Experimental investigation of thermal conductivity coefficient and heat exchange between fluidized bed and hellend exchange surface

FLUID DYNAMICS; HEAT AND MASS TRANSFER; AND OTHER TOPICS

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

IFaculty of Mechanical Engineering, University of Nis, Serbia, Aleksandra medevedeva 14, 18000 nis, Servië. E-mail: [email protected]
IIFaculty of Mechanical Engineering, University of Nis, Serbia, Aleksandra Medevedeva 14, 18000 Nis, Serbia. E-mail: [email protected]
Ilifaculty of Mechanical Engineering, University of Nis, Serbia, Aleksandra Medevedeva 14, 18000 Nis, Serbia. E-mail: [email protected]

ABSTRACT

het document presenteert experimenteel onderzoek naar warmtegeleidingscoëfficiënten van het kiezelzandbed dat door lucht wordt gefluïdiseerd en een experimenteel onderzoek naar de invloed van de deeltjesgrootte op de warmteoverdrachtscoëfficiënt tussen gefluïdiseerd bed en hellende uitwisselingsoppervlakken. De metingen werden uitgevoerd voor de specifieke fluïdisatiesnelheid en zanddeeltjes diameters dp = 0,3, 0,5, 0,9 mm. het industriële gebruik van wervelbedden is in de afgelopen 20 jaar snel toegenomen vanwege hun nuttige eigenschappen. Een van de opmerkelijke kenmerken van een wervelbed is dat het de neiging heeft om een uniforme temperatuur te handhaven, zelfs met niet-uniforme warmteafgifte. Op basis van experimenteel onderzoek is de invloed van de operationele parameters van het proces op de verkregen waarden van de thermische geleidbaarheid van het bed geanalyseerd. De resultaten tonen een directe afhankelijkheid van thermische geleidbaarheid van de intensiteit van het mengen, de mate van fluïdisatie en de grootte van deeltjes. In de axiale richting, de coëfficiënten die zijn behandeld hebben waarden een hele orde hoger dan in de radiale richting. Vergelijking van experimentele onderzoeksresultaten met experimentele resultaten van andere auteurs toont een goede overeenkomst en dezelfde tendens van thermische geleidbaarheid verandering. Het is bekend in de literatuur dat de waarde van de warmteoverdrachtscoëfficiënt de hoogste is in de horizontale positie en de kleinste in de verticale positie van het warmteoverdrachtsoppervlak. Variatie van warmteoverdracht, afhankelijk van de hellingshoek wordt niet in detail onderzocht. Het verschil tussen de waarden van de relatieve warmteoverdrachtscoëfficiënt tussen verticale en horizontale positie van het verwarmingstoestel voor alle deeltjesgroottes vermindert met ongeveer 15% met de toename van de fluïdisatiesnelheid.

trefwoorden: wervelbed; warmteoverdracht; oppervlak; warmtegeleidingsvermogen van deeltjes; kiezelzand; Experiment.

inleiding

sinds het ontstaan ervan heeft het fenomeen fluïdisatie de aandacht van talrijke onderzoekers getrokken. De toepassing ervan in tal van technologische operaties komt voort uit zijn uitstekende eigenschappen, die worden weerspiegeld in: intensieve menging van vaste deeltjes, een hoog contactoppervlak tussen gas en vaste deeltjes, een bijna constante temperatuur in het hele bed en eenvoudige in-en verwijdering van het materiaal uit het bed. In de afgelopen decennia zijn talrijke papers en studies van het proces van fluïdisatie en de toepassing ervan gepubliceerd, waarvan de meeste gebaseerd zijn op experimenteel onderzoek. Het gebied van warmtegeleiding is van groot belang voor onderzoekers, omdat het wervelbed wordt gekenmerkt door een hoge warmtegeleiding. Ondanks een groot aantal artikelen over dit probleem (Massoudi en Phouc, 2007) zijn de conclusies van de auteurs zeer uiteenlopend, soms zelfs tegenstrijdig. De redenen voor deze verspreiding van de resultaten liggen in verschillende omstandigheden waarin deze experimenten worden uitgevoerd. Deze feiten hebben experimenteel onderzoek gemotiveerd met als belangrijkste doel het bepalen van warmtegeleidingscoëfficiënten van het wervelbed voor deeltjes kiezelzand van verschillende fracties. Op basis van de verkregen waarden van de warmteoverdrachtscoëfficiënt, kan men concluderen dat de tendens van verandering van de warmteoverdrachtscoëfficiënt hetzelfde blijft, onafhankelijk van de deeltjesgrootte. De tendens van verandering van de warmteoverdrachtscoëfficiënt met verhoging van fluïdisatiesnelheid is minder significant voor grotere deeltjes. De invloed van de belangrijkste parameters op de waarden van warmtegeleidingscoëfficiënten van het gefluïdiseerde bed is geanalyseerd door de verkregen experimentele resultaten.

