Влияние потоков, нагруженных частицами, на теплообмен в промышленном оборудовании

Введение в потоки частиц-нагруженных частиц

Потоки, нагруженные частицами, повсеместно встречаются в современных промышленных процессах, от сжигания пылесосного угля на электростанциях до транспортировки катализаторов в жидкостных каталитических крекерах и порошковом покрытии на производственных линиях. Эти многофазные системы состоят из непрерывной несущей жидкости - обычно газа или жидкости - которая приостанавливает и транспортирует дискретные твердые частицы. Частицы могут быть инертными, реактивными или фазово-изменяющими, и их присутствие фундаментально изменяет импульс, массу и характеристики транспортировки энергии потока. Понимание того, как эти потоки, нагруженные частицами, влияют на теплообмен, - это не просто академическое упражнение; это непосредственно влияет на конструкцию оборудования, эксплуатационную эффективность, потребление энергии и долговечность оборудования.

Промышленное оборудование, такое как теплообменники, котлы, реакторы и сушилки, обычно работает в условиях, когда концентрации частиц варьируются от разбавленных суспензий до плотных флюидизированных слоев.Взаимодействие между частицами и тепловым полем может привести либо к повышению, либо к ухудшению характеристик теплопередачи в зависимости от свойств частиц, режима потока и геометрии оборудования. Инженеры должны ориентироваться в этих эффектах для оптимизации управления температурой при смягчении таких проблем, как загрязнение, эрозия и нестабильность потока.Эта статья обеспечивает углубленное изучение механизмов, через которые потоки, нагруженные частицами, влияют на теплопередачу, рассматривает ключевые промышленные применения и обсуждает стратегии использования эффектов частиц для улучшения тепловых характеристик.

Фундаментальное влияние на теплообмен

Термические свойства частиц-нагруженных подвесок

Эффективная теплопроводность суспензии, нагруженной частицами, зависит от теплопроводности несущей жидкости и твердых частиц, а также фракции объема частиц. Классические модели, такие как теории эффективной среды Максвелла-Гарнетта и Брюггемана, предсказывают, что добавление высокопроводящих частиц (например, металлов или керамики) к низкопроводящей жидкости (например, воздуха или масла) может значительно увеличить общую теплопроводность смеси. Например, диспергирование наночастиц меди в воде повышает теплопроводность до 30% при низких концентрациях. Однако в газо-твердых потоках, распространенных в промышленной пневматической транспортировке, частицы часто имеют более низкую теплопроводность, чем газ, поэтому усиление ограничено, если частицы не очень малы и многочисленны.

Помимо проводимости, удельная теплоемкость и плотность суспензии изменяются при загрузке частиц. Термическая диффузивность (α = k / (ρ c _]p )) влияет на переходный теплообмен. Во многих случаях тепловая масса частиц действует как теплоотвод или источник, буферизуя колебания температуры. Это может быть полезно в процессах, требующих жесткого теплового контроля, например, в химических реакторах, где необходимо управлять экзотермическими реакциями.

Эффекты режима потока

Режим потока — ламинарный или турбулентный — драматически влияет на распределение частиц и их взаимодействие с термическим пограничным слоем. В ламинарных потоках частицы имеют тенденцию мигрировать из-за инерционных и подъемных сил, часто концентрируясь вблизи центра или стенок канала. Это неравномерное распределение создает локализованные горячие или холодные пятна, снижая общую эффективность теплопередачи. Напротив, турбулентные потоки способствуют энергичному смешиванию, диспергируя частицы более равномерно поперечному сечению. Интенсивные вихри в турбулентном потоке также разрушают термические пограничные слои, снижая тепловое сопротивление вблизи теплообменных поверхностей. Исследования показывают, что добавление частиц к турбулентному потоку газа может увеличить число Нуссельта в два или более раза при умеренных соотношениях нагрузки.

Число Рейнольдса потока (Re = ρUD/μ) определяет переход к турбулентности. Для потоков, нагруженных частицами, должна использоваться эффективная вязкость, которая объясняет присутствие частиц. Эмпирические корреляции, такие как отношение Эйнштейна к разбавленным суспензиям, обеспечивают отправную точку, но концентрированные суспензии требуют более сложных моделей.

