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

вышало 3,8. На змеевиковом теплообменной участке движение ма­ териала происходите основном по поверхности ребер, трубки играют роль буртика и в теплообмене практически не участвуют, поэтому в качестве расчетной принята поверхность ребер.

Измерения свидетельствуют о резком возрастании температуры материала на начальных участках поверхности, затем темп роста заметно замедляется, температурный напор на выходе составляет 20—30° С. Ниже приводится анализ данных по теплообмену.

Влияние размеров поверхности. Результаты, полученные на раз­ личных установках, показали, что диаметр витка спирали и ширина ребер практического влияния на теплоотдачу не оказывают. По мере

удаления от входного сечения теплообмен ухудшается, что обуслов­ лено быстрым уменьшением температурного градиента вследствие прогрева слоя при более медленном снижении температурного на­ пора. Такой характер изменения локальной теплоотдачи приводит к тому, что с увеличением длины теплообменного участка средняя интенсивность теплообмена также падает.

На рис. V I . 12 приведены зависимости средних коэффициентов теплоотдачи концентрата от длины участка, полученные при раз­ личных расходах. Темп изменения во всех зависимостях составляет «~ 0,57. Эта величина несколько выше, чем для плотного слоя, омы­ вающего неподвижную поверхность [81], из-за влияния вибрации

153

ноценно, и определяющим фактором может служить скорость вибрации. Для песка ее увеличение до 40 мм/сек приводит к интен­ сификации теплообмена (опыты с концентратом в этой области не проводили, так как его движение очень неустойчиво). С ростом ско­ рости вибрации с 40 до 120 мм/сек теплоотдача обоих материалов несколько ухудшается, что можно объяснить увеличением высоты отрыва частиц и толщины воздушного зазора между слоем и поверх­ ностью. Видимо, в указанном диапазоне отрицательная роль этих факторов превалирует над положительным влиянием интенсифика­ ции движения. Однако снижение интенсивности теплообмена в этой области незначительно, лежит в пределах погрешности опытных данных и в расчетных формулах может не учитываться.

Влияние расхода материала весьма существенно: его увеличение обеспечивает заметную интенсификацию теплообмена. На рис. V I . 13 для всех исследованных поверхностей приведены зависимости сред­ них коэффициентов теплоотдачи (длина участка 0,6 м) от удельного

большим разбросом ложатся на одну прямую. Темп изменения ко­ эффициента теплоотдачи зависит от свойств материала. Аналогич­ ные результаты получены для участков различной длины.

Выше указано, что увеличение расхода сопровождается ростом толщины слоя, степень его расширения и скорость изменяются не­ значительно. Следовательно, основным фактором, обусловливающим интенсификацию теплообмена, является утолщение и увеличение веса слоя, приводящее при неизменных параметрах вибрации к уменьшению обладающего высоким термическим сопротивлением воздушного зазора между слоем и поверхностью. Сказываются и другие факторы — изменение характера движения частиц в слое и некоторое его уплотнение, приводящее к увеличению коэффициента

данные о влиянии толщины на теплоотдачу слоя, движущегося по наклонной вибрирующей поверхности, нам неизвестны. Имеются сведения об интенсификации теплообмена при увеличении до неко­ торого предела начальной толщины виброкипящего слоя, заключен­ ного в вертикальный сосуд, в условиях развитого кипения и при от­

плохими сыпучими свойствами, ниже, чем песка, причем расхождение

154

растет с уменьшением удельного расхода. Это объясняется разли­ чием в характере движения — менее интенсивным перемещением частиц концентрата и наличием прилипшего к поверхности слоя, создающего дополнительное термическое сопротивление.

