dynamika płynów; TRANSFER ciepła i masy; i inne tematy
eksperymentalne badanie współczynnika przewodności cieplnej i wymiany ciepła między złożem fluidalnym a nachyloną powierzchnią wymiany
B. StojanovicI,*; J. JanevskiII; M. StojiljkovicIII
ifaculty of Mechanical Engineering, University of Nis, Serbia, Aleksandra medevedeva 14, 18000 Nis, Serbia. E-mail: [email protected]
IIFaculty of Mechanical Engineering, University of Nis, Serbia, Aleksandra Medevedeva 14, 18000 Nis, Serbia. E-mail: [email protected]
IIIFaculty of Mechanical Engineering, University of Nis, Serbia, Aleksandra Medevedeva 14, 18000 Nis, Serbia. E-mail: [email protected]
streszczenie
w artykule przedstawiono eksperymentalne badania współczynników przewodności cieplnej złoża piasku krzemionkowego fluidyzowanego powietrzem oraz eksperymentalne badania wpływu wielkości cząstek na współczynnik przenikania ciepła między złożem fluidalnym a pochylonymi powierzchniami wymiany. Pomiary wykonano dla określonej prędkości fluidyzacji i średnic cząstek piasku dp = 0,3, 0,5, 0,9 mm. Przemysłowe zastosowanie złoża fluidyzacyjnego gwałtownie rośnie w ciągu ostatnich 20 lat ze względu na ich użyteczne właściwości. Jedną z wyjątkowych cech złoża fluidalnego jest to, że ma tendencję do utrzymywania jednolitej temperatury nawet przy niejednorodnym uwalnianiu ciepła. Na podstawie badań eksperymentalnych przeanalizowano wpływ parametrów pracy procesu na uzyskane wartości przewodności cieplnej złoża. Wyniki pokazują bezpośrednią zależność przewodności cieplnej od intensywności mieszania, stopnia fluidyzacji i wielkości cząstek. W kierunku osiowym współczynniki, które zostały poddane obróbce, mają wartości w całym porządku wyższe niż w kierunku promieniowym. Porównanie wyników badań eksperymentalnych z wynikami innych autorów wykazuje dobrą zgodność i taką samą tendencję do zmiany przewodności cieplnej. W literaturze dobrze wiadomo, że wartość współczynnika przenikania ciepła jest najwyższa w poziomie i najmniejsza w pionowym położeniu powierzchni wymiany ciepła. Zmienność wymiany ciepła w zależności od kąta nachylenia nie jest szczegółowo badana. Różnica między wartościami względnego współczynnika przenikania ciepła między pionowym i poziomym położeniem grzejnika dla wszystkich wielkości cząstek zmniejsza się o około 15% wraz ze wzrostem szybkości fluidyzacji.
słowa kluczowe: złoże fluidalne; transfer ciepła; powierzchnia; przewodność cieplna cząstek; piasek krzemionkowy; eksperyment.
wprowadzenie
od momentu pojawienia się zjawisko fluidyzacji przyciąga uwagę wielu badaczy. Jego zastosowanie w licznych operacjach technologicznych wynika z doskonałych właściwości, które znajdują odzwierciedlenie w: intensywne mieszanie cząstek stałych, wysoka powierzchnia styku gazu i cząstek stałych, prawie stała temperatura w całym złożu, a także proste wkładanie i usuwanie materiału ze złoża. W ciągu ostatnich kilkudziesięciu lat opublikowano liczne referaty i opracowania dotyczące procesu fluidyzacji i jego zastosowania, z których większość opiera się na badaniach eksperymentalnych. Dziedzina przewodzenia ciepła cieszy się dużym zainteresowaniem badaczy, ponieważ złoże fluidalne charakteryzuje się wysoką przewodnością cieplną. Jednak pomimo dużej liczby prac, które zajmują się tym problemem (Massoudi i Phouc, 2007), wnioski ich autorów są bardzo rozbieżne, czasem wręcz sprzeczne. Przyczyny tego rozproszenia wyników leżą w różnych warunkach, w których eksperymenty te są wykonywane. Fakty te umotywowały badania eksperymentalne, których głównym celem było określenie współczynników przewodności cieplnej złoża fluidalnego dla cząstek piasku krzemionkowego o różnych frakcjach. Na podstawie uzyskanych wartości współczynnika przenikania ciepła można stwierdzić, że tendencja do zmiany współczynnika przenikania ciepła pozostaje taka sama, niezależnie od wielkości cząstek. Tendencja do zmiany współczynnika przenikania ciepła wraz ze wzrostem szybkości fluidyzacji jest mniej znacząca dla większych cząstek. Wpływ najważniejszych parametrów na wartości współczynników przewodności cieplnej złoża fluidalnego został przeanalizowany na podstawie uzyskanych wyników doświadczalnych.
