INTENSIFICATION OF HEAT TRANSFER IN A HIGH-TEMPERATURED FLUIDIZED BED

А. O. Redko, I. O. Redko

Abstract


Purpose. This paper highlights experimental research of heat exchange in coarse particles to ensure the performance of ecological characteristics of Heat supply system. Methodology. The test stand has been developed to solve the defined task. It helps to do the research at the temperature of fluidizing bed and pulsating fluidizing bed at the range 800–1000°С. The temperature of the fluidized bed was provided by burning natural gas and wood waste. Sand and chamotte with a particle size of 1.0 to 5.0 mm were used as the layer material. The heat-transfer coefficient from the layer to the surface, immersed in the layer, and the density of the heat flux were measured by a calorimetric method under steady-state conditions. Smooth tubes and transversely finned with different height and rib spacing were investigated. Experiments in a high-temperature pulsating fluidized bed were carried out with pulsating combustion of natural gas in a layer or in a sublattice chamber into which natural gas and air were separately supplied. The frequency of combustion pulsations was provided by the automation system. The flash frequency was regulated in the range from 0.14 to 5 Hz. Findings. It is presented the results of physical modeling to find out the heat-transfer coefficients of smooth and finned tubes in fluidizing bed of coarse particles in the process of wood waste and gaseous fuel combusting. It is proved that the coefficient of heat transfer increases with increasing temperature by 2–2,5 times in the bed which contains particles diameter of 2.5–5 mm is 300–350Vt/(m2 К) that is much higher than for layer furnaces. The results of the experiments are presented in the form of a generalized relationship that takes into account the diameter of the particles and the value of the finning coefficient. Heat transfer of finned tubes is 15–20% less then smooth tubes but the density of heat flow referred to the area of a finned tube is 0,12–0,20 МVt/m2 that is higher than for smooth ones. At pulsating fuel supply with frequency 1-2 Hz the heat-transfer coefficient gets higher from 10–15% till 25–30%. At a ripple frequency of 2 to 5 Hz, the heat-transfer coefficient varies from 510 to 570W/(m2K). With a further increase in the pulsation frequency, the heat-transfer coefficient decreases and amounts to 515–520 W/(m2K). A significant effect of the ripple pulsation from 0.8 to 0.3 is shown: the heat-transfer coefficient is increased by 30–35%. However, an unstable combustion regime of the gas-air mixture and the ejection of material particles from the layer are observed. The results of the experiments are presented in the form of a generalized relationship. Originality. The authors have presented the obtained experimental data about heat-transfer coefficients of finned tubes in fluidizing bed and pulsing fluidizing bed of coarse particles at the temperature of layer 800–1100оС. Practical value. The results obtained at the research help to develop furnace devices with low-temperature fluidizing bed in the process of immersion in a layer of finned tubes layers. The research data is presented in criterial view which is convenient for practical using.


Keywords


heat exchange; fluidizing bed; finned surfaces; pulsating fluidizing bed; heat transfer; criterial equation

Full Text:

PDF

References


Baskakov, A. P., Matznev, V. V., & Raspopov, I. V. (1996). Kotly i topki s kipyashchim sloyem. Moscow: Energoatomizdat.

Baskakov, A. P., & Goldobin, Y. M. (1970). Luchistyiy teploobmen v kipyaschem sloye pri psevdoozhizhenii gazom. Proceedings of Academy of Sciences. Power Engeneering and Transport, 4, 163-168.

Bokun, I. A., & Shlapkova, Y. P. (1988). Teploobmen mezhdu pulsiruyuschim sloyem i poverhnostyu nagreva. In Proceedings of the Minsk International Forum Heat and Mass Transfer, Minsk, 1988, May 24-27, 5, (pp. 54-55). Minsk: ITMO im. A. V. Lykova AN BSSR.

Galperin, N. I., Aynshteyn, V. G., & Toskubaev, I. N. (1972). O teploobmene mezhdu rebristyimi trubami i psevdoozhizhennym sloyem zernistogo materiala. Chemistry and Technology of Fuels and Oils, 9, 42-43.

Zabrodskiy, S. S. (1971). Vysokotemperaturnyye ustanovki s psevdoozhizhennym sloyem. Moscow: Energia.

Ilchenko, A. I. (1968). Issledovaniye radiatsionno-konduktivnogo teploobmena v kipyashchem sloye. (PhD thesis). Available from A. V. Luikov heat and mass transfer institute of the National Academy of Sciences of Belarus, Minsk.

Migay, V. G., Shamyakin, V. N., Mantsev, V. V., & Zhitomirskaya, I. V. (1980). Issledovaniye teploobmena v gladkotrubnykh i orebrennykh shakhmatnykh puchkakh trub v topkakh kipyashchego sloya i na modelyakh. In Heat-Mass Exchange in Disperse Systems, 6 (1), 94-98.

