Pobierz Charakterystyka złoża fluidalnego i więcej Skrypty w PDF z Energetyka i ekoenergetyka tylko na Docsity! 1 KATEDRA SYSTEMÓW ENERGETYCZNYCH i URZĄDZEŃ OCHRONY ŚRODOWISKA Maszyny i Urządzenia Energetyczne LABORATORIUM Charakterystyka złoża fluidalnego Opracował: dr inż. Jerzy Wojciechowski AGH WIMiR KRAKÓW 2 Charakterystyka złoża fluidalnego 1. Cel ćwiczenia Celem ćwiczenia jest poznanie mechanizmów tworzenia warstwy fluidalnej i wyznaczenie jej podstawowych parametrów. 2. Podstawy teoretyczne 2.1. Fluidyzacja Fluidyzacją nazywamy proces dwufazowy, w którym warstwa materiału sypkiego ułożona na ruszcie jest doprowadzana do stanu pseudopłynnego za pomocą strugi płynu. Płyn w postaci cieczy lub gazu jest podawany od dołu dna sitowego (dystrybutora). W pewnym zakresie prędkości strugi płynu, zależnym od rozmiarów cząstek i stosunku gęstości fazy rozproszonej i ciągłej, złoże fluidalne znajduje się w stanie quasi – stabilnym. W zależności od rodzaju płynu rozróżnia się fluidyzację gazową i cieczową. Zalety złoża fluidalnego: - intensywna wymiana ciepła lub masy między płynem a cząstkami stałymi, między ścianami i powierzchniami zanurzonymi a złożem fluidalnym; - stała temperatura w złożu (izotermiczność złoża fluidalnego), - duża powierzchnia kontaktu między cząstkami stałymi a płynem, - dobre wymieszanie materiału sypkiego z płynem. Wady złoża fluidalnego - niejednorodność fluidalnego złoża gazowego wskutek powstawania i i ruchu pęcherzy; - ścieranie powierzchni cząstek; - erozyjne działanie na powierzchnie ścian i ciał zanurzonych w złożu; - wzrost zużycia energii na potrzeby własne (napęd pomp lub wentylatorów); - aglomeracja cząstek w wysokich temperaturach. 2.2. Charakterystyka złoża fluidalnego Analizie poddajemy zachowanie się złoża fluidalnego podczas stopniowo rosnącej prędkości fluidyzacji uf, czyli prędkości przepływającej cieczy lub gazu w kolumnie fluidalnej przed dystrybutorem (rusztem). Chodzi o podstawową relację, jaką jest zależność spadku ciśnienia płynu w kolumnie od jego prędkości pozornej u (prędkości płynu wyznaczonej w odniesieniu do całego przekroju poprzecznego kolumny fluidalnej), tj. Δp = f(u), czyli tzw. krzywą fluidyzacji (rys.1). Różne stany złoża fluidalnego mają ustalone definicje i nomenklaturę. Stan nieruchomy złoża jest określony jako stan 1 (rys. 1b). Cząstki są wówczas nieruchome i podtrzymywane dzięki stykaniu się z innymi cząstkami. Spadek ciśnienia rośnie ze wzrostem prędkości pozornej u = uo. Złoże ma minimalną porowatość εo i wysokość Ho, odpowiadającą tej porowatości. Jest to typowy przepływ płynu przez nieruchomą warstwę sypką lub porowatą. Złoże ruchome odpowiada stanowi 2. Złoże to powstaje wskutek rozluźnienia złoża nieruchomego. W tym stanie cząstki pozostają w dalszym ciągu we wzajemnym kontakcie i, nie zmieniając wzajemnego położenia, przesuwają się względem ścian kolumny. Wykonują przy tym oscylacyjne ruchy z małymi amplitudami, tak jakby były zawieszone w strudze płynu. Rozluźnienie złoża następuje wtedy, gdy nadciśnienie płynu zrówna się z ciśnieniem wywieranym przez złoże. Ten stan oznacza początek fluidyzacji (minimum fluidyzacji – mf). Linia przerywana r (rys. 1a) oznacza