door zeer efficiënt contact tussen gas en deeltjes, d.w.z., wervelbed en ondergedompeld warmte-uitwisseling oppervlakken of wanden, wervelbedden hebben zeer intensieve warmte-uitwisseling. De warmteoverdracht tussen het wervelbed en de ondergedompelde oppervlakken in het bed is een functie van de dynamische kenmerken van het bed (Martin, 1984), vooral de bellenbeweging en de intensiteit van het mengen van deeltjes. Het is echter duidelijk dat fluïdisatiesnelheid en deeltjesgrootte de meest invloedrijke factoren zijn op de uitgewisselde warmtehoeveelheid tussen oppervlakken.

ook zijn de belangrijkste factoren voor de warmteoverdracht tussen een ondergedompeld oppervlak en een wervelbed de beweging van de deeltjes in de buurt van het warmteoverdrachtoppervlak, de contacttijd met het oppervlak en de deeltjesconcentratie op de wand (Zarghami et al., 2007). De beweging van Gas en deeltjes boven, over en aan de laterale zijde van uitwisselingsoppervlakken is specifiek, dus de veranderingen in die zones worden meestal in de literatuur onderzocht.

de complexiteit van het probleem en de meerderheid van de beïnvloedende factoren, die moeilijk in vergelijkingen zijn op te nemen, maken de experimentele bepaling van de warmteoverdrachtscoëfficiënt aanvaardbaar.

warmtegeleidingsvermogen van het gefluïdiseerde BED

aangezien de specifieke thermische capaciteit van vaste deeltjes volumetrisch hoger is dan de specifieke thermische capaciteit van gassen, zijn bewegende deeltjes basiswarmtehouders in het bed. In dit geval kan de gewone vergelijking van Fourier worden gebruikt voor het beschrijven van het proces van warmtevoortplanting in het gefluïdiseerde bed, waar de thermische diffusiecoëfficiënt de intensiteit van het mengen van materiaal in het bed weerspiegelt. De waarde ervan kan worden gemeten door een aangepaste methode van de momentane warmtebron, waarvan de essentie als volgt is: een sterke momentane thermische impuls wordt gecreëerd in het wervelbed door snel een klein deel van eerder verhitte deeltjes van hetzelfde materiaal erin te gieten. Het moment van het bereiken van maximale temperatuur tmax op een bepaalde afstand van de warmtebron wordt geregistreerd volgens de vergelijking (Geljperin, 1967):

waarbij n = 3, 2, 1 afhankelijk van of warmtebron is een punt, een lijn of een oppervlak. De beweging van belletjes maakt het mengen van deeltjes in de emulsiefase mogelijk, zowel in de richting van de hoogte van het bed als in de radiale richting, waarbij een bepaalde hoeveelheid deeltjes door een waargenomen snijpunt van het bed gaat. Aangezien deeltjes in het niet-isothermische bed verschillen met betrekking tot de waarde van enthalpie, zal een resulterende flux van warmere deeltjes verschijnen als hun concentratie hoger is aan één zijde van de waargenomen snijpunt. Voorondersteld dat de concentratie van warmere deeltjes per volume-eenheid alleen in de richting van de stroom van deeltjes verandert, kan hun resulterende thermische flux per oppervlak-eenheid worden uitgedrukt als:

als de volgende uitdrukking voor enthalpie in de uitdrukking wordt ingevoerd (2):

wij verkrijgen:

waar λ is de warmtegeleidingscoëfficiënt van de fluidized bed, die is gedefinieerd als:

Voor het bepalen van de warmtegeleidingscoëfficiënt in de axiale richting, Borodulja en medewerkers (1966) gebruikt een glazen buis, lengte van 1 m, een diameter van 80mm. Op het bovenste oppervlak van het bed, een onmiddellijke oppervlak warmte bron is gemaakt door het gieten van een klein deel (5-7% in volume) van de deeltjes verwarmd in een oven tot een temperatuur van 100-700ºC. De tijd van het gieten van deeltjes was minder dan 0,5 s. Voor het meten van de temperatuur van het bed werden twee thermokoppels gebruikt; een daarvan werd op de verdeler geplaatst, de andere op de helft van de hoogte van het bed. Metingen werden uitgevoerd met verschillende monodisperse en polydisperse fracties van verschillende soorten materiaal voor verschillende hoogtes van het stilstaande bed. De verwerking van experimentele gegevens heeft aangetoond dat de thermische diffusiecoëfficiënt in de axiale richting kan worden beschreven door de volgende vergelijking:

bepaling van de warmtegeleidingscoëfficiënt in de radiale richting wordt uitgevoerd in een buis met een diameter 175mm. een momentane plek warmtebron werd verkregen door snel gieten van een klein deel van warme zanddeeltjes langs de as van het apparaat door een glazen buis met een diameter 25mm. voor temperatuurmeting, werd een thermokoppel geplaatst op de hoogte van het gieten van deeltjes uit de buis, op de afstand van 60-70mm van de as.

