NESTEDYNAMIIKKA; lämmön ja massan siirto; ja muita aiheita
kokeellinen tutkimus lämmönjohtavuuskertoimesta ja lämmönvaihdosta leijukerroksen ja kaltevan vaihtopinnan välillä
B. StojanovicI,*; J. JanevskiII; M. Stojiljkovicii
konetekniikan tiedekunta, uusien itsenäisten valtioiden yliopisto, Serbia, Aleksandra medevedeva 14, 18000 uudet itsenäiset valtiot, Serbia. Sähköposti: [email protected]
IIFaculty of Mechanical Engineering, University of Nis, Serbia, Aleksandra Medevedeva 14, 18000 Nis, Serbia. Sähköposti: [email protected]
IIIFaculty of Mechanical Engineering, University of Nis, Serbia, Aleksandra Medevedeva 14, 18000 Nis, Serbia. Sähköposti: [email protected]
Abstrakti
paperi esittelee kokeellista tutkimusta ilmahiekkakerroksen lämmönjohtavuuskertoimista ja kokeellista tutkimusta hiukkaskoon vaikutuksesta leijukerroksen ja kaltevan vaihtopinnan väliseen lämmönsiirtokertoimeen. Mittaukset tehtiin ominaisella leijutusnopeudella ja hiekkahiukkasten halkaisijoilla dp=0,3, 0,5, 0,9 mm. leijutettujen vuoteiden Teollinen käyttö on lisääntynyt nopeasti viimeisten 20 vuoden aikana niiden hyödyllisten ominaisuuksien vuoksi. Yksi leijupatjan erinomaisista ominaisuuksista on se, että se pyrkii säilyttämään tasaisen lämpötilan myös epäyhtenäisellä lämmönluovutuksella. Kokeellisen tutkimuksen perusteella on analysoitu prosessin toimintaparametrien vaikutusta sängyn lämmönjohtavuuden saatuihin arvoihin. Tulokset osoittavat lämmönjohtavuuden suoran riippuvuuden sekoituksen voimakkuudesta, leijumisasteesta ja hiukkasten koosta. Aksiaalisessa suunnassa käsiteltyjen kertoimien arvot ovat kokonaisen kertaluvun suurempia kuin säteittäisessä suunnassa. Kokeellisten tutkimustulosten vertailu muiden tekijöiden kokeellisiin tuloksiin osoittaa hyvää yhteisymmärrystä ja samaa lämmönjohtavuuden muutostaipumusta. Kirjallisuudessa tiedetään hyvin, että lämmönsiirtokertoimen arvo on suurin vaakasuorassa ja pienin lämmönvaihtopinnan pystyasennossa. Lämmönsiirron vaihtelua kallistuskulman mukaan ei tutkita yksityiskohtaisesti. Suhteellisen lämmönsiirtokertoimen arvojen ero pysty-ja vaakasuuntaisen lämmittimen asennon välillä kaikissa hiukkaskooissa pienenee noin 15% leijumisnopeuden kasvaessa.
avainsanat: leijukerros; lämmönsiirto; pinta; hiukkasten lämmönjohtavuus; Piipitoinen hiekka; Koe.
johdanto
fluidisaatio-ilmiö on sen synnystä lähtien herättänyt lukuisten tutkijoiden huomion. Sen soveltaminen lukuisissa teknologisissa toimissa johtuu sen erinomaisista ominaisuuksista, jotka heijastuvat: kiinteiden hiukkasten intensiivinen sekoittaminen, korkea kosketuspinta kaasun ja kiinteiden hiukkasten välillä, lähes tasainen lämpötila koko sängyssä sekä yksinkertainen materiaalin lisääminen ja poistaminen sängystä. Viime vuosikymmeninä on julkaistu lukuisia tutkielmia ja tutkimuksia leijutusprosessista ja sen soveltamisesta, joista suurin osa perustuu kokeelliseen tutkimukseen. Lämmönjohtuminen on kiinnostanut tutkijoita paljon, sillä leijupedille on ominaista korkea lämmönjohtavuus. Huolimatta lukuisista tätä ongelmaa käsittelevistä asiakirjoista (Massoudi ja Phouc, 2007), niiden laatijoiden päätelmät ovat hyvin erilaisia, joskus jopa ristiriitaisia. Syyt tähän hajonta tulokset ovat erilaiset olosuhteet, joissa nämä kokeet suoritetaan. Nämä seikat ovat motivoineet kokeellista tutkimusta, jonka päätavoitteena on määrittää lämmönjohtavuuskertoimet leijukerroksen hiukkasten kvartsipitoista hiekkaa eri jakeet. Saaduista lämmönsiirtokertoimen arvoista voidaan päätellä, että lämmönsiirtokertoimen muutostaipumus pysyy samana riippumatta hiukkaskoosta. Lämmönsiirtokertoimen muutos tendenssi leijunopeuden kasvaessa on vähemmän merkittävä suuremmille hiukkasille. Tärkeimpien parametrien vaikutus leijukerroksen lämmönjohtavuuskertoimien arvoihin on analysoitu saatujen kokeellisten tulosten avulla.
