in the form of the ratio of the pipe diameter to the average diameter of solid particles.

Ключевые слова: полидисперсность частиц, диаметр труб, порозность, гидравлическое сопротивление, критическая скорость псевдо ожижения

Keywords: polydispersity of particles, pipe diameter, porosity, hydraulic resistance, critical fluidization rate.

Введение

Хорошо известно, что наиболее перспективным путем решения проблемы уменьшения массы и габаритов, или увеличения теплопроизводительности при одном и том же размерах теплообменных аппаратов является интенсификация теплообмена. Предложены и исследованы разнообразные методы интенсификации конвективного теплообмена. При выборе для практического применения того или иного метода интенсификации теплообмена приходится учитывать не только эффективность самой поверхности, но и ее универсальность для различных однофазных и двухфазных теплоносителей, технологичность изготовления поверхности теплообмена или способа повышения эффективности теплообменного оборудования, прочностные требования, загрязняемость поверхностей, особенности эксплуатации и т.д. Но, прежде всего при выборе конкретного метода интенсификации теплообмена, нужно быть убежденным в том, что он является достаточно эффективным, причем не в общем случае, а конкретных условиях работы аппарата [1]. Таким требованиям больше всего отвечают пассивные методы интенсификации теплопереноса, способствующие повышению турбулентности потока.

Исследованию гидродинамики аппаратов с зернистым материалом посвящено много работ, в которых приведены десятки формул для расчета гидравлических параметров стационарных и кипящих слоев. Однако они дают существенно различающиеся между собой расчетные значения перепада давления в слое, скорости начала псевдоожижения, порозности слоя и уноса частиц, что объясняется различным подходом к решению задачи гидродинамики псевдоожиженного слоя, трудностями, связанными с учетом влияния формы частиц и другими факторами. Большая часть работ посвящена изучению гидродинамики слоя монодисперсного зернистого материала в системе газ - твердое тело [2]. Значительно меньше исследована гидродинамика неподвижных и взвешенных слоев полидисперсных материалов, организованных восходящим потоком жидкости.

Интенсивность тепломассообменных процессов в псевдоожиженных системах зависит от гидродинамики и структуры слоя. Перепад давления в слое и значения критических скоростей относятся к важнейшим технологическим параметрам псевдоожижения,  и они тесно связаны друг с другом.

Наибольший интерес представляют такие методы интенсификации, которые значительно увеличивают теплосъем при умеренном росте гидравлического сопротивления. Из условия аддитивности термических сопротивлений следует, что для интенсификации процесса теплопередачи необходимо увеличить коэффициент теплоотдачи с той стороны, с которой она является наименьшим. Так как коэффициент теплопередачи всегда меньше любого из коэффициентов теплоотдачи. Выбранный интенсификатор должен воздействовать на пограничный слой, обладающий наибольшим термическим сопротивлением, разрушая его с последующей турбулизацией потока в пристенном слое. Воздействие только на пристенный слой не вызывает существенного роста гидравлического сопротивления. Существенно увеличивается эффективность метода интенсификации теплообмена, если он способствует также уменьшению загрязнения поверхности.

Методов интенсификации теплообмена искусственной турбулизацией потока в пристенной зоне, можно разделить на две группы: применение профилированных труб; различные вставки, устанавливаемых в трубах теплообменника [3]. К первой группе относятся: трубы с кольцевой накаткой, со спиральной накаткой, вытые трубы, трубы типа конфузор - диффузор, каналы со сферическими или сотовыми лунками и рифленые (односторонние и двухсторонние) трубы.

Исследованы и предложены турбулизирующие вставки в виде скрученной ленты, пластинчатая спиральная вставка спирально-проволочная, кольцевая, лопастные и локальные вставки.

Опасность снижения прочности и увеличения загрязняемости труб, высокая теплообменная эффективность только при существенных гидравлических сопротивлениях является основным недостатком методов интенсификации первой группы. Турбулизирующие вставки определены, как оправдывающие себя с теплотехнической стороны, но не с энергетической. К их недостаткам также относится необходимость отдельного изготовления и монтажа их в трубе, трудность извлечения их из трубок при засолении [4].

Проблема интенсификации теплообмена в трубах при умеренном росте перепада давления можно решать созданием псевдоожижения твердых частиц в восходящем потоке основного теплоносителя. Интенсивность переноса тепла в псевдоожиженном слое значительно выше, чем в однофазном газовом потоке в пустой трубе или в заполненной неподвижным зернистым материалом.

