Необходимо учитывать, что при температуре выше 300оС доля переноса теплоты излучением в зернистом слое становится заметной. Так, при отношении теплопроводностей фаз lт/lг»100 и e»0.4 значение lоэ/lг»8-10 (при температуре до 100оС). С увеличением температуры до 600оС это значение возрастает вдвое, а при 800оС-втрое. Естественно, в этом случае формула (V) неприменима

Теплопроводность в зернистом слое в условиях естественной конвекции

При наличии градиента температуры в зернистом слое, заполненном жидкостью или газом достаточно большой плотности, может возникнуть естественная конвекция, приводящая к заметному увеличению эффективного коэффициента теплопроводности.

С возможностью естественной конвекции нужно считаться при процессах горения в шахтных топках и газогенераторах, при каталитических процессах в начальных участках реакторов с большим градиентом темепратуры и концентрации, в доменных печах, в тепловой изоляции в виде зернистой засыпки.

Рассмотрим зернистый слой высотой x, имеющий температуру верхнего торца t2 и нижнего торца t1, причем t1>t2. При отсутствии конвективных потоков газа в слое установится одномерный тепловой поток q, определяемый коэффициентом теплопроводности lоэ при линейном распределении температуры по высоте слоя. Примем далее, что в направлении, одинаковом с направлением теплового потока, движется поток газа (жидкости) с массовой скоростью G; распределение температуры по высоте слоя остается неизменным и одинаковым для обеих фаз. Такое допущение оправдано, если основное количество теплоты передается теплопроводностью. Конвективный тепловой поток:

qк=СpG(t1-t2) (VI)

Конвективная составляющая коэффициента теплопроводности описывается выражением:

lк=qк/(t1-t2)/x=CpGx (VII)

а суммарная теплопроводность слоя при наличии конвекции равна:

lэ=lоэ+lк (VIII)

В рассматриваемом случае естественная конвекция в слое вызвана различием плотности газа за пределами слоя при t2 и средней плотности в слое при температуре 0.5(t1+t2).

Dr=0.5rbtDt (IX)

где bt - коэффициент объемного расширения газа; Dt=t1-t2.

Движущая сила газового потока Dp=хDrg уравновешивается в слое, который при вязкостном течении жидкости выражается зависимостью:

Из этой зависимости имеем:

где С=e3/a2K - коэффициент проницаемости слоя, зависящий от его структуры.

После некоторых преобразований получаем:

Здесь:

- критерий Грасгофа, отнесенный к разнице температур в слое; в качестве определяющего размера принята высота слоя;

- критерий Прандтля для газовой среды;

- критерий Релея для зернистого слоя.

В отличие от аналогичного критерия GrPr, применяемого для описания естественной конвекции в однофазной среде, а Ra входят два симплекса, отражающие тепловые и гидравлические свойства зернистого слоя.

С учетом принятых обозначений:

j=1+0.5Ra (XIII)

В более общем случае, когда естественная конвекция возникает в замкнутом с торцов зернистом слое, коэффициент в формуле (XIII) должен измениться. Кроме того, нарушение устойчивости газовой среды в слое и начало естественной конвекции должно определяться некоторым критическим значением Ra0, так же, как это имеет место в однофазной среде.

В соответствии с этим формула (XIII) приобретает вид:

j=1+y(Ra-Ra0) (XIV)

Естественная конвекция в зернистом слое может возникнуть из-за различия концентрации по высоте слоя, вызывающей различие плотностей газа. В этом случае критерий Gr заменяется критерием Архимеда:

Теплопроводность в зернистом слое с движущейся

газовой (жидкой) фазой

Для значительной части технологических процессов в стационарном зернистом слое, протекающих с движением через этот слой газа или жидкости, характерно непостоянство температур в объеме слоя как в пространстве, так и во времени. Поток, проходящий через слой, охлаждается или нагревается через стенки аппарата; при этом в объеме слоя может идти вывделение либо поглощение теплоты - стационарные во времени при проведении реакций, в которых зернистый слой имеет функции катализатора или инертной насадки, и нестационарные в процессах адсорбции, десорбции, сушки и других с участием твердой фазы.

Примем зернистый слой с движущимся через него газовым потоком как квазигомогенную среду, в которой усреднение температур и скоростей газа производится в объемах , больших, чем объем отдельного зерна. В этом случае дифференциальное уравнение энергии для стационарного газового потока без внутренних источников теплоты в цилиндрических координатах запишется так:

где G - массовая скорость газа; lr и ll - коэффициенты теплопроводности газа по главным осям системы координат перепндикулярно и вдоль оси движения среды. Таким образом , для зернистого слоя с движущейся газовой (жидкой) фазой, как и для неподвижной среды, коэффициент теплопроводности определяет интенсивность выравнивания температур в некоторой квазигомогенной среде.

От такой трактовки зернистого слоя приходится в некоторых случаях отказываться, например, при движении потока теплоты навстречу потоку газа и при нестационарном нагревании или охлаждении слоя потоком газа (подробнее эти случаи будут рассмотрены ниже).

В соответствии с аналогией тепло- и массопереноса, перенос теплоты в движущейся через зернистый слой среде подчиняется тем же закономерностям, что и транспорт вещества. Однако то обстоятельство, что теплота в зернистом слое в отличие от вещества распространяется как через жидкую, так и через твердую фазу, приводит к существенному нарушению подобия коэффициентов диффузии и теплопроводности в области малых критериев Рейнольдса. Так, при Reэ<20 составляющая переноса теплоты за счет процессов молекулярной теплопроводности обеих фаз на порядок больше, чем конвективная составляющая.

Общая зависимость для коэффициента теплопроводности выражается в виде следующего уравнения: