Технические науки/2. Механика

Аспирант Агарков А.М.,

студент Краснов В.В., студент Локтионов И.С.

Белгородский государственный технологический

университет им. В.Г. Шухова, Россия

Исследование структурных и геометрических характеристик насыпных клинкерных слоев

Детальное описание структуры насыпных зернистых слоев чрезвычайно сложно, поэтому целесообразно рассматривать зернистый слой как квазиоднородную изотропную среду, которая характеризуется некоторыми усредненными параметрами [1, 2]. К ним, в первую очередь, следует отнести пористость (порозность) и удельную поверхность зернистого слоя.

Пористость e – это относительная доля незаполненного зернами объема слоя, т.е. объемная доля воздуха. Установлено, что доля живого сечения слоя y, пронизываемого потоком запыленного газа, в среднем также равна e. Пористость слоя зависит от формы его зерен, характера их укладки и практически не зависит от размера самих зерен . Угловатые зерна неправильной формы образуют высокопористые скелеты (e ≥ 0,5).

Пусть r_з – плотность зерен, а r_н – насыпная плотность слоя в целом.

Тогда из очевидного соотношения r_н = (1 – e)r_З вытекает формула для определения пористости зернистого слоя:

.

(1)

Объемная доля твердого скелета слоя называется плотностью его упаковки α:

.

(2)

Если зерна насыпного слоя имеют внутреннюю пористость e_в.н, то под r_З следует понимать кажущуюся плотность r_к:

,

(3)

где r_м – истинная плотность материала зерен. Внутренняя плотность зерен клинкера незначительна, она не оказывает заметного влияния на гидродинамические свойства слоя, поэтому дальше учитывать ее не будем.

Экспериментально установлено, что зернистый слой у стенок аппаратов, на расстоянии от 3 до 10 диаметров зерен слоя, имеет повышенную на 20…60% пористость, что приводит к проскоку газа в пристенной зоне. Такое влияние стенок объясняется действием сил трения, препятствующим уплотнению и усадке зернистого слоя под действием силы тяжести.

Размер зерен клинкера можно охарактеризовать их эквивалентным диаметром, который определяется как диаметр шара, объем которого равен объему зерна.

Пылеулавливающие свойства слоя лучше характеризует эквивалентный диаметр зерен, найденный как диаметр шара, имеющего одинаковую с зерном площадь поверхности:

.

(4)

Ниже эквивалентный диаметр зерен клинкера, кроме специально оговоренных случаев, будем обозначать d.

Клинкер является полидисперсным зернистым материалом с пористостью .

Дисперсность зернистого слоя характеризует также его удельная поверхность, равная суммарной поверхности всех зерен в единице массы (или объема) слоя:

,

(5)

где – удельная поверхность среднестатистического зерна; – коэффициент экранировки зерен, учитывающий уменьшение суммарной поверхности зерен слоя из-за их соприкосновения. Своего минимального значения величина S₀ достигает для сферических зерен:

.

(6)

Для зерен неправильной формы их удельная поверхность возрастает:

,

(7)

где Ф_г < 1 – геометрический коэффициент формы, характеризующий отклонение формы реального зерна от сферической

.

(8)

Течение запыленного газа через зернистый слой является смешанным процессом. С одной стороны, поток газа обтекает зерна, а с другой – протекает в каналах и порах меду ними. Характер течения и аэродинамическое сопротивление слоя определяются критерием Рейнольдса

(9)

где ρ – плотность газа; μ – коэффициент его динамической вязкости; и и L – средняя скорость газового потока и средний характерный размер течения, соответственно.

Если основное внимание уделяется обтеканию зерен, то в качестве L следует брать средний эквивалентный размер зерен d_З. Если же рассматривается течение газа в каналах слоя, то в качестве L выбирается их эквивалентный диаметр:

,

(10)

где F – площадь поперечного сечения канала, П – омываемый течением газа периметр канала.

Важной характеристикой внутренней структуры зернистого слоя является коэффициент извилистости T_к, равный отношению средней длины искривленного и наклонного порового канала l_К к толщине зернистого слоя насадки h (рис. 1):

(11)

Рис. 1. К определению коэффициента извилистости поровых каналов

Величина коэффициента извилистости может быть приближенно оценена через пористость слоя:

.

(12)

Из выражения (12) следует, что основным фактором, определяющим извилистость, является пористость ε зернистого слоя.

Литература:

1. Аэров М.Э. Аппараты со стационарным зернистым слоем / М.Э. Аэров, О.М. Тодес, Д.А. Наринский. – Л.: Химия, 1979. – 176 с. – ISBN.

2. Энтин В.И. Кинетические закономерности и технологические расчеты процесса обеспыливания газов зернистыми слоями в огнеупорном производстве / В.И. Энтин // Огнеупоры и техническая керамика. – 1999. – № 3. – С. 41–44.