Golovina, Z. N., Brook, Y. G., Solovyev, V. V., & Kuchin, G. P. (1981). Issledovaniye teploobmena mezhdu pulsiruyushchim sloyem i poverkhnostyu. In Teoriya i praktika szhiganiya gaza. (pp. 150-153). Leningrad: Nedra.

Zhitomirskaya, I. V., Migay, V. M., Rassudov, N. S., & Shemyakin, V. N. (1982). Issledovaniye teploobmena shakhtnykh puchkov gladkikh i orebrennykh trub v kipyashchem sloe. Teploenergetika, 1, 49-51.

Makhorin, K. Y., Pikashov, V. S., & Kuchin, G. P. (1981). Teploobmen v vysokotemperaturnom kipyashchem sloye. Kyiv: Naukova Dumka.

Migay, V. M., Zozulya, N. V., & Zhitomirskaya, I. V. (1984). Issledovaniye teploobmena orebrennykh trub v kipyashchem sloye. Energomashinostroeniye, 1, 13-15.

Palchenok, G. I., Tamarin, A. I., & Zabrodskiy, S. S. (1980). Teploobmen mezhdu gorizontalnoy orebrennoy truboy i psevdoozhizhennym sloyem krupnykh chastits. Teplomassoobmen v dispersnykh sistemakh, 6 (1), 89-98.

Palchenok, G. I. (1981 Teploobmen mezhdu gorizontalnym puchkom orebrennykh trub i psevdoozhizhennym sloem krupnodispersnogo materiala. In Issledovaniye protsessov perenosa v dispersnykh sistemakh. (pp. 14-23). Minsk: ITMO AN BSSR.

Panov, O. M. (1977). Issledovaniye lokalnogo teploobmena po perimetru gorizontalnykh tsilindrov v vyso-kotemperaturnom kipyashchem sloe. (PhD thesis). Available from Ural Polytechnic Institute, Sverdlovsk.

Tamarin, A. M. Epakov, Y. G., Rassudov, E. S., & Shemyakin, V. N. (1977). Perenos tepla v topke kipyashchego sloya k gorizontalnomu shakhtnomu trubnomu puchku. Energomashinostroyeniye, 12, 7-8.

Rassudov, N. S., & Varlamova, A. E. (1983). O primenenii impulsnoy podachi vozdukha v topkakh s kipyashchim sloem. Teploenergetika, 1, 62-64.

Rakhmanov, V. B. (1983). Teploobmen v topke s nizkotemperaturnym kipyashchim sloyem pri szhiganii zhidkogo i tverdogo topliva. (PhD thesis). Available from Kharkiv Polytechnic Institute, Kharkiv.

Toskubaev, I. N. (1974). Issledovaniye teploobmena mezhdu rebristymi poverkhnostyami i psevdoozhizhennym sloyem. (PhD thesis). Available from Moscow Technological University, Moscow.

Kharchenko, N. V. (1964). Issledovaniye teploobmena mezhdu kipyashchim sloyem i pogruzhennym telom pri vysokikh temperaturakh. (PhD thesis). Available from The Gas Institute of the National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv.

Xu, L., Cheng, L., Ji, J., & Wang, Q. (2017). Effect of anti-wear beams on waterwall heat transfer in a CFB boiler. International Journal of Heat and Mass Transfer, 115 (B), 1092-1098. doi:10.1016/j.ijheatmasstransfer.2017.08.085

Liu, X., Zhang, M., Lu, J., & Yang, H. (2015). Effect of furnace pressure drop on heat transfer in a 135 MW CFB boiler. Powder Technology, 284, 19-24. doi:10.1016/j.powtec.2015.06.019

Li, Z., Janssen, T. C. E., Buist, K. A., Deen, N. G., van Sint Annaland, M., & Kuipers, J. A. M. (2017). Experimental and simulation study of heat transfer in fluidized beds with heat production. Chemical Engineering Journal, 317, 242-257. doi:10.1016/j.cej.2017.02.055

Jolley, J. J. (1949). Heat transfer in beds of fluidired solids. Fuel, 28 (5), 114-115.

Krause, W. B., & Peters, A. R. (1983). Heat transfer from horizontal serrated finned tubs in a air-fluidized bed of uniformly sized particles. Journal of Heat Transfer, 105 (2), 319-324. doi:10.1115/1.3245581

Natusch, H. J., & Blenke, M. (1974). Zur Wärmeübertragung an horizontaben Lärgsrippenrohren in Gas. Fliebbetten Verfahrenstechnik, 8 (10), 287-293.

Natusch, H. J., & Blenke, M. (1973). Zur Wärmeübertragung an Rippenrohren in Gas. Fliebbetten Verfahrenstechnik, 7 (10), 293-296.

