Исследование гранулометрического состава окатышей на теплообмен в плотном слое

Размещено на http://www.allbest.ru/

16

Лабораторная работа

Исследование гранулометрического состава окатышей на теплообмен в плотном слое



Цель: исследовать влияние грансостава окатышей на теплообмен в плотном слое

Оборудование: устройство для исследования распределения температуры по высоте слоя в зависимости от грансостава окатышей, секундомер, окатыши различного грансостава, термопары.



Теоретическое введение

Очень важно выяснить, как влияет гранулометрический состав окатышей при различном его размещении по высоте плотного слоя на теплообмен.

В общем случае плотный слой характеризуется тем, что каждая его частица имеет некоторое число контактов N с соседями, обеспечивающих ее подвижность и устойчивость.

Для слоя шаров одинакового диаметра возможно их упорядоченное расположение. В условиях металлургических процессов (агломерация, обжиг окатышей) стремятся образовывать слой из частиц одного размера(монодисперсный слой). Однако, чаще всего элементы слоя имеют широкий интервал линейных размеров (полидисперсный слой).

В полидисперсных системах возможны флуктуации порозности, когда мелкие частицы могут располагаться в промежутках между крупными и тем самым понижать общую порозность слоя. Важнейшей характеристикой газодинамики насыпного слоя является средний диаметр частицы (окатыша). Это обусловлено тем, что диаметр окатыша определяет диаметр порового канала. Чем меньше диаметр канала, тем при меньших значениях Rе (скоростях фильтрации) наступает турбулентный режим течения газа, тем больше сопротивление слоя.

Улучшению газодинамичеких и теплотехнических характеристик слоя шихты в значительной степени отвечает послойная укладка железорудного материала, при которой элементарные слои существенно отличаются по фракционному и вещественному составам. Опыт работы агломашины с двухслойной загрузкой шихты показал, что этот способ формирования слоя, наряду с положительными, имеет и отрицательные качества. В лабораторных опытах с использованием шихты, соответствующей условиям Новолипецкого металлургического комбината (НЛМК) установлен рост газодинамического сопротивления слоя шихты при ее двухслойной загрузке. Однако при сравнении одно- и двухслойной загрузки шихты выявлено, что удельное газодинамическое сопротивление нижней трети слоя шихты в 1,8 раза превышает сопротивление средней трети слоя и в 4 раза - верхней; средний перепад давлений газа в нижнем слое спекаемой шихты составляет до 70 % от общего перепада давления; содержание фракции -5 мм в агломерате увеличилось от 3,6 до 3,8 %, т. е. снизилась прочность.

Впервые систематические экспериментальные и теоретические исследования по теплообмену при большой скорости течения газа были поставлены в Центральном котлотурбинном институте (ЦКТИ) в начале 30-х годов. Изменение плотности газа чаще всего сопровождается изменением температуры или теплообменом. В связи с этим для описания его движения наряду с уравнениями механики необходимо использовать уравнения термодинамики и соответствующие методы их анализа.

Производительность конвейерных машин практически линейно зависит от скорости фильтрации газа через слой, значение которой тесно связано с начальной газопроницаемостью шихты. Как правило, более высокой начальной газопроницаемости шихты соответствует и более высокая газопроницаемость спекаемого слоя. Поэтому при формировании слоя шихты являющегося одним из завершающих этапов подготовки железорудных материалов к спеканию, возможно активно воздействовать на ход процесса термообработки.

Исследование влияния промежуточных фракций на среднегармонический диаметр частиц шихты, показали, что при расчёте можно представлять слой содержащий только две фракции. Решающее влияние на рассчитываемую величину оказывает содержание мелочи. В качестве второй фракции для расчёта следует выбирать крупные частицы, если их больше, чем частиц среднего размера, и среднюю фракцию, если ее содержание превышает содержание крупных частиц.

