Используя закон теплопроводности Фурье, получаем
= |
exp [ - (Х/2 І Fo)*] |
(8.43) |
|
аср |
у я го |
Плотность потока тепла на границе пакета и стенки (Х = 0)
q= —7—— 'Ö'CT(я Fo)—°’5. |
' |
(8.44) |
#ср |
|
|
Средняя плотность потока за время, соответствующее Fo,
|
|
|
Fo |
|
|
|
Яд'Ѳ ’сТ |
—■ |
|
Jqd F o = |
|
FQ-°.5 |
(8.45) |
ч = d.cp |
Fo |
dcpin |
Выражение (8.45), описывающее перенос тепла в вибропсевдоожиженном слое, громоздко. В инженерной практике принято поль зоваться законом Ньютона
q— ос(^ст ^сл) — аФст, |
(8.46) |
а интенсивность теплообмена характеризовать коэффициентом теп лоотдачи а. Совместное решение выражений (8.45) и (8.46) дает
|
- 5 ^ - = |
- L FO-°.5 |
(8.47) |
|
Яд |
У я |
|
|
|
или, обозначив adcpAn= N u , перепишем [97] |
|
где |
Nu yFÖ=2/y~irt, |
|
(8.48) |
|
|
|
|
|
__ |
йпТ эф __ |
ЯдТэф________ _ |
|
|
d ^cp |
CiiPq(l |
8o)d2cp |
|
dep — средний размер частиц; |
|
температуропроводности |
an и Яд — соответственно коэффициенты |
и теплопроводности пакета |
(неподвижной |
засыпки при |
ео); |
неподвижного слоя |
в состоянии свободной |
ео — порозность |
засыпки; |
|
|
|
|
|
сч, рч — теплоемкость и плотность частиц; Ф— избыточная температура;
тЭф — эффективное время, отражающее основные гидродинами ческие особенности слоя у поверхности: его порозность и скорость твердой фазы. Величина тЭф есть функция па раметров Л и со.
В режиме ctmax, определяемом условием (8.40), тЭф = = 0,33 сек [97].
Теплопроводность неподвижной засыпки мелких частиц в атмо сфере холодного воздуха составляет 0,1—0,3 вт/м-° К и растет с по вышением температуры.
Для частиц размером 0,5 мм в интервале температур термо обработки доля излучения в общем потоке тепла несущественна. В виброслое обычно используют частицы размером менее 0,5 мм.
Л/7
1 |
2 3 4 5 6 810 2 3 4 6 8 ІО2 2 3 4 6 8 ІО3 2 3 4 6 8 |
Рис. 8.26. Графики для определения эффективной теплопроводности (без учета излучения) плотного слоя £82[ в зависимости от порозности (е), теплопроводности газовой Хг и твердой фазы Х ч
Поэтому для расчета теплообмена в этой среде можно воспользо ваться значениями Лп, взятыми из графика (рис. 8.26) без учета лу чистой составляющей.
Сопоставление соотношения (8.50) с опытными данными для режима ctmax показывает совпадение со средним разбросом ±14% (что для псевдоожиженных систем не является слишком большим) в диапазоне критерия F o > 5 (область мелких частиц). При значе ниях Fo=sC5 опытные данные отклоняются в зависимости (8.48) и с погрешностью ±15% описываются полуэмпирическим соотно шением
При расчете по формулам (8.48) и (8.49) в качестве определяю щей принимается средняя температура пакета, равная примерно 28% температуры поверхности металла [97].
Необходимо учесть, что приведенные соотношения для расчета теплообмена проверены лишь в опытах с охлаждаемыми изделиями толщиной 15 — 40 мм. При расчетах теплообмена с деталями боль ших размеров следует вводить поправочный коэффициент, равный 0,8—0,9.
Частота вибраций выбирается исходя из числа оборотов стан дартных электродвигателей, а амплитуда в соответствии с выраже
нием (8.38) при заданной частоте. Для установок инерционного типа (рис. 8.26) колебания с заданной амплитудой могут быть обеспе чены при соблюдении условия
Л(Рк+ ѵ Р сл)= М , |
(8.50) |
где Рк — вес элементов конструкции, жестко связанных с вибрирую щей частью закалочного бака;
Рсл — вес массы слоя;
V — опытный коэффициент, равный 0,2 при высоте слоя 200
и 0,4 при высоте слоя 250—300 мм\
М— момент дебалансов вибратора, равный произведению веса их массы на расстояние от центра масс до оси вращения.
Эффективная температуропроводность вибропсевдоожиженного слоя близка к температуропроводности кипящего слоя.
Следует отметить, что приведенные выше закономерности для расчета а справедливы при небольших высотах вибропсевдоожиженого слоя (до 200—250 мм) [92]. С увеличением высоты ухудшает ся теплообмен, перемешивание и погружение деталей. Для более высокого слоя можно рекомендовать комбинированное псевдоожи жение (вибрации совместно с принудительной фильтрацией). В этом случае расход газа оказывается меньшим, чем в слое без вибрации. Однако такая система изучена еще недостаточно.