Значение метода псевдоожижения особенно велико для проведения тепломассообменных процессов, так как в десятки, а иногда и в сотни раз уменьшает термическое или диффузионное сопротивление по сравнению с процессами, протекающими в условиях неподвижного состояния зернистого материала. Однако, отсутствие точной методики расчета гидродинамики и тепломассообмена в аппаратах со стационарным и кипящим зернистым слоем ограничивает применения псевдоожижения в промышленности.

Одним из наиболее перспективных методов интенсификации теплообмена является использование в качестве промежуточного теплоносителя псевдоожиженного слоя твердого зернистого материала [5]. Основными достоинствами данного метода являются: высокие значения коэффициентов теплообмена за счет турбулизации потока теплоносителя интенсивным перемешиванием твердой фазы, развитая удельная поверхность контакта фаз, подвижность взвешенного слоя и возможность непрерывной циркуляции твердой фазы, небольшое гидравлическое сопротивление псевдоожиженного слоя, сравнительно простое устройство аппаратов и доступность их автоматизации, а также возможность применения данного метода в действующих аппаратах.

Организация псевдоожижения полидисперсного зернистого материала твердых частиц в трубах теплообменного аппарата устраняет вышеуказанные недостатки, вследствие разрушения и турбулизации пристенного слоя жидкостного потока.

Кроме того, основными достоинствами данного метода являются: высокие значения коэффициентов теплообмена за счет турбулизации потока теплоносителя интенсивным перемешиванием твердой фазы, развитая удельная поверхность контакта фаз, подвижность взвешенного слоя и возможность непрерывной циркуляции твердой фазы, небольшое гидравлическое сопротивление псевдоожиженного слоя, сравнительно простое устройство аппаратов и доступность их автоматизации, а также возможность применения данного метода в действующих аппаратах.

Целью исследования является исследование гидродинамики полидисперсных зернистых материалов в псевдоожиженном слое.

Методы исследования

Экспериментальные исследования гидродинамики неподвижного слоя полидисперсных твёрдых частиц, восходящим потоком жидкости были проведены на опытной установке, схема которой представлена на рис. 1.

Рисунок 1. Схема экспериментальной установки:

1 – стеклянная трубка; 2 – распределительная решетка; 3 – импульсная трубка для отбора давления; 4 - ротаметры; 5 –пьезометр.

Основным элементом установки, т. е. рабочим аппаратом являются цилиндрические, стеклянные трубки с внутренним диаметром 24, 32, 38 и 45,1 мм и высотой 1,5 м. Диаметр стеклянных трубок проверяли по объему воды в мерном цилиндре. В качестве рабочего зернистого материала исследованы слои частиц неправильной формы (многие частицы имеют почти овальные формы) гравия, округлых стеклянных частиц и свинцовую дробь.

Объем занимаемой твердыми частицами слоя зернистого материала определяли вытесненной в мерном цилиндре воды. Плотность частиц находили взвешиванием отсчитанных количеств зерен определенного объема и размера.

Распределительная решетка основного аппарата имела щели длиной 4 и шириной 0,2 мм и свободное сечение 5 %. Исследования проведены при фильтрации через слой сыпучего материала водопроводной воды, с температурой 20-25°С. Температуру воды на выходе из аппарата измеряли стеклянным термометром с ценой деления 0,1°С.

Высоту слоя полидисперсных твёрдых частиц измеряли с помощью шкалы с делением в 1 мм, закрепленной на рабочей трубке. При проведении опытов расход жидкости измеряли ротаметрами, а перепад давления в слое – пьезометрической трубкой и микроманометром. Ротаметров оттарировали измерением количества жидкости, вытекающей из верхнего конца аппарата в мерный сосуд известной емкости с отсчетом по секундомеру времени, необходимой для заполнения последнего.

Импульсная трубка для измерения перепада давления в слое располагалась на уровне распределительной решетки под слоем сыпучего материала.

В рабочую трубку на распределительную решетку сначала засыпали сухие частицы полидисперсного зернистого материала определенного объема и измеряли высоту неподвижного слоя зернистого материала для определения порозности слоя. Объем занимаемый частицами определенной порции заранее определяли по увеличению объема воды в мерном цилиндре. Потом аппарат медленно заполняли водой и повторно проверяли высоту неподвижного слоя, находящегося в покоящейся жидкости. После этого с помощью игольчатого вентиля устанавливалась необходимая рабочая скорость жидкости, при которой измерялись необходимые параметры. Перепад давления в слое полидисперсного зернистого материала замерялся пьезометрической трубкой как при увеличении скорости ожижающего потока, так и при её уменьшении. Скорость ожижающей среды в аппарате изменяли от 0 до 1,2 м/с, а высоту неподвижного слоя зернистого материала от 50 до 270 мм.