Влияние температуры на теплообмен обусловлено изменением теплофизических характеристик слоя, главным образом коэффициг

ента эффективной теплопроводности. Повышение средней темпера­ туры материала с 50 до 200° С обеспечивает при прочих равных ус­ ловиях улучшение теплоотдачи на 10—12 %. Как показали резуль­ таты опытов, при повышенных температурах степень интенсификации

К

теплообмена пропорциональна соотношению ^

эфО

Расчетная зависимость, описывающая теплоотдачу слоя, движу­ щегося по спиральным вибрирующим термостатированным поверх­ ностям, представлена в виде

(VI.9)

155

ГЛАВА VII

ТЕПЛООТДАЧА ДВИЖУЩЕГОСЯ ПРОДУВАЕМОГО СЛОЯ

Как показано в гл. I , литературные данные по теплоотдач дви­ жущегося продуваемого слоя весьма немногочисленны; кроме то­ го, они получены в специфических условиях — при низких скорос­ тях продувки, малых временах контакта, механическом перемеши­ вании слоя. Расчетная зависимость предложена только в [230]. Такое состояние вопроса определило основные задачи нашей рабо­ ты: изучение главных закономерностей сложного процесса, проверка предложенного в гл. I подхода к его описанию и получение расчет­ ных рекомендаций.

Нами исследовалась теплоотдача при омывании вертикального цилиндра и сферы. Общее описание применявшихся при этом экспе­ риментальных установок приведено в гл. I I : они однотипны и раз­ личаются только конструкцией теплообменного участка. Опыты про­ водили при противоточном движении воздуха и насадки. Системы подвода, распределения и отвода воздуха обеспечивали равномерное распределение скоростей в районе расположения калориметров. Утечки предотвращались с помощью запорного узла (плотный слой насадки достаточной высоты) и промежуточного бункера, в котором поддерживалось такое же давление, как в теплообменной участке. Воздух распределялся специальным коллектором — системой вза­ имно-перпендикулярных перфорированных труб. Так как угол рас­ крытия струи в слое зависит от размера частиц, порозности слоя,

шие определить необходимые расстояния между подводящим возду­ ховодом и калориметром. Скорость воздуха во всех случаях была

напору между поверхностью и всем потоком (газ, частицы). Таким

тивление из общего не выделялось. Были приняты меры для созда­ ния условий, при которых поток может рассматриваться, как псевдо­ сплошная среда (см. гл. I) . Насадка и воздух поступали в установку с температурой окружающей среды, их водяные эквиваленты выби­ рали такими, чтобы нагрев не превышал 0,1—0,2° С.Благодаря это-

157

му продольные температурные градиенты были сведены к минимуму, среднеэнтальпийные температуры компонентов различались незна­ чительно. Кроме того, повысилась точность измерения температур потока размещенными в канале термопарами. Практическое равен­ ство температур твердого и газового компонентов подтверждалось калориметрическими измерениями и специальными замерами при отсутствии продувки.

Наряду с тепловыми величинами измеряли расход, объемный вес

и движущимся непродуваемым слоем. Результаты обобщали в со­ ответствии с критериальными уравнениями, полученными в гл. I .

Данные для режима фильтрации обрабатывали в соответствии с рекомендациями М. Э. Аэрова [71. Эти рекомендации, основанные на анализе и обобщении большого числа литературных данных по теп­ лопроводности и теплоотдаче неподвижного продуваемого слоя, представляются нам наиболее надежными.

Определяли также степень интенсификации теплообмена, об­ условленную переводом слоя в движение (по отношению к неподвиж­ ному продуваемому слою) и продувкой (по отношению к движущему­ ся непродуваемому слою).

VII. 1. СТЕСНЕННОЕ ДВИЖЕНИЕ

В КОЛЬЦЕВЫХ КАНАЛАХ

В данном случае исследовали среднюю теплоотдачу при направ­ лении теплового потока от стенки к слою. Экспериментальный участок представлял собой кольцевой канал длиной 1,6 м, образо­ ванный кожухом (DK = 100 мм) и внутренним (исследуемым) ци­ линдром — электрокалориметром (D — 32 мм, L — 1 м, -^-•= 31).

