CC BY
8Худойбердиева Н.Ш.
ГИДРОДИНАМИКА АППАРАТОВ СО СЛОЕМ ПОЛИДИСПЕРСНОГО ЗЕРНИСТОГО МАТЕРИАЛА
Худойбердиева Н.Ш. - PhD., доцент. Навоийский государственный горно-технологический университет,
Аннотация: В данной статье авторами приведен экапериментальные исследование гидродинамики, структуры и внешнего теплообмена полидисперсного зернистого материала, состоящего из частиц неправильной формы частиц. Отмечено, одним из наиболее перспективных методов интенсификации теплообмена является использование в качестве промежуточного теплоносителя псевдоожиженного слоя твердого зернистого материала. Интенсивность переноса тепла в псевдоожиженных системах зависит от гидродинамики и структуры слоя, также гидравлическое сопротивление неподвижного и взвешенного слоев полидисперсного зернистого материала. Организация псевдоожижения твердых частиц полидисперсного зернистого материала в теплообменном аппарате позволяет существенно интенсифицировать теплоперенос, вследствие разрушения и турбулизации пристенного слоя жидкостного потока.В инженерной практике особенно важно уметь заранее оценить скорость (расход) жидкости, необходимый для перевода неподвижного слоя частиц различного диаметра в псевдоожиженное состояние.
Ключевые слова: интенсификация, теплообмен, аппарат, кипящий слой, поверхность, псевдоожиженный слой, частиц неправильной формы, турбулизация, тепломассообмен.
Во многих отраслях техники, задача интенсификации процесса теплообмена и создания высокоэффективных теплообменных аппаратов весьма актуальна. Теплообменные аппараты широко применяются в энергетике, химической, нефтеперерабатывающей, пищевой промышленности, в холодильной и криогенной технике, в системах отопления и горячего водоснабжения, кондиционирования, в различных тепловых двигателях, авиационной и космической технике. С ростом энергетических мощностей и объема производства все более увеличиваются масса и габариты применяемых теплообменных аппаратов. На их производство расходуется огромное количество легированных и цветных металлов.
При конструировании большинства теплообменных аппаратов стоит задача: добиться минимальных габаритов и массы аппарата при заданном суммарном тепловом потоке, гидравлических потерях, температурах и расходах теплоносителей.
Выбор теплообменной поверхности - один из важнейших моментов создания любого теплообменного устройства. Лучшей будет та поверхность, которая при прочих равных условиях обеспечит наибольший тепловой поток с единицы поверхности теплообменного аппарата, то есть наибольший коэффициент теплоотдачи. Поэтому интенсификация теплообмена в каналах - реальный путь к уменьшению габаритов и массы теплообменного устройства и к снижению температуры стенок.
При создании эффективного теплообменного аппарата необходимо выдержать заданные значения по количеству передаваемой теплоты, гидравлическому сопротивлению, и, при этом, сделать его как можно более компактным и легким. Выполнить эти противоречивые требования, возможно только используя интенсификацию теплообмена [1,2]. Следует отметить, что увеличение скорости течения теплоносителя не является оптимальным решением, так как вместе с увеличением коэффициента теплоотдачи увеличивается и гидравлическое сопротивление аппарата, причем если теплоотдача растет пропорционально скорости в степени 0,8, то гидравлическое сопротивление - в степени 2,8, поэтому приходится тратить существенно больше мощности на прокачку теплоносителя, чем
при оптимально подобранном способе интенсификации, дающем рост теплоотдачи, при той же скорости течения теплоносителя и умеренном росте гидравлического сопротивления.
Необходимо отметить, что при выборе для практического применения того или иного, метода интенсификации теплообмена приходится учитывать не только эффективность самой поверхности, но и ее универсальность для одно и двухфазных теплоносителей, технологичность ее изготовления, технологичность сборки теплообменного аппарата, прочностные требования, загрязняемость поверхности, особенности эксплуатации и т.д. Все эти обстоятельства существенно снижают возможности выбора эффективных поверхностей.
