книги из ГПНТБ / Календерьян В.А. Теплоотдача плотного движущегося слоя и методы ее интенсификации

б) увеличение теплового потока к стенке пропорционально ко­ личеству тепла, переносимого этим материалом,

•СѴт (t — t.)

(коэффициент пропорциональности m,2 учитывает влияние ряда фак­ торов, не отраженных в описанной упрощенной модели: изменение плотности укладки и, следовательно, эффективной теплопроводнос­ ти слоя под влиянием вибрации; изменение физико-механических свойств слоя и характера движения в пристенной зоне). Если при­ нять, что температуры стенки и материала в пограничном слое близ­

(VI. 5)

Таким образом, для конкретного материала определяющим фак­ тором является относительная скорость вибрации. Уравнение (VI.5) приводится к расчетному виду на основании обработки опытных даньых.

В общем случае степень интенсификации теплообмена определя-. ется зависимостью

(VI. 6)

учитывающей также в явном виде влияние геометрических факторов

и сыпучих свойств материала.

Силы вибрации могут быть приложены: а) к теплообменной по­ верхности; б) к движущемуся с л о ю — с помощью погруженных в него специальных устройств (виброзондов) ; в) к стенкам канала, в котором движется слой. Каждый из этих вариантов имеет ряд досто­ инств и недостатков, и выбор между ними должен производиться с учетом конкретных условий.

Нами совместно с С. С. Титарем изучалась теплоотдача при виб­ рации: 1) одиночных цилиндров [91, 99, 181], пучков и спиральных поверхностей [102]; 2) слоя, омывающего одиночные цилиндры [90] и трубный пучок. Наряду со средним изучался локальный теплооб­ мен [101] и характер движения слоя [100, 211], что позволило пол­ нее уяснить причины влияния вибрации.

Исследовалось влияние параметров и направления вибрации в зависимости от положения поверхности нагрева (горизонтальное, вертикальное) и ее конфигурации (гладкая, ребристая), а при при­ менении виброзондов — их формы, размеров и расположения. В опы­ тах использовались материалы с различными сыпучими свойствами— кварцевый песок и концентрат ртутьсодержащей руды.

Опыты с трубчатыми поверхностями проводили на установке, описание которой приведено в гл. I I . Методика исследований, кон-

133

струкции калориметров и схемы измерений аналогичны описанным в гл. I V и V . Обобщение опытных данных выполнялось в соответст­ вии с уравнением (VI.5). В результате получены зависимости сте­ пени интенсификации теплообмена от режимных и геометрических

и фракционированные слои), поперечно омывающим одиночные го­ ризонтальные цилиндры и пучки труб.

Средний теплообмен

Были проведены три группы опытов: в первой изучалось влияние режимных характеристик (скорости слоя, направления и парамет­ ров вибрации) в широком диапазоне их изменения при постоянных диаметре цилиндра и фракционном составе материала; во второй —

дилось несколько серий опытов, различающихся параметрами виб­

симости коэффициента теплоотдачи от скорости материала, получен­ ные для вибрирующих и неподвижных цилиндров. При изменении

отдачи от скорости выше, чем во второй (при ѵ > ѵп). Значение ско­ рости ѵп, определяющей границу между областями, тем больше, чем ниже размер частиц. Параметры вибрации практически не сказыва­ ются на величине ѵп. Соответствующие ей значения граничных кри­ териев Фруда и Пекле могут определяться из тех же зависимостей (IV. 1), (IV. 1а), что и в отсутствие вибрации.

Ниже анализируются только данные, лежащие в первой области, которая определяет рациональные пределы скорости слоя.

134

Рис. V I . 1 свидетельствует об изменении под влиянием вибрации темпа зависимости теплоотдачи от скорости слоя: он уменьшается с увеличением амплитуды колебаний. Показатели степени в зави­ симостях а = сѵп равны без вибрации 0,28, а при вибрации с ампли­ тудой 0,4 и 1,6 мм соответственно 0,24 и 0,11.

Сравнение результатов, полученных при ѵ = idem для непод­ вижного и вибрирующего цилиндров, позволяет сделать вывод об интенсификации теплообмена под влиянием вибрации. При прочих

равных условиях она тем ощутимее, чем выше амплитуда колебаний. При одинаковой амплитуде увеличение коэффициента теплообмена особенно велико в области низких (до 3—5 мм/сек) скоростей слоя

крупных частиц. Результаты опытов, проводившихся при измене­

интенсивности теплообмена, в связи с чем в качестве определяющего параметра может быть использована скорость вибрации ѵв = AAf.

Зависимости коэффициента теплообмена от скорости слоя, по­ лученные при горизонтальных и вертикальных колебаниях с оди­ наковыми параметрами, практически совпадают. Это видно из

135

ны данные и для горизонтальной.

Таким образом, интенсивность теплообмена не зависит от взаим­ ного направления вибрации и гравитационного движения слоя. Влияние на теплообмен горизонтальной и вертикальной вибра.ции обусловлено в основном изменением характера обтекания, который подробно проанализирован ниже. Кроме того, вибрация вызывает еще один эффект, способствующий интенсификации теплообмена,— некоторое уплотнение материала и, следовательно, увеличение его эффективной теплопроводности. Средняя по объему шахты плот­ ность укладки движущегося слоя с ростом параметров колебаний увеличивается до определенной величины, которая достигается уже

ствует предельная степень уплотнения, превышение которой невоз­

теплопроводности слоя на 20%. Близкие результаты получены и для фракционированных слоев. Д л я более обоснованного суждения о влиянии плотности укладки необходимо определить ее локальные значения в районе цилиндра.

Из приведенных данных следует, что теплообмен слоя с попереч­ но омываемыми вибрирующими цилиндрами обусловлен совместным воздействием гравитационного движения и вибрации. Каждый фак­

137

фракций при неизменных параметрах колебаний. Как видно из это­ го рисунка, в условиях вибрации влияние размеров частиц и ци­ линдров сохраняется таким же, как и без нее: с их увеличением теп­

метнее, чем в отсутствие вибрации. Влияние геометрического фак­ тора на теплоотдачу вибрирующих цилиндров объясняется в основ­ ном теми же причинами, что и для неподвижных цилиндров (соот­ ветствующий анализ приведен в гл. IV). Степень интенсификации теплообмена, обусловленная вибрацией, тем значительнее, чем боль­

ше симплекс -г-; показатель степени в зависимостях •==.- = С

составляет 0,05 и практически не зависит от режимных характерис-

Локальный теплообмен

Проанализируем данные по локальному теплообмену, получен­ ные для горизонтального цилиндра D — 33,5 мм, вибрирующего в вертикальной плоскости при изменении режимных параметров в ши­ роком диапазоне (А = 0,5 Ч- 1,5 мм, f — 20 ч- 50 гц, ѵ = 0,2 - ~

4-11,3 мм/сек, j = 0,7 ч- 876).

ного цилиндра. При низких скоростях слоя вибрация не вносит су­ щественных изменений в характер распределения теплоотдачи на

ких скоростях слоя распределение для неподвижного цилиндра отли­ чается значительной неравномерностью (кривая VII). Вибрация за­ метно выравнивает теплоотдачу на верхней половине цилиндра. При повышении параметров колебаний этот эффект усиливается и мак­

138

Д л я неподвижного цилиндра повышение скорости слоя интенси­ фицирует теплообмен по всему периметру, причем особенно заметно

затель степени при прочих равных условиях. Аналогичные резуль­ таты приведены выше для среднего теплообмена. Это вполне зако­

139

Неравномерность распределения по периметру, характеризую-

растает как при наличии вибрации, так и без нее. При ѵ — idem виб­ рация сглаживает неравномерность тем значительнее, чем выше ее

неодинакова и характеризуется отношением локального коэффи­ циента теплоотдачи при вибрации к соответствующей величине для неподвижного цилиндра (при прочих равных условиях).

На рис. VI . 3 показано изменение этой характеристики по окруж­ ности при различных режимах. При малых скоростях слоя вибрация обеспечивает значительное улучшение теплообмена по всему пери­

пень интенсификации при прочих равных условиях повышается. Приведенные данные позволяют объяснить и полученные выше ре­ зультаты, согласно которым средний по окружности коэффициент теплоотдачи существенно возрастает под влиянием вибрации только в области низких скоростей гравитационного движения слоя и вы­ соких параметров вибрации.

Механизм влияния вибрации на теплообмен заключается в из­ менении характера омывания цилиндра. Оно оказывается более су-

140

щественным на тех участках, где движение менее интенсивно и, следовательно, велико термическое сопротивление. При низких, ско­ ростях слоя под воздействием вибрации улучшается омывание по всей окружности: уменьшаются размеры зон застоя в лобовой части

отрывное омывание и без вибрации, последняя не приводит к улуч­ шению теплообмена. В ряде случаев она даже может сказываться от­ рицательно, вызывая разрыхление слоя. К аналогичным выводам привели визуальные наблюдения за омыванием вибрирующего ци­ линдра. Они показали также, что область распространения коле­ баний в слое сравнительно невелика и зависит от скорости слоя, ко­ эффициентов внешнего и внутреннего трения, плотности укладки материала, соотношения размеров цилиндра и частиц, параметров вибрации.

Относительная скорость вибрации, определяющая степень ин­ тенсификации среднего теплообмена, оказывает непосредственное (причем неодинаковое) влияние и на локальные значения а.

На рис. VI . 4 приведены зависимости — = / (—) для ХараКТер-

141

ности, за исключением лобовой, влияние вибрации тем существен­ нее, чем выше ее параметры и ниже скорость слоя. Показатели сте-

при ср = 90° m = 0,24; при ср = 180° m = 0,16.

Обобщение опытных данных

При обобщении использовали данные по среднему теплообмену, полученные для различных размеров цилиндров и частиц при вер­ тикальной и горизонтальной вибрации с различными параметрами.

Привлекались также данные по локальному теплообмену, которые предварительно усреднялись по уравнению (П.2).

В результате совместной обработки данных для неподвижных и вибрирующих цилиндров (рис. VI.5) получена зависимость, описы­ вающая степень интенсификации среднего теплообмена движуще­ гося слоя

чение Nu определяется уравнениями (IV.2), (IV.3) для смесей и фракционированных материалов соответственно.

Зависимость (VI.7) отражает влияние на теплообмен относитель­

ной скорости вибрации и симплекса - j в достаточно широком диа-

142