Движение газов в слое кускового и зернистого материала. Состояние слоя.

Такое движение наблюдается в огранках (при движении дымовых газов вверх через слой кокса и металла шихты). В коксовых печах, в дуговых сталеплавильных печах и т.д.

Аналитическое описание такого движения газов не получено ввиду того, что слой представляет собой сложный лабиринтообразный газовый тракт, состоящий из большого числа извилистых каналов переменного сечения. Поэтому расчётные формулы базируются на моделях включающих экспериментально полученные коэффициенты.

Важным свойством дисперсных материалов явл. гранулометрический состав, т.е. распределение частиц по линейным размерам. Дисперсность записывается, как отношение массы отдельных реакций к массе общего материала в процентах:

- определяющий размер частиц

- масса отдельных фракций - масса всего материала

Поскольку дисперсный материал (кокс, окатыши, брикеты и т.д.), представляет собой частицы неправильной формы в количестве определённого линейного размера используют условный диаметр, вычисленный по 3^м измерениям гранул:

или

Условия для взаимодействия газов и материалов слоя определяется наличием 3^х характерных состояний слоя: плотный слой, кипящий слой, взвешенный слой

Если при прохождении газа через слой, его частицы остаются неподвижными, то сила аэродинамического давления потока не превышает силы тяжести кусков, такой слой называется неподвижный, плотный.

Если движение слоя обусловлено не аэродинамическим воздействием, а внешними силами, причём скорость газа значительно выше скорости перемещения материала, такой слой называется подвижным, плотным.

С точки зрения аэродинамики, такие слои не имеют принципиальных отличий и их называют плотным слоем.

Характеристики слоя – это его сопротивление и граница стабильного состояния.

Сопротивление слоя складывается из сопротивления трения и местных сопротивлений и местные сопротивления при Re > 2000, составляет 95%. Поэтому формула для определения сопротивления слоя записывается:

– коэфф. сопротивления слоя (учитывает неопределённость формы и размеры пор)

- коэфф. сопротивления слоя высотой 1м;

- эквивалентный диаметр пор; - высота слоя; определяется:

- удельная поверхность слоя; - среднее удельное живое сечение

Для сферической частицы: – диаметр частицы

Коэфф. сопротивления для слоя зависит от

Полидисперсный слой имеет меньшую порозность, чем монодисперсный, т.к. мелкие частицы дополняют промежутки между крупными образуя более крупный слой. Сопротивление полидисперсного слоя зависит от соотношения отдельных фракций. Для слоя состоящего из 2^х фракций, его сопротивление всегда больше сопротивления отдельных фракций расформированных по крупности и уложенных слоями.

Сопротивление слоя зависит также от распределения в нём газов. Если на входе поток равномерный, то изобары горизонтальны по высоте слоя неравномерность поля скоростей на входе вызывает возмущение в распределении давлений, которое исчезает на высоте равной 1, 5 диаметров сечения, поэтому неравномерность давления учитывается только в нижней части канала.

Скорость движения газов вдоль стенок выше за счет меньшего сопротивления при движении газов вдоль стенок.

На распределение газов существенное влияние оказывает неравномерность поступления материалов в слой.

При уменьшении диаметра канала на определённых участках слоя в результате загрузки более мелкого материала сопротивление слоя возрастает расход газа в этом сечении уменьшается.

Если скорость газа через плотный слой материала увеличивается, то наступает момент, когда сила динамического давления на частицу превышает силу тяжести.

Слой начинает разуплотнятся, а частицы приходят в движение напоминающее кипение, такой слой наз. кипящим или псевдосжиженным. Скорость газа соответствующая началу псевдосжижения наз. первой критической. Граница определяет границу стабильного состояния слоя (переход из плотного в кипящий) определяется из равенства сил тяжести и динамического давления. Сила тяжести и динамическое давление определяется по выражению:

- объём частицы; - плотность материала

В безразмерном виде формула записывается:

Для слоя в целом принято, что потеря его устойчивости наступает тогда, когда каждая из частиц будет иметь скорость равную критической. Для поростости равной 0, 4 зависимость записывается в следующем виде:

Перемешивание зернистого материала характерное для применения на практике режимов кипящего слоя начинается при скоростях превышающих критические в 2-3 раза для частиц меньше 0, 5 мм; и 1, 2-1, 3 раза для частиц крупнее 0, 5 мм.

При дальнейшем увеличении скорости среднее сопротивление слоя остаётся практически неизменным. Избыточное количество газов прорывается сквозь слой в виде пузырей вследствие чего материал интенсивно перемешивается во всем объёме камеры. Изменение потерь давления в слое действительной скорости потока, высота слоя и порозности описывается зависимостью:

Для определения порозности кипящего слоя испытывает зависимость:

Теоретически кипящий слой существует в диапазоне скоростей от первой критической до скорости витания, которая наз. второй критической скоростью.

При достижении критической скорости кипящий слой переходит во взвешанный.

Если в кипящем слое движение частиц явл. хаотичным, то во взвешенном частицы перемещаются в определённом направлении.