Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ литературных данных и постановка задач исследования 12
1.1. Газораспределительные устройства и их влияние на процесс псевдоожижения 12
1.2. Структурно-гидродинамические условия перехода неподвижного зернистого слоя в псевдоожиженное состояние у поверхности тела.. 16
1.3. Обтекание цилиндра вертикально погруженного в псевдоожи-женную среду 18
1.4. Порозность и скорость газа в пристенном слое 20
1.5. Внешний теплообмен в псевдоожиженном слое 22
1.6. Способы интенсификации процесса внешнего теплообмена 25
1.7. Основные выводы и задачи исследования 28
2. Экспериментальное определение сопротивления газораспределительных решеток с точки зрения эффективности процесса внешнего теплообмена и оптимальных энергетических затратах на создание псевдоожиженного слоя 31
2.1. Экспериментальная установка 31
2.2. Результаты исследования 35
3. Исследование соотношения размеров аппарата (его сечения) и помещаемого в него тела при сохра нении высокой интенсивности внешнего теплооб мена и оптимальных энергетических затратах 57
3.1. Экспериментальная установка 57
3.2. Результаты экспериментов по исследованию влияния размеров аппарата и погружаемого тела на внешний теплообмен в псевдоожиженном слое и энергетические затраты на его создание 58
4. Квазикапиллярные эффекты в псевдоожиженных средах 73
4.1. Предпосылки к задаче о возможности подъема и перемещении дисперсных потоков, используя полые цилиндрические трубки 73
4.2. Экспериментальная установка для исследования явления квазикапиллярности и методика определения высоты подъема 76
4.3. Построение модели подъема дисперсной среды в вертикальной трубке 80
4.4. Влияние числа псевдоожижения и формы частиц на высоту подъема дисперсного материала 83
4.5. Влияние глубины погружения трубки в псевдоожиженный слой и высоты насыпного слоя на высоту подъема дисперсного материала 89
4.6. Влияние относительного внутреннего диаметра трубки на высоту подъема дисперсного материала 91
4.7. Влияние толщины стенки трубки на высоту подъема дисперсного материала 94
4.8. Математическая модель эффекта квазикапиллярности 97
4.9. Обобщение экспериментальных результатов 102
5. Интенсификация процесса внешнего теплообмена путем направления на поверхность тела гетерогенных струй и энергетические затраты на осуществление процесса 108
5.1. Экспериментальная установка и методика исследования 108
5.2. Результаты исследования теплообмена между гетерогенными струями и поверхностью 111
5.3. Влияние гетерогенных струй на интенсивность внешнего теплообмена для тел, частично погруженных в псевдоожиженный слой 119
5.4. Влияние гетерогенных струй на интенсивность внешнего теплообмена для тел, плавающих в псевдоожиженном слое 122
Основные выводы 129
Литература
- Структурно-гидродинамические условия перехода неподвижного зернистого слоя в псевдоожиженное состояние у поверхности тела..
- Результаты экспериментов по исследованию влияния размеров аппарата и погружаемого тела на внешний теплообмен в псевдоожиженном слое и энергетические затраты на его создание
- Экспериментальная установка для исследования явления квазикапиллярности и методика определения высоты подъема
- Результаты исследования теплообмена между гетерогенными струями и поверхностью
Введение к работе
В настоящее время псевдоожиженные системы широко используются в качестве эффективного промежуточного теплоносителя, применяются во многих отраслях промышленности. Например [1], при осуществлении теплонапряжен-ных процессов, связанных с нагревом или охлаждением металлических изделий, сушки и гранулирования, в адсорбционно-десорбционных процессах, химической и термической обработки разнообразных сыпучих материалов, в процессах каталитического крекинга нефти, низкотемпературного сжигания твердых топлив в топках котлоагрегатов, а также в теплообменных аппаратах различного назначения.
Распространение техники псевдоожижения обусловлено рядом ее несомненных достоинств, к которым можно отнести высокую интенсивность процессов внешнего и внутреннего тепломассообмена, практически полное выравнивание температур по всему объему больших аппаратов, возможность ожижения слоев мелкозернистых материалов и другие.