При создании любых теплообменных аппаратов, с помощью оптимального для конкретных целей метода интенсификации теплообмена, можно добиться существенного улучшения характеристик этих устройств: уменьшение металлоемкости, габаритных размеров, температуры поверхностей, увеличение надежности, увеличение ресурса работы и пр. [3,4].
Проблема интенсификации работы кожухотрубчатых теплообменников связана главным образом с выравниванием термических сопротивлений на противоположных сторонах теплообменной поверхности. Этого достигают либо увеличением поверхности теплообмена F, например оребрением ее со стороны теплоносителя с меньшим коэффициентом теплоотдачи, либо увеличением коэффициента теплоотдачи рациональным подбором гидродинамики теплоносителя. Последнее должно приводить к выравниванию скоростей и температур по сечению потока теплоносителя и, следовательно, к уменьшению термического сопротивления его пограничного слоя. Результаты исследований показывают [5], что именно термическое сопротивление пограничного слоя является главным фактором, снижающим интенсивность теплопередачи.
Интенсивность тепломассообменных процессов в псевдоожиженных системах зависит от гидродинамики и структуры слоя. Перепад давления в слое и значения критических скоростей (начала псевдоожижения и уноса) относятся к важнейшим технологическим параметрам псевдоожижения и они тесно связаны друг с другом.
Нами были проведены опыты по изучению гидродинамики и структуры неподвижного и взвешенного слоев полидисперсного материала с двенадцатью образцами различных зернистых материалов. С целью увеличения степени неоднородности слоя, характеризующейся отношением п = dmax/dmin, опыты проведены также с бинарными слоями, которые состояли из частиц различного материала и плотности, поскольку таких слоев примыкают к полидисперсным.
Обработка опытных данных и определение необходимых параметров проведены в следующей порядке.
1. Эквивалентный диаметр частиц определяли по данным рассева материалов на фракции следующим образом. Если смесь сыпучего материала представляет собой узкую фракцию (например, проходящую через сито с размером ячейки d1, но остающуюся на сите с ячейкой d2 , близкой по величине к d1), то определяющий размер частиц - их эквивалентный диаметр dэ (равный в данном случае, диаметру узкой фракции смеси d1), приняли равным среднему геометрическому из размеров ячеек смежных сит [6,7]:
Заметим, что для узкой фракции интервал дисперсности зерен п = dмaкс/dмин<2 ^ и среднегеометрической и среднеарифметической определяющие размеры весьма 1
da = (drd2)0,5 м
(1)
близки. Дисперсность частиц неправильной формы при обычных методах рассева фактически колеблется вокруг номинального среднего размера ±30% [8].
При использовании широких фракций величину эквивалентного диаметра, т.е. определяющего размера частиц вычисляли по формуле:
d =1/ Z(xi/ds), м (2)
где ^ - объемная доля частиц данной фракции с диаметром di =0,5(d1 + d2);
d1 и d2 - соответственно, меньший и больший размеры частиц данной фракции, м.
2. Порозность (доля свободного объема) неподвижного слоя полидисперсного зернистого материала определяли по формуле
£0 = (VOT ^ч)^сл (3)
где - объем слоя зернистого материала, м3; - объем, занимаемый твердыми частицами, м3.
3. Фиктивную (отнесенная к полному поперечному сечению аппарата) скорость ожижающего агента (воды) вычисляли из уравнения расхода [ 9]
w = Vc/S, м/с (4)
где Vc - объемный расход ожижающего агента, м3/с; S - площадь поперечного сечения аппарата (трубки), м2;
4. Экспериментальное значение гидравлического сопротивления слоя [9]
Арэ=9,81^пз, Па (5)
где h^ уровень ожижающего агента в пьезометрической трубке, м.
5. Порозность псевдоожиженного слоя полидисперсного зернистого материала
£ =1-(H0/H)(1-£0) (6)
где Н0 и Н - соответственно, высота неподвижного и псевдоожиженого слоев,
м;
£0 - порозность неподвижного слоя зернистого материала.