Neukirchen, B., & Blenko, M. (1973). Gestaltung horizontaler Rohrbündel in Gas-Wirbelschichtreaktoren nach wärmetechnischen Gesichtspunkten. Chemie Ingenieur Technik, 45 (5), 307-312. doi:10.1002/cite.330450516

Petre, J. C., Treeby, W. A., & Buckham, J. A. (1968). Heat Transfer In-bed Heat Exchangs. Chemical Engineering Progress, 64 (7), 45-51.

Wang, H., Lu, X., Zhang, W., Wang, Q., Chen, J., Kang, Y., …, & Xie, X. (2015). Study on heat transfer characteristics of the high temperature reheater tube panel in a 300 MW CFB boiler with fluidized bed heat exchanger. Applied Thermal Engineering, 81, 262-270. doi:10.1016/j.applthermaleng.2015.02.025

Genetti W.E. et al (1971). The transfer from a horizontal discontinuans finned tube in fluidized bed. AIChE Symposium Series, 67 (116), 85-89.


GOST Style Citations


  1. Баскаков, А. П. Котлы и топки с кипящим слоем / А. П. Баскаков, В. В. Мацнев, И. В. Распопов. – Москва : Энергоатомиздат, 1996. – 352 с.
  2. Баскаков, А. П. Лучистый теплообмен в кипящем слое при псевдоожижении газом / А. П. Баскаков, Ю. М. Голдобин // Изв. АН СССР. Серия: Энергетика и транспорт. – 1970. – № 4. – С. 163–168.
  3. Бокун, И. А. Теплообмен между пульсирующим слоем и поверхностью нагрева / И. А. Бокун, Я. П. Шлапкова // Тез. докл. Минского междунар. форума по тепло- и массообмену / Институт тепло- и массообмена им. А. В. Лыкова НАН Беларуси. – Минск, 1988. – Т. 5. – С. 54–55.
  4. Гальперин, Н. И. О теплообмене между ребристыми трубами и псевдоожиженным слоем зернистого материала / Н. И. Гальперин, В. Г. Айнштейн, И. Н. Тоскубаев // Химия и технология топлив и масел. – 1972. – № 9. – С. 42–43.
  5. Забродский, С. С. Высокотемпературные установки с псевдоожиженным слоем / С. С. Забродский. – Москва : Энергия, 1971. – 389 с.
  6. Ильченко, А. И. Исследование радиационно-кондуктивного теплообмена в кипящем слое : дис. … канд. техн. наук / Ильченко А. И. ; АН Белорус. ССР , Ин-т тепло- и массообмена. – Минск, 1968. – 153 с.
  7. Исследование теплообмена в гладкотрубных и оребренных шахматных пучках труб в топках кипящего слоя и на моделях / В. Г. Мигай, В. Н. Шамякин, В. В. Манцев, И. В. Житомирская // Тепломассообмен в дисперсных системах. – Минск, 1980. – Т. 6, ч. 1. – С. 94–98.
  8. Исследование теплообмена между пульсирующим слоем и поверхностью / З. Н. Головина, Ю. Г. Брук, В. В. Соловьев, Г. П. Кучин // Теория и практика сжигания газа. – Ленинград, 1981. – С. 150–153.
  9. Исследование теплообмена шахтных пучков гладких и оребренных труб в кипящем слое / И. В. Житомирская, В. М. Мигай, Н. С. Рассудов, В. Н. Шемякин // Теплоэнергетика. – 1982. – № 1. – С. 49–51.
  10. Махорин, К. Е. Теплообмен в высокотемпературном кипящем слое / К. Е. Махорин, В. С. Пикашов, Г. П. Кучин. – Киев : Наук. думка, 1981. – 148 с.
  11. Мигай, В. М. Исследование теплообмена оребренных труб в кипящем слое / В. М. Мигай, Н. В. Зозуля, И. В. Житомирская // Энергомашиностроение. – 1984. – № 1. – С. 13–15.
  12. Пальченок, Г. И. Теплообмен между горизонтальной оребренной трубой и псевдоожиженным слоем крупных частиц / Г. И. Пальченок, А. И. Тамарин, С. С. Забродский // Тепломассообмен в дисперсных системах. – Минск, 1980. – Т. 6, ч. 1. – С. 89–98.
  13. Пальченок, Г. И. Теплообмен между горизонтальным пучком оребренных труб и псевдоожиженным слоем крупнодисперсного материала / Г. И. Пальченок // Исследование процессов переноса в дисперсных системах. – Минск, 1981. – С. 14–23.
  14. Панов, О. М. Исследование локального теплообмена по периметру горизонтальных цилиндров в высокотемпературном кипящем слое : дис. … канд. техн. наук / Панов О. М.; Уральск. политехн. ин-т. – Свердловск, 1977. – 113 с.