het onderzoek heeft aangetoond dat er een zeer intensieve menging is van materiaal in het wervelbed in de axiale richting. Axiale warmtegeleidingscoëfficiënt lag binnen λa = (1100-6000)W / M. K. anderzijds was het mengen van materiaal in de radiale richting relatief klein. De waarden van de radiale warmtegeleidingscoëfficiënten waren: λr = (50150)W / m.K.

In hun gepubliceerde paper, Peters et al. (1953) probeerde de warmtegeleidingscoëfficiënt te berekenen door het temperatuurprofiel in het wervelbed te bepalen. Het apparaat was in de vorm van een parallellepipedum, breedte 65mm, lengte 450mm, hoogte 480mm, die niet volledig was gevuld met zand (dekv=0,23 mm). Als warmtebron gebruikten ze een elektrische kachel bestaande uit een draadspiraal, die warmte gelijkmatig langs het dwarsgedeelte van het bed. Door thermische isolatie van het vat kon het thermische verlies door de wand niet meer dan 7% bedragen. Berekende numerieke waarden van thermische geleidbaarheid in de axiale richting waren binnen 1163-1977 W / M. K, terwijl in de radiale richting waren ze van de Orde van 12002000 W / M. K. Peters et al. (1953) stellen dat deze waarden aanzienlijk zijn verhoogd en dat zij op basis van dergelijke experimentele omstandigheden praktisch onmogelijk te verkrijgen zijn.

het onderzoek naar de warmtegeleidbaarheid van het wervelbed toont aan dat de resultaten van verschillende auteurs (Kunii en Levenspiel, 1976) verspreid zijn, aangezien zij een complexe afhankelijkheid van warmtegeleidingscoëfficiënten van verschillende factoren aantonen. Daarom is het zeer moeilijk om een benadering te geven van de verkregen resultaten door een mondiale empirische afhankelijkheid. Voor praktische berekeningen is het veel betrouwbaarder om op een gegeven moment absolute waarden van de coëfficiënt λ te nemen.

experimentele methode

het doel van het experimentele onderzoek op het gefluïdiseerde bed in dit artikel is de bepaling van warmtegeleidingscoëfficiënten afhankelijk van de operationele kenmerken van het gefluïdiseerde bed: snelheid, fluïdisatiesnelheid en de grootte van deeltjes. Experimenteel onderzoek werd uitgevoerd op een laboratoriumapparaat (figuur 1). Het apparaat bestaat uit een meetgedeelte, waarboven een buis is voor de toevoer van verwarmd zand in het bed, een apparaat voor de toevoer van lucht en een apparaat voor het meten, regelen en registreren van het proces. Speciale aandacht werd besteed aan de bouw van het apparaat voor de levering van verwarmd zand in het bed. Materiaal, dat eerder werd verwarmd tot een temperatuur van 250-350ºC, werd onmiddellijk ingebracht in het wervelbed door snel oppervlak gieten door de buis met een diameter van 45mm op het bedoppervlak.

een ventilator uit de externe omgeving levert de lucht die nodig is voor fluidisatie. De luchtstroom wordt gemeten door een standaardapparaat, terwijl een klep de gewenste luchtstroom mogelijk maakt. Om de luchtstroom te stabiliseren, zijn de secties voor en achter het apparaat lang genoeg. Een door glaswol geïsoleerde kamer zorgt voor een gelijkmatige verdeling van de lucht op het snijpunt van het operationele deel van het apparaat. Een verdeler wordt geplaatst bij de inlaat in het operationele deel van het apparaat, terwijl een taps toelopende verlenging, die het verwijderen van kleine fracties voorkomt, boven wordt geplaatst. Chromel-alumel thermokoppels worden gebruikt voor temperatuurmetingen. Een van hen wordt geplaatst bij de uitlaat van het bed. Een andere, voor het bepalen van de thermische diffusiecoëfficiënt in de axiale richting wordt direct boven de verdeler geplaatst (figuur 1a), dat wil zeggen, voor het bepalen van ar in de radiale richting (figuur 1b).

