CC BY
25
ИЗВЕСТИЯ
ТОМСКОГО ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО ИНСТИТУТА имени С. М. КИРОВА
Том 234 1974
ВЛИЯНИЕ УСЛОВИЙ ПРОДУВКИ НА ТЕПЛООБМЕН ЗЕРНИСТОГО СЛОЯ С ПОВЕРХНОСТЬЮ НАГРЕВА
А. Д. АЛЕКСЕЕВ, В. И. ОСИН
(Представлена научным семинаром кафедры процессов, маший и аппаратов химических производств)
Целью исследования являлось определение влияния режима и характера движения ожижающей среды на коэффициент теплоотдачи а от нагретой поверхности к слою. Исследования проводились в два этапа. Вначале были сняты гидродинамические х ар актер истики -слоя тцр.и стационарном и синусоидально-пульсирующем характерах движения ожи-жаюгцего агента и определены закономерности ¡изменения сопротивления и объема слоя от скорости фильтрации и частоты пульсаций.
В качестве дисперсного материала использовался речной песок плотностью р —2659 кг/м3 (фракция 0,5-Ы мм). Насыпная плотность слоя составляла рсл. ="-1430 кг/мъ. Материал загружался в прозрачную цилиндрическую камеру диаметром 200 и высотой 470 мм. Синусоидально-пульсирующий характер движения (воздуха через систему обеспечивался роторным преобразователем, привод которого позволял менять частоту пульсаций от 0 до 25 гц.
Гидродинамические характеристики слоя определялись при частоте пульсаций воздушного потока /=3,35; 6,7; 10; 16,7 гц и осредненных во времени скоростях фильтрации от 0 до 68 м/сек. Были получены соответствующие характеристики при продувании слоя невозмущенным (стационарным) потоком.
На рис. 1а приведены данные об изменении объема, полученные при начальной высоте слоя И о ==82 мм и общем весе загруженного материала б = 3780 г.
Визуальными наблюдениями установлено качественное отличие в поведении слоя в случае его продувания синусоидально-пульсирующим потоком. Это отличие состоит в том, что стадии расширения (псевдоожижения) слоя предшествует его уплотнение, величина которого зависит от частоты пульсаций и скорости фильтрации. Из рисунка видно и количественное отличие, проявляющееся в том, что расширение слоя происходит при скоростях намного меньших, чем в случае движения через него невозмущенного потока.
Исследования теплообмена проводились при осредненных скоростях фильтрации близких к 0,063; 0,073; 0,1; 0,175; 0,225; 0,38; 0,51 и 0,58 м/сек. Значения скоростей выбраны на основе результатов исследования 'гидродинамики слоя с учетом того, что при ©сех частотах наблюдались сходные состояния, а именно:
а) скорости фильтрации меньшие 0,075 м/сек соответствуют нисходящим кривым уплотнения слоя;
б) скорости близкие к 0,1 м/сек соответствуют максимально уплотненным состояниям;
3*
35
08
и м и
IV к/се*
50
0
О
0.4 О.Ь
м, т/сек
Рис. 1. Влияние скорости фильтрации и условий продувки на изменение
объема слоя (а) и коэффициента теплоотдачи (б) Яр—высота слоя в рабочих условиях. / = 0 — поток стационарный; / = 3,35... 16,7 — частота пульсаций, гц
в) в диапазоне скоростсй от 0,1 до 0,175 м/сек слой расширен, но его порозность меньше порозности свободно насыпанного песка;
г) скорости, большие 0,175 м/сек, соответствуют различным промежуточным состояниям слоя.
Нагревательный элемент располагался по оси аппарата на расстоянии 28 мм от распределительной решетки. Термопары размещались в линию на различном расстоянии от нагревателя. Незащищенные спаи располагались на высоте 41 мм от решетки. В процессе эксперимента замерялись сила тока / и температура в трех участках слоя.
Средние значения коэффициента теплоотдачи ат определялись расчетом по формуле [1]
На рис. 16 показам характер изменения ат в зависимости от скорости фильтрации.
Из приведенных данных видно, что при продувании неподвижного слоя стационарным потоком (режим фильтрации) наблюдается медленное возрастание ат , что вызвано, в основном, увеличением скорости газа, омывающего поверхность нагрева. С переходом слоя в псевдоожи-женное состояние повышается интенсивность пульсационного перемешивания частиц и как результат этого более быстрое возрастание а т. Максимальное значение коэффициента теплоотдачи имело место при скорости фильтрации, близкой к 0,68 м/сек, и «числе итсевдоожижения» 1,8.
Согласно [2, 3] максимальное значение коэффициента теплоотдачи для слоя песка составляет около 238 ккал/м2час-град. (205 вт/м2 град) и наблюдается при «числе псевдоожиженшя» 1,7~Н1,9. В наших экспериментах атшах =¡198,-5 вт/м2град, что 'Практически совпадает с данными других исследователей.
