Содержание к диссертации
Введение
1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА О ПСЕВДООЖИЖЕНИИ В ПОЛЕ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ СИЛ 12
1.1. Вращающийся псевдоожиженный слой: получение и устойчивость - 12
1.2. Теплообмен в центробежном псевдоожиженном слое 18
1.3. Массообмен в центробежном слое 26
1.3.1. Массообмен в недеформируемых дисперсных средах 26
1.3.2. Процессы переноса в центробежных псевдоожиженных слоях 29
1.4. Аппараты с центробежным псевдоожиженным слоем 34
1.5. Выводы и задачи исследования 38
2. ГИДРОДИНАМИКА ЦЕНТРОБЕЖНОГО ПСЕВДООЖИЖЕННОГО СЛОЯ 41
2.1. Описание экспериментальной установки и методика эксперимента 41
2.2. Перепад давления через центробежный слой материала 44
2.3. Скорости начала и полного псевдоожижения в поле центробежных сил 56
2.4. Унос материала из центробежного аппарата 64
3. МАССООБМЕН В ЦЕНТРОБЕЖНОМ ПСЕВДООЖИЖЕННОМ СЛОЕ 75
3.1. Методика измерения влажности ожидающего газа 75
3.1.1. Методы измерения влажности газов 75
3.1.2. Математическая модель мокрого термометра психрометрического датчика 78
3.1.3. Экспериментальная установка для измерения влажности газа 90
3.2. Схема установки для экспериментального исследования массообмена 97
3.3. Механический унос жидкости из центробежного слоя дисперсной засыпки 103
3.4. Массообмен между частицами и фильтрующим газом 108
4. ТЕПЛООБМЕН МЕЖДУ ЦЕНТРОБЕЖНЫМ ПСЕВДООЖИЖЕННЫМ СЛОЕМ И ПОВЕРХНОСТЬЮ 117
4.1. Методика исследования теплообмена 117
4.2. Влияние центробежного поля на коэффициент теплообмена слоя с поверхностью 123
4.3. Оптимальная скорость фильтрации ожижающего газа 127
4.4. Анализ обобщенных опытных данных 132
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 137
ЛИТЕРАТУРА 140
ПРИЛОЖЕНИЯ 152
- Вращающийся псевдоожиженный слой: получение и устойчивость
- Описание экспериментальной установки и методика эксперимента
- Методика измерения влажности ожидающего газа
- Методика исследования теплообмена
Введение к работе
К настоящему времени техника псевдоожижения получила весьма широкое распространение в различных отраслях промышленности (нефтяной, химической, пищевой, ядерной и т.д.) [i] . Это обусловлено, в первую очередь, возможностями организации в аппаратах с псевдо-ожиженными слоями различных технологических процессов, которые в обычных условиях протекают с низкой эффективностью, либо вообще неосуществимы: сжигание высокозольных низкосортных топлив, безокислительный нагрев металлов и др.
Однако, требуемые во многих случаях широкие диапазоны изменения производительности аппаратов с псевдоожиженными слоями ограничены пределами скоростей фильтрации ожижающих агентов, уносом материала из слоя, малоэффективной теплоотдачей.
Организация процесса псевдоожижения в поле центробежных сил позволяет расширить пределы скоростей фильтрации ожижающего агента, снизить величину уноса материала из слоя, интенсифицировать процессы тепло- и массообмена между твердой и ожижающей фазами. Кроме того, аппараты с центробежными псевдоожиженными слоями позволяют объединить в один высокоэффективный процесс измельчения и термообработку разных материалов.
Известные к настоящему времени работы по псевдоожижению в поле центробежных сил носят весьма ограниченный характер. Систематическое изучение гидродинамики центробежного слоя проведено лишь для отдельных видов ожижаемых материалов в узких диапазонах скоростей фильтрации и гранулометрического состава.
Процессы тепло- и массообмена в центробежных псевдоожиженных системах исследованы еще в меньшей степени. Имеются лишь отдельные работы, посвященные сушке зернистых материалов во вращающихся аппаратах.
Разработка технологических процессов и конструирование аппа- ратов с вращающимися псевдоожиженными слоями требует точного определения влияния различных факторов, таких как скорость фильтрации ожижающего агента, интенсивность центробежного поля, гранулометрический состав ожижаемого материала, унос материала из слоя, коэффициенты межфазного и внешнего теплообмена.
Все это вызывает необходимость в проведении комплексных исследований для установления как гидродинамических особенностей центробежного псевдоожижения, так и особенностей протекания процессов теплообмена и массообмена.
Целью данной работы является изучение гидродинамики и тепломассообмена центробежного псевдоожиженного слоя материалов широкого гранулометрического состава при вариации интенсивности поля центробежных сил, исследование процессов уноса и устойчивости центробежного псевдоожиженного слоя.
