Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.
В настоящее время при испытаниях и утилизации зарядов энергонасыщенных материалов (ЭМ) практическое применение нашли технологии, основанные на методе сжигания зарядов на специализированных стендах [1, 2].
Вторичным ресурсом при сжигании является тепловая энергия сгорания ЭМ. Извлечение тепловой энергии из потока продуктов сгорания осуществляется с помощью твердого зернистого теплоносителя в реакторе «кипящего» слоя. Наиболее приемлемым теплоносителем с учетом доступности и дешевизны является оксид кремния.
Передача тепла от зернистого теплоносителя жидкой среде происходит в теплообменнике. Циркулирующий зернистый материал должен поступать обратно в реактор «кипящего» слоя как можно с меньшей температурой. Для этого необходимо повысить эффективность теплопередачи в теплообменнике-парогенераторе. Это возможно за счет использования бифракционного слоя.
Размер частиц играет одно из определяющих значений при теплообмене. Так при уменьшении размера частиц с 400 мкм до 140 мкм коэффициент теплообмена увеличивается почти в 2 раза [3].
Это связано с увеличением удельной поверхности взаимодействия. При сжигании ЭМ образуются частицы оксида алюминия, в основном, размером до 10 мкм, и, в незначительном количестве более крупной фракции. Существует возможность повторного применения указанной фракции. Применение высокодисперсного зернистого материала в теплообменнике совместно с зернистым теплоносителем позволяет повысить величину поверхности взаимодействия твердого теплоносителя и стенок парогенератора.
Это достигается за счет добавления в теплообменник зернистого материала более мелкого размера и дальнейшего его смешения с более крупным теплоносителем, подаваемого из реактора «кипящего слоя». В результате снижается газопроницаемость бифракционного слоя из-за более плотного расположения частиц, а также обеспечивается лучшее прилегание слоя к стенке.
Использование наклонной плоскости в теплообменнике также повышает прилегание к стенкам [4], а также дает возможность регулирования процесса из-за зависимости коэффициента трения от размера частиц [5].
Применение высокодисперсного зернистого материала не приведет к существенным затратам на его получение. Возможно пополнение частиц зернистого материала за счет разрушающихся в процессе извлечения тепловой энергии частиц «кипящего слоя». Ожижающий газ часто ведет к образованию струй, которые вызывают интенсивные межчастичные столкновения вплоть до разрушения частиц во время работы. Скорость уменьшения размера частиц пропорциональна скорости и плотности газа [4].
К тому же зернистый материал подвергается быстрому нагреванию и его поверхность стремится расшириться. Так как внутри частицы все еще остаются холодными, расширение поверхностных слоев является невозможным, что приводит к возникновению растягивающих напряжений. Если эти напряжения превосходят предел прочности, то могут возникать трещины и последующее разрушение.
Площадь поверхности нагрева зависит от поверхности соприкосновения теплоносителя и поверхности теплообменника.
При использовании бифракционного теплоносителя решается задача определения зависимости площади соприкосновения частиц со стенками теплообменника от их размера.
Количество соприкасающихся с поверхностью теплообменника частиц зависит от пространственной упаковки частиц различной размерности.
Коэффициент плотности кубической упаковки составляет k = 0,52 [6], наиболее плотной является гексагональная упаковка частиц, коэффициент плотности которой составляет k = 0,74.
При допущении, что упаковка частиц 1 слоя в объеме неупорядоченная, ее коэффициент плотности не превышает значения k = 0,64 [7, 8].
Свободный объем между крупными частицами 1 слоя заполняется высокодисперсными частицами 2 слоя с учетом того, что в единичный промежуток между частицами 1 слоя размещались несколько частиц 2 слоя.
Например, для частиц зернистого слоя диаметром 3 мм единичный свободный объем составляет 4,66 мм3. При неупорядоченном заполнении данного объема частицами 2 слоя занимаемый ими объем имеет значение 2,98 мм3. Данный объем занимают приблизительно 10 частиц с диаметром 0,4 мм. Непосредственно прикосновение с поверхностью теплообменника имеют от 5 до 7 частиц.
Для теплообменника-парогенератора также определяется объем подаваемого в него дополнительного зернистого материала и размер частиц данного материала.
После извлечения тепла в теплообменнике зернистый материал поступает в классификатор, где проводится разделение частиц различных фракций. Также в составе зернистого твердого теплоносителя могут быть частицы оксида алюминия, образующиеся при сжигании заряда ЭМ.
Очистка сыпучего твердого теплоносителя от оксида алюминия не представляет большой сложности вследствие большой разницы не только в плотности (3,7 г/см3 — оксид алюминия, 1,65 г/см3 – песок), но и в размерах частиц, а также из-за отсутствия прочной связи между частицами песка и оксида алюминия.
Таким образом, возможно повышение интенсификации теплопередачи от твердого зернистого теплоносителя стенкам теплообменника за счет применения дополнительного зернистого материала с размером частиц меньшим, чем крупных частиц 1 слоя.
