Experimentelle Untersuchung des Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten und des Wärmeaustauschs zwischen Wirbelschicht und geneigter Austauschfläche

FLUIDDYNAMIK; WÄRME- UND STOFFAUSTAUSCH; UND ANDERE THEMEN

Experimentelle Untersuchung des Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten und des Wärmeaustauschs zwischen Wirbelschicht und geneigter Austauschfläche

B. StojanovicI,*; J. JanevskiII; M. StojiljkovicIII

IFAKULTÄT für Maschinenbau, Universität Nis, Serbien, Aleksandra Medevedeva 14, 18000 Nis, Serbien. E-Mail-Adresse: [email protected]
IIFAKULTÄT für Maschinenbau, Universität Nis, Serbien, Aleksandra Medevedeva 14, 18000 Nis, Serbien. E-Mail-Adresse: [email protected]
IIIFAKULTÄT für Maschinenbau, Universität Nis, Serbien, Aleksandra Medevedeva 14, 18000 Nis, Serbien. E-Mail-Adresse: [email protected]

ABSTRACT

Der Beitrag präsentiert experimentelle Untersuchungen der Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten des durch Luft fluidisierten Kieselsandbetts und eine experimentelle Untersuchung des Einflusses der Partikelgröße auf den Wärmeübergangskoeffizienten zwischen Wirbelschicht und geneigten Austauschflächen. Die Messungen wurden für die spezifische Wirbelgeschwindigkeit und Sandteilchendurchmesser dp = 0,3, 0,5, 0,9 mm durchgeführt. Die industrielle Verwendung von Wirbelschichten hat in den letzten 20 Jahren aufgrund ihrer nützlichen Eigenschaften rapide zugenommen. Eine der herausragenden Eigenschaften einer Wirbelschicht besteht darin, dass sie dazu neigt, auch bei ungleichmäßiger Wärmeabgabe eine gleichmäßige Temperatur aufrechtzuerhalten. Auf der Grundlage experimenteller Untersuchungen wurde der Einfluss der Betriebsparameter des Prozesses auf die erhaltenen Werte der Wärmeleitfähigkeit des Bettes analysiert. Die Ergebnisse zeigen eine direkte Abhängigkeit der Wärmeleitfähigkeit von der Intensität des Mischens, dem Grad der Fluidisierung und der Größe der Partikel. In axialer Richtung weisen die behandelten Koeffizienten Werte auf, die um eine ganze Größenordnung höher sind als in radialer Richtung. Der Vergleich experimenteller Forschungsergebnisse mit experimentellen Ergebnissen anderer Autoren zeigt eine gute Übereinstimmung und die gleiche Tendenz zur Änderung der Wärmeleitfähigkeit. In der Literatur ist bekannt, dass der Wert des Wärmeübergangskoeffizienten in der Horizontalen am höchsten und in der vertikalen Position der Wärmeaustauschfläche am kleinsten ist. Die Variation der Wärmeübertragung in Abhängigkeit vom Neigungswinkel wird nicht im Detail untersucht. Der Unterschied zwischen den Werten des relativen Wärmeübergangskoeffizienten zwischen vertikaler und horizontaler Heizposition für alle Partikelgrößen verringert sich mit zunehmender Fluidisierungsrate um etwa 15%.

Schlüsselwörter: Wirbelschicht; Wärmeübertragung; Oberfläche; Wärmeleitfähigkeit von Partikeln; Kieselsand; Experiment.

EINLEITUNG

Seit seiner Entstehung hat das Phänomen der Fluidisierung die Aufmerksamkeit zahlreicher Forscher auf sich gezogen. Seine Anwendung in zahlreichen technologischen Operationen beruht auf seinen hervorragenden Eigenschaften, die sich in widerspiegeln: intensive Vermischung der Feststoffpartikel, eine hohe Kontaktfläche zwischen Gas und Feststoffpartikeln, eine nahezu konstante Temperatur im gesamten Bett sowie einfaches Einlegen und Entnehmen des Materials aus dem Bett. In den letzten Jahrzehnten wurden zahlreiche Arbeiten und Studien zum Fluidisierungsprozess und seiner Anwendung veröffentlicht, von denen die meisten auf experimenteller Forschung basieren. Das Gebiet der Wärmeleitung war für Forscher von großem Interesse, da sich das Wirbelbett durch eine hohe Wärmeleitfähigkeit auszeichnet. Trotz einer großen Anzahl von Arbeiten, die sich mit diesem Problem befassen (Massoudi und Phouc, 2007), sind die Schlussfolgerungen ihrer Autoren sehr unterschiedlich, manchmal sogar widersprüchlich. Die Gründe für diese Streuung der Ergebnisse liegen in den unterschiedlichen Bedingungen, unter denen diese Experimente durchgeführt werden. Diese Tatsachen haben experimentelle Forschung mit dem Hauptziel der Bestimmung der Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten der Wirbelschicht für Partikel aus Kieselsand unterschiedlicher Fraktionen motiviert. Basierend auf den erhaltenen Werten des Wärmeübergangskoeffizienten kann man schließen, dass die Tendenz der Änderung des Wärmeübergangskoeffizienten unabhängig von der Partikelgröße gleich bleibt. Die Tendenz der Änderung des Wärmeübergangskoeffizienten mit zunehmender Fluidisierungsrate ist für größere Partikel weniger signifikant. Der Einfluss der wichtigsten Parameter auf die Werte der Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten der Wirbelschicht wurde durch die erhaltenen experimentellen Ergebnisse analysiert.

