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

пазоне их изменения. Они свидетельствуют о том, что в исследован­ ной области частота и амплитуда практически равноценны.

Вывод о том, что степень интенсификации теплообмена опреде­ ляется относительной скоростью вибрации, согласуется с данными для однофазных сред [17, 56, 195 и др.].

Результаты, полученные на вибрирующих шахматных пучках, показали, что влияние вибрации здесь остается таким же, как для одиночных цилиндров. Степень интенсификации теплообмена в ис­ следованных пределах практически не зависит от относительных

ся уравнением (IV. 10).

Влияние вибрации на теплообмен плотного слоя с поперечно обтекаемым пучком труб было обнаружено также в [33, 137] при ис­ пытании вибрирующего трубчатого подогревателя сыпучих матери­ алов (сухой железной руды и влажного порошка фтористого алюми­

опытов обнаружено повышение интенсивности теплообмена под влия­ нием вибрации. Данные [33, 137] в соответствующей обработке в

раты). В [136] предложена зависимость, учитывающая влияние виб­ рации на теплообмен. Однако она имеет погрешность — критерий Нуссельта в ней получается размерным. Следует отметить, что сде­ ланный в [33, 136—138] вывод о существенной интенсификации теп­ лообмена под влиянием вибрации нельзя считать общим.

V I . 3. ВИБРАЦИЯ ДВИЖУЩЕГОСЯ СЛОЯ

Исследования проведены на концентрате ртутьсодержащей ру­ ды с одиночными цилиндрами различной конфигурации (гладкими и оребренными) и различным расположением (вертикальным и горизон­ тальным), а также с пучком труб.

Результаты наблюдений за механикой движения

Концентрат характеризуется очень плохими сыпучими свойст­ вами даже при незначительной (до 1%) влажности.Поэтому движе­ ние его в шахте удалось обеспечить только с помощью шнека, ус-

тановленного в выпускном отверстии. Однако даже при этом на­ блюдаются нестабильность движения, зависание материала, перио­ дические обвалы и образование пустот. Особенно заметны эти явле­ ния при небольших (до 1—2 мм/сек) скоростях слоя. При увеличе­ нии скорости движение становится более устойчивым, о чем свиде­ тельствуют кривые изменения во времени расхода концентрата при неизменном сечении выпускного отверстия: при минимальных ско-

Рис. V I . 6. Типы виброзондов .

ростях неравномерность расхода составляет 30—40%, а при боль­ ших — 5—8%.

Объемный вес движущегося слоя концентрата практически не

рыва слоя (последняя периодически занимает до 50% поверхности). В пучке труб движение более устойчиво, высота застойных зон по глубине пучка увеличивается.

При расположении у цилиндров зондов, вибрирующих в верти­ кальной плоскости с параметрами / = 16 40 гц, Л =0,7-^-1,5 мм, расход материала и объемный вес практически не изменяются. Это объясняется тем, что зона распространения колебаний невелика и они сказываются только в областях, прилегающих к зондам.

Для выбора оптимальных геометрических характеристик про­ водили наблюдения за омыванием одиночного цилиндра при раз­ личных типах (рис. VI.6) и расположении (рис. VI.7) зондов. Резуль­ таты наблюдений сводятся к следующему. Зонды типа I I , располо­ женные поперек цилиндра посередине его длины, оказывают незна­ чительное (локальное) влияние на картину обтекания и являются не

и в меньшей степени размеры зоны отрыва. При размещении их под

144

цилиндром (схемы в, г) изменяется только омывание кормовой час­ ти. Заметное улучшение по всему периметру обеспечивает установка зондов по схеме д.

на расстоянии 150—200 мм становится весьма незначительным. С дру­ гой стороны, чрезмерное приближение (до 15—20 мм) также неже­ лательно, так как препятствует свободному движению материала,

способствует образованию локальных разрывов слоя. Приведенные картины наиболее типичны для каждой схемы размещения зондов. Изменение режимных характеристик, не меняя общей картины, от­ ражается только на размерах характерных зон.