johtuen kaasun ja hiukkasten erittäin tehokkaasta kosketuksesta, ts., leijupeti ja upotetut lämmönvaihtopinnat tai seinät, leijupeteillä on erittäin intensiivinen lämmönvaihto. Lämmönsiirto leijuvuoteen ja siihen upotettujen pintojen välillä on sängyn dynaamisten ominaisuuksien (Martin, 1984) funktio, ennen kaikkea kuplien liike ja hiukkasten sekoittumisvoimakkuus. On kuitenkin selvää, että leijumisnopeus ja hiukkaskoko ovat kaikkein vaikuttavimpia tekijöitä vaihdetun lämmön määrä pintojen välillä.
myös upotetun pinnan ja leijukerroksen välisen lämmönsiirron avaintekijöitä ovat hiukkasliike lämmönsiirtopinnan läheisyydessä, kosketusaika pinnan kanssa ja hiukkaspitoisuus seinässä (Zarghami et al., 2007). Kaasun ja hiukkasten liike vaihtopintojen yläpuolella, päällä ja sivusuunnassa on spesifistä, joten näiden vyöhykkeiden muutoksia tutkitaan kirjallisuudessa lähinnä.
ongelman monimutkaisuus ja suurin osa vaikuttavista tekijöistä, joita on vaikea sisällyttää yhtälöihin, aiheuttavat sen, että lämmönsiirtokertoimen kokeellinen määritys on hyväksytty menetelmä.
leijukerroksen lämmönjohtavuus
koska kiinteiden hiukkasten ominaislämpökapasiteetti on volyymisesti suurempi kuin kaasujen ominaislämpökapasiteetti useassa järjestyksessä, liikkuvat hiukkaset ovat sängyssä peruslämmönpitimiä. Tällöin voidaan käyttää tavallista Fourier ’ n yhtälöä kuvaamaan leijukerroksessa tapahtuvaa lämmönedistymisprosessia, jossa terminen diffuusiokerroin kuvaa materiaalin sekoittumisen voimakkuutta sängyssä. Sen arvo voidaan mitata muunnellulla menetelmällä hetkellisestä lämmönlähteestä, jonka ydin on seuraava: leijukerroksessa syntyy voimakas hetkellinen lämpöimpulssi kaatamalla siihen nopeasti pieni osa aiemmin lämmenneistä saman aineen hiukkasista. Maksimilämpötilan Tmax saavuttamisen hetki tietyllä etäisyydellä lämmönlähteestä rekisteröidään yhtälön (Geljperiini, 1967):
missä n=3, 2, 1 riippuen siitä, onko lämmönlähde piste, viiva vai pinta. Kuplien liike mahdollistaa hiukkasten sekoittumisen emulsiofaasissa sekä sängyn korkeuden suuntaan että säteittäiseen suuntaan, jolloin tietty määrä hiukkasia kulkee minkä tahansa havaitun sängyn leikkauskohdan läpi. Koska ei-isotermisessä kerroksessa olevat hiukkaset eroavat toisistaan entalpian arvon suhteen, syntyy lämpimämpien hiukkasten vuo, jos niiden pitoisuus on suurempi havaitun leikkauspisteen toisella puolella. Olettaen, että lämpimämpien hiukkasten pitoisuus tilavuusyksikköä kohti muuttuu vain hiukkasten virtauksen suunnassa, niiden tuloksena saatu lämpövuo pinta-yksikköä kohti voidaan ilmaista:
jos lausekkeeseen lisätään seuraava entalpiaa koskeva lauseke(2):
saamme:
missä λ on leijukerroksen lämmönjohtavuuskerroin, joka määritellään seuraavasti:
