Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние проблем конструирования, моделирования и расчета аппаратов для термической обработки дисперсных материалов
1.1 Конструктивное оформление процессов сушки сыпучих материалов
1.2 Аэромеханика двухфазного закрученного газодисперсного потока ... 15
1.2.1 Анализ сил, действующих на частицу в криволинейном потоке газовзвеси
1.3 Кинетика фазовых превращений в дисперсной среде 23
1.4 Внутренний тепломассоперенос в твердых телах 25
1.5 Тепломассообмен в потоке газовзвеси 35
1.6 Методы определения теплофизических характеристик капиллярно- пористых тел
1.7 Методология расчета аппаратов с закрученными потоками газовой и твердой фаз 41
2. Экспериментально-теоретическое моделирование аэродинамики газового и газодисперсного потоков в аппарате интенсивного действия 44
2.1 Описание конструкции аппарата 44
2.2 Общие физические представления при моделировании движения Ф33 47
2.3 Аэродинамика газового потока 49
2.4 Гидродинамика газовзвеси в вихревой камере 52
2.5Анализ результатов решения математической модели аэродинамики двухфазного потока в аппарате вихревого типа 5g
3. Моделирование процессов термической обработки дисперсных
3.1 Общие физические представления 63
3.2 Моделирование тепломассопереноса при сушке единичной частицы
3.2.1 Решение краевой задачи тепловлагопереноса с произвольными начальными условиями и граничными условиями третьего рода
3.2.2 Анализ полученных решений 76
3.3 Решение краевой задачи переноса теплоты и массы в сферической частице при малых числах Фурье
4. Внешний тепломассообмен при сушке дисперсных материалов 92
4.1 Общие физические представления 92
4.2 Анализ математических моделей тепломассообмена полидисперсного материала с теплоносителем
4.3 Экспериментальные данные по внешнему тепломассообмену между твердой и газовой фазами
4.4 Экспериментальное определение теплофизических характеристик влажных тел
5. Термическая обработка дисперсных материалов в аппарате интенсивного действия
5.1 Методология расчета процесса сушки дисперсных материалов в аппарате вихревого типа
5.2 Результаты экспериментальных и расчетных исследований 114
5.3Технико-экономические показатели работы экспериментальной установки
6. Исследование процесса сушки и дегидратации декагидрата тетрабората натрия
6.1 Промышленные способы получения буры 160
6.2 Выбор конструкции установки для сушки буры и его обоснование
6.3 Описание экспериментальной установки и методика проведения эксперимента
6.4 Результаты экспериментального исследования процесса сушки буры 166
6.5 Общие представления о кинетике топохимических процессов и аномальные явления при дегидратации
6.6 Моделирование процессов терморазложения дисперсных материалов
6.7 Математическая модель термического разложения дисперсных материалов
6.8 Анализ полученных решений 192
6.9 Кинетика реакции термического разложения декагидрата тетрабората натрия
6.10 Результаты экспериментальных исследований по терморазложению декагидрата тетрабората натрия при изучении эффекта Топли- Смита 201
6.11 Экспериментально-расчетные данные по термообработке декагидрата тетрабората натрия в установке интенсивного действия 209
7. Техническое решение по организации процессов термообработки дисперсных материалов
7.1 Термическая обработка сыпучих материалов 220
7.2 Общие принципы при моделировании аппаратов вихревого типа 224
7.3 Термообработка дисперсных материалов в барабанной сушилке
Заключение 232
Условные обозначения 234
Литература 235
Приложения 259
- Аэромеханика двухфазного закрученного газодисперсного потока
- Гидродинамика газовзвеси в вихревой камере
- Моделирование тепломассопереноса при сушке единичной частицы
- Анализ математических моделей тепломассообмена полидисперсного материала с теплоносителем
Введение к работе
Изменившиеся в последние годы экономические условия, резкий рост стоимости энергоносителей и сырья ставят перед исследователями задачи разработки новых энергосберегающих технологий, связанных с разработкой аппаратов интенсивного действия, время пребывания взаимодействующих фаз в которых составляет секунды; актуальны вопросы разработки аппаратов совмещенного действия, в которых возможно проведение одновременно нескольких процессов.