В результате проведенного в данной работе экспериментального исследования гидродинамики центробежного слоя установлена зависимость характера перехода слоя в псевдоожиженгое состояние от ориентации оси вращения и величины центробежного ускорения, а также от гранулометрического состава, определены пределы устойчивости слоя.
Исследование массопереноса в слое показало значительную интенсификацию процесса как за счет механического удаления жидкости, так и за счет роста коэффициентов межфазного массообмена.
В настоящей работе автор защищает физическую модель и экспериментальные данные, подтверждающие ее по характеру перехода в псевдоожиженное состояние зернистого слоя в аппаратах с вертикальным расположением оси вращения, методику измерения влажности ожижающего газа и экспериментальную проверку этой методики, обобщающие корреляции и экспериментальные данные по теплообмену слоя с поверхностью, по массообмену между частицами и газом, данные по устойчивости центробежного ожиженного состояния и уносу материала из слоя.
Работа выполнена в рамках темы № 8I009I56, Энергия 09, "Исследование тепломассопереноса и гидродинамики в псевдоожиженном слое при атмосферном и повышенных давлениях применительно к сжиганию и другим технологическим процессам переработки твердого топлива" .
Основные результаты работы докладывались и получили одобрение на конференции молодых ученых Института тепло- и массообмена им. А.В.Лыкова АН БССР (Минск, 1983), на Всесоюзной конференции "Тепломассообмен УІІ" (Минск, 1984), на 2-х конференциях профессорско-преподавательского состава Белорусского политехнического института (Минск, 1983, 1984).
Основное содержание диссертационной работы отражено в статьях [52, 66, 67, 74, 93].
Диссертация содержит 162 страницы машинописного текста, в том числе 40 таблиц и рисунков.
Вращающийся псевдоожиженный слой: получение и устойчивость
Вращающиеся слои зернистых материалов, подвергаемых различной технологической обработке (вращающиеся печи для получения цемента, вращающиеся сушилки и др) получили широкое распространение в промышленности благодаря интенсификации проводимых процессов за счет чисто механического перемешивания материала.
Синтез вращающегося слоя с псевдоожиженным привел к созданию центробежных псевдоожиженных систем, которые стали проникать в химическую технологию [i] , в энергетику: сжигание угля во вращающихся топках [2] , в ядерную энергетику [з] как вариант псевдоожижения ядерного топлива в ракетных двигателях .
Открывающиеся в результате такого синтеза возможности требуют детального исследования, разработки рекомендаций, необходимых для успешного и широкого их использования.
Описание экспериментальной установки и методика эксперимента
Для исследования гидродинамики центробежного псевдоожиженного слоя с вертикальным расположением оси вращения была изготовлена специальная экспериментальная установка, схема которой изображена на рис. 2.1. На полом валу I закреплен металлический барабан 2 с внутренним диаметром 220 мм, высотой 55 мм и перфорированной решеткой 3 по боковой поверхности. Вращение барабану передается от электродвигателя постоянного тока 4 с помощью ременной передачи 5. Регулировка оборотов двигателя осуществляется магнитным усилителем.
. Для псевдоожижения сыпучего материала 7 сжатый воздух от компрессорной станции через редуктор давления подается на измерительную шайбу 8 и дифференциальный манометр 9 в неподвижный барабан 10. Крышки неподвижного 10 и вращающегося 2 барабанов изготовлены из органического стекла, что обеспечивает возможность визуальных наблюдений. Сжатый воздух из неподвижного барабана через перфорированную газораспределительную решетку и слой частиц проходит в трубу II и далее через циклон 12 в атмосферу. Газораспределительная решетка во избежание просыпания сыпучего материала в неподвижный барабан во время пуска покрыта с двух сторон мелкой металлической сеткой.
Методика измерения влажности ожидающего газа
В настоящее время не существует универсального метода измерения влажности газов в широком диапазоне ее изменения и с достаточной степенью точности. Широкое применение для измерения влажности малых объемов газа, исследования полей влажности и измерения ее в труднодоступных местах получили гигромет-рические электрометрические датчики, принцип действия которых основан на гигрометрическом равновесии чувствительного элемента датчика с исследуемым газом. Основным недостатком многих э.г.д. является недостаточная устойчивость во времени их характеристик, т.е. старение датчиков в проце.ссе эксплуатации или хранения.
Сорбционные э.г.д. по сравнению с электролитическими гиг-роме трическими датчиками имеют малую инерцию, однако их показания наиболее чувствительны ко всякого рода загрязнениям поверхности и наличию в воздухе паров полярных жидкостей.