lämmönjohtavuuskertoimen määrittämiseksi aksiaalisessa suunnassa Borodulja and associates (1966) käytti lasiputkea, jonka pituus on 1 m, halkaisija 80 mm. sängyn yläpinnalle luotiin hetkellinen pintalämmönlähde kaatamalla pieni osa (5-7% tilavuudesta) hiukkasia, jotka kuumennetaan uunissa 100-700ºC: n lämpötilaan asti. Hiukkasen kaatoaika oli alle 0,5 sekuntia. Sängyn lämpötilan mittaamiseen käytettiin kahta termoparia; toinen niistä asetettiin virranjakajalle, toinen puolen sängyn korkeudelle. Mittaukset suoritettiin useilla monodisperse-ja polydisperse-jakeilla, jotka olivat erityyppisiä materiaaleja seisovan sängyn eri korkeuksille. Kokeellisen aineiston käsittely on osoittanut, että terminen diffuusiokerroin aksiaalisuunnassa voidaan kuvata seuraavalla yhtälöllä:
Lämmönjohtavuuskertoimen määrittäminen säteittäisessä suunnassa suoritetaan putkessa, jonka halkaisija on 175mm. hetkellinen spot-lämmönlähde saatiin kaatamalla nopeasti pieni osa lämpimistä hiekkahiukkasista laitteen akselia pitkin lasiputken läpi, jonka halkaisija on 25mm.lämpötilan mittausta varten termopari asetettiin hiukkasten kaatamisen korkeudelle putkesta, 60-70mm: n etäisyydelle akselistaan.
tutkimus on osoittanut, että leijupedissä on erittäin intensiivistä materiaalin sekoittumista aksiaalisuunnassa. Aksiaalinen lämmönjohtavuuskerroin oli sisällä λa=(1100-6000) W/M.K. toisaalta materiaalin sekoittuminen säteittäiseen suuntaan oli suhteellisen pientä. Radiaalisten lämmönjohtavuuskertoimien arvot olivat: λr=(50150) W/M.K.
julkaistussa paperissaan, Peters et al. (1953) yritti laskea lämmönjohtavuuskertoimen määrittämällä leijukerroksen lämpötilaprofiilin. Laite oli muodoltaan suunnikas, leveys 65mm, pituus 450mm, korkeus 480mm, joka ei ollut täysin täynnä hiekkaa (dekv=0,23 mm). Lämmönlähteenä he käyttivät sähkölämmitintä, joka koostui lankaspiraalista, joka tarjosi lämpöä tasaisesti sängyn poikittaisosaa pitkin. Terminen eristys aluksen estää lämpöhäviö seinän läpi oli suurempi kuin 7%. Lasketut numeeriset arvot lämmönjohtavuus aksiaalinen suuntaan olivat sisällä 1163-1977 W/m.K, kun taas säteittäinen suuntaan ne olivat luokkaa 12002000 W / M.K. Peters et al. (1953) toteaa, että nämä arvot ovat merkittävästi kohonneet ja että niitä on käytännössä mahdotonta saada tällaisten koeolosuhteiden perusteella.
leijukerroksen lämmönjohtavuutta koskeva tutkimus osoittaa eri tekijöiden (Kunii ja Levenspiel, 1976) saamien tulosten dispersion olemassaolon, koska ne osoittavat lämmönjohtavuuskertoimien monimutkaisen riippuvuuden eri tekijöistä. Siksi on hyvin vaikeaa antaa mitään likiarvoa saaduista tuloksista jollakin globaalilla empiirisellä riippuvuudella. Käytännön laskelmia varten on paljon luotettavampaa ottaa kertoimen λ itseisarvot tietyllä hetkellä.
kokeellinen menetelmä
leijukerroksen kokeellisen tutkimuksen tavoitteena on määrittää lämmönjohtavuuskertoimet leijukerroksen operatiivisten ominaisuuksien mukaan: nopeus, leijutusnopeus ja hiukkasten koko. Kokeellista tutkimusta tehtiin laboratoriolaitteella (Kuva 1). Laite koostuu mittausosasta, jonka yläpuolella on putki lämmitetyn hiekan syöttämiseksi sänkyyn, laite ilman syöttämiseksi ja laite prosessin mittaamiseen, säätelyyn ja rekisteröimiseen. Erityistä huomiota kiinnitettiin laitteen rakentamiseen lämmitetyn hiekan syöttämiseksi sänkyyn. Materiaali, joka oli aiemmin Lämmitetty lämpötilaan 250-350ºc, työnnettiin välittömästi leijupetiin pikapinnalla kaatamalla putki, jonka halkaisija on 45mm, sängyn pinnalle.