dzięki bardzo wydajnemu kontaktowi gazu z cząstkami, tj., złoża fluidalne i zanurzone powierzchnie wymiany ciepła lub ściany, złoża fluidalne mają bardzo intensywną wymianę ciepła. Przenoszenie ciepła między złożem fluidalnym a powierzchniami zanurzonymi w złożu jest funkcją dynamicznej charakterystyki złoża (Martin, 1984), przede wszystkim ruchu pęcherzyków i intensywności mieszania cząstek. Jest jednak oczywiste, że prędkość fluidyzacji i wielkość cząstek są najbardziej wpływowymi czynnikami na wymienianą ilość ciepła między powierzchniami.
również kluczowymi czynnikami wymiany ciepła między zanurzoną powierzchnią a złożem fluidalnym są ruch cząstek w pobliżu powierzchni wymiany ciepła, czas kontaktu z powierzchnią i stężenie cząstek na ścianie (Zarghami et al., 2007). Ruch gazu i cząstek powyżej, nad i po stronie bocznej powierzchni wymiany jest specyficzny, więc zmiany w tych strefach są głównie badane w literaturze.
złożoność problemu i większość czynników wpływających, które są trudne do uwzględnienia w równaniach, powodują, że eksperymentalne wyznaczanie współczynnika przenikania ciepła jest akceptowane metodą.
przewodność cieplna złoża fluidalnego
ponieważ właściwa Pojemność cieplna cząstek stałych jest objętościowo wyższa niż właściwa Pojemność cieplna gazów o kilka rzędów, poruszające się cząstki są podstawowymi uchwytami ciepła w złożu. W tym przypadku zwykłe równanie Fouriera może być użyte do opisania procesu propagacji ciepła w złożu fluidalnym, gdzie współczynnik dyfuzyjności cieplnej odzwierciedla intensywność mieszania się materiału w złożu. Jego wartość można zmierzyć zmodyfikowaną metodą chwilowego źródła ciepła, którego istota jest następująca: w złożu fluidalnym powstaje silny chwilowy impuls cieplny poprzez szybkie wlanie do niego niewielkiej porcji wcześniej podgrzanych cząstek tego samego materiału. Moment osiągnięcia maksymalnej temperatury tmax w pewnej odległości od źródła ciepła rejestrowany jest według równania (Geljperin, 1967):
gdzie n = 3, 2, 1 w zależności od tego, czy źródłem ciepła jest punkt, linia czy powierzchnia. Ruch pęcherzyków umożliwia mieszanie cząstek w fazie emulsji, zarówno w kierunku wysokości złoża, jak i w kierunku promieniowym, w którym pewna ilość cząstek przechodzi przez każde obserwowane przecięcie złoża. Ponieważ cząstki w złożu nieizotermalnym różnią się pod względem wartości entalpii, powstaje strumień cieplejszych cząstek, jeśli ich stężenie jest wyższe po jednej stronie obserwowanego przecięcia. Zakładając, że stężenie cieplejszych cząstek na jednostkę objętości zmienia się tylko w kierunku przepływu cząstek, ich powstały strumień cieplny na jednostkę powierzchni można wyrazić jako:
Jeżeli do wyrażenia zostanie wprowadzone następujące wyrażenie dla entalpii(2):
otrzymujemy:
gdzie λ jest współczynnikiem przewodności cieplnej złoża fluidalnego, który jest zdefiniowany jako:
do określenia współczynnika przewodności cieplnej w kierunku osiowym, Borodulja i współpracownicy (1966) zastosowali szklaną rurę o długości 1 m, średnicy 80 mm. na górnej powierzchni złoża utworzono chwilowe powierzchniowe źródło ciepła przez wylanie niewielkiej części (5-7% objętości) cząstek podgrzanych w piecu do temperatury 100-700ºC. Czas nalewania cząstek wynosił mniej niż 0,5 s. Do pomiaru temperatury łóżka użyto dwóch termopar; jedna z nich została umieszczona na rozdzielaczu, druga na połowie wysokości łóżka. Pomiary wykonano z kilku frakcji monodyspersyjnych i polidyspersyjnych różnych rodzajów materiału dla różnych wysokości stojącego łoża. Przetwarzanie danych doświadczalnych wykazało, że współczynnik dyfuzyjności cieplnej w kierunku osiowym można opisać następującym równaniem:
wyznaczanie współczynnika przewodności cieplnej w kierunku promieniowym odbywa się w rurze o średnicy 175mm. chwilowe punktowe źródło ciepła uzyskano poprzez szybkie wylewanie niewielkiej porcji ciepłych cząstek piasku wzdłuż osi aparatu przez szklaną rurę o średnicy 25mm. do pomiaru temperatury termoparę umieszczono na wysokości wylewania cząstek z rury, w odległości 60-70mm od jej osi.