6. Расчетное значение гидравлического сопротивления псевдоожиженного слоя [1,8]
Ар=^ (рч -р) (1-£) (2.7)
где Н - высота псевдоожиженного слоя, м;
о
рч - плотность частиц, кг/м3;
р - плотность воды, кг/м3;
£0 - порозность слоя зернистого материала.
Анализ полученных результатов позволяла выявить наиболее характерные особенности полидисперсного слоя и его отличие от монодисперсного слоя:
а) существование переходного режима между областями фильтрации и псевдоожижения (в монодисперсном слое такой области не существует; 3
2
б) наличие двух характерных скоростей: Wн - начальной скорости переходного режима и wк - критической скорости псевдоожижения.
Из анализа кривых сопротивления монодисперсного и полидисперсного слоев очевидно неподобие законов сопротивления в этих двух случаях.
В переходной области происходит последовательное ожижение частиц от наиболее мелких в начальный момент движения до наиболее крупных в момент полного псевдоожижения. Характер последовательного ожижения отдельных зерен связан с составом слоя. Частицы получают начальный импульс движения от жидкости путем обмена с ним энергией в форме граничного эффекта трения (обмен количеством движения между массой жидкости и массой частиц). Последующий процесс возбуждения еще неподвижных частиц обусловлен обменом количеством движения между этими частичками и жидкостью в совокупности с движущимися частицами.
В слое с частицами непрерывного фракционного состава движение каждого последующего класса зерен начинается раньше полного ожижения предыдущего класса, т. е. процесс последовательного ожижения происходит непрерывно во всей области переходного режима.
В слое зерен, значительно отличающихся размером и массой, возбуждение и ожижение частиц последующего класса начинается позднее полного ожижения частиц предыдущего класса. В таком слое дискретного состава процесс ожижения в переходной области происходит ступенями. Здесь обмен количеством движения между частичками не выводит крупные зерна из состояния покоя. В возбуждении частиц основную роль играет обмен между жидкостью и слоем.
При выделении в слое частиц по крупности каждый объем при ожижении ведет себя, по-видимому, почти независимо от смежного с ним. В этом случае явление псевдоожижения частиц еще более усложняется: скорости ожижения этих объемов различны, хотя в каждом из них частицы ведут себя так же, как и в слое непрерывного фракционного состава. В этом случае процесс постепенного псевдоожижения в переходной области также происходит ступенями. Соответственно механизму последовательного ожижения графическая зависимость Др=/^) представляется плавной, монотонно возрастающей кривой или ступенчатой линией. Последняя в пределе дает кривую, отвечающую непрерывному процессу последовательного ожижения в переходной области. В приведенных опытах в переходной области практически имеет место непрерывный процесс последовательного ожижения. В конце переходного режима почти во всех опытах наблюдалась тенденция к дискретному ожижению.
Анализ связи коэффициента сопротивления с критерием Рейнольдса позволяет объяснить ряд гидродинамических явлений, свойственных переходной области псевдоожижения.
1. Закономерность изменения гидродинамического сопротивления в слое идентична для любого гранулометрического состава ^ = СRe-n), что отражает общий процесс фильтрации жидкости в слое с постепенным и последовательным ожижением зерен.
2. Фильтрационному режиму в статическом слое отвечает величина п < 1, режиму движения жидкости в переходной области п>1. Возрастание п, видимо, связано с раскрытием пор в слое.
3. Переход от фильтрации слоя мелких частиц к фильтрации слоя более крупных частиц изменяет численное значение п в сторону уменьшения, т. е. приводит к более сильной зависимости потери напора от скорости воды в слое 3 крупных частиц. Такое количественное изменение закона сопротивления, по- 3
видимому, можно объяснить тем, что слой более однородных крупных зерен менее склонен к разбуханию при фильтрации жидкостью.
4. Все линии f = СRe-n располагаются строго последовательно в порядке изменения эквивалентного диаметра. В связи с этим, как уже отмечалось, можно только предположить, что этот определяющий размер хотя и не выражает правильно состав слоя, но в среднестатистическом значении отражает поведение частиц в силовом поле.