ulkoisesta ympäristöstä tuleva tuuletin antaa nesteytykseen tarvittavan ilman. Ilman virtausta mitataan vakiolaitteella, kun taas venttiili mahdollistaa halutun ilmavirran. Ilman virtauksen vakauttamiseksi laitteen edessä ja takana olevat osat ovat riittävän pitkiä. Lasivillalla eristetty kammio auttaa tuottamaan tasaisen ilman jakautumisen laitteen toiminnallisen osan leikkauspisteeseen. Virranjakaja asetetaan laitteen toimintaosan sisääntulon kohdalle, kun taas sen yläpuolelle asetetaan kapeneva laajennus, joka estää pienten jakeiden poistamisen. Lämpötilamittauksissa käytetään kromialumeelilämpöpareja. Yksi niistä on sijoitettu pistorasiaan sängystä. Toinen, määritettäessä thermal diffusivity kerroin aksiaalinen suuntaan sijoitetaan välittömästi yläpuolella jakelija (Kuva 1a), toisin sanoen, määrittämiseksi ar säteittäinen suuntaan (kuva 1b).
lämmönjohtavuuskertoimen kokeellisen määrittämisen aloittamiseksi tehtiin tiettyjä mittauksia. Leijutusmateriaalina käytettiin piipitoista hiekkaa, jossa oli erilaisia fraktioita. Standardiseuloilla suoritetun seulonnan jälkeen eroteltiin piipitoisen hiekan fraktiot, joiden keskimääräinen hiukkashalkaisija oli 0,3 mm, 0,5 mm ja 0,9 mm (Taulukko 1). Kullekin murtoluvulle määritettiin seuraavat ominaisuudet:
■ todellinen hiekkatiheys pp,
■ irtohiekan tiheys PN,
■ ekvivalenttihiukkasten halkaisija dp,
■ huokoisuus pienellä leijutusnopeudella emf,
■ Vähäinen leijutusnopeus Umf.
pienin leijumisnopeus määritettiin kokeellisesti ja sen arvo vastaa yhtälöstä saatavaa arvoa (Srinivasakannan ja Balasubramanian, 2002):
hiukkasten massatiheys määritettiin kaatamalla vapaasti tietty määrä hiekkaa kalibroituun astiaan, kun taas todellinen tiheys määritettiin piknometrillä. Ominaislämpökapasiteetin arvo on otettu Naumannista (1981).
kuten on sanottu, lämmönjohtavuuskertoimen määrittämiseksi aksiaalisessa suunnassa kaksi termoparia asetetaan seisovan sängyn akselille, jolloin ensimmäinen asetettiin 43,5 mm: n päähän jakajasta ja toinen sängyn pinnalle. Säätämällä ilman virtausta saadaan haluttu ilman nopeus käyttölämpötilassa. Tällä työ nopeus ilman, tunnettu minimaalinen fluidization nopeus, fluidization nopeus määritettiin. Tässä vakiintuneessa tilassa jo valmiiksi valmistettu osa aiemmin lämmitettyä hiekkaa työnnetään hyvin nopeasti kiinteän putken läpi. Liikkeen aikana lisätään kuumaa hiekkaa leijukerroksen läpi, termoparit mitattu lämpötila sängyssä, rekisteröinti hankintajärjestelmään. Määrätylle leijumisnopeudelle rekisteröitiin erilliset sängyn lämpötilat 0,02 sekunnin välein.voidaan todeta, että lämpötila sängyssä nousee kuumien hiekkahiukkasten liikkeen vuoksi. Samalla luetaan termoparien rekisteröimän kahden suurimman lämpötilan nousun välinen aikajänne. Termoparien ja lukuajan tunnetulle etäisyydelle lasketaan termisen diffuusiokertoimen arvo. Koska lämpöhajoavuus määritetään aksiaalisuunnassa, oletetaan, että yhtälössä (1) n=1 (pinnallisen materiaalin annostus). Tietyn leijumisnopeuden ja vallitsevien olosuhteiden vuoksi koe toistettiin useita kertoja. Nopeus ilman oli sitten lisääntynyt ja toinen kokeilu suoritettiin, että sama hiekka murto, edellä kuvatulla tavalla. Tietyn murto-osan mittaamisen jälkeen laitteen toiminnallinen osa tyhjennetään ja toinen osa kaadetaan sisään ja sama koe toistetaan.
