Теплообменники с кипящим слоем

1.2.1.5 Теплообменники с кипящим слоем

    В теплообменниках с кипящим слоем теплообмен происходит между поверхностью нагрева и кипящим слоем зернистого (дисперсного) материала.

Поверхности нагрева выполняются из вертикальных или горизонтальных труб, а также змеевиковых металлических труб. Кипящий или псевдоожиженный слой зернистого материала образуется при размещении частиц в восходящем потоке воздуха или газа.

Принцип образования кипящего слоя следующий (рисунок 152 а и б).

1 – корпус теплообменника, 2 – ложное дно, 3 – зернистый материал

Рисунок 1.52 – Схемы плотного (а) и кипящего (б) слоя

 

    К зернистому материалу, расположенному на ложном дне (решетке), подводится снизу теплоноситель (газ). С увеличением скорости газового потока W возрастает скорость фильтрации потока внутри слоя , и, следовательно, динамическое давление потока на зернистый материал (рисунок 1.52а). При скорости  динамическое давление на отдельные наиболее мелкие частицы становится равным их весу, и они взвешиваются в газовом потоке. Это ведет к росту высоты зернистого слоя Н (вспучивание слоя). Появляется, так называемая, текучесть слоя.

Дальнейшее увеличение скорости до  ведет к тому, что в некоторых точках сечения канала динамическое давление становится больше веса частицы, и они увлекаются газовым потоком, и выносятся за пределы зернистого слоя (рисунок 1.52б). Происходит прорыв газа в отдельных точках и слой начинает фонтанировать. В пространстве над слоем газовый поток, имевший скорость на выходе из слоя , замедляется до скорости W. Динамическое давление на частицы уменьшается, и они под действием силы тяжести снова возвращаются в слой.

При дальнейшем увеличении скорости до  весь дисперсный материал переходит во взвешенное состояние и начинает выноситься за пределы слоя, наступает режим кипения зернистого слоя. Высота слоя продолжает возрастать, что обеспечивает стабилизацию проходного сечения газа и выравнивает кипение по всему сечению канала.

В интервале скоростей от  до  (рисунок 1.52в) имеет место устойчивое кипение слоя с одновременным ростом его высоты (возрастает высота вылета частиц над слоем). Когда динамическое давление газового потока над слоем станет равным весу частиц зернистого материала, последние начинают уноситься потоком за пределы камеры. Унос материала имеет место при скорости газа W . Следует иметь в виду, что скорость движения частиц , увлекаемых газовым потоком, отличается от скорости газового потока на постоянную величину, называемую скоростью витания и зависящую от размера (веса) частиц:

.                                     (1.106)

    Скорость витания характеризует относительную скорость движения потока и частиц  и играет решающую роль в гетерогенных процессах тепломассообмена.

    Принципиальная схема теплообменника с кипящим слоем представлена на рисунке 1.53.

    В корпус теплообменника вводится зернистый материал, который в восходящем потоке газа находится во взвешенном состоянии. Непрерывное движение зернистого материала в газовом объеме и его соударение с нагревательными поверхностями (трубами, змеевиками) приводит к интенсификации конвективного теплообмена и, как следствие, к уменьшению требуемой поверхности нагрева.