badania wykazały, że istnieje bardzo intensywne mieszanie materiału w złożu fluidalnym w kierunku osiowym. Osiowy współczynnik przewodności cieplnej mieścił się w zakresie λa=(1100-6000) W / mK. natomiast mieszanie materiału w kierunku promieniowym było stosunkowo niewielkie. Wartości radialnych współczynników przewodności cieplnej wynosiły: λr=(50150)W/mK
w opublikowanym artykule, Peters et al. (1953) próbował obliczyć współczynnik przewodności cieplnej, określając profil temperatury w złożu fluidalnym. Aparat miał kształt równoległościanu, szerokość 65 mm, Długość 450 mm, Wysokość 480 mm, który nie był całkowicie wypełniony piaskiem (dekv=0,23 mm). Jako źródło ciepła używali grzałki elektrycznej składającej się ze spirali drucianej, która równomiernie dostarczała ciepło wzdłuż przekroju poprzecznego łoża. Izolacja termiczna naczynia zapobiegała utracie ciepła przez ścianę powyżej 7%. Obliczone wartości liczbowe przewodności cieplnej w kierunku osiowym mieściły się w granicach 1163-1977 W / mK, natomiast w kierunku promieniowym rzędu 12002000 W / mK Peters et al. (1953) stwierdzają, że wartości te są znacznie zwiększone i że są praktycznie niemożliwe do uzyskania na podstawie takich warunków doświadczalnych.
badania przewodności cieplnej złoża fluidalnego wykazują istnienie dyspersji wyników uzyskanych przez różnych autorów (Kunii i Levenspiel, 1976), ponieważ wykazują one złożoną zależność współczynników przewodności cieplnej od różnych czynników. Dlatego bardzo trudno jest podać jakiekolwiek przybliżenie uzyskanych wyników przez jakąś globalną zależność empiryczną. Dla praktycznych obliczeń znacznie bardziej wiarygodne jest przyjmowanie wartości bezwzględnych współczynnika λ w danym momencie.
metoda eksperymentalna
celem eksperymentalnych badań złoża fluidalnego w niniejszej pracy jest określenie współczynników przewodności cieplnej w zależności od charakterystyki operacyjnej złoża fluidalnego: prędkości, szybkości fluidyzacji i wielkości cząstek. Badania eksperymentalne przeprowadzono na aparacie laboratoryjnym (ryc. 1). Urządzenie składa się z części pomiarowej, nad którą znajduje się rura do dostarczania ogrzanego piasku do złoża, urządzenie do dostarczania powietrza oraz urządzenie do pomiaru, regulacji i rejestracji procesu. Szczególną uwagę zwrócono na konstrukcję urządzenia do dostarczania podgrzewanego piasku do łóżka. Materiał, który wcześniej został podgrzany do temperatury 250-350ºC, został natychmiast wprowadzony do złoża fluidalnego przez szybkie wylewanie powierzchni przez rurę o średnicy 45 mm na powierzchnię złoża.
