Глава 23.1 О поглащательной способности движущихся дисперсных материалов

Как указывалось в работе [1], процесс нагрева свободно-падающего дисперсного материала в замкнутой системе мо­жет определяться не только лучистой энергией, поступающей от излучателя — стенки, но и конвекцией. Для исключения влияния конвекции были поставлены опыты по нагреву ди­сперсного материала в вакууме. Положив, что нагрев дисперс­ного материала в вакууме происходит только за счет излуче­ния, процесс передачи от излучателя (стенки) к приемнику (падающим дисперсным частицам) можно представить следу­ющим образом.

До поступления материала в трубу источником излучения являлись нагретые стенки трубы. Как только реальные час­тицы поступали в трубу, лучистый поток, пронизывая их, ослаблялся за счет поглощения, отражения и рассеяния. В связи с этим каждая из частиц становилась излучающим центром и происходил обмен энергии между частицами, меж­ду частицами и стенкой и между стенками. Благодаря замк­нутости системы частицы получали энергию от всей поверх­ности теплообменника. Следует также сказать, что рассеяние на больших частицах играет в данной системе роль как бы дополнительного источника излучения.

Однако рассеяние, собственное излучение, количество отраженной и пропущен­ной энергии в данном случае может не учитываться. В самом деле, нагрев дисперсного материала происходит только за счет поглощенной этим материалом энергии. От того, как ве­лика она, зависит степень нагрева. Процесс в данном случае определяется не только температурой излучателя, оптико-геометрическими и физико-химическими свойствами материа­ла, гранулометрическим составом и концентрацией, но и ха­рактером движения материала в каналах, числом соударений частиц, друг с другом и со стенками аппарата.

Учитывая сложность процесса, найти аналитическое реше­ние его весьма   затруднительно. Поэтому   была   сделана попытка на основе экспериментов получить эмпирические зави­симости радиационного теплообмена движущихся дисперсных материалов в замкнутой системе от всех определяющих его факторов и таким образом дать практические рекомендации для расчета подобных систем.

Опыты проводились на экспериментальной установке [2]. Методика эксперимента и техника замера описаны также в работе [2].

Опыты проводились с разными материалами (см. табл.) при температуре стенки трубы 573, 773, 973 и 1173°К, производительность установки менялась в пределах от 0,00055 до 0,0045 кг/сек.

Нами предложена методика определения так называемой эффективной поглощательной способности , к      которая фак­тически учитывает все особенности передачилучистой энер­гии от источника (нагретой цилиндрической стенки) к дви­жущемуся дисперсному материалу.

Эффективная поглощательная способность определялась из балансового уравнения

Это уравнение справедливо   при  и безградиентном нагреве материала. Первое положение обеспечивалось условиями эксперимен­та. Безградиентный нагрев — размером частиц.

Опыты позволили четко выявить влияние температуры источника излучения на эффективную поглощательную спо­собность исследуемых материалов. С ростом температуры излучателя эффективная  поглощательная  способность таких материалов, как кварц, шамот и т. д., т. е. диэлектриков, сни­жается, а металлов увеличивается (рис. 1)

  Противополож­ное изменениедиэлектриков и металлов можно объ­яснить природой материала. С помощью экспериментов уста­новлено более резкое изменение  по сравнению со степенью черноты плоских материалов. Это объясняется мно­гократностью переизлучений и дисперсностью материала. Согласно данным Чекалинской, оптические свойства мате­риала в большей степени определяются гранулометрическим составом, нежели физико-химическими свойствами. Поэтому при расчете теплообменных аппаратов с дисперсной ослаб­ляющей средой использование значений поглощательной или излучательной способности плоских тел может привести к существенным ошибкам.

Увеличение концентрации материала приводит к увеличе­нию эффективной поглащательной способности (рис. 2). Это вполне закономерно и не требует объяснений. С увеличением диаметра частиц поглощательная способность несколько сни­жается (рис. 2,6). Нами экспериментально было установлено изменение поглощательной способности материала в зависимости от диаметра и высоты трубы (рис. 2, в). С изменением диаметра трубы при постоянной концентрации поглощатель­ная способность дисперсных материалов мало меняется. За­висимость поглощательной способности от высоты трубы соответствует зависимости ее от температуры и определяется в основном свойствами материала.

Проведенное   исследование   дает   возможность -после   не­сложных преобразований получить формулу для подсчета в слабозапыленных дисперсных системах:

Полученная формула для определения эффективной погло-щательной способности позволяет учесть влияние свойств ма­териалов, гранулометрического состава, концентрации и дру­гих факторов на лучистый теплообмен движущихся слабо-запыленных потоков.

Для подтверждения характера изменения поглощательной способности дисперсного материала (песка и стали Х18Н15), с которыми проводилась работа на установке, были проведе­ны опыты на приборе UR-10 фирмы «Цейсс». Исследуемые образцы готовились методом таблетирования веществ с бро­мистым калием.

Полученные спектры подтвердили, что поглощательная способность дисперсных материалов является функцией опти­ческих свойств вещества. Так, поглощательная способность кварца резко увеличивается с увеличением длины волны, а при 1,8—2 мк кварцевый песок почти прозрачен для инфра­красных лучей.

Спектр металла Х18Н15 показывает увеличение поглоща­тельной способности с уменьшением длины волны. Однако повышение это незначительно.

Таким образом, полученные спектры на UR-10 по своему характеру совпадают с экспериментальными данными. Чис­ленное расхождение между ними можно объяснить, во-пер­вых, тем, что материал в опытной установке благодаря замкнутости системы получал энергию от всей поверхности теплообменника, а также за счет многократного переизлуче­ния между частицами и стенкой и между частицами по вы­соте трубы. Во-вторых, в опытной установке рассеяние на частицах играло роль дополнительного источника излучения, что не имело место при съемке спектров на UR-10, так как неподвижный дисперсный материал обрабатывался парал­лельно направленным монохроматическим лучом.