Главная | Обратная связь | Поможем написать вашу работу!

Теплообмен запыленного потока со стенкой

Теплообмен между стенкой и газовым потоком, несущие твердые частицы, является весьма сложным процессом, характер протекания которого существенно зависит от большого числа факторов: концентрации частиц в потоке, их размеров и физических свойств, характеристик течения газа с учетом гидромеханического взаимодействия компонентов и их теплофизических свойств, уровня температур и др.

Значительно полней других случаев исследован конвективный теплообмен с запыленным потоком в прямой круглой трубе (12,22,91). При расходных концентрациях 1 в ряду случаев (91,95) наблюдалось снижения числа Nu_п. (рис.1.1(12)),что объясняется ограничениями, накладываемыми конечными значениями интенсивности межкомпонентного теплообмена (22,24). Предположительно этот эффект можно также попытаться объяснить подавлением турбулентности и снижением интенсивности турбулентного переноса в газе именно в этой области и (12,107).

Нагрев газовзвеси может протекать более интенсивно, чем ее охлаждение, если в последнем случае проявляются силы термофареза, приводящие к эффекту загрязнению, стенок (58). В этом случая относительная теплоотдача возрастает с ростом расходной концентрации, но остается значительно ниже значений измеренных при нагреве потока (12)(рис.1.2).

(рисунки на стр. 13.)

Значительно меньше данных имеется о теплообмене потока газовзвеси с погруженными в него телами (20,23,76,95,113,120). Исследование теплообмена в лобовой точке цилиндра при = ; D/ =17-200; =60-600; =2-3 было проведено в (20):

Сравнение ( / ) по данным (20,18) указывает на прямое их согласование. На рис.1.3 приведены некоторые качественные результаты опытов по определению теплоотдачи одиночного цилиндра. Здесь как и при течениях в трубе, наблюдается снижение интенсивности теплообмена по сравнению с чистым воздухом при малых значениях концентрации ().

Особый интерес представляют исследования теплообмена при обтекании пучков труб. Так в (18) исследовалось поперечное обтекание под углом атаки 75* двадцати двухрядного пучка труб (диаметр трубы 6 а 1 мм; поперечный и продольный шаги 15 и 9 мм; =280-1500; 4;d т =0.25-3.00 мм):

(1.2)

Таблица 1.1

В (95) проводилось исследование теплообмена воздушно-графитового потока при продольном обтекании пучка труб (1.3)

В (18,76) отмечено, что локальный коэффициент теплоотдачи потока газовзвеси по окружности цилиндра изменяется значительно меньше, чем при обтекании чистым потоком (рис. 1.4),что объясняется незначительным отличаем гидромеханической обстановки в лобовой и кормовой части цилиндра. Максимум теплоотдачи и механического взаимодействия твердых частиц с поверхностью обтекаемого цилиндра (76) наблюдался при , минимум теплоотдача смещается к кормовой точке вплоть до . С увеличением концентрации относительный коэффициент теплоотдачи возрастал, однако степень влияния концентрации в лобовой зоне в 1.5-2 раза выше,чем в кормовой.

Во всех рассмотренных выше случаях практически не наблюдается осаждение частиц, и наличие отложений не оказывало влияния на интенсивность теплообмена. Интенсификация теплообмена при наличии твердых частиц в газовом потоке происходила за счет улучшения механизма теплопереноса в ядре потока и, особенно в пристенной зоне, а также вследствие увеличения эффективной плотности и объёмной теплоемкости дисперсного потока с ростом концентрации твердых частиц (23).

Следует отметить, что весьма важная для утилизационных установок и радиационно-конвективных систем область малых размеров и концентраций частиц является практически не изученной. Для мелких частиц влияние сил, способствующих перемещению частиц в направлении, перпендикулярном их основному движению, более существенно, чем для крупных, что может приводить к осаждению частиц на поверхность теплообмена. Осаждение части с образованием стационарного или динамического слоя частиц может приводить к существенному изменению величины, а в ряде случаев и характера интенсивности теплоотдачи (56,101).

