3.2. Горение в кипящем слое.

3.2.1. Понятие о кипящем слое.

Рис. 19. Схема кипящего слоя

Проще всего можно получить понятие о «кипящем» слое, представив себе эксперимент, изображенный на рис. 19. Расположенный на сетке (решетке) сыпучий материал (например, песок) продувается снизу воздушным потоком. Скоростью продувки u принято называть объемный расход продуваемого вещества через единицу площади поперечного сечения слоя. Это полный массовый поток (который задается интенсивностью работы воздуходувки и одинаков в любом поперечном сечении аппарата), деленный на плотность продуваемого вещества и на площадь поперечного сечения слоя (аппарата). Поэтому скорость движения микрообъемов воздуха совпадает с u над слоем всегда, а под сеткой – если в слое нет тепловыделения. В самом слое она больше, чем u, из-за уменьшения реального проходного сечения (а при тепловыделении в слое – и за счет уменьшения плотности газа). При малой скорости продувки воздух фильтруется сквозь песок, который всюду остается неподвижным (сохраняются контакты между песчинками). При достаточно большой скорости продувки u = u* начинается хаотическое движение песчинок (что дает основание называть слой «кипящим»)². При этом падает палочка, воткнутая ранее в песок; всплывает палочка, засыпанная ранее песком; тонет камень, лежавший ранее на поверхности песка, и выравнивается поверхность песка (исчезает горка, которая ранее была на его поверхности). Другими словами, песок приобретает свойства жидкости, и поэтому «кипящий» слой называют также псевдоожиженным (псевдо означает якобы). Скорость u* принято называть критической. Если скорость продувки увеличивать u > u*, то увеличивается толщина кипящего слоя, и после достижения «скорости витания» u > u_вит он полностью выносится потоком из аппарата.

Рис. 20. Перепад давления в кипящем слое.

Перепад давления в слое (от сетки до поверхности) зависит от скорости продувки согласно рис. 20. При u < u* (пока сохраняются межчастичные контакты, так что слой ведет себя как твердое тело) выполняется обычная для фильтрации через пористое твердое тело зависимость: чем больше скорость продувки, тем больше перепад давления. После псевдоожижения u > u* исчезают постоянные контакты частиц не только между собой, но и с сеткой (решеткой), и как в обычной жидкости вес слоя gSh уравновешивается перепадом давления Sp³. Здесь  - средняя плотность слоя, h – его толщина, S – площадь поперечного сечения аппарата. При увеличении скорости продувки вес слоя не изменяется (см. на рис. 20 горизон тальный участок кривой), пока не начнется вылет частиц при u = u_вит, и совпадает с весом до начала продувки

h = _с (1-) h = const = _с (1-₀) h₀ (40)

Нижний индекс с относится к зернистому материалу, 0 - к неподвижному (насыпному) слою,  - объемная доля продуваемого вещества в слое (соответственно 1- - объемная доля зернистого материала). Величину  для сплошной пористой среды принято называть пористостью, а для дисперсных (зернистых) материалов – порозностью. Для насыпного слоя зернистого материала обычно ₀  0.4-0.48.

Для практических применений важно знать величины u*, u_вит. Чтобы понять, от каких аргументов они зависят, рассмотрим равновесие отдельной частицы. В режиме псевдоожижения сумма силы воздействия потока на частицу (равная ее гидравлическому сопротивлению) и силы Архимеда (веса вытесненной ею среды) равна весу частицы.

C(Re, ) d²/4 _au²/2 + d³/6 _аg = d³/6 _cg

Здесь индекс а относится к продуваемому веществу. Из приведенного баланса следует Ar  (gd³/²) (_c/_a - 1) = 1.5 Re² C(Re, ), так что в режиме псевдоожижения Ar = Ar(Re, ) или Re = Re(Ar, ). Здесь Ar – число Архимеда,   /_а - кинематическая вязкость воздуха (или иного газообразного или жидкого продуваемого вещества – псевдоожижающего агента),  - его динамическая вязкость, Re  ud / , d – размер частицы. Обработкой большого числа экспериментов получена эмпирическая зависимость

(41)

Она справедлива для псевдоожиженного слоя во всей области его существования, а именно: при 1 >  > ₀. Соответственно на границах (41) дает выражения для условия начала псевдоожижения Re* = Re(Ar, ₀) и для условия начала уноса Re_вит = Re(Ar, 1). Приведем также эмпирическое соотношение для скорости потока, оптимальной по теплообмену⁴

(42)

и для порозности

(43)

Формула (43) приближенно, но достаточно хорошо аппроксимирует громоздкое выражение, которое можно получить, извлекая  из (41).