При соприкосновении частиц друг с другом или с поверхностью теплообмена создаются сплошные мосты, проводящие тепло гораздо эффективнее жидкой фазы. Этот механизм особенно важен в плотных потоках, нагруженных частицами, таких как жидкостные слои. В бурлящем жидкостном слое частицы в эмульсионной фазе передают тепло погруженным поверхностям через преходящую проводимость. Модель, разработанная Molerus (1992), описывает коэффициент теплообмена частиц как функцию теплопроводности частиц, пустотности и времени контакта. В циркулирующих жидкостных слоях быстродвижущиеся кластеры частиц увеличивают общий коэффициент теплообмена в 5-10 раз по сравнению с однофазным потоком газа с той же поверхностной скоростью.

Даже в разбавленных потоках частицы, которые приближаются к поверхности, могут усиливать проводимость через пограничный слой жидкости, создавая тепловое короткое замыкание. Это особенно актуально для наночастиц, которые демонстрируют баллистический перенос тепла на очень короткие расстояния.

Конвективное смешивание и нарушение пограничного слоя

Частицы нарушают поток жидкости через механизм, называемый «модулированием турбулентности, вызванной частицами». В разбавленных потоках частицы могут усиливать или подавлять турбулентность в зависимости от их размера и числа Стокса. Мелкие частицы (St ≤ 1) имеют тенденцию следовать за вихрями жидкости и извлекать энергию, подавляя турбулентность. Крупные частицы (St >> 1) являются баллистическими и проливают вихри, усиливая турбулентность. Чистый эффект на теплообмен сложен; однако во многих промышленных применениях частицы усиливают конвективный теплообмен за счет увеличения эффективного турбулентного числа Прандтля и за счет содействия боковому смешиванию горячих и холодных текучих зон.

Экспериментальные исследования потоков труб с твердыми частицами показали, что число Нуссельта может быть выражено как Nu = Nu₀ (1 + C φ)

Передача тепла в газах, нагруженных частицами

При высоких температурах (выше 800 К) тепловое излучение становится доминирующим режимом теплопередачи. Частицы поглощают, излучают и рассеивают тепловое излучение, изменяя распределение радиационного теплового потока внутри оборудования. В системах сгорания, таких как пылеугольные котлы, частицы угля и золы усиливают радиационный перенос от пламени к стенкам воды. Эффективная радиационная проводимость участвующей среды моделируется с использованием уравнения радиационного переноса (RTE) с коэффициентами рассеяния и поглощения, зависящими от размера частиц и комплексного показателя преломления.

Частицы с высокой излучательностью (например, углерод-черный) могут значительно увеличить скорость передачи радиационного тепла. И наоборот, отражающие частицы (например, кремнезем) могут уменьшить чистый теплообмен. Функция фазы рассеяния также имеет значение: прямое рассеяние удерживает энергию, направленную вперед, в то время как изотропное рассеяние распространяет ее. В жидкостных сжигателях кровати ложе инертных частиц действует как почти черный радиатор тела, обеспечивая отличную теплопередачу погруженным трубкам.

Пагубные последствия потоков частиц

Грабеж и обездоливание

Частицы могут оседать на поверхности теплообмена, образуя слой обрастания, который действует как теплоизолятор. Сопротивление обрастанию R_f (m2·K/W) снижает общий коэффициент теплообмена. Механизмы осаждения включают инерционное ударное воздействие, броуновскую диффузию, термофорез (для мелких частиц в температурных градиентах) и гравитационное оседание. В теплообменниках, обрабатывающих выхлопные газы, нагруженные частицами, обрастание может снизить тепловые характеристики на 20-50% в течение нескольких месяцев. Часто требуется регулярная очистка, увеличивая эксплуатационные расходы.

