مقاله بررسی انتقال حرارت بین ذرات جامد و گاز در سیکلون و اثر پارامترهای موثر بر آن

بخشی از مقاله

*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***

بررسی انتقال حرارت بین ذرات جامد و گاز در سیکلون و اثر پارامترهاي موثر بر آن

چکیده

امروزه از سیکلون ها به عنوان مبادله کننده حرارتی در تهیه کودهاي شیمیایی، پودرهاي پلیمري، داروسازي و صنایع دیگر استفاده می شود.کاربردهاي آنها براي انتقال حرارت بین گاز و جامد وقتی ذرات جامد در تماس مستقیم با گاز قرار میگیرند از اهمیت ویژهاي برخوردار میباشد. در این تحقیق جهت مطالعه انتقال حرارت بین گاز و ذرات جامد یک سیکلون با بازده بالا ( (high eff. با قطر داخلی10 سانتیمتر طراحی و ساخته شد. جهت تامین هوا با حداکثر دماي 600 درجه سانتیگراد مشعلی که با گاز طبیعی تغذیه میشود استفاده شده است. ذرات مورد استفاده در این تحقیق مواد ورودي به پیشگرمکن سیمان بوده و قطر ذرات بین 10 الی 200 میکرون است. جهت تغذیه پودر به سیستم از یک اکسترودر پودر با قابلیت تنظیم دبی پودر در محدوده 2 الی 10 گرم بر ثانیه استفاده شد. تمام سیستم توسط یک موتور هوا با پرههاي آلومینیومی تحت مکش قرار گرفته است. تاثیر پارامترهاي همچون دماي گاز ورودي، سرعت گاز ورودي و دبی ذرات ورودي به سیکلون بر روي میزان انتقال حرارت و ضریب انتقال حرارت جابهجایی بررسی شده است. بر اساس نتایج به دست آمده مشاهده شد که با افزایش دماي گاز ورودي، سرعت گاز ورودي و دبی ذرات ورودي میزان انتقال حرارت افزایش مییابد.

واژههاي کلیدي: سیکلون، انتقال حرارت، پودر جامد

- 1 مقدمه
امروزه سیکلونها به دلیل بازدهی خوب آنها در جداسازي ذرات به خوبی شناخته شدهاند اما کاربرد آنها به عنوان تبادلگرهاي گرمایی در واقع یک کاربرد خاص است و چندان شناخته شده نیست.
در این تحقیق انتقال حرارت بین مواد جامد ورودي به پیشگرمکن سیمان ( ترکیبی از اکسید کلسیم، اکسید آلومینیوم، اکسید آهن و اکسید منیزیم) و گازهاي خروجی حاصل از سوخت گاز طبیعی ( ترکیبی از متان، اتان، بوتان و ... ) و هواي گرم شده توسط گازهاي داغ بررسی شده است.
براي فهمیدن نوع عمل کرد سیکلون به عنوان تبادلگر گرمایی لازم است پروفایلهاي جریان گاز و جامد در سیکلون مشخص باشند. گاز در هنگام ورود به سیکلون یک مسیر مماسی را طی میکند، سپس شروع به چرخیدن در قسمت استوانهاي سیکلون میکند. گاز درون سیکلون داراي سرعتهاي مثبت در 3 راستاي محوري، شعاعی و مماسی است. سرعت مماسی از مرتبه سرعت ورودي است. در مقادیر کم بار جامد مقدار سرعت شعاعی زیاد است که نتیجه آن انتقال گاز از گرداب بیرونی به گرداب درونی، بدون رسیدن به پایین سیکلون است.سرعت محوري مسئول حرکت گاز از بالا به پایین سیکلون و سپس به درون گرداب درونی است. مقدار سرعت محوري زیاد است و همچنین مستقل از جاذبه است. با افزایش نرخ خوراك جامد ورودي، سرعت شعاعی کاهش مییابد و در نتیجه حجم گازي که به پایین سیکلون میرسد افزایش مییابد پس انتقال گاز از گرداب خارجی به گرداب داخلی کمتر میشود.
در تحقیق انجام شده توسط اي جین ] (A.Jain)١[ و گروهش آزمایشهایی بر روي انتقال حرارت بین هوا و جامد در یک سیکلون تبادلگر گرمایی با قطر داخلی 100mm با استفاده از ذرات شن انجام شده است. اثرات تغییر نرخ خوراك جامد (0.5-7.5g/s) ، تغییر سرعت هواي ورودي سیکلون (9-22m/s) ، تغییر اندازه ذرات جامد ورودي( ( 163-46 µm بر روي نرخ انتقال حرارت، دماي جامد خروجی و ضریب انتقال حرارت بررسی شده است.
رامانان (Ramanan) و گروهش بررسی انتقال حرارت در سیکلونهاي صنعتی را گزارش کردند[2]، در حالی که پیچامان (Pitchuman) و گروهش ساختار و عملکرد سیکلون در دماهاي بالا را بررسی و گزارش کردند.[3] ین((Yen و گروهش [4] و راجو((Rajuو گروهش [3] تحقیقات آزمایشی بر روي انتقال حرارت بین گاز و جامد در سیکلونهاي با جریان معکوس را گزارش کردند و روابطی جهت پیشبینی انتقال حرارت در این شرایط ارایه کردند.
در برخی فرایندهاي مهندسی رایج نظیر تولید آهن و تولید سیمان و ... حجم بزرگی از ذرات یا مواد دانهاي با دماي بالا دیده میشوند. بستر سیال تحت فشار سوخت زغالسنگ یا بستر سیال تحت فشار سوخت باطله ها به طور مداوم خاکستر داغ تولید میکند. در اکثر موارد انرژي حرارتی حمل شده توسط ذرات به وسیله یک فرایند سرد کردن گرفته میشود بدون این که توسط فرایند بعدي مورد استفاده قرار گیرد. اگر یک وسیله مناسب بازیافت حرارتی در دسترس باشد کمک بزرگی به ذخیره انرژي میشود. هر چند مقدار نسبی گرماي حمل شده توسط ذرات در مقایسه با کل گرماي تولید شده در تجهیزات مربوط کوچک است. در ضمن در برخی موارد مقدار گرماي حمل شده توسط ذرات لزوما کم نیست. در این موارد به دلیل این که جداسازي ذرات اهمیت دارد براي انتقال حرارت از ذرات لزوما از سیکلون استفاده میشود.