В опытах измеряли температуры поверхностей калориметра и ко­ жуха в пяти сечениях по длине. На входе в экспериментальный учас­ ток и на выходе из него устанавливали гребенки термопар, измеряв­ шие температуры потока в шести точках по радиусу канала. Систе­ ма измерений позволяла определить методом стационарного режи­ ма не только средний коэффициент теплоотдачи к внутреннему ци­ линдру (уравнение (П.1)), но и теплопроводность неподвижного слоя при продувке и без нее (по уравнению стационарной теплопровод­ ности цилиндрической стенки).

В качестве насадки использовали сферические частицы алюмоси-

158

Результаты предварительных опытов

Д л я неподвижной насадки была проведена серия опытов, по ре­ зультатам которой определены эффективная теплопроводность не-

зическим характеристикам воздуха и размеру частиц) и сопостав­ лены с результатами расчета по аналитической зависимости, реко­ мендуемой в [7] для цилиндрических трубчатых каналов. Она ос­ нована на представлении о продуваемом слое как о сплошной среде, характеризуемой эквивалентной теплопроводностью. Сравнение с результатами экспериментальных исследований различных авторов позволило М. Э. Аэрову рекомендовать ее для ориентировочных расчетов общего коэффициента теплоотдачи, учитывающего терми­ ческое сопротивление теплопереносу у стенки и в ядре потока. Наши

труб с продуваемой воздухом насадкой из стеклянных и коксовых шаров при А = 4 - ь 10 [177, 228].

Данные по теплообмену движущегося непродуваемого слоя, об­ работанные в критериальном виде Nu = / (Ре), хорошо описывают­ ся зависимостями (III . 4), полученными для других материалов при стесненном движении в кольцевых каналах.

Теплоотдача движущегося противоточно продуваемого слоя

Измерения объемного веса движущегося противоточно продува­ емого слоя показали, что в исследованном диапазоне он не зависит от скорости воздуха. Аэродинамические сопротивления слоя в покое

159

и движении при одинаковой порозности практически равны между собой, что согласуется с выводами [51, 142]. Данные по сопротивле­ нию удовлетворительно описываются формулой М. Э. Аэрова [7] и согласуются с [39, 239]. Скорость насадки не оказывает влияния на

увеличение его эквивалентной теплопроводности. Степень интенси­

1.60

215, 216, 220], справедлив только в области низких скоростей фильт­ рации и не является общим.

Заметное улучшение теплоотдачи при переводе продуваемого слоя в движение обусловлено значительным вкладом частиц в кон­ вективный перенос, так как объемная теплоемкость твердого компо­ нента значительно выше, чем газового. Кроме того, возникающее при движении вращение и перемешивание частиц в пристенной об­ ласти приводит к турбулизации газового потока и снижению терми­ ческого сопротивления пограничного слоя. Степень интенсификации по сравнению с неподвижным продуваемым слоем тем больше, чем выше скорость насадки и ниже скорость воздуха, и в исследованном диапазоне изменения параметров лежит в пределах 1,2—2,8.

Таким образом, процесс теплообмена движущегося продуваемо­ го слоя определяется скоростями, условиями движения и теплофизическими свойствами обоих компонентов. В [45] высказано предпо­

теплообмена по сравнению с режимом фильтрации при неизменных физических характеристиках компонентов определяется относи-

тельной линейной скоростью насадки — . Это подтверждается

рис. V I I . 2 , на котором приведена обобщенная зависимость, описы­ ваемая уравнением

слой рассматривался как квазигомогенная среда с эквивалентной теплопроводностью, зависящей от скорости продувки. Условия, при которых такое представление применимо, в определенной мере соб­ людались в опытах. Так, изменения температур компонентов в ра­ бочем участке не превышали 01—0,2° С, водяные эквиваленты их

основан и приемлем. При продольном омывании и неизменных гео­ метрических характеристиках критериальное уравнение аналогич­ но по структуре (1.36а), где определяющим является модифициро­ ванный критерий Пекле,

162