Li Zhihe, Cui Xibin, Bai Xueyuan, Yi Weiming, Li Yongjun
Résumé: Pour la loi de transfert de chaleur entre les particules de matériau graduées et le support de chaleur solide à billes en céramique, les caractéristiques de transfert de chaleur par convection entre le support de chaleur à billes en céramique et le gaz, ainsi que sur la biomasse et les particules de billes en céramique ont été étudiées à l'aide du banc d'essai de chaleur fabriqué par le fabricant. Les coefficients de transfert de chaleur par convection de sphères de céramique individuelles et d’air ont été analysés par une méthode analytique et par la méthode de corrélation RMC, respectivement, 291,3W / (m 2· ° C) et 200.3W / (m 2· ° C), l'équation de critère pour déterminer le transfert de chaleur du caloporteur de la boule de céramique et du groupe de particules de biomasse est Nu c= 176 + 0,079Re cEt nu c= 22,97 + 0,2251Re b, fournit une base théorique pour l’étude de la loi de pyrolyse de la biomasse chauffée par des caloporteurs solides.
Introduction
La pyrolyse de la biomasse dans le réacteur est un processus physique et chimique complexe, influencé par le flux de la phase particulaire, le transfert de chaleur et de masse entre le solide-gaz et le polyphasé, ainsi que par la cinétique de la réaction thermochimique. Le transfert de masse et le transfert de chaleur et de masse affectent le processus de craquage thermique. Par conséquent, pour révéler pleinement le mécanisme de craquage thermique de la biomasse, il est nécessaire de s'écouler de la phase particulaire, du transfert de chaleur et de masse entre gaz solide et multiphase et de la cinétique chimique de la pyrolyse de la biomasse. Recherche approfondie: à l'heure actuelle, l'étude du transfert de chaleur impliquant des particules est principalement réalisée dans des réacteurs à lit fluidisé et à lit fluidisé circulant. [1~ 5]Cependant, les recherches sur le mécanisme de la pyrolyse de la biomasse dans le cadre du procédé de chauffage de caloporteur solide à haute température sont rares. L'étude de la loi de transfert de chaleur est utile pour l'optimisation du processus et la compréhension scientifique du mécanisme de pyrolyse.
Dans cet article, les caractéristiques de transfert de chaleur par convection entre les particules de chaleur et le gaz (en utilisant de l’air au lieu de produits de gaz de pyrolyse) et les caractéristiques de transfert de chaleur entre les particules de biomasse et le caloporteur à billes de céramique ont été étudiées à l’aide d’un banc d’essai d’échange de chaleur fabriqué en interne. Selon les données expérimentales, le coefficient de transfert de chaleur par convection entre les particules de caloporteur et l'air est analysé et calculé selon une méthode analytique et une méthode d'analyse sans dimension.Le transfert de chaleur par convection entre le caloporteur de la boule de céramique et le groupe de particules de biomasse est analysé et déterminé. L’équation du critère de transfert de chaleur du groupe de particules jette les bases de l’étude de la loi de pyrolyse de la biomasse pour le chauffage des porteurs thermiques solides.
1 banc d'essai et matériel
Le schéma de principe du banc d’essai d’échange thermique de particules en vrac utilisé dans l’étude est présenté à la figure 1. Il comprend principalement un caloporteur à bille en céramique, un dispositif d’alimentation en particules de poudre de biomasse, un tuyau de descente, un dispositif de séparation des particules et un système de détection de la température par ordinateur. : Caloporteur à bille en céramique chauffé à une température préréglée, rapidement placé dans le bac du dévidoir à bille en céramique et à température contrôlée, alimenté par le dévidoir à vis et alimenté par le dévidoir Les billes de céramique s'écoulent dans le tube d'abaissement pour provoquer un échange de chaleur.Les particules mélangées sont séparées dans le dispositif de séparation situé à l'extrémité inférieure du tube d'abaissement, puis les billes de céramique et la poudre de biomasse tombent dans des boîtes d'agrégats différentes et utilisent des thermocouples de type T pour les températures. Acquisition: la température du gaz est extraite par le thermocouple d’échappement à chaque point de prélèvement de la conduite d’abattement.
