КАЧЕСТВО ПСЕВДООЖИЖЕНИЯ: ПУТЬ К ЭНЕРГОРЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИМ ТЕХНОЛОГИЯМ
67
УДК 536.24: 66.096.5
В. П. ХОДУНКОВ
КАЧЕСТВО ПСЕВДООЖИЖЕНИЯ: ПУТЬ К ЭНЕРГОРЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИМ ТЕХНОЛОГИЯМ
Показана связь качества псевдоожижения с характеристиками тепломассопереноса псевдоожиженного слоя. Приведены результаты экспериментальных исследований и их анализ в целях практического использования для диагностики промышленных аппаратов.
Ключевые слова: качество псевдоожижения, диагностика, коэффициент диффузии, эффективность перемешивания, частота тепловых колебаний.
Введение. Для технологических процессов, проводимых с использованием псевдоожиженного (кипящего) слоя, определяющее значение имеет оптимальная организация движения
дисперсного материала. Обобщенной характеристикой гидродинамических и тепломассообменных процессов в слое является качество псевдоожижения.
В настоящее время известны несколько способов оценивания указанного параметра. Один из первых предложен в работе [1], где качество псевдоожижения определяется по фор-
муле
ξ = βϑpv / U f ,
(1)
где ϑpv = H0 R / τ — вертикальная скорость частиц слоя, м/с; H0 — высота слоя при минимуме
псевдоожижения, м; τ — время прохождения частицами вертикального габарита слоя, с; R — степень расширения слоя; β — численная постоянная, определяемая эксперименталь-
но; U f — скорость фильтрации газа через слой, м/с.
Другой способ [2] предусматривает определение качества псевдоожижения по формуле
ξ = (1 − ε) f0 ft ,
(2)
где ε — порозность псевдоожиженного слоя; f0 , ft — частоты флуктуаций порозности и
температуры слоя соответственно, Гц. Оба способа в достаточной степени адекватны процессу, в то же время какие-либо же-
сткие связи введенного параметра ξ с основными характеристиками псевдоожиженного слоя
(коэффициентом перемешивания, эффективной температуропроводностью и др.) в них не установлены.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2013. Т. 56, № 1
68 В. П. Ходунков
Параметр качества псевдоожижения, в первую очередь, должен характеризовать интенсивность перемешивания твердой фазы в кипящем слое (КС). Поскольку в кипящем слое эффективная температуропроводность aэф и коэффициент перемешивания Dсм практически
тождественны: aэф = Dсм [3], установление связи параметра качества псевдоожижения с дан-
ными характеристиками приобретает еще большую актуальность. Сложность решения задачи усугубляется отсутствием единого похода к определению коэффициента перемешивания. Измеренные разными авторами значения Dсм для различных условий отличаются на 2—3 порядка и более. В теоретических же исследованиях величина Dсм связывается только с параметрами газовых пузырей слоя или предлагаются корреляции между критериальными числами, содержащими внутренние параметры самого кипящего слоя, но не аппарата.
Второе обстоятельство, влияющее на сложность решения задачи, заключается в том, что значения Dсм в крупномасштабных промышленных аппаратах значительно превышают значения Dсм , измеренные в лабораторных установках малого диаметра. Это указывает на тесную связь интенсивности перемешивания с циркуляционными потоками твердой фазы. К сожалению, никому из исследователей, предлагавших различные корреляции для коэффициента Dсм , не удалось корректно отразить влияние масштаба аппарата с кипящим слоем на величину Dсм .
Цель исследования, описываемого в настоящей статье, — установление связи параметра качества псевдоожижения ξ с эффективной температуропроводностью слоя aэф , коэффици-
ентом перемешивания Dсм и масштабами аппарата с КС, а также определение физической сущности и практической значимости введенного параметра качества псевдоожижения.