Эквивалентный диаметр частиц определяли по данным рассева материалов на фракции следующим образом. Если смесь сыпучего материала представляет собой узкую фракцию (например, проходящую через сито с размером ячейки d₁, но остающуюся на сите с ячейкой d₂ , близкой по величине к d₁), то определяющий размер частиц – их эквивалентный диаметр d_э (равный в данном случае, диаметру узкой фракции смеси d₁), принимали равным среднему геометрическому из размеров ячеек смежных сит [2]:

d_э = (d₁·d₂)^0,5, м                                                                (1)

Заметим, что для узкой фракции интервал дисперсности зерен η = d_макс/d_мин<2 и среднегеометрической и среднеарифметической определяющие размеры весьма близки. Дисперсность частиц неправильной формы при обычных методах рассева фактически колеблется вокруг номинального среднего размера ±32%.

При использовании широких фракций величину эквивалентного диаметра, т.е. определяющего размера частиц вычисляли по формуле [5]:

d =1/ ∑(x_i/d_i), м                                                             (2)

где х_i - объемная доля частиц данной фракции с диаметром d_i =0,5(d₁ + d₂); d₁ и d₂ – соответственно, меньший и больший размеры частиц данной фракции, м.

Порозность (доля свободного объема) неподвижного слоя полидисперсного зернистого материала определяли по формуле

         ε₀ = (V_сл –V_ч)/V_сл                                                           (3)

где V_сл – объем слоя зернистого материала, м³; V_ч – объем, занимаемый твердыми частицами, м³.

Фиктивную скорость [6] ожижающего агента, вычисляется из следующего уравнения расхода

w = V_c/S, м/с                                                               (4)

где V_c – объемный расход ожижающего агента, м³/с; S – площадь поперечного сечения аппарата (трубки), м²;

Экспериментальное значение гидравлического сопротивления слоя равно

∆р_э=9,81∙h_пз, Па                                                           (5)

где h_пз уровень ожижающего агента в пьезометрической трубке, м.

Порозность псевдоожиженного слоя полидисперсного зернистого материала равна

ε =1–(H₀/H)(1–ε₀)                                                         (6)

где Н₀ и Н – соответственно, высота неподвижного и псевдоожиженого слоев, м; ε₀ - порозность неподвижного слоя зернистого материала.

Расчетное значение гидравлического сопротивления псевдоожиженного слоя [7, 8]

∆р=Hg(ρ_ч -ρ)(1-ε)                                                       (7)

где Н - высота псевдоожиженного слоя, м; ρ_ч - плотность частиц, кг/м³; ρ - плотность воды, кг/м³; ε₀ - порозность слоя зернистого материала.

Результаты и обсуждение

Учитывая, что интенсивность переноса тепла в псевдоожиженных системах зависит от гидродинамики и структуры слоя, проведены исследования основных технологических параметров, такие как гидравлическое сопротивление неподвижного и взвешенного слоев полидисперсного зернистого материала, скорость начала псевдоожижения, расширение слоя и унос твердых частиц из аппарата.

С нашей точки зрения, существенным недостатком многих проведенных ранее исследований является отсутствие эталонной зависимости коэффициента сопротивления от скорости, на основе которой возможно было бы установить влияние формы частиц на величину коэффициента трения. В работе, в качестве эталона принято сопротивление слоя, состоящего из одинаковых частиц правильной сферической формы. Такими частицами были выбраны шарики подшипников качения с диаметрами 2, 4 и 5 мм.

Анализ результатов исследований[4] позволил нам легко установить эталонную зависимость, а по ней, на основании подобных же опытов, и численные значения коэффициента формы для частиц разнообразной геометрической формы и различных фракционных составов.

 Характеристики исследованных частиц приведены в таблице 1.

Таблица 1

Характеристика частиц

* - в набухшем состоянии.

Обработка опытных данных по гидравлическому сопротивлению слоя в логарифмической системе координат позволяла четко выявить особенности поведения полидисперсного слоя при его ожижении жидкостью.

