Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Башкирский Государственный Аграрный Университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

Рекуперативные и регенеративные теплообменные аппараты. Учебное пособие

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

08.09.2026

Размер:

2 Мб

Скачать

☆

<<< < Предыдущая 1 2 3 4 5 6 7 8 910 / 1110 11 > Следующая >>>

Если принять в первом приближении, что в периоды нагревания и охла-

НАС.O НАС.Н

t t







Н Н Н О O О

1 R 1 1 1

      





ПЕР Ц

Q t t F k

   

Н О Ц

0,5

    

Н Н Ц O О

1 4 R 1

      

4 R



 

ПЕР





ПЕР





10,0

 

2..5

 





Q k t t F

 

    

 

ждения

, то количество передаваемой в регенераторе теплоты мож-

но выразить:

t t F

 

Г О

ПЕР



. (128)

 

  

   

Из сопоставления этого выражения с общим уравнением теплопередачи

Г О

(129)

следует, что коэффициент теплопередачи за цикл равен выражению в знаменателе уравнения (128).

Если принять, что

k  

, тогда

. (130)

Слагаемое

характеризует тепловое сопротивление аккумулирова-

ния для условия нагревания и охлаждения элемента насадки постоянным тепловым потоком.

В действительности средняя температура насадки за период нагрева

больше аналогичной за период охлаждения на величину

t t

где

   

НАС.Н НАС.О

- максимальный перепад средних по массе температур насадки;

, (131)

- коэффициент температурного гистерезиса.

Для регенераторов плавильных и нагревательных печей

менных воздухонагревателей

. для до-

С учетом этого получаем

ПЕР Ц

Г О

. (132)

Из баланса теплоты в насадке следует

R F c q F

         





Г О

k t t

    

Н С

  

Н Н Ц О О

1 4 R 1 1

          

Отсюда после преобразований получаем



 

R c

. (133)

. (134)

Поставляя полученное выражение в (130) и, учитывая

, получаем



 

  



 

   

R c

. (135)

Из уравнения (135) следует, что тепловое сопротивление насадки состоит

из двух слагаемых. Первое слагаемое связано с тепловым потоком по ее толщине, второе – с аккумулированием теплоты. Первое слагаемое с увеличением толщины элемента увеличивается, второе – уменьшается.

Для вполне конкретных параметров и условий работы насадки существу-

ет ее оптимальная величина.

В реальных регенераторах характер изменения температурных полей га-

зовых потоков и насадки по высоте и по времени значительно сложнее. Он будет определяться отношением полных теплоемкостей газовых потоков и теплофизическими свойствами насадки. Еще большее усложнение дает неравенство периодов нагрева и охлаждения, как это бывает в воздухоподогревателях доменных печей.

5. ТЕПЛООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ С «КИПЯЩИМ»

0 0

V1V V



0,35..0,55

 

0,6

 

(«ПСЕВДООЖИЖЕННЫМ») СЛОЕМ

В последние годы все большее применение в теплообменной аппаратуре

получили аппараты с так называемым «кипящим» или «псевдоожиженным» слоем.

Слой измельченного твердого вещества, частицы которого могут пере-

двигаться относительно друг друга в результате механического, электрического или какого другого воздействия, называется кипящим или псевдоожиженным.

Кипящему слою присущи свойства жидкости: текучесть, вязкость, по-

верхностное натяжение. Процессы, в которых используется псевдоожижение твердых материалов, широко применяются в различных отраслях промышленности: крекинг нефтепродуктов, газификация топлив, обжиг и сушка материалов, термообработка металлов, нагревание и охлаждение газов, гранулирование, смешивание и обогащение материалов, транспортировка зернистых веществ и др. Этому способствуют уникальные свойства материала в состоянии псевдоожижения: возможность транспортировки подобно жидкости, практически однородное поле температур в слое в результате интенсивного перемешивания, низкое термическое и диффузионное сопротивления при теплообмене в газовой фазе и другие.

Параметром, определяющим состояние слоя, является порозность  - от-

ношение объема пустот между частицами ко всему объему слоя.

Если в объеме зернистого слоя

содержится Vплотного (монолитного)

материала, то

V V

    . (136)

, в состоянии псевдоожи-

жения

Для плотного неподвижного слоя

. Кроме порозности используются средний размер частиц d и

удельная площадь поверхности f, м2/м3.

Состояние и механизм образования кипящего слоя в первую очередь свя-

зан со свойствами самого слоя частиц. В связи со сложностью процессов гидродинамики и теплообмена удобно рассматривать протекание этих процессов с использованием абстрактного понятия – «идеальный монодисперсный слой частиц». Под этим понимается слой частиц сферической формы, с абсолютно гладкой поверхностью, изготовленных из абсолютно твердого вещества. В реальном монодисперсном слое частицы произвольной формы, с шероховатой поверхностью и их размеры приблизительно равны друг другу. Иногда используется слой с частицами различной величины - полидисперсный слой.

