CC BY
69
УДК 532.546
ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ВНЕШНЕГО ТЕПЛООБМЕНА ТЕЛ, ЧАСТИЧНО ПОГРУЖЕННЫХ В ПСЕВДООЖИЖЕННЫЙ СЛОЙ, ГЕТЕРОГЕННЫМИ СТРУЯМИ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ЗАТРАТЫ НА ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ПРОЦЕССА
В.Ю. Красных1, С.А. Нагорнов2, В.Н. Королев1
ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет» (1);
Всероссийский научно-исследовательский и проектно-технологический институт по использованию техники и нефтепродуктов в сельском хозяйстве, г. Тамбов (2)
Представлена членом редколлегии профессором Н.Ц. Гатаповой
Проблема повышения эффективности процессов внешнего теплообмена с использованием неоднородного псевдоожиженного слоя является актуальной. Важными моментами решения этой проблемы являются снижение удельных энергетических затрат на его осуществление и повышение интенсивности теплоотдачи [1].
В настоящее время псевдоожиженные системы широко используются в качестве промежуточного теплоносителя и применяются во многих отраслях промышленности. Например [1], при осуществлении теплонапряженных процессов, связанных с нагревом или охлаждением металлических изделий, сушки и гранулирования, химической и термической обработки разнообразных материалов, низкотемпературного сжигания твердого топлива в топках котлоагрегатов, а также в теплообменных аппаратах различного назначения. Часть изделий, подвергающихся термообработке, а также элементы теплообменных аппаратов, котлов и топок с псевдоожиженным слоем могут иметь неправильную форму, большие габаритные размеры и поэтому выступать из псевдоожиженного слоя (из его основной зоны) или плавать на его поверхности (например, при вулканизации длинномерных изделий). В результате верхняя часть поверхности находится в контакте с воздухом или с сильно разбавленной дисперсной фазой, а нижняя часть изделия погружена в псевдоожиженный слой. Значительное различие в интенсивности теплообмена с воздухом и слоем (более чем на порядок) отрицательно сказывается как на качестве термообрабатываемого изделия, так и на эффективности процесса теплообмена в целом, и тем больше, чем сильнее выступает тело из слоя.
Анализ литературных данных показывает [1-4], что практически отсутствует информация об интенсификации внешнего теплообмена для тел, плавающих в псевдоожиженном слое. А для длинномерных тел или тел неправильной формы, которые могут выступать из слоя, такая информация практически отсутствует.
Исходя из этого нами была поставлена задача - исследовать возможность интенсификации процесса внешнего теплообмена за счет направленного на выступающую поверхность частично погруженных в псевдоожиженный слой тел гетерогенных струй, а также энергетические затраты связанные с этим.
Под гетерогенной струей понимается поток частиц дисперсной фазы и ожи-жающего агента, образующийся в полой трубке (сопле), вертикально погруженной в псевдоожиженный слой и истекающий (фонтанирующей) из непогруженного в псевдоожиженный слой торца этой трубки. Г етерогенные струи формируются без дополнительных затрат энергии, используя ожижающий агент в качестве транспортирующей среды, на основе явления квазикапиллярности, заключающееся в увеличении высоты уровня дисперсной среды в трубке при погружении ее в
псевдоожиженный слой над слоем вне трубки [2]. В псевдоожиженных средах это явление связано с тем, что соприкосновение сыпучего материала с жесткой стенкой нарушает случайную хаотическую структуру пристенного слоя и упорядочивает ее на глубину трех-четырех диаметров частиц. Это приводит к возрастанию гидравлического радиуса, то есть уменьшению сопротивления и увеличению проходного сечения для газа [3]. Средняя порозность в пристенной зоне трубки в 1,1—1,4 раза, а скорость газа в 1,2-2,0 раза больше, чем в слое.
Псевдоожиженный слой создавался в аппарате квадратного сечения 150*150 мм, высотой 300 мм. В качестве материала дисперсной среды использовались частицы корунда с эквивалентным диаметром - dч = 0,51 и 0,13 мм, псев-доожижаемые воздухом. В опытах использовалась провальная решетка с оптимальным (с точки зрения эффективности процесса внешнего теплообмена) живым сечением ф = 9,82 % [4] и относительным гидравлическим сопротивлением решетки (по отношению к сопротивлению слоя) на рабочих режимах от 0,1 до 0,2, толщиной 3,5 мм. Высота насыпного слоя Н0 изменялась от 45 до 120 мм. В качестве тел, частично погруженных в псевдоожиженный слой, использовались полые цилиндры, выполненные из алюминия диаметром Б и длиной Ь с вмонтированными в них нагревателем и четырьмя термопарами, размещаемыми в слое горизонтально. Диаметр цилиндров изменялся от 25 до 55 мм, а длина от 50 до 150 мм. Толщина стенки всех цилиндров 3 мм. Температура слоя измерялась термопарами в двух точках аппарата. Средний коэффициент теплоотдачи между псевдоожи-женным слоем и поверхностью теплообмена определялся по стационарной методике через тепловой поток Q и температурный напор АТ (а = Q / ^тЛТ).
Для формирования гетерогенных струй в аппарате с псевдоожиженным слоем в направляющих зажимах симметрично его продольной оси вертикально устанавливались изогнутые сопла (рис. 1) цилиндрической формы (полые трубки с внутренним диаметром ^тр), нижние части которых были погружены в псевдоожиженный слой и имели на концах горизонтальные площадки кольцевой формы диаметром dн, верхние - изогнуты к продольной оси аппарата. Сопла могли перемещаться по высоте слоя и устанавливались так, чтобы загнутые концы были сориентированы на поверхности теплообмена. Гетерогенные струи подавались на цилиндры с помощью стальных трубок dтр = 6 мм. Наружный диаметр площадок - dн = 24 мм.
Рис. 1. Схема интенсификации внешнего теплообмена струями для тел, частично погруженных в псевдоожиженный слой:
1 - цилиндр; 2 - аппарат с псевдоожиженным слоем; 3 - направляющие; 4 - сопла; 5 - горизонтальные площадки; 6 - механизм для изменения глубины погружения сопла в слой
На рис. 2 показаны результаты экспериментов по исследованию влияния гетерогенных струй на интенсивность внешнего теплообмена тел, частично погруженных в псевдоожиженный слой, при различных числах псевдоожижения.
Использование гетерогенных струй при обработке поверхности, выступающей из слоя, позволяет существенно интенсифицировать процесс внешнего теплообмена (в приведенном примере на 23 %).
При взаимодействии гетерогенных струй с поверхностью теплообмена для тел, частично погруженных в псевдоожиженный слой (см. рис. 2), коэффициент а слабо зависит от числа псевдоожижения, зависимость а = /(Ж) имеет вид пологой кривой, существует оптимальное число псевдоожижения, при котором интенсивность теплообмена максимальна (кривая 2). Для той же поверхности, но без обработки гетерогенными струями, кривая а = /(Ж) идет круче и число псевдоожижения при котором а достигает максимальных значений больше, чем с применением струй (кривая 1).
При обработке поверхности гетерогенными струями (см. рис. 2) отклонение режима псевдоожижения Ж на 15... 20 % по сравнению с оптимальным, приведет лишь к незначительным (около 5 %) изменениям коэффициента теплоотдачи. В то время как для поверхностей без взаимодействия выступающих частей гетерогенными струями такое отклонение достигает 20 %.
На рис. 3 приведены экспериментальные результаты значений коэффициента теплоотдачи а для тел, плавающих в псевдоожиженном слое, от числа псевдоожижения Ж, а также зависимость потребляемой мощности на прокачку ожи-жающего агента от числа псевдоожижения при данных условиях для корунда dч = 0,51 мм.
Анализируя данные, представленные на рис. 3, следует отметить, что для увеличения среднего коэффициента теплоотдачи плавающих в псевдоожиженном слое тел необходимо увеличить число псевдоожижения (расход ожижающего агента), что в результате роста пульсаций слоя приведет к контактированию большей части поверхности нагрева с дисперсной средой, но и, в свою очередь, возрастут затраты энергии на прокачку теплоносителя (сплошная линия, рис. 3). Наибольшее значение а для плавающих тел в псевдоожиженном слое в наших опытах достигалось при Ж = 2,4.. .2,6, при дальнейшем увеличение Ж значение а практически не изменяется (кривые 1, 3, рис. 3). Затраты энергии на прокачку теплоносителя при Ж = 2,6 составляли около 700 Вт (сплошная линия, рис. 3).
Рис. 2. Влияние гетерогенных струй на интенсивность теплообмена для тел, частично погруженных в псевдоожиженный слой при различных W.