Durch sehr effizienten Kontakt zwischen Gas und Partikeln, d.h., Wirbelschicht und eingetauchte Wärmeaustauschflächen oder -wände, Wirbelbetten haben sehr intensiven Wärmeaustausch. Die Wärmeübertragung zwischen dem Wirbelbett und den in das Bett eingetauchten Oberflächen ist eine Funktion der dynamischen Eigenschaften des Bettes (Martin, 1984), vor allem der Blasenbewegung und der Intensität der Partikelmischung. Es ist jedoch offensichtlich, dass Fluidisierungsgeschwindigkeit und Partikelgröße die einflussreichsten Faktoren für die ausgetauschte Wärmemenge zwischen Oberflächen sind.

Schlüsselfaktoren für die Wärmeübertragung zwischen einer eingetauchten Oberfläche und dem Wirbelbett sind auch die Partikelbewegung in der Nähe der Wärmeübertragungsfläche, die Kontaktzeit mit der Oberfläche und die Partikelkonzentration an der Wand (Zarghami et al., 2007). Die Gas- und Partikelbewegung über, über und auf der lateralen Seite von Austauschflächen ist spezifisch, so dass die Veränderungen in diesen Zonen meist in der Literatur untersucht werden.

Die Komplexität des Problems und die Mehrzahl der Einflussfaktoren, die schwer in Gleichungen einzubeziehen sind, führen dazu, dass die experimentelle Bestimmung des Wärmeübergangskoeffizienten als Methode akzeptiert wird.

WÄRMELEITFÄHIGKEIT DER WIRBELSCHICHT

Da die spezifische Wärmekapazität von Feststoffpartikeln um mehrere Größenordnungen volumetrisch höher ist als die spezifische Wärmekapazität von Gasen, sind bewegte Partikel grundlegende Wärmehalter im Bett. In diesem Fall kann die gewöhnliche Fourier-Gleichung verwendet werden, um den Prozess der Wärmeausbreitung im Wirbelbett zu beschreiben, wobei der Wärmeleitfähigkeitskoeffizient die Intensität der Materialmischung im Bett widerspiegelt. Sein Wert kann durch eine modifizierte Methode der momentanen Wärmequelle gemessen werden, deren Wesen wie folgt ist: Ein starker momentaner thermischer Impuls wird in der Wirbelschicht erzeugt, indem schnell ein kleiner Teil zuvor erhitzter Partikel desselben Materials hineingegossen wird. Der Moment des Erreichens der maximalen Temperatur tmax in einem bestimmten Abstand von der Wärmequelle wird gemäß der Gleichung (Geljperin) registriert, 1967):

wobei n = 3, 2, 1 ist, je nachdem, ob die Wärmequelle ein Punkt, eine Linie oder eine Fläche ist. Die Bewegung von Blasen ermöglicht das Mischen von Partikeln in der Emulsionsphase, sowohl in Richtung der Betthöhe als auch in radialer Richtung, wobei eine bestimmte Menge von Partikeln durch jeden beobachteten Schnittpunkt des Bettes gelangt. Da sich Partikel im nicht-isothermen Bett in Bezug auf den Wert der Enthalpie unterscheiden, tritt ein resultierender Fluss wärmerer Partikel auf, wenn ihre Konzentration auf einer Seite des beobachteten Schnittpunkts höher ist. Unter der Voraussetzung, dass sich die Konzentration wärmerer Partikel pro Volumeneinheit nur in Richtung der Partikelströmung ändert, kann ihr resultierender Wärmefluss pro Oberflächeneinheit ausgedrückt werden als:

