Li Zhihe, Cui Xibin, Bai Xueyuan, Yi Weiming und Li Yongjun
Zusammenfassung: Für das Wärmeübertragungsgesetz zwischen graduierten Materialpartikeln und dem festen Wärmeträger einer Keramikkugel wurden die Eigenschaften der konvektiven Wärmeübertragung zwischen dem Wärmeträger der keramischen Kugel und dem Gas und den Partikeln der Biomasse und der Keramikkugel unter Verwendung des selbst hergestellten Massenpartikel-Wärmeaustauschprüfstandes untersucht. Die Wärmeübertragungseigenschaften zwischen den beiden wurden experimentell untersucht: Die konvektiven Wärmeübergangskoeffizienten von einzelnen Keramikkugeln und Luft wurden durch Analyseverfahren bzw. RMC-Korrelationsverfahren mit 291,3 W / (m) analysiert 2° C) und 200,3 W / (m 2(° C) ist die Kriteriumsgleichung zur Bestimmung der Wärmeübertragung des keramischen Kugel-Wärmeträgers und der Biomasse-Partikelgruppe Nu c= 176 + 0,079Re cUnd Nu c= 22,97 + 0,2251 Re b, bietet eine theoretische Grundlage für die Untersuchung des Pyrolysegesetzes für die Festkörper-Wärmeträgerheizung.
Einleitung
Die Pyrolyse von Biomasse im Reaktor ist ein komplexer physikalischer und chemischer Prozess, der durch den Fluss der Partikelphase, den Wärme- und Stoffübergang zwischen Gas-Feststoff und Multiphase sowie die thermochemische Reaktionskinetik beeinflusst wird. Der Massentransfer sowie der Wärme- und Stoffübergang beeinflussen den thermischen Crackprozess. Um den thermischen Crackmechanismus von Biomasse vollständig offen zu legen, ist es erforderlich, aus der Partikelphase den Wärme- und Massentransfer zwischen Gas-Feststoff und Multiphase sowie die chemische Kinetik der Biomassepyrolyse abzuleiten. Umfassende Forschung: Derzeit wird die Wärmeübertragung mit Partikeln hauptsächlich in Wirbelschichtreaktoren und zirkulierenden Wirbelschichtreaktoren untersucht. [1~ 5]Die Erforschung des Mechanismus der Biomassepyrolyse unter Erwärmung von Festkörpern mit hohen Temperaturen ist jedoch selten. Die Untersuchung des Wärmeübertragungsgesetzes ist hilfreich für die Optimierung des Prozesses und das wissenschaftliche Verständnis des Pyrolysemechanismus.
In dieser Arbeit wurden die Eigenschaften der konvektiven Wärmeübertragung zwischen Wärmeträgerpartikeln und Gas (unter Verwendung von Luft anstelle von Pyrolysegasprodukten) und die Wärmeübertragungseigenschaften zwischen Biomassepartikeln und dem Wärmeträger von Keramikkugeln unter Verwendung eines selbst hergestellten Massenpartikel-Wärmeaustauschprüfstandes untersucht. Nach den experimentellen Daten wird der konvektive Wärmeübergangskoeffizient zwischen den einzelnen Wärmeträgerpartikeln und der Luft durch Analyseverfahren und dimensionslose Analysemethoden analysiert und berechnet, und der konvektive Wärmeübergang zwischen dem Keramikkugel-Wärmeträger und der Biomassepartikelgruppe wird analysiert und bestimmt. Die Wärmeübertragungskriterium-Gleichung der Partikelgruppe bildet die Grundlage für die Untersuchung des Pyrolysegesetzes für die Wärmeträger-Heizungsbiomasse.
1 Prüfstand und Materialien
Die strukturelle schematische Darstellung des in dieser Studie verwendeten Schüttgut-Wärmeaustauschprüfstandes ist in Abbildung 1 dargestellt. Er umfasst hauptsächlich Wärmeträger aus Keramikkugeln, Biomassepulver-Partikelförderer, Fallrohr, Partikeltrennvorrichtung und Computertemperaturerfassungssystem : Keramikkugel-Wärmeträger, der auf eine voreingestellte Temperatur erhitzt wird, schnell in den Behälter des Keramikkugelanlegers gebracht und temperiert wird, vom Schneckenförderer zugeführt und vom Wärmeträgerförderer zugeführt wird Die Keramikkugeln fließen durch den Downcomer hinunter, um einen Wärmeaustausch zu bewirken Die gemischten Partikel werden in der Trennvorrichtung am unteren Ende des Downcomers getrennt, und die Keramikkugeln und das Biomassepulver fallen in unterschiedliche Aggregatkästen und verwenden T-Typ-Thermoelemente für Temperaturdaten. Erfassung: Die Gastemperatur wird an jedem Entnahmepunkt des Downcomers durch das Abgasthermoelement abgesaugt.