säteittäisen lämmönjohtavuuskertoimen arvot määritettiin samalla menettelyllä kuin aksiaalisen johtavuuden arvot. Kuten on kuvattu, ero on asemissa termoparit, jotka olivat tässä tapauksessa samassa tasossa (Kuva 1b), ja kohta lähdemateriaalin annostus (n=3).
tulokset ja keskustelu
sekoittumisen voimakkuuden arvioimiseksi leijukerroksessa efektiivinen lämmönjohtavuuskerroin on arvovaltainen. Kun otetaan huomioon lämmönjohtavuuden ja lämmön diffusiviteettikertoimien välinen suhde, kuva 2 osoittaa lämmönjohtavuuskertoimen keskiarvojen riippuvuuden leijutusaineen nopeudesta. Koska lämmönjohtavuus ja lämpöhajoavuus ovat yhteydessä hiukkasten ominaislämpökapasiteetin ja leijukerroksen tiheyden kautta, joka riippuu suoraan sängyn huokoisuudesta, tapa, jolla lämmönjohtavuuskerroin muuttuu leijutusnopeudella, on samanlainen kuin tapa, jolla terminen diffuusiokerroin muuttuu leijutusnopeudella. Lämmönjohtavuuden maksimiarvo, joka tapahtuu noin N=2: n leijumisnopeudella.5, jälleen kerran viittaa siihen, että tällä nopeudella fluidization agentti, sekoittaminen hiukkasia aiheuttaa voimakkaampia kontakteja ja törmäykset kiinteiden hiukkasten (Huilin et al., 2007). Maksimin esiintyminen voidaan selittää myös leijukerroksen tiheyden vähenemisellä ja sen huokoisuuden lisääntymisellä kaasun nopeuden kasvaessa, mikä voi aiheuttaa lämmönjohtavuuskertoimen muutoksen erilaisia ominaisuuksia.
yleensä saadut lämpöhajoavuuskertoimen arvot säteittäisessä suunnassa ovat kokonaisen kertaluvun pienempiä (kuva 3). Toisin kuin johtavuuskerroin aksiaalisessa suunnassa, tässä tapauksessa voidaan havaita kaikkien ekvivalenttien keskimääräisten halkaisijoiden osalta lämmönjohtavuuskertoimen suurin esiintyminen säteittäisessä suunnassa leijumisnopeudella N=2,5. Useiden tutkijoiden mukaan hiukkasten paikallinen pitoisuus vaikuttaa lämmönsiirtoon siinä mielessä, että se voimistuu, kun hiukkasten rengasmainen jakautuminen pylvään poikittaisosaan (jossa on kiinteä ydin keskellä, harvinaistunut sänky ytimen ympärillä ja tiheä rengas seinän vieressä) heikkenee. Samalla hiukkasten sekoittuminen ja niiden keskinäisten törmäysten taajuus kasvaa, mikä tehostaa lämmön intensiivisempää diffuusiota. Lämpöhajoavuuden arvojen tiettyjä vaihteluja voidaan havaita diagrammeissa, jotka kuvaavat lämpöhajoamiskertoimen riippuvuutta leijumisnopeudesta. Syynä näihin vaihteluihin voivat olla eri tavoin kuumentuneiden hiukkaspakettien peräkkäiset saapumiset havaintopaikoille ja joskus sängyn läpi kulkevat kuplat. Kun kuplat menevät sängyn läpi, jossain vaiheessa toinen kahdesta termoparista voi olla kuplan sisällä, mikä rekisteröi ilman lämpötilan kuplan sisällä. Koska ilman lämpötila kuplan sisällä on korkeampi kuin ilman ja emulsiofaasissa olevien kiinteiden hiukkasten lämpötila, lämpötilan nousu tapahtuu kyseisessä paikassa sillä hetkellä.
niiden vuorovaikutuksen avulla kaikki käsitellyt hydrodynaamiset parametrit vaikuttavat erittäin monimutkaisella tavalla globaaliin lämmönsiirtoon leijukerroksessa ja siten lämmönjohtavuuskertoimiin. Dominointi joitakin niistä esiintyy vain rajatulla alueella. Kokeilla saadut tulokset viittaavat siihen, että sängyn huokoisuus, ts., hiukkasten pitoisuus, vaikka se on erittäin tärkeä lämmönsiirtotekijä leijukerroksessa, ei ole riippumaton hiukkasvirrasta, suhteellisesta hiukkasen ja kaasun nopeudesta ja käänteisestä sekoittumisesta.