  15. Перенос тепла в топке кипящего слоя к горизонтальному шахтному трубному пучку / А. М. Тамарин, Ю. Г. Епаков, Е. С. Рассудов, В. Н. Шемякин // Энергомашиностроение. – 1977. – № 12. – С. 7–8.
  16. Рассудов, Н. С. О применении импульсной подачи воздуха в топках с кипящим слоем / Н. С. Рассудов, А. Е. Варламова // Теплоэнергетика. – 1983. – № 1. – С. 62–64.
  17. Рахманов, В. Б. Теплообмен в топке с низкотемпературным кипящим слоем при сжигании жидкого и твердого топлива : дис. … канд. техн. наук : 05.04.01 / Рахманов В. Б. ; Харьк. политехн. ин-т. – Харьков, 1983. – 205 с.
  18. Тоскубаев, И. Н. Исследование теплообмена между ребристыми поверхностями и псевдоожиженным слоем : автореф. дис. … канд. техн. наук : 05.17.08 / Тоскубаев И. Н. ; Моск. ин-т тонкой хим. технологии им. М. В. Ломоносова. – Москва, 1974. – 21 с.
  19. Харченко, Н. В. Исследование теплообмена между кипящим слоем и погруженным телом при высоких температурах : дис. … канд. техн. наук / Харченко Н. В. ; Институт газа АН УССР. – Киев, 1964. – 190 с.
  20. Effect of anti-wear beams on waterwall heat transfer in a CFB boiler / Linjie Xu, Leming Cheng, Jieqiang Ji, Qinhui Wang // International J. of Heat and Mass Transfer. – 2017. – Vol. 115. – P. 1092–1098. doi: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2017.08.085.
  21. Effect of furnace pressure drop on heat transfer in a 135 MW CFB boiler / Xuemin Liu, Man Zhang, Junfu Lu, Hairui Yang // Powder Technology. – 2015. – Vol. 284. – P. 19–24. doi: 10.1016/j.powtec.2015.06.019.
  22. Experimental and simulation study of heat transfer in fluidized beds with heat production / Z. Li, C. E. T. Janssen, K. A. Buist, N. G. Deen, M. van Sint Annaland, J. A. M. Kuipers // Chemical Engineering Journal. – 2017. – Vol. 317. – P. 242–257. doi: 10.1016/j.cej.2017.02.055.
  23. Jolley, J. J. Heat transfer in beds of fluidired solids // Fuel. – 1949. – No. 5, vol. 28. – P. 114–115.
  24. Krause, W. B. Heat transfer from horizontal serrated finned tubs in a air-fluidized bed of uniformly sized particles / W. B. Krause, A. R. Peters // Heat transf. – 1983. – Vol. 105. – P. 319–324. doi: 10.1115/1.3245581.
  25. Natusch, H. J. Zur Wärmeübertragung an horizontaben Lärgsrippenrohren in Gas / H. J. Natusch, M. Z. Blenke // Fliebbetten Verfahrenstechnik. – 1974. – Vol. 8, no. 10. – P. 287–293.
  26. Natusch, H. J. Zur Wärmeübertragung an Rippenrohren in Gas / H. J. Natusch, M. Z. Blenke // Fliebbetten Verfahrenstechnik. – 1973. – Vol.7, no. 10. – P. 293–296.
  27. Neukirchen, B. Oestaltung horizontalen Rohrbündel in Gas – Firbelschichtreak toren nah Warmetechischen Gesichtspunkten / B. Neukirchen, М. Blenko // Chem. Ing. Techn. – 1973. – Vol. 45. – P. 307–312.
  28. Petre, J. C. Heat Transfer In-bed Heat Exchangs / J. C. Petre, W. A. Treeby, J. A. Buckham // Chem. Eng. Progr. – 1968. – Vol. 64, no. 7. – P. 45–51.
  29. Study on heat transfer characteristics of the high temperature reheater tube panel in a 300 MW CFB boiler with fluidized bed heat exchanger / Xiaofeng Lu, Hu Wang, Wenqing Zhang, Quanhai Wang, Jianbin Chen, Yinhu Kang, Wei Kuang, Shengwei Xin, Changxu Liu, Xiong Xie // Applied Thermal Engineering. – 2015. – Vol. 81. – P. 262–270.
  30. The transfer from a horizontal discontinuans finned tube in fluidized bed / W. E. Genetti [et al.] // AIChE. – 1971. – Vol. 67, no. 116. – P. 85–89.


DOI: https://doi.org/10.15802/stp2017/113613

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

 

ISSN 2307–3489 (Print)
ІSSN 2307–6666 (Online)