Гетерогенные процессы, протекающие в системах "газ-твердое тело", занимают особое место в технологических процессах. Скорость их протекания определяются закономерностями переноса массы и энергии во взаимодействующих фазах.
Теоретической базой для моделирования процессов термообработки, создания инженерных методов их расчета и оптимизации является теория тепломассопереноса, учитывающая взаимосвязь и взаимозависимость между тепломассопереносными характеристиками обрабатываемого материала и газовой фазы.
Следует отметить достижения в этой области российских ученых: А.В. Лыкова /1-3/, П.Г. Романкова /4,5/, Б.С. Сажина /6,7/, В.И. Коновалова /8,9/, Л.Г. Голубева /10,11/, В.И. Муштаева /12,13/, В.Н. Кисельникова /14,15/, СВ. Федосова /16,17/, В.Ф. Фролова /18,19/ и др.
При разработке технологий и конструкций аппаратов для их проведения в существующей расчетной практике преобладают балансовые методы. Они, безусловно, полезны и нужны, но должны являться составной частью общей методики расчета, включающей модели внутреннего тепломассопереноса в материале, а также моделей, учитывающих межфазное взаимодействие на границе раздела фаз и изменение свойств обрабатываемого материала в процессе сушки.
Необходимость проведения исследований с целью создания высокоинтенсивных конструкций аппаратов, разработки математических моделей тепломассопереноса в процессах термической обработки дисперсных материалов с учетом изменения коэффициентов внутреннего и внешнего переноса массы и теплоты и создания на их основе инженерных методов расчета конструкций аппаратов и определили актуальность настоящей работы.
Диссертационная работа выполнялась в соответствии с:
1.Координационным планом РАН РФ "Теоретические основы химической технологии" на 2001-2005г.г> "Задание 2.27.2.8.6 "Исследование гидродинамики и тепломассообмена в комбинированных аппаратах для сушки органических и неорганических продуктов", и 2.27.8.16 "Разработка математических моделей процессов грануляции и сушки с учетом гидродинамики и конструктивных особенностей аппарата".
2.Планом госбюджетных и хоздоговорных НИР Ивановского государственного химико-технологического университета и Ивановского государственного архитектурно-строительного университета на 2001-2005г.г.
Цель диссертационной работы. Создание высокоинтенсивной конструкции аппарата для эффективной термообработки дисперсных материалов; разработка математической модели аэродинамики двухфазного потока с учетом конструктивных особенностей вихревого аппарата, математической модели тепломассопереноса при термической обработке дисперсных материалов; освоение и совершенствование методик определения теплофизических и массопереносных характеристик материалов; расчетно-экспериментальное исследование процессов термообработки широкого класса дисперсных материалов в лабораторных и промышленных условиях и создание на этой основе инженерной методики расчета вихревого аппарата; выработка рекомендаций для промышленного освоения и внедрения результатов исследований.
Научная новизна диссертации. Для процессов термической обработки дисперсных материалов, протекающих в системе "газ-твердое тело" в условиях изменяющейся аэродинамической и тепловой обстановки, предложена методика расчета вихревого аппарата, включающая математическую модель аэродинамики двухфазного потока, решение краевых задач взаимосвязанного переноса теплоты и массы вещества, учитывающих непостоянство коэффициентов тепло-и массопереноса и теплофизических свойств фаз от потенциалов переноса, уравнений для расчета межфазных коэффициентов переноса теплоты и массы вещества.
На принципах предложенной методики осуществлено решение следующих задач:
разработана универсальная конструкция аппарата интенсивного действия, позволяющая осуществлять процесс обезвоживания широкого класса дисперсных материалов;
создана математическая модель аэродинамики двухфазного потока в прямоточном коническом аппарате со встроенным турбулизатором;
представлено решение математической модели тепло-и влагопереноса в частице дисперсного материала при граничных условиях третьего рода на межфазной поверхности при малых (<0,1) и больших (>0,1) числах Фурье;
разработана математическая модель массопереноса в частице дисперсного материала при термическом разложении декагидрата тетрабората натрия, учитывающая тепловой эффект реакции дегидратации;
усовершенствована методика определения зависимостей коэффициентов внутреннего переноса теплоты и массы вещества от температуры и влагосодержания материала;
экспериментально определены значения коэффициентов внешнего переноса теплоты и массы вещества и предложены критериальные уравнения для их расчета.