mittauslaitteen prosenttivirhe määritettiin saatujen arvojen perusteella:
■ termoparien välinen etäisyys-1%
■ aika-0,4%
edellä mainittujen arvojen perusteella mittauslaitteiden keskimääräinen neliövirhe oli 1,077%, kun taas lämpöhajoavuuskertoimen määritysvirhe kokeellisesti oli 8,8%.
kun otetaan huomioon, että saadut lämmönsiirtokertoimen mittausvirheen arvot ovat kokeelliselle tutkimukselle sallituissa rajoissa, tuloksia voidaan pitää luotettavina ja tarkkoina.
lämmönsiirto leijukerroksen ja siihen upotettujen pintojen välillä
yleisimmin käytetty lämmönsiirtotapa leijukerroksessa on lämmönsiirto leijukerroksen ja erimuotoisten ja-kokoisten upotettujen pintojen välillä (Botterill, 1975).
lämmönsiirtokertoimen arvo kasvaa, kun kaasun nopeus on suurempi kuin minimaalinen leijumisnopeus. Se saavuttaa maksiminsa kaasun nopeudelle, joka tunnetaan nesteytyksen optimaalisena nopeutena. Tämän jälkeen se pienenee nopeuden kasvaessa.
on yleisesti hyväksytty, että pinnalta sänkyyn ulottuvan konvektiivisen lämmönsiirtokertoimen voidaan katsoa koostuvan kolmesta additiivisesta aineosasta:
missä hpc, hgc, hb ovat hiukkasen konvektiivinen, kaasun konvektiivinen ja kuplan lämmönsiirtokertoimet, ja (1-fo) on emulsiofaasin kosketusaika lämmönsiirtopintaan (Chen et al., 2005).
hiukkaspaketin kosketusajankohta pinnan τ kanssa riippuu sekä kuplien kosketusajankohdasta pinnan fo kanssa että kuplien siirtymän tiheydestä kyseisessä pinnan kohdassa
missä A on Kerroin, joka määritellään seuraavasti:
Rk ja Rc in (10) ovat hiukkaspaketin lämmönsiirron resistanssi ja kaasukalvon kosketuslämpövastus. Hamidipour ym. (2005) tutki hiukkasen ja seinän kontaktia kokeellisesti ja havaitsi, että hiukkasen ja seinän kosketusaika hiekkahiukkasten sängyssä pienenee kaasun nopeuden kasvaessa kuplivassa leijuntajärjestelmässä.
suurin osa lämmönsiirron kokonaiskertoimesta on hiukkasen konvektiivinen lämmönsiirtokerroin (Botterill, 1975, Baskakov ym., 1978):
on nähty, että partikkelikoolla on merkittävä vaikutus sekä suurimman lämmönsiirtokertoimen arvoon että tiettyjen mekanismien vaikutuksen muutokseen ylälämmönsiirrossa. Tästä syystä hiukkaskoon vaikutus leijukerroksen lämmönsiirtoon on kokeellisen tutkimuksen yleisin tavoite. Kokeelliset tulokset (Wang et al., 2004) osoittavat, että pienten hiukkasten osalta dp<0.8 mm, hiukkasten termofysikaalisten ominaisuuksien vaikutukset lämmönsiirtokertoimeen tulevat tärkeiksi hiukkasen halkaisijan pienentyessä.
kokeellinen laite
kokeellinen tutkimus lämmönsiirrosta upotetun putken ja leijukerroksen välillä tehtiin laboratoriomittakaavassa, jonka korkeus oli 600 mm ja poikkileikkaus neliömäinen ja jonka mitat olivat 160×160 mm.
upotettu lämmönvaihtopinta-sähkölämmitin-on valmistettu kupariputkesta, jonka ulkohalkaisija on 16 mm ja pituus 100 mm. Kolme termoparia on sisäänrakennettu ulkopintaan-etupuolelle, sivulle ja yläpuolelle – suhteessa kiukaan pyörimissuuntaan leijutusilmavirtaan. Lämmitin kiinnitetään telineeseen kehykseen, jonka mitat ovat 150×150 mm (Kuva 4). Kehystä voidaan pyörittää vaaka-akselin ympäri 100 mm jakajan yläpuolella, mikä mahdollistaa lämmittimen kaltevuuden muutoksen.