(рисунки на стр.16)

Существенной особенностью теоретического рассмотрения слабо запыленных газовых теплоносителей является необходимость учета гидродинамического и теплового взаимодействия компонентов, их взаимного влияния друг на друга (74,86,100). Это влияние может проявляться либо в детурболизации потока, обусловленной затратами энергии турбулентных пульсаций на приведение в пульсационное движение частиц, либо в дестабилизации потока при существенном скоростном скольжении, то есть при значительных размеров частиц.

Существенное влияние на характер движения частиц оказывает турбулентное перемешивание в потоке и особенно в близи твердой границы. Согласно (28), гидравлически более крупные частицы, для которых , приводят к почти линейному росту Tu с концентрацией. Присутствие в потоке практически безинерционных частиц уменьшает пульсационные скорости пропорционально корню квадратному из коэффициента Гастерштадта (22).Такой вывод находится в соответствии с предельно упрощенной модели влияние частиц на перераспределение энергии в спектре пульсаций несущей среды. Ясно, что частицы интенсифицируют переход энергии в сторону уменьшения волновых чисел именно в том диапазоне пульсации, где их относительное движение наиболее существенно.Таким образом,крупные частицы ускоряют процесс дестабилизации крупных вихрей осредненного движения, в то время как мелкие, малоинерционные частицы, приводят к вымораживанию мелкомасштабных пульсаций, интенсифицируя процесс вязкой диссипации.

Влияние относительного движения компонентов, радиальный перенос частиц за счет пульсационного движения несущей среды, соударения частиц, различные силовые факторы, действующие на частицу в пристенном слое, могут приводить к существенным эффектам при осаждении частиц на стенках и конвективном теплообмене. Сложность аналитического исследования пристенной зоны потоком газовзвеси приводит зачастую к необходимости предположения, что частицы не влияют на характеристики сплошной среды, либо к представлению всего потока в виде некоторой квазижидкости с эффективными параметрами.Очевидно, что подобные подходы применимы лишь в ограниченном диапазоне определяющих режимных параметров.

Представление слабо запыленных потоков как квазигомогенных при решении задач осаждения не может привести к сколь-нибудь конкретным результатам. При другом подходе существенно упрощающих рассмотрение слабо запыленных систем, реальная неоднородность течения учитывается достаточно строго, но влияние частиц на характеристики несущей среды считается пренебрежимо малым.В этом случае изучение гидромеханики связано с описанием полей, характеризующие осредненное движение несущего газового потока и с составлением и решением уравнения движения частиц в этом поле. Это приближение несомненно является полезным, однако его обоснованность ограничена достаточно жестоко величиной концентрации и гидравлической крупности частиц (72,74).

При обтекании слабо запыленным теплоносителем цилиндрической поверхности, осаждение и закрепление частиц на поверхности стенки будет приводить как к изменению формы, так и структуры поверхности тела. По теплоотдачи слабо запыленных потоков с шероховатыми телами и неправильной формы данные отсутствуют. Некоторые представления об этом вопросе могут быть получены при рассмотрении теплоотдачи однородных потоков. Результаты экспериментальных и теоретических исследований местной и средней теплоотдачи гладких цилиндров в однородном потоке достаточно хорошо согласуется между собой. В (36) обнаружено незначительное влияние шероховатости на теплоотдачу в лобовой зоне цилиндра. В кормовой зоне увеличение толшины пограничного слоя и расширение вихревого следа за цилиндром приводит к менее интенсивному протеканию теплоотдачи, чем в случае гладкого цилиндра. В области докритических Re при небольшой высоте элементов шероховатости (k=0.15 мм) средняя теплоотдача возрастает незначительно по сравнением с теплоотдачей гладкого цилиндра.

При обтекании элиптического цилиндра вдоль большой оси улучшение условий протекания приводит к более интенсивному протеканию теплоотдачи в области лобовой критической точки. В кормовой зоне отрыв пограничного слоя происходит значительно позже по сравнению с круглым цилиндром и теплоотдача на 40-50% ниже, чем в лобовой части. Данные по средней теплоотдачи различных гладкотрубных цилиндрических поверхностей обобщаются единой зависимостью, если за определяющий размер брать ось цилиндра, параллельную набегающему потоку.