Из рис. 16 видно, что в случае продувки песка нестационарным потоком зависимость ат = ф(и>) носит иной характер. Коэффициент теплоотдачи резко возрастает уже при скоростях фильтрации, меньших 0,1 м/сек, что, »вероятно, обусловлено более плотным размещением частиц в слое. В уплотненном состоянии следует ожидать большего влия-
ния на теплообмен теплопроводности материала, так как расстояние между частицами сокращается, поверхность их соприкосновения увеличивается, а относительная подвижность частиц невелика. С увеличением скорости темп роста ат замедляется, а после достижения максимального значения наблюдается его снижение. Максимальное значение ат при пульсирующем потоке имеет место при меньших скоростях фильтрации. Так при частотах 3,35; 6,7; 10 гц ат.тах наблюдается при скоростях фильтрации около 0,5 м/сек, что на 32% меньше соответствующих значений скорости стационарного режима псевдоожижения. При скорости нестационарной фильтрации, близкой ik 0,25 м/сек, и частотах пульсаций 3,35 и 6,7 гц коэффициент теплоотдачи мало отличается от максимального для этих частот. Так при /=3,35 гц и ш =0,25 м/сек ат = 173 вт/м2град., a ат.тах= 1--85 вт/м2град.9что имеет место при w = 0,51 м/сек. В этом случае ат уменьшилось ¡всего лишь на 6,5%, а скорость снизилась в два раза.
При частотах пульсаций 10; 16,7 гц и малых скоростях фильтрации теми возрастания ат более замедленный. С увеличением скорости фильтрации наблюдается обратная картина. Кривые зависимости ат от w при больших частотах занимают промежуточное положение между кривой при продувании невозмущенным потоком и псевдоожижения пульсирующим потоком на низких частотах. Чем больше частота пульсации, тем ближе кривая ат подходит к кривой теплообмена стационарного режима, что свидетельствует о том, что повышение частоты пульсаций газового потока приближает режим теплообмена к стационарным условиям.
Влияние на теплообмен частоты пульсаций представлено на рис. 2а, из которого видно, чго при скоростях фильтрации, меньших 0,3 м/сек, наибольшие значения ат имеют место при частоте пульсаций / = 3,35 гц. С дальнейшим возрастанием скорости максимальные значения коэффициента теплоотдачи смещаются в сторону больших частот.
На рис. 2 6 показано влияние пульсирующей подачи на эффективность теплообмена.
Из приведенных данных видно, что максимальное значение коэффи-
W
¡70
^ /40
ïr m «s
80
$0
1 \ \N \ ^л
I N, \w4J4 w-ibv ^
—^
О 3.35 6.7 10 9 ш
аг 0.4 « W, м/сек
Рис. 2. Яликиие скорости,фильтрации и условии продувки на коэффициент теплоотдачи (а) и эффективность теплообмена (б) <*0. ^ п —коэффициенты теплоотдачи для стационарных и нестационарных условий. / — 3,35... 16,7 — частота пульсаций, гц
диента эффективности наблюдается при скоростях фильтрации, меньших 0,175 м/сек, и малых частотах пульсаций газового потока. Это является еще одним подтверждением преимуществ псевдоожижения зернистых материалов пульсирующим потоком.
Хотя с ростом скорости фильтрации и возрастают значения коэффициента теплоотдачи, но относительная эффективность пульсирующих воздействий снижается, приближаясь к единице.
Выводы
1. Выбранная методика исследований позволяет качественно и количественно оценить влияние режима и характера движения сжижающей среды па теплообмен слоя с поверхностью нагрева.
2. Максимальный коэффициент теплообмена при пульсирующей продувке слоя достигается при меньших на 30% скоростях, а численные его значения мало отличаются от соответствующих значений для слоя, продуваемого невозмущенным потоком.
3. Наибольший эффект от применения пульсирующего газового потока наблюдается при частотах 3,35; 6,7 гц и «разжиженном» состоянии слоя.
4. Численные значения коэффициента теплообмена при малых частотах пульсаций мало меняются в широком диапазоне скоростей фильтрации.
5. С повышением частоты пульсаций характер изменения коэффициента теплообмена приближается к таковому в условиях продувания слоя невозмущенным газовым потоком.
ЛИТЕРАТУРА
1. А. Д. Алексеев, В. И. Осип. Установка для исследования теплообмена дисперсного слоя с поверхностью. Настоящий сборник.
2. С. С. 3 а б р о д с к и й. Гидродинамика и теплообмен в пссвдоожижснном (кипящем) слое. Госэиергоиздат, М., 1963.
3. Н. И. Г е л ь п е р и н, В. Г. А й и ш т е й н, В. Б. К в а ш а. Основы техники псевдо-ожижения. «Химия», М, 1967.
