Качество псевдоожижения: путь к энергоресурсосберегающим технологиям Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

Сведения об авторах

Дмитрий Сергеевич Громов — аспирант; Санкт-Петербургский национальный исследовательский

университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра компьютерной теплофизики и энергофизического мониторинга; E-mail: dmitrygromov17@gmail.com Александр Васильевич Шарков — д-р техн. наук, профессор; Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра компьютерной теплофизики и энергофизического мониторинга; E-mail: Sharkov@grv.ifmo.ru

Рекомендована кафедрой Поступила в редакцию

компьютерной теплофизики и 17.02.12 г.

энергофизического мониторинга

УДК 536.24: 66.096.5

В. П. Ходунков

КАЧЕСТВО ПСЕВДООЖИЖЕНИЯ: ПУТЬ К ЭНЕРГОРЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИМ ТЕХНОЛОГИЯМ

Показана связь качества псевдоожижения с характеристиками тепломассопере-носа псевдоожиженного слоя. Приведены результаты экспериментальных исследований и их анализ в целях практического использования для диагностики промышленных аппаратов.

Ключевые слова: качество псевдоожижения, диагностика, коэффициент диффузии, эффективность перемешивания, частота тепловых колебаний.

Введение. Для технологических процессов, проводимых с использованием псевдоожиженного (кипящего) слоя, определяющее значение имеет оптимальная организация движения дисперсного материала. Обобщенной характеристикой гидродинамических и тепломассооб-менных процессов в слое является качество псевдоожижения.

В настоящее время известны несколько способов оценивания указанного параметра. Один из первых предложен в работе [1], где качество псевдоожижения определяется по формуле

£ = / и/, (1)

где $^ = Н0К / т — вертикальная скорость частиц слоя, м/с; Н0— высота слоя при минимуме

псевдоожижения, м; т — время прохождения частицами вертикального габарита слоя, с; К — степень расширения слоя; в — численная постоянная, определяемая экспериментально; и/ — скорость фильтрации газа через слой, м/с.

Другой способ [2] предусматривает определение качества псевдоожижения по формуле

М1 -в)//", (2)

где в — порозность псевдоожиженного слоя; /о, / — частоты флуктуаций порозности и

температуры слоя соответственно, Гц.

Оба способа в достаточной степени адекватны процессу, в то же время какие-либо жесткие связи введенного параметра с основными характеристиками псевдоожиженного слоя (коэффициентом перемешивания, эффективной температуропроводностью и др.) в них не установлены.

Параметр качества псевдоожижения, в первую очередь, должен характеризовать интенсивность перемешивания твердой фазы в кипящем слое (КС). Поскольку в кипящем слое эффективная температуропроводность аэф и коэффициент перемешивания Дсм практически

тождественны: аэф = Дсм [3], установление связи параметра качества псевдоожижения с данными характеристиками приобретает еще большую актуальность. Сложность решения задачи усугубляется отсутствием единого похода к определению коэффициента перемешивания. Измеренные разными авторами значения Дсм для различных условий отличаются на 2—3 порядка и более. В теоретических же исследованиях величина Дсм связывается только с параметрами газовых пузырей слоя или предлагаются корреляции между критериальными числами, содержащими внутренние параметры самого кипящего слоя, но не аппарата.

Второе обстоятельство, влияющее на сложность решения задачи, заключается в том, что значения Дсм в крупномасштабных промышленных аппаратах значительно превышают значения Дсм, измеренные в лабораторных установках малого диаметра. Это указывает на тесную связь интенсивности перемешивания с циркуляционными потоками твердой фазы. К сожалению, никому из исследователей, предлагавших различные корреляции для коэффициента Дсм, не удалось корректно отразить влияние масштаба аппарата с кипящим слоем на величину Дсм.

Цель исследования, описываемого в настоящей статье, — установление связи параметра качества псевдоожижения с эффективной температуропроводностью слоя аэф, коэффициентом перемешивания Дсм и масштабами аппарата с КС, а также определение физической сущности и практической значимости введенного параметра качества псевдоожижения.

Решение. Известно, что при обычной молекулярной диффузии в газе коэффициент диффузии равен DT = 1/ 3d/, где $ — средняя скорость хаотического движения молекул,

—5 2

/ — средняя длина свободного пробега молекул; при нормальных условиях DT = 10 м/с.

Для потока, турбулизированного движущимися массами твердой фазы, сохраняется структура выражения для эффективного коэффициента перемешивания, но абсолютное его значение на несколько порядков выше, чем в газе [3]:

Дсм = аэф = Ф$рЦц , (3)

где $р — средняя циркуляционная скорость масс твердой фазы, м/c; Ац — основной масштаб пульсаций (путь смешения — циркуляции), м; ф =0,1 — численный коэффициент.

