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翻译化学工程研究与设计粒子间的传热模型的密气体固体流化床二元混合物a.可再生能源学院,华北电力大学,北京,102206,中国b.石油加工研究中心,华东理工大学,上海,200237,中国c.石油与化学工程学院,浙江海洋学院,舟山,浙江,316000,中国摘要本文提出一个粒子的粒子碰撞传热模型框架中的欧拉欧拉方法。由纳入多流体模型关闭焓方程,传热不同的粒子在气体鼓泡床流化床二元混合物进行了调查,利用计算流体力学模拟规范粒子混合在文学(古柏和科罗内拉,2005)。结果表明,粒子的粒子热交换系数的有效fi不同粒子班随规模大颗粒类和超级fi化气速。该比率的粒子对粒子的热量转移到天然气粒子传热范围从8.04到15的不同计算条件。为了更好地理解的传热性能因此,密集的气体固体流化床二元混合物,它是重要的是要考虑的粒子对粒子的传热。由艾尔服务公司出版保留所有的权利。关键词碰撞传热模型流化床二元混合物欧拉数值模拟计算流体力学1.介绍由于气体固体流化床床的优良的气体固体接触和相对均匀的温度/浓度,所以气体固体流化床床已广泛应用在化学反应和物理过程中。介绍了流化床传热的很多研究的一部分已经过去。三个公司热处理被视为在气体流化床气体与粒子和粒子与粒子传热。广泛的实验和理论工作已经出版了流化床和气体与粒子传热,但研究结果的粒子之间碰撞的多相流的传热过程系统中,尤其是考试的直接粒子与粒子传热,但仍鲜为人知的比这两名前热处理过程。粒子之间直接传热被认为是气固流化床意义重大。温先生和张1967似乎是第一个工人的粒子之间通过试验研究了气固传热流化床。结果表明,粒子之间传热覆盖1035的全球的热传递。戴维斯和范德伦1985发展了一种粒子间传热模型由于通过气体层导热热,冷之间的比值颗粒和显示粒子之间传热系数的气体到粒子人能达到大约有2050,减少颗粒直径从2.25到0.9毫米。麦凯纳丁晓萍。1999指出导电传热过程的大型和小型的粒子出现在同一反应器,以遏制经济过热的问题并且解释为什么以前型号的传热烯烃聚合温度上升的早期阶段在聚合反应。丁晓萍表示,导电传热有微不足道的影响颗粒和气体的温度和意味着仅仅影响到个人和冷、热粒子就很重要了如果温度每组的冷、热粒子是很重要的。随着剪跨比的增加的运算能力,计算流体动力学CFD提供了一个新鲜的做法理解转移机制的流体力学特性和多相流。在流态化领域,尤其是使用差价推动基本了解前沿传输机制使正确的理论预文辞的过程中遇到的各种宏观现象流化床。博伦等人(1995)描述不同粒子对粒子碰撞的配方,在他们的流体力学动态建模方法。有欧拉拉格朗日直接模拟粒子,用直接模拟的粒子对粒子碰撞,与随机碰撞的拉格朗日方法模型和欧拉欧拉方法。直接模拟方法跟踪运动的每一个个别颗粒,并能考虑到同时出现的各类运动和相互作用的粒子之间的相互作用和表面的边界。因此,此方法允许模拟的粒子对粒子碰撞的同时,研究其在fl影响双方的流体力学和热过程。相对于直接模拟方法,随机碰撞法考虑到碰撞的影响,随机通过当地的碰撞的概率模型,而不是考虑单个粒子的运动跟。这两种方法已广泛应用调查研究煤的燃烧(荣和堀,1999年彼得斯,2002年,周等人,2004年,周等,2009),空气干燥(李和梅森,2000年,2002年),烯烃聚合。虽然模拟结果表明,粒子间的碰撞可能会现住地影响传热过程,直接粒子粒子在碰撞传热可忽略不计。欧拉欧拉方法是另一种方法来探讨在气固流化床颗粒粒子的传热。这种方法可能比欧拉拉格朗日法更快,但需要制定本构方程。颗粒流的动力学理论的基础上,纳塔拉詹和亨特(1998)引入颗粒相的有效导热探讨热转换.When的碰撞效应,碰撞的只有一个长期分散在气固相存在床,发生在内部相粒子粒子因碰撞传热,可以通过纳塔拉詹和亨特模型纳塔拉詹和亨特(1998)调查。如果在气固流化床中存在两个或两个以上的颗粒阶段(类),因碰撞粒子颗粒传热之间也会发生不同的粒子类。