Wenn der folgende Ausdruck für Enthalpie in expression eingeführt wird (2):

wir erhalten:

wobei λ der Wärmeleitfähigkeitskoeffizient der Wirbelschicht ist, der definiert ist als:

Zur Bestimmung des Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten in axialer Richtung verwendeten Borodulja and Associates (1966) ein Glasrohr mit einer Länge von 1 m und einem Durchmesser von 80 mm. Auf der Oberseite des Bettes wurde eine sofortige Oberflächenwärmequelle erzeugt, indem ein kleiner Teil (5-7 Volumenprozent) von Partikeln gegossen wurde, die in einem Ofen auf eine Temperatur von 100-700 ºC erhitzt wurden. Die Zeit des Partikelgießens betrug weniger als 0,5s. Zur Messung der Temperatur des Bettes wurden zwei Thermoelemente verwendet; Eines davon wurde auf den Verteiler gelegt, das andere auf halber Höhe des Bettes. Messungen wurden mit mehreren monodispersen und polydispersen Fraktionen verschiedener Materialarten für unterschiedliche Höhen des stehenden Bettes durchgeführt. Die Verarbeitung experimenteller Daten hat gezeigt, dass der thermische Diffusivitätskoeffizient in axialer Richtung durch die folgende Gleichung beschrieben werden kann:

Die Bestimmung des Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten in radialer Richtung wird in einem Rohr mit einem Durchmesser von 175 mm durchgeführt. Eine sofortige Punktwärmequelle wurde erhalten, indem schnell ein kleiner Teil warmer Sandpartikel entlang der Achse der Vorrichtung durch ein Glasrohr mit einem Durchmesser von 25 mm gegossen wurde. Zur Temperaturmessung wurde ein Thermoelement in der Höhe des Gießens von Partikeln aus dem Rohr in einem Abstand von 60-70 mm von seiner Achse platziert.

Die Forschung hat gezeigt, dass es eine sehr intensive Vermischung von Material in der Wirbelschicht in axialer Richtung gibt. Axialer Wärmeleitfähigkeitskoeffizient war innerhalb λa= (1100-6000)W/m.K. Andererseits war das Mischen des Materials in der Radialrichtung verhältnismäßig klein. Werte der radialen Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten waren: λr=(50150) W/m.K.

In ihrer veröffentlichten Arbeit, Peters et al. (1953) versuchten, den Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten durch Bestimmung des Temperaturprofils in der Wirbelschicht zu berechnen. Die Vorrichtung hatte die Form eines Parallelepipeds, Breite 65 mm, Länge 450 mm, Höhe 480 mm, das nicht vollständig mit Sand gefüllt war (dekv = 0,23 mm). Als Wärmequelle verwendeten sie eine elektrische Heizung, die aus einer Drahtspirale bestand, die Wärme gleichmäßig entlang des Querschnitts des Bettes bereitstellte. Die thermische Isolierung des Gefäßes verhinderte, dass der Wärmeverlust durch die Wand höher als 7% war. Berechnete numerische Werte der Wärmeleitfähigkeit in axialer Richtung lagen innerhalb von 1163-1977 W / m.K., während sie in radialer Richtung in der Größenordnung von 12002000 W / m.K. Peters et al. (1953) stellen fest, dass diese Werte signifikant erhöht sind und dass sie auf der Grundlage solcher experimentellen Bedingungen praktisch unmöglich zu erhalten sind.

Die Untersuchung der Wärmeleitfähigkeit des Wirbelbetts zeigt die Existenz einer Dispersion der Ergebnisse verschiedener Autoren (Kunii und Levenspiel, 1976), da sie eine komplexe Abhängigkeit der Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten von verschiedenen Faktoren zeigen. Daher ist es sehr schwierig, eine Annäherung der erhaltenen Ergebnisse durch eine globale empirische Abhängigkeit zu geben. Für praktische Berechnungen ist es viel zuverlässiger, zu einem bestimmten Zeitpunkt absolute Werte des Koeffizienten λ zu verwenden.

