dinamica fluidelor; transferul de căldură și masă; și alte subiecte
investigarea experimentală a coeficientului de conductivitate termică și a schimbului de căldură între patul fluidizat și suprafața de schimb înclinată
B. StojanovicI,*; J. JanevskiII; M. Stojiljkovicii
ifacultatea de inginerie mecanică, Universitatea din Nis, Serbia, Aleksandra medevedeva 14, 18000 Nis, Serbia. E-mail: [email protected]
Iifacultatea de Inginerie Mecanică, Universitatea din Nis, Serbia, Aleksandra Medevedeva 14, 18000 Nis, Serbia. E-mail: [email protected]
Iiifacultatea de Inginerie Mecanică, Universitatea din Nis, Serbia, Aleksandra Medevedeva 14, 18000 Nis, Serbia. E-mail: [email protected]
rezumat
Lucrarea prezintă cercetarea experimentală a coeficienților de conductivitate termică a patului de nisip silicios fluidizat prin aer și o investigație experimentală a influenței dimensiunii particulelor asupra coeficientului de transfer de căldură între patul fluidizat și suprafețele de schimb înclinate. Măsurătorile au fost efectuate pentru viteza specifică de fluidizare și diametrele particulelor de nisip dp=0,3, 0,5, 0,9 mm. utilizarea industrială a paturilor fluidizate a crescut rapid în ultimii 20 de ani datorită caracteristicilor lor utile. Una dintre caracteristicile remarcabile ale unui pat fluidizat este că tinde să mențină o temperatură uniformă chiar și cu eliberare de căldură neuniformă. Pe baza cercetărilor experimentale, a fost analizată influența parametrilor operaționali ai procesului asupra valorilor obținute ale conductivității termice a patului. Rezultatele arată dependența directă a conductivității termice de intensitatea amestecării, gradul de fluidizare și dimensiunea particulelor. În direcția axială, coeficienții care au fost tratați au valori cu un ordin întreg mai mare decât în direcția radială. Compararea rezultatelor cercetării experimentale cu rezultatele experimentale ale altor autori arată un acord bun și aceeași tendință de schimbare a conductivității termice. Este bine cunoscut în literatura de specialitate că valoarea coeficientului de transfer de căldură este cea mai mare în orizontală și cea mai mică în poziția verticală a suprafeței de schimb de căldură. Variația transferului de căldură, în funcție de unghiul de înclinare, nu este examinată în detaliu. Diferența dintre valorile coeficientului relativ de transfer de căldură între poziția verticală și orizontală a încălzitorului pentru toate dimensiunile particulelor se reduce cu aproximativ 15% odată cu creșterea ratei de fluidizare.
cuvinte cheie: pat fluidizat; transfer de căldură; suprafață; conductivitate termică a particulelor; nisip silicios; Experiment.
introducere
încă de la apariția sa, fenomenul de fluidizare a atras atenția a numeroși cercetători. Aplicarea sa în numeroase operațiuni tehnologice provine din proprietățile sale excelente, care se reflectă în: amestecarea intensivă a particulelor solide, o suprafață de contact ridicată între gaz și particule solide, o temperatură aproape constantă în întregul pat, precum și introducerea și îndepărtarea simplă a materialului din pat. În ultimele decenii, au fost publicate numeroase lucrări și studii privind procesul de fluidizare și aplicarea acestuia, majoritatea bazate pe cercetări experimentale. Domeniul conducerii căldurii a fost de mare interes pentru cercetători, deoarece patul fluidizat este caracterizat de o conductivitate ridicată a căldurii. Cu toate acestea, în ciuda unui număr mare de lucrări care tratează această problemă (Massoudi și Phouc, 2007), concluziile autorilor lor sunt foarte disparate, uneori chiar contradictorii. Motivele acestei dispersii a rezultatelor constau în condiții diferite în care sunt efectuate aceste experimente. Aceste fapte au motivat cercetarea experimentală cu scopul principal de a determina coeficienții de conductivitate termică ai patului fluidizat pentru particule de nisip silicios de fracții diferite. Pe baza valorilor obținute ale coeficientului de transfer de căldură, se poate concluziona că tendința de schimbare a coeficientului de transfer de căldură rămâne aceeași, independentă de dimensiunea particulelor. Tendința de schimbare a coeficientului de transfer termic cu creșterea ratei de fluidizare este mai puțin semnificativă pentru particulele mai mari. Influența celor mai importanți parametri asupra valorilor coeficienților de conductivitate termică a patului fluidizat a fost analizată prin rezultatele experimentale obținute.