- 2 توصیف آزمایش
شکل (1) شماتیک دستگاه آزمایشی مورد نظر را نشان میدهد که شامل قسمتهایی به شرح زیر است:
- مشعل (Torch) که ورودي آن گاز طبیعی و گاز مایع است و کنترل دماي گازهاي خروجی حاصل از احتراق گاز در مشعل توسط دبی گاز ورودي به آن انجام میشود.
- هاپر (Hopper) که مخزن ذخیره مواد جامد ورودي است. کنترل دبی پودر ورودي به سیستم به وسیله یک اکسترودر که در زیر هاپر قرار گرفته است انجام میشود.
- سیکلون که داراي یک ورودي کانالی و دو خروجی در بالا و پایین است. سیکلون مورد استفاده یک سیکلون با بازده بالا (high efficiency) به قطر 10 سانتیمتر است.
- مخزن جمعآوري جامد (Solid Tank) که در انتهاي آن جهت سهولت در تخلیه جامد یک درپوش (cap) دندهاي بسته شده است.

شکل :1 نماي شماتیک دستگاه آزمایش

- تله جامد (Solid Trap) که در قسمت افقی بعد از خروجی بالاي سیکلون قرار گرفته است و براي نمونهگیري از ذرات جامد خروجی از بالاي سیکلون تعبیه شده است. در انتهاي این تله جهت سهولت در تخلیه مواد جامد یک درپوش دندهاي بسته شده است.

- شیر کشویی (Gate Valve) که قبل از ورودي پمپ هوا قرار گرفته است و جهت کنترل دبی هواي ورودي به پمپ تعبیه شده است. سرعت هواي ورودي به پمپ به وسیله یک سرعتسنج پرهاي کالیبره شده است.

جهت به دست آوردن دماهاي ورودي و خروجی از سیکلون و در نتیجه بررسی اثر عوامل مختلف بر میزان انتقال حرارت تعداد 4 عدد سنسور دما در قسمتهاي ورودي و خروجی سیکلون نصب شدهاند.

به دلیل کثرت تعداد عوامل موثر بر میزان انتقال حرارت در سیکلون و ضریب انتقال حرارت جابهجابی بین ذرات جامد و گاز از طراحی آزمایشات به روش تاگوچی استفاده شد. از بین تمامی عوامل 3 عامل دماي گاز ورودي، سرعت گاز ورودي و دبی ذرات ورودي هر یک در 3 سطح پایین، متوسط و بالا بررسی شدند.

1-2 محاسبه ضریب انتقال حرارت جابهجایی بین گاز و ذرات جامد:
با توجه به شکل سیکلون و جریانهاي گاز و جامد ورودي به آن براي محاسبه ضریب انتقال حرارت جابه-

جایی میتوان سیکلون را به عنوان یک مبدل حرارتی با جریان همسو در نظر گرفت.
با توجه به رابطه اساسی انتقال حرارت در محاسبه گرماي مبادله شده در یک مبدل حرارتی با جریان همسو به طریقه جابهجایی، گرماي مبادله شده بین گاز و ذرات جامد از رابطه (1) قابل محاسبه است.