przebieg zmiany ciśnienia przy powolnym zmniejszaniu prędkości u, czemu towarzyszy powstawanie rozluźnionego złoża nieruchomego ze swobodnie usypanymi cząstkami o porowatości εmf. Punkt R jest to teoretyczny punkt przejścia złoża fluidalnego w złoże nieruchome przy powolnym zmniejszaniu prędkości fluidyzacji. Złoże fluidalne odpowiada stanom 3 i 4, przy czym do rozważań przyjęto gazowe złoże fluidalne. Wysokość złoża H jest od kilkudziesięciu razy do wielu tysięcy razy większa niż średnica cząstek. Gdy zostanie przekroczona prędkość umf wówczas powstaje złoże fluidalne z fazą gęstą I, 5 Średnia gęstość mieszaniny dwufazowej ρz – jest wyznaczana w zależności od porowatości złoża ze wzoru: (1 )z G s (2) ε – porowatość złoża, ρs – gęstość materiału złoża, ρG – gęstość płynu. Lepkość dynamiczna mieszaniny dwufazowej ηz – jest wyznaczana w zależności od udziału objętościowego fazy stałej (φs = 1 – ε) w złożu. W literaturze podawanych jest wiele wzorów, które są słuszne w odpowiednich przedziałach udziałów objętościowych fazy stałej. Jeżeli udział objętościowy fazy stałej jest mniejszy od φs < 0,04 można lepkość dynamiczną mieszaniny dwufazowej wyznaczyć ze wzoru Einsteina: (1 2,5 )z G s (3a) Dla tego samego zakresu udziału objętościowego fazy stałej (φs < 0,04) Hatschek podał wzór: (1 4,5 )z G s (3b) Dla udziałów objętościowych fazy stałej 0,5 < φs < 0,9 Hatschek podał wzór: 1/3 1 1 z G s (3c) ηz – lepkość dynamiczna mieszaniny dwufazowej, ηG – lepkość dynamiczna płynu, φs – udziału objętościowego fazy stałej w złożu: φs = 1 – ε Liczby kryterialne Liczba Reynoldsa Ref – określa stosunek sił bezwładności do sił lepkości Re f s f s G f G G u d u d (4) uf – średnia prędkość (pozorna) gazu w kolumnie f fu V A (a) νG – lepkość kinematyczna płynu, ηG – lepkość dynamiczna płynu ds – średnica cząstek fazy stałej. Wartość liczby Reynoldsa określa rodzaj przepływu, jeżeli Ref < 20 przepływ ma charakter laminarny, dla Ref > 1000 przepływ jest turbulentny. Liczba Archimedesa Arf – określa stosunek sił wyporu do sił tarcia wewnętrznego wynikającego z lepkości płynu: 3 2 ( )G s G s f G g d Ar (5) Liczba Archimedesa określa podobieństwo fizyczne zjawisk przepływowych pod względem wyporności i lepkości płynu. Stosowana jest do opisu przepływu cząstek stałych i pęcherzy gazowych w płynach. Wartość liczby Archimedesa charakteryzuje rodzaj ruchu opadającej w płynie cząstki: – laminarny (Stokesa) – 31,80 10 7,20fAr – przejściowy (Allena) – 57,20 3,30 10fAr – burzliwy (Newtona) – 5 103,30 10 8,25 10fAr 6 Minimalna prędkość fluidyzacji Minimalna prędkość fluidyzacji dla przepływu laminarnego (Remf < 20) jest określana z zależności: 32 ( ) 150 1 mfs s G mf G mf d g u (6) Minimalna prędkość fluidyzacji umf zależy od średnicy cząstek stałych ds, nie zależy zaś od wysokości warstwy. Minimalna porowatość złoża fluidalnego najczęściej mieści się w przedziale εmf = 0,35 ÷ 0,465. Jeżeli minimalna porowatość złoża fluidalnego εmf nie jest znana to minimalną prędkość fluidyzacji dla przepływu laminarnego można wyznaczyć z relacji: 2( ) 1650 s G s mf G g d u (6a) Dla przepływu turbulentnego (Remf >1000) minimalna prędkość fluidyzacji jest określona wzorem: 3 ( ) 0,756 