datorită contactului foarte eficient dintre Gaz și particule, adică., pat fluidizat și suprafețe sau pereți de schimb de căldură imersate, paturile fluidizate au un schimb de căldură foarte intens. Transferul de căldură între patul fluidizat și suprafețele scufundate în pat este o funcție a caracteristicilor dinamice ale patului (Martin, 1984), mai ales mișcarea bulelor și intensitatea amestecării particulelor. Cu toate acestea, este evident că viteza de fluidizare și dimensiunea particulelor sunt cei mai influenți factori asupra cantității de căldură schimbate între suprafețe.
de asemenea, factorii cheie în transferul de căldură între o suprafață imersată și un pat fluidizat sunt mișcarea particulelor în vecinătatea suprafeței de transfer de căldură, timpul de contact cu suprafața și concentrația particulelor pe perete (Zarghami și colab., 2007). Mișcarea gazului și a particulelor deasupra, peste și pe partea laterală a suprafețelor de schimb este specifică, astfel încât schimbările din aceste zone sunt investigate în cea mai mare parte în literatură.
complexitatea problemei și majoritatea factorilor de influență, care sunt dificil de inclus în ecuații, determină determinarea experimentală a coeficientului de transfer de căldură să fie acceptată metoda.
conductivitatea termică a patului fluidizat
deoarece capacitatea termică specifică a particulelor solide este volumetric mai mare decât capacitatea termică specifică a gazelor prin mai multe ordine, particulele în mișcare sunt suporturi de căldură de bază în pat. În acest caz, ecuația obișnuită a lui Fourier poate fi utilizată pentru a descrie procesul de propagare a căldurii în patul fluidizat, unde coeficientul de difuzivitate termică reflectă intensitatea amestecării materialului în pat. Valoarea sa poate fi măsurată printr-o metodă modificată a sursei de căldură instantanee, a cărei esență este următoarea: un impuls termic instantaneu puternic este creat în patul fluidizat prin turnarea rapidă a unei mici porțiuni de particule încălzite anterior din același material. Momentul atingerii temperaturii maxime tmax la o anumită distanță de sursa de căldură este înregistrat conform ecuației (Geljperin, 1967):
unde n = 3, 2, 1 în funcție de faptul dacă sursa de căldură este un punct, o linie sau o suprafață. Mișcarea bulelor permite amestecarea particulelor în faza de emulsie, atât în direcția înălțimii patului, cât și în direcția radială, prin care o anumită cantitate de particule trece prin orice intersecție observată a patului. Deoarece particulele din patul neizoterm diferă în ceea ce privește valoarea entalpiei, va apărea un flux rezultat de particule mai calde dacă concentrația lor este mai mare pe o parte a intersecției observate. Presupunând că concentrația particulelor mai calde pe unitatea de volum se schimbă numai în direcția fluxului de particule, fluxul termic rezultat pe unitatea de suprafață poate fi exprimat ca:
dacă următoarea expresie pentru entalpie este introdusă în Expresie (2):
obținem:
unde este coeficientul de conductivitate termică al patului fluidizat, care este definit ca:
pentru determinarea coeficientului de conductivitate termică în direcția axială, Borodulja și asociații (1966) au folosit o țeavă de sticlă, lungime de 1m, diametru de 80mm. pe suprafața superioară a patului, o sursă de căldură instantanee a suprafeței a fost creată prin turnarea unei porțiuni mici (5-7% în volum) de particule încălzite într-un cuptor până la o temperatură de 100-700 de la UNKTICC. Timpul de turnare a particulelor a fost mai mic de 0,5 s. Pentru măsurarea temperaturii patului s-au folosit două termocupluri; unul dintre ele a fost așezat pe distribuitor, celălalt la jumătate din înălțimea patului. Măsurătorile au fost efectuate cu mai multe fracții monodisperse și polidisperse de diferite tipuri de materiale pentru diferite înălțimi ale patului stagnant. Prelucrarea datelor experimentale a arătat că coeficientul de difuzivitate termică în direcția axială poate fi descris prin următoarea ecuație:
determinarea coeficientului de conductivitate termică în direcția radială se realizează într-o țeavă cu diametrul de 175 mm. o sursă de căldură instantanee a fost obținută prin turnarea rapidă a unei mici porțiuni de particule de nisip cald de-a lungul axei aparatului printr-o țeavă de sticlă cu diametrul de 25 mm. pentru măsurarea temperaturii, un termocuplu a fost plasat la înălțimea turnării particulelor din țeavă, la distanța de 60-70mm de axa sa.