EXPERIMENTELLE METHODE

Das ziel der experimentellen forschung auf die wirbelschicht in diesem papier ist bestimmung der wärmeleitfähigkeit koeffizienten abhängig von betriebs eigenschaften der wirbelschicht: geschwindigkeit, fluidisierung rate und die größe der partikel. Experimentelle Untersuchungen wurden an einem Laborgerät durchgeführt (Abbildung 1). Die Vorrichtung besteht aus einem Messteil, über dem sich ein Rohr zur Zufuhr von erhitztem Sand in das Bett befindet, einer Vorrichtung zur Luftzufuhr und einer Vorrichtung zur Messung, Regelung und Registrierung des Prozesses. Besonderes Augenmerk wurde auf die Konstruktion der Vorrichtung zur Zufuhr von erhitztem Sand in das Bett gelegt. Material, das vorher bis zu einer Temperatur 250-350ºC erhitzt wurde, wurde sofort in das Wirbelbett durch schnelles Oberflächengießen durch das Rohr mit Durchmesser 45mm auf die Bettoberfläche eingeführt.

Ein Ventilator aus der äußeren Umgebung liefert die für die Fluidisierung notwendige Luft. Der Luftstrom wird mit einem Standardgerät gemessen, während ein Ventil den gewünschten Luftstrom ermöglicht. Um den Luftstrom zu stabilisieren, sind die Abschnitte vor und hinter der Vorrichtung lang genug. Eine durch Glaswolle isolierte Kammer trägt zu einer gleichmäßigen Luftverteilung am Schnittpunkt des Betriebsteils der Vorrichtung bei. Am Einlass in den Betriebsteil der Vorrichtung ist ein Verteiler angeordnet, während darüber ein verjüngter Fortsatz angeordnet ist, der die Entfernung kleinerer Fraktionen verhindert. Chromel-Alumel Thermoelemente werden für Temperaturmessungen verwendet. Einer von ihnen befindet sich am Ausgang des Bettes. Ein weiterer zur Bestimmung des thermischen Diffusionskoeffizienten in axialer Richtung ist unmittelbar über dem Verteiler angeordnet (Bild 1a), d. H. Zur Bestimmung von ar in radialer Richtung (Bild 1b).

Um mit der experimentellen Bestimmung des Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten zu beginnen, wurden bestimmte Messungen durchgeführt. Als Material für die Fluidisierung wurde Kieselsand mit unterschiedlichen Anteilen verwendet. Nach der Sichtung in Standardsieben wurden Fraktionen von Kieselsand mit mittleren Teilchendurchmessern von 0,3mm, 0,5mm und 0,9mm getrennt (Tabelle 1). Die folgenden Eigenschaften wurden für jede Fraktion bestimmt:

■ tatsächliche Sanddichte pp,
■ Schüttsanddichte pn,
■ äquivalenter Partikeldurchmesser dp,
■ Porosität bei minimaler Fluidisierungsrate emf,
■ minimale Fluidisierungsrate Umf.

Die minimale Fluidisierungsgeschwindigkeit wurde experimentell bestimmt und ihr Wert stimmt mit dem Wert aus der Gleichung (Srinivasakannan und Balasubramanian) überein, 2002):

Die Schüttdichte der Partikel wurde bestimmt, indem eine bestimmte Menge Sand in ein kalibriertes Gefäß frei gegossen wurde, während die tatsächliche Dichte mit einem Picnometer bestimmt wurde. Der Wert der spezifischen Wärmekapazität wurde Naumann (1981) entnommen.

Wie bereits erwähnt, werden zur Bestimmung des Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten in axialer Richtung zwei Thermoelemente auf der Achse des stehenden Bettes angeordnet, wobei das erste in einem Abstand von 43,5 mm vom Verteiler und das zweite auf der Oberfläche des Bettes angeordnet wurde. Durch Einstellen des Luftstroms wird die gewünschte Luftgeschwindigkeit bei der Arbeitstemperatur erhalten. Bei dieser Arbeitsgeschwindigkeit der Luft mit bekannter minimaler Fluidisierungsgeschwindigkeit wurde die Fluidisierungsrate bestimmt. In diesem festgelegten Zustand wird eine bereits vorbereitete Portion zuvor erhitzten Sandes sehr schnell durch das feste Rohr eingeführt. Während der Bewegung des heißen Sandes durch das Wirbelbett, die Thermoelemente gemessene Temperatur im Bett, mit Registrierung auf einem Erfassungssystem. Für eine eingestellte Fluidisierungsrate wurden separate Betttemperaturen von jeweils 0,02 s registriert. Es kann festgestellt werden, dass die Temperatur im Bett aufgrund der Bewegung heißer Sandpartikel ansteigt. Gleichzeitig wird die Zeitspanne zwischen zwei von den Thermoelementen registrierten maximalen Temperaturerhöhungen ausgelesen. Für einen bekannten Abstand zwischen den Thermoelementen und der Lesezeit wird der Wert des thermischen Diffusionskoeffizienten berechnet. Da die thermische Diffusivität in axialer Richtung bestimmt wird, wird angenommen, dass in Gleichung (1) der Wert von n=1 (oberflächliche Materialdosierung) ist. Für eine bestimmte Fluidisierungsrate und die vorhandenen Bedingungen wurde der Versuch mehrmals wiederholt. Dann wurde die Luftgeschwindigkeit erhöht und ein weiterer Versuch für dieselbe Sandfraktion in der oben beschriebenen Weise durchgeführt. Nach Messung einer bestimmten Fraktion wird der Betriebsteil der Vorrichtung entleert und eine weitere Fraktion eingefüllt und das gleiche Experiment wiederholt.

