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

Методы интенсификации теплообмена плотного движущегося слоя практически не исследованы. В литературе известны лишь ра­ бота Ю. П. Курочкина [1311 для удобообтекаемых профилей и ряд работ Д . П. Львова с сотрудниками [33, 136—138], изучавших тепло­ обмен в вибрирующей трубчатой сушилке. Подобные исследования нуждаются в продолжении и развитии. Необходимо раскрыть физи­ ческую сущность и механизм влияния различных методов, предло­ жить соответствующую модель процесса, накопить необходимые опытные данные. При решении этой задачи к плотному слою могут быть применены оба рассмотренных выше подхода — либо как к сплошной, либо как к дискретной среде.

Нами изучалось интенсифицирующее влияние движения каждо­ го из компонентов на теплоотдачу движущегося слоя. Кроме того, исследовался ряд методов интенсификации теплообмена примени­ тельно к непродуваемому слою — воздействие на геометрические характеристики теплообменной поверхности, использование оребрения, вибрация поверхности, вибрация насадки. Перечень иссле­ дованных процессов приведен в табл. 1.2.

ГЛАВА II

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ, УСТАНОВКИ И МАТЕРИАЛЫ

II. 1. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ И УСТАНОВКИ

При экспериментальных исследованиях ставились следующие задачи:

1. Изучить влияние на среднюю и локальную теплоотдачу слоя

2.Проверить справедливость ряда гипотез и теоретических за­ висимостей.

3.Получить обобщенные зависимости, справедливые в доста­ точно широком диапазоне изменения режимных и геометрических характеристик.

4.Изучить ряд методов интенсификации теплообмена.

45

сенные к поверхности нагрева со стороны слоя и среднелогарифмическому температурному напору между слоем и вторым теплоноси­

ческого постоянства его по всей поверхности) и местному темпера­

(для оребренных поверхностей)— по интегральному значению плот­ ности теплового потока и среднему температурному напору в ос­ новании ребер

а п р = ^ о ! - о - ( І І - 5 )

Более полно особенности методики исследования развитых по­ верхностей освещены в главах I I I , V.

Часть опытов проведена методом регулярного режима, при ко­ тором

5 = 4 ^ (П.6)

(для применявшихся медных калориметров обеспечивалось равномерное распределение температур по сечению, т. е. Т, = -^- = 1).

Анализ влияния на теплоотдачу режимных и геометрических ха­ рактеристик проводили по соответствующим первичным зависимос­

тям типа а = f (ог , ит , D, d, . . . ) .

Экспериментальные данные обобщали на основании критериаль­ ных уравнений, приведенных в гл. I . В качестве определяющих па­ раметров принимали среднюю температуру слоя, размер (длину, диаметр) поверхности нагрева. Теплофизические характеристики определяли для неподвижного слоя при пористости, соответствую­ щей движению. Результаты сопоставляли с полученными в гл. I теоретическими зависимостями и литературными данными.

На основании изложенной методики были созданы эксперимен­ тальные установки. Типовая схема установки для исследования ме­ ханики движения и теплообмена слоя (продуваемого и непродуваемого) с обтекаемой (поперечно, продольно) поверхностью (неподвиж­ ной, вибрирующей) приведена на рис. П Л .

Сыпучий материал из расходного бункера 2 под действием гра­ витационных сил поступал в рабочий (теплообменный) участок 4. Движение материала в виде плотного слоя, равномерное распреде­ ление скорости по сечению, а также ее регулирование обеспечивалось

46

сдвоенным дырчатым шибером 5, установленным в выпускном се­ чении шахты. Дл я материалов, обладавших плохой сыпучестью, принимали дополнительныг меры для равномерного движения, например вибрационные воздействия, установку шнека над выпуск­ ным отверстием.

После теплообменного участка материал снова ковшовым эле­

Конструкция исследуемых поверхностей (калориметров) опре­ делялась их назначением: для изучения среднего либо локального теплообмена, а также принятой методикой (стационарного либо регулярного режима) и направлением теплового потока (от стенки к слою или наоборот). Схема измерений и описание калориметров приведены в соответствующих главах.

Вибрация теплообменной поверхности или слоя осуществлялась механическим дебалансным вибратором 9, приводимым в действие электродвигателем постоянного тока. Вибратор создавал направ­ ленную вибрацию — вертикальную и горизонтальную — с плавным изменением частоты и ступенчатым изменением амплитуды (пово­ ротные дебалансы). Калориметры через теплоизоляционные втул­ ки присоединялись к вибратору, а вибрация слоя материала осу­ ществлялась с помощью специальных устройств (виброзондов),

47

установленных в потоке. Размеры, форму и расположение зондов выбирали на основании опытов по механике движения.

Продувка слоя воздухом производилась вентилятором 10. Дви­ жение насадки и воздуха с помощью сменных воздуховодов могло осуществляться по схеме прямоили противотока. Д л я уменьшения утечек воздуха на входе и выходе из рабочего участка имеются слое­ вые затворы.