Анализ полученных результатов позволил выявить наиболее характерные особенности полидисперсного слоя и его отличие от монодисперсного слоя:

а) существование в монодисперсном слое переходного режима между областями фильтрации и псевдоожижения отсутствует;

б) наличие двух характерных скоростей: w_н - начальная скорость переходного режима и w_к - критическая скорость псевдоожижения.

Для псевдоожижения полидисперсных материалов характерна не точка, а некоторый диапазон скоростей начала псевдоожижения. Слой постепенно переходит в состояние пседоожижения: сначала мелкие, а затем более крупные частицы.

На основе экспериментальных данных предложены зависимости для расчета скорости начала псевдоожижения полидисперсного зернистого материала.

Рисунок 2. Зависимость гидравлического сопротивления слоя гравия от скорости воды:

D = 22 мм; Н₀ = 10 см; d_э, мм: 1 - 1,3; 2 - 1,98; 3 - 2,54; 4 - 3,04.

Гидравлическое сопротивление в области неподвижного слоя возрастает с увеличением скорости ожижающей среды, а в псевдоожиженном слое оно остается практически постоянным.

Заключение

Результаты экспериментов по гидравлическому сопротивлению неподвижного слоя зернистого материала сравнивались с общеизвестными уравнениями, которые приведены как в учебной, так и в научной литературе. Установлено, что в рабочих трубах с диаметром менее 38 мм, опытные данные близки к рассчитанным по формуле, где учитывалось влияние отношения диаметра трубы к среднему диаметру твердых частиц зернистого материала. Отмечено также влияние высоты неподвижного слоя полидисперсного материала на перепад давления при работе с трубами наименьшего диаметра. Это объясняется различием значения порозности одного и того же зернистого материала в трубах различного размера. В трубке малого размера порозность слоя, которая существенно влияет на гидравлическое сопротивление последнего, больше чем в аппарате большого диаметра.

Результаты, полученные экспериментальным путем при исследовании опытных труб с диаметром более 38 мм хорошо согласуются с рассчитанными по всем известным уравнениям, расхождения в этом случае не превышает 11 %.

Полученные результаты позволяют утверждать, что на гидродинамику зернистых материалов влияет параметр в виде отношения диаметра трубы к среднему диаметру твердых частиц.

Список литературы:

1. Нурмуҳамедов Х.С., Худойбердиева Н.Ш. и др. Влияние режимных параметров на гранулирование сыпучих материалов в турбулентном аппарате. VIII international Scientific and Practical Conferense International forum problems and scientific solutions. September 6-8. 2021 in Melbourne. Avstraliya.
2. Бахронов Х.Ш., Худойбердиева Н.Ш. Туйбойов О.В. Intensification of heat and mass exchange in the apparatuses with pellicle by using twisting flow. International Journal of Scientific & Engineering Research, Volume 8, Issue 1, January-2017, ISSN 2229-55181178-1180 pages.
3. Закиров С. Г., Бахронов Х.Ш., Худойбердиева Н.Ш., Туйбойов О.В. Исследование теплоотдачи от внутренней стенки трубы к слою полидисперсного зернистого материала псевдоожиженному водой. Журнал «Химическая технология. Контроль и управление». -Ташкент, 2016. -№ 4, -С. 15–18.
4. Бахронов Х.Ш., Худойбердиева Н.Ш., Туйбойов О.В. Intensification of heat and mass exchange in the apparatuses with pellicle by using twisting flow. International Journal of Scientific & Engineering Research, Volume 8, Issue 1, January-2017, ISSN 2229-55181178-1180 pages.
5. Закиров С. Г., Бахронов Х.Ш., Худойбердиева Н.Ш., Суярова Х.Х. Расширение псевдоожиженного слоя полидисперсного зернистого материала. Журнал «Химия и химическая технология». -Ташкент, 2017. -№ 4, -С. 59–61.
6. Тодес О.М., Цитович О.Б. Аппараты с кипящим зернистым слоем: гидравлические и тепловые основы работы. - Л.: Химия, 1981. - 296 с.
7. Калинин Э.К., Дрейцер Г.А., Ярхо С.А. Интенсификация теплообмена в каналах. М.: Машиностроение, 1990. 208 с.
8. Аннаев Н.А., Абдуллаева С.Ш, Усмонов Б.С., Нурмуҳамедов Х.С., Худойбердиева Н.Ш. Влияние режимных параметров на гранулирование сыпучих материалов в турбулентном аппарате. VIII international Scientific and Practical Conference International Forum Problems and Scientific Solutions. September 6-8. 2021 in Melbourne. Australia.