DYNAMIQUE des FLUIDES; TRANSFERT DE CHALEUR ET de MASSE; ET AUTRES SUJETS
Étude expérimentale du coefficient de conductivité thermique et de l’échange de chaleur entre lit fluidisé et surface d’échange inclinée
B. StojanovicI, *; J. JanevskiII; M. StojiljkovicIII
IFaculté de Génie Mécanique, Université de Nis, Serbie, Aleksandra Medevedeva 14, 18000 Nis, Serbie. E-mail : [email protected] .yu
IIFaculté de Génie Mécanique, Université de Nis, Serbie, Aleksandra Medevedeva 14, 18000 Nis, Serbie. E-mail : [email protected]
IIIFaculté de Génie Mécanique, Université de Nis, Serbie, Aleksandra Medevedeva 14, 18000 Nis, Serbie. E-mail : [email protected] .yu
RÉSUMÉ
L’article présente des recherches expérimentales sur les coefficients de conductivité thermique du lit de sable siliceux fluidisé par l’air et une étude expérimentale de l’influence de la taille des particules sur le coefficient de transfert de chaleur entre le lit fluidisé et les surfaces d’échange inclinées. Les mesures ont été effectuées pour la vitesse de fluidisation spécifique et les diamètres de particules de sable dp = 0,3, 0,5, 0,9 mm. L’utilisation industrielle des lits fluidisés a augmenté rapidement au cours des 20 dernières années en raison de leurs caractéristiques utiles. L’une des caractéristiques exceptionnelles d’un lit fluidisé est qu’il tend à maintenir une température uniforme même avec un dégagement de chaleur non uniforme. Sur la base de recherches expérimentales, l’influence des paramètres opérationnels du procédé sur les valeurs obtenues de la conductivité thermique du lit a été analysée. Les résultats montrent une dépendance directe de la conductivité thermique à l’intensité du mélange, au degré de fluidisation et à la taille des particules. Dans le sens axial, les coefficients traités ont des valeurs d’un ordre entier plus élevées que dans le sens radial. La comparaison des résultats de la recherche expérimentale avec les résultats expérimentaux d’autres auteurs montre une bonne entente et la même tendance au changement de conductivité thermique. Il est bien connu dans la littérature que la valeur du coefficient de transfert thermique est la plus élevée à l’horizontale et la plus petite en position verticale de la surface d’échange thermique. La variation du transfert de chaleur en fonction de l’angle d’inclinaison n’est pas examinée en détail. La différence entre les valeurs du coefficient de transfert de chaleur relatif entre la position verticale et horizontale du réchauffeur pour toutes les tailles de particules diminue d’environ 15% avec l’augmentation du taux de fluidisation.
Mots clés: Lit fluidisé; Transfert de chaleur; Surface; Conductivité thermique des particules; Sable siliceux; Expérience.
INTRODUCTION
Depuis son émergence, le phénomène de fluidisation a attiré l’attention de nombreux chercheurs. Son application dans de nombreuses opérations technologiques découle de ses excellentes propriétés, qui se reflètent dans: mélange intensif de particules solides, une surface de contact élevée entre le gaz et les particules solides, une température presque constante dans tout le lit, ainsi qu’une insertion et un retrait simples du matériau du lit. Au cours des dernières décennies, de nombreux articles et études sur le processus de fluidisation et son application ont été publiés, dont la plupart sont basés sur des recherches expérimentales. Le domaine de la conduction thermique a été d’un grand intérêt pour les chercheurs, car le lit fluidisé se caractérise par une conductivité thermique élevée. Pourtant, malgré un grand nombre d’articles traitant de ce problème (Massoudi et Phouc, 2007), les conclusions de leurs auteurs sont très disparates, parfois même contradictoires. Les raisons de cette dispersion des résultats résident dans des conditions différentes dans lesquelles ces expériences sont effectuées. Ces faits ont motivé la recherche expérimentale dans le but principal de déterminer les coefficients de conductivité thermique du lit fluidisé pour des particules de sable siliceux de fractions différentes. Sur la base des valeurs de coefficient de transfert de chaleur obtenues, on peut conclure que la tendance au changement de coefficient de transfert de chaleur reste la même, indépendamment de la taille des particules. La tendance du changement de coefficient de transfert de chaleur avec l’augmentation du taux de fluidisation est moins significative pour les particules plus grosses. L’influence des paramètres les plus importants sur les valeurs des coefficients de conductivité thermique du lit fluidisé a été analysée à travers les résultats expérimentaux obtenus.
