流体力学、熱と物質移動、その他のトピック
流動層と傾斜交換面との熱伝導率と熱交換の実験的研究
B.StojanovicI,*;J.JanevskiII;M.StojiljkovicIII
ifaculty of mechanical engineering,university of nis,serbia,aleksandra medevedeva14,18000nis,SERBIA. 電子メール:[email protected]…..yu
Iifaculty of Mechanical Engineering,University of Nis,Serbia,Aleksandra Medevedeva14,18000Nis,Serbia. 電子メール:[email protected]
Iiifaculty of Mechanical Engineering,University of Nis,Serbia,Aleksandra Medevedeva14,18000Nis,Serbia. 電子メール:[email protected]…..yu
概要
空気によって流動化された珪質砂層の熱伝導率の実験的研究と、流動層と傾斜交換面との間の熱伝達率に及ぼす粒径の影響の実験的研究 測定は特定の流動化の速度および砂の粒径dp=0.3、0.5、0.9mmのために行われました。流動層の産業使用は有用な特徴のために過去20年に急速に増加し 流動層の優れた特徴の一つは、不均一な熱放出でも均一な温度を維持する傾向があることです。 実験的研究に基づいて，得られたベッドの熱伝導率の値に及ぼすプロセスの動作パラメータの影響を解析した。 その結果，熱伝導率は混合強度，流動化の程度，粒子の大きさに直接依存することが分かった。 軸方向において、処理された係数は、半径方向よりも全体のオーダー高い値を有する。 実験研究結果と他の著者らの実験結果との比較は良好な一致を示し，熱伝導率の変化の傾向は同じであった。 熱伝達係数の値は、熱交換面の水平位置で最も高く、垂直位置で最も小さいことは文献でよく知られている。 傾斜角に依存する熱伝達の変化については詳細には調べていない。 すべての粒度のための縦および横のヒーターの位置間の相対的な熱伝達係数の価値間の相違は流動化率の増加とおよそ15%減ります。
キーワード:流動層;熱伝達;表面;粒子の熱伝導性;ケイ質の砂;実験。
はじめに
その出現以来、流動化現象は多くの研究者の注目を集めてきました。 多数の科学技術操作のその適用は反映される優秀な特性から生じます、: 固体粒子の集中的な混合、ガスと固体粒子間の高い接触表面、ベッド全体のほぼ一定の温度、ならびにベッドからの材料の簡単な挿入および除去。 過去数十年の間に、流動化のプロセスとその応用に関する多数の論文と研究が出版されており、そのほとんどは実験的研究に基づいています。 流動層は高い熱伝導率を特徴とするため、熱伝導の分野は研究者にとって大きな関心事であった。 しかし、この問題を扱う多数の論文（Massoudi and Phouc、2007）にもかかわらず、彼らの著者の結論は非常に異種であり、時には矛盾することさえあります。 結果のこの分散の理由は、これらの実験が実行される異なる条件にある。 これらの事実は，異なる画分の珪質砂の粒子に対する流動層の熱伝導率を決定することを主な目的とした実験研究を動機としている。 得られた熱伝達係数の値に基づいて，熱伝達係数変化の傾向は粒径に関係なく同じままであると結論した。 流動化速度の増加に伴う熱伝達係数の変化の傾向は，より大きな粒子ではあまり有意ではなかった。 流動層の熱伝導率の値に及ぼす最も重要なパラメータの影響を実験結果により解析した。
ガスと粒子との間の非常に効率的な接触によるものです。、流動層および浸された熱交換の表面か壁に、流動層非常に集中的な熱交換があります。 流動層と床に浸漬された表面との間の熱伝達は、床の動的特性（Martin、1984）、ほとんどすべての気泡の動きおよび粒子混合強度の関数である。 しかし，流動化速度と粒径が表面間の交換熱量に最も影響力のある要因であることは明らかである。
また、浸漬された表面と流動層との間の熱伝達における重要な要因は、伝熱表面近傍の粒子運動、表面との接触時間、および壁上の粒子濃度である（Zarghami et al., 2007). 交換面の上、上、側方のガスと粒子の動きは特異的であるため、これらのゾーンの変化は主に文献で研究されています。
問題の複雑さと影響因子の大部分は、方程式に含めることが困難であり、熱伝達係数の実験的決定が受け入れられる方法である。
流動層の熱伝導率