Широкие перспективы применения псевдоожиженного слоя также связаны с возможностью управления его свойствами, что может быть достигнуто достаточно простыми средствами: изменением скорости фильтрации, выбором псев-доожижающего агента, фракционного состава и удельного веса материала, формы частиц, силового поля, действующего на систему. Таким образом, удается создавать дисперсные среды с заранее заданными свойствами [2-5].
Широкомасштабные исследования, проведенные в прошлом веке, значительно прояснили физическую сущность явлений в псевдоожиженном слое и выявили взаимосвязь различных параметров и степень их влияния на процесс переноса теплоты. Накопленный экспериментальный материал содержит обширную информацию о сложном процессе обтекания псевдоожиженным слоем погруженных в него тел.
Проблема повышения эффективности технологических процессов с использованием неоднородного псевдоожиженного слоя является актуальной.
Основными моментами в решении этой проблемы являются снижение удельных энергетических затрат на осуществление технологического процесса, сокращение его продолжительности (но не в ущерб качества готовых изделий) на основе новых и уже накопленных научных результатов.
Неоднородная псевдоожиженная среда существенно диссипативная система, существование которой возможно только при затрате внешней энергии. Поэтому псевдоожиженная среда должна рассматриваться с факторами ее порождающими. Одним из основных факторов является фактор флуктуации скорости газа. Флуктуация скорости газа связана с газораспределительным устройством.
При наличии в аппарате фиксированной массы частиц и при постоянном расходе газа с изменением коэффициента сопротивления газораспределителя характеристики слоя, пульсации перепада давления на нем и пульсации параметров слоя (высоты слоя и перепада давления в нем) также изменяются, то есть газораспределитель и частицы влияют друг на друга.
Одним из средств снижения затрат энергии на создание псевдоожиженного слоя как промежуточного теплоносителя является уменьшение объема насыпного слоя при сохранении максимальных значений коэффициентов теплоотдачи и снижение сопротивления газораспределительных устройств. Согласно [6] с уменьшением их сопротивления увеличивается дисперсия флуктуации скорости газа.
Единого мнения о минимально допустимой величине сопротивления решетки и ее влияния на теплообмен погруженного в псевдоожиженный слой тела нет.
Размещение в псевдоожиженном слое теплообменных элементов оказывает существенное влияние на гидродинамику и структуру слоя [1]. Характер этого влияния зависит от соотношения размеров аппарата и помещенного в него тела. В литературе практически отсутствуют сведения по этому вопросу.
Наличие максимального коэффициента теплоотдачи в псевдоожиженном слое свидетельствует о невозможности дальнейшей интенсификации теплопе-реноса за счет изменения скорости псевдоожижения. Требуется поиск новых научно обоснованных способов интенсификации внешнего теплообмена в сие мах, использующих дисперсный материал в качестве промежуточного теплоносителя.
Известно [7, 8], что в развитом псевдоожиженном слое флуктуации гидродинамических параметров (скорости газа и частиц) обуславливают пульсацион-ный характер процесса переноса теплоты между слоем и погруженным в него телом. Для интенсификации теплопереноса необходимо увеличивать частоту смен фаз (частицы и газ) [8]. Для осуществления этого необходимы приспособления, которые бы не только изменяли направление движения фаз слоя в пристенной области, но и сообщали им дополнительные псевдотурбулентные пульсации.
В [9] описана картина обтекания газонепроницаемых вертикальных цилиндров, погруженных в псевдоожиженный слой. Обтекание псевдоожижен-ным слоем полого вертикального цилиндра отличается. Для газонепроницаемого цилиндра наблюдается рост порозности слоя и скорости газа около его наружной поверхности. Полый вертикальный цилиндр создает условия для интенсивного пневмотранспорта твердой фазы внутри цилиндра.