cercetarea a arătat că există o amestecare foarte intensă a materialului în patul fluidizat în direcția axială. Coeficientul de conductivitate termică axială s-a situat în limitele a xqua=(1100-6000)W/m.K. pe de altă parte, amestecarea materialului în direcția radială a fost relativ mică. Valorile coeficienților de conductivitate termică radială au fost: 0150 W/m.k.
în lucrarea publicată, Peters et al. (1953) a încercat să calculeze coeficientul de conductivitate termică prin determinarea profilului de temperatură în patul fluidizat. Aparatul avea forma unui paralelipiped, lățime 65mm, lungime 450mm, înălțime 480mm, care nu era complet umplut cu nisip (dekv=0,23 mm). Ca sursă de căldură, au folosit un încălzitor electric format dintr-o spirală de sârmă, care asigura căldură uniform de-a lungul secțiunii transversale a patului. Izolarea termică a vasului a împiedicat pierderea termică prin perete să fie mai mare de 7%. Valorile numerice calculate ale conductivității termice în direcția axială au fost cuprinse între 1163-1977 W/m.k, în timp ce în direcția radială au fost de ordinul a 12002000 W/M.K. Peters și colab. (1953) afirmă că aceste valori sunt semnificativ crescute și că sunt practic imposibil de obținut pe baza unor astfel de condiții experimentale.
cercetările privind conductivitatea termică a patului fluidizat arată existența dispersiei rezultatelor obținute de diverși autori (Kunii și Levenspiel, 1976), deoarece acestea prezintă dependență complexă a coeficienților de conductivitate termică de diverși factori. Prin urmare, este foarte dificil să se dea o aproximare a rezultatelor obținute printr-o anumită dependență empirică globală. Pentru calcule practice, este mult mai fiabil să se ia valori absolute ale coeficientului centimetrul la un moment dat.
metoda experimentală
scopul cercetării experimentale asupra patului fluidizat în această lucrare este determinarea coeficienților de conductivitate termică în funcție de caracteristicile operaționale ale patului fluidizat: viteza, rata de fluidizare și dimensiunea particulelor. Cercetarea experimentală a fost efectuată pe un aparat de laborator (Figura 1). Aparatul constă dintr-o parte de măsurare, deasupra căreia există o țeavă pentru alimentarea nisipului încălzit în pat, un dispozitiv pentru alimentarea cu aer și un dispozitiv pentru măsurarea, reglarea și înregistrarea procesului. O atenție deosebită a fost acordată construcției dispozitivului pentru furnizarea de nisip încălzit în pat. Materialul, care a fost încălzit anterior până la o temperatură de 250-350 CENTICC, a fost introdus instantaneu în patul fluidizat prin turnarea rapidă a suprafeței prin conducta cu diametrul 45mm pe suprafața patului.
un ventilator din mediul extern furnizează aerul necesar fluidizării. Debitul de aer este măsurat de un aparat standard, în timp ce o supapă permite fluxul de aer dorit. Pentru a stabiliza fluxul de aer, secțiunile din fața și din spatele aparatului sunt suficient de lungi. O cameră izolată de vată de sticlă ajută la producerea unei distribuții uniforme a aerului la intersecția părții operaționale a aparatului. Un distribuitor este plasat la intrarea în partea operațională a aparatului, în timp ce o extensie conică, care împiedică îndepărtarea fracțiilor minore, este plasată deasupra. Termocuplurile crom-alumel sunt utilizate pentru măsurarea temperaturii. Unul dintre ele este plasat la ieșirea din pat. Un altul, pentru determinarea coeficientului de difuzivitate termică în direcția axială, este plasat imediat deasupra distribuitorului (figura 1A), adică pentru determinarea ar în direcția radială (figura 1B).