Решение. Известно, что при обычной молекулярной диффузии в газе коэффициент диффузии равен Dг = 1 / 3ϑl , где ϑ — средняя скорость хаотического движения молекул,
l — средняя длина свободного пробега молекул; при нормальных условиях Dг = 10−5 м2/с. Для потока, турбулизированного движущимися массами твердой фазы, сохраняется
структура выражения для эффективного коэффициента перемешивания, но абсолютное его значение на несколько порядков выше, чем в газе [3]:
Dсм = aэф = ϕϑp Lц ,
(3)
где ϑp — средняя циркуляционная скорость масс твердой фазы, м/c; Lц — основной мас-
штаб пульсаций (путь смешения — циркуляции), м; ϕ ≅0,1 — численный коэффициент. Для псевдоожиженных систем основной масштаб пульсаций Lц определяется геомет-
рическими размерами слоя — диаметром аппарата 2R и насыпной высотой слоя H0 , а его предельное значение равно (рис. 1)
Lцmax = 2 ( H0 N + 2R) ,
(4)
где N — количество циркуляционных контуров. Средняя циркуляционная скорость ϑp масс твердой фазы определяется частотой f0
гравитационных колебаний, габаритами слоя, структурными параметрами, технологическими и конструктивными особенностями аппарата. Поэтому теоретическое предсказание величины ϑp весьма затруднительно, да и не целесообразно ввиду некорректности любых применяе-
мых моделей и упрощений, изначально имеющих высокую погрешность. Все известные рас-
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2013. Т. 56, № 1
Качество псевдоожижения: путь к энергоресурсосберегающим технологиям
69
четные соотношения для ϑp получены на основе обобщения экспериментальных данных.
Так, в работах [3, 4] предложена следующая формула:
ϑp ϕ1 f0 H0 ,
(5)
где ϕ1 = 0,816 .
2R
1 2 … N–1 N
Н0
ϑр
Lц max
Газ
Рис. 1
Рассмотрим новое соотношение для aэф , Dсм . В результате многочисленных экспери-
ментов, выполненных на установках различного масштаба (от 0,2 до 9 м), выявлено наличие
низкочастотной составляющей в спектре флуктуаций температуры и теплового потока на гра-
нице раздела псевдоожиженный слой — поверхность [5, 6]. Значения частоты ft тепловых
колебаний на порядок меньше значений частоты f0 гравитационных колебаний слоя (рис. 2).
Наличие низкочастотной составляющей ft обусловлено неравномерностью температурного
поля в объеме аппарата и процессом перемешивания материала. Как следует из эксперимен-
тальных данных, отношение частот стремится к значению 2(H0 N + 2R) / H0 . Характер изме-
нения величин f0 , ft и зависимость частоты f0 от масштаба аппарата хорошо описываются
известной формулой [3]
f0
≈
1 2π
g / H0 ,
где g — ускорение свободного падения.
(6)
f, Гц
2,5
2
1,5 f0
1
0,5
10ft
0 0,5 1 1,5 Н0, м
Рис. 2
Масштаб пульсаций Lц может быть выражен через указанную выше частоту ft тепловых колебаний слоя:
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2013. Т. 56, № 1
70 В. П. Ходунков
Lц = ϑp / ft .
(7)
Здесь следует особо отметить, что тепловые флуктуации (температуры, теплового потока) в
каждом конкретном аппарате происходят в широком спектре частот в диапазоне 10−3 —10 Гц
в зависимости от размеров слоя [5]. Из выражений (3), (5) и (7) следует
Dсм = aэф = ϕϕ12 H02 f02 / ft .
(8)
С другой стороны, коэффициент перемешивания можно выразить через эффективное сечение
переноса Sэф = L2ц , тогда
Dсм = aэф = Sэф ft = L2ц ft .
(9)
Используя формулы (8), (9), получаем следующие соотношения:
Sэф
= ϕϕ12 H02
f02 ft2
⇒ Lц
= ϕ1
ϕ ⋅ H0
f0 . ft
Входящее в данные выражения отношение f0 / ft назовем параметром качества псевдоожижения ξ .
Физическая сущность введенного здесь параметра: „качество псевдоожижения характеризует площадь эффективного сечения, в котором происходит активное перемешивание
твердой фазы, при этом чем выше значение параметра качества, тем бóльшая часть слоя в технологическом аппарате находится в интенсивном гидродинамическом и тепловом ре-
жимах“.
В случае идеального перемешивания Lц = Lцmax , тогда с учетом выражения (4) получаем
Lц Lц max
= ϕ1
ϕ
⋅
H0 2(H0 +
2R)
f0 ft
= η,
где η — новый вводимый термин — эффективность перемешивания.
