Особенности фонтанирующей разновидности кипящего слоя


Скачать 127.56 Kb.
НазваниеОсобенности фонтанирующей разновидности кипящего слоя
Дата публикации06.08.2013
Размер127.56 Kb.
ТипДокументы
userdocs.ru > Математика > Документы
Приложение II

Особенности фонтанирующей разновидности

кипящего слоя

I. Образование фонтанирующего слоя возможно [1] в основном при псевдоожижении зернистых материалов в коническо-цилиндрических и конических аппаратах с углом в вершине более 15-20°.

Если ожижающим агентом является капельная жидкость, то после псевдосжижения слой постепенно расширяется и остается однородным вплоть до размывания свободной поверхности, вдоль оси слоя наблюдается сепарация частиц по размерам и плотностям [1].

Целью настоящей работы является использование фонтанирующей разновидности кипящего слоя для сепарации частиц.
Система уравнений гидромеханики псевдосжиженного слоя не может быть замкнута ни при использовании метода осреднения, ни при феноменологическом выводе уравнений [2]. Поэтому необходимо определить свойства системы.

Частицы омываются ламинарным потоком, на их поверхности формируется пограничный слой Прандтля; осуществляющий перенос импульса и массы, средние касательные напряжения, обусловленные вязким трением, определяются весом частиц [3].

II. Воспользуемся уравнением изменения моментов количества движения [6]:



где τ – объем, ограниченный поверхностью обтекания σ;

ρ – плотность жидкой компоненты;

– скорость обтекания частицы жидкостью;

– вектор объемных массовых сил;

– радиус-вектор, направленный в данном случае в сторону частицы;

– вектор касательных напряжений.
Для односвязной поверхности обтекания σ:




так как (скорость вдоль поверхности обтекания не меняется и на поверхности равна нулю), и (в силу непроницаемости частицы).

Угловая скорость вращения для точек твердого тела в любой плоскости постоянна: для ньютоновской жидкости:





где μ – коэффициент динамической вязкости.

Для твердой частицы в силу равенства нулю оставшегося члена уравнения и равенства нулю объемного интеграла только при равенстве нулю подынтегральной функции следует, что при взвешивании частицы в стационарном потоке объемные массовые силы уравновешены.

В стационарном случае взвешенная частица находится в динамическом равновесии с потоком взвешивающей ее среды.

Для жидкости, обтекающей частицу, объемные силы уравновешены силой Архимеда следовательно,



Частица непроницаема, и в тонком пограничном слое обтекающей частицу жидкости скорость направлена вдоль поверхности обтекания σ или ,



или , так как и

Можно утверждать, что частица движется в потоке обтекающей среды поступательно (). Сама среда движется по произвольным, неподвижным в пространстве из-за стационарности течения, линиям тока, следовательно, частица разворачивается в набегающей струе и выравнивает собственным вращением неравномерность скоростей обтекания в любой плоскости сечения поверхности σ.

В рассматриваемом течении каждая частица движется в потоке поступательно, и по первому закону Ньютона из-за уравновешенности сил можно предположить равномерность движения.

III. В двухфазном восходящем потоке взвеси фонтанирующей разновидности псевдосжиженного, кипящего слоя оба компонента смеси движутся относительно друг друга непрерывно. В каждой точке потока взвеси соблюдается условие неразрывности компонент:

, ,

где и – плотности распределения компонент в смеси. При несжимаемости одной из составляющих, в данном случае жидкости, следует несжимаемость второй, пусть , тогда и , отсюда и , в этом случае , так как равна нулю конвективная производная  [6].

Для фонтанирующего кипящего слоя характерно наличие центрального псевдосжиженного ядра и периферийных зон [7], где в конических аппаратах происходит сползание материала вдоль стенок. В потоке есть сток – поверхность кипящего слоя и источник жидкой компоненты, следовательно, движение жидкости потенциально, ее скорость является градиентом скалярной функции, в данном случае не известной.

По определению градиента [8], это вектор, перпендикулярный поверхностям уровня и вдоль поверхностей уровня не изменяющийся.

В потенциальном течении, поэтому всегда физически существует система прямоугольных ортогональных координат – поверхность уровня и нормаль к ней [6]. Жидкость в стационарном случае течет квазиодномерно, скорость изменяется вдоль одной пространственно заданной линии L, отсюда:




Потенциальное течение несжимаемой жидкости возможно только квазижестким стержнем [6],

.