wentylator ze środowiska zewnętrznego dostarcza powietrze niezbędne do fluidyzacji. Przepływ powietrza jest mierzony przez standardowe urządzenie, a zawór umożliwia pożądany przepływ powietrza. Aby ustabilizować przepływ powietrza, sekcje przed i za aparatem są wystarczająco długie. Komora izolowana wełną szklaną pomaga wytworzyć równomierny rozkład powietrza na przecięciu części roboczej urządzenia. Rozdzielacz jest umieszczony na wlocie do części operacyjnej urządzenia, natomiast zwężające się przedłużenie, które zapobiega usuwaniu drobnych frakcji, jest umieszczony powyżej. Termopary Chromel-alumel służą do pomiaru temperatury. Jeden z nich jest umieszczony przy wylocie z łóżka. Kolejny, do wyznaczania współczynnika dyfuzyjności termicznej w kierunku osiowym, znajduje się bezpośrednio nad rozdzielaczem (rysunek 1a), tj. do wyznaczania ar w kierunku promieniowym (rysunek 1b).
aby rozpocząć eksperymentalne wyznaczanie współczynnika przewodności cieplnej, przeprowadzono pewne pomiary. Jako materiał do fluidyzacji użyto piasku krzemionkowego o różnych frakcjach. Po Przesiewaniu w standardowych sitach oddzielono frakcje piasku krzemionkowego o średniej średnicy cząstek 0,3 mm, 0,5 mm i 0,9 mm (Tabela 1). Dla każdej frakcji oznaczono następujące cechy:
■ rzeczywista gęstość piasku pp,
■ gęstość piasku luzem pn,
■ równoważna średnica cząstek dp,
■ porowatość przy minimalnej szybkości fluidyzacji emf,
■ minimalna szybkość fluidyzacji Umf.
minimalną prędkość fluidyzacji wyznaczono doświadczalnie, a jej wartość pokrywa się z wartością z równania (Srinivasakannan i Balasubramanian, 2002):
gęstość nasypową cząstek określano przez swobodne wlewanie pewnej ilości piasku do skalibrowanego naczynia, natomiast rzeczywistą gęstość określano za pomocą piknometru. Wartość właściwej pojemności cieplnej zaczerpnięto z Naumanna (1981).
jak zostało powiedziane, w celu określenia współczynnika przewodności cieplnej w kierunku osiowym dwie termopary są umieszczone na osi stojącego łoża, przy czym pierwsza została umieszczona w odległości 43,5 mm od dystrybutora, a druga na powierzchni łoża. Poprzez regulację przepływu powietrza uzyskuje się pożądaną prędkość powietrza w temperaturze roboczej. Przy tej prędkości roboczej powietrza, przy znanej minimalnej prędkości fluidyzacji, określono szybkość fluidyzacji. W tym ustalonym stanie, już przygotowana porcja wcześniej podgrzanego piasku jest bardzo szybko wprowadzana przez stałą rurę. Podczas przemieszczania wstawionego gorącego piasku przez złoże fluidalne, termopary mierzyły temperaturę w złożu, z rejestracją w systemie akwizycji. Dla zadanego tempa fluidyzacji zarejestrowano oddzielne temperatury złoża co 0,02 s. można zauważyć, że temperatura w złożu wzrasta z powodu ruchu gorących cząstek piasku. Jednocześnie odczytywany jest czas pomiędzy dwoma maksymalnymi wzrostami temperatury zarejestrowanymi przez termopary. Dla znanej odległości między termoparami a czasem odczytu oblicza się wartość współczynnika dyfuzyjności cieplnej. Ponieważ dyfuzyjność cieplna jest wyznaczana w kierunku osiowym, zakłada się, że w równaniu (1) wartość N=1 (dozowanie materiału powierzchniowego). Dla pewnego tempa fluidyzacji i istniejących warunków eksperyment powtórzono kilka razy. Następnie zwiększono prędkość powietrza i przeprowadzono kolejny eksperyment, dla tej samej frakcji piasku, w sposób opisany powyżej. Po zmierzeniu pewnej frakcji część operacyjna urządzenia jest opróżniana, a kolejna frakcja wlewana i ten sam eksperyment powtarzany.