дают значительную неравномерность скоростей по сечению: при схе­ мах а и б максимальные скорости наблюдаются в центральной час­ ти канала, при схемах в, г — у стенок. Поэтому их применение не­ целесообразно. В остальных схемах использовались узкие зонды типа I I I (b = 15^-12 мм), благодаря которым уменьшаются застойные зоны над расположенными ниже трубками (схемы д, е). Уменьшение

Опыты проводились в условиях, характеризуемых табл. VI . 4, где приведены также геометрические характеристики.

Д л я гладкого горизонтального цилиндра, исходя из результатов наблюдений за омыванием, в опытах по теплообмену использова­ лись зонды типа I I I (b = 12 мм), расположенные вдоль образующей цилиндра. Дл я выбора рациональной схемы проводились серии опы­ тов при установке зондов только над цилиндром, только под ним, одновременно над и под ним. Результаты показали, что в последнем

146

рис. VI . 9, они составляют для верхних зондов 50 мм, для нижних,п-г 35 мм. Эти выводы согласуются с результатами визуальных набліог дений и справедливы при вертикальной вибрации с различными па­

прогретые порции. Это обстоятельство, а также уменьшение разме­ ров зон застоя и отрыва слоя и обеспечивают повышение коэффи­ циентов теплоотдачи.

При указанном на рис. V I . 7 размещении зондов горизонтальная вибрация значительно менее эффективна, чем вертикальная, при тех же параметрах, так как верхние зонды увеличивают высоту за­ стойной зоны. Горизонтальная вибрация дает эффект, если размес­ тить эти зонды так, чтобы они разрушали застойную зону. Доволь­ но значительное улучшение теплоотдачи достигнуто при установке

слоя. В результате получена заметная интенсификация теплообме­

Причиной интенсификации теплообмена при безотрывном обтекании является поперечное перемешивание материала, обеспечиваемое зондами. Замедляется также процесс тепловой стабилизации, о чем

кации при продольном омывании несколько больше, чем при попе­ речном.

, Дл я поперечно омываемых цилиндров с прямыми продольными

ренных цилиндров, в отличие от гладких, вибрация не влияет на темп зависимости теплоотдачи от скорости слоя. Степень интенсифи­ кации практически неизменна и во всем исследованном диапазоне скоростей составляет примерно 100%. При прочих равных условиях вибрация для развитых поверхностей дает больший эффект, чем для гладких. Это делает целесообразным сочетание обоих методов ин­ тенсификации теплообмена — оребрения и вибрации. Аналогичные результаты получены в [124, 135] для однофазных сред.

Теплообмен с поперечно омываемым трубным пучком

Кроме того, измеряли распределение температур материала по се­ чению на выходе из пучка. Анализ данных, полученных при различ­ ных скоростях слоя, свидетельствует о практической неизменности теплоотдачи по рядам. Теплоотдача пучка несколько ниже, чем оди­ ночного цилиндра, что объясняется некоторым разрыхлением слоя при стесненном движении в пучке. Интенсификация теплообмена под влиянием вибрации, определяемая ее относительной скоростью, составила 32%. Неравномерность распределения температур в слое не превышала 10%, в то время как в отсутствие вибрации при дан­ ной компоновке пучка она достигает 20—30%.

I Обобщение данных по теплообмену

: Обработка проведена только для неоребренного горизонтально­ го цилиндра при вертикальной вибрации и оптимальном располо­ жении зондов. С учетом уравнения (VI.5) обобщенная зависимость (рис/VI . 10), описывающая степень интенсификации теплообмена,

148

представлена в виде

а\ V I

чих свойств материалов (песка и концентрата) и способов осуществ­ ления вибрации.

Таким образом, оба способа обеспечивают практически одинако:

V

вую интенсификацию теплообмена при — = idem. Поэтому выбор

должен определяться технологическими соображениями. Например, применение зондов позволяет избежать усталостных напряжений в поверхностях нагрева, работающих под давлением. С другой сторо­ ны, размещение и крепление виброзондов в пучке представляет оп­ ределенные конструктивные трудности.