不同气体中的固体颗粒类之间的碰撞传热二进制粒子流化床仍是少报,需要进一步调查研究。本文的重点是发展的碰撞传热模型不同的粒子在稠密气体–固体流化床二进制粒子床框架中的欧拉–欧拉方法。在此基础上的颗粒动力学fl表明,随机碰撞频率法和热传导理论,直接粒子对粒子之间的传热模型不同粒子班在密集的气体–固体流化床床的二元混合物的建议。由纳入多流体模型fl关闭焓方程,欧拉–欧拉计算流体动力学模型的一个气体–起泡固体流化床床包含二进制粒子(内组)成立。的粒子对粒子的热转让行为在这样一个流化床床这样的调查通过使用商业计算流体力学软件包(流利6.3.26),利用计算流体力学模拟的粒子混合在一个二进制流化床床库和科罗内拉(2005)。影响颗粒的性质和操作条件下的传热进行了预测,为深入的设计和优化的气–固体流化床二进制粒子床.2.计算流体力学模型在这项工作中,多流体模型基于欧拉欧拉方法调查了,这是扩展的双流体模型为基础的二进制粒子流化床中的传热行为。通过颗粒流,粘滞力,固体压力和不同颗粒类之间的碰撞频率的动力学理论可以作为一个所谓的颗粒温度的功能,以研究在流体力学和热调气力好固流化床的二进制粒子。欧拉符号方程如下(用户指南,2005年)。2.1控制方程气体(g)和每个固体s的质量守恒方程气体和固体的动量守恒方程气体和固体的焓守恒方程每个固相的动力学能量方程流固动量交换系数,βgs(那波尔,1992),固相动量交换系数,βps阶段间的热交换系数(HKG式(6)HKS式(7)),将在下一节中讨论。气相应力张量(马蒂森等,2000)每个固相的应力张量(马蒂森等,2000)gps是径向分布函数,得出如下(马蒂森等,2000)粒子的混合物粒子压力由碰撞和动力学的部分组成马蒂森等人,2000年孙立新人,2005年)其中PC,PS是由固相S和P之间的碰撞所带来的压力,并有表达颗粒散装粘度(马蒂森,2005年)颗粒相剪切粘度(马蒂森2005年。)碰撞耗散的能量波动颗粒相能量波动的扩散系数为流动能量的交换2.2两相传热交换模型由于之间的气体和粒子阶段和两个不同的粒子类之间的碰撞热交换的换热耦合焓余额的存在HKG式(6)和HKS式。(7)的体积相间的传热系数,即跨阶段热交换系数。2.2.1气体和粒子之间的热交换模型气体和粒子之间的热交换模型间相之间的气体和颗粒阶段的热交换系数(HGS)是界面交换的特定区域和气体粒子的传热系数(HSG)的产品。基于几何方面的考虑,可以执行下列转换气体粒子的传热系数HS是在本文中,表达从耿氏(1978)是用来估计的努塞尔数这种关联性是有效的,广泛的粒子体积分数,因此其应用上的模拟冒泡流化床是合理的。2.2.2不同颗粒类之间的碰撞热交换模型。热建模中遇到的一个根本性的问题二元混合物在一个密集的气固流化床转移是两个粒子类的接口是未知的,短暂的,这导致在确定碰撞频率的难度的议案,接触面积,传热系数。幸运的是,在碰撞过程中的随机碰撞频率和直接热传导,由于弹性变形相结合,密集的二元混合物的气固流化床中不同粒径类之间的碰撞热交换模型可以由此建立.根据密集的分子动力学(查普曼1970年)和颗粒流的动力学理论为半径的两个粒子类(杰森1983),碰撞频率(即每单位体积和时间的碰撞)RP,我RP,J和数量浓度NP,我和NP,J(每单位体积的粒子)给予粒子粒子碰撞过程中的传热可以根据两种型号计算单次碰撞,无论是通过气体镜头(戴维斯和范德伦,1985)由于弹性变形过程中的影响(太阳和陈,1988),或直接传导的传导为主,在这个文件中,碰撞据估计,粒子颗粒传热根据撞击太阳和陈(1988)粒子的热传导分析。他们的理论是基于对球的弹性变形分析,因为他们的联系。根据这些作者,球指数i和j,定义平均半径,R,平均质量,米,平均弹性模量,G,其中RP是粒子半径,MP是粒子的质量,材料的泊松比和杨氏模量。