Grâce au contact très efficace entre gaz et particules, i.e., lit fluidisé et surfaces ou parois d’échange de chaleur immergées, les lits fluidisés ont un échange de chaleur très intensif. Le transfert de chaleur entre le lit fluidisé et les surfaces immergées dans le lit est fonction des caractéristiques dynamiques du lit (Martin, 1984), surtout du mouvement des bulles et de l’intensité du mélange des particules. Cependant, il est évident que la vitesse de fluidisation et la taille des particules sont les facteurs les plus influents sur la quantité de chaleur échangée entre les surfaces.
De plus, les facteurs clés du transfert de chaleur entre une surface immergée et un lit fluidisé sont le mouvement des particules au voisinage de la surface de transfert de chaleur, le temps de contact avec la surface et la concentration des particules sur la paroi (Zarghami et al., 2007). Le mouvement des gaz et des particules au-dessus, au-dessus et sur le côté latéral des surfaces d’échange est spécifique, de sorte que les changements dans ces zones sont principalement étudiés dans la littérature.
La complexité du problème et la majorité des facteurs d’influence, difficiles à inclure dans les équations, font que la détermination expérimentale du coefficient de transfert de chaleur est acceptée.
CONDUCTIVITÉ THERMIQUE DU LIT FLUIDISÉ
Étant donné que la capacité thermique spécifique des particules solides est volumétriquement supérieure à la capacité thermique spécifique des gaz de plusieurs ordres, les particules en mouvement sont des supports de chaleur de base dans le lit. Dans ce cas, l’équation de Fourier ordinaire peut être utilisée pour décrire le processus de propagation de la chaleur dans le lit fluidisé, où le coefficient de diffusivité thermique reflète l’intensité du mélange de matériau dans le lit. Sa valeur peut être mesurée par une méthode modifiée de la source de chaleur instantanée, dont l’essence est la suivante: une forte impulsion thermique instantanée est créée dans le lit fluidisé en y versant rapidement une petite partie de particules préalablement chauffées de ce même matériau. Le moment d’atteindre la température maximale tmax à une certaine distance de la source de chaleur est enregistré selon l’équation (Geljperin, 1967):
où n = 3, 2, 1 selon que la source de chaleur est un point, une ligne ou une surface. Le mouvement des bulles permet le mélange des particules dans la phase d’émulsion, à la fois dans le sens de la hauteur du lit, et dans le sens radial, une certaine quantité de particules traversant toute intersection observée du lit. Étant donné que les particules dans le lit non isotherme diffèrent par rapport à la valeur de l’enthalpie, un flux de particules plus chaudes résultant apparaîtra si leur concentration est plus élevée d’un côté de l’intersection observée. En supposant que la concentration de particules plus chaudes par unité de volume ne change que dans le sens de l’écoulement des particules, leur flux thermique résultant par unité de surface peut être exprimé comme suit:
Si l’expression suivante pour l’enthalpie est introduite dans l’expression (2):
nous obtenons:
où λ est le coefficient de conductivité thermique du lit fluidisé, qui est défini comme:
Pour déterminer le coefficient de conductivité thermique dans la direction axiale, Borodulja et associés (1966) ont utilisé un tuyau en verre, d’une longueur de 1m, d’un diamètre de 80mm. Sur la surface supérieure du lit, une source de chaleur de surface instantanée a été créée en versant une petite partie (5-7% en volume) de particules chauffées dans un four jusqu’à une température de 100-700ºC. Le temps de coulée des particules était inférieur à 0,5s. Pour mesurer la température du lit, deux thermocouples ont été utilisés; l’un d’eux a été placé sur le distributeur, l’autre à la moitié de la hauteur du lit. Des mesures ont été effectuées avec plusieurs fractions monodispersées et polydispersées de différents types de matériaux pour différentes hauteurs du lit stagnant. Le traitement des données expérimentales a montré que le coefficient de diffusivité thermique dans la direction axiale peut être décrit par l’équation suivante:
La détermination du coefficient de conductivité thermique dans la direction radiale est effectuée dans un tuyau d’un diamètre de 175 mm. Une source de chaleur ponctuelle instantanée a été obtenue en versant rapidement une petite partie de particules de sable chaud le long de l’axe de l’appareil à travers un tuyau de verre d’un diamètre de 25 mm. Pour la mesure de la température, un thermocouple a été placé à la hauteur de la coulée des particules du tuyau, à une distance de 60 à 70 mm de son axe.