ному прогреву материала благодаря его интенсивному перемешива­ нию. Это важно в тех случаях, когда равномерность температур не­ обходима по технологическим соображениям (например, для более полного извлечения металлов из рудных концентратов).

Сопоставим данные по теплоотдаче для плотного и кипящего виб­ рирующих слоев. Согласно данным, приведенным в 1189], интенси­ фикация теплообмена в виброкипящем слое по сравнению с непод­ вижным определяется скоростью вибрации. При параметрах, со-

.149

ответствующих нашим опытам (Л/ = 70 мм/сек), теплообмен виброкипящего слоя кварцевого песка с вертикальной поверхностью улуч­

что применение вибрации зондов или цилиндра при таких же па­

из рудных концентратов и др.) необходимо обеспечить нагрев сы­

вибрации, расхода, температуры и свойств материала. В опытах ис­

электромагнитного вибратора, бункера с питателем и контрольноизмерительных устройств и приборов.

'' ' Теплообменные участки с трубчатой поверхностью (рис. VI.11,/) представляли собой спиральные змеевики из нескольких парал­ лельных медных труб диаметром 16 мм, соединенных между собой по

150

Теплообменный участок с лотковой поверхностью (рис. VI . 11,//) выполнен в виде прямого спирального ребра шириной 7,5 мм, вы­ точенного в вертикальном алюминиевом цилиндре внутренним диа­ метром 250 мм (угол наклона спирали 4°). Д л я обогрева служил электронагреватель, размещенный снаружи цилиндра и покрытый

Р и с . V I . П . С х е м а э к с п е р и м е н т а л ь н о й у с т а н о в к и :

тепловой изоляцией. Изменение мощности нагревателя с помощью автотрансформатора позволяло в широких пределах регулировать температуру слоя. Высокая теплопроводность материалов, из ко­ торых изготовлены поверхности нагрева, обеспечивала практически полное термостатирование.

Экспериментальная установка работала следующим образом: сыпучий материал загружался в бункер, откуда питателем подавался

151

в теплообменный участок, после чего отводился в сборную емкость. На трубчатой поверхности осуществлялось нисходящее движение слоя, на лотковой — восходящее, что определялось различным на­ правлением навивки спирали. Вибратор создавал вертикально-кру­ говые колебания теплообменного участка с различными параметра­ ми.

В опытах для участков различной длины определяли средние ко­ эффициенты теплоотдачи по количеству тепла, переданного от по­ верхности к слою, и среднелогарифмическому температурному на­ пору. Количество тепла подсчитывали по изменению температуры и влажности материала на данном участке с учетом потерь тепла с поверхности слоя, определенных специальными опытами. Исходя из принятой методики, измеряли следующие величины:

1) температуру поверхности — медь-константановыми или хро- мель-алюмелевыми термопарами в десяти сечениях по длине и в нескольких (3—5) точках в каждом из них (расположение термопар указано на рис. V I . 11);

2) температуры материала на входе, выходе и в различных точ­ ках по д л и н е — п о д в и ж н ы м щупом — термопарой; для контроля материал отбирали в специальное измерительное устройство — ча­ шечку с термопарой;

3)расход и влажность материала.

Дл я каждой поверхности и материала проводили несколько серий опытов, различающихся параметрами вибрации. В каждой серии изменяли расход материала. Кроме того, на лотковой поверхности проводили опыты при различных температурах. Режимные характе­ ристики изменялись в следующих пределах: параметры вибрации —

(расход материала) регулировали изменением толщины слоя, пос­ тупающего на поверхность.

Результаты наблюдений за характером движения показали, что он в значительной степени зависит от сыпучих свойств материала. Так, для концентрата, обладающего высокими коэффициентами внут­

ствует, а скорость движения и расход при прочих равных условиях выше, чем для концентрата. При неизменных параметрах вибрации увеличение подачи материала на поверхность сопровождается рос­ том толщины слоя, скорость его при этом остается практически по­ стоянной. Степень расширения и разрыхления слоя во всех опытах была невелика, так как относительное ускорение вибрации не пре-

152