В работе [5] упоминается о капиллярности псевдоожиженных систем. Авторы [10], проводившие исследования по транспорту мелкозернистого материала из аппарата с псевдоожиженным слоем, также отметили внешнее проявление этого явления. Если полый цилиндр (трубку) опустить в псевдоожиженный слой, то высота, на которую поднимется дисперсная среда внутри трубки, превосходит высоту псевдоожиженного слоя в аппарате. Правильнее говорить не о капиллярности в псевдоожиженных средах, а о квазикапиллярности, так как классическое явление капиллярности связано с явлением поверхностного натяжения, возникающего между молекулами жидкости, находящейся в узкой трубке, и ее стенками. В псевдоожиженных средах это явление связано с тем, что соприкосновение сыпучего материала с жесткой стенкой нарушает случайную хаотическую структуру пристенного слоя и упорядочивает ее на глубину 3...4 диаметров частиц [11]. Это приводит к возрастанию гидравлического радиуса, то есть уменьшению сопротивления и увеличению проходного сечения для газа [12]. Исследования явления квазикапиллярности в псевдоожиженных средах отсутствуют.
Цель работы. Исследовать эффективность внешнего теплообмена в псев доожиженном слое, учитывая сопротивления газораспределительных решеток, соотношение поперечного размера аппарата и погружаемого в него тела, а также возможность интенсификации внешнего теплообмена гетерогенными струями частиц и ожижающего агента, изучив и используя явление квазикапиллярности в псевдоожиженных средах, оптимизируя при всем этом энергетические затраты на осуществление процесса.
Для достижения этой цели в работе были поставлены и решены следующие задачи:
1. Экспериментально определены оптимальные сопротивления перфорированных газораспределительных решеток с точки зрения структуры псевдоожи- женного слоя, интенсивности процесса теплоотдачи и затрат мощности на прокачку теплоносителя.
2. Экспериментально найдены оптимальные соотношения поперечных размеров аппарата с псевдоожиженным слоем и помещаемого в него тела при сохранении высокой интенсивности внешнего теплообмена.
3. Исследовано явление квазикапиллярности в псевдоожиженных средах.
4. Исследован способ интенсификации процессов внешнего теплообмена за счет направленного на поверхность тела гетерогенного потока частиц и ожижающего агента, движущегося внутри полого цилиндра, вертикально погруженного в псевдоожиженный слой.
Научная новизна. Заключается в получении следующих основных результатов.
1. Экспериментально определены оптимальные сопротивления перфорированных газораспределительных решеток и оптимальное соотношения поперечного размера аппарата с псевдоожиженным слоем и погружаемого в него тела с точки зрения интенсивности процесса внешнего теплообмена и затрат мощности на прокачку ожижающего агента.
2. Впервые проведено детальное исследование квазикапиллярного эффекта в псевдоожиженном слое, раскрыта физическая суть этого явления. На основании экспериментальных данных получены критериальные уравнения для расчета относительной высоты подъема дисперсной среды в полой цилиндрической трубке, погруженной в псевдоожиженный слой, предложена математическая модель эффекта квазикапиллярности.
3. На основании явления квазикапиллярности исследован способ интенсификации процессов внешнего теплообмена за счет направленного на поверхность теплообмена потока частиц и ожижающего агента (гетерогенного потока). Предложен способ формирования закрученного (вращающегося) гетерогенного потока.
Практическая значимость.
1. Полученные оптимальные сопротивления перфорированных решеток и соотношения размеров аппарата и тела, погружаемого в слой, позволяют минимизировать энергетические затраты во вновь создаваемых или модернизируемых аппаратах с псевдоожиженным слоем при проведении процессов внешнего теплообмена.
2. Подробно исследованный эффект квазикапиллярности в псевдоожижен-ных средах на практике может быть применим для подачи гетерогенных струй на поверхность теплообмена без дополнительных затрат энергии, используя ожижающий агент в качестве транспортирующей среды. А также может использоваться в аппаратах с псевдоожиженным слоем для непрерывного транспорта сыпучих сред в вертикальном направлении.
3. Обработка поверхности теплообмена гетерогенными струями является одним из возможным способов увеличения эффективности процессов внешнего теплообмена в аппаратах с псевдоожиженным слоем для тел, частично погруженных в него или плавающих на его поверхности.
Автор защищает;
1. Результаты экспериментального исследования влияния сопротивлений перфорированных газораспределительных решеток на структуру псевдоожи-женного слоя, интенсивность внешнего теплообмена и энергетические затраты на создание слоя.
2. Результаты экспериментального исследования влияния объема насыпного слоя, соотношения поперечных размеров аппарата и погружаемого в псевдо-ожиженный слой тела на процесс внешнего теплообмена и энергетические затраты на его осуществление.