固体粒子の比熱容量は、ガスの比熱容量よりも数オーダーの体積的に高いため、移動粒子は床内の基本的な熱保持器です。 この場合、通常のフーリエ方程式は、熱拡散係数が層内の材料の混合の強度を反映する流動層内の熱伝播のプロセスを記述するために使用することが その値は、瞬間熱源の修正された方法によって測定することができ、その本質は次の通りである：流動層には、同じ材料の以前に加熱された粒子の小 熱源から一定の距離で最大温度tmaxを達成する瞬間は、式（Geljperin）に従って登録されます, 1967):
ここで、熱源が点、線、または表面であるかどうかに応じて、n=3、2、1です。 泡の動きはある量の粒子がベッドの観察された交差を通るという乳剤段階の粒子の混合を、ベッドの高さの方向の、そして放射状の方向の両方可能に 非等温層中の粒子はエンタルピーの値に関して異なるので、観測された交差の片側でそれらの濃度が高い場合、より暖かい粒子の結果として生じるフラッ 単位体積当たりのより暖かい粒子の濃度が粒子の流れの方向にのみ変化することを前提とすると、単位表面当たりの結果として生じる熱流束は、次のように表すことができる。:
エンタルピーの次の式が式に導入された場合(2):
私達は得ます:
ここで、ρは流動層の熱伝導率係数であり、これは次のように定義される:
軸方向の熱伝導率を決定するために、Borodulja and associates(1966)は、ガラスパイプ、長さ1m、直径80mmを使用し、ベッドの上面には、炉内で加熱された粒子の小さな部分（体積5-7％）を100-700℃の温度まで注ぐことによって瞬間的な表面熱源が作られた。 粒子注入の時間は0.5s未満であった。 ベッドの温度を測定するために、二つの熱電対が使用された;それらの一つは、ベッドの半分の高さで、他のディストリビュータ上に配置されました。 測定は、停滞床の異なる高さのための材料の異なるタイプのいくつかの単分散および多分散画分を用いて行われた。 実験データの処理により、軸方向の熱拡散係数は次の式で記述できることが示されています:
直径175mmのパイプで半径方向の熱伝導率係数の決定を行い、直径25mmのガラスパイプを介して装置の軸に沿って暖かい砂粒子の小さな部分を迅速に注ぐことによって瞬時スポット熱源を得た。温度測定のために、パイプからの粒子の注入の高さに、その軸から60-70mmの距離に熱電対を置いた。
この研究では、流動層に軸方向の材料が非常に集中的に混合されていることが示されています。 軸方向の熱伝導率係数はσ a=(1100-6000)W/M.K.の範囲内であったが、半径方向の材料の混合は比較的小さかった。 半径方向の熱伝導率係数の値は、σ r=(50150)W/m.K.
であった。 (1953)は、流動層内の温度プロファイルを決定することにより、熱伝導率を計算しようとしました。 装置は平行六面体の形をしており、幅65mm、長さ450mm、高さ480mmであり、砂で完全に満たされていなかった（dekv=0.23mm）。 熱源として、彼らはベッドの横断面に沿って均等に熱を提供するワイヤスパイラルからなる電気ヒーターを使用した。 容器の熱分離は壁を通して熱損失が高くより7%であることを防いだ。 軸方向の熱伝導率の計算された数値は1163-1977W/M.K以内であり、半径方向では12002000w/M.Kのオーダーであった。 (1953)は、これらの値が著しく増加し、そのような実験条件に基づいて得ることは事実上不可能であると述べている。
流動層の熱伝導率に関する研究は、熱伝導率係数が様々な要因に複雑に依存することから、様々な著者（Kunii and Levenspiel、1976）によって得られた結果の分散の存在を示 したがって，得られた結果をいくつかの大域的経験的依存性によって近似することは非常に困難である。 実用的な計算のためには、与えられた瞬間に係数λの絶対値を取る方がはるかに信頼性があります。
実験方法
本論文では、流動層に関する実験研究の目的は、流動層の運転特性（速度、流動速度、粒子の大きさ）に応じた熱伝導率の決定である。 実験室装置で実験的研究を行った（図1）。 装置は、加熱された砂をベッドに供給するためのパイプ、空気の供給のための装置、およびプロセスの測定、規制、および登録のための装置がある測定部 ベッドへの加熱された砂の供給のための装置の構築に特別な注意が払われた。 温度250-350º Cまで前に熱された材料はベッドの表面に直径45mmの管を通して注ぐ速い表面によって流動性にされたベッドに瞬時に挿入されました。