总接触时间为基础的两个领域,小傅立叶数字和接触问题的地区,可近似由两个接触的无限板,热交换给由Q结合随机碰撞频率(式(26))和直接传导,由于弹性变形在一个单一的冲击(式(27)形在一个单一的冲击(式(27)),击(式(27)),颗粒间碰撞传热的可以获得和显示在式(28)相应地,这些粒子对粒子的热交换系数可以计算根据式(29)由式(29),它可以被发现的粒子粒子之间不同的粒子类的热交换系数是密切依赖流体力学和二进制粒子气固流化床中颗粒类的财产。粒子粒子的热交换系数与粒子浓度的增加,粒子的湍流强度和粒子碰撞的速度增加。也随粒径,粒子密度,粒子的比热容和热导热增加,然而,随着粒子的弹性模量降低。3.模拟方法3.1.模拟代码和数值算法这些微分方程代表二进制粒子在气体–固体流化床是解决了一个有限体积法。这些方程离散迎风差分格式在使用有限体积,并解决了计算流体力学商业代码软件.最受欢迎简单的算法是用于这一目的。每个仿真进行了40秒的时间。时间平均分布的变量计算为期3040s.3.2仿真系统相同的模拟库和科罗内拉(2005),模拟鼓泡床流化床是一个二维平面,矩形床高和宽0.8米的先锋,含22毫米气体射流在床的底部.网格是建立在一个计算机程序称为开口的区域。网格大小不均匀在水平即使在垂直方向。沿水平方向的网格大小的变化,从3毫米附近墙和在中心周围,到2毫米的飞机。在垂直方向,网格尺寸毫米,总单元格8000。系统是通过使用气相和二个颗粒状阶段描述的,该系统的描述,通过使用一个单一的气相和即模拟工作的古柏和科罗内拉(2005)。物理属性的气体和固体阶段分别由表1和表2给出。3.3.边界和初始条件在床底部的喷嘴被指定为速度入口,气流方向是正常的表面。指定了3.825米/秒的喷嘴速度匹配库珀和纳尔(2005)的实验,表观气速的流体力学和传热的影响是通过改变这个速度在模拟调查。在床的上方边界条件是固定在一定的参考价值(大气)的压力边界。其他地方的边界条件指定为墙,都设置为无滑移边界条件的气体和粒子阶段。最初的固体床被装在床的底部50你的先锋和500.20m。初始条件的补丁,在完全混合固体。可口可乐(大颗粒)被认为占64的固体量,和金红石(小颗粒相平衡(36))。初始速度的固相被设置为零。表3总结了数值参数的模拟。4.结果与讨论4.1二进制粒子流化床的流体力学4.1.1流量特性图1显示瞬时固体流动模式的二进制在3.825米/s的表观气速的颗粒。图一最初,二进制粒子充分混合和他们的速度设置为零。在时间小于0.1秒,气泡的形式在进气口,通过流化床开始上升。固体体积分数已经减少在这些地区。同时,床开始扩大。随后,气泡长大,从床上,造成大量的。搅拌在。图2轴向粒子相体积分数分布曲线图二在最初的5秒,颗粒相分散迅速在密相流化床,虽然它的体积分数是在床的底部高。一段约30秒后,实现宏观动态的平衡状态。床扩大其初始0.20米高度约0.35米。整个床局部地区大颗粒体积分数高于平均水平的密相存在,同样,小颗粒浓度低是显而易见的。这似乎是合理的混合。4.1.2.轴向床密度分布图二是金红石和焦炭颗粒,这是从时间的平均值绘制预测的体积分数分布曲线。图三是金红石作为总固体含量的垂直床高度的功能。图3模拟金红石总分数型材固体。图三固体体积分数降低第一和接近在密相常数,则在急剧下降稀相床。可能不会被流化床床,金红石和焦炭颗粒底部存在,因为只有两个气喉充分,往往会沉积在床的底部,从而在一个较高的体积分数值在底部区域。鼓泡流化床中,颗粒很少夹带固体的体积分数在稀相几乎是零。不过,总体而言,在流化床上的混合相当充分可见一班。4.2.传热特性4.2.1.轴向剖面的热交换系数图4显示的时间平均覆盖3040秒内的热交换系数的个人资料。图5显示的时间平均碰撞频率的个人资料,作为床高度的功能。表观气速,使用的是3.825米/秒。图四图4(a)显示,气体粒子的热交换系数首次下降,接近一个常数,在密相然后稀相再次急剧下降。这是在轴向分布固体线图2。