quá trình cháy nhiên liệu trong FBC 3.1 Những phản ứng cơ bản của quá trình cháy nhiên liệu
3.4.Quá trình trao đổi nhiệt trong tầng sô
3.4.1.Truyền nhiệt giữa khí và hạt
Đây là quá trình thuần tuý đối l−u. Khi nghiên cứu quá trình truyền nhiệt các tác giả [12] đã đ−a ra ph−ơng pháp tính toán trao đổi nhiệt giữa các pha trong tầng sôi khi Re/ε > 200:
ở đây:
Nu0 = α0.d/λe Re = ω.d/νe
λe: độ dẫn nhiệt của môi tr−ờng; νe: độ nhớt động học của môi tr−ờng. C−ờng độ trao đổi nhiệt, chuyển khối trong tầng sôi các hạt lớn ít phụ thuộc vào vận tốc khí, và vậy các tác giả th−ờng tính toán cho tr−ờng hợp bắt đầu linh động ε = 0,48 thì công thức tính tốc độ tới hạn thông qua chuẩn số Reynol tới hạn:
Rekh = 0,25.(Ar)1/2 (3.20) Khi đó, nếu Rekh/εkp>200, hay Ar >106 thì
Nu = 0,26. (Ar . Pr)1/3 (3.21) Kết quả thực nghiệm khi Re/ε < 200 là
Nu = 1,6.10-2 ( Re/ε)1/3.Pr1/3 (3.22)
Khi nghiên cứu các tác giả thấy chiều cao của lớp trao đổi nhiệt rất bé. Khi đ−ờng kính hạt d < 2mm thì chiều cao của lớp trao đổi nhiệt không quá 20mm, khí đi ra khỏi tầng có nhiệt độ bằng nhiệt độ của hạt.
3.4.2. Truyền nhiệt giữa dòng hạt trơ và vật thể trong dòng
ở công trình [12], ng−ời ta cho rằng hệ số truyền nhiệt, chuyển khối từ vật thể nằm trong tầng không lớn lắm, nhất là trong tầng các hạt nhỏ. Khi tốc độ khí tăng đơn điệu thì tốc độ càng cao chuyển động của hạt càng lớn, sự xáo trộn bề mặt cũng lớn và hệ số truyền nhiệt tăng theo. Tuy nhiên nó chỉ tăng đến mức độ và đạt giá trị lớn nhất rồi từ từ giảm. Điều đó đ−ợc giải thích bằng sự tăng độ xốp trung bình trong toàn tầng dẫn đến tăng thời gian giữa hai lần va chạm của hạt trong tầng. Trong lò phản ứng cần thiết có gía trị trao đổi nhiệt cao và t−ơng ứng với giá trị trao đổi khối để duy trì quá trình trao đổi phản ứng. Vì vậy tính
chính xác quá trình truyền nhiệt là điều cần thiết. Các công thức tính toán tin cậy là những công thức thực nghiệm. Hệ số trao đổi nhiệt còn phụ thuộc vào đ−ờng kính hạt trong tầng sôi và độ xốp của tầng sôi. Khi tăng đ−ờng kính hạt và tăng độ xốp hệ trao đổi nhiệt giảm. Điều đó đ−ợc lý giải bằng số lần tiếp xúc và số điểm tiếp xúc giảm. Để đánh giá đại l−ợng αmax ng−ời ta coi chiều dày hiệu dụng của khe khí có thể tích bằng thể tích khe giữa bề mặt và mặt cắt qua tâm của hạt. δe = 0,5.dε
khi đó hệ số trao đổi nhiệt giữa bề mặt vật thể và tầng là:
αmax= λe/δe = 2. λe/dε (3.23) Hay
Numax=αmax.d/λe =2/ε∼ 4 (3.24)
Truyền nhiệt từ vật thể nhỏ (so với đ−ờng kính hạt trong tầng) bị ảnh h−ởng của độ cong bề mặt của nó. Trở lực nhiệt lúc đó là trở lực của hình cầu có đ−ờng kính trong là d, đ−ờng kính ngoài là dn
R1=d.(1-d/dn)/2λe (3.25)
Nếu đ−ợc xác định từ thể tích của bọt khí, thì hệ số truyền nhiệt lớn nhất từ vật thể có đ−ờng kính bằng đ−ờng kính hạt trong tầng là:
Numax=αmax.d/λe = 2/[1-(1- ε)1/2] ∼10 ( 3.26)
Trong tầng những hạt lớn d >1mm do dòng chảy rối mạnh mẽ, quá trình truyền nhiệt đối l−u bắt đầu chiếm −u thế hơn so với dẫn nhiệt. Giá trị lớn nhất hệ số truyền nhiệt là ở tốc độ linh động tối −u thể hiện qua:
ReTN=Ar/[18 +5,22.(Ar)1/2] (3.27) Tốc độ cuốn theo của hạt đ−ợc tính nh− sau:
Do đó: ωy = Ar. ν/[18+0,6.(Ar)1/2]
Khi thực hiện công nghệ ở tốc độ ω > 0,5ωϒsẽ có hiện t−ợng cuốn phần lớn hạt ra khỏi thiết bị. Hệ số truyền nhiệt lớn nhất nhận đ−ợc khi ω > 0,34ωϒ. Khi tăng đ−ờng kính hạt và tăng nhiệt độ, tốc độ tối −u gần với tốc độ cuốn theo. ở những tốc độ v−ợt quá tốc độ tối −u, các hạt đã phân tán th−ờng đạt đ−ợc độ đồng nhất trong không gian. ở tốc độ nhỏ dễ thấy sự phân tầng các hạt to, nhỏ. Khi nhiệt độ trung bình v−ợt quá 8000C bắt đầu có ảnh h−ởng của cấp nhiệt bức xạ khi đó hệ số cấp nhiệt cần phải tính thêm thành phần bức xạ:
αBX = 7,3σ0εMεTTΥ3 (3.28) σ0=5,67.10.w/m0K: hằng số StefanBonzman.
