Влияние на коэффициент теплоотдачи давления и температуры слоя

 

В технологических процессах с использованием псевдоожиженных слоёв для поддержания необходимой температуры с помощью погруженного в него тела (теплообменника), Вт:

                                          Q = k_кс⋅ F ⋅ ∆t,                                     (2.27)

где ∆t – разность температур между слоем и поверхностью теплообменника, ; F – площадь теплообменной поверхности с характерным размером, м²; k_кс – коэффициент теплопроводности от слоя к теплообменной поверхности, Вт/м² ∙ град.

Исследованиями [19] установлено, что температурный напор на расстоянии диаметра зерна (1-2 мм) от поверхности теплообмена является разностью температур между псевдоожиженным слоем и теплообменником. За пределами температурной разницы псевдоожиженный слой имеет одинаковую температуру по всему объёму (изотермические свойства). Температура поверхности теплообменника может изменяться в пределах слоя:

                             ,                       (2.28)

Большое разнообразие конструкций теплообменных элементов значительно затрудняет получение универсальной расчётной зависимости. Поэтому исследование теплообмена и получение экспериментальных зависимостей ведутся применительно к отдельным типам теплообменников.

Оценивался охват [23] воздействия давления и температуры на коэффициент теплоотдачи от псевдоожиженного слоя катализатора аммиака и износоустойчивого катализатора синтеза метанола на хромалюмборатном носителе к поверхности вертикально и симметрично расположенного змеевика. Псевдоожижение осуществляли на перфорированной распределителе ожижающего агента.

Для каждого отдельного случая выбор способа теплообмена определяется прежде всего гидродинамической обстановкой в зоне теплообмена, в котором действуют разные механизмы теплообмена одновременно. На рисунке 2.11 представлен график зависимостей максимальных коэффициентов теплоотдачи от давления в интервале чисел псевдоожижения, обеспечивающих достижение интенсивного перемешивания материала слоя.

Рисунок 2.11 – Зависимость α_max. = f (Р):

 1 – катализатор синтеза аммиака, 2 – катализатор синтеза метанола

 

Повышение давления в аппарате обеспечивает равномерность процесса псевдоожижения и необходимую однородность слоя, характеризующие закономерность пульсационных колебаний, определяющих параметров слоя. [19]. Это даёт возможность создать такое качество псевдоожижения, которое позволяет достигать значительного роста коэффициента теплоотдачи и его максимального значения коэффициента теплоотдачи. С повышением давления максимальный коэффициент теплоотдачи получают при меньших числах псевдоожижения, чем в случае теплообмена без давления. Для 0,1 МПа максимальное значение коэффициента теплоотдачи α_max. достигалось при числе псевдоожижения W = 2; для 0,5 МПа – при W = 1,5; для 1 МПа – при W = 1,3. Это является следствием изменения гидродинамической обстановки в зоне теплообмена. Объём единичных газовых пузырей уменьшается, увеличивается их количество, растёт частота пульсаций плотности слоя. При этом увеличивается число контактов зёрен материала и время контакта материала с теплообменной поверхностью, уменьшается толщина и термическое сопротивление пограничной плёнки.

Многочисленными экспериментальными данными [19] установлено, что определённое влияние на теплообмен оказывают физические свойства ожижающего агента, которые влияют не только давление в слое, но и температурой процесса. На рисунок 2.12 приведены графики зависимости максимального коэффициента теплоотдачи от температуры для давления 0,1 МПа.

Рисунок 2.12 – Зависимость α_мax = f (t):

1 – катализатор синтеза аммиака, 2 – катализатор синтеза метанола

 

Величина коэффициента теплоотдачи ограничивается не непосредственно теплопроводностью газа, а эффективной теплопроводностью λ_эф. псевдоожиженного слоя, которая определяется величиной теплопроводности газа λ_г и незначительно – теплопроводностью материала. Такой вывод хорошо согласуется с теорией пакетного теплообмена [17].

Экспериментальные значения  коэффициента теплоотдачи от слоя к поверхности змеевика в основном ниже, чем приведённые в ранних исследованиях величины коэффициентов для одиночных горизонтальных труб.

Такая же картина наблюдается при сравнении максимальных значений экспериментальных коэффициентов теплоотдачи для змеевика с аналогичными коэффициентами для горизонтальных труб, посчитанными по зависимости:

                             ,                     (2.29)

где λ_г – коэффициент теплопроводности газа; d – диаметр частиц слоя; ρ_т – плотность твёрдого материала.

Различия в значениях коэффициентов теплоотдачи разными условиями омывания трубок змеевика потока газа и частицами слоя. Нижние витки змеевика оказывают экранирующее воздействие на вышележащие витки. При низком числе псевдоожижения зерна твёрдого материала около верхних витков малоподвижны. Полного обтекания витков змеевика не происходит. Одной из причин слабости поперечного обтекания верхних витков является тенденция к образованию зоны малоподвижного материала на верхней стороне трубки, вследствие чего время пребывания зёрен в этой области теплообмена значительно увеличивается. Ещё одной причиной ослабления поперечного обтекания является тенденция к охвату пузырями нижней поверхности трубок [15].

С увеличением числа псевдоожижения интенсивность движения зёрен в застойных зонах возрастает относительно быстрее, чем в незаторможенном слое, где зерна и при небольших скоростях газа перемешиваются весьма интенсивно. Это ведёт к заметному росту коэффициента теплоотдачи [17].

