Parçacık-Laden Akışlarına Giriş

Parçacık-laden akışları, sürekli taşıyıcı sıvısı - bu tür bir gaz veya sıvıyı azaltmak için enerji santrallerinde sıvılaştırılmış kömür yakması veya üretim hatlarında temel olarak enerji tesisatı ve toz kaplamaları ile ilgili olarak, bu multifaksiyon sistemleri sürekli bir taşıyıcı sıvıdan oluşur - bu tür bir gaz veya sıvıyı askıya alır ve ulaşımlar ayrı olarak katı parçacıklardır.

Sıcaklık değiştiricileri, kazanlar, reaktörler ve kurutma makineleri rutin olarak, parçacık konsantrasyonlarının yoğun sıvılaşmış yataklar gibi dilsiz süspansiyonlardan oluşan koşullar altında çalışabilmektedir.Bu makale, parçacık ve ısı transfer performansının iyileştirilmesi veya bozulmasına yol açabilir, parçacık özelliklerine bağlı olarak, akış rejime ve ekipman geometrilerine göre, kontrollere göre bu etkilerin ısıl yönetimin arttırılması, erozyon ve akış istikrarsızlığı gibi sorunları azaltılması için optimize etmesi gerekir.

Heat Transfer üzerinde temel etkiler

Parçacık-Laden Suspensiyonlarının termal Özellikleri

Bir parçacık-küre süspansiyonunun etkili termal iletkenliği, taşıyıcı sıvı ve sağlam partiküllerin termal iletkenliklerine bağlıdır, ayrıca parçacık hacminin kesildiği gibi. Klasik modeller, Maxwell-Garnett ve Bruggeman etkili orta teorileri gibi, yüksek hacimli partikülleri (örneğin, metaller veya seramikler) düşük miktarda gaz geliştirmede yüksek oranda azaltım sağlar.

Kristaliğin ötesinde, süspansiyonun belirli ısı kapasitesi ve yoğunluğu, ısı geçişi veya kaynak ile değişir, ısı geçişi (α = k / ( ⁇ c)) etkileri geçici ısı transferi. birçok durumda, ısı geçişi veya kaynak olarak davranır, buffering sıcaklık dalgalanmaları gerektiren süreçlerde fayda sağlayabilir.

Akış Regime Etkileri

Akış rejimleri - kanal veya türbülantı - bu, partiküllerin dağılımını ve ısı transfer verimliliğini azaltın, rekatli akışlarda, partiküllerin geçişine karşı daha düzgün bir şekilde yayılması veya kanaldaki duvarlara odaklanması, sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık ısıtılmamış ısı geçişinin ısı geçişinin ısı geçişinin ısı geçişi verimliliğini azaltın.

Burnun sayısı (Re = ⁇ UD/μ), dilsiz süspansiyonlar için geçişi belirler.Depresyon için, partiküllerin varlığı için hesapların kullanılması gereken etkili bir vizoloji gerektirir. Empirical korelasyonlar, örneğin,0Einstein dilsiz süspansiyonlar ile ilgili ilişki).

Parçacık Özellikleri

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.

Parçacık büyüklüğü dağılımı da önemlidir. Bir biyomodal dağıtım daha verimli, daha etkili termal iletkenliği paketleyebilir, ancak dar bir dağıtım daha az etkileşime yol açabilir. Sıcaklık değişim yüzeyleri için, çok büyük olan parçacıklar erozyona neden olabilir, çok iyi parçacıklar elektrostatik adhesion ve fouling eğilimlidir.

Heat Transfer Geliştirilmişlık Mekanizmaları

Parçacık Ağları aracılığıyla gelişmiştir

Parçacıklar birbirleriyle veya ısı transfer yüzeyiyle temasa geçtiğinde, sıvı fazdan daha verimli bir şekilde ısıtılan sağlam köprüler yaratırlar.Bu mekanizma özellikle sıvılaşmış yataklar gibi yoğun ısı transfer katlarını açıklar.Bir ısı geçişi sırasında, sıvılaşmış yataklar ve zaman içinde, ısı geçişi ısıtılır.

Dilute akışlarında bile, yüzeye yakın olan parçacıklar, ısı kısa bir devre yaratarak sıvı sınır katmanı aracılığıyla iletkenliği artırabilir. Bu özellikle nanopartiküller için ilgilidir, bu da çok kısa mesafeler üzerinde balistik ısı taşımayı sergileyebilir.

