CC BY
50
УДК 532.535
ГИДРОДИНАМИКА И ТЕПЛООБМЕН В ПРОЦЕССЕ СУШКИ ДРЕВЕСНЫХ ОТХОДОВ В ПУЛЬСИРУЮЩЕМ СЛОЕ
Докт. техн. наук, проф. БОКУН И. А.
Белорусский национальный технический университет
В настоящее время использование древесных отходов (опилок) с целью производства тепловой и электрической энергии является актуальным для многих стран. Для переработки древесных отходов эффективной является технология с псевдоожиженным слоем, в котором твердые частицы, омываемые газовым потоком, находятся во взвешенном состоянии. Такая технология обеспечивает высокую эффективность теплообмена.
При производстве пеллет одним из основных этапов является сушка древесных опилок, которую с успехом можно реализовать в установках с пульсирующим слоем, при прерывистой подаче воздуха [1]. В низкочастотном пульсирующем слое происходит чередование состояний слоя взвешенного, падающего и неподвижного. Прерывистая подача воздуха при определенных среднеинтервальных скоростях фильтрации изменяет укладку частиц. Исследование выполнено по результатам данных, полученных в [1-6].
При сушке древесных опилок в пульсирующем слое основное количество теплоты подводится от поверхности нагрева, размещенной в слое. Чередование состояний слоя при прерывистой подаче воздуха вызывает пульсацию коэффициента теплообмена. Поэтому в низкочастотном пульсирующем слое отчетливо проявляются активные и малоактивные стадии теплообмена. Контакт взвешенного и падающего слоев с поверхностью нагрева считается активной стадией, а контакт неподвижного слоя и воздушного пузыря (возникающего во взвешенном слое) с поверхностью нагрева - малоактивной стадией. Такой характер контакта пульсирующего слоя с поверхностью нагрева позволяет представить величину суммарного коэффициента теплообмена между пульсирующим слоем и поверхностью нагрева в виде
т т
__а ма / л \
астп аа + ама . (1)
т т
Таким образом, в пульсирующем слое наглядно проявляется большее разнообразие малоактивных стадий в процессе теплообмена слоя с поверхностью нагрева, чем в псевдоожиженном слое. Однако следует отметить, что даже в псевдоожиженном слое величина а^^ достигается не при тма ^ 0, а при числах псевдоожижения N > 1, когда тма >> 0. Кроме того, кратковременный импульсный контакт неподвижного слоя с поверхностью нагрева интенсифицирует теплообмен. В пульсирующем слое перемешивание твердых частиц происходит за счет импульсных газовых струй, газовых поршней, но в основном - за счет изменения состояния слоя. Это позволяет допустить, что в активной стадии механизм теплообмена имеет сходство с механизмом теплообмена в псевдоожиженном слое, и тогда коэффициент теплообмена можно описать зависимостью [2]
аст =СмРмУм (1 -в)
Максимальная величина коэффициента теплообмена между пульсирующим слоем и поверхностью нагрева в активной стадии может быть определена по полуэмпирической формуле С. С. Забродского [2]
атах = 35,8рм,2Яг0^-0,36. (3)
В малоактивной стадии, когда слой неподвижный и процесс теплообмена осуществляется в основном теплопроводностью насыпи, аст опишем зависимостью [3]
аст =5^. (4)
V ПТма
Эффективную теплопроводность А неподвижного слоя определим по [4] ¡8 ^ = 0,28-0,7518 8-0,05718 ^ ) ¡8 АГ. (5)
Опыты по изучению теплообмена между поверхностью и пульсирующим слоем были проведены на установке, выполненной из стекла с внутренним диаметром 57 мм и высотой 1500 мм. Коэффициент теплообмена между поверхностью нагрева и слоем определялся по известной методике [5].
На рис. 1 представлен характер изменения коэффициента теплоотдачи между пульсирующим слоем древесных опилок и поверхностью нагрева в зависимости от скорости фильтрации.
1 -ехр
1,2 Аг
5сСмРмVм (1 -в)7
(2)
Рис. 1. Изменение коэффициента теплообмена между поверхностью нагрева и слоем древесных опилок в зависимости от скорости фильтрации и частоты пульсации: 1 - 2,0 Гц; 2 - 1,5; 3 - 1,0; 4 - 0,5 Гц; 5 - без псевдоожижения
Как показали опыты (рис. 1), при потоке в диапазоне скоростей фильтрации 0,25-0,35 м/с слой оставался неподвижным, в то время как при пульсирующей подаче слой опилок приходил в состояние движения в виде поршней, пронизываемых воздушными каналами. При этом в малоактивной стадии, когда поток газа отсутствовал, слой оседал, поршни и каналы
разрушались. При каждой последующей подаче воздуха образовывались новые поршни и каналы, что способствовало перемешиванию слоя. В диапазоне скоростей фильтрации 0,4-0,6 м/с при стационарном воздушном потоке слой опилок также оставался неподвижным, но при этом около нагревателя образовывался воздушный канал, содержащий отрываемые от стенки канала частицы, поэтому на рис. 1 видно увеличение коэффициента теплообмена.
