Файл: Циклонная плавка. (Теоретические основы, технология и аппаратурное оформление).pdf

условия могут быть удовлетворены при тангенциальном размещении форсунок и соответствующем их размещении относительно входноговоздушного сопла [119, 120].

Не меньшее разнообразие распределения полей концентраций можно наблюдать при сжигании твердого топлива в вертикальных ка­ мерах [122], горизонтальных [125] и циклонных предтопках ВТИ

[123, 124].

В то время как в горизонтальном циклоне наблюдается неравно­ мерность газовых полей в придонной зоне, в предтопках ВТИ несим­ метричность горения угольной пыли по окружности камеры характер­ на почти по всей ее высоте. Относительно равномерное поле концент­ рации достигнуто в вертикальной циклонной камере [122].

Из сказанного следует, что распределение концентрации газовых полей зависит не только от конструктивных, но и режимных факторов, к каковым в первую очередь следует отнести скорость ввода воздуха, фракционный состав топлива, коэффициент избытка воздуха, темпе­ ратуру подогрева воздуха и т. д.

Учитывая сложность и недостаточную изученность распределе­ ния концентрации в циклонной камере, отапливаемой твердым топли­ вом, мы рассматривали в расчетах два крайних, наиболее простых ва­ рианта распределения окислителя в ее объеме: постоянное значение концентрации окислителя, равное среднему арифметическому из на­ чальной (С0 = 0,23) и конечной Сі = 0 концентрации на стенке; линей­ ный закон изменения концентрации между теми же крайними значе­ ниями Со и С1

С = С0 Гі—Г

Гі — Го’

где г0, Гі и г — соответственно начальный, конечный и текущий ра­ диусы.

Рассмотрен также случай работы камеры на дутье, обогащенном кислородом до 40% (Со= 0,4).

Как и следовало ожидать, повышение содержания кислорода со­ провождается значительной интенсификацией процесса горения, что влечет за собой рост температуры частиц, тем больше, чем мельче час­ тица (рис. 106).

Как видно из рисунка, особенно резко возрастает температура частиц размером 6^ 25 мкм; на б> 5 0 мкм это влияние практически уже не сказывается.

Уменьшение концентрации окислителя по направлению к стенке приводит к экстремальному виду кривых: более резкому нарастанию

216

температуры на начальном участке и последующему ее уменьшению с приближением к стенке, что можно объяснить изменением характера горения частицы вдоль траектории. При подходе к стенке оно замед­ ляется уменьшением концентрации окислителя, что, естественно, ска­ зывается и на температуре горячей частицы.

Рис. 106. Температура частиц при различной концентрации окислителя в циклонной камере, а — для постоянной концентрации, б — для ли­ нейного закона изменения концентрации. Сплошные линии — воздуш­ ное дутье (С0=23% O-j), пунктирные — дутье, обогащенное кислородом

(Со= 40% О*).

Необходимо особо подчеркнуть, что полученные данные характе­ ризуют тепловой режим частицы, находящейся в объеме до ее попа­ дания на стенку камеры, т. е. рассмотрена внешняя задача — обтека­ ние газом находящихся в нем частиц.

ТЕПЛООБМЕН В ЦИКЛОННОЙ КАМЕРЕ

При оценке теплообмена в рабочем пространстве большинства пламенных печей, к которым относятся и отражательные медеплавиль­ ные печи, учитывается лишь радиационная составляющая теплового потока, так как скорость газов, движущихся в печи, мала и конвектив­ ный теплообмен не превышает 9—5% от общего теплового потока, т. е.

217

находится в пределах точности расчета этих устройств. Аналогично рассчитывается теплообмен в камерных топках парогенераторов.

В рабочем пространстве циклонных камер конвективный тепло­ обмен существенно интенсифицирован благодаря высокой скорости движения вращающегося газового потока и значительной его турбулизации. Поэтому в расчетах теплоотдачи между газовой средой и ограж­ дающими ее поверхностями циклонной камеры необходимо учитывать конвективную составляющую. Уравнение суммарной плотности тепло­ вого потока, падающего на стенки плавильного циклона, можно пред­ ставить в виде

Каждая из величин, входящих в уравнение, находится в сложной зависимости от конструктивных и режимных параметров камеры.

