Влияние формы зерна на гидравлику и конвективный радиальный теплоперенос в трубчатых аппаратах с неподвижным зернистым слоем

• Автор: Смирнов, Евгений Ильич
• Шифр специальности: 05.17.08
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2005
• Место защиты: Новосибирск
• Количество страниц: 111 с. : ил.

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. ОБЗОР И АНАЛИЗ ИЗВЕСТНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1. Граница применимости континуальных моделей переноса в НЗС

1.2. Профиль лорозности в НЗС при

1.3. Гидравлика в НЗС из частиц без сквозных каналов, в отсутствие пристенных эффектов К
1.4. Радиальный теплонсренос в НЗС из частиц без сквозных каналов, в отсутствие пристенных эффектов Ы
1.5. Влияние пристенных эффектов на гидравлику и конвективную радиальную теплопроводность в НЗС из частиц без сквозных каналов

1.6. Профиль аксиальной скорости потока в НЗС из частиц без сквозных каналов

1.7. Гидравлика и конвективная радиальная теплопроводность в ядре НЗС из частиц со сквозными каналами

1.8. Заключение и постановка задач диссертации

Глава 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

ПАРАМЕТРОВ РАДИАЛЬНОГО ТЕПЛОПЕРЕНОСА В НЗС
2.1. Установка для измерения температурных полей в НЗС
2.2. Методика измерений
2.3. Обработка экспериментальных данных
2.4. Анализ результатов
2.5. Заключение
Глава 3. ГИДРОДИНАМИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ТРУБЧАТОГО АППАРАТА С НЗС
3.1. Теоретические принципы разработки гидродинамической модели
3.2. Моделирование профиля порозности в НЗС из сплошных частиц
3.3. Расчет профилей аксиалыгых скоростей и перепада давления в НЗС
3.3.1. Гидравлика и профиль аксиальной скорости потока в НЗС из частиц без сквозных каналов
3.3.2. Гидравлика и профиль аксиальной скорости потока в НЗС из частиц со сквозными каналами
3.4. Расчет конвективной радиальной теплопроводности в ядре НЗС
3.5. Заключение ВЫВОДЫ Список литературы Список публикаций
Список основных обозначений
Обозначение Описание диницы измерения
а Удельная поверхность м
А Коэффициент в формуле
В Коэффициент в формуле И
ср Теплоемкость газа Дж кг1 К
Диаметр шара, цилиндра или м
цилиндрической доли трилистника
1Р Диаметр сферы эквивалентного с зерном м
О Диаметр трубы м
Коэффициент гидравлического
сопротивления
уотт Коэффициент форМЫ
0 Массовая скорость газа в аксиальном кг м2 с
направлении трубы либо вдоль сквозного
канала зерна
Л, Л Функции Бесселя первого рода, нулевого и
первого порядка
к Параметр, используемый при описании
конвективной теплопроводности в НЗС
К Параметр, используемый при описании
конвективной теплопроводности в НЗС
Аксиальная координата вдоль ПЗС либо м
длина частицы сквозного канала
1 Высота НЗС либо длина канала в м
межзерновом пространстве НЗС
Относительный калибр отношение диаметра
НЗС О к характерному размеру зерна ср
Р Давление Па
Плотность теплового потока Дж м2 с
г Радиальная координата м
Л Радиус трубы м
Э Площадь м
Т Температура С
и Средняя скорость газа мс
V Объем м
Ж Скорость диссипации кинетической энергии потока Вт
1 Безразмерная координата в формулах 2а и Н
Греческие символы
а Коэффициент теплоотдачи или теплообмена Вт м2 К
Порозность
Г Извилистость межзернового канала
Я Коэффициент теплопроводности Вт м1 К
л Положительные корни характеристического уравнения
М Динамическая вязкость газа Па с
0 Угол между аксиальным направлением в слое и локальным направлением потока рад
р Плотность газа кг м
Безразмерные комплексы и критерии
РиОсрк
Я
г я
В 4
уА.
Рг
ихаракт характ Р М
Параметр пссвдогомогенной модели
Относительная высота НЗС Относительная радиальная координата Безразмерный коэффициент теплопроводности
Критерий Био Критерий Нуссельта
Критерий Прандтля
Критерий Рейнольдса
пг й Критерий Стентона
Р р характ
Нижние индексы
0 Значение величины в пустой трубе, либо начальные значения, либо величины, относящееся к характеристикам внешней задачи
Значение величины при Ико
Ьес Среднее значение величины в НЗС из сплошных частиц, либо характеристика величины в межзерновых каналах
сЬ Значение величины в каналах
сопч Величина характеризует конвективный радиальный перенос
соге Значение величины в ядре НЗС
су Характеристика цилиндра
е Эффективное значение величины
ехрег Экспериментально полученное значение величины
Характеристика газа
Иое Характеристика, относящаяся к сквозным каналам зерна
Ьусг Характеристика, относящаяся к параметрам внутренней задачи
гпах Максимальное значение величины
шп Минимальное значение величины
г Величина характеризует радиальный перенос
Характеристика, относящаяся к поверхности зерна
5рк Характеристика шара
еог Теоретическое значение величины
Р Характеристика трилистника
ШгЬ Характеристика, относящаяся к турбулентному режиму течения
Значение величины на стенке трубы
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность


Для реального НЗС, безусловно, следует учитывать неидеальность частиц и их распределение по размерам, одпако задача остается решаемой. Тогда как оценка влияния формы и размеров зерна на радиальный теплоперенос и гидравлическое сопротивление в НЗС задача действительно сложная, принципиально не имеющая точного решения. Найденные на полуэмпирическом уровне приближенные решения содержат параметры, определить которые для конкретного слоя можно только экспериментальным путем. За последние полвска интенсивного изучения трубчатых аппаратов с НЗС появились сотни подобных полуэмпирических корреляций для описания процессов теплопереноса и гидравлического сопротивления. Наиболее плодотворным оказался подход, основанный на представлении НЗС как некоторого континуума с непрерывных и дифференцируемым распределением порозности, температуры и концентраций реагентов. Плотности потоков вещества и тепла в континуальных моделях описываются аналогами используемых в молекулярнокинетической теории газов законов Фика и Фурье с некоторыми эффективными параметрами переноса вместо молекулярных коэффициентов диффузии и теплопроводности. Континуальный подход к описанию тепло и массопереноса в НЗС из сплошных, без сквозных каналов, частиц дал весьма полезные для инженерной практики результаты. Надежные корреляционные зависимости эффективных параметров переноса от свойств газа, твердой фазы и от скорости потока были найдены для НЗС из дробленых частиц и частиц в форме шаров и цилиндров. Для НЗС из частиц со сквозными каналами обобщить корреляционные зависимости и построить физически обоснованную модель переноса до сих пор не удавалось. Одной из причин является недостаточность и противоречивость имеющихся экспериментальных результатов, полученных разными авторами. Другой причиной является отсутствие понимания физического смысла некоторых используемых полуэмпирических зависимостей и избыточное количество подгоночных коэффициентов. Главным направлением исследований диссертационной работы было создание и верификация континуальной модели нерегулярного монодисперсного НЗС из частиц округлой формы, которая была названа гидродинамической и позволяет описать процессы конвективного радиального переноса тепла и импульса в слое. Т.к. НЗС. Под частицей округлой формы в работе подразумевалось зерно, не имеющее острых выступающих углов и значительных по площади плоских граней, что благоприятствует увеличению прочности зерна и равномерности укладки нерегулярного слоя. Дополним определение тем, что такие частицы в НЗС должны иметь только точечные контакты между собой и со стенкой трубы. Отметим, что для зерен с внешней формой цилиндра обеспечение равномерности укладки в нерегулярном слое при значениях отношения меньше 0. В диссертации рассматривались только нерегулярные НЗС, сходные по своим характеристикам с используемыми в промышленных трубчатых реакторах. Главной чертой таких НЗС, обеспечиваемой способом загрузки зерен округлой формы в реактор, является равномерность их распределения в слое, как в поперечном сечении, так и по высоте. Известно, что изменение порозности НЗС по радиусу промышленного трубчатого реактора становится главной причиной неоднородности распределения локальной скорости потока в поперечном сечении слоя. В нерегулярном слое из частиц округлой формы значение порозности вблизи стенки намного превышает значение средней порозности в ядре, достигая единицы. Это приводит к канальному эффекту или проскоку газа в пристенной зоне. При этом конвективная составляющая радиальной теплопроводности в НЗС определяется аксиальным профилем скорости потока. Несмотря на большое число экспериментальных работ по определению распределения скоростей в НЗС, а также публикаций по вопросу моделирования этого распределения, проблема количественного описания поля скоростей и перепада давления в НЗС в рамках континуального подхода остается открытой. В особенности это относится к слоям из частиц сложной формы со сквозными каналами. Так как для построения гидродинамической модели необходимо понимание механизмов влияния геометрической структуры НЗС, т. НЗС из частиц произвольной округлой формы.