om te beginnen met de experimentele bepaling van de warmtegeleidingscoëfficiënt werden bepaalde metingen uitgevoerd. Kiezelzand met verschillende fracties werd gebruikt als materiaal voor fluïdisatie. Na het zeven in standaardzeven werden fracties kiezelzand met een gemiddelde deeltjesdiameter van 0,3 mm, 0,5 mm en 0,9 mm gescheiden (Tabel 1). De volgende kenmerken werden bepaald voor elke fractie:

■ werkelijke zanddichtheid pp,
■ bulkzanddichtheid pn,
■ equivalente deeltjesdiameter dp,
■ porositeit bij minimale fluïdisatiesnelheid emf,
■ minimale fluïdisatiesnelheid Umf.

de minimale fluïdisatiesnelheid werd experimenteel bepaald en de waarde ervan valt samen met de waarde uit de vergelijking (Srinivasakannan en Balasubramanian)., 2002):

de bulkdichtheid van de deeltjes werd bepaald door vrijelijk een bepaalde hoeveelheid zand in een gekalibreerd vat te gieten, terwijl de werkelijke dichtheid werd bepaald door een picnometer. De waarde van de specifieke thermische capaciteit is ontleend aan Naumann (1981).

zoals gezegd worden voor de bepaling van de warmtegeleidingscoëfficiënt in de axiale richting twee thermokoppels geplaatst op de as van het stilstaande bed, waarbij de eerste op 43,5 mm van de verdeler werd geplaatst en de tweede op het oppervlak van het bed. Door de luchtstroom aan te passen, wordt de gewenste luchtsnelheid bij de werktemperatuur verkregen. Bij deze werksnelheid van de lucht, met een bekende minimale fluïdisatiesnelheid, werd de fluïdisatiesnelheid bepaald. In deze gevestigde staat wordt een reeds geprepareerd deel van eerder verhit zand zeer snel ingebracht door de vaste buis. Tijdens de beweging van ingebracht warm zand door het wervelbed, de thermokoppels gemeten temperatuur in het bed, met registratie op een acquisitiesysteem. Voor een vaste fluïdisatiesnelheid werden afzonderlijke bedtemperaturen geregistreerd elk 0,02 s. wat kan worden opgemerkt is dat de temperatuur in het bed toeneemt, als gevolg van de beweging van hete zanddeeltjes. Tegelijkertijd wordt de tijdspanne tussen twee door de thermokoppels geregistreerde maximale temperatuurstijgingen afgelezen. Voor een bekende afstand tussen de thermokoppels en de leestijd wordt de waarde van de thermische diffusiecoëfficiënt berekend. Aangezien de thermische diffusiviteit wordt bepaald in de axiale richting, wordt aangenomen dat in vergelijking (1) de waarde van n=1 (dosering van het oppervlaktemateriaal). Voor een bepaalde fluïdisatiesnelheid en de bestaande omstandigheden werd het experiment meerdere malen herhaald. De snelheid van de lucht werd toen verhoogd en een ander experiment werd uitgevoerd, voor dezelfde zandfractie, op de hierboven beschreven wijze. Na het meten van een bepaalde fractie wordt het operationele deel van het apparaat geleegd en wordt een andere fractie ingegoten en hetzelfde experiment herhaald.

de waarden van de warmtegeleidingscoëfficiënt in de radiale richting werden bepaald volgens dezelfde procedure als de waarden van de axiale geleidbaarheid. Zoals reeds is beschreven, ligt het verschil in de posities van thermokoppels, die in dit geval in hetzelfde vlak waren (figuur 1b), en met de dosering van puntbronmateriaal (n=3).

resultaten en discussie

voor de beoordeling van de intensiteit van het mengen in het wervelbed is de effectieve warmtegeleidingscoëfficiënt gezaghebbend. Gezien het onderlinge verband tussen warmtegeleidingsvermogen en thermische diffusiecoëfficiënten, toont figuur 2 de afhankelijkheid van de gemiddelde waarden van de warmtegeleidingscoëfficiënt van de snelheid van het fluïdisatiemiddel. Aangezien thermische geleidbaarheid en thermische diffusiviteit zijn verbonden door specifieke thermische capaciteit van deeltjes en de dichtheid van het gefluïdiseerde bed, die direct afhankelijk is van de porositeit van het bed, is de manier waarop de warmtegeleidingscoëfficiënt verandert met de fluïdisatiesnelheid vergelijkbaar met de manier waarop de thermische diffusiecoëfficiënt verandert met de fluïdisatiesnelheid. De maximale waarde van de thermische geleidbaarheid, die optreedt bij een fluïdisatiesnelheid van ongeveer N = 2.5, nogmaals wijst op het feit dat, bij die snelheid van de fluïdisatie agens, mengen van deeltjes leidt tot meer intense contacten en botsingen van vaste deeltjes (Huilin et al., 2007). Het optreden van het maximum kan ook worden verklaard door een afname van de dichtheid van het gefluïdiseerde bed en een toename van de porositeit met de toename van de gassnelheid, die verschillende kenmerken van de verandering van de warmtegeleidingscoëfficiënt kan veroorzaken.

