The effect of hydrodynamics on the bed-to-wall heat transfer in a circulating fluidized bed

Abstract

Tässä diplomityössä tutkitaan hydrodynamiikan vaikutusta pedin ja seinämän väliseen lämmönsiirtoon kiertoleijukerroksessa. Tämä tapahtuu mittaamalla seinämän läheisyydessä alaspäin liikkuvien partikkelien nopeus, halkaisija sekä vertikaalitason ja partikkelin kulkeman suunnan välinen kulma. Lisäksi seinämän lähellä oleva aukko-osuus mitataan. Näiden mitattujen tietojen avulla voidaan laskea partikkelin terminaalinopeus, kontaktiaika, siis aika jonka partikkeli kulkee seinämän läheisyydessä, kontaktimatka ja poikkipinnan keskimääräinen aukko-osuus. Kaikkia näitä tietoja käytetään lämmönsiirtomallissa, josta kaasun ja partikkelien konvektiiviset lämmönsiirtokertoimet voidaan määrittää.

Mittaukset suoritettiin Foster Wheeler Energia OY:n Karhulan tehtailla kahdessa eri koereaktorissa, joista toinen oli kylmä malli, joka toimi noin 25 °C:n lämpötilassa ja jonka pohjan pinta-ala on 250*1000 mm ja korkeus 7000 mm. Toinen oli kuuma malli, joka toimi noin 850 °C:n lämpötilassa. Sen pohjan pinta-ala on 650*650 mm ja korkeus 13400 mm. Mittaukset suoritettiin kuvaamalla tapahtumia videonauhalle seinämän välittömässä läheisyydessä. Nauhoituksissa partikkelit valaistiin joko yksivalaistustekniikalla, jolloin aukko-osuudet saatiin laskettua tai kolmoisvalaistustekniikalla, jolloin kukin yksittäinen partikkeli näkyi samassa kuvassa kolmena eri pisteenä. Täten saatiin partikkelin liike kuvattua. Kylmässä mallissa mittauskorkeuksia oli kaksi, 2.25 m ja 2.75 m ja leijutuskaasun nopeuksina kummallakin korkeudella käytettiin neljää eri nopeutta, 1.63 m/s, 2.12 m/s, 2.61 m/s ja 3.10 m/s. Kuumassa mallissa oli mittauskorkeuksia myös kaksi, 3.95 m ja 6.55 m, mutta vain yhtä leijutuskaasun nopeutta, 4.49 m/s, oli käytettävissä.

Kaikki mitatut ja lasketut parametrit, aukko-osuuksia ja lämmönsiirtokertoimia lukuun ottamatta, esitetään jakaumina, joita verrataan normaalijakaumiin. Kaikki mitatut ja lasketut parametrit vastaavat hyvin kirjallisuudessa esitettyjä vastaavia arvoja. Lämmönsiirron osalta voidaan todeta, että partikkelin halkaisija sekä suspensiotiheys ovat keskeisimmät parametrit, jotka vaikuttavat konvektiiviseen lämmönsiirtoon. Kylmässä mallissa kaasun konvektiivinen lämmönsiirtokerroin oli selvästi suurempi kuin partikkelien konvektiivinen lämmönsiirtokerroin. Kuumassa mallissa tilanne oli sama, tosin suhde-ero ei ollut aivan yhtä suuri. Kuuman mallin niin kaasun, partikkelien kuin näistä saatavan kokonaiskonvektion arvot olivat selvästi suurempia kuin vastaavat arvot kylmässä mallissa. Tähän vaikuttivat se, että niin partikkelinopeudet kuin -halkaisijat, sekä näistä johtuvat kontaktiaika ja -matka, olivat pienempiä kuin vastaavat kylmässä mallissa.

Koska käytetty kuvaus- ja analysointitekniikka sekä lämmönsiirtomalli antaa vastaavanlaisia tuloksia kuin kirjallisuudessa esitetyt, antaa se uusia näkökulmia hydrodynamiikan vaikutukselle pedin ja seinämän väliseen lämmönsiirtoon kiertoleijukattilassa.