Скорость загрязнения зависит от липкости частиц (функция температуры и влажности), шероховатости поверхности и условий потока. Гладкие поверхности и высокие потоки сдвига уменьшают осаждение. Поверхностные покрытия, такие как фторполимеры, могут смягчать загрязнение, но также могут ухудшать теплообмен.

Эрозия поверхностей оборудования

Скоростные частицы ударяют по поверхностям, вызывая прогрессирующее удаление материала (эрозию). Скорость эрозии (потеря массы на удар) пропорциональна кинетической энергии частиц и углам импементации. Пылевые материалы страдают от максимальной эрозии при небольших углах удара (20-30°), в то время как хрупкие материалы разрушаются больше всего при нормальном воздействии. В пневматических системах транспортировки особенно уязвимы изгибы локтей и впуски теплообменников. Эрозия тонизирует стенки трубки, что приводит к утечкам и опасностям безопасности. Для смягчения эрозии инженеры используют износостойкие материалы (например, керамика) или увеличивают толщину стенки трубки.

Нестабильность потока и снижение давления

Добавление частиц в поток увеличивает эффективную вязкость и может вызвать неустойчивости, такие как засоление, слизистый поток или образование дюн в горизонтальных трубах. Эти неустойчивости вызывают колебания теплопередачи и могут привести к вибрации оборудования. Например, в системе гидротранспорта оседание грубых частиц уменьшает площадь потока и увеличивает падение давления, увеличивая энергию перекачки. Неустойчивый теплообмен из-за проходящих слизней может вызвать тепловую усталость в теплообменниках.

Падение давления в потоке, нагруженном частицами, обычно выше, чем однофазный поток из-за дополнительного сопротивления и трения. Падение избыточного давления можно оценить с помощью уравнения Эргуна для упакованных коек или эмпирических корреляций для флюидизированных систем. Проектировщики должны учитывать это при калибровке насосов или воздуходувок.

Промышленные применения

Теплообменники в среде с плотной частицей

Теплообменники с оболочкой и трубкой, обрабатывающие газы с зацепленными частицами (например, системы десульфурации дымовых газов), сталкиваются как с загрязнением, так и с эрозией. Стратегии проектирования включают использование больших диаметров трубок для уменьшения закупорки, использование спиральных перегородок для содействия перекрестному потоку и установку сажевых воздуходувок для онлайн-очистки. Концентрация частиц должна поддерживаться ниже порога для поддержания приемлемых скоростей загрязнения. Некоторые передовые конструкции используют теплообменники с флюидизированным слоем, где частицы непрерывно очищают трубы, усиливая теплообмен.

Жидкие реакторы для кроватей

Жидкие реакторы (FBR) являются яркими примерами использования потоков, нагруженных частицами, для усиленной теплопередачи. В бурлящем FBR пузырьки газа переносят твердые частицы, создавая интенсивное смешивание. Коэффициент теплопередачи между кроватью и погруженными трубками может достигать 300-500 Вт / м2·К, что намного превышает значения однофазного газа. FBR используются для сжигания, газификации и регенерации катализатора. Передача тепла в FBR зависит от размера частиц, пустотности кроватей и поверхностной скорости газа. Корреляции, такие как модели Вриденберга или Вэнь и Ю, обычно используются для проектирования.

Пневматические системы транспортировки

Пневматическая транспортировка переносит объемные твердые вещества с использованием воздуха. Передача тепла в этих системах часто бывает плохой из-за разбавленного потока и короткого времени пребывания. Однако в сушке (например, флеш-сушилок) тесный контакт между горячим воздухом и частицами позволяет быстро удалять влагу. Коэффициент теплопередачи при разбавленной фазе пневматической передачи моделируется как Nu = 2 + 0,6 Re_]p1/2 Pr1/3 для одной частицы, но кластеры частиц снижают эффективный коэффициент. Плотная фаза передачи (слаг-поток) может иметь лучший теплопередачу из-за повышенного контакта, но падение давления намного выше.