La recherche a montré qu’il y avait un mélange très intensif de matière dans le lit fluidisé dans la direction axiale. Le coefficient de conductivité thermique axiale était compris entre λa = (1100-6000) W / m.K. En revanche, le mélange de matériau dans la direction radiale était relativement faible. Les valeurs des coefficients de conductivité thermique radiale étaient : λr = (50150) W / M.K.
Dans leur article publié, Peters et al. (1953) ont tenté de calculer le coefficient de conductivité thermique en déterminant le profil de température dans le lit fluidisé. L’appareil avait la forme d’un parallélépipède, largeur 65mm, longueur 450mm, hauteur 480mm, qui n’était pas complètement rempli de sable (dekv = 0,23mm). Comme source de chaleur, ils ont utilisé un radiateur électrique constitué d’une spirale de fil, qui fournissait de la chaleur uniformément le long de la section transversale du lit. L’isolation thermique de la cuve a empêché la perte thermique à travers la paroi d’être supérieure à 7%. Les valeurs numériques calculées de la conductivité thermique dans la direction axiale se situaient entre 1163 et 1977 W / M.K, tandis que dans la direction radiale, elles étaient de l’ordre de 12002000 W / m.K. Peters et al. (1953) affirment que ces valeurs sont considérablement augmentées et qu’elles sont pratiquement impossibles à obtenir sur la base de telles conditions expérimentales.
La recherche sur la conductivité thermique du lit fluidisé montre l’existence d’une dispersion des résultats obtenus par divers auteurs (Kunii et Levenspiel, 1976) car ils montrent une dépendance complexe des coefficients de conductivité thermique à divers facteurs. Par conséquent, il est très difficile de donner une approximation des résultats obtenus par une dépendance empirique globale. Pour des calculs pratiques, il est beaucoup plus fiable de prendre des valeurs absolues du coefficient λ à un instant donné.
MÉTHODE EXPÉRIMENTALE
Le but de la recherche expérimentale sur le lit fluidisé dans cet article est la détermination des coefficients de conductivité thermique en fonction des caractéristiques opérationnelles du lit fluidisé: vitesse, vitesse de fluidisation et taille des particules. Des recherches expérimentales ont été menées sur un appareil de laboratoire (figure 1). L’appareil se compose d’une partie de mesure au-dessus de laquelle se trouve un tuyau d’alimentation en sable chauffé dans le lit, un dispositif d’alimentation en air et un dispositif de mesure, de régulation et d’enregistrement du processus. Une attention particulière a été accordée à la construction du dispositif d’alimentation en sable chauffé dans le lit. Le matériau, préalablement chauffé à une température de 250 à 350ºC, a été inséré instantanément dans le lit fluidisé en versant rapidement la surface à travers le tuyau de diamètre 45mm sur la surface du lit.
Un ventilateur de l’environnement extérieur fournit l’air nécessaire à la fluidisation. Le débit d’air est mesuré par un appareil standard, tandis qu’une vanne permet le débit d’air souhaité. Afin de stabiliser le flux d’air, les sections devant et derrière l’appareil sont suffisamment longues. Une chambre isolée par de la laine de verre permet de produire une répartition uniforme de l’air à l’intersection de la partie opérationnelle de l’appareil. Un distributeur est placé à l’entrée de la partie opérationnelle de l’appareil, tandis qu’une extension conique, qui empêche l’élimination des fractions mineures, est placée au-dessus. Les thermocouples Chromel-alumel sont utilisés pour les mesures de température. L’un d’eux est placé à la sortie du lit. Une autre, pour la détermination du coefficient de diffusivité thermique dans la direction axiale est placée immédiatement au-dessus du distributeur (Figure 1a), c’est-à-dire pour la détermination de ar dans la direction radiale (Figure 1b).