3. Результаты исследования явления квазикапиллярности в псевдоожижен-ных средах, заключающиеся в превышении высоты слоя в трубке, погруженной в псевдоожиженный слой, над псевдоожиженным слоем вне ее. Предложенную модель эффекта квазикапиллярности и полученные критериальные зависимости максимальной относительной высоты подъема дисперсной среды в трубке от влияющих на процесс факторов.
4. Результаты экспериментального исследования способа интенсификации процессов внешнего теплообмена за счет направленного на поверхность тела потока частиц и ожижающего агента (гетерогенный поток), движущегося внутри полого цилиндра, вертикально погруженного в псевдоожиженный слой.
Работа выполнена на кафедре «Теоретической теплотехники» ГОУ ВПО Уральского государственного технического университета - УПИ под руководством профессора, д.т.н. Королева В.Н. в соответствии с координационным планом АН России по проблеме «Теплофизика и теплоэнергетика» № ГР 01840005222 (Научно-техническая программа Министерства Образования и науки Российской Федерации «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники»).
Автор выражает благодарность своему научному руководителю за всестороннюю помощь и поддержку, заведующему кафедрой теоретической теплотехники д.т.н. Белоусову B.C., д.т.н., проф. Сапожникову Б.Г. и другим сотрудникам кафедры за оказанную помощь, полезные замечания и доброжелательное отношение.
Структурно-гидродинамические условия перехода неподвижного зернистого слоя в псевдоожиженное состояние у поверхности тела..
Важнейшей структурной характеристикой неподвижного слоя является его порозность. Эксперименты показали, [11] что соприкосновение сыпучего материала с жесткой стенкой нарушает случайную хаотическую структуру пристенного слоя и упорядочивает его на глубину 2...4-х диаметров частиц. Это приводит к возрастанию гидравлического радиуса, то есть к увеличению проходного сечения для газа [12]. Так для слоя сферических частиц, для которых гидравлический радиус определяется как гн = (Б d4)/6 (1 - є), по экспериментальным данным [23] значение ги на расстоянии х = 0,5 d4 от стенки в 1,5 раза, при х = d4 в 1,39 раза больше, чем в ядре слоя (табл. 1.1).
Факт существенного увеличения скорости газа у ограничивающих слой стенок, связанный с характером распределения rH = f(x/d4), подтвержден экспериментально значительным количеством исследователей, например [11, 12, 24, 25]. По данным [25] при размещении цилиндра в зернистом слое повышенная скорость воздуха наблюдалась как у стенки аппарата, так и у поверхности цилиндра. С увеличением диаметра цилиндра максимальная величина скорости у его стенки возрастала. Так для цилиндра диаметром 10 мм скорость у его стенки была в 1,4, а для цилиндра диаметром 50 мм в 1,7 раза больше, чем скорость фильтрации. С увеличением скорости фильтрации локальная скорость у поверхности цилиндра также возрастала.
Повышение скорости потока около цилиндра происходило вследствие влияния двух факторов [23, 26]. Во-первых, за счет увеличения порозности и уменьшения гидравлического сопротивления пристенного слоя, то есть причина, по которой может возникнуть увеличение скорости у любой поверхности, размещенной в слое, в том числе и у внутренней поверхности, если цилиндр полый. Во-вторых, газ, фильтрующийся через слой, заключенный между газо распределительной решеткой и нижним основанием цилиндра, набегая, обтекает его, проходя непосредственно у поверхности цилиндра.
Таким образом, при продувании засыпки пониженное гидравлическое сопротивление в пристенном слое тела, размещенного в зернистой среде, способствует протеканию через этот слой избыточного объема газа, который частично подсасывается сюда из ближайших слоев частиц, и, в основном, создается потоком, натыкающимся на наклоненные в сторону газораспределительной решетки поверхности.
Условия, создаваемые у поверхности тела, расположенного в неподвижном зернистом слое, являющемся предысторией псевдоожиженного состояния, способствует тому, что в первую очередь псевдоожиженное состояние переходит слой частиц, находящихся у поверхности тела.