Le tuyau de descente est fabriqué en PVC d’une longueur de 1600 mm et d’un diamètre intérieur de 110 mm afin de réduire les pertes de chaleur de la paroi du tuyau, une couche de matériau isolant en mousse de 25 mm d’épaisseur est fixée au mur, tandis que la paroi extérieure est isolée par un feutre aérosol de silicate d’aluminium. Un thermocouple blindé de type T a été placé aux points 100, 400, 800, 1200 et 1500 mm de la buse supérieure pour mesurer la température du gaz à l'intérieur du tube.
Dans l'expérience, la boule de céramique est une sphère régulière d'un diamètre de 2 mm et la biomasse est une poudre de tige de maïs de 60 à 80 mesh.
2 résultats expérimentaux
La bille en céramique à une température de 90 ° C a un débit massique de 1,0, 1,2, 1,4 kg / min pour l'expérience de transfert de chaleur par convection entre le caloporteur de la bille en céramique et l'air, ainsi que l'échange de chaleur initial et final entre l'air et le caloporteur dans le tube de descente Les données expérimentales de température sont présentées dans le tableau 1. Sous le débit de caloporteur ci-dessus, le transfert de chaleur entre le caloporteur et les particules de biomasse a été réalisé à un rapport en masse des billes de céramique à la biomasse de 15: 1, 20: 1, 25: 1, respectivement. Les données expérimentales de transfert de chaleur des particules de chaleur et de biomasse sont présentées dans le tableau 2
3 analyse et discussion
Le transfert de chaleur entre les particules de la biomasse et l’air dans la colonne descendante est un transfert thermique multiphase: collision entre les particules et les particules, collision entre les particules et la paroi et convection entre les particules et l’air. La chaleur et le transfert de chaleur de la paroi du tube au rayonnement des particules. L'étude expérimentale du flux de particules PIV montre [6]A l'exception du voisinage de la paroi latérale du pipeline, la probabilité de collision entre les deux types de particules et la surface de la paroi pendant le processus de descente est faible et la conductivité thermique du matériau d'isolation thermique fixé à la paroi de la conduite est extrêmement petite, et le transfert de chaleur de collision entre les particules et la paroi de la conduite peut être négligé; La boule de céramique ne se heurtant pas pendant le processus de descente, il n’est donc pas nécessaire de prendre en compte le transfert de chaleur entre les particules de la boule de céramique. L’expérience sur l’écoulement des particules a permis de constater que la boule de céramique et les particules de biomasse remplissaient l’ensemble du tuyau et se bouchaient; MansooriZ estime également que dans les systèmes à particules denses, l'effet du transfert de chaleur par rayonnement est inférieur à 600 ° C, ce qui peut être ignoré. [7]De cette manière, l'analyse ne doit prendre en compte que le transfert de chaleur par convection de la bille en céramique et de l'air à l'intérieur du tube. L'analyse du transfert de chaleur par convection est l'analyse et la résolution du coefficient de transfert de chaleur par convection.
3.1 Coefficient de transfert de chaleur par convection de particules caloporteuses simples
3.1.1 Méthode analytique
Il est supposé que lorsque le caloporteur de la boule en céramique échange de la chaleur avec de l'air dans le tuyau de descente, la chaleur dégagée au moment tc est entièrement absorbée par l'air, puis
3.1.2 Méthode d'association RMC
La méthode RMC a été proposée par RanzWE et MarshallWR en 1952. [8], l'équation est
En utilisant les deux méthodes ci-dessus, le coefficient de transfert de chaleur par convection entre le caloporteur à billes en céramique et l'air calculé selon les données expérimentales est présenté dans le tableau 3. La méthode analytique est basée sur les données de température du caloporteur à billes en céramique et de l'air à l'entrée et à la sortie. Par conséquent, il peut être considéré comme le coefficient de transfert de chaleur moyen dans l’ensemble du déversoir.La méthode RMC est calculée en fonction des paramètres de mouvement et des paramètres de propriétés physiques à la sortie du déverseur, qui est le coefficient de transfert de chaleur local, de sorte qu’il existe un grand écart entre les deux.
3.2 Analyse du transfert de chaleur des groupes de particules
3.2.1 Analyse d'équilibre thermique
Il existe une relation d’équilibre thermique entre la boule en céramique, la poudre de biomasse et l’air, comme indiqué sur la figure 2. Dans le tube de descente, après la chaleur et la chaleur d’échange de la poudre de biomasse, la boule en céramique à haute température dégage de la chaleur et la température diminue, la poudre de biomasse absorbe de la chaleur. La température augmente, l'air à l'intérieur du tuyau d'absorption absorbe également la chaleur et la température augmente.