Afin de commencer la détermination expérimentale du coefficient de conductivité thermique, certaines mesures ont été effectuées. Du sable siliceux de fractions différentes a été utilisé comme matériau de fluidisation. Après tamisage dans des tamis standard, des fractions de sable siliceux de diamètre moyen de particules de 0,3 mm, 0,5 mm et 0,9 mm ont été séparées (tableau 1). Les caractéristiques suivantes ont été déterminées pour chaque fraction:
■ densité de sable réelle pp,
■ densité de sable en vrac pn,
■ diamètre de particule équivalent dp,
■ porosité à vitesse de fluidisation minimale emf,
■ vitesse de fluidisation minimale Umf.
La vitesse minimale de fluidisation a été déterminée expérimentalement et sa valeur coïncide avec la valeur de l’équation (Srinivasakannan et Balasubramanien, 2002):
La densité apparente des particules a été déterminée en versant librement une certaine quantité de sable dans un récipient calibré, tandis que la densité réelle a été déterminée par un picnomètre. La valeur de la capacité thermique spécifique a été tirée de Naumann (1981).
Comme on l’a dit, pour déterminer le coefficient de conductivité thermique dans la direction axiale, deux thermocouples sont placés sur l’axe du lit stagnant, le premier étant placé à 43,5 mm du distributeur, et le second à la surface du lit. En ajustant le débit d’air, on obtient la vitesse d’air souhaitée à la température de travail. À cette vitesse de travail de l’air, avec une vitesse de fluidisation minimale connue, la vitesse de fluidisation a été déterminée. Dans cet état établi, une partie déjà préparée de sable préalablement chauffé est très rapidement insérée à travers le tuyau fixe. Lors du déplacement du sable chaud inséré à travers le lit fluidisé, les thermocouples ont mesuré la température dans le lit, avec enregistrement sur un système d’acquisition. Pour un taux de fluidisation défini, des températures de lit séparées ont été enregistrées toutes les 0,02 s. Ce que l’on peut noter, c’est que la température dans le lit augmente, en raison du mouvement des particules de sable chaud. En même temps, on lit l’intervalle de temps entre deux augmentations maximales de température enregistrées par les thermocouples. Pour une distance connue entre les thermocouples et le temps de lecture, on calcule la valeur du coefficient de diffusivité thermique. La diffusivité thermique étant déterminée dans la direction axiale, on suppose que, dans l’équation (1), la valeur de n = 1 (dosage de matériau superficiel). Pour un certain taux de fluidisation et les conditions existantes, l’expérience a été répétée plusieurs fois. La vitesse de l’air a ensuite été augmentée et une autre expérience a été réalisée, pour la même fraction de sable, de la manière décrite ci-dessus. Après avoir mesuré une certaine fraction, la partie opérationnelle de l’appareil est vidée et une autre fraction est versée et la même expérience est répétée.
Les valeurs du coefficient de conductivité thermique dans la direction radiale ont été déterminées par la même procédure que les valeurs de conductivité axiale. Comme cela a été décrit, la différence se situe dans les positions des thermocouples, qui étaient, dans ce cas, dans le même plan (Figure 1b), et avec un dosage ponctuel de matière source (n = 3).
RÉSULTATS ET DISCUSSION
Pour l’évaluation de l’intensité du mélange dans le lit fluidisé, le coefficient de conductivité thermique effective fait autorité. Compte tenu de l’interrelation entre la conductivité thermique et les coefficients de diffusivité thermique, la figure 2 montre la dépendance des valeurs moyennes du coefficient de conductivité thermique sur la vitesse de l’agent de fluidisation. La conductivité thermique et la diffusivité thermique étant liées par la capacité thermique spécifique des particules et la densité du lit fluidisé, qui dépend directement de la porosité du lit, la façon dont le coefficient de conductivité thermique change avec la vitesse de fluidisation est similaire à la façon dont le coefficient de diffusivité thermique change avec la vitesse de fluidisation. La valeur maximale de la conductivité thermique, qui se produit à une vitesse de fluidisation d’environ N = 2.5, souligne encore une fois le fait qu’à cette vitesse de l’agent de fluidisation, le mélange de particules entraîne des contacts et des collisions plus intenses de particules solides (Huilin et al., 2007). L’apparition du maximum peut également être expliquée par une diminution de la densité du lit fluidisé et une augmentation de sa porosité avec l’augmentation de la vitesse du gaz, ce qui peut entraîner des caractéristiques différentes du changement du coefficient de conductivité thermique.