in het algemeen zijn de verkregen waarden van de thermische diffusiecoëfficiënt in de radiale richting kleiner met een hele orde (Figuur 3). In tegenstelling tot de geleidbaarheidscoëfficiënt in de axiale richting, indit geval wat kan worden waargenomen voor alle gemiddelde equivalente diameters is het optreden van het maximum van de warmtegeleidingscoëfficiënt in de radiale richting bij een fluïdisatiesnelheid N=2,5. Volgens talrijke onderzoekers beïnvloedt de lokale concentratie van deeltjes de warmteoverdracht in de zin van de intensivering ervan wanneer de ringvormige verdeling van deeltjes over het dwarsgedeelte van de kolom (met een vaste kern in het midden, een verheven bed rond de kern en een dichte ring naast de muur) verslechtert. Tegelijkertijd neemt het mengen van deeltjes en de frequentie van hun wederzijdse botsingen toe, wat de intensievere verspreiding van warmte verbetert. Bepaalde schommelingen van de waarden van thermische diffusie kunnen worden waargenomen in de diagrammen van afhankelijkheid van thermische diffusiecoëfficiënt op de fluïdisatiesnelheid. De oorzaak van deze schommelingen kan opeenvolgende aankomst van verschillend verwarmde deeltjes pakketten op de observatieplaatsen en soms bellen die door het bed. Wanneer bellen door het bed gaan, op een bepaald moment, kan een van de twee thermokoppels in een bel zitten, waardoor de temperatuur van de lucht in de bel wordt geregistreerd. Aangezien de temperatuur van lucht in een bel hoger is dan de temperatuur van lucht en van vaste deeltjes in de emulsiefase, zal op die plaats op dat moment een temperatuurstijging optreden.

door middel van hun interactie beïnvloeden alle behandelde hydrodynamische parameters op een zeer complexe manier de Globale warmteoverdracht in het gefluïdiseerde bed en, bijgevolg, warmtegeleidingscoëfficiënten. Overheersing van sommige van hen komt slechts in een beperkt bereik voor. De resultaten verkregen door de experimenten wijzen op het feit dat porositeit van het bed, d.w.z., de concentratie van deeltjes, hoewel een zeer belangrijke factor van warmteoverdracht in het gefluïdiseerde bed, is niet onafhankelijk van deeltjesflux, relatieve deeltjes en gassnelheid, en omgekeerde menging.

foutpercentage van het meetinstrument werd bepaald op basis van de verkregen waarden:

afstand tussen de thermokoppels – 1%
tijd – 0,4%

op basis van de bovenstaande waarden bedroeg het percentage gemiddelde kwadraatfout van de meetinstrumenten 1,077%, terwijl de fout bij het experimenteel bepalen van de thermische diffusiecoëfficiënt 8,8% bedroeg.

rekening houdend met het feit dat de verkregen waarden van de meetfout van de warmteoverdrachtcoëfficiënt binnen de grenzen liggen die voor het experimentele onderzoek zijn toegestaan, kunnen de resultaten als betrouwbaar en nauwkeurig worden beschouwd.

warmteoverdracht tussen wervelbed en in het BED ondergedompeld oppervlak

de meest gebruikte manier van warmteoverdracht in wervelbed is de warmteoverdracht tussen het wervelbed en ondergedompelde oppervlakken van verschillende vormen en maten (Botterill, 1975).

de waarde van de warmteoverdrachtscoëfficiënt neemt toe wanneer de gassnelheid hoger is dan de minimale fluïdisatiesnelheid. Het bereikt zijn maximum voor de gassnelheid die bekend staat als de optimale snelheid van de fluïdisatie. Hierna neemt het af met de toename van de snelheid.

algemeen wordt aangenomen dat de totale convectieve warmteoverdrachtscoëfficiënt van het oppervlak naar het bed kan worden geacht uit drie additieve componenten te bestaan:

waar hpc, hgc, hb zijn het deeltje convectief, het gas convectief en de bel warmteoverdracht coëfficiënten, en (1-fo) is de tijd van contact van de emulsiefase met het warmteoverdrachtoppervlak (Chen et al., 2005).

