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

[12], сделанным для граничных условий I рода. В области Fod < 1 прямые опытные данные по теплообмену движущегося слоя хорошо согласуются с результатами, полученными совместно с В. В. Куклинским методом гидротепловой аналогии (методика приведена в [128]). При Fod < 1 опытные данные удовлетворительно аппрок­ симируются зависимостью А. П. Баскакова [12].

Теплообмен при стесненном движении

соизмеримая с ним по размерам, образует два полуканала, в кото­ рых наблюдается резко градиентное движение. На начальном участ-

ке, где формируется профиль скоростей, пограничные слои по длине утолщаются вплоть до смыкания, скорости у стенок уменьшаются. На участке стабилизированного движения скорости на стенке неиз­ менны, профиль скорости вытянут и близок к параболическому с максимумом на оси полуканала. Наблюдаются поперечные (по ши­ рине и глубине канала) перемещения частиц, по характеру движение

чального участка. При увеличении шероховатости начального участ­ ка торможение усиливается, а процесс стабилизации движения за-

74

канчивается раньше. В этих случаях теплообменная поверхность лежит в области стабилизированного движения. При отсутствии на­ чального участка {f = 0) процесс стабилизации и торможения про­ текает в пределах обогреваемой части пластины, причем степень тор­ можения менее значительна. При прочих равных условиях тормо­ жение у пластины значительнее, чем при нестесненном движении.

Во всем исследованном диапазоне темп зависимости коэффициен­ тов теплоотдачи от времени составляет ~ 0 , 3 , уменьшение темпа в

области малых т не обнаружено. По сравнению с нестесненным дви­ жением зависимость теплоотдачи от времени контакта (т. е. от ско­ рости слоя и расстояния от входной кромки пластины) выражена сла­ бее, что объясняется различием в характере движения, наличием перемешивания в условиях стесненности.

Интенсивность теплообмена максимальна для пластины без на­ чального участка, а при наличии последнего падает с увеличением

условиях стесненности уменьшается. Критериальное уравнение,

75

ГЛАВА (V

ТЕПЛООТДАЧА ПРИ ПОПЕРЕЧНОМ ОМЫВАНИИ НЕОРЕБРЕННЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ

IV. 1. ГОРИЗОНТАЛЬНЫЕ ЦИЛИНДРЫ

Теплообмен плотного слоя с поперечно омываемыми круглыми цилиндрами впервые исследован С. В. Донсковым [57 — 59] и Ю. П. Курочкиным [130]. Ими получены обобщенные зависимости для одиночных цилиндров и пучков. Так как указанные работы до­ статочно подробно проанализированы в [46], ограничимся следую­ щими замечаниями. Согласование зависимостей, полученных в [57, 58 и 130], нельзя считать удовлетворительным. Обращают на себя внимание не только количественные, но и качественные рас­ хождения данных этих работ: влияние симплекса -^- по [57] незна­ чительно, а по [130] очень существенно; темп зависимости теплоот­ дачи от скорости по [57] выше, чем по [130]. Вызывает сомнение и противоречит физическим представлениям вытекающий из получен­ ной в [130] обобщенной зависимости вывод о том, что с увеличением диаметра цилиндра при прочих равных условиях теплоотдача улуч­

ных слоев и смесей влияния на теплообмен размеров цилиндра и частиц, их соотношения, свойств материала, исследование локаль­ ного теплообмена и получение обобщенных зависимостей, описыва­ ющих процесс в достаточно широком диапазоне изменения опреде­ ляющих факторов [98, 122, 181]. Средний теплообмен изучался на восьми цилиндрах (диаметром от 8 до 57,5 мм) методами стационар­ ного и регулярного режимов.

В методе стационарного режима использовались электрокалори­ метры, представлявшие собой полые стальные цилиндры, в которых расположены нагреватели, а на поверхности в трех сечениях по дли­ не и шести точках по периметру зачеканены спаи медь-константа- новых термопар. Калориметр для исследования локального тепло­ обмена аналогичен описанному ниже ребристому цилиндру (рис. Ѵ.8).

В методе регулярного режима применяли сплошные медные ци­ линдры, которые предварительно нагревали в специальной трубча-

77

той электропечи. Темп охлаждения цилиндра в потоке материала измеряли дифференциальной термопарой, установленной в цент­ ральном сечении. В условиях опытов критерий Био изменялся в пре­

=1,2 мм, концентрат ртутьсодержащей руды d < 0,074 мм; элект­

Влияние основных факторов

Влияние скорости. В зависимости среднего коэффициента теп­ лоотдачи от скорости можно выделить две области, граница между которыми определяется некоторым значением скорости ѵп (назовем

еепереходной, рис. IV . 1).

В первой области (ѵ < ѵп) темп зависимости для всех материалов

практически одинаков и составляет ~ 0,28, во второй области (ѵ >

>ѵп) он заметно ослабевает. С увеличением размеров частиц зна­

(1,8 и 3,5 мм) при V > ѵп теплоотдача практически неизменна. Дл я смесей наличие второй области не обнаружено, так как переходная скорость не была достигнута. Интенсификация теплообмена с рос­ том скорости слоя объясняется уменьшением времени контакта с поверхностью и изменением характера ее омывания.