Tartışma ve Sınır Katmanı Disruption

Parçacıklar, sıvı akışı "parçalı" olarak adlandırılan bir mekanizmayla rahatsız eder.Baute flows, parçacıklar boyut ve Stokes sayısına bağlı olarak ya da çalkanabilir veya sıkıştırılabilir. Küçük parçacıklar (St ⁇ 1) sıvıları ve enerjilerini takip etme eğilimindedir, etkili turbulence Prandtl ve sıcak akışları teşvik ederek ve daha sonra sıcak akışları teşvik eder.

Borularda deneysel çalışmalar sağlam parçacıklarla birlikte, Nusselt sayının Nu = Nu ) olarak ifade edilebileceğini göstermiştir (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.

Radiative Heat Transfer in Parçacık-Laden Gases

Yüksek sıcaklıklarda (above 800 K), termal radyasyon baskın bir ısı transfer modu haline gelir. Parçacıklar absorbe, yayılabilir ve ısı radyasyonu, ekipman içindeki radiative ısı flux dağılımını değiştirmek.In yanma sistemleri, pulverized kömür kazanları, kömür ve ash partikülleri gibi enerji duvarlarına kadar radiative transfer olur.

Yüksek emissivity (örneğin, karbon siyah) ile partiküller, radiative ısı transfer oranlarını önemli ölçüde artırabilir. Tersine, yansıtıcı partiküller (örneğin, silik) net ısı transferlerini azaltabilir. Saçma aşaması işlevi de önemlidir: ileri saçılma enerji yayılırken, akışkanlaşmış yataklı yataklarda kombinatörler, neredeyse siyah vücut radyatörü olarak davranırlar, mükemmel ısı transferini daldırarak, yüksek ısı transferini sağlar.

Parçacık-Laden Akışlarının Etkileri

Fouling ve Deposition

Parçacıklar ısı transfer yüzeylerine depolanabilir, ısı geçişi olarak hareket eden bir filülme tabakası oluşturur.The fouling direniş R)[Dönemli gazlar ile ısı geçişi, fouling mekanizmaları birkaç ay içinde ısı geçişi azaltılabilir.Depozisyon, Brownian diffüzyon, termoforesis (üşükümdeki küçük parçacıklar için) ve çekimsel yerleşmeler.

Fouling oranı, partikül çubuğuna bağlıdır ( sıcaklık ve nemsenin işlevi), yüzey kabalığı ve akış koşulları. Sert yüzeyler ve yüksek hear akışları aşağılayıcıları azaltır.

Ekipman Yüzeyleri Erosion of Equipment Surfaces

Yüksek seviyeli parçacıklar yüzeyleri etkiler, ilerici materyal kaldırmasına neden olur (erosion). erozyon oranı (parçalama başına zarar) özellikle de hassas olan oksidasyonel enerji ve dürtüsel derinlikler ilerleyici malzemeler, sığ etki açılarını (20-30°) azaltırken, cam etkilerin çoğu normal etkide bulunur.

Akış Instness ve Basınç Yükselme Arttır

Bir akışa partikül eklemek etkili vizolojiyi arttırır ve tuzlu partiküller gibi enst yükümlülüklerini azaltır, beton borularda veya düktörlerdeki ısı transferlerine neden olabilir ve ekipman titreşimine yol açabilir. Örneğin, bir hidroelektrik santralinde, koarse partikülleri yerleşmek, akış alanını azaltır ve baskıyı azaltır, artan pompalama enerjisini arttırır.

Bir parçacık-laden akışındaki baskı genellikle ek sürükle ve sürtünme nedeniyle tek fazlı akıştan daha yüksektir. Aşırı baskı damlası, Ergun denklemini paketlenmiş yatak veya amplifik korelasyonlar için kullanarak tahmin edilebilir. Tasarımcılar, büyük pompalar veya darbeciler için dikkate almalıdır.

Endüstriyel Uygulamaları

Parçacık-Laden Çevrelerinde Heat Exchangers

Shell-ve-toks ısı değiştiricileri, yüksek çözünürlükte gazları kullanıyor ve online temizlik için soot üfleme sistemleri altında tutulması gerekir.Bazı gelişmiş tasarımlar, parçacıkları sürekli olarak ısı geçişi için kullanan daha büyük boru aralıklarını kullanıyor.

