Теплообмен в печах с кипящим слоем

Кипящим слоем называется специфическое состояние зернистого материала, продуваемого через поддерживающую решетку, когда частицы материала беспорядочно циркулируют в определенном объеме (слое), но не выносятся за пределы этого объёма (слоя). Существование такого слоя возможно в широком диапазоне скоростей – от скорости начала псевдоожижения до скорости витания . Эти скорости можно определить по известным зависимостям:

;

;

где ;

- эквивалентный диаметр частиц;

- плотность материала;

- кинематическая вязкость газа;

- плотность газа;

- ускорение свободного падения.

Расходная составляющая скорости кипящего слоя обычно находится в пределах:

;

Для мелких частиц отношение ;

Для крупных частиц .

Коэффициент теплопередачи, в кипящем слое, значительно выше чем в неподвижном слое . Это связано с рядом факторов:

- более высокая скорость движения газов;

- полнота и равномерность омывания частиц;

- выравнивание скорости и температуры в пределах слоя;

- высокая турбулизация потока , отсутствие застойных зон;

- но самое главное, за счет многочисленных столкновений частиц – постоянное разрушение теплового и гидродинамического пограничных слоев на поверхности частиц.

Поскольку, при увеличении скорости газа в слое, толщина слоя растет, а количество столкновений частиц в слое падает, то с увеличением скорости несколько уменьшается и КТО в слое.

Максимальные коэффициенты теплообмена можно рассчитать по эмпирическим соотношениям Забродского С.С.

;

или Варыгина Н.Н. и Матюшина И.Г.

;

где - коэффициент теплопроводности газа.

Эти коэффициенты теплообмена достигаются при оптимальной скорости газа:

;

Величина сильно возрастает с увеличением температуры газа и уменьшением частиц (оптимальный размер частиц 0,5-2 мм). В кипящем слое можно получить коэффициент теплообмена от 500 до 1000 Вт/м²К

В промышленных установках трудно добиться однородности частиц слоя, поэтому возможен унос мелких частиц. Чтобы избежать заметного уноса частиц скорость в псевдоожиженном слое обычно принимают ниже скорости витания, близкой к оптимальной скорости.

Коэффициенты теплообмена во взвешенном слое можно определить также по следующему критериальному уравнению:

;

где ;

;

- относительная скорость определяется как разность скоростей газа и частиц.

;

- скорость газов;

- скорость частиц материала.