1.4.Взаимодействие частиц со стенкой. Формирование сыпучих отложений

Основную сложность при анализе влияние слабого запыления газа на итоговую интенсивность теплообмена составляет оценка возможной толщины слоя отложений, формирующихся на поверхности теплообмена. Интенсивность роста слоя отложений со временем, характер их распределения по поверхности теплообмена, условия наступления и характеристики стационарного слоя - основные величины, к определению которых должна на стадии завершения приводить теория образования отложений.

Первые два из указанных вопросов являются предметом теории осаждения частиц и являются обязательным этапом процесса отложения - процесса, приводящего к закреплению частиц на поверхности и образованию неподвижного или динамического слоя. Изучению захвата частиц стенкой и выявлению факторов, которые могут влиять на этот процесс, посвящено незначительное число работ. Характер этого взаимодействия в значительной мере определяется агрегатным состоянием и формой частиц, характеристиками поверхности стенки (гладкая, шероховатая, покрытая пленкой и др.). Ясно, что используемые раньше допущения о том, что частица полностью, поглощаются, стенкой, либо о том, что ни одна из них не остается на стенке, соответствуют лишь частным случаям. Интегральные характеристики процесса взаимодействия твердых частиц с поверхностью может служить понятием адгезионного захвата, определяемого как отношение числа осевших частиц к числу подошедших.

Исследованию взаимодействия частиц непосредственно с твердой поверхности (адгезия) либо со слоем уже осевших на поверхности частиц (аутогезия) посвящен ряд работ. Адгезионное взаимодействие определяется комплексом силовых факторов молекулярной, капиллярной, радиометрической, электрической и другой природы. НА зависимость силы адгезии от размера частиц существенное влияние оказывает шероховатость поверхности. Существенное влияние на закрепление частиц на поверхности могут оказывать силы внутреннего и внешнего трения.

Условное закрепление частиц на поверхности можно выразить следующим неравенством:

Fи+Fад+Fтр+P>Fупр+Fа ()

где: F и - сила инерции;

Fад - сила адгезии;

Fтр-сила трения;

P-вес частицы;

Fупр-сила упругого отталкивания;

Fа-сила аэродинамического воздействия на частицу.

При использовании неравенства такого типа обычно пренебрегают рядом факторов(влиянием низотермичности, подъёмной силы, действующей на частицу, различия коэффициентов трения в покое и в движении; особенности ударного взаимодействия; различие действия нормальных и касательных сил и др.).Непосредственное взаимодействие частиц с поверхностью может приводить не только к закреплению частицы, образованию слоя отложений, но и к сносу частицы с поверхности. При этом в зависимости какая из двух сил (адгезия и аутогезия) является превалирующей, происходит отрыв отдельных частиц с поверхности слоя либо отрыв всего слоя. Природа и соотношение сил, удерживающие на поверхности осевшие частицы, и сил, сносящих, отрывающих эти частицы, чрезвычайно разнообразна и полностью не изучена. В настоящее время возможны лишь качественные суждения об адгезии (аутогезии), отрыв и комплекс связанных с ним явлений Физическим более обоснованным подходом является энергетический, применимость которого сдерживается малой степенью изученности различного рода силовых взаимодействий частицы со стенкой или слоем частиц.

При отсутствии химической реакций, капиллярных сил адгезии связывающих компонентов осаждение частиц приводит к формированию на поверхности рыхлых сыпучих отложений, которые при несущественной не сферичности и нерегулярности формы частиц характерны высокие значения порозности и, соответственно, малые значения эффективных характеристик.

Формирование сыпучих отложений приводит к уменьшению коэффициента теплоотдачи, перерасходу материала, зачастую появляется коррозия, способствующая закреплению отложений, затрудняющее глубокое охлаждение запыленного потока, повышается расход энергии на тягу.

Имеющиеся работы по исследованию образования отложений на поверхности теплообмена сводится к визуальному наблюдению процесса, фотографированию, вычерчиванию соответствующих эпюр распределения отложений по периметру. Прямые измерения величены, и формы отложений проводились крайне редко(42,102) и относятся в основном к плотной структуре, не затрагивая вопрос определения динамической составляющей слоя. В тех немногих работах (80,102), в которых приводятся значения величины сыпучих отложений, данные получены на основе интегральных характеристик процесса по величине дополнительного сопротивления.