外部環境からのファンは流動化に必要な空気を供給する。 空気の流れは標準的な器具によって弁は空気の望ましい流れを可能にするが、測定される。 空気の流れを安定させるために、装置の前後のセクションは十分に長い。 グラスウールによって隔離される部屋は器具の操作上の部分の交差の空気の配分を作り出すのを助ける。 ディストリビューターは器具の操作上の部分に入口にマイナーな一部分の取り外しを防ぐ先を細くされた延長は上に置かれるが、置かれる。 Chromel-alumelの熱電対は温度の測定のために使用される。 そのうちの一つはベッドからの出口に置かれています。 もう一つは、軸方向の熱拡散係数を決定するために、分配器のすぐ上に配置され（図1a）、すなわち、半径方向のarを決定するため（図1b）である。
熱伝導率係数の実験的決定を開始するために、特定の測定を行った。 流動化のための材料として，画分の異なる珪質砂を用いた。 標準ふるいでのふるい分けに続いて、0.3mm、0.5mm、および0.9mmの平均粒子径を有する珪質砂の画分を分離した（表1）。 各画分について以下の特性を決定した:
■実際の砂密度pp、
■バルク砂密度pn、
■等価粒子径dp、
■最小流動速度emfでの気孔率、
■最小流動速度Umf。
最小流動速度は実験的に決定され、その値は式（SrinivasakannanおよびBalasubramanian）の値と一致します, 2002):
粒子のかさ密度は較正された容器に一定量の砂を自由に注ぐことによって決定され、実際の密度はピクノメーターによって決定された。 特定の熱容量の値は、Naumann(1981)から取られました。
前述したように、軸方向の熱伝導率を決定するために、二つの熱電対が停滞床の軸上に配置され、それによって第一は分配器から43.5mmに配置され、第二は床の表面に配置された。 空気の流れを調整することにより、作動温度での所望の空気速度が得られる。 既知の最小流動化速度を有する空気のこの作業速度で、流動化速度を決定した。 この確立された状態では、以前に加熱された砂の既に調製された部分が、固定パイプを通して非常に迅速に挿入される。 流動層を通る挿入された熱い砂の動きの間に、熱電対は獲得システムの登録のベッドの温度を、測定した。 注目されることができるのは、熱い砂粒子の動きのためにベッド内の温度が上昇することである。 同時に、熱電対によって登録された温度の2つの最大上昇の間の時間スパンが読み取られます。 熱電対と読み取り時間との間の既知の距離について、熱拡散係数の値が計算されます。 熱拡散率は軸方向に決定されるので、式（１）では、ｎ＝１（表面材料投与量）の値とする。 一定の流動化速度および既存の条件について、実験を数回繰り返した。 次に、空気の速度を増加させ、同じ砂分率について、上記の方法で別の実験を行った。 ある特定の一部分を測定した後、器具の操作上の部分は空になり、別の一部分は注がれ、同じ実験は繰り返されます。
半径方向の熱伝導率の値は、軸方向の導電率の値と同じ手順で求めました。 説明したように、差は熱電対の位置にあり、この場合は同じ平面内にあり（図1b）、点源材料の投与量（n=3）であった。
結果と考察
流動層中の混合強度を評価するためには、有効熱伝導率の係数が権威があります。 熱伝導率と熱拡散係数の相互関係を考慮して、図2は、熱伝導率の平均値が流動化剤の速度に依存することを示しています。 熱伝導率と熱拡散率は粒子の特定の熱容量と流動層の密度を介して接続されているため，流動化速度とともに熱伝導率が変化する方法は流動化速度とともに熱拡散率が変化する方法と同様である。 熱伝導率の最大値は、約N=2の流動化速度で発生します。また、図５を参照すると、流動化剤のその速度で、粒子の混合が固体粒子のより強い接触および衝突をもたらすという事実を再び指摘する（Ｈｕｉｌｉｎ ｅ ｔ ａ ｌ．, 2007). 最大値の発生は，流動層の密度の減少とガス速度の増加に伴う気孔率の増加によっても説明することができ，これは熱伝導率係数の変化の異なる特性を引き起こす可能性がある。
一般に、得られた半径方向の熱拡散係数の値は、全体のオーダーだけ小さくなります（図3）。 軸方向の導電率係数とは対照的に、この場合、すべての平均等価直径について観察できるのは、流動化速度N=2.5における半径方向の熱伝導率係数の最 多くの研究者によると、粒子の局所的な濃度は、柱の横断面にわたる粒子の環状分布（中心に固体コア、コアの周りに希薄なベッド、壁の隣に密なリング）が劣化するとき、その強化の意味で熱伝達に影響を与える。 同時に、粒子の混合およびそれらの相互衝突の頻度が増加し、熱のより集中的な拡散が促進される。 熱拡散係数の流動化速度への依存性の図において，熱拡散率の値のある種のゆらぎを観察することができる。 これらの変動の原因は、異なる加熱された粒子パッケージが観測場所に連続的に到着し、時にはベッドを通過する気泡が発生する可能性があります。 気泡がベッドを通過すると、ある時点で、二つの熱電対のいずれかが気泡の内部にあり、気泡の内部の空気の温度を登録することができる。 気泡内の空気の温度は、エマルジョン相の空気および固体粒子の温度よりも高いので、その瞬間にその場所で温度の上昇が起こる。