В монографии [27] подробно описана картина обтекания тел различной конфигурации (шара, пластины, цилиндра, клина, профильной части лопатки турбины, пучков труб) и разных размеров. Рассмотрим основные особенности обтекания тел, вертикально погруженных в псевдоожиженную среду, например цилиндра или пластины.
При наличии в зернистом слое тела с увеличением скорости фильтрации от нуля до первой критической сыпучий материал переходит в псевдоожиженное состояние не сразу во всем объеме. Процесс ожижения начинается у боковых стенок. Автор [25] не проводил исследований обтекания полого цилиндра. Можно предположить, что у полого цилиндра ожижение начинается как внутри его, так и снаружи. Под нижним торцом тел уже при W= 0,8...0,9 под действием давления газа происходит уплотнение частиц и образование свободного пространства - газовой полости, толщина которой составляет порядка (2-3) d4. Воздух из-под полости вырывается в виде цепочки пузырей, образуя в слое каналы пониженного сопротивления, в который устремляется псевдоожижающий агент их соседних с телом областей слоя. Создается своеобразный предпочтительный путь для прохождения по нему ожижающего агента, уменьшая тем самым количество пузырей в основном объеме слоя [28-33]. Поднимающиеся в пристенном слое пузыри образуют пограничную зону, средняя плотность среды в которой меньше, чем в ядре слоя
Результаты экспериментов по исследованию влияния размеров аппарата и погружаемого тела на внешний теплообмен в псевдоожиженном слое и энергетические затраты на его создание
Использование аппаратов с различным поперечным размером при неизменном размере погружаемого в псевдоожиженный слой тела и одинаковых числах псевдоожижения оказывало влияние на структуру псевдоожиженного слоя (за счет изменения зазора между телом и аппаратом). Малые отношения BID и малые зазоры между поверхностью тела и стенкой аппарата приводили к загромождению свободного сечения слоя и способствовали образованию поршней и крупных неоднородностей, что приводило к снижению интенсивности внешнего теплообмена.
Например, уменьшение поперечного размера аппарата BID с 3,33 до 2,33 приводило лишь к незначительному изменению неоднородности слоя, немного укрупненным размерам газовых пузырей (рис. 3.1а, б). При изменении BID с 2,33 до 2,00 за счет загромождения свободного сечения аппарата, в структуре слоя уже преобладали крупные газовые неоднородности, каверны, занимавшие иногда более половины сечения (рис. 3.1в, г). И уже при соотношении BID около 1,67 режим псевдоожижения был близким к поршневому (рис. 3.1д). Коэффициент теплоотдачи для частиц диаметром d4 = 0,68; 0,13; 0,51 мм достигал максимума при числах псевдоожижения W = 2,0; 2,6; 2,4, соответственно (гл. 2.2).
Основным параметром, характеризующим работу газораспределительной решетки и ее влияние на характер псевдоожижения и энергетические затраты на процесс ожижения является - {АРреш1АРсл) - относительное гидравлическое сопротивление (коэффициент газораспределения Кг = АРреш / (АРреш + АРСЛ)). Этот параметр зависит от количества материала, насыпанного в аппарат.
Как было показано в разделе 2, для поддержания высоких коэффициентов теплоотдачи и оптимизации энергетических затрат на осуществление процесса теплообмена, достаточны небольшие относительные сопротивления решеток -порядка ДРреш/ДРсл = 0,1 - для крупных частиц; АРреш/АРсл = 0,16 - для мелких при ф = (5...13) % и (7...17) % для мелких и крупных частиц соответственно. С уменьшением поперечных размеров аппарата, АРреш/АРсл уменьшается. Поэтому, можно принять, что (АРреш/АРсл)« Кг.
На рис. 3.2 показана зависимость максимального коэффициента теплоотдачи от относительного поперечного размера, погружаемого в слой тела {BID). На рис. 3.3 - зависимость максимального а от зазора между стенкой аппарата и телом (8ст). А на рис. 3.4 - изменение величины максимального а при изменении относительного сопротивления решетки. Уменьшению сопротивления АРр/АРсл на рис. 3.4, соответствует уменьшение BID от 3,33 до 1,67.
