Содержание к диссертации
Введение
1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАД/Ж ИССЛЕДОВАНИЯ 13
1.1. Аэродинамика режимов движения двухкомпонентных систем и организация режима быстрого кипящего слоя мелкодисперсного материала 13
1.2. Обзор работ по теоретическому анализу теплообмена двухкомпонентных потоков с поверхностью канала 26
1.3. Обзор работ по экспериментальному исследованию теплообмена двухкомпонентных потоков со стенкой канала 38
1.4. Цели и задачи исследования 54
2. ИССЛЕДОВАНИЯ СТРУКТУРЫ И АЭРОДИНАМИКИ ШСТРОГО КИПЯЩЕГО
СЛОЯ МЕЖОДИСПЕРСНОГО МАТЕРИАЛА 56
2.1. Описание экспериментальной установки 56
2.2, Структура быстрого кипящего слоя и скорость начала режима быстрого псевдоожижения 62
2.3, Явление завала при пневмотранспорте мелкодисперсного материала 81
2.4. Агрегация мелкодисперсных частиц в быстром кипящем
слое 84
3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕПЛООБМЕНА БЫСТРОГО КИПЯЩЕГО СЛОЯ МЕЛКОДИСПЕРСНОГО МАТЕРИАЛА 88
3.1. Экспериментальное исследование теплообмена в быстром кипящем слое с помощью датчиков теплового потока 88
3.2. Экспериментальная установка для исследования теплообмена быстрого кипящего слоя с поверхностью трубы 90
3.3. Методика проведения исследований 92
4. ОБРАБОТКА ЭКСПЕШ/ШТАШЬНЫХ ДМШЫХ ПО ТЕПЛООБМЕНУ БЫСТРОГО КИПЯЩЕГО СЛОЯ С ПОВЕРХНОСТЬЮ ТРУБЫ 102
4.1. Определение коэффициентов уравнения регрессии 102
4.2. Статистическая обработка результатов эксперимента 103
4.3. Преобразование уравнений регрессии 106
4.4. Построение двумерных сечений исследуемых поверхностей отклика ПО
4.5. Анализ полученных результатов 112
5. ОБОНДЕНИЕ ЭКСПЕРШЕЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ ПО ТЕПЛООБМЕНУ БЫСТРОГО КИПЯЩЕГО СЛОЯ МЕЖОДИСПЕРСНОГО МАТЕРИАЛА С ПОВЕРХ НОСТЬЮ ТРУБЫ И ПРАКТИЧЕСКОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ 121
5.1. Обобщение опытных данных по теплообмену быстрого кипящего слоя с поверхностью трубы 121
5.2. Механизм теплообмена быстрого кипящего слоя с поверхностью трубы и анализ обобщающих зависимостей 123
5.3. Сравнение экспериментальных данных по теплообмену быстрого кипящего слоя с данными других авторов по теплообмену высококонцентрированных двухкомпонентных потоков и кипящих слоев 129
5.4. Практическое использование результатов работы 133
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ 143
ЛИТЕРАТУРА 146
ПРИЛОЖЕНИЯ 159
- Аэродинамика режимов движения двухкомпонентных систем и организация режима быстрого кипящего слоя мелкодисперсного материала
- Структура быстрого кипящего слоя и скорость начала режима быстрого псевдоожижения
- Экспериментальное исследование теплообмена в быстром кипящем слое с помощью датчиков теплового потока
- Определение коэффициентов уравнения регрессии
- Обобщение опытных данных по теплообмену быстрого кипящего слоя с поверхностью трубы
Введение к работе
В "Основных направлениях экономического и социального развития СССР на 1981 - 1985 годы и на период до 1990 года" Д/, принятых на ХХУТ съезде КПСС, сказано:"На основе использования достижений науки и техники: повышать в оптимальных пределах единичные мощности машин и оборудования при одновременном уменьшении их габаритов, металлоемкости, энергопотребления и снижении стоимости на единицу конечного полезного эффекта; развивать производство полупроводниковых, сверхпроводящих, новых полимерных и композиционных материалов и изделий из них; шире применять малооперационные, малоотходные и безотходные технологические процессы, разработать и внедрить эффективные методы комплексного использования и переработки твердых и тяжелых жидких топлив ... .
В химическом и нефтяном машиностроении обеспечить создание и выпуск высокопроизводительного оборудования, в том числе для принципиально новых технологических процессов в химической, нефтяной, газовой, нефтеперерабатывающей, нефтехимической промышленности ... .
В энергетическом машиностроении наращивать выпуск оборудования, позволяющего использовать вторичные энергоресурсы в металлургии и других отраслях промышленности."
Решению этих задач во многом способствует использование разнообразного технологического оборудования с дисперсным тепло- и массоносителем в виде проточной системы "газ - твердые частицы".
В теплоэнергетике, черной и цветной металлургии, в химической, нефтеперерабатывающей, строительной и других отраслях промышленности постоянно расширяется сфера применения дисперсных потоков.
Трудно представить современную нефтехимическую и нефтеперерабатывающую отрасли промышленности без применения молекулярных сит - цеолитов и цеолитосодержащих катализаторов, современную технологию производства полупроводникового кремния без реактора с мелкодисперсным кремнием, адсорбционные процессы во многих отраслях народного хозяйства без транспорта мелкодисперсных адсорбентов и т.д.
Использование проточных дисперсных теплоносителей в названных и других подобных случаях позволят интенсифицировать и повысить эффективность тепло- и массообменных процессов.
В настоящее время изучению структуры и процессов теплообмена двухкомпонентных потоков типа "газовзвесь" посвящено достаточно большое число работ, результаты которых обобщены в монографиях/2, 3/ Несмотря на большое число исследований в области двухкомпонентных потоков, проблема еще далека от полного своего решения - в основном, из-за трудностей теоретического исследования и моделирования неравновесных двухкомпонентных систем, а также из-за взаимосвязи гидродинамики и структуры таких потоков с режимами теплообмена. В настоящее время меньше всего изучен один из режимов движения двухкомпонентнои системы - быстрый кипящий слой.
Быстрый кипящий слой - это двухкомпонентная, восходящая, гетерогенная система (газ - твердые частицы), характеризующаяся достаточно высокой объемной концентрацией твердых частиц (0,05 Актуальность темы диссертационной работы определяется тем, что в режиме быстрого кипящего слоя возможно наиболее эффективное проведение непрерывных каталитических и гетерогенных химических процессов с максимальной интенсивностью теплообмена. Организационной структуре и аэродинамическим характеристикам быстрого кипящего слоя мелкодисперсного катализатора крекинга нефти посвящено несколько работ советских и зарубежных исследователей /4, 5/. Однако, до настоящего времени нет четкой границы существования режима быстрого псевдоожижения для других мелкодисперсных материалов. В настоящее время практически отсутствуют данные по теплообмену быстрого кипящего слоя с поверхностью канала, хотя такие исследования крайне необходимы для разработки аппаратов с быстрым (высокоскоростным, форсированным, циркулирующим) слоем мелкодисперсного материала. В соответствии с вышеизложенным, главной задачей настоящего исследования является: получение комплекса экспериментальных данных, необходимых для адекватного описания аэродинамики и теплообмена быстрого кипящего слоя мелкодисперсного материала с целью разработки методики расчета технологических установок на его основе. Основные материалы работы, которые выносятся на защиту: Результаты экспериментального исследования зависимости плотности быстрого кипящего слоя мелкодисперсного корунда, кварцевого песка и синтетического цеолита от скорости циркуляции дисперсного материала при различных скоростях несущего воздуха. Результаты экспериментального исследования изменения интенсивности и относительной эффективности теплообмена быстрого кипящего слоя по высоте трубы. Рачетные корреляции по интенсивности и относительной эф- фективности теплообмена быстрого кипящего слоя с поверхностью трубы. Работа выполнена в ордена Трудового Красного Знамени институте тепло- и массообмена АН БССР в соответствии с планом работ по бюджетной теме Jfc 8I009I56 "Энергия 09" (постановление Президиума АН БССР от 25,12.80 г.) и хоздоговорной теме № 395/82, J6 г.р. 0183.0006149 "Разработка реактора с дисперсным слоем для синтеза трихлорсилана методом гидрохлорирования кремния", а также на кафедре "Промышленная теплоэнергетика" Белорусского ордена Трудового Красного Знамени политехнического института в соответствии с планом госбюджетной работы (ГБ-8І-72), выполняемой по программе Государственного комитета по науке и технике СССР (проблема 01.01.II). Работа выполнялась также в соответствии с комплексной научно-исследовательской программой "Тепло" АН БССР, республиканской научно-технической проблемой 72.04.Р "Разработка и внедрение технологических и организационных мероприятий, обеспечивающих повышение эффективности использования топливно-энергетических ресурсов в народном хозяйстве республики" и КОІЛПЛЄКСНОИ программой'Министерства энергетики и электрофикации СССР по реконструкции действующих и созданию новых котлов с кипящим слоем. Материалы диссертационной работы были использованы: в Государственном проектном институте холода "Гипрохолод" (г. Москва) при проектировании адсорбционно-десорбционного блока углекислотной станции на твердых сорбентах в соответствии с программой договора о творческом содружестве ДНТС-І39-80; в СКВ с ОП ИШО АН БССР при разработке реактора для синтеза трихлорсилана (оіНС&3) в быстром кипящем слое мелкодисперсного кремния в соответствии с программой договора о творческом содружестве ДНТС-33-83; в учебном процессе Белорусского политехнического института. Результаты работы докладывались на Всесоюзной конференции "Тепломассообмен УП" (г. Шнек, 1984) и на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава НШ (1978 -1984). Основное содержание диссертации изложено в трех статьях. Диссертация содержит 108 страниц основного текста, 32 с. рисунков, библиографию из 124 наименовании, приложения - 37 с. Термин "быстрый кипящий слой" впервые был введен профессором Нью-Йоркского колледжа Дне. Ерушалми /6/. В отечественной литературе быстрый кипящий слой получил название высокоскоростного или форсированного режима псевдоожижения. По мнению авторов /6, 7/ режиму быстрого псевдоожижения подвержены частицы, относящиеся к группе А и частично В по классификации Гельдарта /8/ (рис. І.І). По мере увеличения скорости газа через слой дисперсного материала наблюдается несколько последовательно меняющихся режимов (рис. 1.2): плотный слой (I), однородное псевдоожижение (П), пузырьковое псевдоожижение (Ш), турбулентный слой (ІУ) и быстрый кипящий слой (У). Заштрихованная область (рис. 1.2) реализуется в установках без непрерывной загрузки дисперсного материала /9/. Переход от плотного слоя (I) к однородному псевдоожижению (П) наступает при определенной скорости, называемой критической 1 р. Под однородным понимают псевдоожиженныи слой с равномерным распределением частиц по высоте и резко очерченной верхней границей. Теоретически частицы в таком слое можно считать неподвижными, полагая, что среда фильтруется между нашли с постоянной по времени и координатам скоростью. class2 ИССЛЕДОВАНИЯ СТРУКТУРЫ И АЭРОДИНАМИКИ ШСТРОГО КИПЯЩЕГО СЛОЯ МЕЖОДИСПЕРСНОГО МАТЕРИАЛА class2 Для наблюдения за структурой быстрого кипящего слоя была сделана попытка использовать скоростную кинокамеру CKC-I, производящую фотографическую регистрацию на 16-миллиметровую пленку с частотой 4x10 кадров в секунду и скоростью перемотки пленки 30 м/с. Однако фокусное расстояние кинокамеры CKC-I было более I м и поэтому киносъемка не дала удовлетворительной картины режима быстрого псевдоожижения. В дальнейшем автор ограничился визуальным наблюдением за режимом быстрого псевдоожижения и его фотографированием на различных участках колонки быстрого кипящего слоя. Опыты проводились следующим образом. С помощью регулирующих вентилей на аэрационных подводах U-образной трубы по газовому счетчику устанавливалась определенная скорость воздуха в колонке быстрого кипящего слоя, а расход дисперсного материала изменялся с помощью регулирующей задвижки 4 (рис. 2.1). При небольших расходах дисперсного материала (для корунда 100 кг/лгс) частицы движутся вверх будучи суспензированными в газовом потоке (в режиме газовзвеси). Однако, в отличие от многих высказываемых мнений, мелкодисперсные частицы не поднимаются вверх непрерывно. Относительно плотные скопления частиц поднимаются вверх, окруженные более разреженной средой. При более высоких расходах твердого вещества (для корунда 100 М 200 кгДгс) разделение частиц становится более выраженным. Частицы попадают в длинные узкие струи, движущиеся вверх и окруженные более быстрой разреженной фазой. По мере увеличения расхода твердого вещества (для корунда М 200 кг/иг о) постепенно становится очевидным обратное перемешивание частиц, которое по мере увеличения расхода принимало обширный характер. Плотные струи и скопления поднимаются и разбиваются: одни постепенно, другие интенсивно в виде взрыва, то есть движение частиц происходит в режиме быстрого псевдоожижения. Для лучшего наблюдения за структурой быстрого кипящего слоя мелкодисперсный материал частично окрашивался в черный цвет. Реверсивное (обратное) движение частиц в средней части колонки быстрого кипящего слоя наблюдалось на глубину 0,3...0,4 м. Более интенсивное обратное перемешивание наблюдалось у более легкого дисперсного материала - цеолита. Визуальные наблюдения показали, что плотность быстрого кипящего слоя в нижней части колонки больше, чем в верхней. Фотографии изменения структуры быстрого кипящего слоя по высоте колонки представлены на рис. 2.3...2.7. В нижней части колонки быстрого кипящего слоя слой является более плотным (рис. 2.3, 2.4) и реверсивное движение частиц наблюдается на глубину 0,1...0,2 м. В верхней части слой более разрежен (рис. 2.6, 2.7), а реверсішное движение частиц наблюдается на большую глубину (0,3...0,4 м). На действующей экспериментальной установке быстрого кипящего слоя (рис. 2.1, 2.2) между отметками І-П, П-Ш, Ш-ІУ, ІУ-У были вмонтированы специально изготовленные датчики