それらの相互作用によって，すべての処理された流体力学的パラメータは流動層内の全球熱伝達に非常に複雑な方法で影響し，その結果，熱伝導率係数に影響する。 それらのうちのいくつかの支配は、限られた範囲でのみ発生します。 実験によって得られた結果は、ベッドの多孔性、すなわち 粒子の濃度は、流動層内の熱伝達の非常に重要な要因であるが、粒子流束、相対粒子およびガス速度、および逆混合とは無関係ではない。
測定器の誤差の割合は、得られた値に基づいて決定されました。
■熱電対間の距離-1%
■時間-0.4%
上記の値に基づいて、測定器の平均二乗誤差の割合は1.077%であり、熱拡散係数を実験的に決定する誤差は8.8%であった。
得られた熱伝達係数測定誤差の値は実験研究に許容される境界にあることを念頭に置いて、結果は信頼でき、正確であると考えることができます。
流動層と床に浸漬された表面との間の熱伝達
流動層における熱伝達の最も一般的に使用される方法は、流動層と異なる形状およびサイズの浸漬された表面との間の熱伝達である(Botterill,1975)。
ガス速度が最小流動速度よりも高い場合、熱伝達係数の値が増加します。 それは流動化の最適の速度として知られているガスの速度のための最高に達する。 その後、速度の増加とともに減少する。
表面から床までの対流熱伝達係数は、三つの添加成分で構成されていると考えることができることが一般的に認められています:
ここで、ｈｐｃ、ｈｇｃ、ｈｂは、粒子対流性、気体対流性および気泡熱伝達係数であり、（１−ｆｏ）は、エマルジョン相と熱伝達面との接触時間である（Ｃｈｅｎ ｅ ｔ ａ ｌ．, 2005).
粒子パッケージと表面λとの接触時間は、表面foとの気泡の接触時間と、表面上の考慮された点での気泡の通過頻度の両方に依存する
ここで、aは次のように定義される係数である:
（１ ０）中のＲｋ及びＲｃは、粒子パッケージの熱伝達に対する抵抗及びガス膜の接触熱抵抗である。 Hamidipour et al. (2005)は、粒子-壁接触を実験的に調査し、砂粒子の床における粒子-壁接触時間は、流動化のバブリング領域においてガス速度の増加とともに減少することを見出した。
熱伝達の全係数の最大部分は粒子対流熱伝達係数である（Botterill、1975、Baskakov et al、1978）:
粒径は最大熱伝達係数の値とオーバーオール熱伝達に及ぼすある種の機構の影響の変化に重要な影響を及ぼすことが分かった。 このため，流動層内の熱伝達に及ぼす粒径の影響が実験研究の最も一般的な目的である。 実験結果（Ｗａｎｇ ｅ ｔ ａ ｌ．,2004)は、小粒子の場合、dp<0であることを示している。8mm、熱伝達係数に及ぼす粒子の熱物理学的性質の影響は、粒子径の減少とともに重要になる。
実験装置
浸漬管と流動層との間の対流による熱伝達の実験的調査は、高さ600mm、寸法160x160mmの正方形の断面積の実験室規模の装置で行われた。
浸漬熱交換面-電気ヒータ-は、外径16mm、長さ100mmの銅管で作られている。 3つの熱電対は流動化の気流へのヒーターの回転の方向に関連して外面で-前側、側面および上部の側面で-作り付けである。 ヒーターは、150x150mmの寸法のフレーム内のキャリアに固定されています（図4）。 フレームは横の軸線、ディストリビューターの上の100つのmmのまわりで回すことができヒーターの傾斜の変更を可能にする。
各流動速度に対して同じ作業条件を得るために，ヒータ傾斜を変化させ，ヒータ表面と床の温度を各角度で測定した。 定義された流動化速度のために、ヒーターの傾斜は垂直位置（0ºの角度）から水平位置（90ºの角度）に10º増分で次第に変えられました。 各傾斜角について、測定値は静止状態に達した後に復元された。 0.3、0.5、0.9mmの三つの粒子サイズごとに手順を繰り返しました。停滞した床の高さは160mmでした。
結果と議論の結論
流動層と浸漬傾斜交換面との間の熱伝達係数の平均値を定義することは、定義された局所熱伝達係数を仮定する（Baskakov et al.、1973）、表面に沿った分布は、異なる空力条件のために非常に不均一である。