Die Werte des Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten in radialer Richtung wurden nach dem gleichen Verfahren wie die Werte der axialen Leitfähigkeit bestimmt. Wie bereits beschrieben, besteht der Unterschied in den Positionen der Thermoelemente, die sich in diesem Fall in derselben Ebene befanden (Abbildung 1b), und in der Punktquellenmaterialdosierung (n = 3).

ERGEBNISSE UND DISKUSSION

Für die Beurteilung der Mischungsintensität im Wirbelbett ist der Koeffizient der effektiven Wärmeleitfähigkeit maßgebend. In Anbetracht des Zusammenhangs zwischen Wärmeleitfähigkeit und Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten zeigt Abbildung 2 die Abhängigkeit der gemittelten Werte des Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten von der Geschwindigkeit des Fluidisierungsmittels. Da Wärmeleitfähigkeit und Wärmeleitfähigkeit durch spezifische Wärmekapazität von Partikeln und die Dichte des Wirbelbettes verbunden sind, die direkt von der Porosität des Bettes abhängt, ist die Art und Weise, in der sich der Wärmeleitfähigkeitskoeffizient mit der Fluidisierungsrate ändert, ähnlich der Art und Weise, in der sich der Wärmeleitfähigkeitskoeffizient ändert mit der Fluidisierungsrate. Der Maximalwert der Wärmeleitfähigkeit, der bei einer Fluidisierungsrate von etwa N=2 auftritt.5 noch einmal darauf hin, dass bei dieser Geschwindigkeit des Fluidisierungsmittels eine Vermischung von Partikeln zu intensiveren Kontakten und Kollisionen von Feststoffpartikeln führt (Huilin et al., 2007). Das Auftreten des Maximums kann auch durch eine Abnahme der Dichte des Wirbelbetts und eine Zunahme seiner Porosität mit zunehmender Gasgeschwindigkeit erklärt werden, was zu unterschiedlichen Eigenschaften der Änderung des Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten führen kann.

Im Allgemeinen sind die erhaltenen Werte des thermischen Diffusionskoeffizienten in radialer Richtung um eine ganze Ordnung kleiner (Abbildung 3). Im Gegensatz zum Leitfähigkeitskoeffizienten in axialer Richtung ist dabei für alle mittleren Äquivalentdurchmesser das Auftreten des Maximums des Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten in radialer Richtung bei einer Fluidisierungsrate N=2,5 zu beobachten. Nach Ansicht zahlreicher Forscher beeinflusst die lokale Konzentration von Partikeln die Wärmeübertragung im Sinne ihrer Intensivierung, wenn sich die ringförmige Verteilung von Partikeln über den Querschnitt der Säule (mit einem festen Kern in der Mitte, einem verdünnten Bett um den Kern und einem dichten Ring neben der Wand) verschlechtert. Gleichzeitig nimmt die Vermischung von Partikeln und die Häufigkeit ihrer gegenseitigen Kollisionen zu, was eine intensivere Wärmediffusion fördert. Bestimmte Schwankungen der Werte der Wärmeleitfähigkeit können in den Diagrammen der Abhängigkeit des Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten von der Fluidisierungsrate beobachtet werden. Die Ursache für diese Schwankungen kann das aufeinanderfolgende Eintreffen unterschiedlich erhitzter Partikelpakete an den Beobachtungsstellen und manchmal Blasen sein, die durch das Bett gehen. Wenn Blasen durch das Bett gehen, kann sich eines der beiden Thermoelemente in einer Blase befinden, wodurch die Temperatur der Luft in der Blase registriert wird. Da die Temperatur der Luft in einer Blase höher ist als die Temperatur der Luft und der Feststoffpartikel in der Emulsionsphase, tritt zu diesem Zeitpunkt eine Temperaturerhöhung an dieser Stelle auf.