Поскольку частицы движутся в жидкости поступательно: или , то скорость частиц определится следующим образом:


По выше доказанному: , значит, .

В рассматриваемом течении фазовые скорости компонент смеси постоянны по величине во всем объеме потока смеси.

Скорости движения компонент и плотности их распределения постоянны в пределах общего потока. Деформации поля скоростей несущей среды около частицы определяются ее весом G, вязкостью среды и размером поверхности обтекания:


Здесь – объем деформированных частицей слоев жидкости, – объем частицы. На поверхности частицы скорость равна нулю, за пределами действия веса частицы равна скорости потока жидкости (), поэтому .

Взвешивающая сила, равная весу частицы, пропорциональна объему деформированных частицей слоев несущей среды в потоке смеси, следовательно, при справедливости изложенных рассуждений скорость движения частиц в потоке взвеси зависит от плотности материала и не зависит от размеров.

IV. Проверку полученного вывода провели на практически не сжимаемом ожижающем агенте – воде.

В качестве ожижаемой среды использовалась песчаная смесь размерами частиц от одного до трех миллиметров и смесь свинцовой дроби диаметром 5 мм и 2 мм.

Собственно установка представляла собой плоский сосуд – рамку из оргстекла (рис. 1) с расстоянием между стенками 1,1 см, размеры рамки 15×15 см2. В дне рамки для ожижения материала водой устроено отверстие диаметром 4 мм. Давление жидкости измерялось пьезометрами, установленными через 1 см по высоте рамки над водоподающем отверстием.

При загрузке свинцовой дроби диаметром 2 мм и 5 мм слоями по 2-3 см эпюра гидростатического давления в ожиженном слое линейна – зерна дроби перемещалась без разделения по размеру. Поток смеси двигался в виде колодца с непроницаемыми стенками из слоев частиц (рис. 1), что позволяет утверждать о справедливости приведенных выше рассуждений для течения с числами Рейнольдса, при обтекании частиц, до 250 включительно.

При загрузке песчаной смеси диаметром 1÷3 мм хорошо просматривался колодец, забор материала в поток взвеси осуществляялся, как и в первом случае, снизу. Эпюра гидростатического давления линейна.

Приведенные рассуждения и экспериментальная их проверка позволяют сделать вывод, что при ожижении несжимаемой ньютоновской жидкостью зернистых материалов в случае фонтанирующей разновидности кипящего слоя происходит сепарация частиц по плотности их материала независимо от размеров.

В стилизованной модели движение частиц осуществлялось, как это характерно для фонтанирующего слоя [1, 7], поток взвеси выносил частицы на поверхность, а вся масса неподвижных частиц сползала вниз вдоль стены.

Введение в различные точки потока взвешенной свинцовой дроби стальных шариков диаметром 2, 4 и 6мм показало, что эти шарики неизменно выносились на поверхность слоя, так как более легкие частицы выносятся на поверхность кипящего слоя более тяжелых. Те же шарики, помещаемые в поток песчаной взвеси, опускались на дно и не покидали зону образования смеси около водоподающего отверстия, следовательно, тяжелые частицы проваливаются сквозь кипящий слой более легких.



Рисунок 1. Схема псевдоожижения. 1 – эпюра гидростатического

давления; 2 – эпюра давления в песчаной взвеси; 3 – эпюра давления взвеси свинцовой дроби; 4 – зоны нестационарности – смесеобразования.
В фонтанирующем кипящем слое при несжимаемом ожижающем агенте можно разделять зернистые материалы по тяжести частиц, используя их способность распределяться в вертикальном взвешивающем потоке ожижающего агента.

V. Поток взвеси находится в динамическом равновесии со слоем сыпучего материала и образует в этом слое вертикальный канал с практически непроницаемыми стенками. Забор частиц ожижающим агентом осуществляется внизу в зоне образования смеси, где и происходит их сепарация. Вертикальный поток не участвует в разделении смешанных частиц, так как его параметры устанавливаются в зоне смесеобразования и не меняются до поверхности слоя, следовательно, в сепараторах необходимо сокращать зону вертикального потока.