Для псевдоожиженных систем основной масштаб пульсаций Ьц определяется геометрическими размерами слоя — диаметром аппарата 2R и насыпной высотой слоя H0, а его предельное значение равно (рис. 1)

Lmax = 2 (H0 N + 2R) , (4)

где N — количество циркуляционных контуров.

Средняя циркуляционная скорость $р масс твердой фазы определяется частотой /0

гравитационных колебаний, габаритами слоя, структурными параметрами, технологическими и конструктивными особенностями аппарата. Поэтому теоретическое предсказание величины $ р весьма затруднительно, да и не целесообразно ввиду некорректности любых применяемых моделей и упрощений, изначально имеющих высокую погрешность. Все известные рас-

четные соотношения для $р получены на основе обобщения экспериментальных данных. Так, в работах [3, 4] предложена следующая формула:

$ р = Ф1/0 Hо, (5)

где Ф1 = 0,816 .

97?

Но

Газ

Рис. 1

Рассмотрим новое соотношение для аэф, £>см. В результате многочисленных экспериментов, выполненных на установках различного масштаба (от 0,2 до 9 м), выявлено наличие низкочастотной составляющей в спектре флуктуаций температуры и теплового потока на границе раздела псевдоожиженный слой — поверхность [5, 6]. Значения частоты / тепловых

колебаний на порядок меньше значений частоты /о гравитационных колебаний слоя (рис. 2). Наличие низкочастотной составляющей / обусловлено неравномерностью температурного поля в объеме аппарата и процессом перемешивания материала. Как следует из экспериментальных данных, отношение частот стремится к значению 2(Но N + 2К) / Но. Характер изменения величин /0, / и зависимость частоты /о от масштаба аппарата хорошо описываются известной формулой [3]

1 ,-

(6)

/о - 2-л/ £ / Н о , 2П

где g — ускорение свободного падения. /Гц

2,5

2

1,5 1

0,5 0

—1

у

\ /о

— 10/ г

г"*— V- 4

0,5

1,5

Н0, м

Рис. 2

Масштаб пульсаций Ьц может быть выражен через указанную выше частоту / тепловых колебаний слоя:

ь

ц шал

1

¿ц //. (7)

Здесь следует особо отметить, что тепловые флуктуации (температуры, теплового потока) в

_3

каждом конкретном аппарате происходят в широком спектре частот в диапазоне 10 —10 Гц в зависимости от размеров слоя [5]. Из выражений (3), (5) и (7) следует

Всм = аэф = ФФ2Но /о2 / Л. (8)

С другой стороны, коэффициент перемешивания можно выразить через эффективное сечение

переноса £эф = ¿Ц, тогда

2

Всм — аэф = ^эф = ¿ц Л . (9)

Используя формулы (8), (9), получаем следующие соотношения:

^эф = ФФ2Но /0Т ^ ¿ц = Ф1 л/Ф'■ Но /.

Л Л

Входящее в данные выражения отношение /о / / назовем параметром качества псевдоожижения £ .

Физическая сущность введенного здесь параметра: „качество псевдоожижения характеризует площадь эффективного сечения, в котором происходит активное перемешивание твердой фазы, при этом чем выше значение параметра качества, тем большая часть слоя в технологическом аппарате находится в интенсивном гидродинамическом и тепловом режимах".

В случае идеального перемешивания ¿ц = ¿цтах , тогда с учетом выражения (4) получаем

= Ф1Л/Ф—Н—А = п,

¿ц тах 2(Но + 2Я) /г

где п — новый вводимый термин — эффективность перемешивания.

С учетом известных значений Ф1 = о,816 , ф = о,1 получаем расчетную формулу:

Н

п = о, 129-о— £.

Но + 2Я

По величине п можно судить о том, какая часть (доля объема) слоя участвует в активном перемешивании, что в дальнейшем важно для диагностики аппаратов с кипящим слоем.

Экспериментально-диагностические исследования. С использованием методик и средств измерения, разработанных в исследовательской лаборатории кафедры теплофизики Санкт-Петербургского национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики [6—8], был проведен сравнительный анализ характеристик различных лабораторных установок и промышленных аппаратов. Полученные результаты представлены в таблице, где /о, / — усредненные значения измеренных частот.

Тип аппарата, место установки 2Я, м Но, м /о, Гц / , Гц N £ п-1оо % а ,, — В , эф см > м2/с

Лабораторная установка с КС о,2 о,12 2,5 о,15 1 17 82 о,о4

Лабораторная установка с КС о,25 о,25 2,1 о,25 1 8 52 о,о7

Обжиговая печь КС-45о 9,о 1,8 о,2 о,оо8 4 25 36 1,о8

Кристаллизатор-гранулятор 1,6 о,4 1,1 о,о7 3 16 зо о,18

Топка с кипящим слоем 6,о о,8 о,5 о,о1 6 5о 48 1,о6

На рис. 3 представлен график распределения показателя эффективности перемешивания П по радиусу Я аппарата (где Я соответствует расстоянию от стенки аппарата).

