Перенос теплоты в объеме псевдоожиженного слоя

Движение частиц в пределах псевдоожиженного слоя не является упорядоченным и отличается большой сложностью. Характер перемешивания материала в значительной степени зависит от геометрических размеров псевдоожиженного слоя и конструкции газораспределительной решетки. Проведенные измерения и анализ показали, что в настоящее время теоретическое решение задачи о движении частиц дисперсной фазы в псевдоожиженном слое невозможно. Поэтому основой изучения процессов теплопереноса в объеме псевдоожиженного слоя является гипотеза о возможности представления такого переноса наиболее простой формой – законом теплопроводности Фурье, в котором коэффициент эффективной теплопроводности l_э суммарно учитывает многие факторы, определяющие интенсивность и характер перемешивания дисперсного материала при его псевдоожижении.

Перемешивание твердой фазы, обладающей большой теплоемкостью, приводит к большим значениям l_э. Продольная теплопроводность псевдоожиженного слоя в несколько раз выше поперечной, что объясняется более интенсивным циркуляционным движением дисперсной фазы в вертикальном направлении. В большинстве экспериментальных работ измеряется наиболее важная для практических расчетов величина l_э в горизонтальном направлении, т.е. поперек потока псевдоожижающего агента l_э существенно зависит от скорости газа, что объясняется определяющей ролью взвешивающей среды в перемешивании дисперсного материала. Даже при самом незначительном псевдоожижении (U» U_кр) l_э возрастает от значений 0,3-0,5 Вт/м×к для фильтруемого неподвижного слоя на порядок и более (3-5 Вт/м×к), что объясняется «включением» мощного механизма перемешивания дисперсной фазы. С ростом скорости газа эффективная теплопроводность быстро увеличивается пропорционально (U-U_кр)^k, где величина аппроксимационного показателя k» 1¸2. При расширении псевдоожиженного слоя примерно в 1,5 ¸1,7 раза эффективная теплопроводность достигает своего максимального значения и далее уменьшается. Значение l_э уменьшается с увеличением диаметра частиц, но остается по порядку величин равной теплопроводности металлов.

 

3.2.3. Теплообмен в рекуперативных теплообменных аппаратах

 

Теплообменные аппараты широко используются в промышленной практике для нагрева различных веществ. Наиболее распространенным является рекуперативный кожухотрубчатый теплообменник, в котором два текучих теплоносителя (жидкости, газы, пары или их смеси) обмениваются теплотой через цилиндрические поверхности многочисленных труб. Один теплоноситель проходит внутри параллельных труб (трубное пространство теплообменника), а второй – по межтрубному пространству между наружной поверхностью труб и цилиндрическим кожухом теплообменного аппарата (рис 3.19). Величина теплообменной поверхности в таких аппаратах достигает 950 м², а число труб – 2500.

В некоторых производствах находят применение регене-ративные теплообменные аппараты. Характер переноса теплоты в них существенно отличается от характера теплообмена в рекуперативных аппаратах. В регенеративных аппаратах есть только одно рабочее пространство, в которое горячий и холодный теплоносители поступают поочередно. Регенеративный теплообменный аппарат содержит некоторую массу большой общей теплоемкости, которая воспринимает от греющего теплоносителя и затем отдает нагреваемому необходимое количество теплоты. Таким аккумулятором теплоты в регенераторах обычно служит кирпичная кладка или металлическая насадка.

Преимуществами регенеративного теплообменника являются сокращение общего объема и относительная простота конструкции. Однако очередность выхода теплоносителей и значительные затраты времени на циклы прогрева и охлаждения обуславливают и недостаток аппаратов регенеративного типа – непрерывное изменение температуры теплоносителей на выходе из теплообменника в пределах каждого цикла.

Расчет теплообменного аппарата проводится либо с целью определения величины площади теплообменной поверхности S, необходимой для передачи нужного количества теплоты Q (проектный вариант расчета), либо, наоборот, с целью определения количества теплоты, которое может быть передано в конкретном теплообменнике с известной величиной теплообменной поверхности (поверочный расчет). Принципиальных различий в этих вариантах нет.

Расчет регенеративного теплообменного аппарата сложнее, чем рекуперативного.

В химической технологии широко используются теплообменные аппараты рекуперативного принципа действия.

Основой расчета процесса теплообмена двух теплоносителей, имеющих различную температуру (Т) и разделенных твердой непроницаемой стенкой (обычно цилиндрическая поверхность металлических труб), служит уравнение теплопередачи, которое для переноса теплоты через элементарную площадку поверхности теплообмена dS записывается следующим образом:

dФ = К(Т₁-Т₂)dS. (3.72)

Количество передаваемой в единицу времени теплоты dФ пропорционально разности температур обменивающихся теплотой теплоносителей. Т₁ и Т₂ – температуры, усредненные для каждого из теплоносителей в направлении, перпендикулярном теплообменной поверхности dS.

Коэффициент пропорциональности К имеет смысл термической проводимости того пути, по которому теплота от горячего теплоносителя переходит к холодному. Численное значение коэффициента К соответствует тепловой мощности, передаваемой через единичную теплообменную поверхность, при разности температур теплоносителей в один градус.

Термическая проводимость есть величина, обратная приведенному термическому сопротивлению (т.е. термическому сопротивлению единицы поверхности), которое складывается из нескольких приведенных термических сопротивлений, последовательно «включенных» по направлению потока теплоты. Такими частными сопротивлениями являются: термическое сопротивление переносу теплоты от первого теплоносителя к поверхности твердой стенки (1/a₁); сопротивление самой твердой стенки (d_ст/l_ст) и сопротивление теплопереносу от поверхности стенки ко второму теплоносителю (1/a₂). Кроме этих непременных термических сопротивлений в реальных теплообменных аппаратах могут быть дополнительные сопротивления, связанные с появлением в процессе эксплуатации аппарата на его теплообменных поверхностях слоев окислов или каких-либо отложений из потоков теплоносителей (минеральные соли, продукты термического разложения и т.д.). Термические сопротивления таких дополнительных слоев записываются через их толщины d_i и коэффициенты теплопроводности l_i, и их величины складываются с основными сопротивлениями.

Для плоских теплообменных поверхностей значение

(3.73)

Расчет теплообменных аппаратов производится на основе формулы, получаемой интегрированием уравнения теплопередачи при условии К = const и использовании теоремы о среднем значении функции.

_s

Ф = ò К(Т₁-Т₂) dS = KDТ_срS; (3.74)

^о

(3.75)

где DТ₁ – разность температур теплоносителей на входе в теплообменный аппарат; DТ₂ – разность температур на выходе из теплообменника.

При прочих равных условиях значение DТ_ср для противотока превышает DТ_ср для перекрестного тока и для прямотока. Поэтому, если нет каких-либо дополнительных требований к процессу теплообмена, то противоточная схема движения предпочтительнее, т.к. позволяет обойтись меньшими площадями поверхностей теплообмена для передачи заданного количества теплоты.