εM: độ đen của hạt trong tầng; εT: độ đen của vật thể;
TΥ: nhiệt độ bề mặt 0K;
3.4.3.Truyền nhiệt ở những vật có kích th−ớc nhỏ
Các tác giả dùng đầu dò có kích th−ớc bằng đ−ờng kính hạt để đo các thông số cấp nhiệt trong tầng đã nhận đ−ợc kết quả rất phức tạp. Trong tầng sôi các hạt rất nhỏ (Ar = 0) tốc độ dòng xuyên qua lớp hạt rất nhỏ. Khi đó truyền nhiệt đối l−u là vô cùng bé so với dẫn nhiệt từ hạt nóng sang hạt lạnh. Để tính toán truyền nhiệt từ các hạt có đ−ờng kính bằng đ−ờng kính hạt trơ dT = d tới tầng sôi các hạt trong khoảng rộng giá trị Ar có thể sử dụng công thức:
Numax= 10 + 0,23.(Ar.Pr)1/3 (3.29) Trong khoảng kích th−ớc hạt d < 60mm có đ−ợc công thức: α = αmax+ (αT - α max) exp(-dT/ 4d) (3.30)
Một số thí nghiệm đã chỉ ra rằng hệ số truyền nhiệt từ vật thể cố định và vật thể bị cuốn trôi là giống nhau. Khi khối l−ợng riêng của vật thể bị cuốn trôi khác nhiều với khối l−ợng riêng của hạt trong tầng sôi, công thức trên sẽ kém chính xác. Nếu nặng hơn, nó bị chìm d−ới tầng thì hệ số truyền nhiệt sẽ lớn hơn. Nếu nhẹ hơn, nó bị chìm d−ới tầng thì hệ số truyền nhiệt sẽ lớn hơn. Nếu nhẹ hơn, nó nổi lên trên tầng và hệ số truyền nhiệt nhỏ hơn.
3.4.4. ảnh h−ởng của độ xốp của tầng đến chế độ trao đổi nhiệt (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Khi giảm tốc độ khí (ω < 0,5ωkp) độ xốp của tầng sôi thay đổi: ε=εkp.(ω/ωkp)ξ (3.31) ξ = 0,07.Ar0,031 (3.32) khi 177 < Ar < 2,04.104.
Độ xốp của tầng sôi ổn định theo chiều cao, chỉ ở gần vùng trên, nồng độ hạt giảm theo hàm số mũ và tiến tới 0. Những thí nghiệm đã chỉ ra rằng c−ờng độ trao đổi nhiệt hầu nh− không thay đổi theo chiều cao của tầng. Trên vùng đó hệ số cấp nhiệt giảm rất nhanh, tỷ lệ thuận với nồng độ pha rắn trong khí. Nếu kể thêm ảnh h−ởng của bức xạ, độ đen của tầng sôi có thể tính: εTS=εM0,34.
Khi (ω > 0,5ωϒ) tất cả các hạt lớn bị cuốn theo lên trên tầng, các hạt nhỏ bị mang ra khỏi thiết bị, nếu thu lấy những hạt đó và cấp lại vào phía d−ới tầng sẽ đ−ợc tầng sôi ổn định và tốc độ cao (ω > ωϒ). Chế độ tầng sôi nh− thế đ−ợc gọi là tầng sôi tăng c−ờng và các quá trình công nghệ xảy ra với tốc độ lớn hơn trong thiết bị có chế độ tầng sôi th−ờng, làm việc ở chế độ đó là thích hợp và nó làm cho giảm mặt cắt ngang của thiết bị do tăng vận tốc.
Độ xốp của tầng trong chế độ tăng c−ờng có thể sử dụng trong giới hạn rộng, nó ảnh h−ởng đến c−ờng độ cấp nhiệt. Khi tăng độ xốp của tầng (cùng nghĩa là giảm tỷ trọng) thì ρKC = ρM.(1- ε) và hệ số cấp nhiệt giảm.