wartości współczynnika przewodności cieplnej w kierunku promieniowym zostały określone tą samą procedurą co wartości przewodności osiowej. Jak opisano, różnica polega na położeniach termopar, które w tym przypadku znajdowały się w tej samej płaszczyźnie (ryc. 1b) i przy punktowej dawce materiału źródłowego (N=3).
wyniki i dyskusja
do oceny intensywności mieszania w złożu fluidalnym autorytatywny jest współczynnik efektywnego przewodnictwa cieplnego. Ze względu na zależność między przewodnością cieplną a współczynnikami dyfuzyjności cieplnej, Rysunek 2 pokazuje zależność uśrednionych wartości współczynnika przewodności cieplnej od prędkości czynnika fluidyzacyjnego. Ponieważ przewodność cieplna i dyfuzyjność cieplna są połączone przez określoną pojemność cieplną cząstek i gęstość złoża fluidalnego, która zależy bezpośrednio od porowatości złoża, sposób, w jaki współczynnik przewodności cieplnej zmienia się wraz ze stopniem fluidyzacji, jest podobny do sposobu, w jaki współczynnik dyfuzyjności cieplnej zmienia się wraz ze stopniem fluidyzacji. Maksymalna wartość przewodności cieplnej, która występuje przy szybkości fluidyzacji w przybliżeniu N = 2.5, po raz kolejny wskazuje na fakt, że przy tej prędkości czynnika fluidyzacyjnego mieszanie cząstek powoduje bardziej intensywne kontakty i zderzenia cząstek stałych (Huilin et al., 2007). Występowanie maksimum można również uwzględnić poprzez zmniejszenie gęstości złoża fluidalnego i zwiększenie jego porowatości wraz ze wzrostem prędkości gazu, co może powodować różne cechy zmiany współczynnika przewodności cieplnej.
Ogólnie rzecz biorąc, uzyskane wartości współczynnika dyfuzyjności cieplnej w kierunku promieniowym są mniejsze o cały rząd (rys. 3). W przeciwieństwie do współczynnika przewodności w kierunku osiowym, w tym przypadku, co można zaobserwować dla wszystkich średnich równoważnych średnic, jest wystąpienie maksimum współczynnika przewodności cieplnej w kierunku promieniowym przy szybkości fluidyzacji N = 2,5. Według licznych badaczy miejscowe stężenie cząstek wpływa na wymianę ciepła w sensie jego intensyfikacji, gdy rozkład pierścieniowy cząstek w przekroju poprzecznym kolumny (ze stałym rdzeniem w centrum, rozrzedzonym złożem wokół rdzenia i gęstym pierścieniem obok ściany) pogarsza się. Jednocześnie wzrasta mieszanie się cząstek i częstotliwość ich wzajemnych zderzeń, co zwiększa intensywniejszą dyfuzję ciepła. Pewne wahania wartości dyfuzyjności termicznej można zaobserwować na wykresach zależności współczynnika dyfuzyjności termicznej od szybkości fluidyzacji. Przyczyną tych fluktuacji może być sukcesywne docieranie różnie podgrzanych pakietów cząstek do miejsc obserwacji, a czasami pęcherzyków, które przechodzą przez łóżko. Gdy pęcherzyki przechodzą przez łóżko, w pewnym momencie jedna z dwóch termopar może znajdować się wewnątrz bańki, rejestrując w ten sposób temperaturę powietrza wewnątrz bańki. Ponieważ Temperatura powietrza wewnątrz pęcherzyka jest wyższa niż Temperatura powietrza i cząstek stałych w fazie emulsji, w tym momencie nastąpi wzrost temperatury w tym miejscu.
dzięki ich oddziaływaniu wszystkie poddane obróbce parametry hydrodynamiczne wpływają w bardzo złożony sposób na globalny transfer ciepła w złożu fluidalnym, a co za tym idzie, na współczynniki przewodności cieplnej. Dominacja niektórych z nich występuje tylko w ograniczonym zakresie. Wyniki uzyskane w wyniku eksperymentów wskazują na to, że porowatość złoża, tj., stężenie cząstek, chociaż bardzo ważnym czynnikiem wymiany ciepła w złożu fluidalnym, nie jest niezależne od strumienia cząstek, względnej prędkości cząstek i gazu oraz mieszania wstecznego.
błąd procentowy przyrządu pomiarowego określono na podstawie uzyskanych wartości:
■ odległość między termoparami – 1%
■ czas – 0,4%
na podstawie powyższych wartości średni procentowy błąd kwadratowy przyrządów pomiarowych wynosił 1,077%, natomiast błąd doświadczalnie wyznaczania współczynnika dyfuzyjności termicznej wynosił 8,8%.
mając na uwadze, że uzyskane wartości błędu pomiaru współczynnika przenikania ciepła leżą w granicach dozwolonych do badań eksperymentalnych, wyniki można uznać za wiarygodne i dokładne.
wymiana ciepła między złożem fluidalnym a powierzchniami zanurzonymi w złożu
najczęściej stosowanym sposobem wymiany ciepła w złożu fluidalnym jest wymiana ciepła między złożem fluidalnym a zanurzonymi powierzchniami o różnych kształtach i rozmiarach (Botterill, 1975).
wartość współczynnika przenikania ciepła wzrasta, gdy prędkość gazu jest wyższa niż minimalna prędkość fluidyzacji. Osiąga maksymalną prędkość gazu znaną jako optymalna prędkość fluidyzacji. Następnie zmniejsza się wraz ze wzrostem prędkości.
ogólnie przyjmuje się, że ogólny konwekcyjny współczynnik przenikania ciepła od powierzchni do złoża można uznać za złożony z trzech dodatków:
gdzie hpc, hgc, hb to konwekcyjne cząstki, konwekcyjne gazy i współczynniki przenikania ciepła bąbelków, a (1-fo) to czas kontaktu fazy emulsji z powierzchnią wymiany ciepła (Chen i in., 2005).
czas kontaktu pakietu cząstek z powierzchnią τ zależy zarówno od czasu kontaktu pęcherzyków z powierzchnią fo, jak i częstotliwości TRANZYTU pęcherzyków w danym punkcie na powierzchni
gdzie A jest współczynnikiem zdefiniowanym jako:
Rk i Rc w (10) są odpornością na przenoszenie ciepła pakietu cząstek i rezystancją termiczną styku filmu gazowego. Hamidipour et al. (2005) zbadano eksperymentalnie kontakt cząstek ze ścianą i stwierdzono, że czas kontaktu cząstek ze ścianą w złożu cząstek piasku zmniejsza się wraz ze wzrostem prędkości gazu w reżimie fluidyzacji.
największą częścią całkowitego współczynnika przenikania ciepła jest konwekcyjny współczynnik przenikania ciepła cząstek (Botterill, 1975, Baskakov et al, 1978):
stwierdzono, że wielkość cząstek ma istotny wpływ zarówno na wartość maksymalnego współczynnika przenikania ciepła, jak i na zmianę wpływu niektórych mechanizmów na ogólny transfer ciepła. Z tego powodu wpływ wielkości cząstek na wymianę ciepła w złożu fluidalnym jest najczęstszym celem badań eksperymentalnych. Wyniki eksperymentalne (Wang et al., 2004) pokazują, że dla małych cząstek dp< 0.8 mm, wpływ właściwości termofizycznych cząstek na współczynnik przenikania ciepła staje się ważny wraz ze zmniejszającą się średnicą cząstek.
Aparatura doświadczalna
eksperymentalne badania wymiany ciepła przez konwekcję między zanurzoną rurą a złożem fluidalnym przeprowadzono na aparacie w skali laboratoryjnej o wysokości 600 mm i przekroju kwadratowym o wymiarach 160×160 mm.
zanurzona powierzchnia wymiany ciepła-grzałka elektryczna-wykonana jest z rury miedzianej o średnicy zewnętrznej 16 mm i długości 100 mm. Trzy termopary są wbudowane na zewnętrznej powierzchni-po stronie przedniej, bocznej i górnej – w stosunku do kierunku obrotu nagrzewnicy do przepływu powietrza fluidyzacyjnego. Grzałka mocowana jest na nośniku w ramie o wymiarach 150×150 mm (ryc. 4). Rama może być obracana wokół osi poziomej, 100 mm nad rozdzielaczem, co umożliwia zmianę pochylenia nagrzewnicy.
aby uzyskać te same warunki pracy dla każdej prędkości fluidyzacji, zmieniono nachylenie nagrzewnicy oraz zmierzono temperaturę powierzchni nagrzewnicy i łoża pod każdym kątem. Dla określonej prędkości fluidyzacji nachylenie nagrzewnicy zmieniano stopniowo co 10º z pozycji pionowej (kąt 0º) do pozycji poziomej (kąt 90º). Dla każdego kąta nachylenia pomiary przywracano po osiągnięciu stanu stacjonarnego. Procedura była powtarzana dla każdej nowej prędkości fluidyzacji i wszystkich trzech wielkości cząstek: 0,3, 0,5 i 0,9 mm. Wysokość stojącego łoża wynosiła 160 mm.
wyniki i wnioski z dyskusji
określenie średnich wartości współczynnika przenikania ciepła między złożem fluidyzacyjnym a zanurzonymi pochylonymi powierzchniami wymiany zakłada określone lokalne współczynniki przenikania ciepła (Baskakov et al., 1973), którego rozmieszczenie wzdłuż powierzchni jest bardzo nierówne, ze względu na różne warunki aerodynamiczne.
przeprowadzono pomiar lokalnego współczynnika przenikania ciepła między powierzchnią grzejnika a złożem fluidalnym w celu określenia średniej wartości współczynnika przenikania ciepła dla całego grzejnika. Ze względu na symetrię przepływu wokół cylindra, Średnia wartość współczynnika przenikania ciepła jest zdefiniowana jako średnia arytmetyczna lokalnych współczynników przenikania ciepła:
w celu zbadania wpływu wielkości cząstek piasku na wymianę ciepła między złożem fluidalnym a powierzchnią zanurzoną dla pochylonego grzejnika przeprowadzono badania o średnicach cząstek 0,3, 0,5 i 0,9 mm.
tendencja do zmiany współczynnika przenikania ciepła wraz ze wzrostem szybkości fluidyzacji jest podobna dla mniejszych i większych cząstek – ryc. 5, 6 i 7 (Baskakov et al., 1978), chociaż wpływ ten jest mniej znaczący dla większych cząstek, ponieważ po osiągnięciu szybkości fluidyzacji 2.5, Prędkość powietrza wpływa nieznacznie na rozkład współczynnika przenikania ciepła.
w celu lepszej analizy wielkości cząstek i wpływu szybkości fluidyzacji na wymianę ciepła między złożem fluidalnym a powierzchnią pochyloną, Fig.8 pokazuje zależność względnego współczynnika przenikania ciepła (h*=hφ/hº) od kąta nachylenia dla szybkości fluidyzacji od 1 do 3.
rysunek wyraźnie podkreśla tendencję zmiany współczynnika przenikania ciepła do pozostania taka sama, bez względu na średnicę cząstek, ale wraz ze wzrostem średnicy cząstek zmniejsza się wpływ nachylenia grzejnika. Tak więc różnica między wartościami względnego współczynnika przenikania ciepła w pionowym i poziomym położeniu grzejnika dla średnicy cząstek 0,3 mm zmniejsza się z 24% do 10%; dla średnicy cząstek 0,5 mm od 23% do 10% i dla średnicy cząstek 0,9 mm od 20% do 8% wraz ze wzrostem szybkości fluidyzacji Z N=1 do n=3,.
wnioski
na podstawie dotychczas przeprowadzonych badań doświadczalnych i teoretycznych współczynników przewodności cieplnej w złożu fluidalnym, a także na podstawie wyników własnych badań doświadczalnych, potwierdzono, że złoże fluidalne ma bardzo dobrą przewodność cieplną, co umożliwia jego zastosowanie w wielu przemysłowych procesach wymiany ciepła.
wyniki badań eksperymentalnych wykazały, że współczynniki przewodności cieplnej zależą od struktury hydrodynamicznej złoża fluidalnego. Chociaż zmiana współczynników przewodności cieplnej różni się w kierunku osiowym i promieniowym, na ogół zależy od szybkości fluidyzacji i wielkości cząstek.