Характер движения и омывания поверхностей, распределение скоростей материала изучали визуально с помощью окрашенного слоя и путем фотографирования, для чего переднюю стенку шахты заменяли стеклянной либо использовали полуканалы. Окрашенный слой вводили в поток материала через специальный затвор. При этом, как установлено в [57, 58, 80, 97], изменений структуры пото­ ка не происходит, а влияние углового эффекта незначительно [158].

термометрами либо термопарами (гребенками термопар); 4) расход

И.2. ХАРАКТЕРИСТИКИ СЫПУЧИХ МАТЕРИАЛОВ

Вопытах использовали сыпучие материалы с различными физи­ ко-механическими свойствами: а) близкие к идеально-сыпучим — кварцевый песок, частицы искусственного графита (смеси и фракцио­ нированные слои), алюмосиликатный катализатор, агломерат, теп­ лоноситель Г-70, корунд, полукокс; б) с плохими сыпучими свой­ ствами— концентрат ртутьсодержащей руды, шлиф и микропорош­ ки карбида кремния. Все материалы были практически сухими.

Всвязи с тем, что характер движения и теплообмен зависят от свойств сыпучих материалов, определяли некоторые физико-меха­ нические и теплофизические характеристики.

1.Фракционный состав определяли рассевом. В результате ана­ лиза различных методов усреднения размера частиц смеси, исполь­ зующих различные «определяющие свойства» [3, 134], было выбрано

уравнение (для поперечного омывания)

к

48

согласно которому средний размер частиц определяется как отно­ шение их объема к поверхности (пи at— число и весовая доля час­ тиц данной фракции). Этот метод обеспечивает наилучшее обобщение опытных данных. Он отличается от принятых в [57, 130], где усред­

ке [70].

4.Удельный вес частиц находили методом вытеснения жидкос­ ти в пикнометре.

5.Истираемость частиц устанавливали по изменению фракци­ онного состава за определенное время.

6.Абразивные свойства материалов находили по темпу истира­ ния поверхности нагрева.

7. Коэффициент температуропроводности неподвижного слоя при различных температурах и порозности определяли методом ре­ гулярного режима [120, 191].

8. Коэффициент теплопроводности слоя в тех же условиях оп­ ределяли методом стационарного теплового режима [190, 191].

Необходимость в опытном определении теплофизических харак­ теристик слоя вызвана тем, что, несмотря на значительное количе­ ство обсуждаемых в литературе моделей [23, 32, 60, 61, 68, 78, 117, 212—214 и др.], до настоящего времени отсутствует общепринятая методика расчета, справедливая для широкого круга материалов и параметров. Основные результаты определения физико-механи­ ческих и теплофизических характеристик сводятся к следующему [47, 50, 80, 87]:

1. Объемный вес движущегося и неподвижного фракционирован­ ных слоев уменьшается с увеличением размера частиц Д л я иллю­ страции на рис. II . 2 приведены данныг для частиц графита.

2. Плотность укладки движущегося слоя до определенного пре­ дела не зависит от скорости, а при превышении предельной скорости резко падает вследствие перехода связанного режима движения в несвязанный (рис. ІІ.З). Величина предельной скорости определя­ ется критерием Фруда, критическое значение которого приведено в гл. I I I . С ростом эквивалентного диаметра канала плотность уклад­ ки несколько увеличивается.

3. Истирание частиц обнаружено только для графита. Так, пос­ ле 600 час работы процентное содержание крупных фракций умень­ шилось с 20 до 14%, а мелких — увеличилось с 37 до 42%. Средний размер частиц изменился с 1,4 до 1,2 мм. Темп истирания составля­ ет 0,2410~3 мм/час. Износ поверхности практически не обнаружен. Более значительное истирание наблюдается для частиц агломерата. Для частиц кварцевого песка, карбида кремния истирания не обна­ ружено.

(рис. II . 4) . При уменьшении порозности слоя угол естественного откоса увеличивается, что согласуется в данными [106]. С ростом температуры сыпучие свойства несколько улучшаются.

5. Коэффициенты эффективной температуропроводности и теп­ лопроводности практически не зависят от размера частиц. С умень-

50

Значения M и N для различных сыпучих материалов приведены в табл. П Л . Там же приведены фракционный состав и некоторые фи­ зико-механические и теплофизические характеристики использо­ ванных материалов.

6. Абразивные свойства материалов оценивали по удельному из­ носу цилиндра, т. е. по убыли его веса, приходящейся на единицу бо-

42

новой поверхности в единицу времени. Износ определяли при вра­ щении цилиндров диаметром 22 мм вокруг своей оси в неподвиж­ ном слое, имевшем такую же порозность, как движущийся. Такие

условия несколько отличаются от тех, которые имеют место при гра­ витационном омывании слоем неподвижного цилиндра. Однако су­ щественным преимуществом принятой методики является возмож­ ность изменения относительной скорости в широких пределах. Опы­ ты проводили для трех материалов— карбида кремния (d = 0,5 мм),

І = 3 0 - Н 5 0 ° С

52