振动床中颗粒物料运动及对传热的影响

　　在研究颗粒物料传热时,普遍采用“两区模型”。“两区模型”认为影响其传热的主要因素就是壁面的接触热阻和中央区内的热阻。而壁面热阻不仅强烈地控制着壁面区的传热,而且还影响和控制中央区的传热。壁面接触热阻是由在壁面存在着一层厚度小于颗粒物料直径的气膜所产生。这层气膜的厚度不仅取决于气体的性质,更重要地还受到固体颗粒物料的湍动程度的影响。流化床传热系数高是由于固体颗粒在传热壁面的激烈运动对气膜起冲刷作用的结果。基于这一基本思想,Gutman在静止床中研究了垂直沉入式加热板同振动颗粒物料间的热量传递,提出了冲刷膜模型^[1,2]。E.Muchowski研究了在大气压和真空条件下,水平放置加热面振动时物料加热的情况,提出了环形流动模型^[3]。孙以苓等开发了加热面为波形的换热元件,而且还将这种新型的换热元件(即波面板)用于颗粒物料传热的静止床和移动床的传热研究中,进一步拓宽了波面板的应用范围^[4]。众所周知:颗粒物料传热能力比较低,而波面板由于独有的、周期性的凹凸的波面,增加了颗粒物料的传热效果。作者综合传热强化的方法,提出采用机械振动的方法,完成了固流体波面板换热器振动强化传热的研究。通过实验研究得出:固流体波面板振动床中的各传热系数明显高于同类条件下移动床的各传热系数^[5]。本文进一步就颗粒物料的运动情况及对传热影响进行理论分析。

　　1　波面板微幅摆动数学模型的解

　　固流体波面板换热器振动床的基本结构示意图如图1。

　　由图可知:在波面板的上部作用一激振力,另外一根刚度为K的弹簧作用在其上。为了对波面板进行振动分析,假设:

　　(1)波面板及物料的质量在某一瞬时为m

　　(2)由于板长L均大于板宽B,板间距s

　　因此可以将其简化为一长刚性杆,它在xoy座标内作微幅摆动。

　　这样依据刚体绕定点转动时运动方程可以求出波面板微幅摆动角θ的解^[6]。

　　假定　Q = q0sin(ωt)

　　则　　θ=θ0sin(ωt-ψ)

　　其中Q─激振力

　　q0─最大激振力

　　θ─刚性杆在xoy坐标系内微幅摆动的角度

　　ψ─角度θ落后于激振力的相位角

　　ω─激振力的激振频率

　　由假设可知,板为刚性杆,而波面板的下端是通过滑动轴承固结在实验支架上,因此沿波面板板长方向上任一点y处

　　的振动方程为:

　　由于波面板微幅摆动角度θ很小,故sinθ≈θ,cosθ≈1因此在任意时刻t沿板长方向,0,L/2,3L/4,L处的振动方程为