Наиболее широко используются устройства с изотермическим кипящем слоем в пневмотранспорте – аэрожелоба и пневмослоевые затворы, использующие свойство текучести псевдоожиженного материала. Аэрожелоба имеют, как правило [7], фонтанирующую разновидность кипящего слоя с застойными зонами у стенок и потоком взвеси над расположенным вдоль желоба аэратором. В аэрожелобах ожиженный материал течет под уклон, и возможность сепарации трудно осуществима из-за конструктивных особенностей, соответствующих назначению устройства. Если аэрожелоб установить с обратным уклоном, то движение взвеси может осуществляться только под действием внешних сил [9], например, веса поступающего материала. Это позволяет регулировать работу устройства – пневмослоевого затвора.

Пневмослоевой затвор, как правило, является емкостью на выходном патрубке бункера с сыпучим материалом. При ожижении этого материала бункер опорожняется; при прекращении подачи воздуха сыпучий материал теряет свойство текучести – не ожижается, и опорожнение прекращается. По особенностям эксплуатации высота пневмослоевого затвора – глубина должна быть достаточна для его затворения весом материала. Вес материала в затворе противодействует весовому давлению этого же материала из бункера.

По основному авторскому свидетельству № 740653 известен пневмослоевой затвор, содержащий корпус с загрузочным патрубком и расположенный в корпусе под патрубком аэрирующий элемент, при этом он снабжен воронкой, выполненной в виде усеченного конуса, прикрепленного меньшим основанием к выпускному концу загрузочного патрубка, а часть аэрирующего элемента, расположенная под большим основанием конуса, выполнена воздухонепроницаемой [10].

Для обеспечения работы такого устройства высота чаши, в которую опущен большим основанием усеченный конус, должна быть достаточной для запирания затвора весом столба находящегося в чаше неаэрируемого материала, то есть с прекращением аэраций прекращается движение материала через затвор; чем выше давление магериала в корпусе затвора, тем выше должна быть чаша с аэратором, и тем с большим давлением подают воздух в аэрирующий элемент для возобновления движения материала. Это создает угрозу транспортирования материала в обратном направлении и требует непроизводительных энергозатрат на повышение давления в момент открытия (пуска) выше давления уже работающего пневмослоевого затвора.

Цель изобретения – повышение надежности работы путем снижения давления в аэрирующем элементе.

Для достижения цели устройство снабжено дополнительными аэрирующими элементами, установленными вокруг загрузочного патрубка по всей высоте приемной чаши.

Давление в аэраторе, необходимое для пуска (открытия) затвора, должно превышать весовое давление слоя материала над аэратором. При расположении аэрирующих элементов (аэраторов) по высоте чаши происходит аэрация сверху вниз, что позволяет запускать затвор на номинальном рабочем давлении и предотвращает транспортировку материала в обратном направлении.



Рисунок 2. Пневмослоевый затвор, общий вид.
На рисунке 2 изображен общий вид пневмослоевого затвора. Пневмослоевой затвор включает корпус 1 с загрузочным патрубком 2, приемную чашу 3, в которой расположен аэрирующий элемент 4 и дополнительные аэрирующие элементы 5.

Устройство работает следующим образом.

При подаче воздуха в аэрирующие элементы 4 и 5 происходит псевдоожижение материала и разрушение запирающего слоя по периметру чаши 3, при этом материал приобретает текучесть, начиная с верхних слоев, и пересыпается через края чаши.

Использование пневмослоевого затвора позволяет снизить давление в питающих затворах воздуховода, что позволит использовать более дешевое низконапорное оборудование, а в системах пневмозолоудаления ТЭС – забирать воздух от дутьевых вентиляторов котлоагрегатов без установки дополнительного оборудования [10].

Аэрожелоба имеют малую высоту вертикального потока в кипящем слое, но они практически не регулируемые устройства по производительности. Поэтому представляется перспективным совместить в искомой конструкции сепаратора достоинства аэрожелобов и пневмослоевых затворов.

Указанная цель достигается тем, что в пневмослоевом затворе, содержащем камеру с расположенным в ней аэрирующим элементом и вертикально установленные загрузочный и разгрузочный патрубки, камера представляет собой заглушенную с торцов трубу, установленную под острым углом к оси загрузочного патрубка, при этом аэрирующий элемент расположен по всей длине трубы, а загрузочный патрубок соединен с трубой ниже места соединения последней с разгрузочным патрубком [9].

На рисунке 3 изображен общий вид пневмослоевого затвора.

Затвор включает камеру 1, внутри которой по всей ее длине установлен аэрирующий элемент 2, загрузочный патрубок 3, забирающий материал от накопителя, и разгрузочный патрубок 4, подающий материал в транспортирующую магистраль.

Камера 1 затвора выполнена из стальной трубы, заглушенной с торцов, а в качестве аэрирующего элемента использован металлорукав типа РЗ.

Пневмослоевой затвор работает следующим образом.

Воздух подают в аэрирующий элемент 2, материал пневмоожижается сверху вниз вдоль аэратора и приобретает текучесть, псевдоожиженный материал выдавливается (движется полным сечением) из камеры 1 через разгрузочный патрубок 4 под действием веса материала, свободно поступающего через загрузочный патрубок 3 от накопителя. При аэрации объемный вес смеси уменьшается по току материала, так как аэрирующий элемент выполнен по всей длине выходящего участка аэрожелоба, что исключает обратное движение материала или приток воздуха в бункер-накопитель. При движении материал поднимается вверх на высоту подъема аэрожелоба.

Система пневмозолоудаления работает, как правило, периодически и выключается при опорожнении бункера.

Использование изобретения в пневматических транспортных системах позволяет снизить затраты на изготовление, повысить надежность в работе и компактность затворов [9].


Рисунок 3. Пневмослоевый затвор, общий вид.
Гидросепаратор, очевидно, должен включать наклонный желоб – аналог аэрожелоба, в который подается с одного, предположительно выше расположенного, конца смесь зернистых материалов, с другого осуществляется самотеком удаление взвешенных частиц. Через дно желоба рассредоточено подаваётся жидкость, например, вода.

Названное устройство по принципу действия не отличается от известного много лет золотопромывочного лотка, но должно иметь промышленные габариты и основное качественное отличие – непрерывность работы. Непрерывную работу гидросепаратора можно обеспечить, организовав периодический отбор наиболее плотных частиц, в таком случае из желоба будут постоянно удаляться только наиболее легкие частицы при переливе через торцевой борт лотка или водослив.

Из рисунка 1 видно, что более тяжелым, плотным частицам соответствует большее давление столба взвеси, определяемое пьезометрами. Наиболее очевидным и перспективным для конструктивного использования фактором накопления плотных частиц в лотке является повышение давления внизу лотка при неизменной высоте взвеси. В качестве устройства для отбора плотных частиц при достижении ими слоя заданной высоты в лотке можно использовать аналог пневмослоевого затвора [9] – устройства, конструктивно однотипного аэрожелобу.

Гидросепаратор, таким образом, состоит из лотка с наклонным дном, и соответственно изменяющейся глубиной, и затвора. В лоток и затвор рассредоточено подается вода, взвешивающая и сортирующая частицы. Гидрозатвор забирает наиболее тяжелые частицы с глубины лотка – желоба.

Схема, реализующая изложенные соображения, представлена на рисунке 4.

Гидросепаратор представляет собой прямоугольный в плане лоток, на рисунке 4 изображены фронтальный и боковой виды устройства с частичными вырезами для наглядности изображения.

В корпусе – лотке 1 имеется камера нагнетания 2, куда подается под давлением вода, закрытая сверху мелкой сеткой или тканью 3 для рассредоточенной подачи воды в верхнюю камеру ожижения 4. В нижнем конце лотка установлено сливное окно с патрубком 5 для отвода воды с легкими частицами, в верхний конец потока поступает исходная смесь материалов 6. В глубокой нижней части потока оборудован вертикальный колодец 7, верх колодца имеет сливное окно с патрубком 8, низ стенок колодца не доходит до дна камеры ожижения 4. Этот колодец является гидрозатвором, в который заходят тяжелые частицы с низа камеры ожижения 4, проходят по колодцу 7 и выливаются с потоком через сливное окно 8, которое расположено ниже сливного окна 5. Таким образом, через сливное окно 5 выходят легкие частицы, забираемые сверху, а через сливное окно 8 – тяжелые частицы, забираемые снизу.

Псевдоожижение фонтанирующей разновидностью кипящего слоя позволяет осуществлять разделение частиц при их промывке водой или другой несжимаемой жидкостью.


Рисунок 4. Гидросепаратор. 1 – лоток; 2 – камера нагнетания; 3 – сетка;

4 – камера ожижения; 5 – сливное окно с патрубком; 6 – верхний конец потока; 7 – вертикальный колодец; 8 – сливное окно.

Список литературы


  1. Гельперин Н.И. Основные процессы и аппараты химической технологии. – В 2-х книгах. – М.: Химия, 1081. – 812 с.

  2. Протодьяконов И.О., Чесноков Ю.Г. Гидромеханика псевдоожиженного слоя. – Л.: Химия, 1982. – 264 с.

  3. Тамарин А.И. Массоперенос в псевдоожиженном слое между газом и частицами // ИФЖ, 1981, Т. 41, № 6. – С. 1067-1072.

  4. Дейч М.Е., Филиппов Г.А. Газодинамика двухфазных сред. – М.: Энергоиздат, 1981. – 472 с.

  5. Нигматулин Р.И. Основы механики гетерогенных сред. – М.: Наука, 1978. – 336 с.

  6. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. – М.: Наука, 1978. – 736 с.

  7. Разумов И.М. Псевдоожижение и пневмотранспорт сыпучих материалов. – М.: Химия, 1972. – 256 с.

  8. Корн Г., Корн Н. Справочник по математике. – М.: Наука, 1973. – С. 165-173.

  9. Шилов Н.Н, Демидов Н.Н. Пневмослоевой затвор: А.с. СССР № 1022916, м.кл. В65G53/46 от 15.06.83. – Бюл. № 22.

  10. Полищук Г.В., Шилов Н.Н. Пневмослоевой затвор: А.с. СССР № 984962, м.кл. В65G53/50 от 30.12.82. – Бюл. № 48.

Похожие:

Особенности фонтанирующей разновидности кипящего слоя iconЛуганский государственный институт культуры и искусств Кафедра художественно-компьютерная...
Слои и их разновидности. Операции над слоями: Создание нового слоя, превращение выделенной области в слой, дублирование слоя в одном...
Особенности фонтанирующей разновидности кипящего слоя iconФгоу спо «схт» Самостоятельная работа не тему
В сечении срезаемого слоя металла (см рис. 1) рассматриваются такие элементы резания (физические параметры): толщина срезаемого слоя...
Особенности фонтанирующей разновидности кипящего слоя iconМетоды используемые в дерматологии
Из мезодермы развивается дерма и подкожная клетчатка. Эпедермис располагается на мембране многослоенный ороговивающий эпителий Особенности...
Особенности фонтанирующей разновидности кипящего слоя iconВозможности гистологического метода при диагностике дисфункциональных маточных кровотечений
Охватывают одновременно всю его толщу. Десквамация функционального слоя при этом равномерна на всем протяжении слизистой и заканчивается...
Особенности фонтанирующей разновидности кипящего слоя iconПрограмм а итогового междисциплинарного государственного экзамена по специальности
Сущность, виды, задачи менеджмента и его разновидности. Менеджмент как система научных знаний. Содержание деятельности менеджера....
Особенности фонтанирующей разновидности кипящего слоя icon95. Фьючерсные и опционные контракты как разновидности как разновидности...
Пенью проникновения зарубежного опыта, недостаточной профессиональной подготовкой операторов рынка, низкой активностью в решении...
Особенности фонтанирующей разновидности кипящего слоя icon94. Вексель. Определение, свойства, разновидности, особенности обращения
Рф «Векселем является ценная бумага, удостоверяющая ничем не обусловленное обязательство векселедателя (простой вексель) либо иного...
Особенности фонтанирующей разновидности кипящего слоя iconПодбор отряда машин для устройства слоя основания из гравийно-песчаной смеси nс
Подбор отряда машин для устройства слоя основания из гравийно-песчаной смеси nс3
Особенности фонтанирующей разновидности кипящего слоя icon2. Разновидности гжельской росписи

Особенности фонтанирующей разновидности кипящего слоя iconВопросы к контрольным работам
Термодинамические параметры поверхностного слоя. Адгезия, смачивание и растекание жидкостей. Адсорбционные равновесия
Вы можете разместить ссылку на наш сайт:
Школьные материалы


При копировании материала укажите ссылку © 2020
контакты
userdocs.ru
Главная страница