Введение к работе
Актуальность и цель работыт Виброкипящий слой наряду.с гра-зитационным и псевдоожююнным слояия относятся х подвижным высоко-шнцентрированным дисперсным системам. Подвижность дисперсной среда в нем достигается путем вибрационного воздействия специальных юбудителей, размещенных в слое, или от колеблющегося дна аппара-га. Последний способ создания виброкипящего слоя получил наиболь-пее распространение.
Изучению различных свойств и технологических воэглжностей виброкипящего слоя, образованного на вибрирующей поверхности, по-звящено множество работ. В них подробно рассмотрены условия образования виброкипящего слоя, рехииы его движения, гидродинамика и теплообмен в свободном виброкипяоем слое, а такхе с размещенным в слое телом небольших размеров. Показана перспективность применения виброкипящего слоя при проведении целого ряда процессов (сушка, термическая обработка, восстановление, грануляция сыпучих материалов и др.) и в качестве эффективного промежуточного теплоносителя. Приведены конкретные разработки аппаратурного оформления для реализации этих, процессов.
Шесте с тем с целью дополнительной интенсификации, процессов или при их протекании в условиях высоких тепловых нагрузок, когда количество тепла, передаваемого через боковые стенки и дно аппарата, оказывается недостаточным, а такхе для снижения перепадов температуры на границе слой - стенка и в самом слое, в инженерной практике пироко применяются развитые поверхности теплообмена в виде пучков вертикальных или горизонтальных труб. При использовании их в гравитационном или псевдоожихенном слоях последние называют заторможенными. Этот же термин целесообразно применять и для виброкипящего слоя с насадкой.
В заторгюхенном вибр9кипящем слоесуиественно изменяется гидродинамическая обстановка э целом, и хроме того,.вблизи-погруженных элементов поверхности создаются области с особша свойствами, что отражается и на процессах переноса тепла, которые традиционно разделят? на внезнгй теплообмен, иегфазннйтеплообгген я зффехтпв-ную теплопроводность. Дтя непродуваемого ВПбрОЕЕЛЯ5ЄГО слоя ues-фазнкй теплообмен входит составной частьп в остальные процессы. Поэтому основное вникание было уделено изучении вяепяего теплообмена в эффективной теплопроводности в заториожевноа внброхипякеа. слое, сведения о которых в такой системе прахтичеспа отсутствуют.
Выполнение диссертационной работы было связано с планом основных научных направлений института в рамках Координационного плана АН СССР по проблеме I.9.I. "Теплофизика к теплоэнергетика", раздел 1.9.1.2.5(5) "Исследование гидродинамики и теплообмена в псевдоокиженном слое" и программы Минвуза РСФСР "Человек и окружающая среда", раздел "Исследование способов управления процессами тепло- и массообмена в дисперсных системах путем изменения гидродинамических режимов", гос. per. 01840005222.
Задачи исследования включают изучение гидродинамики, локального и среднего теплообмена и эффективной теплопроводности (температуропроводности) в виброкипящем слое с насадкой из вертикальных и горизонтальных пучков труб, особенностей гидродинамики и внешне- . го теплообмена в заторможенном виброкипящем слое тонкодисперсного термолабильного материала, влияния влажности на начало виброожиже-ния, локальные и средние коэффициенты теплоотдачи в заторможенном виброкипящем слое, особенностей поведения и теплообмена токкодис-персы»~ материалов на крутонакдонной вертикально вибрирующей поверхности, пульсаций скорости газовых потоков, возникающих з виброкипящем слое, и коэффициентов теплоотдачи в различных по высоте точках вертикальной пластины.
Кроме того, на примере более простой системы (свободного виброкипящего слоя) рассмотрено влияние на гидродинамику и теплообмен таких нетрадиционных факторов, как пероховатость поверхности, давление газовой среда и отсутствие строгой фиксации тела в виброкипящем слое (свободно плавающее тело).
Характер работы. В диссертации представлены экспериментальные и теоретические данные, совокупность которых является существенным вкладом в теорию и практику виброкипящего слоя, необходимым пря разработке новых прогрессивных технологий, связанных с высокими тепловыми нагрузками.
