 |
Теплообменники с дисперсными теплоносителями
|
|
|
|
Рассмотрим теплообменники главной и общей чертой которых является использование в качестве одного из теплоносителей дисперсной системы или ее дискретной части. Под дисперсными системами понимается гетерогенная структура, состоящая из псевдосплошной дисперсионной среды и дискретной дисперсной среды, отделенные друг от друга развитой поверхностью раздела. Причем рассматриваются системы в которых отсутствуют фазовые переходы между компонентами, а конкретнее системы типа "газ - твердые частицы". Подобные системы имеют многочисленные технические приложения: это и сушка в слое материала и взвешенных частиц, это камерное сжигание топлива, регенеративные и рекуперативные теплообменники с промежуточным твердым теплоносителем, химические реакторы с движущимся слоем катализатора или твердого сырья, это и тепловая защита поверхностей слабозапыленным потоком, атомные реакторы со слоем шаровых твэлов и запыленным потоком в парогенераторе и т.д.
Размеры частиц и их геометрическая конфигурация, а следовательно и поверхность межкомпонентного теплообмена, концентрации компонентов, физические свойства компонентов или эффективные характеристики теплоносителя в целом, проточность системы во многом определяют эффективность использования дисперсных систем в промышленных теплоэнергетических объектах. Крупные частицы ускоряют процесс дестабилизации крупных вихрей осредненного движения несущей среды, в то время как мелкие, малоинерционные частицы, приводят к вымораживанию мелкомасштабных пульсаций, интенсифицируя процесс вязкой диссипации.
Использование дисперсных теплоносителей основано не только на необходимомсти перерабатывать разнородные сыпучие материалы, но и на возможности управлять свойствами обычных, однородных потоков путем добавления к ним различного количества дисперсных частиц. Физические и геометрические характеристики которых могут быть специально подобраны с целью повышения объемной теплоемкости потока, интенсификации теплообмена, повышения температурного уровня. При этом возможно проявление особых требований к конструкциям теплообменных камер, участкам ввода и вывода дисперсного теплоносителя и т.п.
|
|
|
По принципу действия теплообменников с дисперсными теплоносителями используется традиционное подразделение на:
1) регенераторы, в которых реализуется межкомпонентный теплообмен греющего и нагреваемого газов с твердой насадкой;
2) рекуператоры, в которых используется принцип теплообмена поверхности со всем дисперсным потоком;
3) комбинированные аппараты, в которых, например, камера нагрева реализована как регенератор, а в камере охлаждения реализован рекуперативный принцип действия.
По взаимному направлению движения теплоносителей могут быть реализованы любые схемы - прямоток, противоток, перекрестная, многоходовая схемы движения теплоносителей, все зависит от возможности реализации конструктивных решений. Схемы движения теплоносителей могут быть замкнуты по контурам, а могут быть и разомкнуты по одному или по обоим компонентам.
Для теплообменников типа «движущийся продуваемый слой» более распространены схемы противоточного типа. При этом для гравитационно движущего слоя установлены критические значения числа Фруда
Fr = g D / v2пр ,
и соответствующих критериев проточности, определяющие границы перехода от плотного слоя (Fr > 5; К < 0,4) к переходному режиму (1,5 < Fr < 5; 0,4 < K < 1,3) и далее к падающей взвеси (Fr < 1, 5; K > 1,33).
С увеличением концентрации твердых частиц увеличивается эффективная плотность и объемная теплоемкость дисперсного потока:
|
|
|
rп / r = e + rт b / r @ 1 + m в,
и при отсутствии температурного скольжения
1 + m ст / ср rп
сп /ср = —————— ——
1 + m r
Для слоевых систем объемная теплоемкость практически равна объемной теплоемкости твердого компонента и не зависит от рода газовой среды и давления
с сл = с т r т b + с r (1 - b) @ с т r об
Эффективные коэффициенты теплопроводности для слоевых систем, в зависимости от концентрации и температуры, обычно аппроксимируются зависимостью вида
l эфф, 0 = А lg [(0,74 - 0,31 b) / (0,74 - b ], l эфф, t = lэфф, 0 (1 + B t),
где А и В - эмпирические коэффициенты.
В отличие от однородных теплоносителей необходимо учитывать не только взаимодействие потока со стенками канала, но и взаимодействие компонентов для определения абсолютной и относительной скорости частиц, их истинной концентрации, проведения тепловых расчетов, пульсационных характеристик и пр. С этой точки зрения важнейшей характеристикой является относительная скорость движения частиц, которую они достигают при равномерном движении. Определяется она из условия равенства гравитационной и аэродинамических сил и называется скоростью витания (или взвешивающей скоростью, гидравлической крупность, скоростью равномерного оседания, скоростью сендиментации и пр.):
4 g (rт - r) dт
vв = vотн = [ —— ——————— ] 0,5
3 r Cf
либо в безразмерном виде
4 Arт g (r т - r) d3
Reв = — ———, где Arт = ——————
3 Cf r n2
Поскольку в данное выражение входит коэффициент сопротивления, являющийся функцией данной скорости, то расчет проводят итерациями. В общем случае коэффициент сопротивления зависит также от форм-фактора (f = (Fт / Fш) при Vт = idem), истинной объемной концентраци частиц. Взаимодействия частиц со стенками канала также обуславливает отличие предельной относительной скорости от скорости витания.
Интерполяционные формулы для расчетов имеют вид:
Reв = Arт (18 + 0,61 Arт)0,5 ;
В псевдоожиженных (полупроточных) системах важными гидромеханическими характеристиками являются скорость начала псевдоожижения и скорость уноса. Для расчета скорости начала псевдоожижения может быть использована эмпирическая зависимость Горошко В.Д.
|
|
|
Re н.п. = Arт / (1400 + 5,22 Ö Arт)
Связь между порозностью псевдоожиженного слоя e и физическими параметрами компонентов определяется по
e = (18 Re + 0,36 Re2 )0,21 / Arт 0,21
Число Рейнольдса рассчитывается по скорости смеси в поперечном сечении аппарата и диаметру частиц. Для скорости уноса частиц из псевдоожиженного слоя Гупало Ю.Д. предложена зависимость
(rт - r)
Re ун = Arт e 4,81 / { 18 + 0,61 e 3,3 [ Arт (1 + ¾¾¾¾ b ] 0,5 }
r
Для расчета интенсивности конвективного теплообмена используются эмпирические зависимости традиционного вида, в которые кроме этого входят определяющие безразмерные комплексы учитывающие специфику дисперсного теплоносителя. Это может быть расходная концентрация, относительная скорость движения компонентов, отношение геометрических характеристик канала и частиц, отношение теплоемкостей.
Как и в случае расчета обычных теплообменников тепловой расчет теплообменников с дисперсными теплоносителями базируется на уравнениях теплового баланса и уравнении теплопередачи. Единственной отличительной чертой является необходимость учета помимо внешнего термического сопротивления внутреннее термическое сопротивление межкомпонентного конвективного теплообмена частицы с окружающей средой.
При расчете аэродинамического сопротивления дисперсных потоков по сравнению с однородными потоками необходимо учитывать взаимодействие дисперсной среды (частиц) со стенками канала, действие массовых сил компонентов потока, ускорение и торможение компонентов. При расчетах используются эмпирические зависимости и принцип наложения потерь. В общем случае
Eu = DPп / r v = f (Ho т = vт t / L, Fr т, Re, Re в , m, r т / r, L / D, D/d т, f)
2.9.1. Естественное запыление и очистка поверхностей
|
|
|
