Некоторые аспекты изучения двухфазного фонтанирующего слоя в аппарате конической формы

Рассматриваются закономерности изменения скорости дисперсного потока по высоте конического аппарата.Изучен интенсифицированный кипящий слой для сжигания твердого топлива и разработана математическая модель для определения процессов интенсификации горения.

Ключевые слова: фонтанирующий слой, двухфазный поток, влажный материал, твёрдая частица,дисперсный материал, бурый уголь, сжигание топлива, теплообмен.

Использования местного сырья в энергетической отрасли Республики Узбекистан требует создание и внедрение отечественных технологий сжигания и газификации бурого местного угля, не уступающего по некоторым теплотехническим параметрам зарубежным аналогам. Эти в свою очередь требует проведения фундаментальных научных и экспериментальных исследований, а также разработки технологических схем и документов на проектирование.

В последние годы обработка твердых материалов в кипящем и фонтанирующем слоях привлекает внимание многих исследователей, и находит широкое применение в различных отраслях промышленности. Как пример, улучшение интенсивности сжигания низкосортного угля осуществляется в смешанном фонтанирующем кипящем слое (ФКС). В работах [1;2] приведены результаты гидродинамического исследования первой критической точки процесса фонтанирования для двухфазного потока. Несмотря на проведенные многочисленные экспериментальные исследования, ещё не раскрыта сущность распределения скорости газа с насыщенной твердой фазой в горизонтальных сечениях ФКС.

Известно, что с началом фонтанирования объём слоя увеличивается, а перепад давления начинает уменьшаться до скорости стабильного фонтанирования [2].

Целью данной работы являлось определение закономерности изменения скорости дисперсного потока по высоте конического аппарата. Экспериментальные исследования проводилось на опытной установке, созданной авторами.

Расходы и скорость потока измерялись при помощи прибора Testo 405-V1. Перепады давления в сечениях камеры в коническом аппарате измерялись при помощи многодиапазонного дифференциального микроманометра с наклонной трубкой ММН-2400. Изменение расхода воздуха обеспечивалось при помощи регулятора расхода, установленного после вентилятора. Перепад давления измеряли на входе и на выходе аппарата.

Для эксперимента в качестве твёрдых частиц использовали семена подсолнуха влажностью в пределах 10...30 %, масличностью 40…49 %, истинной плотности семян в пределах 690–760 кг/м3, насыпной плотности в пределах 380–460 кг/м3.

Таблица 1

Изменение скорости потока (воздух + семена подсолнуха) от перепада давления по сечениям аппарата. Толщина слоя — 19 см, влажность материала — 30 %

Таблица 2

Изменение скорости потока (воздух + семена подсолнуха) от перепада давления по сечениям аппарата. Толщина слоя — 10 см, влажность материала — 30 %

Таблица 3

Изменение скорости потока (воздух + семена подсолнуха) от перепада давления по сечениям аппарата. Толщина слоя — 10 см, влажность материала — 10 %

Рис. 1. Зависимости изменения скорости потока от перепада давления по сечениям аппарата

Из графиков видно, что большая часть кинетической энергии тратиться в начальных нижних сечениях. Из-за большого сопротивления дисперсного материала в верхних сечениях кинетическая энергия очень мало меняется.

Закрученные течения потока жидкости и газов наблюдается во многих явлениях природы, и часто используются в технике (циклоны, торнадо в атмосфере, водовороты, отрывные течения, теплообменные аппараты и др.). В технических горелочных устройствах закрутка потока формирует, стабилизирует пламя и интенсифицирует процесс сжигания смеси топлива и воздуха.

При выводе уравнения движения и неразрывности для взаимопроникающих и взаимодействующих фаз смеси в области течения принята модель Х. А. Рахматуллина

(1)

, (2)

где - вектор скорости частиц - ой фазы смеси;

; - угловая скорость - ой частицы смеси ;

- приведенные и истинные плотности -й фазы смеси;

- коэффициент взаимодействия фаз.

Обработка результатов экспериментальных данных методом наименьших квадратов даёт функциональную зависимость в виде поленома

, (3)

где:а,b,с — экспериментальные коэффициенты, зависящие от перепада давлений.

Фонтанирование зависит как от толщины слоя, так и от влажности твердого материала. С уменьшением толщины слоя и влажности материала гидродинамическая интенсивность ФКС увеличивается. Визуальные наблюдения и фотосъемка за движением частиц показывают, что вращаясь вокруг оси аппарата, частицы материала поднимаются и опускаются вниз, составляя строцифированный слой, т. е. по слоям твердые частицы как бы дышат. Подъём и спуски твердых частиц, т. е. интенсивное перемешивание происходит в интервале времени 0,892–0,959 сек. Некоторые относительно легкие частицам уносятся из аппарата, но в очень малом количестве.

Надо отметить, что гидродинамические исследования проводились с окружающим воздухом при температурах, которые изменялись в пределах 15÷30 0С. При этом, выявлен процесс осушения влажного материала. Это говорит о том, что во время фонтанирования за счет активного гидродинамического режима теплообмен протекает весьма интенсивно. Влажность материала уменьшалась в среднем до 10 %. Кроме того, твердые частицы из-за столкновений между собой и о стенку раздроблялись.

Таким образом, использование конусообразного аппарата и создание ФКС дает возможность интенсифицировать гидродинамические и теплотехнологические процессы.

Литература:

1.                Бабаходжаев Р. П. Исследование процесса микрофонтанирования в интенсифицированном кипящем слое для сжигания низкосортных углей. // Сб. докл. VII Всеросс. конф. «Горение твердого топлива» (с международным участием). Часть 2.- Новосибирск, — 2009. С.15–19.
2.                Бабаходжаев Р. П., Каримов А. А., Шакиров А. А. Гидродинамические исследования двухфазного фонтанирующего слоя в коническом аппарате. // Ж. Вестник ТашГТУ. № 3–4 2009. С. 29–82.