С учетом известных значений ϕ1 = 0,816 , ϕ = 0,1 получаем расчетную формулу:
η
=
0,129
H
H0 0 + 2R
ξ
.
По величине η можно судить о том, какая часть (доля объема) слоя участвует в актив-
ном перемешивании, что в дальнейшем важно для диагностики аппаратов с кипящим слоем.
Экспериментально-диагностические исследования. С использованием методик и средств измерения, разработанных в исследовательской лаборатории кафедры теплофизики Санкт-Петербургского национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики [6—8], был проведен сравнительный анализ характеристик различных лабораторных установок и промышленных аппаратов. Полученные результаты
представлены в таблице, где f0 , ft — усредненные значения измеренных частот.
Тип аппарата, место установки
2R, м H0, м
f0 , Гц
ft , Гц
N
ξ
η⋅100 %
aэф = Dсм ,
м2/с
Лабораторная установка c КС 0,2 0,12 2,5 0,15 1 17
82
0,04
Лабораторная установка c КС 0,25 0,25 2,1 0,25 1 8
52
0,07
Обжиговая печь КС-450
9,0 1,8 0,2 0,008 4 25
36
1,08
Кристаллизатор-гранулятор
1,6 0,4 1,1 0,07 3 16
30
0,18
Топка c кипящим слоем
6,0 0,8 0,5 0,01 6 50
48
1,06
На рис. 3 представлен график распределения показателя эффективности перемешивания η по радиусу R аппарата (где R соответствует расстоянию от стенки аппарата).
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2013. Т. 56, № 1
Качество псевдоожижения: путь к энергоресурсосберегающим технологиям
71
Экспериментальные значения эффективной температуропроводности aэф рассчитыва-
лись по формуле (8), теоретические значения — по известной формуле [3]
арасч
=
1 60
gH
3 0
.
η, %
70
60
50
40
30 20
10
0
0,2 0,4
0,6 R, м
Рис. 3
Анализ результатов. Лабораторные установки, работающие при комнатных температурах и имеющие небольшие габариты, обеспечивают высокую эффективность перемешивания. Промышленные аппараты имеют меньшую эффективность, что связано с менее равномерным газораспределением, обусловленным конструкцией газораспределительной решетки. Однако существуют способы улучшения перемешивания слоя — в частности, введение в слой специальных активаторов или насадок: например, топка с кипящим слоем (см. таблицу) оснащена активизирующей перемешивание насадкой в виде „пучка“ труб, расположенных в шахматном порядке.
Эффективная температуропроводность слоя и коэффициента перемешивания, рассчи-
танные по измеренным частотам f0 , ft и формулам (8), (9) для ϕ = 0,1 и ϕ1 = 0,816 , имеют высокие значения, определяемые диапазоном 0,04—0,1 м2/с для небольших аппаратов, но могут достигать и величин порядка 1,0 м2/с для крупных аппаратов. Следует заметить, что аналогичные высокие значения указанных параметров получены в работе [9].
Установлено, что эффективность перемешивания значительно изменяется вдоль сече-
ния аппарата (см. рис. 3). Соотношение максимального и минимального значений η может достигать порядковых величин, что указывает на высокую неравномерность процессов тепломассопереноса в псевдоожиженном слое, особенно в аппаратах промышленного масштаба. Это является следствием, в первую очередь, конструктивных недостатков аппаратов, а также неэффективной организации технологического процесса.
Заключение. Впервые обоснована целесообразность и физическая сущность введенного ранее параметра качества псевдоожижения — показана его прямая связь с характеристиками тепломассопереноса. Особую практическую значимость представляет новый параметр — эффективность перемешивания, введение которого позволяет оптимизировать конструкцию промышленных аппаратов с псевдоожиженным слоем и осуществлять качественное управление, обеспечивающее требуемую энергетическую эффективность технологического процесса и его ресурсосбережение.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Лева М. Псевдоожижение. М.: Гостоптехиздат, 1961. 400 с.
2. А. с. 1170329 СССР. Способ количественной оценки качества псевдоожижения / О. М. Тодес, В. Я. Чушев, О. Б. Цитович, Н. В. Пилипенко, В. М. Ключев // Б.И. 1985. № 28.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2013. Т. 56, № 1
72 В. П. Ходунков
3. Тодес О. М. Цитович О. Б. Аппараты с кипящим зернистым слоем. Л.: Химия, 1981. 296 с.
4. Ходунков В. П. Исследование теплообмена в псевдоожиженном слое // XV Королевские чтения МФТИ: Сб. науч. тр. М., 1984. Деп. ВИНИТИ. № 6660-84. С. 42—44.
5. Ходунков В. П. Устройство для анализа низкочастотных колебаний температуры // Изв. вузов СССР. Приборостроение. 1987. Т. 30, № 1. С. 90—92.
6. Дульнев Г. Н., Пилипенко Н. В., Ключев В. М., Ходунков В. П. Методы и устройства для измерения структурно-гидродинамических и тепловых параметров псевдоожиженных систем // Проблемные доклады Минск. междунар. форума по тепломассообмену. Минск: Ин-т тепломассообмена, 1988. С. 171—182.
7. Пилипенко Н. В. Динамический метод измерения эффективных температур и коэффициентов теплоотдачи в псевдоожиженных слоях // Приборы. 2004. № 10. С. 37—39.
8. Дульнев Г. Н., Пилипенко Н. В., Ходунков В. П. Теплофизические аспекты процесса псевдоожижения в энергетических установках // Изв. вузов. Приборостроение. 2010. Т. 53, № 3. С. 83—89.
9. De Groot J. H. Proc. Intern. Symp. Fluidis, Eindhoven. Amsterdam, 1967. P. 348.
Вячеслав Петрович Ходунков
Сведения об авторе — канд. техн. наук; НИЦ по скрытности и защите кораблей ВУНЦ ВМФ
„Военно-морская академия им. Н. Г. Кузнецова“, Санкт-Петербург; E-mail: walkerearth@mail.ru
Рекомендована кафедрой компьютерной теплофизики и энергофизического мониторинга СПб НИУ ИТМО
Поступила в редакцию 24.04.12 г.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2013. Т. 56, № 1
УДК 536.24: 66.096.5
В. П. ХОДУНКОВ
КАЧЕСТВО ПСЕВДООЖИЖЕНИЯ: ПУТЬ К ЭНЕРГОРЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИМ ТЕХНОЛОГИЯМ
Показана связь качества псевдоожижения с характеристиками тепломассопереноса псевдоожиженного слоя. Приведены результаты экспериментальных исследований и их анализ в целях практического использования для диагностики промышленных аппаратов.
Ключевые слова: качество псевдоожижения, диагностика, коэффициент диффузии, эффективность перемешивания, частота тепловых колебаний.
Введение. Для технологических процессов, проводимых с использованием псевдоожиженного (кипящего) слоя, определяющее значение имеет оптимальная организация движения
дисперсного материала. Обобщенной характеристикой гидродинамических и тепломассообменных процессов в слое является качество псевдоожижения.
В настоящее время известны несколько способов оценивания указанного параметра. Один из первых предложен в работе [1], где качество псевдоожижения определяется по фор-
муле
ξ = βϑpv / U f ,
(1)
где ϑpv = H0 R / τ — вертикальная скорость частиц слоя, м/с; H0 — высота слоя при минимуме
псевдоожижения, м; τ — время прохождения частицами вертикального габарита слоя, с; R — степень расширения слоя; β — численная постоянная, определяемая эксперименталь-
но; U f — скорость фильтрации газа через слой, м/с.
Другой способ [2] предусматривает определение качества псевдоожижения по формуле
ξ = (1 − ε) f0 ft ,
(2)
где ε — порозность псевдоожиженного слоя; f0 , ft — частоты флуктуаций порозности и
температуры слоя соответственно, Гц. Оба способа в достаточной степени адекватны процессу, в то же время какие-либо же-
сткие связи введенного параметра ξ с основными характеристиками псевдоожиженного слоя
(коэффициентом перемешивания, эффективной температуропроводностью и др.) в них не установлены.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2013. Т. 56, № 1
68 В. П. Ходунков
Параметр качества псевдоожижения, в первую очередь, должен характеризовать интенсивность перемешивания твердой фазы в кипящем слое (КС). Поскольку в кипящем слое эффективная температуропроводность aэф и коэффициент перемешивания Dсм практически
тождественны: aэф = Dсм [3], установление связи параметра качества псевдоожижения с дан-
ными характеристиками приобретает еще большую актуальность. Сложность решения задачи усугубляется отсутствием единого похода к определению коэффициента перемешивания. Измеренные разными авторами значения Dсм для различных условий отличаются на 2—3 порядка и более. В теоретических же исследованиях величина Dсм связывается только с параметрами газовых пузырей слоя или предлагаются корреляции между критериальными числами, содержащими внутренние параметры самого кипящего слоя, но не аппарата.
Второе обстоятельство, влияющее на сложность решения задачи, заключается в том, что значения Dсм в крупномасштабных промышленных аппаратах значительно превышают значения Dсм , измеренные в лабораторных установках малого диаметра. Это указывает на тесную связь интенсивности перемешивания с циркуляционными потоками твердой фазы. К сожалению, никому из исследователей, предлагавших различные корреляции для коэффициента Dсм , не удалось корректно отразить влияние масштаба аппарата с кипящим слоем на величину Dсм .
Цель исследования, описываемого в настоящей статье, — установление связи параметра качества псевдоожижения ξ с эффективной температуропроводностью слоя aэф , коэффици-
ентом перемешивания Dсм и масштабами аппарата с КС, а также определение физической сущности и практической значимости введенного параметра качества псевдоожижения.
Решение. Известно, что при обычной молекулярной диффузии в газе коэффициент диффузии равен Dг = 1 / 3ϑl , где ϑ — средняя скорость хаотического движения молекул,
l — средняя длина свободного пробега молекул; при нормальных условиях Dг = 10−5 м2/с. Для потока, турбулизированного движущимися массами твердой фазы, сохраняется
структура выражения для эффективного коэффициента перемешивания, но абсолютное его значение на несколько порядков выше, чем в газе [3]:
Dсм = aэф = ϕϑp Lц ,
(3)
где ϑp — средняя циркуляционная скорость масс твердой фазы, м/c; Lц — основной мас-
штаб пульсаций (путь смешения — циркуляции), м; ϕ ≅0,1 — численный коэффициент. Для псевдоожиженных систем основной масштаб пульсаций Lц определяется геомет-
рическими размерами слоя — диаметром аппарата 2R и насыпной высотой слоя H0 , а его предельное значение равно (рис. 1)
Lцmax = 2 ( H0 N + 2R) ,
(4)
где N — количество циркуляционных контуров. Средняя циркуляционная скорость ϑp масс твердой фазы определяется частотой f0
гравитационных колебаний, габаритами слоя, структурными параметрами, технологическими и конструктивными особенностями аппарата. Поэтому теоретическое предсказание величины ϑp весьма затруднительно, да и не целесообразно ввиду некорректности любых применяе-
мых моделей и упрощений, изначально имеющих высокую погрешность. Все известные рас-
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2013. Т. 56, № 1
Качество псевдоожижения: путь к энергоресурсосберегающим технологиям
69
четные соотношения для ϑp получены на основе обобщения экспериментальных данных.
Так, в работах [3, 4] предложена следующая формула:
ϑp ϕ1 f0 H0 ,
(5)
где ϕ1 = 0,816 .
2R
1 2 … N–1 N
Н0
ϑр
Lц max
Газ
Рис. 1
Рассмотрим новое соотношение для aэф , Dсм . В результате многочисленных экспери-
ментов, выполненных на установках различного масштаба (от 0,2 до 9 м), выявлено наличие
низкочастотной составляющей в спектре флуктуаций температуры и теплового потока на гра-
нице раздела псевдоожиженный слой — поверхность [5, 6]. Значения частоты ft тепловых
колебаний на порядок меньше значений частоты f0 гравитационных колебаний слоя (рис. 2).
Наличие низкочастотной составляющей ft обусловлено неравномерностью температурного
поля в объеме аппарата и процессом перемешивания материала. Как следует из эксперимен-
тальных данных, отношение частот стремится к значению 2(H0 N + 2R) / H0 . Характер изме-
нения величин f0 , ft и зависимость частоты f0 от масштаба аппарата хорошо описываются
известной формулой [3]
f0
≈
1 2π
g / H0 ,
где g — ускорение свободного падения.
(6)
f, Гц
2,5
2
1,5 f0
1
0,5
10ft
0 0,5 1 1,5 Н0, м
Рис. 2
Масштаб пульсаций Lц может быть выражен через указанную выше частоту ft тепловых колебаний слоя:
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2013. Т. 56, № 1
70 В. П. Ходунков
Lц = ϑp / ft .
(7)
Здесь следует особо отметить, что тепловые флуктуации (температуры, теплового потока) в
каждом конкретном аппарате происходят в широком спектре частот в диапазоне 10−3 —10 Гц
в зависимости от размеров слоя [5]. Из выражений (3), (5) и (7) следует
Dсм = aэф = ϕϕ12 H02 f02 / ft .
(8)
С другой стороны, коэффициент перемешивания можно выразить через эффективное сечение
переноса Sэф = L2ц , тогда
Dсм = aэф = Sэф ft = L2ц ft .
(9)
Используя формулы (8), (9), получаем следующие соотношения:
Sэф
= ϕϕ12 H02
f02 ft2
⇒ Lц
= ϕ1
ϕ ⋅ H0
f0 . ft
Входящее в данные выражения отношение f0 / ft назовем параметром качества псевдоожижения ξ .
Физическая сущность введенного здесь параметра: „качество псевдоожижения характеризует площадь эффективного сечения, в котором происходит активное перемешивание
твердой фазы, при этом чем выше значение параметра качества, тем бóльшая часть слоя в технологическом аппарате находится в интенсивном гидродинамическом и тепловом ре-
жимах“.
В случае идеального перемешивания Lц = Lцmax , тогда с учетом выражения (4) получаем
Lц Lц max
= ϕ1
ϕ
⋅
H0 2(H0 +
2R)
f0 ft
= η,
где η — новый вводимый термин — эффективность перемешивания.
С учетом известных значений ϕ1 = 0,816 , ϕ = 0,1 получаем расчетную формулу:
η
=
0,129
H
H0 0 + 2R
ξ
.
По величине η можно судить о том, какая часть (доля объема) слоя участвует в актив-
ном перемешивании, что в дальнейшем важно для диагностики аппаратов с кипящим слоем.
Экспериментально-диагностические исследования. С использованием методик и средств измерения, разработанных в исследовательской лаборатории кафедры теплофизики Санкт-Петербургского национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики [6—8], был проведен сравнительный анализ характеристик различных лабораторных установок и промышленных аппаратов. Полученные результаты
представлены в таблице, где f0 , ft — усредненные значения измеренных частот.
Тип аппарата, место установки
2R, м H0, м
f0 , Гц
ft , Гц
N
ξ
η⋅100 %
aэф = Dсм ,
м2/с
Лабораторная установка c КС 0,2 0,12 2,5 0,15 1 17
82
0,04
Лабораторная установка c КС 0,25 0,25 2,1 0,25 1 8
52
0,07
Обжиговая печь КС-450
9,0 1,8 0,2 0,008 4 25
36
1,08
Кристаллизатор-гранулятор
1,6 0,4 1,1 0,07 3 16
30
0,18
Топка c кипящим слоем
6,0 0,8 0,5 0,01 6 50
48
1,06
На рис. 3 представлен график распределения показателя эффективности перемешивания η по радиусу R аппарата (где R соответствует расстоянию от стенки аппарата).
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2013. Т. 56, № 1
Качество псевдоожижения: путь к энергоресурсосберегающим технологиям
71
Экспериментальные значения эффективной температуропроводности aэф рассчитыва-
лись по формуле (8), теоретические значения — по известной формуле [3]
арасч
=
1 60
gH
3 0
.
η, %
70
60
50
40
30 20
10
0
0,2 0,4
0,6 R, м
Рис. 3
Анализ результатов. Лабораторные установки, работающие при комнатных температурах и имеющие небольшие габариты, обеспечивают высокую эффективность перемешивания. Промышленные аппараты имеют меньшую эффективность, что связано с менее равномерным газораспределением, обусловленным конструкцией газораспределительной решетки. Однако существуют способы улучшения перемешивания слоя — в частности, введение в слой специальных активаторов или насадок: например, топка с кипящим слоем (см. таблицу) оснащена активизирующей перемешивание насадкой в виде „пучка“ труб, расположенных в шахматном порядке.
Эффективная температуропроводность слоя и коэффициента перемешивания, рассчи-
танные по измеренным частотам f0 , ft и формулам (8), (9) для ϕ = 0,1 и ϕ1 = 0,816 , имеют высокие значения, определяемые диапазоном 0,04—0,1 м2/с для небольших аппаратов, но могут достигать и величин порядка 1,0 м2/с для крупных аппаратов. Следует заметить, что аналогичные высокие значения указанных параметров получены в работе [9].
Установлено, что эффективность перемешивания значительно изменяется вдоль сече-
ния аппарата (см. рис. 3). Соотношение максимального и минимального значений η может достигать порядковых величин, что указывает на высокую неравномерность процессов тепломассопереноса в псевдоожиженном слое, особенно в аппаратах промышленного масштаба. Это является следствием, в первую очередь, конструктивных недостатков аппаратов, а также неэффективной организации технологического процесса.
Заключение. Впервые обоснована целесообразность и физическая сущность введенного ранее параметра качества псевдоожижения — показана его прямая связь с характеристиками тепломассопереноса. Особую практическую значимость представляет новый параметр — эффективность перемешивания, введение которого позволяет оптимизировать конструкцию промышленных аппаратов с псевдоожиженным слоем и осуществлять качественное управление, обеспечивающее требуемую энергетическую эффективность технологического процесса и его ресурсосбережение.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Лева М. Псевдоожижение. М.: Гостоптехиздат, 1961. 400 с.
2. А. с. 1170329 СССР. Способ количественной оценки качества псевдоожижения / О. М. Тодес, В. Я. Чушев, О. Б. Цитович, Н. В. Пилипенко, В. М. Ключев // Б.И. 1985. № 28.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2013. Т. 56, № 1
72 В. П. Ходунков
3. Тодес О. М. Цитович О. Б. Аппараты с кипящим зернистым слоем. Л.: Химия, 1981. 296 с.
4. Ходунков В. П. Исследование теплообмена в псевдоожиженном слое // XV Королевские чтения МФТИ: Сб. науч. тр. М., 1984. Деп. ВИНИТИ. № 6660-84. С. 42—44.
5. Ходунков В. П. Устройство для анализа низкочастотных колебаний температуры // Изв. вузов СССР. Приборостроение. 1987. Т. 30, № 1. С. 90—92.
6. Дульнев Г. Н., Пилипенко Н. В., Ключев В. М., Ходунков В. П. Методы и устройства для измерения структурно-гидродинамических и тепловых параметров псевдоожиженных систем // Проблемные доклады Минск. междунар. форума по тепломассообмену. Минск: Ин-т тепломассообмена, 1988. С. 171—182.
7. Пилипенко Н. В. Динамический метод измерения эффективных температур и коэффициентов теплоотдачи в псевдоожиженных слоях // Приборы. 2004. № 10. С. 37—39.
8. Дульнев Г. Н., Пилипенко Н. В., Ходунков В. П. Теплофизические аспекты процесса псевдоожижения в энергетических установках // Изв. вузов. Приборостроение. 2010. Т. 53, № 3. С. 83—89.
9. De Groot J. H. Proc. Intern. Symp. Fluidis, Eindhoven. Amsterdam, 1967. P. 348.
Вячеслав Петрович Ходунков
Сведения об авторе — канд. техн. наук; НИЦ по скрытности и защите кораблей ВУНЦ ВМФ
„Военно-морская академия им. Н. Г. Кузнецова“, Санкт-Петербург; E-mail: walkerearth@mail.ru
Рекомендована кафедрой компьютерной теплофизики и энергофизического мониторинга СПб НИУ ИТМО
Поступила в редакцию 24.04.12 г.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2013. Т. 56, № 1