Исследование теплообмена в слое клинкерных гранул при принудительной фильтрации воздуха

РЕФЕРАТ. Описана экспериментальная установка для исследования теплообмена в засыпке из клинкерных гранул при принудительной фильтрации воздуха, позволяющая исследовать теп­лообмен между гранулированным материалом и воздухом при высоких температурах и характеризующаяся низкими потерями теплоты и воздуха через стенки установки. В работе в результате экспериментальных исследований получены критериальные зависимости для теплообмена при принудительной фильтрации воздуха через засыпку клинкерных гранул, учитывающие особенность процессов в колосниковом клинкерном холодильнике. Определена область наиболее интенсивного теплообмена при принудительной фильтрации воздуха через засыпку горячих клинкерных гранул.

Ключевые слова: теплообмен, клинкерные гранулы, принудительная фильтрация воздуха

Keywords: heat exchange, clinker granules, forced air filtration.

Введение

Клинкерные холодильники с колосниковой переталкивающей решеткой, которыми оснащено большинство современных вращающихся печей, служат для охлаждения получаемого в печи клинкера и рекуперации его теплоты. Они во многом определяют эффективность процессов горения и теплообмена в горячей части вращающейся печи [1].

Эффективность работы промышленных холодильников в ряде случаев низка. Поиск путей улучшения их работы на действующем объекте затруднен, так как это может привести к появлению брака и остановке всей технологической линии. Поэтому наиболее действенным и эффективным способом улучшения работы холодильников является математическое моделирование.

В настоящее время существует множество зависимостей для расчета коэффициента аэродинамического сопротивления слоя и коэффициента теплопередачи в засыпках из гранул или частиц [1—4], но все они получены для материалов, значительно отличающихся по геометрическим характеристикам и теплофизическим свойствам от клинкерных гранул, а диапазон рассчитанных по ним значений велик. Для расчета теплообмена в слое гранул получен ряд критериальных уравнений зависимостей объемного коэффициента теп­лоотдачи α_V от режимных факторов (табл. 1; используемые источники приведены в работе [5]). Значения критерия Нуссельта, полученные по этим уравнениям, могут различаться в 20 раз (рис. 1), отклонение возрастает с увеличением критерия Re. Для основной группы зависимостей при Re = 6000 различие составляет 30 %, при Re = 2·10⁴ — 70 %.

Рис. 1. Зависимость критерия Нуссельта от критерия Рейнольдса для теплообмена в слое гранул по уравнениям, приведенным в табл. 1. Для уравнений 7 и 9 температура слоя соответственно 800 (а) и 400 °С (б)

Необходимость выполнения работы возник­ла в ходе разработки численной двумерной модели теплообмена в колосниковом холодильнике, в которой слой клинкера разбивался расчетной сеткой на элементарные объемы и производился расчет аэродинамических параметров и теплообмена в каждом объеме. Использование имеющихся литературных критериальных зависимостей для сопротивления слоя и теплообмена приводило при моделировании к результатам, в несколько раз отличающимся от реальных показателей работы холодильника. Анализ имеющейся литературы показал, что аэродинамическое сопротивление и условия теплообмена в засыпке из гранул при принудительной фильтрации через нее воздуха зависят от свойств и размеров отдельных гранул. Таким образом, возникла необходимость в уточнении критериальных уравнений для засыпок, характерных для клинкерных холодильников. Наибольшее расхождение в результатах имеющихся литературных зависимостей наблюдалось в области больших значений критерия Re, т. е. при наиболее интенсивном теплообмене, поэтому была поставлена задача уточнения зависимостей именно в этой области.

Описание экспериментальной установки

Для исследования теплообмена в засыпке из клинкерных гранул при принудительной фильтрации воздуха создана экспериментальная установка (рис. 2).

Рис. 2. Общий вид и схема экспериментальной установки: 1 — вентилятор; 2 — дифференциальный манометр; 3 — направляющая; 4 — хомут; 5 — трубка Пито; 6 — асбестовая труба; 7 — термометр; 8 — клеммы для подсоединения потенциометров; 9 — нагретый зернистый материал; 10 — термоизоляция; 11 — зернистый материал; 12 — кожух

Она состоит из центробежного вентилятора, к выходному патрубку которого присоединен кожух со слоем термоизоляционного материала, в который помещается стакан с предварительно нагретым в муфельной печи до 900 °С зернистым материалом (клинкером). На стакан ставится асбестовая труба с внут­ренним диаметром 100 мм, на которой жестко закреплены трубка Пито и термопары для измерения температуры воздуха. Для изменения скорости движения воздуха используется частотный преобразователь или шибер, установленный на всасывающем патрубке центробежного вентилятора.

Особенностью установки является разборный контейнер, который служит только для нагрева в нем клинкера и транспортировки до теплоизолирующего кожуха установки, после чего сам контейнер извлекается.

Данная конструкция позволяет, с одной стороны, минимизировать охлаждение гранул с момента извлечения стакана с гранулами из муфельной печи до момента включения вентилятора и начала замера, с другой, — исключить влияние охлаждения конструкций самого стакана на температуру воздуха, замеряемую термопарой, поскольку все части, из которых состоит контейнер, извлекаются до начала замера. Это позволяет более точно определить тепловой баланс процесса.

Приведенная экспериментальная установка позволяет проводить исследование теплообмена между гранулированным материалом и воздухом при высоких температурах и характеризуется низкими потерями теплоты через стенки установки и потерями воздуха через зазор между асбестовой трубой и кожухом с термоизоляцией.

Методика проведения экспериментов

В контейнер помещается исследуемая засыпка гранул одинакового диаметра, в ниж­ний и верхний слой которой укладываются по три гранулы со вставленными в них термопарами.

Контейнер с гранулами нагревается в муфельной печи до температуры 900—950 °С, затем устанавливается в кожух со слоем теп­лоизоляционного материала и на него устанавливается асбестовая труба, которая перемещается вертикально по направляющей, жестко прикрепленной к стене с помощью кронштейна (рис. 3). От момента извлечения контейнера из муфельной печи до начала экс­периментов требуется в среднем 45 с.

Рис. 3. Схема закрепления исследуемых гранул (выделены темным цветом)

Включается вентилятор и через равные промежутки времени (10 с) записываются показания контрольной аппаратуры:

• перепад давления в слое клинкера;

• статический и динамический напор в газоходе;

• показания потенциометра, подключенного к шести термопарам, спаи которых находятся внутри гранул исследуемого материала;

• температура воздуха на выходе из стакана с исследуемым материалом.

Измерения проводятся, пока клинкер не охладится до температуры 100 °С, для каж­дой засыпки проводится три—четыре серии экспериментов. После окончания серии экс­периментов засыпка меняется на гранулы другого диаметра.

Методика обработки результатов

Исходными данными для расчета теплообмена в клинкерном слое являются:

• температура воздуха после слоя в текущем t_{в. вых. i} и последующем t_{в. вых. i + 1} замерах, °С;

• средняя температура клинкера слоя, определенная усреднением данных термопар, помещенных в гранулы, в текущем t_{кл. i} и следующем t_{кл. i + 1} замерах, °С;

• масса клинкера в установке m_кл, кг;

• объем клинкера в установке V_кл, кг;

• удельная площадь поверхности гранул F_z, 1/м (м²/м³);

• промежуток времени D_t между замерами i и i + 1, c.

Методика проведения расчета следующая.

1. Расчет средней температуры клинкера t_{кл. ср}, °С:

t_{кл. ср} = 0,5(t_{кл. i} + t_{кл. i + 1}).

2. Определение средней температуры воздуха на выходе из слоя t_{в. вых. ср}:

t_{в. вых. ср} = 0,5(t_{в. вых. i} + t_{в. вых. i + 1}).

3. Определение средней температуры воздуха в слое t_{в. ср}:

t_{в. ср} = 0,5(t_{в. вых.} + t_в.0).

4. Расчет температурного напора D_t, °С:

D_t = t_{кл. ср} — t_{в. ср.}

5. Расчет количества теплоты, отданного клинкером воздуху Q, кДж:

Q = (c_{кл. i} t_{кл. i} + c_{кл. i + 1} t_{кл. i + 1})m_кл.

6. Расчет объемного коэффициента теплоотдачи α_V, кВт/(м³·К):

7. Определение коэффициента теплоотдачи α, кВт/(м²·К):

α = α_V/F_z.

8. Расчет критериев подобия Re, Nu.

9. Оценка коэффициентов критериального уравнения теплообмена.

Результаты эксперимента

Зависимости получались для безразмерных критериев из-за необходимости обеспечить в лабораторных условиях интенсивное охлаждение и минимизировать потери теплоты через стенки установки и тем самым повысить точность результатов (так как расчет переданной теплоты производился на основании теплового баланса). Это позволило использовать в исследовании более крупные клинкерные гранулы с возможностью переноса результатов на реальные условия клинкерного холодильника.

Клинкер в колосниковом холодильнике представляет собой полидисперсный слой. Результаты измерений, представленные в ряде работ, в том числе и для строительных материалов, показывают, что характеристики и сопротивление слоя поли- и монодисперс­ных систем различаются мало. То же самое отмечено и в работе [2]. Но исследование полидисперсных слоев применительно к представленной установке будет вносить ошибку, связанную с недостаточностью усреднения характеристик слоя по его поперечному сечению. Поэтому для исследования был использован монодисперсный слой.

Эксперименты проводились на монодисперсных засыпках гранул цементного клинкера. Гранулы имели сферическую форму. Использовались гранулы диаметром 13, 16, 17, 18, 19, 22 мм. Пористость слоя в каждом случае регулировалась его начальной высотой (при выключенном вентиляторе). Экспериментальные данные получены в двух независимых сериях опытов с промежутком в 1 год.

На рис. 4 отображены точки, соответ­ствующие значениям критериям Re и Nu, рассчитанным по приведенной выше методике через малые промежутки времени. Множества точек описывают меняющиеся в процессе охлаждения значения критерия Re и соответствующие им значения критерия Nu.

Рис. 4. Зависимость коэффициента Нуссельта от критерия Рейнольдса для теплообмена в слое гранул

Для исследуемого диапазона диаметров гранул были получены уравнения, связывающие критерии подобия Re и Nu:

Nu = 4,36·10^–5 Re · d^–1.3, Re·d < 6·10⁵,

Nu = 5,8·10^–4 Re · d^–1.24 — 830, Re·d > 6·10⁵.

Уравнения характеризуют интенсивность теплообмена между материалом и воздухом в зависимости от диаметра гранул (геометрической характеристики слоя) и критерия Re, характеризующего условия обтекания гранул воздухом. Критерий Pr из расчета исключен, так как он изменялся мало и не оказывал влияния на характер зависимости.

Областью применения результатов является расчет теплообмена на отдельных локальных участках клинкерного слоя, но не укрупненный расчет теплообмена во всем холодильнике или его отдельных секциях.

Имеется точка, в которой полученная зависимость меняет свой характер. Для выявления причин этого изменения клинкерные гранулы продувались потоком холодного воздуха в стеклянном цилиндре. При достижении критериев Re, соответствующих точке излома, было замечено, что слой из неподвижного состояния стал переходить в псевдоожиженное. Для выявления влияния степени ожижения слоя на теплообмен в нем были проведены серии опытов с большими диаметрами гранул и уменьшенной высотой слоя.

В результате выявлены три зоны (рис. 5), зависимости для каждой из которых получены из результатов нескольких опытов. Первая зона (Re < 4000) соответствовала неподвижной засыпке. В этом диапазоне теплообмен был самый неэффективный. Значение Re = 4000 соответствовало критической скорости псевдоожижения. Во второй зоне (Re = 4000—8000) теплообмен был наиболее интенсивный. Третьей зоне (Re > 8000) соответствовало бурное кипение и ухудшение теплообмена.

Рис. 5. Влияние гидравлического состояния на теплообмен

Таким образом, для интенсификации теплообмена можно рекомендовать режим работы холодильника на участках с наиболее интенсивным теплообменом при значениях Re = 4000—8000. Регулировка режима работы холодильника по значению критерия Re позволяет уйти от конкретных значений диаметра и скорости и определять этот режим по аэродинамическому режиму движения воздуха, что является более универсальным способом, чем регулировка по скорости.

Выводы

В результате выполнения работы получены новые сведения о процессах в промышленных агрегатах, отличающиеся от данных имеющихся зависимостей и учитывающие особенность процессов в колосниковом клинкерном холодильнике. Определена область наиболее интенсивного теплообмена при принудительной фильтрации воздуха через засыпку горячих клинкерных гранул.

ЛИТЕРАТУРА

1. Воробьев Х.С., Мазуров Д.Я. Теплотехнические расчеты цементных печей и аппаратов. М.: Высш. шк., 1962. 352 с.

2. Аэров М.Э., Тодес О.М., Наринский Д.А. Аппараты со стационарным зернистым слоем: гидравлические и тепловые основы работы. Л.: Химия, 1979. 176 с.

3. Кутателадзе С.С., Боришанский В.М. Справочник по теп­лопередаче. М.: Госэнергоиздат, 1959. 415 с.

4. Кутателадзе С.С. Теплопередача и гидродинамическое сопротивление: Справочное пособие. М.: Энергоатомиздат, 1990. 367 с.

5. Беседин П.В., Трубаев П.А. Энерготехнологический анализ процессов в технологии цементного клинкера. Белгород: Изд-во БелГТАСМ: БИЭИ, 2005. 456 с.