pentru a începe determinarea experimentală a coeficientului de conductivitate termică, s-au efectuat anumite măsurători. Nisipul silicios cu fracțiuni diferite a fost utilizat ca material pentru fluidizare. După cernerea în site standard, au fost separate fracțiuni de nisip silicios cu diametrul mediu al particulelor de 0,3 mm, 0,5 mm și 0,9 mm (Tabelul 1). Următoarele caracteristici au fost determinate pentru fiecare fracțiune:
densitatea reală a nisipului pp,
densitatea nisipului în vrac PN,
diametrul echivalent al particulelor dp,
porozitatea la rata minimă de fluidizare emf,
rata minimă de fluidizare UMF.
viteza minimă de fluidizare a fost determinată experimental și valoarea sa coincide cu valoarea din ecuație (Srinivasakannan și Balasubramanian, 2002):
densitatea în vrac a particulelor a fost determinată prin turnarea liberă a unei anumite cantități de nisip într-un vas calibrat, în timp ce densitatea reală a fost determinată de un picnometru. Valoarea capacității termice specifice a fost preluată de la Naumann (1981).
după cum sa spus, pentru determinarea coeficientului de conductivitate termică în direcția axială, două termocupluri sunt plasate pe axa patului stagnant, prin care primul a fost plasat la 43,5 mm de distribuitor, iar al doilea pe suprafața patului. Prin reglarea debitului de aer, se obține viteza dorită a aerului la temperatura de lucru. La această viteză de lucru a aerului, cu o viteză de fluidizare minimă cunoscută, s-a determinat rata de fluidizare. În această stare stabilită, o porțiune deja pregătită de nisip încălzit anterior este introdusă foarte repede prin conducta fixă. În timpul mișcării nisipului fierbinte introdus prin patul fluidizat, termocuplurile au măsurat temperatura în pat, cu înregistrarea pe un sistem de achiziție. Pentru o rată de fluidizare stabilită, s-au înregistrat temperaturi separate ale patului la fiecare 0,02 s. ceea ce se poate observa este că temperatura în pat crește, datorită mișcării particulelor de nisip fierbinte. În același timp, se citește intervalul de timp dintre două creșteri maxime ale temperaturii înregistrate de termocupluri. Pentru o distanță cunoscută între termocupluri și timpul de citire, se calculează valoarea coeficientului de difuzivitate termică. Deoarece difuzivitatea termică este determinată în direcția axială, se presupune că, în ecuația (1), valoarea lui n=1 (dozarea materialului superficial). Pentru o anumită rată de fluidizare și condițiile existente, experimentul a fost repetat de mai multe ori. Viteza aerului a fost apoi crescută și a fost efectuat un alt experiment, pentru aceeași fracțiune de nisip, în modul descris mai sus. După măsurarea unei anumite fracții, partea operațională a aparatului este golită și se toarnă o altă fracție și se repetă același experiment.
valorile coeficientului de conductivitate termică în direcția radială au fost determinate prin aceeași procedură ca și valorile conductivității axiale. După cum s-a descris, diferența constă în pozițiile termocuplurilor, care au fost, în acest caz, în același plan (figura 1b) și cu dozarea materialului sursă punctuală (n=3).
rezultate și discuții
pentru evaluarea intensității amestecării în patul fluidizat, coeficientul de conductivitate termică efectivă este autoritar. Având în vedere relația dintre conductivitatea termică și coeficienții de difuzivitate termică, Figura 2 arată dependența valorilor medii ale coeficientului de conductivitate termică de viteza agentului de fluidizare. Deoarece conductivitatea termică și difuzivitatea termică sunt conectate prin capacitatea termică specifică a particulelor și densitatea patului fluidizat, care depinde direct de porozitatea patului, modul în care coeficientul de conductivitate termică se modifică odată cu rata de fluidizare este similar cu modul în care coeficientul de difuzivitate termică se modifică odată cu rata de fluidizare. Valoarea maximă a conductivității termice, care are loc la o rată de fluidizare de aproximativ n=2.5, subliniază încă o dată faptul că, la acea viteză a agentului de fluidizare, amestecarea particulelor aduce contacte mai intense și coliziuni ale particulelor solide (Huilin și colab., 2007). Apariția maximului poate fi, de asemenea, contabilizată printr-o scădere a densității patului fluidizat și o creștere a porozității sale cu creșterea vitezei gazului, ceea ce poate determina caracteristici diferite ale modificării coeficientului de conductivitate termică.
în general, valorile obținute ale coeficientului de difuzivitate termică în direcția radială sunt mai mici cu o ordine întreagă (Figura 3). Spre deosebire de coeficientul de conductivitate în direcția axială, înAcest caz, ceea ce se poate observa pentru toate diametrele medii echivalente este apariția maximului coeficientului de conductivitate termică în direcția radială la o rată de fluidizare N=2,5. Potrivit numeroșilor cercetători, concentrația locală a particulelor influențează transferul de căldură în sensul intensificării sale atunci când distribuția inelară a particulelor pe secțiunea transversală a coloanei (cu un miez solid în centru, un pat rarefiat în jurul miezului și un inel dens lângă perete) se deteriorează. În același timp, amestecarea particulelor și frecvența coliziunilor lor reciproce crește, ceea ce sporește difuzia mai intensă a căldurii. Anumite fluctuații ale valorilor difuzivității termice pot fi observate în diagramele dependenței coeficientului de difuzivitate termică de rata de fluidizare. Cauza acestor fluctuații poate fi sosirea succesivă a pachetelor de particule încălzite diferit la locurile de observare și, uneori, bule care trec prin pat. Când bulele trec prin pat, la un moment dat, unul dintre cele două termocupluri poate fi în interiorul unei bule, înregistrând astfel temperatura aerului din interiorul bulei. Deoarece temperatura aerului din interiorul unei bule este mai mare decât temperatura aerului și a particulelor solide în faza de emulsie, o creștere a temperaturii va avea loc în acel loc în acel moment.
prin interacțiunea lor, toți parametrii hidrodinamici tratați influențează într-o manieră extrem de complexă transferul global de căldură în patul fluidizat și, în consecință, coeficienții de conductivitate termică. Dominația unora dintre ele are loc numai într-un interval limitat. Rezultatele obținute prin experimente indică faptul că porozitatea patului, adică., concentrația particulelor, deși un factor foarte important al transferului de căldură în patul fluidizat, nu este independentă de fluxul de particule, viteza relativă a particulelor și gazului și amestecarea inversă.
eroarea procentuală a instrumentului de măsurare a fost determinată pe baza valorilor obținute:
distanța dintre termocupluri – 1%
timp de 0,4%
pe baza valorilor de mai sus, eroarea medie procentuală pătrată a instrumentelor de măsurare a fost de 1,077%, în timp ce eroarea de determinare a coeficientului de difuzivitate termică experimental a fost de 8,8%.
având în vedere că valorile obținute ale erorii de măsurare a coeficientului de transfer de căldură se află în limitele permise pentru cercetarea experimentală, rezultatele pot fi considerate demne de încredere și exacte.
transferul de căldură între patul fluidizat și suprafețele scufundate în pat
cel mai frecvent utilizat mod de transfer de căldură în patul fluidizat este transferul de căldură între patul fluidizat și suprafețele scufundate de diferite forme și dimensiuni (Botterill, 1975).
valoarea coeficientului de transfer termic crește atunci când viteza gazului este mai mare decât viteza minimă de fluidizare. Atinge maximul pentru viteza gazului cunoscută sub numele de viteza optimă a fluidizării. După aceasta, scade odată cu creșterea vitezei.
este general acceptat faptul că coeficientul de transfer termic convectiv suprafață – pat poate fi considerat a fi alcătuit din trei componente aditive:
unde hpc, hgc, hb sunt convectivul particulelor, convectivul gazului și coeficienții de transfer de căldură cu bule și (1-fo) este timpul de contact al fazei de emulsie cu suprafața de transfer de căldură (Chen și colab., 2005).
timpul de contact al pachetului de particule cu suprafața XlX depinde atât de timpul de contact al bulelor cu suprafața fo, cât și de frecvența tranzitului bulelor în punctul considerat de pe suprafață
unde A este coeficientul care este definit ca:
Rk și Rc in (10) sunt rezistența la transferul de căldură al pachetului de particule și rezistența termică de contact a unui film de gaz. Hamidipour și colab. (2005) a investigat experimental contactul particule-perete și a constatat că timpul de contact particule-perete într-un pat de particule de nisip scade odată cu creșterea vitezei gazului în regimul de barbotare a fluidizării.