het tijdstip waarop de deeltjes in contact komen met het oppervlak τ hangt af van zowel het tijdstip waarop de bellen in contact komen met het oppervlak fo als de frequentie van de doorvoer van de bellen op het beschouwde punt op het oppervlak

waarbij A de coëfficiënt is die wordt gedefinieerd als:

Rk en Rc in (10) zijn de weerstand tegen warmteoverdracht van de deeltjesverpakking en de contact thermische weerstand van een gasfilm. Hamidipour et al. (2005) onderzocht deeltjes-wand contact experimenteel en vond dat de deeltjes-wand contact tijd in een bed van zanddeeltjes afneemt met toenemende gassnelheid in het borrelen regime van fluïdisatie.

het grootste deel van de totale warmteoverdrachtcoëfficiënt is de convectieve warmteoverdrachtcoëfficiënt van het deeltje (Botterill, 1975, Baskakov et al, 1978):

men heeft gezien dat de deeltjesgrootte een belangrijk effect heeft op zowel de waarde van de maximale warmteoverdrachtcoëfficiënt als op de verandering van het effect van bepaalde mechanismen op de totale warmteoverdracht. Om deze reden is de invloed van de deeltjesgrootte op de warmteoverdracht in het gefluïdiseerde bed het meest voorkomende doel van het experimentele onderzoek. De experimentele resultaten (Wang et al., 2004) tonen aan dat Voor kleine deeltjes dp<0.8 mm, de effecten van thermofysische eigenschappen van deeltjes op de warmteoverdrachtcoëfficiënt worden belangrijk met afnemende deeltjesdiameter.

experimentele apparatuur

experimenteel onderzoek naar warmteoverdracht door convectie tussen een ondergedompelde buis en het wervelbed werd uitgevoerd op een laboratoriumapparaat met een hoogte van 600 mm en een vierkante dwarsdoorsnede van 160×160 mm.

het ondergedompelde warmtewisselingsoppervlak-een elektrisch verwarmingstoestel-is gemaakt van koperen buis met een buitendiameter van 16 mm en een lengte van 100 mm. Drie thermokoppels zijn ingebouwd aan de buitenzijde – aan de voorzijde, zij – en bovenzijde-ten opzichte van de draairichting van de kachel ten opzichte van de fluïdisatieluchtstroom. De verwarming wordt op de drager bevestigd in een frame met afmetingen van 150×150 mm (Figuur 4). Het frame kan om de horizontale as worden gedraaid, 100 mm boven de verdeler, waardoor de helling van de verwarming kan worden gewijzigd.

om voor elke fluïdisatiesnelheid dezelfde werkomstandigheden te krijgen, werd de helling van de verwarming veranderd en werden de temperatuur van het verwarmingsoppervlak en het bed onder elke hoek gemeten. Voor een gedefinieerde fluïdisatiesnelheid werd de helling van de verwarming geleidelijk in stappen van 10º veranderd van de verticale positie (hoek van 0º) naar de horizontale positie (hoek van 90º). Voor elke hellingshoek werden de metingen hersteld na het bereiken van de stationaire toestand. De procedure werd herhaald voor elke nieuwe fluïdisatiesnelheid en alle drie de deeltjesgroottes: 0,3, 0,5 en 0,9 mm. de hoogte van het stilstaande bed was 160 mm.

resultaten en conclusies van de discussie

het bepalen van de gemiddelde waarden van de warmteoverdrachtscoëfficiënt tussen het gefluïdiseerde bed en de ondergedompelde hellende wisselvlakken veronderstelt gedefinieerde lokale warmteoverdrachtscoëfficiënten (Baskakov et al., 1973), waarvan de verdeling langs het oppervlak is zeer ongelijk, vanwege verschillende aërodynamische omstandigheden.

de meting van de lokale warmteoverdrachtscoëfficiënt tussen het verwarmingsoppervlak en het wervelbed werd uitgevoerd om de gemiddelde waarde van de warmteoverdrachtscoëfficiënt voor het gehele verwarmingstoestel te bepalen. Vanwege de symmetrie van de stroom rond de cilinder wordt de gemiddelde waarde van de warmteoverdrachtscoëfficiënt gedefinieerd als de rekenkundige gemiddelde waarde van lokale warmteoverdrachtscoëfficiënten:

om te onderzoeken of de invloed van zand korrelgrootte op de warmte-uitwisseling tussen de fluidized bed en ondergedompeld oppervlak voor een hellend verwarming, onderzoeken werden uitgevoerd met deeltjes een diameter van 0.3, 0.5 en 0.9 mm.