Das Fallrohr besteht aus einem PVC-Rohr mit einer Länge von 1600 mm und einem Innendurchmesser von 110 mm. Um den Wärmeverlust der Rohrwand zu reduzieren, wird an der Innenwand des Rohrs eine Schicht aus 25 mm dickem Schaumisoliermaterial angebracht, und die Außenwand wird durch den Aluminiumsilikat-Sprühfilz isoliert. Ein gepanzertes Thermoelement vom T-Typ wurde an den Punkten 100, 400, 800, 1200 und 1500 mm von der oberen Düse angeordnet, um die Gastemperatur im Rohr zu messen.
In dem Experiment ist die Keramikkugel eine regelmäßige Kugel mit einem Durchmesser von 2 mm, und die Biomasse besteht aus 60 bis 80 mesh Kornstaubpulver.
2 experimentelle Ergebnisse
Die Keramikkugel mit einer Temperatur von 90 ° C hat einen Massenstrom von 1,0, 1,2, 1,4 kg / min für den konvektiven Wärmeübertragungsexperiment zwischen dem Wärmeträger der Keramikkugel und der Luft und den anfänglichen und endgültigen Wärmeaustausch zwischen der Luft und dem Wärmeträger im Abwärtsrohr Die Temperaturversuchsdaten sind in Tabelle 1 gezeigt. Bei der obigen Wärmeträgerfließgeschwindigkeit wurde die Wärmeübertragung zwischen dem Wärmeträger und den Biomasseteilchen bei einem Massenverhältnis von Keramikkugeln zu Biomasse von 15: 1, 20: 1, 25: 1 durchgeführt. Die experimentellen Wärmetransferdaten von Wärmeträgerpartikeln und Biomasseteilchen sind in Tabelle 2 gezeigt.
3 Analyse und Diskussion
Keramikkugel-Wärmeträger, die Wärmeübertragung zwischen den Biomasseteilchen und der Luft im Downcomer gehört zu Mehrphasenströmung und Wärmeübertragung: Es kommt zu einer Kollision zwischen den Partikeln und den Partikeln, der Kollision zwischen den Partikeln und der Wand und der Konvektion zwischen den Partikeln und der Luft. Wärme und Wärmeübertragung der Rohrwand auf die Strahlung der Partikel Die experimentelle Untersuchung des Partikelflusses PIV zeigt [6]: Mit Ausnahme der Nähe der Seitenwand der Rohrleitung ist die Kollisionswahrscheinlichkeit zwischen den beiden Teilchenarten und der Wandoberfläche während des Absenkvorgangs gering, und die Wärmeleitfähigkeit des an der Rohrwand angebrachten Wärmeisoliermaterials ist äußerst gering, und die Kollisionswärmeübertragung zwischen den Teilchen und der Rohrwand kann vernachlässigt werden. Die Keramikkugel kollidiert während des Abstiegsprozesses nicht, so dass die Wärmeübertragung und die Wärmeübertragung zwischen den Keramikkugelpartikeln nicht berücksichtigt werden müssen. Das Partikelströmungsversuch zeigt, dass die Keramikkugel und die Biomasseteilchen das gesamte Rohr füllen und sich gegenseitig blockieren. Die Wärmeübertragung hebt sich jedoch gegenseitig auf, so dass der Einfluss der Strahlungswärmeübertragung ignoriert werden kann. MansooriZ glaubt außerdem, dass die Wirkung der Strahlungswärmeübertragung in dichten Partikelsystemen weniger als 600 ° C beträgt, was ignoriert werden kann. [7]Auf diese Weise muss nur die konvektive Wärmeübertragung der Keramikkugel und die Luft innerhalb des Rohrs in die Analyse einbezogen werden. Die Analyse der konvektiven Wärmeübertragung ist die Analyse und Lösung des konvektiven Wärmeübertragungskoeffizienten.
3.1 Konvektiver Wärmeübergangskoeffizient einzelner Wärmeträgerpartikel
3.1.1 Analysemethode
Es wird angenommen, dass dann, wenn der Wärmeträger der Keramikkugel im Downcomer Wärme mit Luft austauscht, die zum Zeitpunkt tc freiwerdende Wärme dann vollständig von der Luft absorbiert wird
3.1.2 RMC-Assoziationsmethode
Die RMC-Methode wurde 1952 von RanzWE und MarshallWR vorgeschlagen. [8]ist die Gleichung
Unter Verwendung der obigen zwei Verfahren ist der konvektive Wärmeübertragungskoeffizient zwischen dem Wärmeträger der Keramikkugel und der gemäß den experimentellen Daten berechneten Luft in Tabelle 3 gezeigt. Das Analyseverfahren basiert auf den Temperaturdaten des Wärmeträgers der Keramikkugel und der Luft am Einlass und Auslass. Es kann daher als der durchschnittliche Wärmeübergangskoeffizient im gesamten Fallrohr betrachtet werden.Die RMC-Methode wird anhand der Bewegungsparameter und der physikalischen Eigenschaftsparameter am Ausgang des Fallrohrs berechnet, dh dem lokalen Wärmeübergangskoeffizienten, so dass zwischen den beiden eine große Lücke besteht.