s G smf mf G g d u (7) Jeżeli minimalna porowatość złoża fluidalnego εmf nie jest znana to minimalną prędkość fluidyzacji dla przepływu turbulentnego można wyznaczyć z relacji: ( ) 0,2 s G smf G g d u (7a) Prędkość zawisania Prędkość zawisania jest określona jako prędkość pozorna płynu w złożu, która jest równa prędkości swobodnego opadania cząstki w płynie nieruchomym uf = uz = ut. Prędkość zawisania uz zależy od minimalnej prędkości fluidyzacji umf i liczby Archimedesa Arf, czyli relacji między siłami wyporu i tarcia w płynie. 0,6 0,1046 0,1175 1 0,000373 mf z f u u Ar (8) Prędkość pozorna płynu większa od prędkości swobodnego opadania cząstek w nieruchomym płynie oznacza przejście ze stanu fluidalnego do transportu płynowego. Zakres prędkości fluidyzacji umf < uf < uz określa możliwości zmian prędkości – strumienia płynu – w warstwie fluidalnej. Strata ciśnienia w złożu fluidalnym Przy przepływie płynu przez złoże fluidalne występuje spadek ciśnienia płynu, który równoważy wielkość ciśnienia hydrostatycznego. Wartość straty ciśnienia wyznacza się z zależności: ( )(1 )z z s Gp H g (9) Przy fluidyzacji gazowej, w której ρG << ρs zależność (9) można przepisać w postaci: (1 )z z sp H g (9a) 2.4. Wykorzystanie fluidyzacji Zjawisko fluidyzacji znalazło zastosowanie w wielu procesach technologicznych i jest wykorzystywane w urządzeniach o bardzo różnym przeznaczeniu. Fluidyzacja znalazła zastosowanie między innymi w: - chemii i inżynierii procesowej; - przemyśle petrochemicznym; - kotłach i piecach przemysłowych; - zgazowaniu, odgazowaniu i upłynnianiu paliw stałych; 7 - suszarnictwie – suszarki fluidalne do suszenia i segregacji materiałów sypkich; - odlewnictwie – przygotowanie materiałów formierskich; - klimatyzacji; - wymienniki ciepła. 3. Stanowisko pomiarowe. Pomiary Schemat stanowiska pomiarowego jest pokazany na rysunku 3. Podstawowym elementem stanowiska jest kolumna fluidyzacyjna 1 z wykonanymi otworami impulsowymi do pomiaru wartości nadciśnienia w kanale. Całkowita wysokość kolumny wynosi około 1845 mm. Przepływ powietrza jest wymuszony za pomocą wentylatora promieniowego 2. Regulacja prędkości obrotowej pozwala na zmianę strumienia przepływającego powietrza w szerokim zakresie. Pomiar strumienia jest realizowany za pomocą kryzy 3 i pomiaru ciśnienia różnicowego za pomocą U – rurki 5. Podstawowe wymiary geometryczne stanowiska oraz sposób rozmieszczenia otworów impulsowych do pomiaru nadciśnienia w kolumnie pokazano na rysunku 3. Wielkości geometryczne stanowiska pomiarowego: Średnica kolumny fluidyzacyjnej Df = 185 mm Średnica rurociągu ssawnego D = 150 mm Średnica otworu kryzy d = 110,22 mm Całkowita wysokość kolumny H = 1845 mm Średnica kulki materiału złoża ds1 = mm Masa kulki Ms1 = g Liczba kulek w złożu ns = Wysokość nasypowa złoża w kolumnie fluidyzacyjnej Ho = Gęstość materiału kulek ρs = kg/m 3 Rys. 3. Schemat stanowiska pomiarowego. 