Моделирование и моделирование подходов

Эвлериан-лагранжиан против эвлериан-евлерианских методов

Вычислительная гидродинамика (КФД) широко используется для прогнозирования теплопередачи в потоках, нагруженных частицами. Подход Эйлера-Лагранжа отслеживает отдельные частицы с помощью метода дискретных частиц (ДПМ) и решает жидкую фазу на фиксированной сетке. Этот метод точен, но вычислительно дорог для большого количества частиц. Он подходит для разбавленных потоков и для изучения теплопередачи, разрешенной частицами. Метод Эйлера-Эулера рассматривает обе фазы как взаимопроникающие континуумы и решает уравнения, усредненные по объему. Он быстрее и обычно используется для плотных потоков, таких как флюидизированные слои. Необходимы субмодели для межфазной теплопередачи, такие как корреляция Ганна для упакованных слоев.

Последние достижения в области сопряженного CFD-DEM (метод дискретных элементов) позволяют точно моделировать теплопроводность частиц и стенок частиц в плотных системах. Эти модели могут воспроизводить экспериментальные коэффициенты теплопередачи с хорошей точностью.

Эмпирические корреляции и модели закрытия

Хотя CFD является мощным, многие промышленные проекты по-прежнему полагаются на эмпирические корреляции. Для теплопередачи при пневматической передаче часто используется корреляция Сукпрасонга-Райта:

Nu = 0,027 Re_m0·8 Pr1/3 (1 + 0,3 φ^0,5), где Re_m — это число Рейнольдса, основанное на поверхностной скорости и вязкости смеси.

Для флюидизированных слоёв модель Куни-Левенспиля обеспечивает полуэмпирическое выражение коэффициента теплопередачи, который учитывает конвекцию частиц, газовую конвекцию и излучение. Инженеры должны выбрать соответствующую корреляцию на основе режима потока и свойств частиц.

Стратегии оптимизации

Контроль распределения частиц

Оптимизация распределения частиц по размеру может сбалансировать усиление теплопередачи и негативные эффекты. Узкий диапазон размеров минимизирует сегрегацию и обеспечивает однородную флюидизацию. Добавление небольшой доли мелких частиц может улучшить теплопередачу за счет увеличения площади поверхности без значительного увеличения эрозии. Этого может достичь интеллектуальный фрезерование или классификация.

Скорость потока и манипуляции турбулентностью

Работа на более высоких скоростях усиливает смешивание и теплообмен, но также увеличивает эрозию и падение давления. Существует сладкое пятно, где теплообмен максимизируется без чрезмерного износа. Переменные скорости приводов на вентиляторах или насосах позволяют операторам регулировать скорость при изменении условий. Вставка промоторов турбулентности (баффл, витые ленты) в теплообменники может дополнительно усиливать смешивание без увеличения концентрации частиц.

Модификации поверхности и материалов

Использование покрытий или текстурированных поверхностей на поверхностях теплопередачи может уменьшить загрязнение и эрозию. Например, электрополированные поверхности уменьшают адгезию частиц. Теплообменники с усиленными поверхностями (плавники, ямочки) увеличивают площадь теплопередачи, но могут быть восприимчивы к накоплению частиц. Выбор материалов с высокой твердостью и теплопроводностью (например, карбид кремния) продлевает срок службы оборудования при сохранении тепловых характеристик.

Заключение

Потоки, нагруженные частицами, представляют как возможности, так и проблемы для теплопередачи в промышленном оборудовании. Понимая основные механизмы - повышенную проводимость, конвективное смешивание и радиационные эффекты - инженеры могут проектировать системы, которые используют взаимодействия частиц для улучшения тепловых характеристик. Однако недостатки, такие как загрязнение, эрозия и неустойчивость, должны тщательно управляться. Благодаря соответствующему выбору свойств частиц, условий потока и конструкции оборудования, можно достичь эффективной и надежной теплопередачи. Текущие исследования в области моделирования, инженерии частиц и передовых материалов будут продолжать совершенствовать нашу способность оптимизировать эти сложные многофазные системы для энергоемких отраслей промышленности.

Для дальнейшего чтения см. Перенос тепла в многофазных системах Hetsroni и NIST's Частично-нагруженный поток исследовательской программы .