Проведенные опыты показали (рис. 3.2 - 3.4), что интенсивность внешнего теплообмена в псевдоожиженном слое зависит от размеров аппарата и соответственно от объема (веса) насыпного слоя, а также от зазора между стенкой аппарата и погружаемой поверхностью.
Из рис. 3.2-3.4 следует, что размер и форма частиц не оказывает влияния на характер изменения интенсивности теплообмена. При {BID) 2,33 и зазоре между телом и стенкой бет 20 мм (АРрещ/АРсл 0,07 для крупных частиц и АРреш/АРСл 0,06 для мелких) интенсивность процесса теплообмена остается неизменной. С уменьшением массы насыпного слоя, что соответствует уменьшению (BID) с 2,33 до 1,67 (уменьшение зазора с 20 до 10 мм и изменению 0,04 АРреш/АРсл 0,06), коэффициент теплоотдачи уменьшается примерно на 17% для крупных частиц - кривые 1 и 3 (« 17,5% для стеклянных частиц и » 16,8% для частиц корунда d4 = 0,51 мм) и 23% для мелких частиц (d4 = 0,13 мм) - кривая 2.
Опыты показали, что замена аппарата квадратного сечения 100x100 мм и 80x80 мм на аппараты круглого сечения, диаметрами 100 и 80 мм, соответственно, не повлияло на значения коэффициентов теплоотдачи (разброс точек в пределах погрешности - приложение 1).
Анализируя полученные данные и сопоставляя их с визуальной картиной получаемой структуры псевдоожиженного слоя (при изменении размеров аппарата), а также с картиной обтекания тела псевдоожиженным слоем [7], такой характер изменения максимального коэффициента теплоотдачи можно объяснить следующим образом.
Известно, что атах достигается при контакте с поверхностью гидродинамического следа пузыря. Как было показано в главе 2, для достижения высоких коэффициентов теплоотдачи необходим проскок пузырей и определенная нестационарность процесса. В границах, когда коэффициент теплоотдачи максимален, структура образующегося псевдоожиженного слоя оптимальна - слой неоднороден, происходит проскок пузырей (рис. 3.1а, б). Однако, при малых зазорах между телом и стенкой аппарата и малых отношениях BID (меньше 2,0) нормальный процесс псевдоожижения нарушается, образуются крупные газовые неоднородности, поршни (рис. 3.1 г, д), при контактах с которыми интенсивность внешнего теплообмена снижается.
Таким образом, анализ экспериментальных данных показал, что для достижения максимальных коэффициентов теплоотдачи для тел правильной геометрической формы достаточно, чтобы сечение аппарата было примерно в 2,3 раза больше максимального поперечного размера тела, объем слоя в 24 раза был больше объема тела и минимальный зазор между стенкой и поверхностью бет не менее 20 мм.
Экспериментальная установка для исследования явления квазикапиллярности и методика определения высоты подъема
Поисковые опыты показали, что высота h2, на которую поднимается дисперсная среда внутри трубки (рис. 4.2), может зависеть от: 1) числа псевдоожижения - W; 2) внутреннего диаметра трубки d ; 3) толщины стенки нижнего торца трубки, погруженного в псевдоожиженный слой (связь с газовой полостью под нижним торцом) - 8; 4) диаметра частиц твердой фазы - d4; 5) формы частиц твердой фазы; 6) расстояния от нижнего торца трубки до газораспределительного устройства - h или глубины погружения трубки в слой - hi; 7) высоты насыпного слоя
Для выяснения влияния вышеперечисленных параметров на высоту подъема дисперсной среды в полом цилиндре и условий существования явления квазикапиллярности в псевдоожиженных средах был выполнен комплекс исследований.
Псевдоожиженный слой создавался в аппарате квадратного сечения (рис.4.2) 100x100 мм, изготовленным из органического стекла. В верхней части аппарат был снабжен расширяющимся диффузором для снижения скорости псевдоожижающего агента и предотвращения уноса частиц. В качестве твердой фазы использовались стеклянные (диаметром 0,68; 0,91; 1,11 мм) и алундовые {d4 = 1,15 мм) частицы сферической формы, а также частицы корунда (эквивалентным диаметром 0,13; 0,51; 0,72 мм) и стекла (d4 = 0,68; 1,11 мм) неправильной формы. Ожижающим агентом был воздух. Подвод ожижающего агента в подрешеточную камеру осуществлялся с четырех сторон, что обеспечивало более равномерное газораспределение. Подача воздуха производилась центробежным нагнетателем. Регулировка расхода осуществлялась плавным изменением числа оборотов нагнетателя.