Экспериментальные исследования показали, что зависимость коэффициента сопротивления от доли мелочи. Такое изменение коэффициента сопротивления может быть обусловлено неравномерным распределением мелкой фракции по высоте слоя. Участки с повышенным содержанием мелочи оказывают наибольшее сопротивление газовому потоку, что приводит снижению газопроницаемости всего слоя в целом и соответственно к повышению значения коэффициента сопротивления. в зернистом материале имеет экстремальный характер (см. рис.1)

Рисунок 1-Влияние мелкой фракции на коэффициент сопротивления

Для анализа влияния неравномерности распределения мелочи по высоте на коэффициент сопротивления предложена следующая модель зернистого слоя. Слой делится на две зоны. В нижней зоне мелочь заполняет все пространство крупными кусками, не раздвигая их, в верхней - содержание мелких частиц меньше, чем в среднем объеме слоя.

Газодинамическое сопротивление слоя оказывает значительное влияние на производительность и зависит от гранулометрического состава материала, укладываемого на паллеты, ее сегрегации по высоте слоя, от типа применяемого загрузочного устройства. К основным факторам, влияющим на газопроницаемость слоя сыпучих материалов, относится температура, влияющая на основные параметры газового потока - объем, плотность, вязкость. В зависимости от сопротивления слоя изменяется и скорость движения газа, а следовательно теплообмен в слое. Чем крупнее гранулы материала и ниже суммарный коэффициент теплоотдачи, тем хуже усваивается тепло газовым потоком. Аналогично влияет и увеличенная макропористость материала. Уменьшение крупности гранул способствует увеличению скорости нагрева всей массы шихты.

Величина порозности зависит от формы элементов слоя, состояния их поверхности, характер их упаковки в слое.

Зерна многих материалов, засыпаемых в слой (сорбенты, катализаторы, угли, окатыши, концентрат и др. материалы), обладают еще и внутренней пористостью. Внутренняя поверхность и объем пронизывающих зерна пор (крупных и мелких) существенно определяют статику и кинетику сорбции. В этих порах происходит диффузия сорбирующихся и реагирующих компонентов, но, практически, нет гидродинамических потоков. Поэтому в величину порозности, характеризующую гидродинамические свойства зернистого слоя, внутренняя пористость не включается.

Порозность - отношение объёма газа, находящегося в слое, к объёму слоя:

е =

где V_с - объем сплошной фазы (газа);

V_д - объем дисперсной фазы (материала в слое);

- объемная доля дисперсной фазы.

Порозность и удельная поверхность твёрдых частиц f, связанные между собой соотношением

,

где d - диаметр сферических частиц, образующих слой.

Для монодисперсного слоя сферических частиц наиболее плотная упаковка соответствует гексагональной упаковке с е = 0,259. В случае кубической - е = 0,476. При случайной упаковке сферических монодисперсных частиц е = 0,38ч0,47. В полидисперсных слоях могут наблюдаться меньшие значения порозности . Порозность слоя зависит от формы элементов, состояния их поверхности, характера упаковки, но не зависит от абсолютных размеров образующих слой элементов.

Экспериментальное определение порозности слоя, состоящего из сплошных частиц, не представляет затруднений. Для этого надо измерить плотность материала частиц с_ч и насыпную плотность материала частиц в слое с_н.

Порозность слоя - безразмерная величина и может определяться по формуле:

.(1)

Поверхность зерен слоя, приходящаяся на единицу его объема зависит от размера и формы элементов слоя и от величины порозности слоя. Для слоя состоящего из шаров одинакового размера поверхность зерен единицы объема а [м²/м³] равна:

,(2)

где d - диаметр зерна, м;

D - диаметр аппарата, м.

Для слоя из элементов, по форме отличных от шара, величина d может быть определена как диаметр шара равной поверхности



.(3)

где d_с - диаметр частиц определенный по ситовому составу, м;

К - коэффициент формы, для сферы К = 1.

Для полидисперсных систем средний диаметр зерен можно определить как

.(4)

где x_i - массовая доля частиц с диаметром d_i.

Средняя скорость -это скорость, рассчитанная на все сечение зернистого слоя. Обозначая величину сечения аппарата S (м²), объемный расход Q (м³/с), имеем среднюю скорость

.(6)

где S - площадь сечения сосуда с окатышами.

Это средняя скорость потока в пространстве между зернами. Истинная средняя скорость определится как

.(7)

Обычно для зернистых материалов перепад давления ?Р (Па) определяют на единицу высоты слоя Н (м):

.(8)



где л - коэффициент гидравлического сопротивления.