5. Интервал переходной области, оцениваемый числом полидисперсности Кпол = Wн/Wк, становится меньше по мере приближения состава слоя к монодисперсному.
Прежде всего, на классификацию влияет содержание наиболее крупных классов. Действительно, критическая скорость псевдоожижения резко отлична для соседних по размерам классов зерен. Кроме того, у слоя из частиц с наименьшим размером сопротивление ниже, чем у слоя из более крупных частиц. По этим двум причинам в координатах f - Re точки начала псевдоожижения слоев, составленных из исходных смесей с узким составом зерен, не могут совпасть и располагаются со сдвигом вверх и влево по мере уменьшения размера зерен. Вторым фактором, влияющим на классификацию точек псевдоожиженного состояния, является содержание в слое более мелких классов зерен. Добавление последних к крупным зернам приводит к увеличению сопротивления и снижению скорости псевдоожижения.
Сопротивление гетерогенной системы возрастает из-за снижения порозности слоя, а скорость псевдоожижения убывает из-за обмена количеством движения между частицами различного размера. Именно из-за обмена количеством движения между твердыми частицами различного размера скорость псевдоожижения смеси меньше, чем скорость псевдоожижения самого крупного класса в этой же смеси. Вместе с этим уменьшение доли мелочи в слое должно непрерывно вести к параметрам псевдоожижения более крупного класса.
[1]. Гельперин Н.И., Айнштейн В.Г., Кваша В.Б. Основы техники псевдоожижения. -М.: Химия, 1968. -664 с.
[2]. Закиров С. Г., Бахронов Х.Ш., Худойбердиева Н.Ш., Туйбойов О.В.Исследование теплоотдачи от внутренней стенки трубы к слою полидисперсного зернистого материала псевдоожиженному водой. Журнал «Химическая технология. Контроль и управление». -Ташкент, 2016. -№ 4, -С. 15-18.
[3]. Бахронов Х.Ш., Худойбердиева Н.Ш., Туйбойов О.В. Investigation of Heat Exchange between Fluidized Bed and a Surface Immersed in it in the form of Coil Pipes. International Journal of Scientific & Engineering Research, Volume 8, Issue 1, January-2017, ISSN 2229-5518896-899 pages.
[4]. Нурмух,амедов Х.С., Худойбердиева Н.Ш. и др. Влияние режимных параметров на гранулирование сыпучих материалов в турбулентном аппарате. VIII international Scientific and Practical Conferense INTERNATIONAL FORUM PROBLEMS AND SCIENTIFIC SOLUTIONS. September 6-8. 2021 in Melbourne. Avstraliya.
[5]. Бахронов Х.Ш., Худойбердиева Н.Ш. Интенсификация кипения жидкостей в вертикальной трубе // Химическая технология. Контроль и управление. -Ташкент, 2008. -№ 3, -С. 26-28.
[6]. Бахронов Х.Ш., Худойбердиева Н.Ш. Исследование интенсификации кипения воды в вертикальной трубе // Перспективы развития фундаментальных наук: Тез. 3 докл. V Международной конф. -Томск, 2008. -С. 121-122. 4
Использованные литературы:
[7]. Бахронов Х.Ш., Худойбердиева Н.Ш. Высокоэффективные самоочищаемые теплообменники // «Истиклол»: Материалы Респ. науч.-техн. конф. - Москва-Навоий, 2007. -С. 153.
[8]. Бахронов Х.Ш.Худойбердиева Н.Ш., Нурмуродов Т. И. Интенсификация теплообмена в выпарных аппаратах с кипением в трубах. «узбекский химический журнал». -Ташкент, 2004. -№ 6. -С. 56-60.
[9]. Бахронов Х.Ш., Худойбердиева Н.Ш., Суярова Х.Х.Вывод уравнений гидродинамики дисперсных систем. Журнал «Горный вестник Узбекистана». -Навои, 2011. -№ 4. -С. 91-92.