Научная новизна. Работа развивает самостоятельное научное направление - гидродинамические основы и теплоперенос в заторможенном виброкипящем слое..
С помощью экспериментальных методов тензометрии, рентгенографии и скоростной киносъешк-иэучены гидродинамические закономерности,' формирующие условия теплообмена между виброкйгодам сдоем В поверхностью вертикальных или. горизонтальных труб я пучкові
Получены данные по локальному теплообмену, которые свидетельствуют о существенной неравномерности, распределения коэффв-
циентов теплоотдачи как по высоте для вертикальных труб, так и по периметру для горизонтальных. Для горизонтальных пучков установлено влияние типа пучка и номера ряда на распределение коэффициентов теплоотдачи. Проведены анализ и обобщение опытных данных по средним коэффициентам теплоотдачи для пучков из вертикальных и горизонтальных труб.
Экспериментально изучены условия начала виброожижения влажного слоя пористых и непористых материалов. Обнаружено три участка изменения влажности, на которых последняя по-разному влияет на начало виброожижения. Получены данные по локальному теплообмену для вертикальных и горизонтальных труб и пучков в увлажненном виброкипящем слое. Установлен немонотонный характер изменения средних коэффициентов теплоотдачи с повышением влажности засыпки.
Проведен анализ применимости диффузионной модели к процессам внутреннего теплопереноса в свободном и заторможенном виброкипящем слое. Изучено влияние параметров вибрации, геометрических характеристик слоя и насадки на эффективную теплопроводность (температуропроводность) в виброкипящем слое в горизонтальном направлении.
Обнаружены и изучены различные состояния тонкодисперсных материалов, подшиавдихся по наклонной вертикально вибрирупцей поверхности. При наличии преграда поступательное движение материала прекращается, однако он удерживается на вибрирующей поверхности, находясь в динамически активном состоянии.
Разработана методика исследования теплообмена крутонаклонной вертикально вибрирупцей поверхности при наличии на ней тонкодисперсного материала. Установлено, что с ростом параметров вибрации, угла наклона лотка к горизонту я диаметра частиц коэффициент теплоотдачи увеличивается. .
Получены данные по. пульсациям скорости газовых потоков, возни-кащих в виброслое, и коэффициентов теплоотдачи от различных по высоте участков вертикальной пластины.
Выявлены основные характерные режимы плавания одиночных тел простой формы при свободной загрузке их в виброкяпящий слой и определены границы существования этих режимов. Методом- регулярного теплового режима подробно изучен теплообмен тел, свободно плаващих в виброкипящем слое. Показано, что нанесение искусственной шероховатости на поверхности вертикальной пластины или горизонтатаной трубы призодит к увеличению теплоотдачи при условии, когда размер частиц меньше шага шероховатости.
Обнаружено изменение состояния вибронипящего слоя при пониже-
ний давления газовой среда. Определены границы этих состояний. Проведены систематические исследования теплообмена в вакуумированнои виброкипящем слое. Установлено, что для среднезсрнистых материалов наблюдается монотонное уменьшение коэффициентов теплоотдачи с понижением давления, а для мелкозернистых коэффициент теплоотдачи при своем изменении проходит через максимум, лежащий в области давлений ниже атмосферного.
На примере поведения виброкипяиего слоя в сообщающихся сосудах обсуадены дополнительные аспекты аналогии с капельными жидкостями*
Результаты исследования внешнего теплообмена вертикальных и горизонтальных труб и пучков, крутонаклонной вертикально вибрирующей поверхности при наличии на ней тонкодисперсного материала, свободно плавающих тел и в вакуумированном виброкипящем слое обобщены эмпирическими уравнениями.
Практическая значимость. В научном отношении полученные результаты формируют физические представления о гидродинамике и процессах переноса тепла в заторможенном виброкипящем слое с учетом особенностей этих процессов в тонкодисперсных термолабильных и увлажненных материалах. Кроме того, раскрывают физическую сущность процессов теплообмена тел, свободно плавающих в виброкипящем слое, имеющих искусственную шероховатость или находящихся в вакуумирован ном слое.