Принцип образования кипящего слоя в следующем. Если под слой зерни-



стого материала, расположенного на поддерживающей решетке, подавать поток теплоносителя (газа или жидкости), то состояние слоя оказывается различным в зависимости от скорости потока.

На рис. 30 представлено состояние слоя в виде «кривой псевдоожиже-

ния», выражающей зависимость перепада давления до и после насыпного слоя

от скорости фильтрующейся среды w в свободном сечении аппарата.

Рис. 30. Кривые псевдоожижения для идеального и реального

монодисперсного слоев

На рис. 30, а показана кривая идеального псевдоожижения. Восходящая

КР



КИП

w '

КИП

w '

0,4

 

ветвь до точки А (прямая при ламинарном движении и кривая при других режимах) соответствует движению через неподвижный слой – обычная фильтрация. В точке А наступает равенство сил давления потока на слой твердых частиц и их веса. Слой переходит в состояние псевдоожижения. Скорость потока в точке А называется скоростью начала кипения или псевдоожижения. Начиная с этого момента увеличивается объем слоя, уменьшается его порозность. Перепад давлений становится постоянным. При дальнейшем увеличении скорости потока, начиная с определенного момента (точка В), твердые частицы начинают уноситься с потоком. Скорость в этой точке называется «скорость уноса» или «скорость витания». В дальнейшем наблюдается разрушение слоя со снижением перепада давления.

В реальных условиях кривая псевдоожижения (рис. 30,б) отличается от

идеальной. При увеличении скорости w от нулевого значения с определенного момента начинает увеличиваться высота слоя материала, происходит набухание или вспучивание. При некоторой скорости

в слое начинают возникать от-

дельные фонтаны «кипения» материала, большая же часть гранул остается неподвижной. В этот момент напор газа достигает некоторого максимального значения

и соответствует весу материала плюс некоторый перепад, необ-

ходимый для затраты энергии на отрыв частиц друг от друга. С последующим увеличением скорости газа под решеткой сопротивление слоя несколько уменьшается, а скорость воздуха в слое несколько увеличивается. При этом наблюдается рост высоты слоя. Увеличение слоя обеспечивает стабилизацию проходного сечения для газа и вследствие этого стабилизируется сопротивление слоя

. Повышение скорости газа свыше

способствует возникнове-

нию новых очагов кипения. Интенсивность движения частиц в слое возрастает, кипение выравнивается и устанавливается цикличное перемешивание частиц в слое. Скорость газа, соответствующая хорошему перемешиванию слоя и незначительному выносу мелких частиц, обозначается

Полидисперсный слой переходит в псевдоожиженное состояние не при

одной фиксированной скорости, а в некотором интервале скоростей. Сначала в псевдоожиженное состояние переходят самые мелкие частицы, при дальнейшем наращивании скорости потока в этот процесс вовлекаются все более крупные частицы. Наконец, по достижении определенной скорости, весь слой переходит в состояние кипения. Упомянутые скорости не поддаются теоретическому расчету и оцениваются только приблизительно.

Скорость набегающего на решетку потока

, соответствующую

началу кипения при засыпке слоя шарообразными монодисперсными частицами средней порозности

, определяется по формуле Тодеса [3]:

1400 5,22 Ar



где





d g

   



УН

КИП

УН

КР

ОПТ

Re'

КИП



М С

 

C С

- критерий Архимеда;

- средний диаметр частиц, м;

- коэффициент кинематической вязкости ожижающей среды, м2/с.

w ' d

КИП

 



, (137)



Скорость уноса или скорость витания

не поддается точному расчету

из-за ее сложной зависимости от множества факторов (размера и формы частиц, количества и размера газовых пузырей, профиля скорости потока оживающей среды ниже поддерживающего устройства и др.).

Отношение скорости уноса к скорости начала кипения называется коэф-

фициент псевдоожижения:

K  . (138)

Современные аппараты с кипящим слоем работают при значении коэф-

фициента псевдоожижения в диапазоне от 2 до 3-3.5.

Использование псевдоожижения в теплообменных аппаратах позволяет

значительно интенсифицировать теплообмен.

Сравним коэффициент теплоотдачи на поверхности трубки в зависимости

от скорости набегающего потока с точно такой же трубкой и теплоносителем, но помещенным в насыпной слой измельченного твердого вещества.