Экспериментальные значения эффективной температуропроводности аэф рассчитывались по формуле (8), теоретические значения — по известной формуле [3]

а

расч

П, % 70

60 50 40 30 20 10

Рис. 3

Анализ результатов. Лабораторные установки, работающие при комнатных температурах и имеющие небольшие габариты, обеспечивают высокую эффективность перемешивания. Промышленные аппараты имеют меньшую эффективность, что связано с менее равномерным газораспределением, обусловленным конструкцией газораспределительной решетки. Однако существуют способы улучшения перемешивания слоя — в частности, введение в слой специальных активаторов или насадок: например, топка с кипящим слоем (см. таблицу) оснащена активизирующей перемешивание насадкой в виде „пучка" труб, расположенных в шахматном порядке.

Эффективная температуропроводность слоя и коэффициента перемешивания, рассчитанные по измеренным частотам /0, / и формулам (8), (9) для ф = 0,1 и ф1 = 0,816, имеют высокие значения, определяемые диапазоном 0,04—0,1 м /с для небольших аппаратов, но могут достигать и величин порядка 1,0 м/с для крупных аппаратов. Следует заметить, что аналогичные высокие значения указанных параметров получены в работе [9].

Установлено, что эффективность перемешивания значительно изменяется вдоль сечения аппарата (см. рис. 3). Соотношение максимального и минимального значений п может достигать порядковых величин, что указывает на высокую неравномерность процессов теп-ломассопереноса в псевдоожиженном слое, особенно в аппаратах промышленного масштаба. Это является следствием, в первую очередь, конструктивных недостатков аппаратов, а также неэффективной организации технологического процесса.

Заключение. Впервые обоснована целесообразность и физическая сущность введенного ранее параметра качества псевдоожижения — показана его прямая связь с характеристиками тепломассопереноса. Особую практическую значимость представляет новый параметр — эффективность перемешивания, введение которого позволяет оптимизировать конструкцию промышленных аппаратов с псевдоожиженным слоем и осуществлять качественное управление, обеспечивающее требуемую энергетическую эффективность технологического процесса и его ресурсосбережение.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Лева М. Псевдоожижение. М.: Гостоптехиздат, 1961. 400 с.

2. А. с. 1170329 СССР. Способ количественной оценки качества псевдоожижения / О. М. Тодес, В. Я. Чушев, О. Б. Цитович, Н. В. Пилипенко, В. М. Ключев // Б.И. 1985. № 28.

0

3. Тодес О. М. Цитович О. Б. Аппараты с кипящим зернистым слоем. Л.: Химия, 1981. 296 с.

4. Ходунков В. П. Исследование теплообмена в псевдоожиженном слое // XV Королевские чтения МФТИ: Сб. науч. тр. М., 1984. Деп. ВИНИТИ. № 6660-84. С. 42—44.

5. Ходунков В. П. Устройство для анализа низкочастотных колебаний температуры // Изв. вузов СССР. Приборостроение. 1987. Т. 30, № 1. С. 90—92.

6. Дульнев Г. Н., Пилипенко Н. В., Ключев В. М., Ходунков В. П. Методы и устройства для измерения структурно-гидродинамических и тепловых параметров псевдоожиженных систем // Проблемные доклады Минск. междунар. форума по тепломассообмену. Минск: Ин-т тепломассообмена, 1988. С. 171—182.

7. Пилипенко Н. В. Динамический метод измерения эффективных температур и коэффициентов теплоотдачи в псевдоожиженных слоях // Приборы. 2004. № 10. С. 37—39.

8. Дульнев Г. Н., Пилипенко Н. В., Ходунков В. П. Теплофизические аспекты процесса псевдоожижения в энергетических установках // Изв. вузов. Приборостроение. 2010. Т. 53, № 3. С. 83—89.

9. De Groot J. H. Proc. Intern. Symp. Fluidis, Eindhoven. Amsterdam, 1967. P. 348.

Сведения об авторе

Вячеслав Петрович Ходунков — канд. техн. наук; НИЦ по скрытности и защите кораблей ВУНЦ ВМФ

„Военно-морская академия им. Н. Г. Кузнецова", Санкт-Петербург; E-mail: walkerearth@mail.ru

Рекомендована кафедрой Поступила в редакцию

компьютерной теплофизики и 24.04.12 г.

энергофизического мониторинга СПб НИУ ИТМО