Удачный метод для индикации самого факта наличия сыпучих отложений описан в (113),где наличие отложений фиксировалось по замыканию электрической цепи слоем электропроводных отложений. В работах ВТИ точечное измерение толщины слоя отложений на поверхности проводилось методом прокалывания. При этом фиксировались соприкосновения иглы с поверхностью слоя из металлической подложкой (поверхностью тела). Фиксация проводилась гальванометром или по отклонению стрелки механического индикатора, связанного с иглой. Основное преимущество этих методов в простоте исполнения и возможности проведения измерений в потоке без разрушения слоя. Измерения слоя электропроводных частиц можно также проводить методом локальной электропроводности, которой успешно использовался для однородных жидких либо твердых сред.

Большинство исследований (56,64) показывает, что основная масса отложений оседает за достаточно короткий промежуток времени, и только в этот период наблюдается скорости нарастания величены отложений от концентрации частиц в потоке. Согласно данным(57),сыпучие отложения образуются, как правило, на тыльной, в виде,,бород,,,реже лобовой стороне труб и не дают прогрессивно нарастающих отложений. В опытах ВТИ (56) также установлено, что сыпучие зольные отложения формируются в основном на кормовой области. На лобовой стороне образования слоя из очень тонких фракций происходит только при малых скоростях газового потока. С повышением скорости величина отложений в кормовой области также уменьшается. Опыты (80,102) показали, что первичный слой отложений обычно содержит очень тонкие фракции (0.1-1.5 мкм) и при отсутствии регулярной очистки уплотняется. При наличии регулярной очистки удается удалить только аутогезионный слой, первичный адгезионный слой пыли остается (80).Поэтому в (80) высказывается мысль, что дальнейшее развитие методов очистки от отложений должно идти в направлении создания эффективных методов с образованием тонких внутренних,,нетеплопроводных,, слоев отложений и, в частности, посредством применения присадок, разрыхляющих отложения пыли.

4.5.6. Осаждение под действием силы тяжести (пылевые камеры, отстойники)

/ 22,стр.93 /

Теоретическая зависимость для скорости осаждения сферической частицы получена Стоксом на основе приравнивания сил сопротивления (c_f = 24/ Re_Т) и вязкостного трения и которая справедлива при Re_T < 0,2 и Ar_T < 3,6

w_OC = (r_T - r)× g × d²_T/ 18×r×n = t_РЕЛ× g, (1)

здесь r_T, d_T -плотность и размер частицы; r, n - плотность и вязкость среды; t_РЕЛ - время релаксации.

При любом режиме скорость осаждения определяется следующим образом:

1. определяется число Архимеда

Ar_T = g × (r_T - r) × d³_T / r × n (2)

2. По найденному числу Архимеда Ar_T определяем число Рейнольдса Re_Т/ 17, стр. 46 /

Re_Т = 4 × Ar_T/ 3 × с_f (3)

и далее скорость осаждения:

w_OC = Re_Т× n / d_T (4)

Для частиц неправильной формы (С_f – есть функция коэффициента формы f и Re) можно выделить следующие режимы изменения коэффициента сопротивления и, соответственно, четыре режима обтекания:

	Режим обтекания	Коэффициент Формы f= (F/F_Ш)_V₌_idem	Число Рейнольдса	Коэффициент сопротивления
			Re_Т	с_f
а)	Автомодельная область	1,15 ¸ 1,2	400 ¸ 5500	1,1
		1,40 ¸ 1,5	300 ¸ 5000	1,8

б)	I-ая переходная область	1,15 ¸ 1,2	30 ¸ 400	3,54 × Re_Т^{- 0,2}
	(превуалируют силы инер-
	Ции)	1,40 ¸ 1,5	45 ¸ 300	6 × Re_Т^{- 0,2}
в)	II -ая переходная область	1,15 ¸ 1,2	1 ¸ 30	9,8 × Re_Т^{- 0,5}
	(превуалируют силы
	Вязкости)	1,40 ¸ 1,5	1 ¸ 45	19 × Re_Т^{- 0,5}
г)	Область линейного закона	1,15 ¸ 1,5	0,05¸ 2,0	24 × Re_Т^{- 1}
	Сопротивления (закон
	Стокса)

Дать определение скорости витания, это таже скорость осаждения. Для движущихся потоков V _ОТ- это сила вязкости и инерции, а не тяжести.

