CC BY
17
УДК 622.691.51
ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОВЫХ СВОЙСТВ ПСЕВДООЖИЖЕННОГО СЛОЯ
Г.Ф. Кузнецов
Рассмотрены свойства смеси, состоящей из твердых частиц и газа и находящейся в псевдоожиженном состоянии. Анализ движения составляющих смеси компонентов и тепловых потоков позволил оценить их влияние на теплообмен и выявить наиболее опасные точки, в которых возможен перегрев.
Для сжигания и газификации дробленых углей в настоящее время все чаще применяется псев-доожиженный слой, в котором, как показали исследован™ [1], возникают циркуляционные ячейки и их отдельные точки могут быть подвержены шлакованию. Очевидно, что в сложных явлениях взаимодействия потока газа и твердых частиц, существенными являются как гидродинамические, так и тепловые процессы.
Для их анализа запишем следующее выражение для потока тепла
я
б = 2тгсрАТ ■ п1г ,
о
где с - удельная теплоемкость вещества; р- его плотность; АТ - температурный напор; V — осевая скорость течения; Я - радиус ячейки.
Псевдоожиженный слой представляет смесь твердых частиц и газа, которые существенно отличаются по физическим свойствам и, соответственно с этим, полный поток тепла складывается из потоков, переносимых частицами и газом по отдельности. Скорость течения газа в ячейке Ь\ определяется формулой Пуазейля,
0< г < /? ,
где АР - перепад давления на длине; Т] - вязкость газа в слое; I - длина ячейки.
Тогда можно определить поток тепла
л кЛпс.рАТАРК*
—7П-' (1)
К = щ /т2 .
Входящий в формулу (1) к показывает весовую долю расхода газа в псевдоожиженном слое к весовой доле движущихся в направлении газа частиц (подстрочный индекс «1» относится к газу, «2» - к частицам). Последнюю можно ориентировочно оценить. Найдем скорость отдельных частиц, пользуясь динамическим уравнением и считая частицы квазикруглыми с радиусом г0.
4 з йь2 4 з . ч ,
3 ш 3
В этом уравнении первое слагаемое в правой части равенства - сила веса с учетом выталкивающей архимедовой силы, второе - сила сопротивления трения. Решение этого уравнения имеет вид:
Рг
2Кр2г} АР /п2 2ч где г =—£2-2-; г\ =-(Я -г).
9 Т] 4ж£
Это решение удовлетворяет начальному условию: в момент I - О, скорость частицы также равна нулю. Потом происходит подъем слоя и слой находится в псевдоожиженном состоянии. Оно возникает при г —> ©о и тем быстрее, чем меньше время релаксации т. Последняя величина естественным образом зависит от плотности частиц рг, их радиуса го и вязкости газа 77.
62
Вестник ЮУрГУ, № 7, 2001
Кузнецов Г.Ф.
Исследование тепловых свойств псевдоожиженного слоя
Следовательно, в развитом псевдоожиженном слое
Рг ~ Р\ Рг
Увеличение частиц потоком возможно лишь при условии
Рг ~ А Рг
откуда следует, что градиент давления должен удовлетворять неравенству
дР> ^ пргЬ
£ ЩИ2-г2) р2 18(7? -г )
Исходя из очевидных соображений, можно оценить радиус, на котором частицы размера г0 не двигаются в направлении газа
18АР{К + г)
Частиц, которые двигаются в обратном по отношению к скорости газа направлении, немного. Весовая их доля существенно меньше половины всех частиц слоя. Определим тепловой поток, переносимый частицами.
а
^ к2 2ягс2/?2ЛГ-Я4 ^ V
16 I ч к- ' '
т1 тх
где т2 - весовой расход всех частиц, движущихся в направлении газового потока.
Полный поток тепла определяется суммой потоков, переносимых частицами и газом.
Очевидно, вторым слагаемым в квадратных скобках можно пренебречь, так как оно пропорционально силе тяжести, уменьшенной в г02 /К2 раза, а первое слагаемое пропорционально перепаду давления на псевдоожиженном слое. Как известно [2], сила тяжести слоя уравновешивается перепадом давления на нем, когда слой находится в псевдоожиженном состоянии.
Поэтому отношение тепловых потоков, переносимых в псевдоожиженном слое частицами и газом, примерно равно отношению
02_ ~ кгсгРг ~ К\С\Р\ '
Для реальных условий предтопка к2 и к\ сравнимы, как С\ и с2 (с\ -1000 Дж/кг-К, с2 -600 Дж/кг*К), но ус>2 больше р\ более чем на три порядка, поэтому тепловой поток в слое будет переноситься в основном частицами.
Проделанный анализ находит практическое применение. Тепловыделение в слое происходит равномерно по его площади, в основном, в прирешеточной зоне. Там же наиболее вероятно возникновение очагов шлакования, которые возникают в тех точках слоя, где теплоотвод ухудшен.
Анализ гидродинамики [1] показывает, что в отдельных точках циркуляционных ячеек скорости могут быть существенно меньше средних (примерно на 30 %). В результате в этих точках существенно ухудшен теплообмен, хотя тепловыделение, которое зависит в основном от равномерности подвода воздуха, примерно одинаковое. Таким образом, учитывая проделанный анализ, отметим, что наиболее опасные точки слоя с позиций возникновения перегрева и начала шлакования находятся в нижней части псевдоожиженного слоя на периферии циркуляционных ячеек, что соответствует проведенным экспериментальным исследованиям.
В качестве вывода отметим, что для существенного повышения надежности работы сжигающих устройств, необходимо изменить гидродинамику таким образом, чтобы слой был одинаково подвижен во всех областях и особенно там, где выделяется наиболее количество тепла. Использование закрученного движения газового потока и частиц твердого топлива существенно повышает надежность работы сжигающих устройств.
Литература
1. Торопов Е.В., Кузнецов Г.Ф., Елюхина И.В. Исследование и идентификация неустойчивых тепломассообменных процессов в кипящем слое // Труды Минского Международного форума ММФ.~ 1996.-С. 105-111.
2. Псевдоожижение. Под ред. И.Ф. Девидсона, Д. Харриссона. - М.: Химия, 1974.
Серия «Математика, физика, химия», выпуск 1 03