De neiging van de warmteoverdracht coëfficiënt veranderen met de toename van fluidization tarief is vergelijkbaar voor de kleinere en grotere deeltjes – Figuren 5, 6 en 7 (Baskakov et al., 1978), hoewel deze invloed minder significant is voor grotere deeltjes, omdat na het bereiken van een fluïdisatiesnelheid van 2.5, de luchtsnelheid beïnvloedt onbeduidend de verdeling van de warmteoverdracht coëfficiënt.

om een betere analyse te maken van de deeltjesgrootte en de invloed van de fluïdisatiesnelheid op de warmte-uitwisseling tussen gefluïdiseerd bed en hellend oppervlak, toont figuur 8 de afhankelijkheid van de relatieve warmteoverdrachtscoëfficiënt (h*=hφ/hº) op de hellingshoek voor fluïdisatiesnelheden van 1 tot 3.

de figuur onderstreept duidelijk de neiging van de verandering van de warmteoverdrachtscoëfficiënt om hetzelfde te blijven, ongeacht wat de deeltjesdiameter, maar met de toename van de deeltjesdiameter neemt de invloed van de helling van de verwarming af. Zo neemt het verschil tussen de waarden van de relatieve warmteoverdrachtscoëfficiënt in verticale en horizontale positie van de verwarmer voor deeltjesdiameter 0,3 mm af van 24% tot 10%; voor een deeltjesdiameter 0,5 mm van 23% tot 10% en voor deeltjesdiameter 0,9 mm van 20% tot 8% met de toename van de fluïdisatiesnelheid van N=1 tot n=3.

conclusies

op basis van de tot dusver uitgevoerde resultaten van experimenteel en theoretisch onderzoek naar warmtegeleidingscoëfficiënten in het wervelbed en op basis van de resultaten van ons eigen experimenteel onderzoek is bevestigd dat het wervelbed een zeer goede warmtegeleidbaarheid heeft, waardoor het kan worden toegepast in talrijke industriële processen van warmte-uitwisseling.

de resultaten van experimenteel onderzoek hebben aangetoond dat warmtegeleidingscoëfficiënten afhankelijk zijn van de hydrodynamische structuur van het wervelbed. Hoewel de verandering in warmtegeleidingscoëfficiënten in de axiale en radiale richtingen verschilt, hangt het over het algemeen af van fluïdisatiesnelheid en de grootte van deeltjes.

voor alle behandelde zandfracties lagen de waarden van de warmtegeleidingscoëfficiënt van het wervelbed in de axiale richting binnen 450-3100 W/mK, wat ook de maximale waarde vertegenwoordigt die bij alle metingen werd bereikt. De verkregen waarden van dezelfde coëfficiënten in de radiale richting liggen binnen 19-110 W/mK, wat een bevredigend niveau van overeenstemming met de resultaten van andere auteurs biedt.

ondanks de complexiteit van de analyse van de warmtegeleiding door het gefluïdiseerde bed, bieden de verkregen resultaten een realistisch beeld dat kan worden gebruikt in alle toekomstige theoretische en experimentele onderzoeken naar het proces van warmtegeleiding in het gefluïdiseerde bed.

de resultaten van experimenteel onderzoek bevestigen de directe afhankelijkheid van de warmtewisselingsintensiteit van de aërodynamische omstandigheden in wervelbed. Het is duidelijk dat de frequentie en de periode van contact van warmtewisselingsoppervlakken met bellen en deeltjespakketten afhankelijk is van deeltjesgrootte, fluïdisatiesnelheid en helling van het warmtewisselingsoppervlak.

de tendens van de verandering van de warmteoverdrachtscoëfficiënt blijft gelijk, onafhankelijk van de deeltjesdiameter. De invloed van de helling van de verwarming neemt echter af met de toename van de deeltjesdiameter. Er kan dus worden geconcludeerd dat de invloed van de deeltjesgrootte op de warmteoverdrachtscoëfficiënt voor hellende oppervlakken kan worden verwaarloosd.

ook kan worden geconcludeerd dat de invloed van de inclinatie van het uitwisselingsoppervlak op de warmteoverdracht tussen het gefluïdiseerde bed en de ondergedompelde oppervlakken afneemt met de toename van de fluïdisatiesnelheid.