1 – kolumna fluidyzacyjna, 2 – wentylator, 3 – kryza, 4 – rurociąg ssawny, 5 – U – rurka, 6 – dno sitowe (ruszt), 7 – materiał sypki (kulki – materiał złoża fluidalnego). Warunki otoczenia: 4 D 5 Δh d 3 2 7 x 200 1 5 8 3 8 0 1 8 4 5 1 6 7 Df 10 νG – lepkość kinematyczna gazu, ηG – lepkość dynamiczna gazu ηG = ρG = ρ1 – gęstość powietrza w warunkach pomiaru 4.7. Strata ciśnienia w złożu fluidalnym Dla każdej wysokości warstwy określana jest strata ciśnienia płynu przy przepływie przez złoże fluidalne. ( )(1 )z z s Gp H g Tabela 3. Porowatość złoża w zależności od prędkości fluidyzacji Symbol Jednostka Pomiar Wysokość złoża Hz m Prędkość fluidyzacji uf m/s Porowatość ε -- Liczba Reynoldsa Re -- Strata ciśnienia Δpz Pa Na wykresie ε = f(uf) należy przedstawić zmianę porowatości złoża w zależności od prędkości fluidyzacyjnej uf. 4.8. Liczba Archimedesa Arf Określić liczbę Archimedesa Arf dla analizowanej kolumny fluidyzacyjnej. 3 1 2 ( )G s G s f G g d Ar ds1 – średnica kulki materiału złoża, ds1 = ρs – gęstość materiału kulek, ρs = ρG = ρ1 – gęstość powietrza w warunkach pomiaru ηG – lepkość dynamiczna gazu ηG = 4.9. Minimalna prędkość fluidyzacji W zależności od rodzaju przepływu (wartości liczby Reynoldsa) obliczyć minimalną prędkość fluidyzacji. Do obliczenia minimalnej prędkości fluidyzacji należy skorzystać ze wzoru 6 lub 7. 4.10. Prędkość zawisania Prędkość zwisania jest wyznaczana w zależności od minimalnej prędkości fluidyzacji umf i liczby Archimedesa Arf: 0,6 0,1046 0,1175 1 0,000373 mf z f u u Ar 5. Wnioski 11 Literatura 1. Laudyn D., Pawlik M., Strzelczyk F.: Elektrownie, WNT, Warszawa 2000, (3.16.3. Paleniska fluidalne s140) 2. Chmielniak T.: Technologie energetyczne. Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 2004.(3. Paleniska z paleniskiem fluidalnym s162) 3. Dziubiński M.:, Prywer J.: Mechanika płynów dwufazowych. WNT, Warszawa 2009, (18. Fluidyzacja s.225) 4. Miller A., Lewandowski J.: Układy gazowo – parowe na paliwo stałe. WNT, Warszawa 1993. (4, s84) 5. Orzechowski Z., Prywer J., Zarzycki R.: Mechanika płynów w inżynierii i ochronie środowiska. WNT, Warszawa 2009, (21. Fluidyzacja s.554). 12 Karta pomiarowa Charakterystyka złoża fluidalnego Materiał złoża Średnica kulki ds1 = mm Masa kulki Ms1 = g Objętość kulki Vs1 = m 3 Liczba kulek ns = Tabela 2. Wyniki pomiarów Lp Wysokość ciśnienia różnicowego Wysokość złoża fluidalnego Wysokość ciśnienia w kolumnie fluidyzacyjnej 0 1 2 3 4 5 6 7 8 -158 380 580 780 980 1180 1380 1580 1780 Δh Hz h0 h1 h2 h3 h4 h5 h6 h7 h8 mm mm mm mm mm mm mm mm mm mm mm 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Wielkości geometryczne stanowiska pomiarowego: Średnica kolumny fluidyzacyjnej Df = 185 mm Średnica rurociągu ssawnego D = 150 mm Średnica otworu kryzy d = 110,22 mm Całkowita wysokość kolumny H = 1845 mm Wysokość nasypowa złoża w kolumnie fluidyzacyjnej Ho = mm. Gęstość materiału kulek ρs = kg/m 3 Warunki otoczenia: Ciśnienie otoczenie pot = Pa Temperatura otoczenia tot = ºC Wilgotność względna powietrza φot = % Ciśnienie nasycenia pary wodnej w temperaturze tot: p” = Pa Gęstość nasyconej pary wodnej w temperaturze tot: ρ” = kg/m 3 Lepkość dynamiczna powietrza ηot = ηG = Pas Charakterystyka kryzy Liczba przepływu: C = 0,6021 Współczynnik ekspansji ε1 = 0,9986 Współczynnik przewężenia β = d/D; β = 0,7348 2 1 4 1 2 41 C d p V [m 3 /s] 1 ( '') ''ot ot nn ot n ot p p T p T ρn – gęstość powietrza suchego w warunkach normalnych; ρn = 1,29 kg/m 3 ,