在这种气体流化床中,由于高流速气体射流,金红石和焦炭粒子加速向上和固体的体积分数显示在顶部高床底部和低密相。单分散粒子(蔡和岑,1985年)鼓泡流化床的传热,在先前的研究报告可以发现,它的粒子气体的热交换系数和固体轴向分布含率(固体体积分数)也有类似的趋势,也有气体粒子的热交换系数和冒泡的二进制粒子流化床中的颗粒浓度之间存在密切的关系。图4(A)还表明,气相和小颗粒相(金红石)之间的热交换系数是远远比之间的气相和大颗粒相(焦炭)。二进制粒子流化床中气固的,更小的粒子显示了较高的重于一体的大型和Nu数。因此,一个更大的气体粒子的热交换系数出现。这一结果表明,粒径减少,气体粒子的热交换系数增大。图4(b)所示,小和大颗粒类之间的碰撞热交换系数逐渐减小,在密相流化床床,床底部区域除外。在床面,碰撞热交换系数的急剧增加和达到最大值。稀相碰撞的热交换系数几乎是零,因为小和大很少颗粒进入流化床稀相夹带。因此,由于碰撞的粒子颗粒传热仅发生在密相流化床二进制粒子床。在密相流化床,颗粒物浓度(见图2)和他们的碰撞频率(见图5)床高度的增加逐渐减小,导致粒子粒子的热交换系数下降。在床面,气泡突破。颗粒夹带气泡飞溅和回落,造成强烈的湍流运动和密集的大,小颗粒之间的碰撞。因此,粒子,粒子的热交换系数急剧增加达到最大值。在床底部的演变,可以归因于高速气体射流的影响。图五图6显示了粒子粒子在气固热交换系数的瞬时分布情况流化床二进制粒子在35秒的时间。图六可以发现,粒子,粒子的热交换系数是在流化床径向不均匀,表现出更高的价值在墙上的地区,并在床中心的价值较低。在墙上的地区,颗粒移动向下和向上移动附近的碰撞,加强湍流运动和大和小颗粒之间的碰撞。因此,会出现更大的热交换系数。图7粒子粒子的热交换系数廓线大颗粒阶段的各种尺寸。图七4.2.2.粒径粒子,粒子的热效应,交换系数大型粒子对粒子粒子的热交换系数(焦炭)的大小的影响见图7.使用大颗粒的大小是300命令400米。小颗粒的大小仍然是69.5中号。IAL使用的气体速度是3.825米/秒。图7表明粒子的大小起着重要的作用热交换系数的有效碰撞之间的小大颗粒。随着规模的大颗粒的增加300米到355近400米,平均换热系数fi系数之间的大颗粒和小颗粒在密相增加192590.8w/(立方米)对204993.5w立方米)和220311.8w/(立方米),分别。这种演变来自两个相反的效果增加粒子的大小,一方面,减少大颗粒的浓度,造成碰撞频率下降(见图8(一)。)。另一方面,在一个单一的碰撞(见图8(B))造成更大的传热。后者弥补了前者的效果。因此,碰撞热交换系数的增加,在这个二进制粒子气固流化床大颗粒大小的增加。图八此外,它可以被发现的粒子,粒子的热交换系数达到最大值,在床面。在这个地区,泡沫破裂。颗粒夹带气泡飞溅和回落,造成密集颗粒相的湍流运动。在一个单一的碰撞传热大幅增加(见图8(b)条)。此外,碰撞频率略有增加(见图8(a)条)。因此,最大的热交换系数出现在床表面。图第8(a)轴向剖面粒子粒子碰撞大颗粒相各种规格的频率。(二)轴向为各种单次碰撞过程中传热的个人资料大颗粒相的尺寸。4.2.3。表观气速对粒子粒子的热交换系数表观气速对粒子粒子的热交换系数的影响如图所示9.图九表观气速使用3.06米/s和4.59米/s的,除了以前使用的3.825米/秒。表观气速下降从3.06米/s的到3.825米/s和4.59米/秒,在茂密的小和大颗粒之间的交流碰撞热系数相增加187,611.1W/(立方米K)204,993.5W/(立方米K表)254800W/(立方米K),分别。增加了表观气速加剧的湍流运动的粒子,从而导致更高的碰撞频率(见图10(a)条),在一个单一的碰撞(见图10(b)项)碰撞传热,虽然粒子浓度在密相流化床可能减少。因此,碰撞之间的小型和大型的颗粒相的增加热交换系数。图十4.3气体粒子的相对贡献和粒子颗粒传热在本文二进制粒子模拟流化床气固,气体粒子的传热和粒子粒子碰撞传热是负责为全球的传热过程。