В прикладном отношении полученный комплекс результатов создает научные основы для рационального конструирования виброаппаратов с кондуктивным подводом тепла при проведении теплонапряженных технологических процессов, указывает пути интенсификации теплообмена в заторможенном виброкипящем слое, в том числе,' имеющем начальную влажность, при осуществлении гетерогенных процессов на крутонаклон ной вибрирующей поверхности, при давлениях ниже атмосферного, а также при термообработке металлических и других изделий при их свс бодной загрузке в слой.
Критериальные и эмпирические уравнения могут быть положены в основу тепловых расчетов аппаратов с виброкипящкм слоем различного назначения.
Полученные результаты использованы:
-Свердловским научно-исследовательским институтом химической машиностроения при разработке виброаппаратов для термообработки термочувствительных материалов с кондуктивным подводом тепла, а
также при разработке новой методики расчета удерживавдей способности наклонных вертикально вибрирущих поверхностей;
- Всесоюзным научно-исследовательским институтом ЗНЕИЩВЕЖЕТ (г. Свердловск) при разработке новой методики расчета трубчатой вибросушилкп шахтного типа с вибрирувдей насадкой из горизонтальных труб;
-Всесоюзным научно-исследовательским институтом неорганических материалов при разработке вертикального вибротранспортера-окислителя шнекового типа для отработавшего топлива АЭС и аппарата для окислительной обработки топлива реакторов типа ВВЭР на конических вертикально вибрирущих насадках.
Конкретные результаты защищены треля авторскими свидетельсва-ми.
Автор защищает;
-
Результаты экспериментального исследования локальных и средних коэффициентов теплоотдачи для одиночных вертикальных и горизонтальных труб и пуїков из них, размещенных в виброкипящем слое.
-
Результаты анализа перемещения экстремальных и нулевых значений перепадов давления и аналитического определения момента отрыва материала от вибрирущего дна с учетом расширения засыпки и распределения давления газа по высоте слоя.
3.Результаты экспериментального исследования обтекания .одиночной горизонтальной трубы и пучков труб виброкиш^им слоем, а также модельные представления о механизме образования разрешенной зоны в слое среднезернистого материала.
-
Результаты экспериментального исследования условий начала виброониженпя увлажненного слоя пористых и непористых частиц, локальных и средних коэффициентов теплоотдачи одиночных труб и пучков в увлажненном виброкипящем слое.
-
Результаты экспериментального исследования эффективной теплопроводности в вакуумированном виброкипящем слое, а также эффективных коэффициентов температуропроводности и диффузии в свободном и заторможенном протяженном виброкипящем слое. Теоретический анализ влияния мелкомасштабных движений частиц на внутренний теплопе-ренос в виброслое с насадкой.
-
Результаты экспериментального исследования поведенім токко-дпеперсных материалов на наклонной вертикально вибрирующей поверхности, удерживающей способности конических поверхностей и теплообмена крутонаклонной вертикально вибрирующей поверхности при наличии на вей тонкодисперсного материала.
-
Результаты экспериментального исследования пульсаций скорости газовых потоков, возникающих в виброкипящем слое, и коэффициентов теплоотдачи от различных участков вертикачьной пластины, влияния шероховатости поверхности и давления газовой среды на теплообмен.
-
Результаты экспериментального исследования состояний вибро-кипящего слоя при давлении ниже атмосферного, режимов плавания и теплообмена тел при свободной загрузке их в виброкипящий слой.