3. Диаметр осаждающейся частицы при известной скорости определяют обратным путем: то есть по числу Рейнольдса определяется число Архимеда и высчитывается скорость осаждения.

4. Площадь осаждения F_ОС(в м ²) пылеосадительной камеры или отстойника для суспензий (взвесей) определяют по формуле:

F_ОС = V / w^’_OC (5)

где V - объемный расход жидкости, проходящей через аппарат параллельно поверхности осаждения, м³/с; w^’_OC - средняя расчетная скорость осаждения частиц, м/с.

Отношение средней расчетной скорости осаждения частиц к зависит от объемной концентрации суспензии. Обычно принимается, что средняя расчетная скорость осаждения частиц равной половине скорости осаждения одиночной шарообразной частицы:

w^’_OC = 0,5 × w_OC (6)

5. В применении к отстойнику непрерывного действия для отстаивания суспензий формула (5) принимает вид:

F_ОС = G_H× [ 1 - (c_H/ c_СГ) ] / r × w^’_OC (7)

или

F_ОС = [ V₀× (x_СГ- х_Н) ] / х_СГ × w^’_OC(8)

Здесь F_ОС - площадь осаждения отстойника, м²; G_H - массовый расход начальной (разбавленной) суспензии, кг/с; c_H, c_СГ - массовая концентрация твердой фазы в начальной и сгущенной (шламе) суспензии, кг/кг; r - плотность осветвленной жидкости, кг/кг; V₀- объемный расход жидкой фазы, содержащейся в начальной суспензии, м³ / с; (x_Н, х_СГ - концентрация начальной суспензии и шлама, кг твердой фазы / кг жидкой фазы.

4.6. Фильтрование / 22, стр. 98 /

1. При постоянном перепаде давления на фильтре (Dр =const) объем фильтрата V, прошедшего через 1 м² фильтрующей поверхности за время t, и продолжительность фильтрования t связаны уравнением:

V² + 2×V×C=K×t (1)

где C - константа фильтрования, характеризующая гидравлическое сопротивление фильтрующей перегородки (ткани), м³/м²; K - константа фильтрования, учитывающая режим процесса фильтрования и физико-химические свойства осадка и жидкости, м²/с; t - продолжительность фильтрования, с. Константы C и K определяются опытным путем.

2. Константа фильтрования К связана с удельным сопротивлением осадка зависимостью:

K = 2×Dp / m × c × r (2)

где Dp - перепад давления на фильтре, Па; m - динамический коэффициент вязкости фильтрата, Па × с; r -удельное сопротивление осадка (в расчете на 1 кг содержащегося в нем твердого сухого вещества, м/кг; с - масса сухого твердого вещества, отлагающегося на фильтре при прохождении через фильтрующую поверхность 1 м³ фильтрата, кг/м³.

Если выразить массу сухого вещества через массовую концентрацию твердой фазы в суспензии х [ кг/кг ] и массу m [ кг/кг ] влажного осадка в расчете на 1 кг содержащегося в нем сухого вещества, то получим:

с = r ×х / (1 - m×x) (3)

здесь r - плотность фильтрата, кг/м³.

После подстановки (3) в (2) получим:

K = 2×Dp × (1 - m×x) / m × r ×х × r (4)

3. Константа фильтрования С определяется выражением:

С = r_TK / r×c (5)

или в соответствии с уравнением (3):

С = r_TK × (1 - m×x) / r ×х × r (6)

где r_TK - удельное сопротивление фильтрующей ткани (на 1 м² фильтрующей поверхности), м/м²; r - удельное сопротивление осадка, м/кг.

