1.2.1.5 Теплообменники с кипящим слоем
В теплообменниках с кипящим слоем теплообмен происходит между поверхностью нагрева и кипящим слоем зернистого (дисперсного) материала.
Поверхности нагрева
выполняются из вертикальных или горизонтальных труб, а также змеевиковых
металлических труб. Кипящий или псевдоожиженный слой зернистого материала
образуется при размещении частиц в восходящем потоке воздуха или газа.
Принцип образования
кипящего слоя следующий (рисунок 152 а и б).
1 – корпус теплообменника, 2 – ложное дно, 3 – зернистый материал
Рисунок 1.52 – Схемы плотного (а) и кипящего (б)
слоя
К
зернистому материалу, расположенному на ложном дне (решетке), подводится снизу
теплоноситель (газ). С увеличением скорости газового потока W возрастает
скорость фильтрации потока внутри слоя 
, и, следовательно, динамическое давление потока на зернистый
материал (рисунок 1.52а). При скорости 
динамическое давление
на отдельные наиболее мелкие частицы становится равным их весу, и они
взвешиваются в газовом потоке. Это ведет к росту высоты зернистого слоя Н
(вспучивание слоя). Появляется, так называемая, текучесть слоя.
Дальнейшее увеличение скорости
до 
ведет к тому, что в
некоторых точках сечения канала динамическое давление становится больше веса
частицы, и они увлекаются газовым потоком, и выносятся за пределы зернистого
слоя (рисунок 1.52б). Происходит прорыв газа в отдельных точках и слой начинает
фонтанировать. В пространстве над слоем газовый поток, имевший скорость на
выходе из слоя 
, замедляется до скорости W. Динамическое давление на частицы
уменьшается, и они под действием силы тяжести снова возвращаются в слой.
При дальнейшем увеличении
скорости до 
весь дисперсный
материал переходит во взвешенное состояние и начинает выноситься за пределы
слоя, наступает режим кипения зернистого слоя. Высота слоя продолжает
возрастать, что обеспечивает стабилизацию проходного сечения газа и выравнивает
кипение по всему сечению канала.
В интервале скоростей от 
до 
(рисунок 1.52в) имеет
место устойчивое кипение слоя с одновременным ростом его высоты (возрастает
высота вылета частиц над слоем). Когда динамическое давление газового потока
над слоем станет равным весу частиц зернистого материала, последние начинают
уноситься потоком за пределы камеры. Унос материала имеет место при скорости газа
W 
. Следует иметь в виду, что скорость движения частиц 
, увлекаемых газовым потоком, отличается от скорости газового
потока на постоянную величину, называемую скоростью витания и зависящую от
размера (веса) частиц:
. (1.106)
Скорость
витания характеризует относительную скорость движения потока и частиц 
и играет решающую
роль в гетерогенных процессах тепломассообмена.
Принципиальная
схема теплообменника с кипящим слоем представлена на рисунке 1.53.
В корпус теплообменника вводится зернистый материал, который в восходящем потоке газа находится во взвешенном состоянии. Непрерывное движение зернистого материала в газовом объеме и его соударение с нагревательными поверхностями (трубами, змеевиками) приводит к интенсификации конвективного теплообмена и, как следствие, к уменьшению требуемой поверхности нагрева.
1 – камера, 2 – поверхность нагрева, 3 – зернистый материал
Рисунок 1.53 – Принципиальная схема теплообменника с кипящим
слоем и график изменения температур теплоносителей
Уравнение теплового баланса теплообменника с кипящим слоем записывается в виде:
. (1.107)
При
установившемся режиме вторым членом правой части уравнения и потерями тепла в
окружающую среду можно пренебречь, если принять, что унос дисперсного материала
отсутствует (
):
. (1.108)
Это тепло может быть определено по
уравнению теплопередачи:
. (1.109)
Коэффициент
теплопередачи в значительной мере зависит от суммарного коэффициента
теплоотдачи 
между стенкой и
кипящим слоем, причем конвективная составляющая 
возрастает с
увеличением скорости движения частиц в кипящем слое, но только до определенного
значения (рисунок 1.54).
На рисунке линия «г-д-е»
характеризует коэффициент теплоотдачи чистого потока, «а-б» – коэффициент
теплоотдачи к поверхности теплообмена в неподвижном слое, «б-в-д» – коэффициент
теплоотдачи в псевдоожиженном слое.
Более
высокий коэффициент теплоотдачи в неподвижном слое по сравнению с чистым
потоком связан с тем, что в слое скорость фильтрации газа больше скорости
газового потока в чистом канале. Интенсификация теплообмена в псевдоожиженном
слое обусловлена сложным колебательно-вращательным движением твердых частиц,
высокой степенью турбулизации потока, разрушением пограничного слоя на
поверхности теплообмена при столкновении частиц о поверхность.
Кривая
«б-в-д» имеет максимум при 
:
, Вт/м² К, (1.110)
где 
- насыпная плотность слоя, кг/м³;
- теплопроводность
газа, Вт/м К;
- размер частиц, м.
Оптимальное значение скорости потока,
соответствующее 
, равно:
(1.111)
При
скорости потока больше оптимальной возрастает порозность слоя ε, равная
отношению объемов и пустот слоя. Это уменьшает объемную концентрацию частиц и,
следовательно, уменьшает вероятность соударения частиц о поверхность нагрева.
Как следствие, коэффициент теплоотдачи уменьшается (кривая «в-д»). При скорости
газового потока больше скорости витания зернистый материал начинает выноситься
из теплообменника и 
снижается до
интенсивности теплообмена чистого потока (точка «д»).
Следует
иметь в виду, что в кипящем слое имеет место сложный теплообмен:
, (1.112)
где 
- коэффициенты интенсивности кондуктивного и конвективного
теплообмена;
- постоянный коэффициент.
Значение 
не велико и при
расчете не учитывается. При малых значениях температур 
также незначителен,
однако доля его возрастает с увеличением температуры газового потока. Так, при
температуре газа 900ºС 
составляет 5% от 
для частиц 100 мкм (
), а
при температуре газов 1500ºС возрастает до 15-25%.
Оптимальная скорость газового потока, соответствующая 
определяется:
а) при ламинарном движении:
, (1.113)
б) при
турбулентном движении:
, (1.114)
где 
- критерий Архимеда.