Кулонометрические датчики, принцип действия которых основан на непрерывном поглощении влаги пленкой гигроскопического вещества и одновременном электролитическим разложении поглощенной влаги, используется лишь для измерения малых влагосо-держаний. Верхний предел измеряемой влажности у этих датчиков ограничен влажностью, при которой происходит пробой влагочув-ствительной пленки. При работе кулонометрических датчиков в диапазоне низких влагосодержаний кроме тока электролиза воды, являющегося полезным сигналом, возникает фоновый ток JA неионной проводимости сорбента и внутренней поверхности чувствительного элемента и влаги , проникшей в чувствительный элемент из внешней среды. Возникает также шумовым ток, вызванный соединением водорода и кислорода с образованием "вторичной" воды.
Основной причиной выхода из строя таких датчиков является образование между электродами "мостиков" из платиновой черни, замыкающих электроды накоротко и загрязняющих канал. Образованию "мостиков" платиновой черни в значительной мере способствует работа датчика при повышенных влагосодержаниях. Длительная работа в таких условиях, а так же кратковременные перегрузки по влажности, существенно сокращают срок службы датчиков. Нормальная работа кулонометрического датчика возможна лишь в газовых смесях,которые не содержат компонентов, вступающих в реакцию с веществом сорбента или агрессивных по отношению к материалам деталей датчика, соприкасающихся с газом.
В гигрометрах точки росы, где влажность определяется путем конденсации на поверхности охлаждаемого твердого тела-зеркальца, пределы измерения достаточно большие, эти датчики имеют удовлетворительную точность и могут быть градуированы по температуре. Однако, недостатками гигрометров точки росы являются сложность конструкции ( наличие охлаждаемого устройства), уменьшение точности измерения с увеличением относительной влажности, зависимость результата измерения от характераи состояния поверхности зеркальца, от ее загрязнения, от фиксации момента возникновения конденсата на поверхности зеркальца.
Гигрометры с подогревными датчиками, принцип действия которых основан на зависимости максимальной упругости водяного пара над поверхностью насыщенного раствора гигроскопической соли от температуры, характеризуется тем, что равновесие достигается нагревом датчика, который осуществляется легче и проще, чем охлаждение зеркальца в гигрометрах точки росы. Защитное покрытие металлического кожуха таких датчиков увеличивает их инерцию, кроме того, ввиду агрессивности солевого раствора возможен выход из строя термометра сопротивления, обусловленный коррозией кожуха при образовании трещин в защитной лаковой пленке. При включении подогревного электрического датчика после длительного перерыва в работе или после пребывания его в среде с высокой влажностью, ток через электроды может возрасти в 10 раз и более по сравнению с нормальным током. Ввиду перечисленных факторов и сложности конструкции эти датчики нашли весьма ограниченное применение [75].
Как видно из вышеприведенного анализа, гигрометры точки росы, гигрометры с подогревными датчиками и гигрометры с электролитическими датчиками при их использовании требуют предварительной очистки исследуемых газов от пыли и агрессивных примесей. Так как в уходящих из кипящего слоя газах всегда содержится пыль как результат истирания твердых частиц, то применение этих датчиков для изучения процессов массообмена в нашем случае практически не представляется возможным.
Для определения коэффициентов массообмена в псевдоожижен-ном слое нами отдано предпочтение психрометрическому методу измерения относительной влажности. Этот метод основан на зависимости психрометрической разности температур от относительной влажности воздуха [76). Он характеризуется простотой вспомогательного прибора, измеряющего непосредственно психрометрическую разность температур, и большой надежностью при работе с газами, выходящими их псевдоожиженного слоя.
Методика исследования теплообмена
Для исследования внешнего теплообмена в центробежном псевдоожиженном слое автором настоящей работы принята методика, разработанная в [9lJ . Экспериментальные, исследования проводились на вышеописанной установке. В качестве датчика для исследования теплообмена использовался деревянный цилиндр диаметром 8 мм и высотой 55 мм с плотно намотанной (виток к витку) в один слой медной проволокой диаметром 0,07 мм. Датчик для измерения температуры слоя представлял собой стержень с отверстием по оси, в которое вставлялся медный провод диаметром I мм с намотанным в несколько слоев медным проводом диаметром 0,07 мм. Оба датчика закреплялись во вращающемся барабане на расстоянии 10 мм от газораспределительной решетки и 160 мм друг от друга. Подключение датчиков к мостовой схеме и измерительному прибору осуществлялось через коллекторные кольца и графитовые щетки. Электрическая схема установки приведена на рис. 4.1. Принцип работы схемы заключался в следующем. Протекающий через датчик ток вызывает его нагрев, при этом балланс моста наступает при нагреве поверхности датчика до температуры, заведомо известной из тарировки. После этого измеряется выделяемая мощность и температура дисперсного слоя. Обороты вращения барабана с дисперсным слоем изменялись от 400 700 об/мин. Характеристики использованных в опытах дисперсных материалаов приведены в таблице 4.1.