jotta jokaiselle leijunopeudelle saataisiin samat työolosuhteet, lämmittimen kaltevuutta muutettiin ja lämmittimen pinnan ja sängyn lämpötila mitattiin jokaisesta kulmasta. Määriteltyä leijumisnopeutta varten lämmittimen kaltevuutta muutettiin asteittain 10º: n lisäyksin pystyasennosta (0º: n kulma) vaaka-asentoon (90º: n kulma). Kunkin kaltevuuskulman mittaukset palautettiin sen jälkeen, kun stationäärinen tila saavutettiin. Menettely toistettiin jokaiselle uudelle leijuntanopeudelle ja kaikille kolmelle hiukkaskoolle: 0,3, 0,5 ja 0,9 mm. seisovan sängyn korkeus oli 160 mm.
tulokset ja keskustelun johtopäätökset
leijukerroksen ja upotetun kaltevan vaihtopinnan välisen lämmönsiirtokertoimen keskiarvon määrittäminen edellyttää määriteltyjä paikallisia lämmönsiirtokertoimia (Baskakov et al., 1973), jonka jakautuminen pitkin pintaa on hyvin epätasaista erilaisten aerodynaamisten olosuhteiden vuoksi.
mitattiin lämmittimen pinnan ja leijukerroksen välinen paikallinen lämmönsiirtokerroin, jotta voitiin määrittää koko lämmittimen lämmönsiirtokertoimen keskiarvo. Sylinteriä ympäröivän virtauksen symmetrian vuoksi lämmönsiirtokertoimen keskiarvo määritellään paikallisten lämmönsiirtokertoimien aritmeettisena keskiarvona:
hiekkahiukkaskoon vaikutusta leijukerroksen ja upotetun pinnan väliseen lämmönvaihtoon kaltevan lämmittimen osalta tutkittiin hiukkasten halkaisijoilla 0,3, 0,5 ja 0,9 mm.
lämmönsiirtokertoimen muuttumistaipumus leijutusnopeuden kasvaessa on samanlainen pienemmillä ja suuremmilla hiukkasilla – luvut 5, 6 ja 7 (Baskakov et al., 1978), vaikka tämä vaikutus on vähemmän merkittävä suuremmille hiukkasille, koska saavutettuaan leijumisnopeuden 2.5, ilman nopeus vaikuttaa merkityksettömästi lämmönsiirtokertoimen jakauma.
jotta hiukkaskoon ja leijutusnopeuden vaikutus leijukerroksen ja kaltevan pinnan väliseen lämmönvaihtoon voitaisiin analysoida paremmin, kuvassa 8 esitetään suhteellisen lämmönsiirtokertoimen (h*=hφ/hº) riippuvuus kaltevuuskulmasta leijutusnopeuksilla 1-3.
luku korostaa selvästi lämmönsiirtokertoimen muutoksen taipumusta pysyä samana riippumatta siitä, mitä hiukkasen halkaisija on, mutta hiukkasen halkaisijan kasvaessa lämmittimen kaltevuuden vaikutus vähenee. Näin ollen lämmittimen suhteellisen lämmönsiirtokertoimen arvojen ero pysty-ja vaaka-asennossa hiukkasen halkaisijan 0,3 mm osalta pienenee 24%: sta 10%: iin; hiukkasen halkaisijan 0,5 mm: n osalta 23%: sta 10%: iin ja hiukkasen halkaisijan 0,9 mm: n osalta 20%: sta 8%: iin leijutusnopeuden kasvaessa N=1: stä N=3: een.
päätelmät
tähän mennessä tehtyjen leijukerroksen lämmönjohtavuuskertoimien kokeellisen ja teoreettisen tutkimuksen tulosten sekä Oman kokeellisen tutkimuksemme tulosten perusteella on vahvistettu, että leijukerroksella on erittäin hyvä lämmönjohtavuus, mikä mahdollistaa sen soveltamisen lukuisissa lämmönvaihtoprosesseissa.
kokeellisissa tutkimuksissa saadut tulokset ovat osoittaneet, että lämmönjohtavuuskertoimet riippuvat leijukerroksen hydrodynaamisesta rakenteesta. Vaikka lämmönjohtavuuskertoimien muutos eroaa aksiaalisessa ja säteittäisessä suunnassa, se riippuu yleensä leijumisnopeudesta ja hiukkasten koosta.
kaikkien käsiteltyjen hiekan fraktioiden osalta leijukerroksen lämmönjohtavuuskertoimen arvot aksiaalisessa suunnassa olivat 450-3100 W / mK, mikä on myös kaikissa mittauksissa saavutettu maksimiarvo. Saadut arvot näiden samojen kertoimien säteittäinen suunta ovat sisällä 19-110 W/mK, mikä antaa tyydyttävän tason yksimielisyys tulokset muiden tekijöiden.