cea mai mare parte a coeficientului total al transferului de căldură este coeficientul de transfer de căldură convectiv al particulelor (Botterill, 1975, Baskakov și colab., 1978):
s-a observat că dimensiunea particulelor are un efect important atât asupra valorii coeficientului maxim de transfer de căldură, cât și asupra modificării efectului anumitor mecanisme asupra transferului de căldură. Din acest motiv, influența dimensiunii particulelor asupra transferului de căldură în patul fluidizat este cel mai comun obiectiv al cercetării experimentale. Rezultatele experimentale (Wang și colab., 2004) arată că, pentru particule mici, dp<0.8 mm, efectele proprietăților termofizice ale particulelor asupra coeficientului de transfer de căldură devin importante odată cu scăderea diametrului particulelor.
aparat EXPERIMENTAL
investigarea experimentală a transferului de căldură prin convecție între un tub scufundat și patul fluidizat a fost efectuată pe aparatul de laborator cu înălțimea de 600 mm și secțiunea transversală pătrată cu dimensiunile 160×160 mm.
suprafața de schimb de căldură imersată-un încălzitor electric-este realizată din tub de cupru, cu diametrul exterior de 16 mm și lungimea de 100 mm. Trei termocupluri sunt încorporate pe suprafața exterioară – pe partea din față, laterală și superioară – în raport cu direcția de rotație a încălzitorului la fluxul de aer de fluidizare. Încălzitorul este fixat pe suport într-un cadru cu dimensiunile de 150×150 mm (Figura 4). Cadrul poate fi rotit în jurul axei orizontale, la 100 mm deasupra distribuitorului, permițând schimbarea înclinării încălzitorului.
pentru a obține aceleași condiții de lucru pentru fiecare viteză de fluidizare, înclinarea încălzitorului a fost modificată și temperatura suprafeței încălzitorului și a patului au fost măsurate la fiecare unghi. Pentru o viteză de fluidizare definită, înclinarea încălzitorului a fost modificată treptat, în trepte de 10 centimetrii, de la poziția verticală (unghi de 0 centimetrii) la poziția orizontală (unghi de 90 centimetrii). Pentru fiecare unghi de înclinare măsurătorile au fost restabilite după atingerea stării staționare. Procedura a fost repetată pentru fiecare nouă viteză de fluidizare și pentru toate cele trei dimensiuni ale particulelor: 0,3, 0,5 și 0,9 mm. înălțimea stagnantă a patului a fost de 160 mm.
rezultate și concluzii de discuție
definirea valorilor medii ale coeficientului de transfer de căldură între patul fluidizat și suprafețele de schimb înclinate scufundate presupune coeficienți de transfer de căldură locali definiți (Baskakov et al., 1973), a cărei distribuție de-a lungul suprafeței este foarte inegală, din cauza condițiilor aerodinamice diferite.
măsurarea coeficientului local de transfer de căldură între suprafața încălzitorului și patul fluidizat a fost efectuată pentru a defini valoarea medie a coeficientului de transfer de căldură pentru întregul încălzitor. Datorită simetriei fluxului în jurul cilindrului, valoarea medie a coeficientului de transfer de căldură este definită ca valoarea medie aritmetică a coeficienților locali de transfer de căldură:
pentru a examina influența dimensiunii particulelor de nisip asupra schimbului de căldură între patul fluidizat și suprafața imersată pentru un încălzitor înclinat, s – au efectuat investigații cu diametre de particule de 0,3, 0,5 și 0,9 mm.
tendința de schimbare a coeficientului de transfer de căldură cu creșterea ratei de fluidizare este similară pentru particulele mai mici și mai mari-figurile 5, 6 și 7 (Baskakov et al., 1978), deși această influență este mai puțin semnificativă pentru particulele mai mari, deoarece după atingerea unei rate de fluidizare de 2.5, viteza aerului influențează nesemnificativ distribuția coeficientului de transfer de căldură.
pentru a face o mai bună analiză a dimensiunii particulelor și a influenței ratei de fluidizare asupra schimbului de căldură între patul fluidizat și suprafața înclinată, figura 8 prezintă dependența coeficientului relativ de transfer de căldură (H*=H hectolitru/h hectolitru) de unghiul de înclinare pentru ratele de fluidizare de la 1 la 3.