Полученные решения поставленных задач легли в основу разработки методики расчета процессов термической обработки широкого класса дисперсных материалов в аппарате с активной гидродинамикой двухфазного потока. Проведено расчетно-экспериментальное исследование указанных процессов в лабораторных и опытно-промышленных условиях; получены новые экспериментальные данные о тепло-массопереносных характеристиках продуктов - объектов исследования; установлено влияние парциального давления водяного пара в теплоносителе на скорость терморазложения декагидрата тетрабората натрия, известное из литературы как эффект Топли-Смита.
Практическая ценность. Разработана универсальная конструкция аппарата интенсивного действия для термической обработки дисперсных материалов; предложен инженерный метод расчета процессов термической обработки сыпучих продуктов в вихревом аппарате, позволяющем снизить удельные энергозатраты и резко сократить время обработки материалов. Выданы данные для проектирования промышленных установок по термообработке сыпучих материалов на ряд предприятий (ЗАО "Экохиммаш" г. Буй Костромской области; ООО "Эском" г. Иваново; ПО "Искож" г. Иваново; Константановский химический завод Донецкой области; АО "Электроконтакт" г. Кинешма Ивановской области; ЗАО "ВВП" г. Нижний Новгород.
Автор, защищает: изложенные в диссертации научно обоснованные технические и технологические решения, позволяющие существенно интенсифицировать процессы термической обработки дисперсных материалов в среде газообразного теплоносителя; аналитические решения краевых задач тепломассопереноса в частице дисперсного материала; модель аэродинамики движения твердой и газовой фаз в аппарате со встроенным турбулизатором; явление влияния парциального давления водяного пара на скорость терморазложения декагидрата тетрабората натрия; расчетно-экспериментальные результаты исследований процессов термической
обработки сыпучих материалов, а также способы термообработки и конструкцию аппарата для их осуществления.
Диссертация состоит из семи глав. В первой главе анализируется современное состояние проблем конструирования, моделирования и расчета аппаратов для термической обработки дисперсных материалов. Рассматривается ряд перспективных конструкций аппаратов, аэромеханика двухфазных закрученных потоков, кинетика химических превращений в дисперсной среде, внешний и внутренний тепломассоперенос при сушке сыпучих материалов. Анализ конструкций аппаратов и методик расчета тепломассопереноса в процессах сушки дисперсных продуктов показывает, что, зачастую, для термической обработки того или иного материала создается уникальная конструкция аппарата, в которой практически невозможно обезвоживать, а тем более проводить химические реакции в частице твердой фазы, отличающихся по физико-химическим свойствам. Для создания действительно универсального аппарата требуются новые теоретические и экспериментальные исследования.
Вторая глава посвящена разработке и описанию аппарата интенсивного действия со встроенным турбулизатором и экспериментально-теоретическому моделированию движения газового и газодисперсного потоков в предлагаемой конструкции аппарата.
В третьей главе изложены аналитические решения краевых задач тепломассопереноса в частице дисперсного материала при различных числах Фурье и дан их качественный анализ.
Четвертая глава посвящена рассмотрению тепломассообмена между газовой и твердой фазами при сушке дисперсных материалов в аппарате с активной гидродинамикой двухфазного потока. Приводятся литературные и полученные автором эмпирические критериальные уравнения для расчета коэффициентов межфазного переноса.
В пятой главе изложены результаты расчетно-экспериментального исследования процессов термической обработки сыпучих продуктов в
аппарате интенсивного действия. Предложены наиболее рациональные режимные параметры ведения процессов.
В шестой, главе приводятся математическое моделирование процессов термолиза дисперсных материалов и качественный анализ полученных решений, расчетно-экспериментальные данные по терморазложению декагидрата тетрабората натрия.
Седьмая глава посвящена описанию принципиальной схемы промьшшеннои установки вихревого типа, предложенной для внедрения на ряд предприятий Ивановской и соседних областей Российской Федерации. Излагается методика пересчета барабанных сушилок действующих предприятий на любой сыпучий продукт.