3.2 Wärmeübertragungsanalyse von Partikelgruppen
3.2.1 Thermische Gleichgewichtsanalyse
Es besteht eine thermische Gleichgewichtsbeziehung zwischen der Keramikkugel, dem Biomassepulver und der Luft, wie in Fig. 2 gezeigt. In dem Unterrohr, nachdem die Keramikkugel und das Biomassepulver Wärme ausgetauscht haben, gibt die Hochtemperaturkeramikkugel Wärme ab und die Temperatur nimmt ab, das Biomassepulver nimmt Wärme auf. Die Temperatur steigt an, die Luft im Downcomer nimmt auch Wärme auf und die Temperatur steigt an.
3.2.2 Wärmeübertragungskriteriumsgleichung der Gruppe der Wärmeträger aus Keramikkugeln
Die Wärmeübertragung im Partikelsystem ist sehr kompliziert: Die Wärmeübertragung des einzelnen Partikels kann das Wärmeübertragungsgesetz des gesamten Partikelsystems nicht widerspiegeln. Beispielsweise wird durch die Änderung des Partikelbewegungszustands bei unterschiedlichen Abständen die relative Geschwindigkeit zwischen der Partikelphase und der Gasphase verursacht. Gleichzeitig können die Partikel an unterschiedlichen räumlichen Orten den Wärme- und Stoffübergang aufgrund von Temperatur und Bewegungsgeschwindigkeit beeinflussen, weshalb der von einzelnen Partikeln analysierte Wärmedurchgangskoeffizient und die Kriteriumsgleichungen nicht für die Wärmeübertragungsforschung von Partikelsystemen geeignet sind und verwendet werden müssen. Die Merkmalsmenge der Partikelgruppensystemparameter wird zur Berechnung der Kriteriumszahl verwendet: Für die Wärmeübertragung des Partikelgruppensystems können der äquivalente Durchmesser der Partikelgruppe und die charakteristische Geschwindigkeit zur Analyse und Berechnung verwendet werden.
Gemäß den experimentellen Daten in Tabelle 1 und dem oben erwähnten thermischen Gleichgewichtsanalyseverfahren werden die Nusselt-Zahl und die Reynolds-Zahl der Keramikkugel-Wärmeträgerpartikelgruppe unter verschiedenen Arbeitsbedingungen wie in Tabelle 4 gezeigt berechnet.
Nach Nuc und Re in Tabelle 4 cDer Wert der linearen Beziehung, die durch lineare Regression unter Verwendung der Datenverarbeitungssoftware Oringin810 erhalten wird, ist in Fig. 3 gezeigt. Wie aus Fig. 3 ersichtlich ist, Nu cUnd Re cDie Zahl hat eine gute lineare Beziehung.
3.2.3 Wärmeübertragungskriteriumsgleichung der Biomasseteilchengruppe
Zur Behandlung charakteristischer Parameter der Biomasseteilchengruppe siehe Literatur "9." Entsprechend den charakteristischen Parametern der Biomasseteilchengruppe berechnen die experimentellen Daten in Tabelle 2 und das obige Analyseverfahren den äquivalenten Durchmesser der Biomasseteilchengruppe, den Wärmeübertragungskoeffizienten und die Analyse der Kriteriumsgleichung. Die Werte der relevanten Parameter sind in Tabelle 5 aufgeführt.
Nu berechnet nach den Angaben in Tabelle 5 cMit Re bWie in Tabelle 6 gezeigt.
Nach Nu in Tabelle 6 cUnd Re bWert, lineare Regression ergibt Nu cUnd Re bDie Beziehung ist in 4 gezeigt. Wie in 4 zu sehen ist, Nu cUnd Re bDie Zahl hat eine gute lineare Beziehung.
4 Schlussfolgerung
Auf der Versuchsplattform der Schüttgutpartikelwärmeübertragung mit fallendem Rohr wurde das konvektive Wärmeübertragungsexperiment von Keramikkugeln und Luft (anstelle von Pyrolysegas) mit einem Massenstrom von Keramikkugeln von 1,0, 1,2, 1,4 kg / min durchgeführt. Die mehrphasigen Wärmetransferexperimente mit Wärmeträger aus Keramikkugeln, Biomassepulver und Luft wurden mit einem Massenverhältnis von Keramikkugel zu Biomassepulver von 15: 1, 20: 1, 25:13 durchgeführt Analyseverfahren und Korrelation Der konvektive Wärmeübertragungskoeffizient von einzelnen Keramikkugelpartikeln und Luft wurde durch das Verfahren analysiert, das 291,3 W / (m) betrug 2° C) und 200,3 W / (m 2· ° C) Die Wärmebilanzmethode wird verwendet, um die undimensionalen Wärmeübertragungskriteriumsgleichungen der Keramikkugel-Wärmeträgerpartikelgruppe bzw. der Biomasseteilchengruppe zu analysieren. c= 176 + 0,079Re cUnd Nu c= 22,97 + 0,2251 Re b, liefert die theoretische Grundlage für die Wärmeübertragung für das Studium des Pyrolysegesetzes für Biomasse.
Referenzen
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'9' Li Zhihe: Studie zum thermischen Crackgesetz von Biomasse im Reaktor im Fallrohr 'D.' Shenyang: Shenyang Agricultural University, 2010.