Д л я более детального анализа на рис. IV.2 приведены данные по локальному теплообмену цилиндра диаметром 33,5 мм, полученные на кварцевом песке. Распределение коэффициентов теплоотдачи по периметру характеризуется заметной неравномерностью, ко­ торая возрастает с увеличением скорости слоя. Такая картина объяс­ няется неравномерностью омывания, наличием зон застоя и отрыва слоя [57, 130, 133]. Низкая теплоотдача в лобовой части цилиндра

78

бовой точки, что вызывает заметный рост теплоотдачи до максимума при Ф = 100 ~ 120°, где поверхность омывается безотрывно. По­ следующее ухудшение в кормовой части объясняется разрыхлением и отрывом слоя от поверхности цилиндра.

Увеличение скорости слоя, приводящее к интенсификации теплообмена по всему периметру, наиболее существенно сказыва-

Незначительная интенсификация теплообмена в лобовой части цилиндра (при увеличении скорости от 1,5 до 11 мм/сек ссф = 0 ° рас­ тет на 12%) объясняется некоторым уменьшением размеров (ширины основания и высоты) и термического сопротивления застойной зоны.

газовых прослоек. Все эти причины вызывают уменьшение толщины эффективного теплового пограничного слоя и заметное улучшение теплоотдачи (в указанных выше условиях а ф = юо° возрастает в 4 раза). Теплоотдача в области отрывного обтекания увеличивается всего на 28%.

Указанные закономерности изменения локальной теплоотдачи приводят к тому, что степень неравномерности, характеризуемая

отношением JÜ^S, резко увеличивается с ростом скорости (в данном

а м н н

случае от 2 до 5,3). Они определяют также описанный выше характер влияния скорости на среднюю теплоотдачу. Перелом в зависимости а = f (ѵ) можно предположительно объяснить разрыхлением слоя вблизи цилиндра при ѵ > ѵ„. Результаты специальных опытов по-

79

казали, что средняя порозность в канале при этом остается неиз­ менной, слой движется связанно, разрыв слоя в исследованном диа­ пазоне чисел Фруда не наблюдается. Таким образом, при попереч­ ном омывании цилиндрических поверхностей имеется предшеству­ ющий разрыву слоя диапазон скоростей у п < ѵ < ѵкр, в котором темп зависимости теплоотдачи от скорости заметно уменьшается, а для

крупных фракций приближается к нулю. Обработка эксперименталь­ ных данных позволила получить зависимость для переходного кри­ терия Фруда

цилиндра и стесненности движения в минимальном сечении. В из­ ученных условиях переходный критерий Фруда лежал в пределах (1,4 ч - 3,2) - Ю - " .

Значение критического критерия Фруда, характеризующее раз­ рыв слоя при поперечном омывании, нам не удалось установить изза ограниченной производительности системы транспорта. Можно только констатировать, что при Fr < Frn разрыв слоя не происхо­ дит.

Влияние диаметра цилиндра на средний коэффициент теплоотда­ чи фракционированных слоев иллюстрируется рис. I V . 1. С увеличе­ нием диаметра теплоотдача ухудшается в связи с возрастанием вре­ мени контакта и некоторым изменением характера омывания (со­ отношения участков, занятых зонами застоя, безотрывного и отрыв­ ного движения). Эти результаты противоположны выводам, выте­ кающим из обобщенной зависимости [130].

80

чем темп зависимости практически одинаков ( а » т ~ 0 - 2 8 ) . Таким об­ разом, при поперечном омывании, как и при продольном, время

-, im . 300

частиц теплоотдача выше. Одной из причин является некоторое раз­ личие в порозности движущегося слоя (для мелких фракций она ни­ же) и, следовательно, его эффективной теплопроводности. При низ­ ких временах контакта (высоких скоростях и малых диаметрах ци­ линдра) определенную роль играет термическое сопротивление при­ стенной газовой прослойки, толщина которой пропорциональна ди­ аметру частиц. Основным же фактором является различие в разме­ рах застойной и отрывной зон, отмеченное также в [57, 130]. Тепло­ отдача фракционированных слоев незначительно отличается от теп­ лоотдачи смеси с таким же средним размером частиц (подсчитанным

ß

по уравнению (II.7)). Влияние симплекса - ^ , изменявшегося в пре­ делах 3,0—12,5, в опытах не обнаружено, что согласуется с данными

шением сыпучих свойств (увеличением коэффициентов внешнего и

ярко эти изменения проявляются для концентрата, угол естествен­ ного откоса которого очень высок (см. также гл. V I . ) . Аналогичное влияние сыпучих свойств на теплоотдачу обнаружено в [1301 для влажных материалов.

Обобщение результатов и сравнение с литературными данными

Обобщение результатов производилось на основании общего критериального уравнения (1.26), приведенного в гл. I . В соответ­ ствии с конкретными условиями опущены некоторые критерии, влияние которых не обнаружено: симплексы, учитывающие влияние

анализировались выше. Значение критерия Пекле, соответствующее

справедливым с точностью ± 2 % при 13 < -^- < 147. Оно может

быть использовано наряду с уравнением (IV. 1) для оценки переход" ной скорости и границ применения приведенных ниже зависимо­ стей.

цилиндра, размеры зон застоя и отрыва слоя, оказывает заметное влияние на теплоотдачу, особенно во второй области. При прочих равных условиях это влияние менее существенно для смесей (при

—/ и \ ° ' 3 3 \

Ре < Рерр Nu « \ J , чем для фракционированных материалов

82