在此前公布的(拉瑟尔和贝伦,2001毕佳特等人,2008年)的文献中,由于粒子的粒子碰撞的碰撞传热被认为是小和微不足道。在本节中,气体粒子和粒子粒子全球热过程的传热流化床中的相对贡献二进制粒子进行了分析。图10(一)粒子对粒子碰撞的轴向剖面各种表观气速的频率。(二)轴向为各种单次碰撞过程中传热的个人资料表观气速。因此可以检查通过比较粒子粒子碰撞的热交换系数和气体粒子之间的气体和大颗粒的热交换系数,气体粒子和粒子颗粒传热的相对贡献阶段。热交换表4所示系数和其各种计算条件下的相对贡献。因此可以检查通过比较粒子粒子碰撞的热交换系数和气体粒子之间的气体和大颗粒的热交换系数气体粒子和粒子颗粒传热的相对贡献阶段。热交换表4所示系数和其各种计算条件下的相对贡献。表4表明,大颗粒类,碰撞传热气体粒子的传热范围从8.04%至15.0%,在各种条件下的比值。随着大颗粒类的大小比例增加,因为碰撞的热交换系数增加,而气粒子的热交换系数降低。表观气速率的影响是相似的粒径。表观气速增加,比率增加。5.结论粒子粒子的热传递模型的欧拉欧拉方法的框架相结合,建立随机碰撞频率和影响过程中的弹性变形的直接导因。该模型表明,粒子,粒子的热交换系数接近依赖于在气固流化床颗粒类的流体力学和财产。粒子粒子因碰撞传热只发生在一个二进制粒子流化床密相它在密相流化床逐渐减小,然后急剧增加,达到最大的床表面。热交换系数也非均匀流化床径向方向,在更高的墙在床中心区域和低。粒子粒子的热交换系数的增加与这个气固二进制粒子流化床大颗粒类和表观气速的大小增加。各种粒子颗粒传热气体粒子的传热范围从8.04%至15.0%的比例条件。的比例增加,大颗粒大小和表观气速增加比例是相似的粒径。参考书籍计算流体力学模拟流体力学和传热流化床反应堆.国际通信的传热与传质35,357–368。验证粒子间的碰撞基于涡流关闭的模式模拟.ASME,美联储,气体粒子流228,359369.蔡中央.流化床颗粒传热粗颗粒.浙江大学19,8291.查普曼,整流罩.1970年.数学理论非均匀气体。剑桥大学出版社,伦敦.理查德森,JL,2004.热粒子之间的传热系数和一张床(包装或流化床)大得多的粒子。化工科学59,46134620.古柏,美国,科罗内拉,仓颉,2005.计算流体动力学模拟的粒子混合在一个二进制流化床.粉末技术151,27–36.流体的用户指南.流体公司,2005.冈恩,1978年.热或大规模转移到粒子在固定和流化床.国际期刊传热传质21,467476.詹金斯,1983.流体力学130,187202.金子.DEM模拟流化床气相烯烃聚合.化学工程科学54,58095821.稠密气体,固体建模反应混合物在流化床生物质热解床。国际多相流杂志27,2155年至2187年。李石.计算调查颗粒在气动运输瞬态传热粒子.粉体技术112,273282.李石.应用离散元建模中的固体颗粒的空气干燥。烘干技术20,255282。马吉德,哈桑,圣地亚哥,2002年.湍流传热的热机械建模在气,固流动的粒子碰撞.热和流体流动23,792806.马蒂森,索伯格.实验在多相流的行为和计算研究循环流化床锅炉.国际多相杂志流26,387419.麦肯纳,施皮茨.热转移计算流体动力学的催化剂.拉卡托斯.粒子的热平衡模型在气固系统转换.国际期刊热与传质47,1325年至1334年.纳塔拉詹.热动力学理论分析在颗粒流传输.帕坦克.传热与流体流动的数值计算.半球,华盛顿,直流.彼得斯.测量和应用离散粒子模型(BP)模拟燃烧的床个别颗粒燃料.燃烧与火焰131,132146.离散元模拟半焦燃烧在流化床.在第三届国际会议在矿物加工行业,墨尔本,澳大利亚,6570.里亚尔,等人.仿真和实验分离/混合物在鼓泡流化床.84,17391748.
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