В металлургической практике для плотного слоя используют обычно формулу Эргана, которая учитывает наличие инерционных сил в движущемся потоке (второе слагаемое в правой части уравнения).

.(9)

где м - коэффициент динамической вязкости,

с - плотность жидкости,

w - скорость жидкости,

H- высота слоя.

Величина в общем случае является функцией эквивалентного критерия Рейнольдса. В зависимости от вида функции в литературе предлагаются различные уравнения для расчета величины коэффициента гидравлического сопротивления.

Для всех режимов движения применимо, в частности, следующее обобщенное уравнение:

.(10)

где Re - критерий Рейнольдса, определяемый как

.(11)

где м - динамическая вязкость потока, кг/(м^.с).

Подставляя значения w из уравнения (7) и d_э из (5) в уравнение (11) получим:



.(12)

Передача тепла в системе «Плотный слой - воздух»

Этот процесс представляет собой довольно сложное явление, которое можно рассчитать различными способами.

Самый простой способ определения усредненной температуры в слое основан на тепловом балансе. Зная температуру газа, поступающего в слой, можно определить его теплосодержание по формуле:

.(13)

где С_vг - удельная объемная теплоемкость газа, проходящего через плотный слой Дж/(К·м³) при исследуемой температуре,

V - количество газа, м³,

Т₀ - начальная температура газа, К.

Плотный слой имеет свое теплосодержание, которое определится по формуле:

.(14)

где C_vс - удельная объемная теплоемкость плотного слоя, Дж/(м³·К),

V_с - объем плотного слоя,

Т_0с - начальная температура слоя, К.

После прохождения плотного слоя сыпучего материала газ охладится до температуры Т_с1, при этом он будет иметь следующее количество теплоты:



.(15)

Тогда отданное количество теплоты определится:

.(16)

где V_г - количество газа, пройденного через слой:

V = P·t,(17)

где P - расход газа в м³/с,

t - время продувки газом в секундах.

Сыпучий материал в начале эксперимента имеет свое теплосодержание, которое определится по формуле:

.(18)

где С_с - удельная массовая теплоемкость плотного слоя при соответствующей температуре Дж/(кг·K) (по справочнику),

М_с - масса плотного слоя, кг, Т_с - температура слоя, К.

Масса плотного слоя рассчитывается по известной высоте слоя Н_с, диаметру сосуда D (измерить штангенциркулем), насыпной плотности материала (с_нм):

.(19)

При продувке горячим газом плотного слоя, он будет нагреваться, при этом его теплосодержание определится по формуле:



.(20)

Тогда количество теплоты, полученное от газа плотным слоем равно:

.(21)

Cчитая, что часть тепла поглощается окружающей средой, введем коэффициент К, который показывает долю тепла, отданную окружающей среде. Тогда можно составить уравнение теплового баланса:

Q_oт = Q_noл

.(22)

Из этого уравнения можно найти температуру слоя после прохождения через него газа. Температуры Т₀₁, Т_0г определить по показаниям термопар и термометра электрического.

Описание установки

Для исследования распределения температур по высоте слоя в зависимости от гранулометрического состава окатышей и их размещения, была сконструирована установка, представленная на рисунке 1.

Емкость заполняется поочередно окатышами разного гранулометрического состава, продувается сверху газом из нагнетателя воздухом с температурой и расходом ,заданными преподавателем, регистрируется перепад давления в слое окатышей с помощью манометра. По полученным данным рассчитывается коэффициент сопротивления слоя дисперсного материала, скорость движения газа в зависимости от гранулометрического состава сыпучего материала и способа распределения гранул.

Процесс теплообмена представляет собой довольно сложное явление, которое можно рассчитать различными способами. Прежде чем проводить эксперименты, необходимо определить к.п.д. установки.

Самый простой способ определения усредненной температуры в слое основан на тепловом балансе.

1-емкость с сыпучим материалом, 2- система отводов по высотам для измерения перепада давлений по слоям манометром 3,4- система термопар, измеряющая температуру по слоям окатышей,5-прибор, регистрирующий температуру по слоям, 6-строительный пистолет,7-подставка.

Рисунок 2 -Установка по влиянию размещения гранулометрического состава окатышей на теплообмен в плотном слое

Зная температуру газа, поступающего в слой, можно определить его теплосодержание по формуле:

. (1)



где С_vг - удельная объемная теплоемкость газа, проходящего через плотный слой Дж/(К·м³) при исследуемой температуре, V - количество газа, м³,Т₀ - начальная температура газа, К.