dla wszystkich obrabianych frakcji piasku wartości współczynnika przewodności cieplnej złoża fluidalnego w kierunku osiowym mieściły się w granicach 450-3100 w / mK, co stanowi również maksymalną wartość osiągniętą we wszystkich pomiarach. Uzyskane wartości tych samych współczynników w kierunku promieniowym mieszczą się w granicach 19-110 w / mK, co zapewnia zadowalający poziom zgodności z wynikami innych autorów.
pomimo złożoności analizy przewodności cieplnej przez złoże fluidalne, uzyskane wyniki dają realistyczny obraz, który można wykorzystać we wszystkich przyszłych teoretycznych i eksperymentalnych badaniach nad procesem przewodzenia ciepła w złożu fluidalnym.
wyniki badań eksperymentalnych potwierdzają bezpośrednią zależność intensywności wymiany ciepła od warunków aerodynamicznych w złożu fluidalnym. Jest oczywiste, że częstotliwość i okres kontaktu powierzchni wymiany ciepła z pęcherzykami i pakietami cząstek zależy od wielkości cząstek, prędkości fluidyzacji i nachylenia powierzchni wymiany ciepła.
tendencja zmiany współczynnika przenikania ciepła pozostaje taka sama, niezależnie od średnicy cząstek. Jednak wpływ nachylenia grzejnika zmniejsza się wraz ze wzrostem średnicy cząstek. Można więc wywnioskować, że wpływ wielkości cząstek na współczynnik przenikania ciepła dla nachylonych powierzchni może być pominięty.
można również stwierdzić, że wpływ nachylenia powierzchni wymiany na transfer ciepła między złożem fluidalnym a powierzchniami zanurzonymi zmniejsza się wraz ze wzrostem szybkości fluidyzacji.
|
Symbole |
||||
|
a |
współczynnik dyfuzyjności termicznej | m2 / s | ||
| Ar |
Liczba Archimedesa |
|||
| cp | specyficzna pojemność cieplna ciał stałych | J / kg K | ||
| Ds |
dyfuzyjność stała |
m2 / s | ||
| fo | czas kontaktu pęcherzyków z powierzchnią | |||
| H |
entalphy |
kJ / kg | ||
| dp | średnica cząstek | m | ||
| h1 | lokalny współczynnik przenikania ciepła z przodu | W / m2K | ||
| h2 | lokalny współczynnik przenikania ciepła po stronie bocznej | 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 współczynnik | W / m2K | ||
| h*=hφ / hº | względny współczynnik przenikania ciepła | |||
| N | szybkość fluidyzacji | |||
| Rc | kontaktowy opór cieplny folii gazowej | |||
| Rk | odporność na przenoszenie ciepła pakietu cząstek | |||
|
Subscripts |
||||
| a | axial | |||
| mf | minimum fluidization | |||
| p | particle | |||
| r | radial | |||
|
litery greckie |
||||
| λ | współczynnik przewodzenia ciepła | W / m K | ||
| ε | porowatość złoża fluidalnego | |||
| pp | gęstość piasku | kg / m3 | ||
| ρν | gęstość piasku luzem | kg/m3 | ||
| φ | kąt nachylenia nagrzewnicy | º | ||
| τ | czas kontaktu pakietu cząstek z powierzchnią | s | ||
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 zanurzeni in fluidized beds, Powder Technology, 8, 273-282 (1973).
Baskakov, A. P., Bertg, B. V., Rizkov, A. F., Filippowkij, N. F., Processii teplo i massoperenosa v kipjascem sloje, Metalurgija, Moskva, S. 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, Moskwa s. 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., suszenie w złożu fluidalnym z zanurzonymi elementami grzejnymi, 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 mixing particles 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, eds.), Plenum, New York, s. 325-332 (1990).
Kunii, D., Levenspiel, Fluidization Engineering, 13, Wiley, New York (1969).
Marcin, H., Heat transfer between Gas fluidized beds of solid particles and the surface of zanurzone 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., rozkłady czasu przebywania w układach regulowanych równaniem dyspersji, Chemical Engineering Science, 36(6), 957-966 (1981).
Peters K., Orliczek A., Schmidt A., Wärmetransportfähigkeiten von Wirbelschichten, Chem. Ing. Tech., 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 zanurzonej powierzchni, 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),