Теплообмен в печах со слоевым режимом теплообмена

Слоевым режимом называется такая тепловая обработка материала, при которой кусковой (зернистый) материал занимает часть объёма печи, равномерно распределён по сечению печи, а газы проходят между кусками (зёрнами) этого материала.

Такой тип теплообмена можно разделить на три характерных случая:

1. Кусковой материал неподвижен (малоподвижен) и расположен плотным слоем. Скорость газов значительно выше скорости перемещения материала, поэтому условно считаем материал неподвижным. Газ проходит через зазоры между кусками. Такой тип теплообмена реализован в шахтных печах (доменных печах) и УСТК – установки сухого тушения кокса.

2. Слой кускового материала разуплотнён и интенсивно перемешивается под динамическим воздействием газового потока. Такой слой называется псевдоожиженным или кипящим.

3. Как правило, мелкозернистый материал под динамическим воздействием газового потока находится во взвешенном состоянии и энергично перемешивается, перемещаясь вместе с потоком. Это печи с тепловой обработкой материала во взвешенном состоянии.

Теплообмен в плотном фильтрующем слое

Когда материал находится в слое, имеет место сложный теплообмен, когда одновременно происходит перенос тепла теплопроводностью, конвекцией и тепловым излучением.

В связи с трудностью определения поверхностного коэффициента теплоотдачи, тем более что каждый кусок в слое омывается по-своему, в фильтрующем слое введено понятие объёмного суммарного коэффициента теплообмена, который определяется по формуле Китаева Б.М.

W –скорость газов отнесённая к полному сечению при нормальных условиях, м/с;

Т – абсолютная средняя температура газов в слое, К

- эквивалентный диаметр кусков.

М– коэффициент зависящий от равномерности распределения газов по поперечному сечению канала.

Для калиброванной шихты шарообразной формы (идеальные условия) М=1

Для некалиброванной рядовой шихты М = 0,3-0,4.

Для получения поверхностного КТО можно воспользоваться выражением

;

- объём слоя материала м³;

- суммарная поверхность кусков материала м².

Для некалиброванной засыпки с достаточной точностью можно записать:

;

- __порозность слоя в долях единицы.

Эквивалентный диаметр частиц рекомендуется принимать на 25% больше среднего размера куска.

В неподвижном слое, существенное влияние на теплообмен оказывает переток тепла теплопроводностью через точки контакта кусков в слое.

Итоговый коэффициент теплопередачи , учитывающий внутреннее сопротивление куска, в общем случае можно записать в таком виде:

;

- коэффициент теплопроводности материала в слое.

В целом теплообмен в слое кускового материала трудно поддается точным вычислениям и носит больше оценочный характер, особенно для некалиброванной засыпки. Это связано с неравномерностью обтекания газами частиц, наличия большего количества застойных и малорасходных зон в слое, что вызывает перетоки тепла теплопроводностью по материалу и изменение скорости газового потока за счет изменения объёмного расхода.