Проанализируем подробнее условия радиационного и конвектив­ ного теплообмена в аппаратах циклонного типа и факторы, влияющие на них. Особое внимание обратим на конвективный теплообмен — ему принадлежит значительная роль на всех стадиях термической обработ­ ки диспергированного сырья: сушки, нагрева и плавления перераба­ тываемых частиц, газификации топливных частиц, нагрева пленки рас­ плава. Экспериментальной оценке конвективного теплообмена непо­ средственно в циклонной камере посвящено немного работ. Первая из них проводилась в циклонной камере с воздушным охлаждением воз­ духом, подогретым до 500°, продуваемым через кольцевой канал [126]. Для лучшего теплоотвода и увеличения поверхности охлаждения шипы выступали не только в огневое пространство камеры, но и проходили через стенку на всю ширину кольцевого зазора, обдуваемого воздуш­ ным потоком. Среднее значение теплового потока и составляющей кон­ вективного коэффициента теплоотдачи к стенке в опытах определялось по нагреву воздуха. Локальные значения теплоотдачи измерялись дву­ мя торцевыми калориметрами, установленными заподлицо со стенкой.

При отнесении величины критерия Re к условиям скорости входа

218

Расхождение результатов, полученных в опытах для всей стенки и для размещенных на ней калориметров в работе [126], объясняются различной степенью шероховатости их поверхности. Однако, на наш взгляд, нельзя отождествлять среднюю теплоотдачу ко всей стенке с локальным теплообменом к калориметрам, расположенным на ней, особенно, если учесть, что они могли быть установлены на плохо омы­ ваемых участках стенки.

Авторы [127] для теплообмена в вихревой камере предлагают за­ висимость

где T r и Тст — температура газов и стенки соответственно. Температуру газов они предлагают принимать ниже температуры

факела из-за «слоистой» структуры потока, что противоречит опытам [128, 129] и затрудняет пользование формулой, поскольку в ней не оговариваются величины рекомендуемых поправок.

Известный интерес для нашей задачи представляют исследования конвективного теплообмена в камерах сгорания газовых турбин, снаб­ женных завихрителями [127, 130]. Здесь интенсивность теплообмена по сравнению с продольным течением газа в гладком канале увеличи­ вается в несколько раз.

Некоторые исследователи [131, 132] интенсификацию конвектив­ ной теплоотдачи во вращающемся потоке относят главным образом за счет центробежных сил, вызывающих увеличение весовой скорости вблизи вогнутой стенки, и за счет уменьшения на ней толщины погра­ ничного слоя. Поэтому в уравнение движения газовой среды добав­ ляют массовую центробежную силу и получают дополнительный кри­ терий, учитывающий характер вихревого потока

а для газов ßAt = const, тогда критерий К ц зависит только от отноше­

ния т. е. определяется лишь конструктивными особенностями за-

219

вихрителя. По-видимому, в связи с этим предложенный критерий не использовался авторами [131] при обобщении результатов.

Во всех случаях изучения конвективного теплообмена отмечал­ ся существенный рост теплоотдачи по сравнению с продольным тече­ нием воздуха в трубе [132, 135].

Экспериментальные зависимости, полученные при различных условиях течения потока в трубе, отчетливо показывают, что завихряющие устройства заметно интенсифицируют теплообмен и тем боль­ ше, чем выше закрутка потока и изменение критерия Re. В то же вре­ мя эти исследования не раскрывают закономерностей теплообмена вращающихся потоков и не позволяют оценить влияние геометриче­ ских и режимных параметров циклонного аппарата на величину теп­ лоотдачи.

Для аналитического решения такой задачи необходимо совмест­ ное решение уравнений движения газа, неразрывности и распростране­ ния тепла, что возможно лишь для простейших случаев движения жидкости, к которым ни в какой мере не может быть отнесен закручен­ ный поток и, тем более, поток в циклоне.

Для большинства реальных задач практически для всех случаев теплообмена в турбулентном потоке единственно возможным подходом к теоретическому решению в настоящее время является гидродинами­ ческая аналогия теплообмена [136]. При решении же гидродинамиче­ ской задачи для вращающейся струи приходится принимать ряд упро­ щающих предпосылок и вводить эмпирические коэффициенты, что снижает точность решений и сужает диапазон возможных обобщений.

Теория дает выражение связи факторов тепло- и масообмена с коэффициентом гидродинамического сопротивления. В то же время,, как отмечалось, абсолютная величина коэффициента сопротивления циклонной камеры весьма условна и зависит от выбора его параметров.

При всей своей сложности теоретическому решению задачи до­ ступно получение качественных закономерностей тепло- и масообмена, которые, безусловно, требуют экспериментальной проверки с введе­ нием поправок в виде эмпирических коэффициентов.

Наиболее оправдано экспериментальное решение поставленной задачи, результаты которого обобщаются методом теории подобия с по­ лучением критериальных зависимостей, характеризующих гидродина­ мическую обстановку в циклонной камере и влияние на нее геометри­ ческих критериев. Такие исследования для большого диапазона рабо­ чих параметров позволили выявить обобщенную критериальную зави­ симость конвективного теплообмена в циклонных камерах (рис. 107), описываемую уравнением

(3.107)

220