figura subliniază în mod clar tendința schimbării coeficientului de transfer de căldură de a rămâne aceeași, indiferent de diametrul particulelor, dar odată cu creșterea diametrului particulelor, influența înclinării încălzitorului scade. Astfel, diferența dintre valorile coeficientului relativ de transfer de căldură în poziție verticală și orizontală a încălzitorului pentru diametrul particulelor 0,3 mm scade de la 24% la 10%; pentru un diametru de particule 0,5 mm de la 23% la 10% și pentru diametrul particulelor 0,9 mm de la 20% la 8% cu creșterea ratei de fluidizare de la N=1 la N=3,.
concluzii
pe baza rezultatelor cercetărilor experimentale și teoretice ale coeficienților de conductivitate termică în patul fluidizat care au fost efectuate până în prezent, precum și pe baza rezultatelor cercetărilor experimentale proprii, s-a confirmat că patul fluidizat are o conductivitate termică foarte bună, ceea ce permite aplicarea sa în numeroase procese industriale de schimb de căldură.
rezultatele obținute în cercetările experimentale au arătat că coeficienții de conductivitate termică depind de structura hidrodinamică a patului fluidizat. Deși modificarea coeficienților de conductivitate termică diferă în direcțiile axiale și radiale, depinde în general de rata de fluidizare și de dimensiunea particulelor.
pentru toate fracțiunile tratate ale nisipului, valorile coeficientului de conductivitate termică a patului fluidizat în direcția axială au fost cuprinse între 450-3100 W/mK, ceea ce reprezintă și valoarea maximă atinsă în toate măsurătorile. Valorile obținute ale acelorași coeficienți în direcția radială sunt cuprinse între 19-110 W/mK, ceea ce oferă un nivel satisfăcător de acord cu rezultatele altor autori.
în ciuda complexității analizei conductivității termice prin patul fluidizat, rezultatele obținute oferă o imagine realistă care poate fi utilizată în toate cercetările teoretice și experimentale viitoare privind procesul de conducere a căldurii în patul fluidizat.
rezultatele investigațiilor experimentale confirmă dependența directă a intensității schimbului de căldură de condițiile aerodinamice din patul fluidizat. Este evident că frecvența și perioada de contact a suprafețelor de schimb de căldură cu bule și pachete de particule depind de dimensiunea particulelor, viteza de fluidizare și înclinarea suprafeței de schimb de căldură.
tendința schimbării coeficientului de transfer de căldură rămâne aceeași, independent de diametrul particulelor. Cu toate acestea, influența înclinării încălzitorului scade odată cu creșterea diametrului particulelor. Deci, se poate concluziona că influența dimensiunii particulelor asupra coeficientului de transfer de căldură pentru suprafețele înclinate poate fi neglijată.
se poate concluziona, de asemenea, că influența înclinării suprafeței de schimb asupra transferului de căldură între patul fluidizat și suprafețele scufundate scade odată cu creșterea ratei de fluidizare.
nomenclatură
|
simboluri |
||||
|
a |
coeficient de difuzivitate termică | m2 / s | ||
| Ar |
numărul lui Arhimede |
|||
| cp | capacitatea termică specifică a solidelor | J / kg K | ||
| Ds |
difuzivitate solidă |
m2 / s | ||
| fo | timpul de contact al bulelor cu suprafața | |||
| H |
entalpia |
kJ / kg | ||
| PD | diametrul particulelor | m | ||
| h1 | coeficientul de transfer termic local pe partea frontală | cu / m2K | ||
| h2 | coeficientul de transfer termic local pe partea laterală | cu 2K | ||
| 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 coeficient | cu / m2K | ||
| h * = h int / h int | coeficient relativ de transfer de căldură | |||
| N | rata de fluidizare | |||
| Rc | rezistența termică de contact a unui film de gaz | |||
| Rk | rezistența la transferul de căldură al pachetului de particule | |||
|
Subscripts |
||||
| a | axial | |||
| mf | minimum fluidization | |||
| p | particle | |||
| r | radial | |||
|
Litere grecești |
||||
| λ | termică conductivitycoefficient | W/m K | ||
| ε | porozitatea pat fluidizat | |||
| pp | nisip densitate | kg/m3 | ||
| ρν | vrac, nisip densitate | kg/m3 | ||
| φ | încălzire unghi de înclinare | º | ||
| τ | timpul de contact dintre particule pachet cu suprafața | s | ||
Baskakov A. P., Berg B. V., Vitt O. K., Filippov N. F., Kirakosy V. A., Goldobin J. M., Maskaev V. K., transfer de Căldură la obiectele scufundate în fluidizat paturi, Praf de Tehnologie, 8, 273-282 (1973).