ヒータ表面と流動層との間の局所熱伝達係数の測定は、ヒータ全体の熱伝達係数の平均値を定義するために行われました。 円柱の周りの流れの対称性のために、熱伝達係数の平均値は、局所熱伝達係数の算術平均値として定義される:
傾斜ヒータの流動層と浸漬面との間の熱交換に及ぼす砂粒径の影響を調べるために、粒子径0.3、0.5、および0.9mmの調査を行った。
流動化速度の増加に伴う熱伝達係数の変化の傾向は、より小さな粒子とより大きな粒子で同様である-図5、6、7(Baskakov et al.,1978),この影響は、より大きな粒子のためにあまり重要ではありませんが、,の流動化速度に達した後ので、2.5つは、空気速度わずかに熱伝達率の配分に影響を与えます。
流動層と傾斜面との間の熱交換に及ぼす粒径と流動化速度の影響をよりよく分析するために、図8は、流動化速度1-3に対する相対熱伝達係数（h*=h φ/h φ）の傾斜角への依存性を示している。
この図は、粒子径が何であっても熱伝達係数の変化の傾向が同じであることを明確に強調していますが、粒子径の増加に伴い、ヒータ傾斜の影響は減少 したがって、粒子径0.3mmのヒーターの垂直位置と水平位置における相対熱伝達係数の値の差は24％から10％に減少し、粒子径0.5mmの場合は23％から10％に、粒子径0.9mmの場合は20％から8％にn=1からN=3に流動化速度の増加に伴って減少する。
結論
これまでに行われた流動層の熱伝導率の実験的および理論的研究の結果と、独自の実験的研究の結果に基づいて、流動層は非常に良好な熱伝導率を有し、熱交換の多数の工業プロセスに適用できることが確認されている。
実験研究で得られた結果は、熱伝導率係数が流動層の流体力学的構造に依存することを示している。 熱伝導率の変化は軸方向と半径方向で異なるが，一般に流動化速度と粒子の大きさに依存する。
砂のすべての処理画分について、軸方向の流動層の熱伝導率係数の値は450-3100W/mK以内であり、これもすべての測定で到達した最大値を表しています。 半径方向の同じ係数の得られた値は19-110W/mK以内であり、これは他の著者の結果と満足のいくレベルの一致を提供する。
流動層を通る熱伝導率の解析は複雑であるにもかかわらず、得られた結果は、流動層における熱伝導過程に関する将来のすべての理論的および実験的研究に使用することができる現実的な画像を提供する。
実験的調査の結果、熱交換強度が流動層の空力条件に直接依存することが確認されました。 熱交換面と気泡および粒子パケットとの接触の頻度および周期は，粒子サイズ，流動化速度および熱交換面の傾斜に依存することが明らかである。
熱伝達係数の変化の傾向は、粒子径に関係なく同じままです。 しかし，ヒータ傾斜の影響は粒子径の増加とともに減少した。 したがって，傾斜面の熱伝達係数に及ぼす粒径の影響は無視できると結論できた。
また、流動層と浸漬表面との間の熱伝達に及ぼす交換面傾斜の影響は、流動速度の増加とともに減少すると結論付けることができる。
|
シンボル |
||||
|
a |
熱拡散係数 | m2/s | ||
| Ar |
アルキメデス数 |
|||
| cp | 固体の特定の熱容量 | j/kg K | ||
| Ds |
固体拡散率 |
m2/s | ||
| fo | 気泡と表面との接触時間 | |||
| H |
エンタルフィ |
kJ/kg | ||
| dp | 粒径 | m | ||
| h1 | フロント側の局所熱伝達係数 | W/m2k | ||
| h2 | 側面のローカル熱伝達係数 | 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 係数 | W/m2k | ||
| h*=h φ/h φ | 相対的な熱伝達率 | |||
| N | 流動化率 | |||
| Rc | ガスフィルムの接触熱抵抗 | |||
| Rk | 粒子パッケージの熱伝達に対する耐性 | |||
|
Subscripts |
||||
| a | axial | |||
| mf | minimum fluidization | |||
| p | particle | |||
| r | radial | |||
|
ギリシャ文字 |
||||
| λ | 熱conductivitycoefficient | W/m-K) | ||
| ε | 空隙率の流動床式 | |||
| pp | 砂濃度 | kg/m3 | ||
| ρν | バ砂濃度 | kg/m3 | ||
| φ | ヒーターの傾斜角度 | º | ||
| τ | 時間の粒子のパッケージ表面に | s | ||
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