Цилиндр с Б = 30 мм и Ь = 40 мм погружен в псевдоожиженный слой на 35 %:
1 - цилиндр без обработки гетерогенными струями; 2 - цилиндр обрабатывается тремя гетерогенными струями; dтр = 4,8 мм, dн = 16 мм
Рис. 3. Зависимость коэффициента теплоотдачи а для плавающих в псевдоожиженном слое тел и потребляемой мощности N Вт, на прокачку ожижающего агента от числа псевдоожижения V:
материал частиц - корунд dч = 0,51 мм; Д = 60 мм; 1, 3 - без обработки гетерогенными струями; 2, 4 - с обработкой поверхности гетерогенными струями; штриховые линии -цилиндр Б = 40 мм, Ь = 90 мм; штрихпунктирные - Б = 50 мм, Ь = 70 мм; сплошная линия - зависимость N = / (Ж)
Визуально было замечено, что в зависимости от размеров тела и степени погружения их в слой при Ж > 2,4 пульсации слоя приводят к тому, что на верхней части цилиндра образовывается шапка неподвижно лежащих или медленно сползающих частиц.
Гетерогенные струи на выходе из сопла направлены на выступающую поверхность теплообмена, что способствует интенсивному взаимодействию дисперсной среды со всей поверхностью и не только более равномерному распределению коэффициентов теплоотдачи в поперечном сечении, но и общему росту а и достижению его максимального значения при меньших расходах воздуха -Ж = 2,0 (кривые 2, 4, рис. 3). При этом затраты энергии на создание слоя составили 405 Вт. Таким образом, применение гетерогенных струй привело к снижению энергетических затрат на осуществление процесса внешнего теплообмена в данном эксперименте на 40 %.
При дальнейшем увеличении числа псевдоожижения наблюдается уменьшение интенсивности теплообмена и приближение коэффициентов теплоотдачи к значениям коэффициентов для тел, свободно плавающих в слое. Такой характер кривых при использовании гетерогенных струй можно объяснить тем, что при режимах Ж > 2 пульсации псевдоожиженного слоя уменьшают влияние струй на коэффициент теплоотдачи.
Регулирование интенсивности внешнего теплообмена, можно осуществлять не только изменением режима работы Ж, но еще и рядом гибко настраиваемых параметров - глубиной погружения сопла в псевдоожиженный слой; высотой насыпного слоя; размерами торца сопла, погруженного в слой dтр, dн; числом струй и углом их наклона к поверхности.
Заключение
Установлено, что обработка гетерогенными струями выступающих поверхностей тел, частично погруженных в псевдоожиженный слой или плавающих на его поверхности приводит к увеличению интенсивности внешнего теплообмена
(в наших опытах на 10...40 %) и к снижению затрат энергии на прокачку теплоносителя (на 30.50 %).
Список литературы
1. Техника и технологии псевдоожижения: гидродинамика и теплообмен с погруженными телами / С.И. Дворецкий [и др.]. - Тамбов : Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2005. - 168 с.
2. Красных, В.Ю. Квазикапиллярные эффекты в псевдоожиженных средах / В.Ю. Красных, Е.М. Толмачев, В.Н. Королев // Инженерная физика. - 2007. -№ 2.
3. Королев, В. Н. Интенсификация внешнего теплообмена в псевдоожижен-ном слое : монография / В.Н. Королев, А.Ф. Редько, Д.А. Худенко. - Харьков : Изд-во Харьк. воен. ун-та, 2002.
4. Красных, В.Ю. Оптимизация энергетических затрат на образование псев-доожиженного слоя при сохранении высокой интенсивности внешнего теплообмена / В.Ю. Красных, В.Н. Королев // Промышленная энергетика. - 2006. -№ 12. - С. 30-33.
Intensification of External Heat Transfer of Bodies Partly Plunged into Fluidized Bed with Heterogeneous Streams and Expenditure of Energy Used in the Process
V.Yu. Krasnykh, S.A. Nagornov, V.N. Korolev
Urals State Technical University (1); All-Russian Research and Design Technological Institute of Equipment and Oil Products in Agriculture (2)
Intensifikation des AuBenaustausches der in die quasifltissigen von den heterogenen Strome teilweise versenkten Korper und energetische Aufwande ftir die Realisierung des Prozesses
Intensification de l’echange thermique interieur des corps plonges partiellement dans une couche pseudoliquide par des jets heterogenes et depenses energetiques pour la realisation du processus
