הקדמה ל-Particle-Laden Flows

זרמי חלקיקים הם בכל מקום בתהליכים תעשייתיים מודרניים, החל מבעירה פחם מופולת בתחנות כוח כדי זרז תחבורה פצח קטליטי נוזלי ציפוי אבקה בקווי הייצור.מערכות רב-אפוזה אלה מורכבות נוזל מוביל מתמשך - באופן זמני זורם גז או נוזל - אשר מעכבת ומעבירה חלקיקים מוצקים.

ציוד תעשייתי כגון חילופי חום, רותחים, כורים, ומייבשים פועלים באופן שגרתי בתנאים שבהם ריכוזי חלקיקים נעים מן השעיה dilute מיטות מנוזלות צפופות.המשחק בין חלקיקים לשדה התרמי יכול להוביל לשיפור או השפלה של ביצועי העברה חום, בהתאם לתכונות חלקיקים, משטר זרימה וציוד גיאומטריה.

השפעות בסיסיות על העברת חום

תכונות גדולות של Particle-Laden Suspensions

מוליכות תרמית יעילה של השעיה חלקיקים-לאדן תלויה בהתנהגויות תרמיות של נוזל המוביל ואת החלקיקים המוצקים, כמו גם את החלקיק נפח. מודלים קלאסיים, כגון מקסוול-גארנט ו Bruggeman יעיל תיאוריות בינוניות, לחזות כי הוספת חלקיקים גבוהים מוליכים (למשל, מתכות או קרמיקה) לנוזלים נמוכים (למשל, אוויר תרמי), או שמן תרמיל יכול להגדיל באופן משמעותי את התערובת הנמוכה ביותר של גזים, אך ורק בטמפרטורות נמוכות יותר.

מעבר להתנהלות, יכולת החום והדחיסות הספציפית של שינוי השעיה עם טעינת חלקיקים.הגוון התרמית (α= k / ( ⁇ ccioFLT:0) משפיע על העברת חום חולפת.במקרים רבים, המסה התרמית של החלקיקים פועל כמו כיור חום או מקור, תנודות טמפרטורה מבוללת.

השפעות משטר

משטר זרימת הדם - laminar או turbulent - משפיע באופן דרמטי על חלוקת חלקיקים ואינטראקציה שלהם עם שכבת גבול תרמית. in laminar זרימה, חלקיקים נוטים להגר בשל כוחות אינרטיים ומעליות, לעתים קרובות מתרכזים ליד המרכז או הקירות של הערוץ.חלוקה לא אחידה זו יוצרת כתמים חמים או קרים, הפחתת יעילות כוללת של העברת חום.

מספר ריינולדס של הזרם (Re= ⁇ UD/μ) קובע את המעבר לזעזועים.עבור זרמי חלקיקים-laden, פתיחות יעילה המאפיינת נוכחות של חלקיקים יש להשתמש בה.

חלקיקים

ParameterEffect on Heat Transfer
Particle diameterSmaller particles have higher surface area-to-volume ratio; enhance interfacial heat transfer but also increase drag and potential for agglomeration.
ShapeNon-spherical particles (fibers, platelets) create larger disturbance in flow and increase mixing, but also affect settling and erosion patterns.
Density ratio (ρp/ρf)High density ratio causes strong inertial effects and non-equilibrium velocities; particles may not follow fluid temperature.
Concentration (volume fraction)Low loading: particles enhance heat transfer by disrupting boundary layer. High loading: increased thermal conductivity but may cause flow blockage or fouling.

חלוקת גודל חלקיקים גם משנה.חלוקה דו-ממדית יכולה לארוז ביעילות רבה יותר, הגדלת מוליכות תרמית יעילה, בעוד חלוקה צרה עלולה להוביל לאינטראקציה פחות.עבור משטחי החלפת חום, חלקיקים שהם גדולים מדי יכולים לגרום לשחיקה, בעוד חלקיקים דקים מאוד נוטים לדבקות אלקטרוסטטית וטעינה.

שיפור המכונאים

התנהגות מוגברת באמצעות Particle Networks

כאשר חלקיקים נמצאים במגע אחד עם השני או עם פני השטח של העברת חום, הם יוצרים גשרים מוצקים אשר מנהלים חום הרבה יותר יעיל מאשר השלב הנוזלי.מנגנון זה חשוב במיוחד בזרימת חלקיקים צפופים כגון מיטות נוזל.ב מיטה מבולעת, חלקיקים בשלב הגולגולת להעביר חום חד-פעמי לטבול דרך התנהגות טראנס-מסלולית:0traralustexing 5-10, לעומת מהירות קירור חד-אפקטיבית של חום חד-אפקטיבית של חום יחיד, לעומת 5-10-אפקטיביות-אפקטיביות-אפקטיביות-פעמי, לעומת זאת, אשר מעצימה, לעומת זאת, עלייה של חום חד-פעמיית של חום חד-פעמיית של חום-פעמיית של חום-פעמיית של חום-פעמיית של חומרת משקל, לעומת עלייה של חום-פעמיית של חומר-פעמיית של חום-פעמי, לעומת עלייה של חומרת של חומרת של חום-פעמיית של חומרת של חום חד-פעמי, לעומת טיפול חד-פעמי, לעומת 5-10, לעומת טיפול חד-מסוג של חומרת חום-פעמי, לעומת טיפול חד-פעמי, לעומת טיפול חד-פעמי, כך שגודל

אפילו בזרימות צלולות, חלקיקים הקרובים אל פני השטח יכולים לשפר את ההתנהגות דרך שכבת הגבול הנוזלי על ידי יצירת מעגל קצר תרמי.זה רלוונטי במיוחד עבור חלקיקים, אשר מציגים תחבורה חום בליסטי על פני מרחקים קצרים מאוד.

שילוב משותף ו-Boundary Layer Disruption

חלקיקים להפריע לזרימת הנוזל באמצעות מנגנון הנקרא "מודולציה חלקיקים המושרה" (בזרמים צלולים, חלקיקים יכולים גם לשפר או לדכא את הזעזוע בהתאם לגודלם ו-Stokes. חלקיקים קטנים (St ⁇ 1) נוטים לעקוב אחר אדי נוזל ותמצית אנרגיה, דיכוי של חלקיקים גדולים (St. ⁇ 1) הם אלסטיים ושופכים, מגביר את ההשפעה המסובכת של חום וחום מאוחר יותר, אך ורק לאחר מכן, אך מגביר את ההשפעה של חום מתוחה יעילה.

מחקרים ניסיוניים בזרימת צינורות עם חלקיקים מוצקים הראו כי מספר Nusselt יכול להתבטא כמו Nu = NucioFLT:0maxFillo 1 (1 + C ⁇

m), where Nu0 is the single-phase Nusselt number, φ is the particle volume fraction, and C and m are empirical constants ranging from 2 to 10 and 0.5 to 1.5, respectively. The enhancement factor increases with Reynolds number and particle loading.

העברה רדיטיבית לקפה בParticle-Laden Gases

בטמפרטורות גבוהות (above 800 K), קרינה תרמית הופכת למצב של העברת חום דומיננטי. Particles סופג, פולטת ופיזור קרינה תרמית, שינוי התפלגות גלי החום הרדיואקטיבי בתוך הציוד. במערכות שלבעירה כגון בועות פחם מפוכח, כריז וחלקיקים אפר משפרים את העברת קרינה מהלהבה לקירות המים.

חלקיקים עם הרשאות גבוהות (למשל, פחמן שחור) יכולים להגדיל באופן משמעותי את שיעורי העברת חום קורנטיביים.converse, חלקיקים רפלקטיביים (למשל, silica) עשויים להפחית את העברת החום הנקי.השלב המתפזר גם משנה: פיזור קדימה שומר אנרגיה מכוונת קדימה, בעוד isotropicizing מתפשטת להפיץ אותו.

השפעות הרסניות של Particle-Laden Flows

« ⁇ ו- Deposition

חלקיקים יכולים להפקיד על פני השטח של העברת חום, להרכיב שכבת מרעיעה שפועלת כמתאמת תרמית.ההתנגדות המרעישה RFLT:0fphtureFLT:1 (m2K/W) מקטין את התקני העברת החום הכולל. Deposition כוללים השפעה לא רצויה, difusion Brownian, thermophosis (עבור חלקיקים קטנים ב -50%), כבידה מוגברת על ידי גזי חום.