Подвод теплоты для сушки в пульсирующем слое от поверхностей нагрева интенсифицирует не только процесс теплообмена, но и снижает электризацию частиц опилок, что уменьшает взрывоопасность слоя.
Следует привести некоторые гидродинамические характеристики пульсирующего слоя древесных опилок. В табл. 1 представлены результаты приближенных измерений расширения слоя, гидравлического сопротивления слоя при различных частотах пульсации потока воздуха. Расширение слоя определялось визуально с помощью масштабной линейки, закрепленной на цилиндрической колонне. При измерении средней величины сопротивления пульсирующего слоя колебания мениска и-образного водяного манометра были устранены пережимом соединительной трубки.
Таблица 1
Гидродинамика слоя древесных опилок (Н0 = 220 мм; = 2 мм)
Скорость фильтрации, м/с Частота пульсации, Гц Максимальная высота расширения слоя, мм Сопротивление слоя, мм Н2О Примечание
0,25 б/п 220 25 Слой неподвижен
2,0 230 25 Слаборасширенный слой (поршневой режим)
1,5 235 25 То же
1,0 240 24 То же
0,5 260 24 Пульсирующий слой (поршневой режим)
0,35 б/п 225 24 Слой неподвижен
2,0 310 24 Пульсирующий слой (пронизан каналами)
1,5 330 24 То же
1,0 350 24 То же
0,5 400 24 Пульсирующий слой (расширенный поршень)
0,4 б/п 230 26 Слой неподвижен
2,0 260 24 Пульсирующий слой (расширенный поршень)
1,5 280 24 То же
1,0 320 24 То же
0,5 400 24 То же
0,6 б/п 240 28 Слой неподвижен (пронизан каналами)
2,0 500 28 Пульсирующий слой (поршневой режим)
1,5 600 27 То же
0,5 700 27 То же
Из табл. 1 видно, что максимальное расширение слоя возрастает с понижением частоты пульсации. Это связано с тем, что за время между импульсами в малоактивной стадии происходит накопление энергии в системе «воздуходувка - пульсатор».
Средняя величина накопленной энергии за цикл (та + тма)
Wэ =Р0 (Та +Тма ). (6)
Эта энергия реализуется в очень короткое время активной стадии в виде кратковременного импульса ти мощностью
р = Щ = Р0 (Та + Тма ) . (7)
и ти ти '
Условные обозначения: см - теплоемкость опилок; ум - нормальная скорость движения частиц к поверхности; рм - плотность зернистого материала; в - порозность слоя; Хг - теплопроводность газа; А,м - то же зернистого материала; Хэ - эквивалентная теплопроводность неподвижного слоя; а -коэффициент теплообмена между поверхностью нагрева и слоем; та - длительность активной стадии; тма - длительность малоактивной стадии; й - диаметр частиц.
В Ы В О Д Ы
1. Проведенные эксперименты показали, что в пульсирующем слое процесс теплообмена значительно интенсифицируется.
2. Пульсирующая (прерывистая) подача воздуха в слой древесных опилок интенсифицирует их движение и перемешивание.
Л И Т Е Р А Т У Р А
1. Л ю б о ш и ц, И. Л. Применение кипящего слоя для глубокой сушки увлажненных полимерных материалов и сырья древопластики / И. Л. Любошиц, Л. С. Слободкин,
B. И. Касспер // Тепло- и массообмен в сушильных и термических процессах. - Минск: Наука и техника, 1966. - С. 107-115.
2. З а б р о д с к и й, С. С. Гидродинамика и теплообмен в псевдоожиженном слое /
C. С. Забродский. - М.: ГЭИ, 1963. - 487 с.
3. А э р о в, М. Э. Гидравлические и тепловые основы работы аппаратов со стационарным и кипящим зернистым слоем / М. Э. Аэров, О. М. Тодес. - Л.: Химия, 1963.
4. K г u p i c z k a, R. Int. Chem. End. / R. Krupiczka. - 1967. - Vol. 7, № 1. - Р. 122.
5. А н т о н и ш и н, Н. В. Теплообмен поверхности, погруженной в развитый неоднородный псевдоожиженный слой / Н. В. Антонишин, С. С. Забродский // ИФЖ. - 1963. -№ 11. - С. 97-104.
Представлена кафедрой экономики
и организации энергетики Поступила 04.11.2010