4. Количество сухого вещества G (в кг) в осадке, получаемом на фильтре, зависит от собранного фильтрата V, плотности фильтрата r, массовой доли твердой фазы в суспензии х, влажности осадка (выражаемой массовым отношением m) и может быть вычислено по формуле:

G = V×c = V×r ×x / (1 - m×x) (7)

5. Массовая концентрация твердой фазы в суспензии в зависимости от плотности суспензии r_С и плотности твердой фазы выражается зависимостью:

х = (r_С- r) ×r_ТВ / (r_ТВ - r) × r_С(8)

Плотность суспензии:

r_С= (n + 1) / [ (1 / r_ТВ) + (n / r) ] (9)

где n - масса жидкой фазы в суспензии на единицу массы твердой фазы (Т: Ж = 1: n). По формуле (9) можно вычислить и плотность влажного осадка, рассматривая его как концентрированную суспензию.

4.7. Гидродинамика взвешенного слоя / 22, стр. 104 /

1. Взвешенные слои можно отнести к классу полупроточных и псевдоожиженных систем. Для неподвижного слоя твердых частиц порозность, то есть относительная доля объема занятая газообразным компонентом, определяется отношением:

e = 1 - b = (V - V_T) / V, (10)

В том случае, когда плотностью среды между частицами можно пренебречь по сравнению с плотностью самих частиц порозность определяется выражением:

e = 1 - (r_ОБ/ r_Т) (11)

где V, V_Т - общий объем занимаемый слоем и частицами, r_ОБ, r_Т - объемная плотность слоя и материала твердых частиц.

Для неподвижного слоя сферических частиц одинакового размера порозность колеблется в пределах 0,38 ¸ 0,42, в расчетах обычно принимается e = 0.4.

2. Условием перехода неподвижного слоя твердых частиц во взвешенное состояние является равенство силы давления со стороны среды, то есть перепад давления по высоте слое, и веса слоя, приходящегося на единицу площади его поперечного сечения. Скорость потока, при которой сопротивление слоя становиться равным весу слоя, приходящимся на единицу площади поперечного сечения, и при которой частицы неподвижного слоя переходят во взвешенное состояние, называется критической скоростью или скоростью псевдоожижения. Согласно эмпирических зависимостей при средней порозности e = 0,4, с погрешностью до 20% она может быть определена по зависимости:

Re_КР = Ar / (1400 + 5,22× Ar^0,5) (12)

здесь Re_КР = w_КР× d_T / n, а w_КР - скорость потока, отнесенная к полному сечению аппарата;

Ar = d_T³× g × (r_T - r) / r × n.

Для частиц неправильной формы вводиться понятие эквивалентного диаметра d_Эс учетом формфактора Ф по отношению к диаметру шара, которое подставляется вместо d_T, то есть:

d_э= d_T× f (13)

Формфактор Ф может быть определен по зависимости:

f = 0,207×S / V ^2/3(14)

где S, V - поверхность и объем частицы.

3. При увеличении скорости потока w происходит расширение взвешенного cлоя, то есть увеличение его высоты и величины порозности. Высота взвешенного слоя h связана с высотой неподвижного слоя h₀ соотношением:

h = (1 - e) × h₀/ (1 - e_ВЗ) (15)

Порозность взвешенного слоя e_ВЗ может быть посчитана по эмпирической зависимости:

e_ВЗ = [ (18×Re_T + 0,36×Re_T²) /Ar_T ]^0,21 (16)

Отношение рабочей скорости газа, отнесенной к полному сечению аппарата, к критической скорости называют числом псевдоожижения:

К_w = w/ w_KP (17)

4. Скорость потока, при которой одиночная частица переходит во взвешенное состояние, называется скоростью витания. Она приближенно соответствует началу разрушения монодисперсного взвешенного слоя. Скорость витания может быть определена по зависимости Аэрова-Тодеса:

Re_ВИТ = Ar_Т/ (18 + 0,61× Ar_Т) (18)

5. Среднее время пребывания t₀ частицы твердого материала во взвешенным монодисперсным слоем определяется выражением:

t₀ = M / L (19)

где М - масса материала, находящегося в слое; L - расход твердого материала, кг/с. Ввиду интенсивного перемешивания долю частиц х, имеющих действительное время перемешивания в слое не меньше, чем t можно определить по зависимости:

х = ехр (- t / t₀) (20)

⇐ Предыдущая 1 2 345 6 7 8 9 10 Следующая ⇒