Généralement, les valeurs obtenues du coefficient de diffusivité thermique dans la direction radiale sont plus petites d’un ordre entier (Figure 3). Contrairement au coefficient de conductivité dans la direction axiale, ce qui peut être observé pour tous les diamètres équivalents moyens est l’apparition du maximum du coefficient de conductivité thermique dans la direction radiale à une vitesse de fluidisation N = 2,5. Selon de nombreux chercheurs, la concentration locale de particules influence le transfert de chaleur dans le sens de son intensification lorsque la distribution annulaire des particules sur la section transversale de la colonne (avec un noyau solide au centre, un lit raréfié autour du noyau et un anneau dense à côté de la paroi) se détériore. Dans le même temps, le mélange des particules et la fréquence de leurs collisions mutuelles augmentent, ce qui améliore la diffusion plus intensive de la chaleur. Certaines fluctuations des valeurs de diffusivité thermique peuvent être observées dans les diagrammes de dépendance du coefficient de diffusivité thermique au taux de fluidisation. La cause de ces fluctuations peut être l’arrivée successive de paquets de particules chauffés différemment aux lieux d’observation et parfois des bulles qui traversent le lit. Lorsque des bulles traversent le lit, à un moment donné, l’un des deux thermocouples peut se trouver à l’intérieur d’une bulle, enregistrant ainsi la température de l’air à l’intérieur de la bulle. Comme la température de l’air à l’intérieur d’une bulle est supérieure à la température de l’air et des particules solides dans la phase d’émulsion, une augmentation de température se produira à cet endroit à ce moment-là.
Par leur interaction, tous les paramètres hydrodynamiques traités influencent de manière très complexe le transfert de chaleur global dans le lit fluidisé et, par conséquent, les coefficients de conductivité thermique. La domination de certains d’entre eux ne se produit que dans une plage limitée. Les résultats obtenus par les expériences indiquent que la porosité du lit, i.e., la concentration des particules, bien qu’un facteur très important de transfert de chaleur dans le lit fluidisé, n’est pas indépendante du flux de particules, de la vitesse relative des particules et des gaz et du mélange inverse.
Le pourcentage d’erreur de l’instrument de mesure a été déterminé sur la base des valeurs obtenues:
■ distance entre les thermocouples – 1%
■ temps – 0,4%
Sur la base des valeurs ci-dessus, le pourcentage d’erreur quadratique moyenne des instruments de mesure était de 1,077%, tandis que l’erreur de détermination expérimentale du coefficient de diffusivité thermique était de 8,8%.
Compte tenu du fait que les valeurs obtenues de l’erreur de mesure du coefficient de transfert thermique se situent dans les limites autorisées pour la recherche expérimentale, les résultats peuvent être considérés comme fiables et précis.
TRANSFERT DE CHALEUR ENTRE UN LIT FLUIDISÉ ET DES SURFACES IMMERGÉES DANS LE LIT
Le moyen de transfert de chaleur le plus couramment utilisé en lit fluidisé est le transfert de chaleur entre le lit fluidisé et des surfaces immergées de différentes formes et tailles (Botterill, 1975).
La valeur du coefficient de transfert de chaleur augmente lorsque la vitesse du gaz est supérieure à la vitesse minimale de fluidisation. Il atteint son maximum pour la vitesse du gaz connue sous le nom de vitesse optimale de la fluidisation. Après cela, il diminue avec l’augmentation de la vitesse.
Il est généralement admis que le coefficient de transfert de chaleur par convection surface-lit peut être considéré comme composé de trois composants additifs:
où hpc, hgc, hb sont les coefficients de convection des particules, de convection des gaz et de transfert de chaleur à bulles, et (1-fo) est le temps de contact de la phase d’émulsion avec la surface de transfert de chaleur (Chen et al., 2005).
Le temps de contact de l’emballage de particules avec la surface τ dépend à la fois du temps de contact des bulles avec la surface fo et de la fréquence du transit des bulles au point considéré de la surface
où A est le coefficient qui est défini comme:
Rk et Rc dans (10) sont la résistance au transfert de chaleur de l’emballage de particules et la résistance thermique de contact d’un film gazeux. Hamidipour et coll. (2005) ont étudié expérimentalement le contact entre les particules et la paroi et ont constaté que le temps de contact entre les particules et la paroi dans un lit de particules de sable diminue avec l’augmentation de la vitesse du gaz dans le régime de bouillonnement de fluidisation.
