5. Теплоотдача в дисперсных системах с твердой фазой

Теплоотдача в дисперсных системах с твердой фазой в химической технологии имеет большое практическое значение, особенно при теплообмене между движущимся теплоносителем и неподвижным слоем зернистого материала (насадки), а также теплоносителем и псевдоожиженным или кипящим слоем. Такой вид теплообмена сопровождаетмногие контактно-каталитические и массообменные процессы.

Теплообмен при движении теплоносителя через неподвижный слой зернистого материала или насадки зависит от формы и размера зерен (элементов насадки), материала насадки, прозрачности слоя, физических свойств теплоносителя, температур теплоносителя и твердой фазы и т.д.

Коэффициенты теплоотдачи от газа к неподвижным частицам зернистого материала (насадки) могут быть рассчитаны по критериальным уравнениям:

при 40 < Re < 200

Nu = 0,1 Re; (7.122)

при 200 < Re < 610

Nu = 0,286 Re^0,8, (7.123)

где ;(– коэффициент теплоотдачи от газа к неподвижным частицам или насадке;_г– коэффициент теплопроводности газа;d– диаметр зерна или насадочного тела;w– скорость газа, отнесенная к полному сечению аппарата).

Для расчета коэффициента теплоотдачи при движении газа через неподвижную насадку с малой теплопроводностью [= 0,13÷1,7 Вт/м·К] в области Re = 50–2000 рекомендуется эмпирическое уравнение

Nu = 0,123Re^0,83, (7.124)

где ;(d_экв– эквивалентный диаметр насадки;W = wρ_г– массовая скорость газа).

Аналогично для насадки с высокой теплопроводностью [= 37÷383 Вт/м·К] в области Re = 50–1770 расчетное уравнение имеет вид

, (7.125)

где _н– теплопроводность насадки.

Теплоотдача от псевдоожиженного слоя к поверхности теплообмена (или в обратном направлении) относится к наиболее интенсивному виду теплообмена с зернистыми материалами. Коэффициент теплоотдачи для этого случая теплообмена зависит от свойств зернистого материала, физических свойств и скорости ожижающего агента, а также от расположения и конструкции поверхности теплообмена (поверхности стенок аппарата, труб или других теплообменных элементов, помещенных внутри слоя).

При возрастании скорости ожижающего агента коэффициент теплоотдачи увеличивается, достигает своего максимального значения _max, после чего обычно уменьшается, что объясняется возрастающим противоположным действием на теплообмен интенсивности движения частиц около поверхности теплообмена и увеличением порозности слояε. Очевидно, что наиболее эффективный теплообмен достигается при максимальных значениях коэффициента теплоотдачи, которым соответствует оптимальная скоростьw_опт:

. (7.126)

При этом .

Рисунок 7.15 – Изменение коэффициента теплоотдачи от поверхности к псевдоожиженному слою с изменением скорости газа

В диапазоне от скорости начала псевдоожижения доw_оптвеличинарезко возрастает по очень сложной закономерности (рис. 7.15), которую со значительным запасом можно принять линейной. За пределамиw_оптвеличинана некотором участке остается неизменной, после чего монотонно падает.

Коэффициент теплоотдачи от несущей газовой среды к твердым частицам в потоке газовзвеси может быть рассчитан по следующим формулам:

В области изменений = 15; (_т/_г) < 1100;

при 30 < Re_г< 480

; (7.127)

при 480 < Re_г< 2000

;

в случае 5 < φ <30;

. (7.128)

В формулах (7.127) и (7.128) φ – относительная массовая концентрация твердых частиц в потоке газовзвеси, кг/кг; ρ_т– плотность твердых частиц. В качестве определяющего линейного размера принят размер твердых частиц.

Теплоотдача от газового потока к внутренней поверхности труб, заполненных твердыми частицами, описывается критериальным уравнением

; (7.129)

при Re_г< 40с = 1,18·10^–3;т = 1,5;

при 40 < Re_г< 1200с = 3,35·10^-3;т = 1,2;

при Re_г> 1200с = 2,95·10^–2;т = 0,9.

Теплоотдача от жидкостного потока к внутренней поверхности труб, заполненных твердыми частицами:

. (7.130)