теплового потока двух типов. Первый тип датчиков был выполнен для исследования теплоотдачи при поперечном обтекании цилиндра быстрым кипящим слоем дисперсного материала. Датчик представлял собой фторопластовый цилиндр, на который была намотана обмотка нагревателя, выполненная из константановои проволоки диаметром 50 мкм, поверх нее была намотана обмотка термометра сопротивления, выполненная из медной проволоки диаметром 50 мкм, покрытой огнестойким лаком. Наружный диаметр датчиков был равен 7,2 мм, а рабочая длина 33 мм. Сопротивление обмотки нагревателя при температуре 20 С было равно примерно 100 ом, а сопротивление обмотки термометра при той же температуре - порядка 22 ом. Второй тип датчиков был выполнен так же в виде цилиндров и из тех же материалов, но для коаксиальной установки их в колонку быстрого кипящего слоя. Наружный диаметр датчиков был порядка 5,5 мм, а рабочая длина порядка 37 мм. Сопротивление нагревателя порядка 85 ом, а сопротивление обмотки термометра - 20 ом. Обмотки нагревателей датчиков подключались к индивидуальным стабилизированным источникам питания постоянного тока L5-49, позволяющим ступенчато регулировать напряжение через 100 мВ и ток через І мА. Обмотки термометров сопротивления через переключатель подключались к цифровому измерительному комплексу Р-385К, состоящему из вольтфарадоомметра Р-385, транскриптора Ф 5033 и управляемой пишущей машины ЗУМ-23 ДП. Цифропечатающее устройство обеспечивало печать результатов измерений в десятичной системе со скоростью 6...7 знаков в секунду. Класс точности вольтфарадо-омметра при измерении термо-ЭДС - 0,06/0,02, при измерении сопротивления - 0,1/0,04. Температура быстрого кипящего слоя измерялась с помощью хромель-копелевых термопар вторичныгл прибором, которым служил тот 7ice цифровой измерительный комплекс Р-385К. Все датчики и термопары предварительно тарировались в термостате U-I0 в интервале температур 25...95 С. Общий вид коаксиального датчика и измерительного комплекса виден на рис. 2.2. Температура поверхности датчиков поддерживалась в пределах 50...70 С. Температура быстрого кипящего слоя зависела от температуры несущей среды и находилась в пределах 15...25С. В качестве дисперсного материала использовался корунд с dT = 50 мкм. Проведенные наладочные испытания показали, что в нижней части колонки быстрого кипящего слоя коэффициент теплоотдачи значительно больше, чем в верхней, что объясняется значительно большей объемной концентрацией в нижней части колонки. Вместе с тем наладочные эксперименты показали, что коэффициент теплоотдачи в случае поперечного омывания датчика быстрым кипящим слоем больше, чем при продольном. При планировании эксперимента для описания геометрической поверхности отклика в исследованном пространстве в качестве математической модели процесса локального теплообмена быстрого кипящего слоя со стенкой трубы принято уравнение (3.2). Для описания его коэффициентов применен метод наименьших квадратов (НК) /87/. Вся обработка проводилась на ЭВМ, для чего были созданы необходимые программы (Приложение 4). Как отмечалось ранее, теплообмен в двухкомпонентных потоках имеет ряд спещфичеких особенностей, которые в значительной мере отличают его от теплообмена в однофазных потоках. Это подтверждается как в основных монографиях /102...109/, в которых обобщено большое количество экспериментальных работ, так и экспериментальными данными, полученными в настоящем исследовании. Для описания теплообмена быстрого кипящего слоя мелкодисперсного материала с поверхностью трубы за основу было принято критериальное уравнение (1.32). Большое число параметров, определяющих процесс, значительно усложняет использование уравнения (1.32). Поэтому число определяющих параметров, по возможности сводилось до минимума. Как отмечалось ранее, скорость несущего потока (воздуха) в быстром кипящем слое значительно превышает скорость витания одиночной частицы (рис. 2.23), поэтому число R. может быть исключено из числа определяющих параметров. Параметр отношения длины колонки быстрого кипящего слоя к внутреннему диаметру слоя в экспериментальных исследованиях был постоянным ( L /В = 71) и поэтому он также был исключен из определяющих величин.Аэродинамика режимов движения двухкомпонентных систем и организация режима быстрого кипящего слоя мелкодисперсного материала
Структура быстрого кипящего слоя и скорость начала режима быстрого псевдоожижения
Экспериментальное исследование теплообмена в быстром кипящем слое с помощью датчиков теплового потока
Определение коэффициентов уравнения регрессии
Обобщение опытных данных по теплообмену быстрого кипящего слоя с поверхностью трубы
Похожие диссертации на Аэродинамика быстрого кипящего слоя мелкодисперсного материала и его теплообмен с поверхностью трубы
