Глава 12.2 Гидродинамика кипящего слоя

Кипящий слой возникает при определенной скорости газа, зна­чение которой зависит от физических свойств газа, а также от величины, формы и физических свойств частиц. Свойства кипящего слоя, определяющие характер течения газа через слой и движение частиц в нем (гидродинамику слоя), называются динамическими свойствами слоя.

Картину кипящего слоя можно представить следующим обра­зом. По мере роста скорости газа увеличивается давление на ча­стицу, и при определенном давлении она выталкивается из слоя. Вследствие уменьшения скорости газа и увеличения расстояния между частицами давление на частицу снижается и она возвра­щается в слой; это обусловливает наличие устойчивой поверхности слоя. Такое цикличное неустановившееся движение группы частиц создает кипящий слой, для которого характерно увеличение объема и порозности.

Различают следующие стадии кипящего слоя: начало псевдо­ожижения — вспученный слой [5, 46], бурное кипение и разбав­ленная -фаза, когда скорость газов приближается к скорости ви­тания частиц.

В стадии вспучивания слой незначительно разбухает, и ча­стицы практически не перемещаются друг относительно друга в вертикальной плоскости (в направлении потока газа). В гори­зонтальной плоскости слой перемещается сплошной массой, по­добно течению вязкой жидкости. Поверхность слоя — ровная, и «взрывов» не наблюдается.

При дальнейшем повышении скорости газа в слое могут обра­зовываться каналы, пузыри, что приводит к неоднородности ло­кальной порозности слоя и соответственно скоростей газа; такой с'Юй называют неоднородным кипящим слоем. На практике в боль­шинстве случаев наблюдается неоднородный кипящий слой.

Однородный кипящий слой характеризуется одинаковой кон-! центрацией частиц в любой точке слоя. Такое состояние обычно достигается при псевдоожижении капельной жидкостью твердых частиц, одинаковых по форме и размеру. При малых размерах (диаметре) решетки наблюдается так называемый поршневой ре­жим кипящего слоя, когда весь слой поднимается и затем рассы­пается, с падением частиц вниз, на решетку. Для промышленных установок такой режим не имеет практического значения.

При больших размерах решетки слой несколько разбухает и наблюдаются отдельные «взрывы» фонтанов (пузырей), причем место взрывов непрерывно меняется, если распределение газа по сечению решетки равномерное. Это явление «блуждающих фон­танов» объясняется тем, что в месте прорыва газа образуется об­ласть пониженного давления, куда со значительной скоростью устремляются частицы материала; имея дополнительный запас энергии, они как бы перекрывают выход газа. В слое тонкодис­персных материалов с малой плотностью частиц и плохой сыпу­честью места прорыва газа не заполняются частицами и обра­зуются постоянные каналы со сквозным проходом газа.

Для второй стадии кипящего слоя характерно то, что давление газа под решеткой пульсирует с определенными периодом и ампли­тудой. С увеличением площади решетки период пульсации сокра­щается вследствие роста количества локальных прорывов газа.

Все перечисленные выше свойства кипящего слоя позволяют характеризовать его как неустановившийся гндродинамическиЯ| режим.

Критическая скорость. В настоящее время проведено много ( исследований по определению величины критической скорости и предложено более тридцати различных уравнений. Однако пока еще нет объективной оценки для определения критической ско­рости, вернее, границы перехода от неподвижного слоя к кипя­щему. Кроме того, граница перехода не обязательно должна иметь скачкообразный характер. Критическая скорость зависит от noj- лидисперсности материала и состояния поверхности частиц, ко­торые, несомненно, отличались в опытах отдельных авторов. Не основной причиной расхождения результатов различных работ является, очевидно, то, что для неустановившихся гидродинами­ческих режимов практически очень трудно определить критиче­скую скорость с хорошей воспроизводимостью даже на одном и том же материале.

Существуют два основных направления в определении крити­ческой скорости кипения. Последователи первого — И. М. Федо­ров [95] и Я- Беранек 15] исходят из решения уравнения равно" весия сил, приложенных к частице, обтекаемой потоком газов. Второе направление, которого придерживаются М. Лева [31] Л. А. Акопян, А. Г. Касаткин [2] и О. М. Тодес [93], основано на совместном решении уравнений фильтрации слоя материала и его гидравлического сопротивления. По обоим методам расчетные формулы находят опытным путем.