3.2.2 Equation du critère de transfert de chaleur du groupe de particules de chaleur
Le transfert de chaleur dans le système de particules est très compliqué: il ne peut pas refléter la loi de transfert de chaleur de tout le système de particules, par exemple, en raison du changement de l'état de mouvement des particules à différentes distances de chute, la vitesse relative entre la phase de particules et la phase gazeuse est provoquée. En même temps, les particules à différents emplacements spatiaux peuvent affecter le transfert de chaleur et de masse en raison de la température et de la vitesse de déplacement. Par conséquent, le coefficient de transfert de chaleur et les équations de critères analysés par une seule particule ne conviennent pas à la recherche du transfert de chaleur de systèmes de groupes de particules et doivent être utilisés. Le nombre de critères est calculé à l'aide de la quantité caractéristique du système de groupe de particules.Pour le transfert de chaleur du système de groupe de particules, le diamètre équivalent du groupe de particules et la vitesse caractéristique peuvent être utilisés pour l'analyse et le calcul.
Selon les données expérimentales du tableau 1 et la méthode d'analyse d'équilibre thermique susmentionnée, le nombre de Nusselt et le nombre de Reynolds du groupe de particules caloporteurs à billes de céramique dans diverses conditions de travail sont calculés comme indiqué dans le tableau 4.
Selon Nuc et Re dans le tableau 4 cLa figure 3 montre la relation linéaire obtenue par régression linéaire à l'aide du logiciel de traitement de données Oringin810. Comme le montre la figure 3, cEt re cLe nombre a une bonne relation linéaire.
3.2.3 Equation du critère de transfert de chaleur du groupe de particules de biomasse
Pour le traitement des paramètres caractéristiques du groupe de particules de la biomasse, voir la littérature '9. Selon les paramètres caractéristiques du groupe de particules de la biomasse, les données expérimentales du tableau 2 et la méthode d'analyse ci-dessus calculent le diamètre équivalent du groupe de particules de la biomasse, le coefficient de transfert de chaleur et l'analyse par équation de critère. Les valeurs des paramètres pertinents utilisés sont présentées dans le tableau 5.
Nu calculé selon les données du tableau 5 cAvec Re bComme indiqué dans le tableau 6.
Selon Nu dans le tableau 6 cEt re bValeur, rendements de régression linéaire Nu cEt re bLa relation est illustrée à la figure 4. Comme le montre la figure 4, cEt re bLe nombre a une bonne relation linéaire.
4 Conclusion
Sur la plate-forme expérimentale du transfert de chaleur des particules en vrac dans le tube tombant, l'expérience de transfert de chaleur par convection de billes de céramique et d'air (au lieu de gaz de pyrolyse) a été réalisée avec un débit massique de billes de céramique de 1,0, 1,2, 1,4 kg / min. Les expériences de transfert de chaleur multiphase du caloporteur, de la biomasse en poudre et de l'air en boule de céramique ont été réalisées avec un rapport en masse de la boule en céramique à la poudre de biomasse de 15: 1, 20: 1, 25:13, respectivement. Le coefficient de transfert de chaleur par convection de particules de billes de céramique et d’air a été analysé selon la méthode, qui était de 291,3 W / (m 2· ° C) et 200.3W / (m 2· ° C) La méthode du bilan thermique est utilisée pour analyser les équations de critère de transfert thermique non dimensionnelles des groupes de particules caloporteurs et de biomasse de la bille céramique. c= 176 + 0,079Re cEt nu c= 22,97 + 0,2251Re b, fournit la base théorique du transfert de chaleur pour l’étude de la loi de pyrolyse de la biomasse.
Références
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'8'Papadikis K, Gerhauser H, Bridgwater A V, et al., Modélisation CFD de la pyrolyse rapide d'une particule cellulosique en transfert de chaleur par transfert de chaleur' J '. .
'9' Li Zhihe. Étude sur la loi de craquage thermique de la biomasse dans le réacteur à l'intérieur du tuyau de descente 'D' Shenyang: Université agricole de Shenyang, 2010.