Г л а в а 9. ГЕНЕРАТОРЫ ДЛЯ ПРИГОТОВЛЕНИЯ КОНТРОЛИРУЕМЫХ АТМОСФЕР
Контролируемые атмосферы, применяемые при химико-термиче ской обработке, приготавливаются в специальных установках-гене раторах. В настоящее время созданы генераторы, предназначенные для приготовления атмосфер различного типа. Технико-экономиче ские показатели генераторов определяют качество и стоимость кон тролируемой атмосферы. Поэтому ученые и конструкторы постоянно работают над совершенствованием старых и созданием новых гене раторов. Значительным шагом вперед в технике приготовления контролируемых атмосфер явилось использование метода псевдо ожижения частиц катализатора и теплоносителя.
Наиболее распространенную группу генераторов составляют установки для получения атмосфер из углеводородов при взаимо действии с воздухом. В зависимости от того, положителен или отри цателен суммарный тепловой эффект процесса приготовления атмо сферы, эти установки принято делить на эндо- и экзотермические. В большинстве случаев сырьем для получения эндо- и экзогаза слу жит природный газ. Кроме того, для этой цели могут быть исполь зованы сжиженный газ, жидкое углеводородное сырье, а также твердое топливо.
Отдельную группу составляют генераторы для получения азот но-водородной атмосферы из аммиака или технического азота н установки для очистки и осушки инертных газов.
9.1. ЭНДОТЕРМИЧЕСКИЕ ГЕНЕРАТОРЫ
Основными компонентами эндотермического газа, кроме азота, являются окись углерода и водород. Двуокись углерода и водяные пары имеются в эндогазе в ничтожном количестве. Атмосфера эндо газа широко применяется при цементации, нитроцемеитации и дру гих процессах химико-термической обработки. Как правило, эндо термическая атмосфера приготавливается из газового сырья, причем в большинстве случаев из природных газов.
Эндогаз получается в соответствии со следующей реакцией:
СН4+0,5О2+ 1,88N2= СО +2Н Ң -1,88N2. |
(9.1) |
Как видно, в готовом эндотермическом газе содержится при мерно 20% СО, 40% Н2 и 40% N2, а коэффициент избытка воздуха а
близок к 0,25. При больших значениях а содержание С02 и Н20 в эндогазе повышается, что нежелательно. Уменьшение коэффициен та расхода воздуха при обычных температурах приготовления эндо газа приводит к выпаданию сажистого углерода [98]. Повышение температуры ограничивается стойкостью материала реактора.
Экспериментально установлено [98], что реакция получения эндогаза протекает в две стадии. В первой стадии происходит наи более вероятная реакция полного горения части подаваемого метана за счет имеющегося в смеси кислорода:
0,5 СН4+ О 2= 0 ,5 С02+ Н 20. |
(9.2) |
Во второй стадии происходят процессы конверсии метана водя |
ным паром и двуокисью углерода: |
|
СН4+ Н 20 = С 0 + З Н 2; |
(9.3) |
СН4+ С 0 2= 2 С 0 + 2 Н 2. |
(9.4) |
В результате этих эндотермических реакций температура умень шается и требуется подвод тепла извне. Как уже отмечалось, реак ции взаимодействий СН4 с С02 и Н20 при температурах ниже 1000° С протекают с малой скоростью. Термодинамический анализ показывает, что эти реакции могут протекать достаточно быстро и до конца лишь при температурах порядка 1300° С. Осуществление реакций при более низких температурах возможно лишь в присут ствии катализатора. Ведение процесса при температуре 1300° С тре бует применения остродефицитных жаростойких материалов, услож няет процесс и конструкцию установки (генератора). Поэтому про цесс получения эндогаза ведут на слое катализатора, что позволяет снизить рабочую температуру в реакторе до 850—950° С. Дальней шее уменьшение температуры приводит к науглероживанию ката лизатора и его разрушению.
Катализатор — активный компонент и не расходуется при про текании реакции. Активность катализатора обусловлена его порис той структурой и большой площадью активной поверхности, достигающей иногда сотен квадратных метров на грамм катализа тора. В теории катализа предполагается, что катализаторы сущест венно снижают энергию активации реакции и образуют с реагирую щими веществами промежуточные химические соединения, сущест вующие непродолжительное время, но обладающие высокой активностью. Газовые гетерогенные каталитические процессы состо ят из нескольких стадий: переноса вещества к поверхности катали затора, адсорбции и десорбции, переноса продуктов в газовую фазу. Активность реакции резко снижается при наличии в газах даже не большого количества определенных компонентов, являющихся яда ми для данного катализатора. Поэтому в ряде случаев необходима тонкая очистка подаваемого в реактор газа от некоторых примесей.