Durch ihr Zusammenwirken beeinflussen alle behandelten hydrodynamischen Parameter in hochkomplexer Weise den globalen Wärmeübergang in der Wirbelschicht und damit die Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten. Die Dominanz einiger von ihnen tritt nur in einem begrenzten Bereich auf. Die durch die Versuche erhaltenen Ergebnisse weisen darauf hin, daß die Porosität des Bettes, d.h., Konzentration von Partikeln, obwohl ein sehr wichtiger Faktor der Wärmeübertragung im Wirbelbett, ist nicht unabhängig vom Partikelfluss, der relativen Partikel- und Gasgeschwindigkeit und dem Rückmischen.

Der prozentuale Fehler des Messgeräts wurde basierend auf den erhaltenen Werten bestimmt:

■ Abstand zwischen den Thermoelementen – 1%
■ Zeit – 0,4%

Basierend auf den obigen Werten betrug der prozentuale durchschnittliche quadratische Fehler der Messgeräte 1,077%, während der Fehler bei der experimentellen Bestimmung des thermischen Diffusionskoeffizienten 8,8% betrug.

Wenn man bedenkt, dass die erhaltenen Werte des Wärmeübergangskoeffizienten-Messfehlers in den für die experimentelle Forschung zulässigen Grenzen liegen, können die Ergebnisse als vertrauenswürdig und genau angesehen werden.

WÄRMEÜBERTRAGUNG ZWISCHEN WIRBELSCHICHT UND IN DAS BETT EINGETAUCHTEN OBERFLÄCHEN

Die am häufigsten verwendete Art der Wärmeübertragung im Wirbelbett ist die Wärmeübertragung zwischen dem Wirbelbett und eingetauchten Oberflächen unterschiedlicher Formen und Größen (Botterill, 1975).

Der Wert des Wärmeübergangskoeffizienten erhöht sich, wenn die Gasgeschwindigkeit höher als die minimale Fluidisierungsgeschwindigkeit ist. Es erreicht sein Maximum für die Gasgeschwindigkeit, die als optimale Geschwindigkeit der Fluidisierung bekannt ist. Danach nimmt es mit zunehmender Geschwindigkeit ab.

Es ist allgemein anerkannt, dass der gesamte konvektive Wärmeübergangskoeffizient von Oberfläche zu Bett als aus drei additiven Komponenten zusammengesetzt angesehen werden kann:

wobei hpc, hgc, hb die partikelkonvektiven, die gaskonvektiven und die Blasenwärmeübergangskoeffizienten sind und (1-fo) die Kontaktzeit der Emulsionsphase mit der Wärmeübertragungsoberfläche ist (Chen et al., 2005).

Die Kontaktzeit des Partikelpakets mit der Oberfläche τ hängt sowohl von der Kontaktzeit der Blasen mit der Oberfläche fo als auch von der Häufigkeit des Transits der Blasen an dem betrachteten Punkt auf der Oberfläche ab

wobei A der Koeffizient ist, der definiert ist als:

Rk und Rc in (10) sind der Wärmeübergangswiderstand des Partikelpakets und der Kontaktwärmewiderstand eines Gasfilms. Hamidipour et al. (2005) untersuchten den Partikel-Wand-Kontakt experimentell und fanden heraus, dass die Partikel-Wand-Kontaktzeit in einem Bett aus Sandpartikeln mit zunehmender Gasgeschwindigkeit im Blasenregime der Fluidisierung abnimmt.

Der größte Teil des Gesamtkoeffizienten der Wärmeübertragung ist der konvektive Wärmeübergangskoeffizient der Partikel (Botterill, 1975, Baskakov et al, 1978):

Es hat sich gezeigt, dass die Partikelgröße einen wichtigen Einfluss sowohl auf den Wert des maximalen Wärmeübergangskoeffizienten als auch auf die Änderung der Wirkung bestimmter Mechanismen auf den Gesamtwärmeübergang hat. Aus diesem Grund ist der Einfluss der Partikelgröße auf den Wärmeübergang in der Wirbelschicht das häufigste Ziel der experimentellen Forschung. Die experimentellen Ergebnisse (Wang et al., 2004) zeigen, dass für kleine Partikel dp<0.8 mm werden die Auswirkungen der thermophysikalischen Eigenschaften von Partikeln auf den Wärmeübergangskoeffizienten mit abnehmendem Partikeldurchmesser wichtig.

VERSUCHSAPPARAT

Die experimentelle Untersuchung der Wärmeübertragung durch Konvektion zwischen dem Tauchrohr und dem Wirbelbett wurde auf dem Labormaßstabsapparat der Höhe 600 mm und des quadratischen Querschnitts der Maße 160×160 mm durchgeführt.

Die eingetauchte Wärmeaustauschfläche – eine elektrische Heizung – besteht aus einem Kupferrohr mit einem Außendurchmesser von 16 mm und einer Länge von 100 mm. Drei Thermoelemente sind an der Außenfläche – an der Vorderseite, seitlich und oben – relativ zur Richtung der Heizungsdrehung zum Fluidisierungsluftstrom eingebaut. Die Heizung wird in einem Rahmen mit den Abmessungen 150 x 150 mm am Träger befestigt (Abbildung 4). Der Rahmen kann um die horizontale Achse gedreht werden, 100 mm über dem Verteiler, wodurch die Neigung der Heizung geändert werden kann.

Um für jede Fluidisierungsgeschwindigkeit die gleichen Arbeitsbedingungen zu erhalten, wurde die Heizungsneigung geändert und die Temperatur der Heizungsoberfläche und des Bettes in jedem Winkel gemessen. Für eine definierte Fluidisierungsgeschwindigkeit wurde die Neigung der Heizung schrittweise in 10º-Schritten von der vertikalen Position (Winkel von 0º) in die horizontale Position (Winkel von 90º) geändert. Für jeden Neigungswinkel wurden die Messungen nach Erreichen des stationären Zustands wiederhergestellt. Das Verfahren wurde für jede neue Fluidisierungsgeschwindigkeit und alle drei Partikelgrößen wiederholt: 0,3, 0,5 und 0,9 mm. Die Stehbetthöhe betrug 160 mm.

ERGEBNISSE UND DISKUSSIONSSCHLUSSFOLGERUNGEN

Die Definition der Mittelwerte des Wärmeübergangskoeffizienten zwischen Wirbelschicht und eingetauchten geneigten Austauschflächen setzt definierte lokale Wärmeübergangskoeffizienten voraus (Baskakov et al., 1973), deren Verteilung entlang der Oberfläche aufgrund unterschiedlicher aerodynamischer Bedingungen sehr ungleichmäßig ist.

Die Messung des lokalen Wärmeübergangskoeffizienten zwischen Heizfläche und Wirbelschicht wurde durchgeführt, um den Mittelwert des Wärmeübergangskoeffizienten für die gesamte Heizung zu definieren. Aufgrund der Symmetrie der Strömung um den Zylinder ist der Mittelwert des Wärmeübergangskoeffizienten definiert als der arithmetische Mittelwert der lokalen Wärmeübergangskoeffizienten:

Um den Einfluss der Sandpartikelgröße auf den Wärmeaustausch zwischen der Wirbelschicht und der Eintauchfläche für eine geneigte Heizung zu untersuchen, wurden Untersuchungen mit Partikeldurchmessern von 0,3, 0,5 und 0,9 mm durchgeführt.

Die Tendenz der Änderung des Wärmeübergangskoeffizienten mit zunehmender Fluidisierungsrate ist für kleinere und größere Partikel ähnlich – Abbildungen 5, 6 und 7 (Baskakov et al., 1978), obwohl dieser Einfluss für größere Partikel weniger signifikant ist, weil nach Erreichen einer Fluidisierungsrate von 2.5 hervorgeht, beeinflusst die Luftgeschwindigkeit die Wärmeübergangskoeffizientenverteilung nur unwesentlich.

Um eine bessere Analyse des Einflusses der Partikelgröße und der Fluidisierungsrate auf den Wärmeaustausch zwischen Wirbelschicht und geneigter Oberfläche zu ermöglichen, zeigt Abbildung 8 die Abhängigkeit des relativen Wärmeübergangskoeffizienten (h * = hφ / hº) vom Neigungswinkel für Fluidisierungsraten von 1 bis 3.

Die Abbildung unterstreicht deutlich die Tendenz der Änderung des Wärmeübergangskoeffizienten, unabhängig vom Partikeldurchmesser gleich zu bleiben, aber mit zunehmendem Partikeldurchmesser nimmt der Einfluss der Heizungsneigung ab. Somit nimmt der Unterschied zwischen den Werten des relativen Wärmeübergangskoeffizienten in vertikaler und horizontaler Position der Heizung für den Partikeldurchmesser 0,3 mm von 24% auf 10% ab; für einen Partikeldurchmesser 0,5 mm von 23% auf 10% und für den Partikeldurchmesser 0,9 mm von 20% auf 8% mit der Erhöhung der Fluidisierungsrate von N = 1 auf N = 3,.

SCHLUSSFOLGERUNGEN

Auf der Grundlage der Ergebnisse der experimentellen und theoretischen Forschung der Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten in der Wirbelschicht, die bisher durchgeführt wurden, sowie auf der Grundlage der Ergebnisse unserer eigenen experimentellen Forschung wurde bestätigt, dass die Wirbelschicht eine sehr gute Wärmeleitfähigkeit aufweist, die ihre Anwendung in zahlreichen industriellen Wärmeaustauschprozessen ermöglicht.

Die in der experimentellen Forschung erzielten Ergebnisse haben gezeigt, dass die Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten von der hydrodynamischen Struktur der Wirbelschicht abhängen. Obwohl sich die Änderung der Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten in axialer und radialer Richtung unterscheidet, hängt sie im Allgemeinen von der Fluidisierungsrate und der Partikelgröße ab.

Für alle behandelten Sandfraktionen lagen die Werte des Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten der Wirbelschicht in axialer Richtung innerhalb von 450-3100 W/mK, was auch den bei allen Messungen erreichten Maximalwert darstellt. Die erhaltenen Werte derselben Koeffizienten in radialer Richtung liegen innerhalb von 19-110 W / mK, was ein zufriedenstellendes Maß an Übereinstimmung mit den Ergebnissen anderer Autoren liefert.

Trotz der Komplexität der Analyse der Wärmeleitfähigkeit durch das Wirbelbett liefern die erhaltenen Ergebnisse ein realistisches Bild, das in allen zukünftigen theoretischen und experimentellen Forschungen zum Prozess der Wärmeleitung im Wirbelbett verwendet werden kann.

Die Ergebnisse experimenteller Untersuchungen bestätigen die direkte Abhängigkeit der Wärmeaustauschintensität von den aerodynamischen Bedingungen im Wirbelbett. Es ist ersichtlich, dass die Häufigkeit und die Kontaktdauer von Wärmeaustauschflächen mit Blasen und Partikelpaketen von der Partikelgröße, der Fluidisierungsgeschwindigkeit und der Neigung der Wärmeaustauschfläche abhängt.

Die Tendenz der Änderung des Wärmeübergangskoeffizienten bleibt unabhängig vom Partikeldurchmesser gleich. Der Einfluss der Neigung nimmt jedoch mit zunehmendem Partikeldurchmesser ab. Daraus kann geschlossen werden, dass der Einfluss der Partikelgröße auf den Wärmeübergangskoeffizienten für geneigte Oberflächen vernachlässigt werden kann.

Es kann auch geschlossen werden, dass der Einfluss der Austauschflächenneigung auf den Wärmeübergang zwischen Wirbelschicht und Eintauchflächen mit zunehmender Fluidisierungsrate abnimmt.

NOMENKLATUR

Symbole
a		thermischer Diffusionskoeffizient		m2/s
Ar		Archimedes-Nummer
kp		spezifische Wärmekapazität von Feststoffen		J/Kilogramm K
Ds		feste Diffusivität		m2/s
fo		zeit des Kontakts von Blasen mit der Oberfläche
H		entalphy		kJ/kg
doppelpenetration		partikeldurchmesser		m
h1		lokaler Wärmeübergangskoeffizient auf der Vorderseite		W /m2K
h2		lokaler Wärmeübergangskoeffizient auf der lateralen Seite		W/m2K
h3		local heat transfer coefficient on upper side		W/m2K
hm		mean value of heat transfer coefficient		W/m2K
hb		bubble heat transfer coefficient		W/m2K
hgc		gas convective heat transfer coefficient		W/m2K
hpc		particle convective heat transfer koeffizient		W /m2K
h * = h φ/hº		relativer Wärmeübergangskoeffizient
N		die Fluidisierungsrate
RC		kontakt thermischer Widerstand eines Gasfilms
RK		beständigkeit gegen Wärmeübertragung des Partikelpakets
Subscripts
a		axial
mf		minimum fluidization
p		particle
r		radial
Griechische Buchstaben
λ		wärmeleitfähigkeitkoeffizient		W/m K
ε		porosität der Wirbelschicht
pp		sanddichte		kg/m3
ρν		massensanddichte		kg/m3
φ		heizung neigungswinkel		º
τ		zeitpunkt des Kontakts des Partikelpakets mit der Oberfläche		s

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