Изменение коэффициента теплоотдачи в этих двух случаях в зависимости

от скорости потока ТН показано на рис. 31. Линия г-д соответствует теплоотдаче чистого воздуха (без твердых частиц). Линия а-б-в-д - теплоотдача в кипящем слое. Как видно из рисунка, до определенного момента (линия а-б) теплообмен в слое и без него практически ничем не отличаются. В слое происходит обычная фильтрация газа через пористый материал. Начиная с

, что соот-

ветствует началу ожижения, коэффициент теплоотдачи начинает резко расти, достигая своего максимума в точке б. При дальнейшем повышении скорости газа увеличивается порозность слоя и уменьшается объемная концентрация частиц, и коэффициент теплоотдачи уменьшается. Резкий скачок интенсивности теплообмена в кипящем слое объясняется механическим разрушением теплового пограничного слоя движущимися твердыми частицами.

ной скоростью кипения

Линия б-в-г имеет максимум, приблизительно совпадающий с оптималь-

w .

0,5

Re 0,2 Ar

0,5

Re 0,66 Ar

Рис. 31. Сравнение интенсивности теплообмена при обычном

обтекании и поверхности трубы и в условиях «кипящего» слоя

Уравнение для определения оптимальной скорости газа, соответствую-

щей максимальному значению коэффициента теплоотдачи, для частиц произвольной формы и шероховатой поверхностью:

- в ламинарной области:

  ; (139)

ОПТ

- в турбулентной области:

  . (140)

ОПТ

В этих формулах:

d g d

Ar ; Nu ;

c w d

Pr ; Re ;

   

М C

c , c

НАС

 





ОПТ

МАКС



КР

ОПТ

0,45

 

 

 

15 Ar 1000 0,8 1,3

129 575 263 945

d d

КР

ОПТ

0,16

 

 

 

 

   

 

НАС МАКС

  

С C

С C ОПТ

 

МАКС

ОПТ

- теплоемкость материала засыпки и газа, Дж/(кг∙К);

- плотность газа и насыпная плотность материала, кг/м3;

- коэффициент теплопроводности газа, Вт/(м∙К);

- коэффициент кинематической вязкости газа, м2/с;

- высота неподвижного слоя, м;

- средний эквивалентный диаметр частиц, м;

w - оптимальная скорость фильтрующегося газа (соответствующая

), рассчитанная по полному сечению аппарата, м/с;

- диаметр аппарата, м.

Для расчета максимального значения коэффициента теплоотдачи исполь-

зуются следующие формулы [3]:

- при ламинарном режиме движения слоя в пределах от

0,45

c d d

   

 

Nu 0,0087 Ar Pr

МАКС

 

0,42 0,33

   

 

формула (141) применима при следующих условиях:

0,16

до

w :

; (141)

   

D H

   

- при турбулентном режиме движения слоя в пределах от

0,1

c d d

   

 

Nu 0,019 Ar Pr

МАКС

 

0,5 0,33

   

 

формула (142) применима при следующих условиях:

;

до

w :

0,13

; (142)

4 5

2,6 10 Ar 8,5 10 0,8 1,2

d d

МАКС

   

     

D H

14 67 17 120

   

Если технологическим процессом не ограничена скорость газового пото-

ка, то рекомендуется принимать

0,8

Коэффициент теплоотдачи в ТОА с кипящим слоем получается более вы-

соким, чем в обычных газовых рекуперативных трубчатых теплообменниках. Его значение еще больше возрастает, если кипящий слой имеет высокую температуру. В этом случае следует учитывать лучистую составляющую теплообмена (см. п. 3.4.11), которая становится значимой только при температурах свыше 800 ℃.

Кроме ТОА высокая интенсивность теплообмена в кипящем слое с успе-

хом используется в сушильных установках [13].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Данное учебное пособие содержит сведения об устройстве, принципах

работы и методах расчета рекуперативных и регенеративных теплообменных аппаратов.

Последовательное изложение учебного материала должно способствовать

глубокому усвоению студентами дисциплины «Тепломассообменное оборудование предприятий» разделов «Рекуперативные теплообменные аппараты» и «Регенеративные теплообменные аппараты».

Пособие может быть использовано при изучении соответствующих раз-

делов дисциплины «Тепломассообменные аппараты низкотемпературных установок».

Пособие существенно восполнит имеющиеся пробелы в учебной литера-

туре по тепломассообменной аппаратуре. Пособие может быть использовано как при изучении лекционного материала, так и при курсовом и дипломном проектировании студентами направления подготовки «Теплоэнергетика и теплотехника» профиля «Промышленная теплоэнергетика» и направления подготовки «Ядерная энергетика и теплофизика» профиля «Техника и физика низких температур» всех форм обучения.

100

<<< < Предыдущая 1 2 3 4 5 6 7 8 910 / 1110 11 > Следующая >>>

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]