Плазменные технологии (стр. 11 из 12)
Часто при организации закалки необходимо обеспечить не просто среднюю скорость закалки в некотором диапазоне температур, но и выдержать определенную закономерность снижения температуры (например, вначале большая скорость, а в конце – малая). Скорости закалки, как правило, лежат в интервале 105 – 108 К/c.
Теплообмен при закалке имеет ряд особенностей, связанных с высокой скоростью изменения температуры:
– процесс теплообмена протекает быстро, и длительность его может оказаться соизмеримой с длительностью релаксации некоторых процессов (то есть может появиться неравновесность в распределениях по энергетическим уровням);
– изменения температуры сопровождаются химическими реакциями, и выделяемая в ходе реакций энергия может изменить температуру газа и тем самым уменьшить скорость закалки. В некоторых случаях тепловой эффект этих экзотермических реакций может настолько скомпенсировать теплоотвод в закалочном устройстве, что dT/dt может оказаться близким к нулю. Поэтому в данном случае (при значительных концентрациях атомов и радикалов) начало закалки должно предшествовать моменту достижения максимального выхода целевого продукта или же необходимо повысить интенсивность охлаждения.
В плазмохимии применяют следующие виды закалки:
1) закалка при взаимодействии продуктов реакции с твердой фазой;
2) закалка при взаимодействии продуктов реакции с жидкой фазой;
3) закалка при взаимодействии продуктов реакции с газовой фазой;
4) газодинамическая (термодинамическая) закалка.
Закалка первыми двумя способами осуществляется при взаимодействии продуктов как со сплошной, так и с дисперсной фазой.
Устройства для закалки твердой фазой
К таким устройствам, прежде всего, следует отнести поверхностные теплообменники. Закалку с помощью теплообменников иногда называют «поверхностной», поскольку охлаждение продуктов происходит на холодной поверхности. Поверхностная закалка применяется чаще всего. Ее можно сочетать с утилизацией тепла (например, получение пара, предварительный подогрев исходных реагентов). Котлы-утилизаторы, используемые для производства пара, могут служить закалочными устройствами, если обеспечивают необходимую скорость закалки.
Соответствующие закалочные устройства состоят из вертикально или наклонно расположенных труб (рис. 11), выполненных из металла с большой теплопроводностью и имеющих круглые, эллиптические или прямоугольные сечения. Между трубами продувается охлаждаемый газ.
При необходимости трубы могут быть расположены в несколько рядов. При шахматном расположении труб наблюдается интенсивная турбулизация потока газа, что обусловливает более эффективную теплоотдачу и охлаждение газа.
Перспективной конструкцией считается конструкция, основным узлом которой являются перфорированные медные водоохлаждаемые диски (рис. 12). В данной конструкции достигнута скорость закалки dT/dt »2·107 К/c (в каждом из 6 дисков диаметром 4 см и толщиной 1 см находится 33 отверстия диаметром 3.6 мм).
Высокая скорость закалки достигается также при непосредственном взаимодействии газового потока с дисперсной твердой фазой (с частицами микронных и субмикронных размеров). При этом возникает возможность создавать развитую поверхность нагревания в виде непрерывно движущихся частиц, а также утилизировать тепловую энергию. Такое устройство должно обеспечивать малое время пребывания частиц в зоне высоких температур во избежание их спекания. С этой точки зрения классический «кипящий слой» мало пригоден.
Более эффективным является теплообменник с проточными дисперсными теплоносителями, которые могут работать по принципам прямотока и противотока. При прямотоке (рис. 13) увеличивается длина теплообменника, а при противотоке – его диаметр. Кроме того, при прямотоке во избежание чрезмерного уноса диаметр частиц должен быть больше, чем при противотоке.
Важным преимуществом подобных теплообменников является возможность утилизировать тепловую энергию. В этом случае частицы выступают в роли промежуточного циркулирующего теплоносителя. Он циркулирует между идущим на закалку газом (верхняя камера) и вторичным (нагреваемым) теплоносителем. Теплообменник (рис. 14) состоит из двух теплообменных камер и связывающей их транспортной системы.
Недостатками таких теплообменников являются: необходимость в устройствах ввода и вывода дисперсной среды и ее транспортировка; отделение твердых частиц от газового потока; жесткие требования к частицам по термостойкости, механической прочности, химической стойкости и др.