Baskakov, A. P., Bertg, B. V., Rizkov, A. F., Filippovkij, N. F., Procesii Teplo i massoperenosa v kipjascem sloje, Metalurgija, Moskva, PP.144-151, (1978).
Borodulja, V. A., Zabrodskij, S. S., Tamarin, A. I., Judickij, V. I., Isledovanie gidrodinamiki i temperaturnoprovodnosti psevdoozizenogo sloja, sb. Teplo-i massoprenos, Tom 5, Energia, Moskva PP.75-85, (1966).
Botterill, J. S. M., Transfer de căldură cu pat Fluid, Academic Press, Londra (1975).
, M. N., transfer de căldură în tuburi orizontale în paturi fluidizate: Experiment și teorie, teză de doctorat, Universitatea de Stat din Oregon, Corvallis, OR (1979).
Chen, J. C., Grace, J. R., Golriz, Mr, transfer de căldură în paturi fluidizate: metode de proiectare, tehnologie de pulbere, 150, 123-132 (2005).
Davidson, J. F., Harrison, D., Particule Fluidizate, Cambrige University Press, Cambridge (1963).
Geljperin N. I., osnovi tehniki psevdoozizenie, Moskva, 184 (1967).
Groenewold, H., Tsotsas, E., uscarea în pat fluidizat cu elemente de încălzire imersate, știința Ingineriei Chimice 62 (2007).
Hamidipour M., Mostoufi N., Sotudeh-Gharebagh R., Chaouki J., Monitorizarea contactului particule-perete într-un pat fluidizat cu gaz prin RPT, tehnologia pulberilor 153, 119-126 (2005).
Huilin, L, Yunhua Z., Ding J., Gidspow D. și Wei L., investigarea amestecării / segregării particulelor de amestec în paturi fluidizate gaz-solid, ChemicalEngineering Science, vol. 62, (2007).
Jovanovic, G. N., Catipovic N. M., Fitzgerald T. J. și Levenspiel O., fluidizare (J. R. Grace, J. M. Matsen, eds.), Plen, New York, PP. 325-332 (1990).
Kunii, D., Levenspiel, Nr., Ingineria Fluidizării, 13, Wiley, New York (1969).
Martin, H., Transfer de căldură între paturile fluidizate cu gaz de particule solide și suprafața elementelor schimbătorului de transfer de căldură imersat, Partea I. Inginerie și prelucrare chimică, 18, 157-169 (1984).
Massoudi, M., Phuoc T. X., conducerea și disiparea în fluxul de forfecare a materialelor granulare modelate ca fluide non-newtoniene, tehnologia pulberilor, 175, 146-162 (2007).
Nauman, E. B., distribuțiile timpului de rezidență în sisteme guvernate de ecuația dispersiei, știința Ingineriei Chimice, 36(6), 957-966 (1981).
Peters, K., Orlichek A., Schmidt A., W oqtrmetransportf oqqhigkeiten von Wirbelschichten, Chem. Ing. Tech., 25 (6), 313-316 (1953).
Schlunder, UE, Waermeubergang an bewegte kugelschutt ungen bei kurzfristigem kontact, tehnologia ingineriei chimice 43, 651-654, (1971).
Srinivasakannan, C. și Balasubramanian, N., O abordare simplificată a uscării solidelor într – un pat fluidizat în lot, Jurnalul Brazilian de Inginerie Chimică, 19 (3), 293-298 (2002).
Wang L., Wu P., Zhang Y. P., Yang J., Tong L. G., Ni X. Z., Efectele proprietăților particulelor solide asupra transferului de căldură între patul fluidizat cu gaz la temperatură înaltă și suprafața imersată, inginerie termică aplicată, 24, 2145-2156 (2004).
Zarghami R., Mostoufi N., Sotudeh-Gharebagha R., Chaouki J., analiza și modelarea timpului de contact particule-perete în paturi fluidizate cu gaz, știința Ingineriei Chimice, 62, 4573-4578 (2007),