leijukerroksen lämmönjohtavuuden analyysin monimutkaisuudesta huolimatta saadut tulokset antavat realistisen kuvan, jota voidaan käyttää kaikissa tulevissa teoreettisissa ja kokeellisissa tutkimuksissa leijukerroksen lämmönjohtavuuden prosessista.
kokeellisen tutkimuksen tulokset vahvistavat lämmönvaihtovoimakkuuden suoran riippuvuuden leijukerroksen aerodynaamisista olosuhteista. On ilmeistä, että lämmönvaihtopintojen taajuus ja kosketusaika kuplien ja hiukkaspakettien kanssa riippuu lämmönvaihtopinnan hiukkaskoosta, leijumisnopeudesta ja kaltevuudesta.
lämmönsiirtokertoimen muutostaipumus pysyy samana riippumatta hiukkasten läpimitasta. Lämmittimen kaltevuuden vaikutus kuitenkin vähenee hiukkasen halkaisijan kasvaessa. Voidaan siis päätellä, että hiukkaskoon vaikutusta kaltevan pinnan lämmönsiirtokertoimeen voidaan laiminlyödä.
voidaan myös päätellä, että vaihtopinnan kaltevuuden vaikutus leijukerroksen ja upotettujen pintojen väliseen lämmönsiirtoon vähenee leijutusnopeuden kasvaessa.
nimikkeistö
|
symbolit |
||||
|
a |
lämpöhajoavuuskerroin | m2 / s | ||
| Ar |
Arkhimedeen luku |
|||
| cp | kiinteiden aineiden ominaislämpökapasiteetti | J / kg K | ||
| Ds |
kiinteä diffuusiviteetti |
m2 / s | ||
| fo | kuplien kosketusaika pinnan kanssa | |||
| H |
entalphy |
kJ / kg | ||
| dp | hiukkasten halkaisija | lä | ||
| h1 | paikallinen lämmönsiirtokerroin etupuolella | W / m2K | ||
| h2 | paikallinen lämmönsiirtokerroin sivusuunnassa | K / 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 kerroin | W / m2K | ||
| h * =hφ / hº | suhteellinen lämmönsiirtokerroin | |||
| Ei | leijutusaste | |||
| Rc | kaasukalvon kosketuslämpövastus | |||
| tk | hiukkaspakkauksen lämmönsiirron sieto | |||
|
Subscripts |
||||
| a | axial | |||
| mf | minimum fluidization | |||
| p | particle | |||
| r | radial | |||
|
kreikkalaiset kirjaimet |
||||
| λ | terminen johtavuustehokkuus | W / m K | ||
| e | leijupedin huokoisuus | |||
| pp | hiekan tiheys | kg / m3 | ||
| ρν | irtohiekan tiheys | kg / m3 | ||
| φ | lämmittimen kallistuskulma | º | ||
| τ | hiukkaspaketin kosketusaika pinnan kanssa | lä | ||
Baskakov A. P., Berg B. V., Vitt O. K., Filippov N. F., Kirakosy V. A., Goldobin J. M., Maskaev V. K., Heat transfer to objects immered in fluidized beds, Powder Technology, 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, s. 144 & ndash; 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 S. 75 & ndash; 85, (1966).
Botterill, J. S. M., Fluid-bed Heat Transfer, Academic Press, Lontoo (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 Partcles, Cambridge (1963).
Geljperin N. I., Osnovi tehniki psevdoozizenie, Moskva, 184 (1967).
Groenewold, H., Tsotsas, E., Drying in fluidized bed with upsed 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 seosure partikkelit in gas-solid fluidized beds, ChemicalEngineering Science, vol. 62, (2007).
Jovanovic, G. N., Catipovic N. M., Fitzgerald T. J. and Levenspiel O., Fluidization (J. R. Grace, J. M. Matsen, toim.), Plenum, New York, s. 325 & ndash; 332 (1990).
Kunii, D., Levenspiel О., Fluidization Engineering, 13, Wiley, New York (1969).
Martin, H., Lämmönsiirto kiinteiden hiukkasten ja upotettujen lämmönsiirtoelementtien pinnan välillä, osa I. Chemical Engineering and Processing, 18, 157-169 (1984).
Massoudi, M., Phuoc T. X., Conduction and dissipation in the shearing flow of Rake materials modeled as non-Newton 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. Teknologia., 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. ja 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 upsed 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),