Устройства для закалки жидкостью
В таких устройствах процесс может быть организован двояко: сплошной фазой является газ, а дисперсной – жидкость, и наоборот.
По первому способу жидкость впрыскивается в газовый поток через форсунки. При закалке диспергированной жидкостью теплоотвод осуществляется за счет нагрева и за счет испарения капель. Выбор используемой жидкости определяется конкретным технологическим процессом.
Для достижения высоких скоростей закалки, испарения и смешения должен обеспечиваться тонкий и равномерный распыл жидкости. Для выполнения этого условия в установке размещают максимальное количество форсунок. Струи от форсунок могут распространяться радиально или аксиально каналу закалочного устройства (рис. 15).
Размещение, показанное на рис. 15б, оказывается более эффективным, так как капли жидкости более равномерно заполняют сечение закалочного канала. В схеме рис. 15а капли от радиальных форсунок оттесняются потоком от центра к стенке.
Другой вид закалки, где диспергируется охлаждаемый газ, осуществляется в устройствах барботажного типа (рис. 16), скорость закалки в которых достигает 105–106 К/с. Удельная поверхность теплопередачи (поверхность газовых пузырьков), а, следовательно, и скорость закалки увеличиваются с уменьшением диаметра пузырьков.
Поэтому газовый поток дробят при помощи распределительных решеток.
При правильном подборе закалочной жидкости получают дополнительный выход целевых продуктов за счет утилизации тепловой энергии газового потока. Так, при закалке продуктов пиролиза природного газа жидкими углеводородами был получен дополнительный выход ацетилена.
Скорость закалки продуктов струями холодного газа (рис. 17) лимитируется интенсивностью перемешивания горячего газа и охлаждающего агента, при этом скорость охлаждения достигает 106–107 K/c. Холодный газ вводится обычно струями, направленными под некоторым углом к охлаждающему потоку (обычно радиально или тангенциально).
В данном закалочном устройстве рекомендуемое соотношение d/D » 0.3 ¸ 0.4. В правильно рассчитанной конструкции смешение заканчивается на длине (1¸2)D. Недостатком данных конструкций является разбавление продуктов реакции охлаждающим газом. Поэтому, по возможности, для охлаждения используется тот же пиролизный газ, прошедший стадию охлаждения в котлах-утилизаторах. При этом наряду с устранением разбавления продуктов происходит утилизация тепла.
Газодинамическая закалка.
При адиабатическом течении газа (то есть без теплообмена с окружающей средой) полная энергия какой-либо массы газа остается неизменной во времени:
Нп + М 
2/2 = Const,
где Нп – полная энтальпия массы газа М.
Реакционные газы поступают на закалку в сверхзвуковое сопло (Лаваля), где охлаждаются до заданной температуры за счет превращения тепловой энергии в кинетическую при ускорении газового потока. Далее газ поступает на лопасти газовой турбины, где кинетическая энергия газа преобразуется в электрическую энергию, выработанную генератором, соединенным с турбиной.
Для газодинамической закалки необходим перепад давлений в 2¸3 МПа. Кроме того, при торможении газового потока его температура вновь возрастает. Поэтому такой способ закалки можно применять только в комбинации с другими способами.
Рассмотренные способы закалки достигают следующих скоростей:
| 1) Поверхностный теплообменник | 105 ¸ 107 K/c. |
| 2) Твердыми частицами | 106 ¸ 107 K/c. |
| 3) Распыленная жидкость | 105 ¸ 107 K/c. |
| 4) Барботажный | 104 ¸ 105 K/c. |
| 5) Смешением газов | 105 ¸ 106 K/c. |
| 6) Газодинамический | 106 ¸ 108 K/c. |
Список литературы
1. Теоретическая и прикладная плазмохимия / Л.С. Полак, А.А. Овсянников, Д.И. Словецкий и др. М.: Наука, 1975. 304 с.
2. Методы исследования плазмы / Под ред. В. Лохте-Хольтгревена. М.: Мир, 1971. 552 с.
3. Физика и техника низкотемпературной плазмы / Под ред. С.В. Дресвина. М.: Атомиздат, 1972. 352 с.
4. Жуков М. Ф. Прикладная динамика термической плазмы / М.Ф. Жуков, А.С. Коротеев, Б. А. Урюков. Новосибирск: Наука, 1975. 300 с.