שיעור ההונאה תלוי בתנודות חלקיקים (תפקוד של טמפרטורה ולחות), גסות פני השטח ותנאי זרימה. Smooth פני השטח וזרימת Shear גבוהה להפחית את הציפוי משטח כגון פלואורופולמרים יכול להפחית את הפשיעה אבל יכול גם להפחית את העברת חום.

פיזור של Surfaces

חלקיקים בעלי עוצמה גבוהה משפיעים על פני השטח, גרימת הסרת חומרים מתקדמים (הירידה) שיעור החיסוני (ירידה של השפעה) הוא פרופורציה לאנרגיה קינטית חלקיקים ואת זווית ההשמצה. חומרי דוקטריה סובלים מסחף מקסימלי בזווית השפעה רדודה (20-30 מעלות), בעוד חומרים מתפתלים ביותר בהשפעה נורמלית.

אפשרויות ל Flow Instabilities and Pressure Drop Rising

הוספת חלקיקים לזרימה מגבירה את ההיקף האפקטיבי ויכולה לגרום לפגיעות כגון מלח, זרימת סלוג, או היווצרות דונה ב צינורות אופקיים.הסתברויות האלה לגרום תנודות בהעברת חום ויכולות להוביל לתנודתי ציוד. לדוגמה, במערכת הידרוטרנספורט, התיישבות של חלקיקים coarse מפחיתה את אזור זרימת הדם ומגדילה את הירידה בלחץ, הגדלת אנרגיה ללא יציבות עקב העברה של מזחלים תרמיים עלולים להחלפה.

הירידה בלחץ בזרימת חלקיקים היא בדרך כלל גבוהה יותר מזרימת חד-phase בשל גרור נוסף וחיכוך. טיפות הלחץ עודף ניתן להעריך באמצעות משוואה ארון עבור מיטות ארוזות או קורלציות אמפיריות עבור מערכות מבוזרות. מעצבים חייבים לקחת בחשבון את זה כאשר מגרד משאבות או מכופות.

יישומים תעשייתיים

החלפת חום בסביבה Particle-Laden

Shell-and-tube תנורי חום מטפלים גזים עם חלקיקים מאומנים (למשל, מערכות של גז פלואופוריזציה) הפנים הן מרעישות והן שחיקה. אסטרטגיות עיצוב כוללות שימוש בקוטרים גדולים יותר כדי להפחית את התקעות, תוך שימוש באפינים הליליתיים כדי לקדם זרימת צלב, והתקנת מכווצים soots לניקוי מקוון. Particle ריכוז חייב להיות נשמר מתחת לתחזוקה מקובלת של שיעורי חום מתקדמים.

תגובה על Bed Reactors

כורי מיטה פלוידנטים (FBRs) הם דוגמאות עיקריות של זרימת חלקיקים-לאדן עבור העברה מוגברת של חום.ב bubbling FBR, בועות גז לשאת חלקיקים מוצק, יצירת תערובת אינטנסיבית.החום העברה coefficient בין המיטה צינורות שקוע יכול להגיע 300-500 W / m2K, הרבה מעל ערכי גז חד-פעמיים משמשים עבור צינורות גזיבית, צינורות גזי חום וזרימה, כגון קרינת JVn, תלוי בגודל של חלקיק.

מערכות ייצוב Pneumatic Conveying Systems

(העברה Pneumatic מעבירה את המטענים בצורה מלאה באמצעות אוויר.העברה חמה במערכות אלה היא לעתים קרובות עניה בשל זרימה חדה וזמני מגורים קצרים.עם זאת, בייבוש יישומים (למשל, מייבשי פלאש), הקשר האינטימי בין אוויר חם לבין חלקיקים מאפשר הסרת לחות מהירה.העברת חום יעילה ברזולוציה גבוהה יותר של רזולוציה גבוהה יותר של pneumatic dilute-phase מועברת הוא מודל כמו Nu=2 + 0.6 +F1; אבל יותר עבור סגסוגת 1 / 1 / 3.

מודלים וסימציה מתקרבים

אוילרי-Lagrangian vs Eulerian-Eulerian Methods

דינמיקת נוזל Computational (CFD) משמשת באופן נרחב לחיזוי העברת חום בזרמים חלקיקים-laden. הגישה האורלרית-Lagraian עוקב חלקיקים בודדים באמצעות שיטת חלקיקים דיסקרטית (DPM) ו פותרת את השלב הנוזלי על גבי רשת קבועה. שיטה זו היא מדויקת אך חישובית עבור מספר גדול של חלקיקים.זה מתאים לזרימות חדות ולימוד של חלקיקים-ממים כמו מיטות ממושכות.

ההתקדמות האחרונה ב-FD-DEM (שיטת האלמנטים של חלקיקים) מאפשרת מודלים מדויקים של חלקיקים חלקיקים ומוליכים חום חלקיקים במערכות צפופות.דמיות אלה יכולות לשחזר את התקני העברת חום ניסיוניים עם דיוק טוב.

מוטציות אמפיריות ומודלים של קליק

בעוד CFD הוא חזק, עיצובים תעשייתיים רבים עדיין להסתמך על קורלציות אמפיריות.עבור העברת חום בהעברה פנומטית, הקורלציה סווקרונג-ורייט משמשת לעתים קרובות:

⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

עבור מיטות נוזליות, מודל קוני-לנדרפיל מספק ביטוי חצי-אמפירי עבור מקדם העברת חום המהווה עבור רצף חלקיקים, הדבקה גז וקרינה. מהנדסים חייבים לבחור את הקורלציה המתאימה על בסיס משטר זרימה ותכונות חלקיקים.

אופטימיזציה אסטרטגיות

בקרת גודל חלקיקים

אופטימיזציה של גודל החלקיקים יכול לאזן את שיפור העברת חום ואפקטים שליליים. טווח גודל צר מצמצם את ההפרדה ומבטיח נוזל אחיד.הוספת שבריר קטנה של חלקיקים בסדר יכול לשפר את העברת החום על ידי הגדלת שטח פני השטח ללא שחיקה מוגברת משמעותית או סיווג יכול להשיג זאת.

Flow Velocity ו-Tronbulence Manipulation

הפעלה במהירויות גבוהות יותר משפרת את התערובת וההעברה החום, אך גם מגבירה את הירידה בשחיקה והלחץ.נקודת זמן מתוק קיימת שם העברת חום ממקסימה ללא ללבוש מופרז.מהירויות משתנות על מעריצים או משאבות מאפשרות למפעילים להסתגל במהירות כמו שינוי.כנסת של זעזועים (baffles, שטיחים מעוותים) בחילופי חום יכולים לשפר עוד יותר את התערובת ללא ריכוז מוגבר.

שינויים וחומרים

שימוש בציפויים או משטחים מרקמים על פני השטח של העברת חום יכול להפחית את הלכלוך והשחיקה.לדוגמה, משטחים אלקטרו-פוליים להפחית את הלכידות חלקיקים.החלפת פני השטח עם משטחים משופרים (פינים, דיולים) להגדיל את אזור העברת החום אבל עשוי להיות רגיש להצטברות חלקיקים.בחירת חומרים עם קשיחות גבוהה ו מוליכות תרמיות (למשל, סיליקון) מרחיבה את החיים תוך שמירה על ביצועים תרמיים.

מסקנה

חלקיקים-laden זורם הן הזדמנויות אתגרים להעברה חום בציוד תעשייתי.על ידי הבנת המנגנונים הבסיסיים - התנהגות מבוססת, שילוב משותף, אפקטים קורנטיביים - גורמים יכולים לעצב מערכות לרתום אינטראקציות חלקיקים כדי לשפר ביצועים תרמיים.עם זאת, חסרונות כגון תעשיות מרעישות, שחיקה, ו instabilities חייב להיות מנוהל בקפידה. באמצעות בחירת תכונות חלקיקים, זרימה, עיצוב, ציוד יעיל, פיתוח יעיל, יעיל, יעיל של אנרגיה מתקדמת, הוא יעיל כדי להשיג חומרים מורכבים, יעיל יותר, יעיל יותר, יעיל כדי לשפר את היכולת שלנו, שיפור יעיל יותר, שיפור יעיל, פיתוח יעיל, פיתוח יעיל, יעיל, יעיל של אנרגיה מתקדמת, פיתוח יעיל, פיתוח יעיל, פיתוח יעיל של אנרגיה מתקדמת, חלקיק, יעיל.

לקריאה נוספת, ראה העברה של הרב-phase SystemsFLT:1 על ידי Hetsroni ו-FLT:2NIST של תוכנית מחקר זרימת חלקיקים-laden זרימה של Multiphase SystemsLT 3: