ВЛИЯНИЕ РАЗМЕРОВ И ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ЧАСТИЦ ЗЕРНИСТОГО МАТЕРИАЛА НА ИНТЕНСИВНОСТЬ ТЕПЛООТДАЧИ

АННОТАЦИЯ

Представлены результаты экспериментального исследования коэффициентов теплоотдачи в системе «псевдоожиженный слой полидисперсного зернистого материала» в зависимости от характеристик ожижающей среды и размера фракций. Изучение внешнего теплообмена базировалось на методе прямой регистрации температуры поверхности трубки змеевика. С увеличением скорости среды увеличивается порозность слоя и соответственно растет относительные скорости движения газа и частиц, вследствие чего теплоотдача возрастает.

ABSTRACT

The results of an experimental study of heat transfer coefficients in a fluidized bed of polydisperse granular material system are presented, depending on the characteristics of the fluidizing medium and the particle size. The study of external heat transfer was based on direct recording of the coil tube surface temperature. As the medium velocity increases, the bed porosity increases, and the relative velocities of the gas and particles correspondingly increase, resulting in increased heat transfer.

Ключевые слова: коэффициент теплоотдачи, кипящий слой, теплопроводность, твердые частицы, слой слюды, однородность.

Keywords: heat transfer coefficient, fluidized bed, thermal conductivity, solid particles, mica layer, homogeneity.

Введение

Высокая интенсивность переноса тепла от поверхности теплообмена к слою или в обратном направлении, является одним из существенных преимуществ псевдоожиженных систем.

Одним из наиболее существенных факторов, влияющих на интенсивность теплообмена в кипящем слое, является диаметр частиц [1, 2, 3, 4]. Представления о влиянии размеров частиц на теплоотдачи имеют противоречивый характер. Например, в [5] указывается, что с увеличением диаметра зерен интенсивность теплообмена снижается. В [5, 6] наоборот отмечается, что коэффициент теплоотдачи выше в аппарате, где диаметр частиц больше.

Отметим, что в одинаковом диапазоне скоростей ожижающей среды (значений Re) более крупные частицы могут характеризоваться восходящей ветвью, тогда как более мелкие-нисходящей. По многочисленным экспериментальным данным, полученным с псевдоожиженными слоями не очень крупных частиц, величина коэффициента теплоотдачи α уменьшается с ростом размера ча­стиц, т.е. α~d^-m [1, 2, 3, 4, 5].

Анализ литературных данных показал, что оптимальное значение диаметра частиц, при котором коэффициент теплоотдачи достигает максимального значения, зависит от физических свойств псевдоожижающего агента, размеров аппарата, а также теплообменной поверхности.

Влияние размера частиц должно по-разному проявляться в различных диапазонах этого размера, причем характер изменения коэффициента теплоотдачи с d должен зависить от физических свойств газа и частиц (в частности, от теплоемкости твердого ма­териала и теплопроводности газа). По этой причине даже опыты в одном и том же диапазоне размеров частиц, но при псевдоожижении со средами с разной теплопроводностью λ должны приводить к различному влиянию d на α.  

Экспериментальная часть

Исследования внешнего теплообмена в псевдоожиженном слое проводились на опытной установке, которой состоит из рабочего участка, мерного бака, связывающих трубопроводов с запорно-регулирующей арматурой, а также измерительных датчиков и приборов. Изготовленная из нержавеющей стали теплообменная труба внутренним диаметром 34 мм состоит из двух секций с рабочей высотой по 0,5 м. Каждая секция обогревается индивидуально. Для визуального наблюдения за характером движения твердых частиц в рабочем участке сделаны три смотровых окна, закрытые стеклом и осуществлена подсветка.

В опытах сферические частицы ожижались водопроводной водой с температурой 20-25^°С, без всякой обработки. В качестве модельных материалов твердой фазы были использованы стекло, свинцовый дробь со средним диаметром 1,82 и 4,05мм; гравий со средним диаметром 1,3 и 3,04 мм.

Нижний конец теплообменной трубки соединен с линией водопровода, а верхний с атмосферой. В нижней части теплообменной трубки устанавливались сменные распределительные решетки, площадь живого сечения которых изменялась в пределах 3-5%. Обогреваемый участок установки теплоизолирован асбестовым шнуром.

Нагрев воды осуществляли косвенным методом, с помощью проволочных электронагревателей, намотанных на трубе через слой слюды. Напряжение в цепи нагревателя регулируется автотрансформатором 4М и регистрируется цифровым комбинированным прибором Ш-4313.

Расход охлаждающей воды измеряется ротаметрами, установленных на входе в аппарат, регулируется игольчатым вентилем. Температура воды измерялась на входе в каждой секции и на выходе из них стеклянными термометрами ТЛ-4, с ценой деления 0,1^°С. Термометры устанавливались с некоторым наклоном, примерно в центре потока. Перед испытанием термометры были проверки в контрольно измерительной лаборатории.

Для изучения характера изменения температуры стенки по высоте теплообменной трубы использованы хромель-копелевые термопары из проволоки диаметром 0,2 мм. Для определения плотности теплового потока измеряли силу тока- амперметром и падение напряжения в нагревателе на участке трубы - вольтметром.

В трубку на решетку сначала засыпались твердые частицы до определенной высоты Н₀. После этого через игольчатый вентиль медленно пропускалась жидкость. Затем уже устанавливалась необходимая скорость жидкости и подавалось электрическое напряжение, при которых измерялись температурно-манометрические параметры. Далее повысили расход воды и снова измерялись все необходимые параметры.

Одновременно со снятием показания измерительных приборов, велись также визуальные наблюдения за поведением слоя твердых частиц (начала псевдоожижения, перемешивание частиц, однородность и высота взвешенного слоя и др.)

Наконец, с целью сопоставления исследовался процесс теплоотдачи от стенки к жидкости без твердых частиц.

Обработка опытных данных и определение необходимые параметры проведены в следующем порядке

Экспериментальные данные обрабатывались с целью получения расчетных зависимостей для определения коэффициентов теплоотдачи от внутренней поверхности стенки к однофазной жидкости и к псевдоожиженной водой слою твёрдых частиц. Затем, сравнивая их, определяли степень интенсификации конвективного теплообмена в аппарате с взвешенным слоем твёрдых частиц. В качестве дополнительного критерия для сравнения эффективности теплообменника с псевдоожиженным слоем твёрдых частиц использовалась скорость накипеобразования.

При обработке экспериментальных данных количество переданного тепла Q от поверхности нагрева к псевдоожиженному слою определяли по мощности электронагревателя и по тепловому балансу составленной для нагревающейся воды, Вт:

Q=IU-Q_пот                                                             (1)

Q=Gc(t₂-t₁)                                                          (2)  

где I и U-соответственно, электрический ток и падение напряжения в нагревателе на рабочей участке трубы, А и В; Q _пот-тепловые потери, Вт; с- теплоемкость воды, Дж/ (кг К); t₂ и t₁ соответственно, температура воды на выходе из теплообменника и на входе в него, ^°С.

Плотность теплового потока, Вт / м² :

q=Q/F=Q/πD_срL                                                       (3)

где F-поверхность теплообмена, м²; D_ср- средний внутренний диаметр трубы, D_ср=36 мм; L-рабочая высота трубы, м.

Температурный перепад в стенке , ^°С:

ΔT_ст=T_н–T_в=qδ_ст/λ_ст                                                   (4)

где Т_н- среднеарифметическая температура наружной поверхности стенки, ^°С;

Т-средняя температура воды по высоте трубы, ^°С; δ_ст-толщина стенки теплообменной трубки с учетом проделанного паза, м; λ_ст-теплопроводность материала трубы, Вт/(м·К).

Среднеарифметическая температура внутренней поверхности стенки, ^°С:

Т_в=Т_н-ΔT_ст                                                          (5)

Средней температурный напор со стороны воды, ^°С:

ΔT=T_в-t                                                           (6)

Среднеарифметическая температура воды в теплообменной трубе, ^°С;

Ввиду того, что прирост температур был незначительный, за температуру воды t принималось среднеарифметическая из показаний термометров:

t=0,5(t₁+t₂)                                                        (7)

Коэффициент теплоотдачи от внутренней стенки трубы к воде, Вт/(м²·К):

α_ср=q/ΔT                                                        (8)

Критерий Нуссельта:

Nи=α_срD/λ                                                    (9)

где D-внутренний диаметр трубы, D=34 мм;

λ-теплопроводность воды при температуре t, Вт / (м·К).

Критерий Рейнольдса:

Rе=UDρ/µ                                                (10)

где U-фиктивная скорость воды в трубке, м/с; ρ и µ-соответственно, плотность и коэффициент динамической вязкости воды, кг/м³ и Па·с.

Критерий Прандтля

Рr=сµ/λ                                                (11)

Физические свойства воды, входящие в числа Nи, Rе, Рr, выбираются по среднемассовой температуре воды t.

Зависимость коэффициента теплоотдачи от скорости ожижающего агента изучали для всех четырех фракций гравия, стеклянных частиц и свинцовой дроби при 12-15 стационарных режимах для каждой фракции.

Экспериментально установлено, что с увеличением скорости фильтрации коэффициент теплоотдачи проходит через достаточно пологий максимум. При меньших скоростях воды движения величина частиц практически не влияет на теплообмен. При постепенном увеличении скорости ожижающего агента после начала псевдоожижения наблюдается существенное увеличение коэффициента теплоотдачи.

Результаты экспериментов показали, что коэффициент теплоотдачи увеличивается с ростом d (рис. 1).

Это объясняется увеличением расхода жидкости при заданной порозности слоя, что приводит к повышению скорости ожижающего агента для больших d и соответственно росту конвективной составляющей теплопереноса.

Вывод

Можно сделать вывод, что для жидкостных кипящих слоев, в которых объемные теплоемкости твердой и жидкой фазы соизмеряемы, определяющую роль в процессе теплообмена играет конвективная составляющая.

При любой заданной порозности слоя увеличение размера частиц приводит к росту относительной скорости между ожижающим агентом и частицами и еще более снижает толщину пограничной пленки, в сравнении с условиями, существующими в слое более мелких частиц. С увеличением диаметра частиц конвективная составляющая монотонно возрастает за счет увеличения скорости жидкости между частицами.

Использование полидисперсных материалов, состоящих из зерен неправильной формы в качестве промежуточного теплоносителя, позволяет увеличивать интенсивность теплообмена больше, чем сферические частицы. Это объясняется дополнительной искусственной турбулизацией пограничной зоны, связанной с увеличением скорости движения частиц и жидкости возле поверхности.

Список литературы:

1. Худойбердиева Н.Ш., Жалилов Р.С., Ибрагимов А.Д., Бозоров Б.Б. Интенсификация внешнего теплообмена. Сборник материалов I международной VII всероссийской конференции. Химия и химическая технология. 27-29 ноября, 2024г.
2. Bakhronov, Kh.Sh. Khudoiberdieva N.Sh. Hydraulic resistance of a granular bed in a rising liquid flow. Chemical and Petroleum Engineering, 2007, 43(11-12), страницы 716–719.
3. Красных Ю.В. Оптимизация энергетических затрат на образование псевдоожиженного слоя при сохранении высокой интенсивности внешнего теплообмена / Промышленная энергетика. – 2006. - № 12. –С.30-33.
4. Гельперин Н.И., Айнштейн В.Г., Кваша В.Б. Основы техники псевдоожижения. - М.: Химия, 1968. - 664 с.
5. Лева М. Псевдоожижение / Пер. с англ. под ред. Н.И. Гельперина. - М.: Гостоптехиздат, 1961. - 400 с.
6. Сыромятников Н.И., Васанова Л.К., Денисова С.А. Исследование  теплообмена между поверхностью и жидкостным кипящим слоем. // Инженерно - физический журнал. - Минск, 1973. Т.24. - №2. - С. 201-204.