Апробация. Содержание отдельных разделов диссертации и основные результаты были представлены и докладывались на: 4, 5 и 8 7п-игпаЛлоплС Congress of Cfxcmiccct ЬпоСпЁвъСпд., ChtmCccuC lauifimcnt odescgn and, (Прага, ЧССР соответственно в 1972, 1975 и 1984 г.); I и II OQoCnopoes&c sumpo2ConnTezmoctyna,rnCku, conzstuty jeuiota.lnty (Чен-стохов, ПНР соответственно в 1973 и 1979 г.); РёиссСсяесС comuustcon conference. (Лондон, 13?Sr.)\ ZncL WozCcL Cpnfzess of ChtrnCcat бпдопеегСпр (Монреаль, Канада, 1881 г.); Пьрва националнв научно-техническа кофе-рендия с международно участие "Приложение на псевдокипящия слой и фпуидизираните системи в хранително-вкусовата и биотехнологичната лромишленост" (Пловдив, Болгария, 1989 г.); 6-ой, 7-ой, 8-ой и 9-ой республиканских межвузовских конференциях по вопросам испарения, горения и газовой динамики дисперсных систем (Одесса соответственно в 1966, 1967, 1968 и 1969 г.); Донецкой конференции по высокотемпературным эндотермическим процессам в кппяием слое ( Донецк, 1966 г.); Всесоюзной конференции по повышению производительности и экономичности нагревательных печей (Днепропетровск, 1967г.); III, ІУ, У, УІ и УІІ Всесоюзных конференциях по тепломассообмену, Международных форумах. Тепломассообмен-ШЮ, ЬйК^-92 (Ійшск соответственно в 1968, 1972, 1976, 1980, 1984, 1988 и 1992 г.); Всесоюзном научно-техническом совещании по исследованию процессов тепло-и массообмена в кипящем слое (Иваново, 1969 г.); Всесоюзном научно-техническом совещании "Основные направления в создании высокоэффективных сушилок со взвешенным слоем материала для многотоннажных производств и ускорение их внедрения в промышленность" (Москва, 1971 г.); III республиканской конференции "Повышение эффективности и совершенствование процессов и аппаратов химических производств" (Львов, 1973 г.); III и ІУ Всесоюзных конференциях "Механика сыпучих материалов" (Одесса соответственно в 1975 и 1980 г.);
Всесоюзном научно-техническом совещании "Основные направления научно-исследовательских работ по аппаратурному оформлению электротермических и высокотемпературных процессов химических производств в девятой пятилетке", Термия-75 (Ленинград, 1975 г.); Международной школе-семинаре "Процессы переноса в неподвижных и псевдоожиженных зернистых слоях" (Минск, 1976 г.); Всесоюзной научно-технической конференции "Теплообмен и моделирование в энергетических установках" (Тула, 1979 г.); Всесоюзной научно-технической конференции "Дальнейшее совершенствование теории, техники и технологии сушки" (Чернигов, 1981 г.); Республиканской научной конференции "Сушка и грануляция продуктов микробиологического и тонкого химического синтеза" (Тамбов, 1981 г.); Республиканском семинаре "Вибрационные процессы в народном хозяйстве" (Киев, 1979 г.); Втором Всесоюзном научно-техническом совещании "Создание и внедрение современных аппаратов с активными гидродинамическими режимами для текстильной промышленности и производства химических волокон" (Москва, IS8I г.); Всесоюзной научно-технической конференции "Совершенствование тепло-технологии металлургических процессов и агрегатов" (Свердловск, 1983 г.); Всесоюзной научной конференции "Проблемы энергетики теп-лотехнологии" (Москва, 1983 г.); II и III Всесоюзных научно-технических конференциях "Повышение эффективности тешгомассообменных и гидродинамических процессов в текстильной промышленности и произ-.водстве химических волокон" и "Создание и внедрение современных аппаратов с активными гидродинамическими режимами для текстильной промышленности и производства химических волокон"(Москва соответственно в 1985 и 1989 г.); Всесоюзной научно-технической конференции "Научные проблемы современного машиностроения и их рещения"(Ленин-град, 1987 г.); Всесоюзной конференции по состоянию и перспективам развития техники псевдоожижения (Ленинград-Поддубская, 1988 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 82 работы (основные из них приведены ниже), в том числе 26 статей в центральной печати, получено 3 авторских свидетельства на изобретение.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, 6 глав, заключения, списка литературы и приложения, содержит 313 страниц основного текста, в том числе 61 страницу рисунков и 28 страниц литературных ссылок из 240 наименований, 71 страницу приложений.