Газораспределительным устройством служила перфорированная решетка живым сечением 9,82% (оптимальное с точки зрения интенсивности процесса внешнего теплообмена и затрат мощности на перемещение теплоносителя [98]). По центру аппарата в двух направляющих зажимах вертикально крепилась стеклянная трубка высотой 1,5 м с нанесенной на ее поверхности миллиметровой шкалой (рис. 4.2). Трубка могла перемещаться по высоте слоя, минимальное расстояние между нижним торцом трубки и газораспределительной решеткой (И) было 5 мм. Высота насыпного слоя (#0) изменялась от 20 до 120 мм. В опытах использовались трубки внутренним диаметром (dTp) 1,5; 2,0; 2,5; 3,0; 4,0; 4,5; 6,0; 7,0; 9,0; 10,0; 12,0; 14,0 и 24,0 мм. Для трубок диаметром 12, 14 и 24 мм использовался аппарат с размерами 150x150 мм.
Нижний торец трубки, погруженный в псевдоожиженный слой, мог иметь на конце горизонтальную площадку кольцевой формы диаметром dH, размеры которой изменялись за счет втулок из фторопласта, с натягом насаживаемых на наружную поверхность трубки. Высота насаживаемых втулок равнялась 40 мм. Толщина стенки нижнего торца трубки 8 = (а?„ - )/2) изменялась от 1 до 15мм.
Так как дисперсная среда внутри трубки и в аппарате пульсировала, то за высоту слоя в трубке и аппарате принималось среднеарифметическое значение высот двенадцати всплесков, замеряемых с интервалом в 15 секунд. Таким образом, время замера высоты слоя в трубке (или аппарате) при одном режиме составляло 3 мин. Основные пульсации среды в трубке (исключая крайние минимальные и максимальные значения) происходили в каком-то определенном интервале, в то время как отдельные максимальные всплески в 1,5...2 раза превышали величину среднего значения. Было замечено, что с уменьшением внутреннего диаметра трубки размах пульсаций среды ослабевал. При большом внутреннем диаметре наблюдались случаи, когда колеблющийся в трубке слой занимал не все сечение трубки, а лишь какую-то ее часть, прилегающую к окружности.
При обработке экспериментальных результатов было введено понятие относительной высоты подъема дисперсной среды в трубке h = hi / h\, где hi -высота подъема дисперсной среды в полой трубке; h\ = {H-h)- высота расширившегося псевдоожиженного слоя от нижнего торца трубки, погруженного в псевдоожиженный слой (рис. 4.2). Таким образом, относительная высота подъема показывает, во сколько раз высота дисперсной среды в трубке превосходит высоту псевдоожиженного слоя.
С целью получения визуальной картины подъема дисперсной среды в трубке проводились кино- и фотосъемки процесса. Съемки проводились цифровой видеокамерой со скоростью 25 кадров в секунду и фотоаппаратом с временем выдержки от 1 до 1/1000 секунды. В аппарате с псевдоожиженным слоем, изготовленном из органического стекла (описанного выше), для улучшения оптических свойств одна из граней заменялась на обыкновенное стекло, толщиной 3 мм. В этом случае цилиндрические стеклянные трубки примыкали непосредственно к стенке.
Анализ полученных данных по визуализации процесса позволил описать картину процесса поднятия дисперсной среды в вертикальной трубке.
В работе [29] отмечалось, что причиной возникновения движущихся с повышенной скоростью пристенных двухфазовых потоков является большие разности давлений (движущие напоры) по высоте слоя и значительно меньше, чем в остальном объеме, гидродинамическое сопротивление пограничной зоны.
В [41] обнаружено, что порозность в пристенной зоне псевдоожиженного слоя, в отличие от ядра системы, не остается постоянной, а все время пульсирует, то есть изменяется непрерывно. Поэтому гидравлическое сопротивление трубки также изменяется непрерывно, являясь одной из причин колебаний в ней дисперсной среды.
Результаты исследования теплообмена между гетерогенными струями и поверхностью
Предложенная математическая модель эффекта квазикапиллярности пригодна для ориентировочных оценок (расчетные данные в 1,5...2 раза меньше экспериментальных), так как достаточно сложно математически описать такую систему как псевдоожиженный слой. Для точного расчета относительной высоты подъема дисперсной среды нужны критериальные уравнения, базирующиеся на экспериментальных данных.
На основе анализа экспериментальных данных для получения критериальной зависимости относительной высоты подъема дисперсной среды в трубке от влияющих факторов, было решено руководствоваться следующим.
Так как форма частиц оказывает влияние на высоту подъема, то критериальные уравнения для частиц произвольной и сферической формы поверхности будут различными.
Кривая h=f(W) имеет сложный вид, который нельзя описать степенной функцией, поэтому определяем максимальную высоту подъема дисперсной среды в трубке, то есть высоту подъема при W = Wmax, Высоту насыпного слоя принимаем Щ 50 мм. Относительная высота подъема находится при (drp/d 8 для частиц произвольной формы и (d /d 6 для сферических частиц, так как при этих условиях квазикапиллярный эффект проявляется наибольшим образом, и с увеличением (d- /d убывает (рис. 4.16,4.17).
Запишем функциональную связь относительной высоты подъема дисперсной среды h при максимальном числе псевдоожижения Wmax от выявленных параметров:
В этой функциональной зависимости общее число переменных равно і - 8, число первичных размерностей равно z = 2 (м, кг). Согласно л-теореме [99] количество безразмерных критериев (симплексов и комплексов), описывающих процесс подъема дисперсной среды в трубке равно m = i-z = 8-2 = 6. Число независимых переменных к = 7. Число определяющих критериев П= k-z =7-2 = 5, а определяемых - 1.
Используя метод анализа размерностей [100] величин для (4.20) и комбинируя их размерности, получили функциональную зависимость для относительной высоты подъема.
Зависимость (4.21) можно представить как произведение степенных безразмерных величин, учитывая, что опыты проводились только с использованием в качестве ожижающего агента воздуха постоянной температуры:
Обработка полученных экспериментальных данных позволила получить коэффициенты в критериальном уравнении для расчета максимальной высоты подъема дисперсной среды в трубке для частиц сферической и произвольной формы поверхности.
Результаты обобщения экспериментов для частиц сферической формы поверхности приведены на рис 4.22, экспериментальные точки коррелируются уравнением (4.23).
Квазикапиллярность, то есть превышение высоты слоя в трубке над псев-доожиженным слоем вне ее, наблюдается в случаях, когда 1 {d d 30 для слоя сферических частиц и 1 (d /d 50 в случае частиц неправильной формы. Наибольший эффект имеет место, если (dTp/d4) « 6...8 и {d- Jd ) » 4...6, соответственно для слоя частиц неправильной и сферической формы.
Относительная высота достигает максимального значения при определенном числе псевдоожижения (Wmax), которое зависит только от диаметра и формы частиц и, на основе опытных данных, находится по формулам (4.1) и (4.2).
В псевдоожиженном слое частиц неправильной формы поверхности высота подъема дисперсного материала в трубке больше, чем для слоя частиц сферической формы, из-за различных коэффициентов сцепления между частицами. При увеличении толщины стенок трубки относительная высота подъема также увеличивается (за счет увеличения размеров газовой полости).
Высота подъема псевдоожиженного слоя в трубке возрастает как при уменьшении расстояния между нижним торцом трубки и газораспределительной решеткой (при неизменной высоте насыпного слоя), так и при увеличении высоты насыпного слоя при постоянном расстоянии от нижнего торца трубки до газораспределителя.
Подъем дисперсных потоков внутри цилиндрических трубок (квазикапиллярность) является, потенциально возможным способом увеличения эффективности процессов, связанных с применением псевдоожиженного слоя, так как процесс осуществляется за счет внутренней природы, используя ожижающии агент в качестве транспортирующей среды, и, соответственно, без дополнительных затрат энергии.