Аэромеханика двухфазного закрученного газодисперсного потока
Интенсификация процесса взаимодействия дисперсных частиц и газа может быть достигнута искусственным увеличением относительной скорости движения. В объеме технологического аппарата происходит не только взаимодействие материала с потоком теплоносителя, но и с различными конструктивными элементами установки. Определяющее влияние на характер этого взаимодействия оказывают организация подвода и отвода обрабатываемого материала, а также способы подвода внешней тепловой энергии и внешней механической энергии (для тех случаев, когда внутри аппарата устанавливаются специальные механические побудители). Использование этих устройств дает возможность создавать одновременное движение твердых частиц и воздуха, при котором аэродинамическая сила давления направлена в сторону движения частиц. Поэтому, они могут разогнаться до скорости несущего потока.
Изучению закономерностей движения потоков газовой и твердой фаз в аппаратах интенсивного действия посвящено большое количество работ. Исследовалось движение как среды теплоносителя без частиц /45-55/, так и газодисперсных потоков /56-65/.
На транспортируемый материал в аппаратах с закрученными потоками действуют самые разнообразные по физической природе силы, от соотношения которых зависит характер движения дисперсной фазы. В результате воздействия центробежных сил материал отбрасывается в пристеную область, где движение частиц сопровождается скольжением или качением их по стенке /66/, скачками с одновременным вращением, возникновением эффектов подталкивания мелких и торможением крупных фракций. В работе /67/ отмечается, что частицы движутся не по поверхности стенок, а вблизи их, в своего рода пристеном пограничном слое, объясняя это явление действием на твердую фазу дополнительной аэродинамической силы, получившим название "эффекта Магнуса" /63/. Перечисленные выше особенности движения дисперсной среды зависят от большого числа факторов, среди которых наибольшее влияние оказывают скорость частиц, их геометрическая форма и плотность, расходная концентрация и т.д. В связи с этим представляется целесообразным проведение анализа сил, действующих на частицу, что позволит более обосновано подойти к математическому описанию аэродинамических процессов в аппаратах с закрученными потоками.
Перемещение частицы, находящейся в движущейся газовой среде, вызывается воздействием на нее следующих сил /64/: - силы, действующие на поверхность частицы со стороны газового потока - сила аэродинамического сопротивления, сила Архимеда, подъемная сила Жуковского, сила, обусловленная инерцией присоединенной массы, сила Бассэ, диффузионная сила; - массовые и внешние силы - сила тяжести, силы электростатического и магнитного поля, кажущиеся силы, обусловленные вращением подвижной системы координат, т.е. центробежная и кориолисова силы, реактивная сила, возникающая при отделении тела некоторой массы; - силы, действующие между поверхностями отдельных твердых частиц и стенками аппарата - силы от взаимных столкновений, силы трения, силы адгезии и т.д.
Поле скоростей турбулентного потока теплоносителя в аппарате интенсивного действия является наиболее важной характеристикой, значение которой позволяет разрабатывать математические модели и инженерные методы расчета процессов термообработки дисперсных материалов с большой степенью достоверности. Вместе с тем, скорость потока в произвольной точке турбулентного течения является случайной величиной, В связи с этим, не представляется возможным создание точного математического описания полей скоростей газовой фазы в аппарате /84/. Возникает необходимость перехода к некому "усредненному описанию", в котором используется усредненные значения скоростей потока и давлений. Как правило, подобное осреднение производится путем интегрирования функций локальных скоростей и давлений по промежутку времени т, величина которого существенно превышает время турбулентных пульсаций. В результате осреднения получают систему дифференциальных уравнений движения потока в форме Рейнольдса /46-48/, которые замыкаются посредством использования гипотез турбулентности Прандтля, Тейлора и Рейхардта, устанавливающих связь осредненных характеристик течения с напряжениями Рейнольдса.
Гидродинамика газовзвеси в вихревой камере
В целом относительная скорость движения фаз по криволинейной траектории оказывается выше относительной скорости движения фаз в прямолинейных потоках, поэтому интенсивность тепло-массообмена в них существенно выше. Криволинейное движение обеспечивает условия пневмотранспорта твердой фазы в режиме идеального вытеснения, полный контакт поверхности частиц с теплоносителем /163/. Поэтому для правильного расчета таких аппаратов необходимо знать зависимости для определения скорости движения фаз и гидравлического сопротивления пневмотракта.
Перечисленные выше особенности движения дисперсной среды зависят от большого числа факторов, среди которых наибольшее влияние оказывают скорость частиц на входе в аппарат, их геометрическая форма и плотность, расходная концентрация материала, упругие свойства стенки и продукта. В значительной мере характер движения частиц определяется концентрацией твердой фазы. При повышенной концентрации пылевидные частицы подвергаются центрифугированию и движутся в виде "ленты" небольшой толщины. Понижение концентрации взвеси приводит к такому движению, когда частицы не оказывают заметного влияния друг на друга и на несущий их воздушный поток. В этом случае особую роль играют упругие свойства стенок и частиц, под действием которых они двигаются по сложным ломаным траекториям.
Все частицы, взаимодействуя со стенкой камеры, испытывают упругие удары, что приводит к их непрерывному скачкообразному движению и специфическому распределению концентраций в кольцевом слое. Потеря энергии при ударе частиц о стенки вызывает их отставание от потока и последующее ускорение движения при взаимодействии с потоком газа и находящимися в нем частицами, вследствие обмена количеством движения.
В случае использования вихревых камер в качестве сушильных устройств на конечные результаты термической обработки дисперсных материалов существенное влияние оказывает процесс перемещения частиц в пристеночной области. Рассмотрению этого вопроса посвящены работы В.Я. Лебедева, Е.П. Барулина, В.Н. Кисельникова, в которых моделируется движение сферической частицы в закрученном потоке газовзвеси и выполнен анализ сложных аэродинамических явлений, происходящих в вихревых камерах.
В уравнениях (2.4.1)-(2.4.4): 1 - путь, пройденный частицей за время т; 2,г,ф- полярно-цилиндрические координаты; швх- скорость газовой фазы во входном сечении аппарата; Ь2-момент количества движения газовой фазы относительно оси камеры; МВН- сумма моментов внешних сил, действующих на частицу.
К недостаткам описанной математической модели необходимо отнести то, что в ней не учтена полидисперсность твердой фазы. Это вызьшает необходимость приведения реального полидисперсного вещества к монодисперсной системе посредством усреднения размеров частиц, что неизбежно повлечет за собой появление погрешностей в расчетах, в особенности при анализе тепло-массопереноса.
Предложенную систему уравнений движения полидисперсного материала в циклонной камере можно применить и для вихревого аппарата с верхней разгрузкой твердой фазы /269/. Отличие состоит в том, что сила тяжести для предлагаемого вихревого аппарата, будет препятствовать подъему частиц, т.е. она направлена в противоположную сторону движения материала.
Несомненно, все приведенные литературные данные по определению и расчету коэффициента аэродинамического сопротивления, не вызьгоают сомнений, но несколько усложненный подход, безусловно правильно оценивающий гидродинамическую обстановку в турбулентном газодисперсном потоке, затрудняет расчеты и усложняет и без того сложную обстановку в аппарате.
Моделирование тепломассопереноса при сушке единичной частицы
Согласно с представлениями, изложенными в главе 1, о моделировании тепло-массопереноса в процессах термообработки сыпучих веществ в аппаратах интенсивного действия, перенос теплоты и влаги на шаге расчета (в і-том микропроцессе) может быть охарактеризован следующей системой уравнений/160,173,174/.
Начальные условия (3.2.3) и (3.2.4) показывают, что в начальный момент времени г0=0 частица имела равномерное распределение температуры и влагосодержания. Выражения (3.2.5) и (3.2.6) являются условиями симметрии. Условие (3.2.7) указывает на то, что теплота, подводимая к частице посредством конвекции, затрачивается на нагрев частицы и испарение влаги. Условие (3.2.8) показывает, что количество влаги, удаляемой с поверхности частицы, равно количеству влаги, подводимой из внутренних слоев материала к поверхности за счет влагопроводности.
В качестве математического аппарата будем использовать метод одностороннего интегрального преобразования Лапласа, положительно зарекомендовавшего себя /17,160/ при решении задач тепломассопереноеа.
Таким образом, уравнения (3.2.37) и (3.2.44) в совокупности позволяют рассчитать изменение полей влагосодержаний и температур в частице в течение і-того микропроцесса в том случае, когда плотность потока влаги с поверхности частицы определяется разностью влагосодержания материала на поверхности и равновесного значения.