که در آن:
ضریب انتقال حرارت جابهجایی بین ذرات جامد و گاز
A سطح انتقال حرارت

اختلاف دماي لگاریتمی بین دماهاي ورودي و خروجی ذرات و گاز (K) که به شکل رابطه (2) تعریف میشود:

دبی جرمی ذرات جامد ورودي به سیکلون (kg/s)
ظرفیت حرارتی مخلوط ذرات جامد
اختلاف دماي بین ذرات جامد ورودي به سیکلون و خروجی از سیکلون (K)

: q نرخ گرماي انتقال یافته از گاز با دماي بالا به ذرات جامد با دماي پایین (Kj/s)

2-2 محاسبه سطح انتقال حرارت(:(A
جهت محاسبه سطح انتقال حرارت ذرات در سیکلون، ابتدا باید زمان اقامت ذرات در سیکلون محاسبه شود. زمان اقامت ذرات در سیکلون با استفاده از رابطه (4) قابل محاسبه است.[5]

که در آن:

t زمان اقامت ذرات در سیکلون (s)
D c قطر سیکلون ( قطر قسمت استوانهاي) (m)
m تعداد چرخش گاز در سیکلون ( بین 2 تا ( 3
ug سرعت گاز در ورودي سیکلون

A  6M
ρs d p
با فرض کروي بودن ذرات، سطح انتقال حرارت ذرات در سیکلون عبارت است از:

که در آن :
M جرم ذرات جامد موجود در سیکلون در هر لحظه از زمان (Kg)
چگالی مخلوط ذرات جامد موجود در سیکلون
قطر متوسط مخلوط ذرات جامد موجود در سیکلون
A سطح مخلوط ذرات جامد موجود در سیکلون در هر لحظه از زمان

3-2جرم ذرات موجود در سیکلون در هر لحظه از زمان عبارت است از:

که در آن:
:t زمان اقامت ذرات در سیکلون (s)
: ms دبی جرمی ذرات جامد ورودي به سیکلون (Kg/s)
: M جرم ذرات جامد موجود در سیکلون در هر لحظه از زمان (Kg)
به این ترتیب در طول هر آزمایش بسته به دبی جرمی ذرات جامد و زمان اقامت ذرات محاسبه شده، جرم ذرات جامد موجود در سیکلون در هر لحظه از زمان قابل محاسبه است.

جدول (2) نشان دهنده خواص فیزیکی خوراك ورودي است و با استفاده از آن میتوان خواص فیزیکی مخلوط جامد را محاسبه کرد.
با استفاده از جدول (3) ظرفیت حرارتی مخلوط خوراك جامد قابل محاسبه است.
با استفاده از رابطه (1) داریم:

در نتیجه براي هر آزمایش با استفاده از این مجموعه روابط میتوان ضریب انتقال حرارت را محاسبه کرد.

-3 تحلیل نتایج

1-3 اثر دماي گاز ورودي بر دماي جامد خروجی و ضریب انتقال حرارت جابهجایی
تغییرات دماي جامد خروجی ( پایین سیکلون) بر حسب دماي گاز ورودي در نمودار شکل (2) رسم شده است. همان طور که از این نمودار پیداست دماي جامد خروجی از سیکلون با تغییر دماي گاز ورودي از 215 درجه سانتیگراد به 240 درجه سانتیگراد به سرعت زیاد میشود ( بین 57 تا 64,5 درجه سانتیگراد). بعد از آن با تغییر دماي گاز ورودي از 240 درجه سانتیگراد تا 265 درجه سانتیگراد، دماي جامد خروجی با سرعت کمتري افزایش مییابد.

افزایش دماي گاز ورودي به معناي افزایش نیروي محرکه انتقال حرارت بین گاز و ذرات جامد ورودي است. در نتیجه میزان انتقال حرارت بیشتر میشود و دماي ذرات جامد خروجی افزایش مییابد.

ظرفیت حرارتی گاز تابعی از دما است و با افزایش دما ظرفیت حرارتی گاز افزایش مییابد. با توجه به شکل رابطه ظرفیت حرارتی با دما (جدول (3، افزایش ظرفیت حرارتی با افزایش دما در دماهاي پایینتر بیشتر از افزایش آن با افزایش دما در دماهاي بالاتر است. به همین دلیل در دماهاي پایینتر افزایش میزان انتقال حرارت با افزایش دما سریعتر است.

در واقع با افزایش ظرفیت حرارتی گاز، داخل سیکلون گاز با دماي بیشتر براي انتقال حرارت با ذرات در دسترس است، که این پدیده هم به نوبه خود باعث افزایش نیروي محرکه انتقال حرارت بین گاز و ذرات جامد میشود.

نمودار شکل (3) بیانگر تغییرات ضریب انتقال حرارت جابهجایی با دماي گاز ورودي است.
با توجه به نمودار شکل (3)، با افزایش دماي گاز ورودي ضریب انتقال حرارت جابهجایی افزایش مییابد.
در واقع افزایش دماي گاز ورودي به معناي افزایش ظرفیت حرارتی گاز است. از طرفی ضریب انتقال حرارت جابهجایی تابعی از خواص فیزیکی گاز و جامد است و رابطه آن با ظرفیت حرارتی رابطهاي مستقیم است.
بنابراین با افزایش ظرفیت حرارتی ضریب انتقال حرارت افزایش مییابد. در ضمن دلیل افزایش بیشتر ضریب انتقال حرارت با افزایش دما در دماهاي پایینتر، افزایش بیشتر ظرفیت حرارتی با افزایش دما در دماهاي پایینتر است.