The heat transfer characteristics in two (gas-liquid, liquid-solid) and three phase (gas-liquid-solid) fluidized beds have been studied in a 15.2 cm-I.D. column.
Air and water were used as gas and liquid phase, and four different sized glass beads were employed throughout this study.
The effect of gas velocity (0.0-12.0 cm/s), liquid velocity (0.0-16.0 cm/s) and particle size (1.7, 4.0, 6.0, 8.0 mm) on heat transfer coefficient have been examined.
Heat transfer coefficients between the immersed electrical heater and the fluidized bed were measured, individual phase holdups were measured using a pressure profile method and measurement of bubble properties (bubble vertical length and bubble rising velocity) were made using an electroresistivity probe.
In gas-liquid system, heat transfer coefficients, gas phase holdup, bubble rising velocity and bubble vertical length increased with increasing gas velocity, and were nearly independent of liquid flow rate.
In liquid-solid system heat transfer coefficients showed maximum at bed porosity of around 0.6, and it increased with particle size.
In gas-liquid-solid system, the heat transfer characteristics showed the characteristics of both gas-liquid and liquid-solid systems, i.e., heat transfer coefficients increased with increasing gas flow rate, and showed maximum at around bed porosity of 0.6.
In three phase fluidized beds, heat transfer coefficient in terms of Nusselt number has been correlated with Froude numbers of liquid and gas phases and liquid phase Reynolds number.
$Nu=0.2(Fr._1)^{-0.316}(Fr._g)^{0.072}(Pe)^{0.795}$
기-액이상흐름, 액상 유동층 및 삼상 유동층의 열전달 특성을 직경 15.2cm의 유동층 반응기에서 연구하였다.
실험에서 기상으로 공기를, 액상으로 물을 각각 사용하였으며, 서로 크기가 다른 4종류의 유리구를 고체입자로 사용하였다.
액상유량(2.0~16.0cm/s), 기상유량(0.0~12.0cm/s)과 입자의 크기(1.7,4.0,6.0,8.0mm)가 직경 3.0cm 길이 36.5cm의 immersed electrical heater (60 V, 800 W)와 유동층 사이의 열전달계수에 미치는 영향을 연구하였다.
상체유량은 pressure profile method를 기포의 수직길이 및 상승속도는 electroresistivity probe method를 각각 사용하여 측정하였다.
기-액이상 흐름 및 3상 유동층에서의 기포의 수직길이 및 상승속도는 기상유량의 증가에 따라 증가하였으며 액상유량의 증가에 따라 감소되었다.
작은 직경의 고체입자를 사용한 경우(1.7mm), 층 높이는 적은 양의 기체를 주입합에 따라 수축하였으며, 큰 직경의 고체입자를 사용한 경우(6.0,8.0mm)그 반대의 경향을 관찰 할 수 있었다.
삼상 유동층의 액상 체유량은 액상유속의 증가 및 입자의 크기의 감소에 따라 증가하였으나 기상유속의 증가에 따라 감소하였다.
기-액 이상흐름에서 열전달계수는 낮은 기상 유속 법위에서는 기상유속이 증가함에 따라 급격히 증가하다 높은 기상 유속 범위에서는 기상유속의 증가에 따른 열 전달계수의 증가가 완만해지고 액상유속에는 거의 영향을 받지 않았다.
액상 유동층에서의 열전달 계수는 액상유속 즉 액상 체유량에 대해 최대치를 나타냈고 입자의 직경이 증가함에 따라 열전달 계수도 증가하였다.
삼상 유동층에서의 열전달 특성은 기-액이상 흐름에서의 열전달 특성과 액상 유동층에서의 열전달 특성을 함께 나타냈다. 즉 삼상유동층의 열전달계수는 임의의 액상유속과 입자의 크기에 있어 기상유속이 증가함에 따라 증가하였고 그 열전달 계수의 증가율은 기상유속이 증가함에 따라 완만해지는 경향을 나타냈다. 그리고 액상유속이 증가함에 따라 열전달 계수도 증가하여 최대치에 달한 후 다시 감소하는 경향이 나타났다. 입자의 크기가 증가함에 따라 삼상 유동층의 열전달 계수는 서서히 증가하다. 8.0 mm 입자에서는 약간 감소하였다.
삼상 유동층사이의 열전달 계수는 액상의 Froude number, 기상의 Froude number 및 액상의 Reynolds number의 함수인 무차원 실험식으로 나타낼 수 있었다.
즉
$\frac{hd_p}{k_t} = 0.200(\frac{u_l^2}{gd_p})^{-0.316} (\frac{ug^2}{gd_p})^{0.072} (\frac{d_p u_l \rho_l}{\mu_l})^{0.795}$