Akışkanlar Yatak Rektörler

Akışkanlıklı yatak reaktörleri (FBR), yüksek çözünürlükte 300-500 W /m2 • FBR'nin geliştirilmiş ısı transferleri için temellenmiş ısı transferleri, gaz balonları sağlam partikülleri taşır, yoğun karıştıran borular arasındaki ısı transfer katsayısı, 300-500 W /m2·K, çok fazla tek fazlı gaz değeri elde edebilir.FBR'ler, gaz geçişi için yaygın olarak kullanılır.FBR'lerde ısı transferleri, ısı transfer katsayısı, yüzeysel ısı transferleri ve ısı geçişi ile ısı geçişi.

pnömatik sistemler

Pnömatik taşımaları, hava kullanılarak büyük miktardaki ısı transferleri genellikle Nu = 2 + 0.6 Reute (FLT:0)Pr1/3, tek bir parçacık için, ancak partikül kümeleri arasındaki samimi temas, etkili bir kattan indirgeme katını azaltır. Dense-fayda transfer katlama işlemi Nu = 2 + 0.6 Retreksiyon) Daha yüksek bağlantı nedeniyle daha yüksek ısı transfer edilir.

Modelleme ve Simülasyon Yaklaşımları

Eulerian-Lagrangian vs Eulerian-Eulerian Yöntemler

C ⁇ sıvı dinamikleri (CFD) sabit bir ızgara üzerinde ısı transferini tahmin etmek için yaygın olarak kullanılır. Eulerian-Lagianrang yaklaşımı, ayrık parçacık yöntemi kullanarak bireysel partikülleri izler ve sabit bir ızgarada sıvı fazını çözer.Bu yöntem çok sayıda sıvıya göre pahalıdır.Bu yöntem, sıvılaştırılmış ısı transferleri için uygundur.

Çiftleştirilmiş CFD-DEM (Discrete Element Method) son gelişmeler, yoğun sistemlerde partikül-parça ve parçacık-boz ısı iletiminin kesin modellenmesine izin verir.Bu simülasyonlar deneysel ısı transfer katlarını iyi bir doğrulukla yeniden üretebilir.

Empirical Correlations ve Closure Modelleri

CFD güçlü olsa da, birçok endüstriyel tasarım hala ampirik korelasyonlara güveniyor.Pekli iletim için, Sookprasong-Wright korelasyon genellikle kullanılır:

Nu = 0.027 Re)m)0·8 Pr1/3 (1 + 0.3 {{.5[Dönetici: 3))[Düzesel hız ve karışımlar üzerine kurulu olan Re)[Düzüğün.

Akışkan yatakları için, Kunii-Levenspiel modeli, parçacık konveksiyonu, gaz konveksiyonu ve radyasyon için hesap veren ısı transfer katları için yarı-düzel bir ifade sunar.

Optimizasyon Stratejileri

Parçacık Boyut Dağıtım Kontrolü

Parçacık büyüklüğü dağılımını optimize etmek ısı transferini ve olumsuz etkilerini dengeleyebilir. Dar boyuttaki minimum miktar minimum sıvılaştırmayı sağlar.Küçük bir miktar iyi partiküller ekleyerek ısı transferini önemli ölçüde artabilir. Akıllı değirmen veya sınıflandırma bunu başarabilir.

Akış Velocity ve Turbulence Manipulation

Daha yüksek ve konumlarda ameliyat, karıştırma ve ısı transferini artırır, ancak ayrıca erozyon ve baskıyı azaltır. Sıcaklık transferinin aşırı aşınmadan en üst düzeyde olduğu yerde tatlı bir nokta vardır. Değişken hız sürücüleri fanlar veya pompalar operatörlerin hızları değiştirmelerine izin verir.Kaynaklar, akış teşvik edici kasetleri (baffles, boks kasetleri) ısı değiştiricileri giderek daha fazla karıştırmadan daha fazla değiştirilebilir.

Yüzey Modifications and Materials

Sıcaklık transfer yüzeyleri üzerinde kaplama veya dokulanmış yüzeyler kullanarak fouling ve erozyonu azaltabilirsiniz. Örneğin, elektropolit yüzeyler gelişmiş yüzeylerle ısı transfer alanı (fins, dimples) ısı transfer alanı artırmak ancak yüksek sert ve termal iletkenlik ile malzeme seçmek (örneğin, silikon) ısı performansı korumakta iken ekipman hayatını azaltır.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

Parçacık-laden, endüstriyel ekipmandaki ısı geçişi için her iki fırsat ve zorluk sunuyor. Altta yatan mekanizmaları anlamak - parçacık özellikleri, akış koşulları ve ekipman tasarımı, verimli ve güvenilir ısı transferleri elde etmek mümkün - ancak, parçacık mühendisliği geliştirmek için parçacık etkileşimleri kullanan sistemler tasarlayabilir ve gelişmiş malzemeler bu karmaşık sistemleri dikkatle yönetmelidir.

Daha fazla okuma için, bkz.FLT:0) Çokfaz Sistemlerinde Geçiş[Dönemli Sistemlerde Geçme: 1) Hetsroni ve ).NIST'in parçacık-laden akış araştırma programı).