Плотный слой имеет свое теплосодержание, которое определится по формуле:

. (2)

где C_vс - удельная объемная теплоемкость плотного слоя, Дж/(м³·К),

V_с - объем плотного слоя,

Т_0с - начальная температура слоя, К.

После прохождения плотного слоя сыпучего материала газ охладится до температуры Т_с1, при этом он будет иметь следующее количество теплоты:

. (3)

Тогда отданное количество теплоты определится (4)

где V_г - количество газа, пройденного через слой:

V = P·t, (5)

где P - расход газа в м³/с,

t - время продувки газом в секундах.

Сыпучий материал в начале эксперимента имеет свое теплосодержание, которое определится по формуле:

. (6)



где С_с - удельная массовая теплоемкость плотного слоя при соответствующей температуре Дж/(кг·K) (по справочнику),

М_с - масса плотного слоя, кг,

Т_с - температура слоя, К.

Масса плотного слоя рассчитывается по известной высоте слоя Н_с, диаметру сосуда D (измерить штангенциркулем), насыпной плотности материала (с_нм):

(7)

При продувке горячим газом плотного слоя, он будет нагреваться, при этом его теплосодержание определится по ф (8)

Тогда количество теплоты, полученное от газа плотным слое

(9)

Cчитая, что часть тепла поглощается окружающей средой, введем коэффициент К, который показывает долю тепла, отданную окружающей среде. Тогда можно составить уравнение теплового баланса:

Q_oт = Q_noл

(10)

Из этого уравнения можно найти к.п.д. (К) установки, измеряя все остальные на эксперименте.

Зная к.п.д. установки, затем с помощью термического пистолета устанавливается расход воздуха, соответствующий расходу при продувке холодным воздухом. Устанавливается различная температура продувочного воздуха, при которой через определенное время замеряется температура и перепад давления в слое окатышей. Затем изменяется расход воздуха, соответствующий изменению расхода холодного воздуха и проводятся те же действия, но с другими расходами.

Таким образом, можно исследовать как меняется распределение температур по высоте слоя в зависимости от гранулометрического состава окатышей и его нахождения по высоте и как происходит теплообмен при этом теплообмен. Это очень важно для процесса производства окатышей: сушки, нагрева, обжига, охлаждения.

гранула окатыш слой теплообмен давление



Выполнение лабораторной работы

1. Взять все окатыши рассеять по трем классам:

минимальный, средний и максимальный.

2. Определить эффективный диаметр каждого класса

3.Аккуратно засыпать окатыши среднего класса в цилиндр.

4. Установить по высоте термопары и манометры

5.Включить пистолет на температуру 80⁰С и расход 250л/час (см . описание в лабораторной №1).

6 .Через 5минут в течение 20минут продувать окатыши, при этом каждый раз одновременно измерять давление по высоте слоя и температуры в этом слое и на выходе из слоя.

7.Отключить пистолет, аккуратно высыпать окатыши в другую емкость.

8. Далее взять смешать окатыши минимального и максимального класса в равных массах .

9.Определить эффективный диаметр полученного слоя.

10 Засыпать в цилиндр и провести все действия с пункта 4 до 8.

11.В конце все приборы выключить и место работы привести в порядок.

Обработка экспериментальных данных

1. Определить перепады давления в слое окатышей в каждом случае и в каждом эксперименте

2. Рассчитать скорость газа в слое

3. Определить коэффициент сопротивления слоя на разной высоте

4. Рассчитать температуры по высоте слоя окатышей и сравнить с измеренными температурами.

5. Найти погрешность

6. Построить графики зависимости перепада давления в слое от высоты слоя, расхода газа, зависимости температуры слоя от высоты.

7. Построить график зависимости распределения температуры окатышей по высоте слоя в зависимости от температуры газа.

8. Сделать выводы: Сделать вывод о потерях давления по высоте слоя, коэффициенте сопротивления слоя и теплообмене в слое в зависимости от фракционного состава окатышей, о расчетных данных температуры по слою и экспериментальных.

Размещено на Allbest.ru

...