NOMENCLATUUR

Symbolen
een	thermische diffusie coëfficiënt	m2/s
Ar	Archimedes aantal
cp	specifieke warmtecapaciteit van vaste stoffen	J/kg K)
Ds	solide diffusiviteit	m2/s
fo	de tijd van contact met bubbels met het oppervlak
H	entalphy	kJ/kg
dp	deeltjes met een diameter	m
h1	lokale warmtedoorgangscoëfficiënt op de voorkant	W/m2K
h2	lokale warmtedoorgangscoëfficiënt op de laterale zijde	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 coëfficiënt	W/m2K
h*=hφ/hº	relatieve warmtedoorgangscoëfficiënt
N	de fluidization tarief
Rc	contact met de thermische weerstand van een gas film
Rk	de weerstand tegen warmteoverdracht van het deeltje pakket

Subscripts

a	axial
mf	minimum fluidization
p	particle
r	radial

griekse Letters

λ	thermische conductivitycoefficient	W/m K
ε	de poreusheid van fluidized bed
pp	zand dichtheid	kg/m3
ρν	bulk dichtheid van zand	kg/m3
φ	verwarming hellingshoek	º
τ	de tijd van het contact van het deeltje pakket met het oppervlak	s

Baskakov A. P., Berg, B. V., Vitt O. K., Filippov N. F., Kirakosy V. A., Goldobin J. M., Maskaev V. K., Warmte-overdracht naar objecten ondergedompeld in fluidized bedden, Poeder-Technologie, 8, 273-282 (1973).

Baskakov, A. P., Bertg, B. V., Rizkov, A. F., Filippovkij, N. F., Processii Teplo i massoperenosa v kipjascem sloje, Metalurgija, Moskva, PP. 144-151, (1978).

Borodulja, V. A., Zabrodskij, S. S., Tamarin, A. I., Judickij, V. I., Isledovanie gidrodinamiki i temperaturnoprovodnosti psevdoozizenogo sloja, sb. Teplo-i massoprenos, Tom 5, Energia, Moskva PP. 75-85, (1966). Botterill, J. S. M., Fluid-bed Heat Transfer, Academic Press, London (1975).

Ćatipović, M. N., Heat transfer to Horizontal Tubes in Fluidized Beds: Experiment and Theory, Ph. D. Thesis, Oregon State University, Corvallis, OR (1979). Chen, J. C., Grace, J. R., Golriz, M. R., Heat transfer in fluidized beds: design methods, Powder Technology, 150, 123-132 (2005). Davidson, J. F., Harrison, D., Fluidized Particles, Cambrige University Press, Cambridge (1963).

Geljperin N. I., Osnovi tehniki psevdoozizenie, Moskva, 184 (1967).

Groenewold, H., Tsotsas, E., Drying in fluidized bed with immersed heating elements, Chemical Engineering Science 62 (2007).

Hamidipour M., Mostoufi N., Sotudeh-Gharebagh R., Chaouki J., Monitoring the particle-wall contact in a gas fluidized bed by RPT, Powder Technology 153, 119-126 (2005). Huilin, L, Yunhua Z., Ding J., Gidspow D. and Wei L., Investigation of mixing / segregation of mengseldeeltjes in gas-solid fluidized beds, ChemicalEngineering Science, vol. 62, (2007). Jovanovic, G. N., Catipovic N. M., Fitzgerald T. J. en Levenspiel O., Fluidization (J. R. Grace, J. M. Matsen, eds.), Plenum, New York, PP. 325-332 (1990).

Kunii, D., Levenspiel О., Fluidization Engineering, 13, Wiley, New York (1969).

Martin, H., Heat transfer between gas fluidized beds of solid particles and the surface of immersed heat transfer exchanger elements, Part I. Chemical Engineering and Processing, 18, 157-169 (1984). Massoudi, M., Phuoc T. X., Conduction and dissipation in the shearing flow of granular materials modeled as non-Newtonian fluids, Powder Technology, 175, 146-162 (2007).

Nauman, E. B., Residence time distributions in systems governed by the dispersion-equation, Chemical Engineering Science, 36(6), 957-966 (1981).

Peters, K., Orlichek A., Schmidt A., Wärmetransportfähigkeiten von Wirbelschichten, Chem. Ing. Technisch., 25 (6), 313-316 (1953). Schlunder, E. U., Waermeubergang an bewegte kugelschutt ungen bei kurzfristigem kontact, Chemical Engineering Technology 43, 651-654, (1971). Srinivasakannan, C. and Balasubramanian, N., a simplified approach to the drying of solids in a batch fluidized bed, Brazilian Journal of Chemical Engineering, 19 (3), 293-298 (2002).

Wang L., Wu P., Zhang Y. P., Yang J., Tong L. G., Ni X. Z., Effects of solid particle properties on heat transfer between high-temperature gas fluidized bed and immersed surface, Applied Thermal Engineering, 24, 2145-2156 (2004). Zarghami R., Mostoufi N., Sotudeh-Gharebagha R., Chaouki J., Analysis and modeling of particle-wall contact time in gas fluidized beds, Chemical Engineering Science, 62, 4573-4578 (2007),

Geef een antwoord Antwoord annuleren