La plus grande partie du coefficient total du transfert de chaleur est le coefficient de transfert de chaleur par convection des particules (Botterill, 1975, Baskakov et al, 1978):
On a vu que la taille des particules a un effet important à la fois sur la valeur du coefficient de transfert thermique maximal et sur le changement de l’effet de certains mécanismes sur le transfert thermique global. Pour cette raison, l’influence de la taille des particules sur le transfert de chaleur dans le lit fluidisé est l’objectif le plus courant de la recherche expérimentale. Les résultats expérimentaux (Wang et al., 2004) montrent que, pour les petites particules, dp < 0.8 mm, les effets des propriétés thermophysiques des particules sur le coefficient de transfert de chaleur deviennent importants avec la diminution du diamètre des particules.
APPAREIL EXPÉRIMENTAL
Une étude expérimentale du transfert de chaleur par convection entre un tube immergé et le lit fluidisé a été réalisée sur l’appareil à l’échelle du laboratoire de 600 mm de hauteur et de section carrée de dimensions 160×160 mm.
La surface d’échange thermique immergée – un radiateur électrique – est en tube de cuivre, de diamètre extérieur 16 mm et de longueur 100 mm. Trois thermocouples sont intégrés sur la surface extérieure – sur la face avant, latérale et supérieure – par rapport au sens de rotation de l’appareil de chauffage par rapport au flux d’air de fluidisation. L’appareil de chauffage est fixé sur le support dans un cadre de dimensions 150×150 mm (Figure 4). Le cadre peut être tourné autour de l’axe horizontal, à 100 mm au-dessus du distributeur, ce qui permet de changer l’inclinaison de l’appareil de chauffage.
Afin d’obtenir les mêmes conditions de travail pour chaque vitesse de fluidisation, l’inclinaison de l’appareil de chauffage a été modifiée et la température de la surface de l’appareil de chauffage et du lit ont été mesurées à chaque angle. Pour une vitesse de fluidisation définie, l’inclinaison du réchauffeur a été modifiée progressivement par incréments de 10º de la position verticale (angle de 0º) à la position horizontale (angle de 90º). Pour chaque angle d’inclinaison, les mesures ont été restaurées après avoir atteint l’état stationnaire. La procédure a été répétée pour chaque nouvelle vitesse de fluidisation et les trois tailles de particules: 0,3, 0,5 et 0,9 mm. La hauteur du lit stagnant était de 160 mm.
RÉSULTATS ET CONCLUSIONS DE LA DISCUSSION
Définir les valeurs moyennes du coefficient de transfert de chaleur entre le lit fluidisé et les surfaces d’échange inclinées immergées suppose des coefficients de transfert de chaleur locaux définis (Baskakov et al., 1973), dont la répartition le long de la surface est très inégale, en raison de conditions aérodynamiques différentes.
La mesure du coefficient de transfert thermique local entre la surface de chauffage et le lit fluidisé a été réalisée afin de définir la valeur moyenne du coefficient de transfert thermique pour l’ensemble du chauffage. En raison de la symétrie de l’écoulement autour du cylindre, la valeur moyenne du coefficient de transfert de chaleur est définie comme la valeur moyenne arithmétique des coefficients de transfert de chaleur locaux:
Afin d’examiner l’influence de la taille des particules de sable sur l’échange de chaleur entre le lit fluidisé et la surface immergée pour un appareil de chauffage incliné, des études ont été menées avec des diamètres de particules de 0,3, 0,5 et 0,9 mm.
La tendance du changement du coefficient de transfert de chaleur avec l’augmentation du taux de fluidisation est similaire pour les particules plus petites et plus grosses – Figures 5, 6 et 7 (Baskakov et al., 1978), bien que cette influence soit moins significative pour les particules plus grosses, car après avoir atteint un taux de fluidisation de 2.5, la vitesse de l’air influence de manière insignifiante la distribution du coefficient de transfert de chaleur.
Afin de mieux analyser l’influence de la taille des particules et du taux de fluidisation sur l’échange de chaleur entre lit fluidisé et surface inclinée, la figure 8 montre la dépendance du coefficient de transfert de chaleur relatif (h * = hφ/hº) sur l’angle d’inclinaison pour des taux de fluidisation de 1 à 3.