Иногда движущую силу процесса переноса влаги с поверхности материала в среду сушильного агента проще удается выразить разностью парциальных давлений пара над поверхностью материала и в среде газа. Для этих условий краевая задача переноса влаги в процессе сушки запишется следующим образом при постоянном на шаге расчета коэффициенте маесопроводности.
Отличие системы уравнений (3.2.46)-(3.2.48) от (3.2.4), (3.2.6), (3.2.8) заключается в граничном условии (3.2.48). Величина АР нелинейно зависит от температуры поверхности частицы, поэтому решение краевой задачи оказывается возможным только в рамках комбинированного подхода, когда в пределах і-того микропроцесса можно считать величины Рп и Рв постоянными, но производить пересчет их от предыдущего шага расчета к последующему.
Таким образом, уравнение (3.2.69) позволяет рассчитать изменение полей влагосодержании частицы в течение і-того микропроцесеа в том случае, когда плотность потока влаги с поверхности определяется разностью парциальных давлений водяного пара на поверхности материала и в среде газа. 3.2.2. Анализ полученных решений.
Графическая иллюстрация решения краевых задач тепломасеопереноса представлена на рис. 3.1-3.13. Кривые на рис.3.1 и 3.2 характеризуют изменение безразмерных полей влагосодержаний и температур по безразмерному радиусу частицы в зависимости от числа Фурье. Как видно из рисунков, время процесса существенно влияет на изменение полей, при этом изменение поля температур происходит быстрее, чем изменение поля влагосодержания.
На рис.3.3 и 3.4 изображены изменения поля влагосодержаний и температур в зависимости от числа Лыкова. С увеличением числа Lu, т.е. с увеличением коэффициента влагопроводности, увеличивается поток влаги из материала и влагосодержание частицы уменьшается. При этом температура продукта остается неизменной.
Анализируя графики рис.3.5 и 3.6, отметим, что с ростом значения числа Bim влагосодержание на поверхности частицы стремится к равновесному значению, а в центре - остается равным начальному, при этом температура поверхности частицы несколько выше температуры центра.
Графики рис.3.7 и 3.8 иллюстрируют влияние теплообменного числа Ві. Увеличение числа Био приводит к резкому изменению температуры на поверхности частицы, менее резкое изменение температуры наблюдается в центре. На изменение поля влагосодержания число Ві практически не оказывает никакого влияния.
Графическая иллюстрация решения (3.2.69) представлена на рис. 3.9-3.13. Кривые рис. 3.9 характеризуют изменение полей влагосодержания во времени процесса (Fo). Рис. 3.10 иллюстрирует влияние симплекса А (3.2.53а) на изменение безразмерного поля влагосодержания по радиусу частицы. Увеличение парциального давления водяного пара над поверхностью частицы приводит к резкому снижению влагосодержания на поверхности вследствие возрастания движущей силы процесса. На рис.3.11-3.13 изображены поля влагосодержаний при различных значениях числа Lu. Как видно их графиков рис.3.11, увеличение коэффициента массопроводности приводит к повышению потока влаги из материала и, вследствие этого, влагосодержание на поверхности частицы уменьшается. Рис. 3.12 и 3.13 иллюстрируют изменение безразмерных полей влагосодержаний при различных числах Fo в отсутствие сушки. При этом начальное распределение влаги в материале неравномерно и характеризуется функцией 00(г)=1-г,
Как видно из рисунков, увеличение чисел Fo и Lu приводит к перераспределению влаги по радиусу частицы, в результате этого поле влагосодержания становится равномернораспределенным, а среднее влагосодержание остается неизменным и равным 0,25.
Анализ математических моделей тепломассообмена полидисперсного материала с теплоносителем
Двухфазный газодисперсный поток представляет собой сложную систему, поведение которой определяется воздействием многих взаимовлияющих факторов. Непрерывный тепло- и массобмен между твердыми частицами и газовой средой происходит в условиях постоянно меняющихся скоростей, температур и влагосодержании взаимодействующих фаз. Это обуславливает ярко выраженную нестационарность условий сушки обрабатываемого материала.
Известно несколько работ теоретического характера, посвященных исследованию тешю-и массопереноса в полидисперсных двухфазных системах.
ЮЛ. Буевич с сотрудниками /176/ для устранения трудностей, связанных с нелинейностью задачи тепломассообмена полидисперсной смеси частиц с окружающей средой, предлагают использовать метод, основанный на анализе кинетического уравнения для плотности распределения частиц f(s,t) по характерным параметрам є (радиусу, влажности и т.п.), при этом не учитывается аэродинамика.
Авторами /81,177/ показано, что отличие в условиях обтекания частиц разной крупности потоком газа существенно сказывается на величине кинетических коэффициентов и интенсивности тепло-и массообмена.
В самом общем случае тепловые и физико-химические процессы вблизи дисперсных частиц не только зависят от поля скоростей около них, но и сами влияют на эти поля.
В связи с этим задача анализа тепломассообмена частиц с окружающей средой сводится к совместному решению уравнений гидродинамики, теплопроводности, диффузии и кинетики.
В работе /178/ предложена математическая модель тепло-и масспереноса в системе "газ-полидисперсная твердая фаза", представляющая собой систему уравнений теплового и материального балансов, составленную для произвольно выбранного элементарного объема аппарата.
В приведенной системе уравнений взаимное влияние процессов переноса импульса, массы и теплоты учитывается зависимостью кинетических коэффициентов от потенциалов переноса. Уравнения справедливы не только для ламинарного движения потока, но также и для турбулентного течения, если локальные значения функций m,P,t,C понимать как усредненные по времени, а коэффициенты переноса v,D,a - как состоящие каждое из двух слагаемых: молекулярного и турбулентного коэффициентов переноса импульса, массы и теплоты. Сложность анализа процессов тепломассообмена в турбулентных потоках заключается в зависимости турбулентных слагаемых коэффициентов переноса от турбулентного состояния потока и от расстояния до твердой поверхности, с которой контактирует поток /175/.
Теория пограничного слоя /82/ позволяет существенно упростить общую систему приведенных уравнений, однако и в этом случае теоретически удается решить лишь несколько наиболее простых задач для изотермических условий гидродинамического обтекания тел малой кривизны. В связи с этим, трудности анализа внешнего тепломассопереноса теоретическими методами приводят к необходимости использования экспериментальных данных.
При расчете процесса конвективной сушки решается сопряженная задача тепло- и массообмена, для которой характерно следующее: 1.сушильный агент отдает теплоту высушиваемому материалу и воспринимает испарившуюся влагу; 2. высушиваемый материал воспринимает теплоту сушильного агента и отдает ему влагу. Сушильный агент используется и как транспортирующее средство.
Непосредственные измерения показывают, что около влажной поверхности материала формируются различные пограничные слои: гидродинамический, тепловой и концентрационный. В общем случае подобие скорости, температуры теплоносителя и его влагосодержания вблизи влажной поверхности материала отсутствует.
Опытные данные по интенсивности тепло- и массообмена поверхности влажного материала с потоком сушильного агента обычно представляется в виде связи между критериями подобия, которые получаются из уравнений (4.2.1-4.2.4) и условий однозначности. Основное из граничных условий при этом записывается в форме уравнения конвективной массоотдачи: и содержит коэффициент массоотдачи /?, величина которого и определяет интенсивность массообмена поверхности влажного материала с потоком сушильного агента. В этом уравнении значения концентрации влаги в сушильном агенте С и градиента концентрации дС/дп по нормали к поверхности берутся на самой поверхности влажного тела. Коэффициент 3 входит в искомый критерий Num=fi-d/D, величина которого зависит от определяющих критериев: Re, Рг и др.
Согласно /180/, проведенные эксперименты подтвердили справедливость приведенных выражений и полученные расчетные результаты использовались при расчете промышленной циклонной сушилки. Коэффициент теплоотдачи а определялся по корреляционному уравнению: Nu = 2(\- Y +-(l-//)Re 55Pr0-33 (4.3.5) где: ji- объемная концентрация дисперсной твердой фазы, фигурирует как некоторая эффективная концентрация в пристеном слое толщиной в одно звено: {t = Vml(2x-Ra d-Vz).
Для определения поверхности материала можно использовать метод опущенного слоя. При проведении опытов одновременно отключают подачу твердой фазы и теплоносителя. Материал, находящийся в сушильной камере, опускается на дно аппарата и с помощью термопар фиксируют температуру материала. Затем продукт выгружают из аппарата и взвешивают.