Гетерогенные струи формируются без дополнительных затрат энергии, используя ожижающий газ как транспортирующую среду, на основе явления квазикапиллярности, [32]. В псевдоожиженных средах это явление связано с тем, что соприкосновение сыпучего материала с жёсткой стенкой нарушает случайную хаотическую структуру пристенного слоя и упорядочивает её на глубину трёх-четырёх диаметров частиц. Это приводит к возрастанию гидравлического радиуса, то есть уменьшению сопротивления и увеличению проходного сечения для газа [31]. Средняя порозность в пристенной зоне трубки в 1,1-1,4 раза, а скорость газа в 1,2-2,0 раза больше, чем в слое

Применение гетерогенных струй для обработки поверхности, выступающей из слоя, позволяет существенно увеличить процесс внешнего теплообмена (до  22 %) [17].

При взаимодействии гетерогенных струй с поверхностью теплообмена для тел, частично погруженных в псевдоожиженный слой (см. рисунок 2.11), коэффициент α слабо зависит от числа псевдоожижения, зависимость  = f (W) имеет вид пологой кривой, существует оптимальное число псевдоожижения, при котором интенсивность теплообмена максимальна (кривая 2). Для той же поверхности, но без обработки гетерогенными струями, кривая  = f (W) идет круче и число псевдоожижения при котором  достигает максимальных значений больше, чем с применением струй (кривая 1) [19].

Рисунок 2.13 – Влияние гетерогенных струй на интенсивность теплообмена

для тел, частично погруженных в псевдоожиженный слой при различных W.

Цилиндр с D = 30 мм и L = 40 мм  погружен в пкипчщий слой на 35 %:

1 – цилиндр без обработки гетерогенными струями, 2 – цилиндр обрабатывается тремя гетерогенными струями, d_тр = 4,8 мм, d_н = 16 мм

 

При обработке поверхности гетерогенными струями (рисунок 2.13) отклонение режима псевдоожижения W на 15-20 % по сравнению с оптимальным, приведёт лишь к незначительным (около 5 %) изменениям коэффициента теплоотдачи. В то время как для поверхностей без взаимодействия выступающих частей гетерогенными струями такое отклонение достигает 20 %.

На рисунке 2.14 приведены экспериментальные результаты значений коэффициента теплоотдачи  для тел, плавающих в псевдоожиженном слое, от числа псевдоожижения W, а также зависимость потребляемой мощности на прокачку ожижающего агента от числа псевдоожижения при данных условиях для корунда d_ч = 0,51 мм.

Из данных (рисунок 2.14) следует, что для увеличения среднего коэффициента теплоотдачи тел, плавающих в псевдоожиженном слое, необходимо увеличить число псевдоожижения: поднять расход ожижающего агента. В результате роста пульсаций слоя, это  приведёт к контактированию большей части поверхности нагрева с дисперсной средой. Но в свою очередь возрастут затраты энергии на прокачку теплоносителя (сплошная линия, рисунок 2.14) [19].

Наибольшее значение  для плавающих тел в псевдоожиженном слое было достигнуто при W = 2,4-2,6, при дальнейшем увеличение W значение  практически не меняется (кривые 1, 3, рисунок 2.14). Затраты энергии на прокачку теплоносителя при W = 2,6 составляли около 700 Вт (сплошная линия, рисунок 2.14).

Было замечено [19], что в зависимости от размеров тела и степени погружения их в слой при W > 2,4 пульсации слоя приводят к тому, что на верхней части цилиндра образовывается шапка неподвижно лежащих или медленно сползающих частиц.

Гетерогенные струи на выходе из сопла направлены на выступающую поверхность теплообмена, что способствует интенсивному взаимодействию дисперсной среды со всей поверхностью и не только более равномерному распределению коэффициентов теплоотдачи в поперечном сечении, но и общему росту  и достижению его максимального значения при меньших расходах воздуха – W = 2,0 (кривые 2, 4, рисунок 2.14).

Затраты энергии на создание слоя при этом составили 410 Вт. Таким образом, гетерогенные струи  понизили энергетические затраты на проведение процесса внешнего теплообмена в данном эксперименте на 41 %.

Рисунок 2.14 – Зависимость коэффициента теплоотдачи α для тел, плавающих в

псевдоожиженном слое, и потребляемой мощности N, Вт, на прокачку ожижающего агента от числа псевдоожижения W:

материал частиц – корунд d_ч = 0,51 мм; Н₀ = 60 мм;

1, 3 – без обработки гетерогенными струями, 2, 4 – с обработкой поверхности гетерогенными струями; штриховые линии – цилиндр D = 40 мм, L = 90 мм; штрихпунктирные – D = 50 мм, L = 70 мм, сплошная линия – зависимость N = f (W)

 

Дальнейшее увеличение числа псевдоожижения уменьшает интенсивность теплообмена и приближение коэффициентов теплоотдачи к значениям коэффициентов для тел, свободно плавающих в слое. Такой характер кривых при использовании гетерогенных струй объясняется режимом W > 2 пульсации псевдоожиженного слоя, который уменьшает влияние струй на коэффициент теплоотдачи.

Управление интенсивности внешнего теплообмена, можно осуществлять не только изменением режима работы, но ещё и рядом параметров – высотой насыпного слоя; глубиной погружения сопла в псевдоожиженный слой; размерами торца сопла, погруженного в слой d_тр, d_н; числом струй и углом их наклона к поверхности [19].