La figure souligne clairement la tendance du changement de coefficient de transfert de chaleur à rester le même, quel que soit le diamètre des particules, mais avec l’augmentation du diamètre des particules, l’influence de l’inclinaison du chauffage diminue. Ainsi, la différence entre les valeurs du coefficient de transfert thermique relatif en position verticale et horizontale du réchauffeur pour un diamètre de particules de 0,3 mm diminue de 24% à 10% ; pour un diamètre de particules de 0,5 mm de 23% à 10% et pour un diamètre de particules de 0,9 mm de 20% à 8% avec l’augmentation de la vitesse de fluidisation de N = 1 à N = 3,.
CONCLUSIONS
Sur la base des résultats des recherches expérimentales et théoriques des coefficients de conductivité thermique dans le lit fluidisé qui ont été menées jusqu’à présent, ainsi que sur la base des résultats de nos propres recherches expérimentales, il a été confirmé que le lit fluidisé présente une très bonne conductivité thermique, ce qui permet son application dans de nombreux procédés industriels d’échange thermique.
Les résultats obtenus en recherche expérimentale ont montré que les coefficients de conductivité thermique dépendent de la structure hydrodynamique du lit fluidisé. Bien que la variation des coefficients de conductivité thermique diffère dans les directions axiale et radiale, elle dépend généralement de la vitesse de fluidisation et de la taille des particules.
Pour toutes les fractions traitées du sable, les valeurs du coefficient de conductivité thermique du lit fluidisé dans la direction axiale étaient comprises entre 450 et 3100 W/mK, ce qui représente également la valeur maximale atteinte dans toutes les mesures. Les valeurs obtenues de ces mêmes coefficients dans la direction radiale sont comprises entre 19 et 110 W / mK, ce qui fournit un niveau d’accord satisfaisant avec les résultats d’autres auteurs.
Malgré la complexité de l’analyse de la conductivité thermique à travers le lit fluidisé, les résultats obtenus fournissent une image réaliste qui peut être utilisée dans toutes les recherches théoriques et expérimentales futures sur le processus de conduction thermique dans le lit fluidisé.
Les résultats de l’étude expérimentale confirment la dépendance directe de l’intensité de l’échange thermique sur les conditions aérodynamiques en lit fluidisé. Il est évident que la fréquence et la période de contact des surfaces d’échange de chaleur avec les bulles et les paquets de particules dépendent de la taille des particules, de la vitesse de fluidisation et de l’inclinaison de la surface d’échange de chaleur.
La tendance du changement de coefficient de transfert de chaleur reste la même, indépendamment du diamètre des particules. Cependant, l’influence de l’inclinaison du chauffage diminue avec l’augmentation du diamètre des particules. On peut donc conclure que l’influence de la taille des particules sur le coefficient de transfert de chaleur pour les surfaces inclinées peut être négligée.
On peut également conclure que l’influence de l’inclinaison de la surface d’échange sur le transfert de chaleur entre le lit fluidisé et les surfaces immergées diminue avec l’augmentation de la vitesse de fluidisation.
NOMENCLATURE
|
Symboles |
||||
|
a |
coefficient de diffusivité thermique | m2 /l | ||
| D |
Nombre d’Archimède |
|||
| cp | capacité thermique spécifique des solides | L / kg L | ||
| D |
diffusivité solide |
m2 /l | ||
| fo | temps de contact des bulles avec la surface | |||
| D |
entalphie |
L / kg | ||
| dp | diamètre des particules | l | ||
| d1 | coefficient de transfert de chaleur local sur la face avant | L/m2K | ||
| h2 | coefficient de transfert de chaleur local du côté latéral | L /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 coefficient | L/m2K | ||
| h * = hφ/ hº | coefficient de transfert de chaleur relatif | |||
| L | le taux de fluidisation | |||
| RC | résistance thermique de contact d’un film gazeux | |||
| Rk | résistance au transfert de chaleur de l’emballage de particules | |||
|
Subscripts |
||||
| a | axial | |||
| mf | minimum fluidization | |||
| p | particle | |||
| r | radial | |||
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Lettres Grecques |
||||
| λ | conductivitécoefficient thermique | L/L | ||
| ε | porosité du lit fluidisé | |||
| pp | densité de sable | l/m3 | ||
| l | densité de sable en vrac | kg / m3 | ||
| φ | angle d’inclinaison de l’appareil de chauffage | º | ||
| τ | temps de contact de l’emballage de particules avec la surface | l | ||
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