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Hydrodynamics and heat transfer characteristics in a circulating fluidized bed = 순환유동층에서의 수력학적 특성 및 열전달 특성
서명 / 저자 Hydrodynamics and heat transfer characteristics in a circulating fluidized bed = 순환유동층에서의 수력학적 특성 및 열전달 특성 / Yong-Jun Cho.
저자명 Cho, Yong-Jun ; 조용준
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 1994].
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Hydrodynamics and heat transfer characteristics have been determined in a circulating fluidized bed (0.1m I.D. × 5.3m high) of FCC particles $(d_p=65㎛, ρ_s=1720 kg/㎥)$. The effects of gas velocity (1.5- 3.5 m/s), solid circulation rate (5 - 50 kg/㎡s), secondary air ratio (0 ~ 50 %), height of injection port (1.5 - 2.5 m) and injection types (radial and tangential) on the axial solid holdup distribution have been determined The transport velocity of FCC particles in the fast fluidization regime has been determined from the pressure drop across the bed and the time required for all the solids to leave the bed. A flow regime map has been proposed to demarcate the flow regimes quantitatively from turbulent fluidization to pneumatic transport regime. The axial solid holdup distributions have been determined from the measured axial pressure profiles. The solid phase forms a dense phase at the bottom section and a dilute phase at the top section of the riser. Total solid holdups in the riser increase with increasing solid circulation rate but decreases with an increase in superficial gas velocity. The solid holdup in the dilute phase has a constant value $(ε_{s∞}$ along the riser height which can be related to the ratio of solid to gas velocities $(G_s/ρ_sU_g)$ by introducing slip factor (ψ) as: $(ε_{s∞}=ψ/[ψ+1/(G_s/ρ_sU_g)]$ At the top region of the riser, the solid holdup increases due to the end effect of the exit structure of the column which increases with increasing gas velocity. The solid holdup in the dense phase decreases slightly with gas velocity. The distributions of void ratio have been correlated with the pertinent dimensionless groups based on the data of the present and previous studies as: ◁수식 삽입▷(원문을 참조하세요) The effect of secondary air injection by the radial and tangential injection nozzles (0.016 m ID) on the axial solid holdup distributions has been determined. The injection of secondary air is found to affect the axial solid holdup distribution in a CFB. The solid holdup in the primary zone (the region of the riser below the secondary air injection port) increases but, it decreases in the secondary zone (the region of the riser above the secondary air injection port) with increasing secondary air ratio. The dense bed height increases with increasing the height of the secondary air injection port. For the two types of secondary air injection nozzles, the axial solid holdup distribution in the secondary zone is almost same except at the region near the secondary air injection port. With increasing secondary air ratio, the solid holdup at the region just above the secondary air injection port increases greatly with tangential secondary air injection and exhibits higher values than that of radial secondary air injection with which it exhibits no variations or slight increase. The axial solid holdup distribution in a circulating fluidized bed with or without secondary air injection has been predicted from the modified freeboard-entrainment model in which the model parameters are evaluated by the proposed relations. The effect of secondary air ratio and the height of secondary air injection can be represented by a correlation of decay constant which is the key parameter of the model ◁수식 삽입▷(원문을 참조하세요) In the study of operation characteristics of nonmechanical solid valves, the effects of aeration gas rate (0.054 - 0.264 N㎥/hr) and aeration locations (0.1 - 0.8 m) on the solid flow rate through J-valve, and the consequent pressure balance around the CFB loop have been determined. The solid flow rates through J-valve increase linearly with increasing aeration gas rate, and the attained maximum solid flow rates are higher at higher aeration-tap locations and supplying additional aeration at higher positions. The controlling pressure drop across the J-valve decreases with increasing solid circulation rate. In the study of heat transfer characteristics, the bed-to-wall heat transfer coefficients have been determined by the heat flux meters at five axial heights along the riser (0.9, 1.7, 2.3, 3.0, 3.7 m). The local heat transfer coefficient decreases with the axial direction due to the decrease of suspension density with riser height. The presence of particles in the gas stream is found to enhance the heat transfer coefficient greatly over that in a single phase flow (gas only). The heat transfer coefficient decreases with increasing gas velocity or decreasing solid circulation rate. However, the gas velocity does not affect significantly the heat transfer coefficient at the same suspension density. The bed-to-wall heat transfer coefficients of the present and previous studies have been correlated with the pertinent dimensionless groups as: ◁수식 삽입▷(원문을 참조하세요) The effect of secondary air ratio (0 ~ 50 %) and injection types (radial and tangential) on the convective heat transfer coefficients have been determined. The injection of secondary air affects the gas convective heat transfer coefficient at the region near the injection port. The heat transfer coefficients by gas convection increase with increasing gas velocity and secondary air ratio. However, the total convective heat transfer coefficients decrease with increasing secondary air ratio with the radial secondary air injection. When tangential velocity of secondary air is high, the convective heat transfer coefficients increase by swirl motion but, the enhancement of the coefficients due to the presence of particles decreases with secondary air injection. A model based on the surface renewal theory of packets has been proposed to predict the heat transfer coefficients in a CFB without or with secondary air injection in the tangential direction.

순환 유동층 반응기의 운전 및 설계에 필요한 기초자료의 획득을 위하여 내경 0.1 m, 높이 5.3 m 인 순환유동층에서 층물질로 FCC 입자 $(d_p=65㎛, ρ_s=1720 kg/㎥)$ 를 사용하여 운전 및 설계 변수가 상승관내의 축방향 고체 체류량 분포와 벽면에서의 열전달 특성에 미치는 영향을 조사하였다. 특히 질소 산화물 저감을 위하여 순환 유동층 연소로에서 채택하고 있는 단계적 연소 방법과 같이 상승관내에 반응 기체를 단계적으로 공급하는 경우에 있어서 2차 공기의 주입이 이들 특성에 미치는 영향을 규명하였다. 순환유동층의 상승관에서의 압력강하와 입자들이 비말 동반되어 상승관을 빠져 나갈 때까지의 시간을 측정하여 난류 유동영역으로부터 고속 유동영역으로의 전이 속도 (transport velocity) 를 결정하였고, 기상 유속 및 고체 순환속도의 변화에 따른 흐름 영역의 변화를 정량적으로 구분 지을 수 있는 flow regime map 을 도출하였다. 축방향 고체 체류량 분포는 측정된 축방향 압력분포 신호로부터 결정 하였는데, 상승관의 하부에는 입자들의 가속을 위한 농후상이 존재하고 입자들의 상승속도가 증가로 인하여 높이에 따라 고체 체류량이 점차 감소하다가 상승관의 상부에 희박상이 존재하는 구조를 나타내었으며, 상승관내의 총 고체 체류량은 고체 순환속도가 증가하거나 기상 유속이 감소할수록 증가하였다. 상승관 상부의 fully developed flow region 에서의 고체 체류량 ($ε_s$) 은 축방향 위치에 관계 없이 일정한 값을 나타내며, slip factor ($ψ$) 값이 2 - 4 의 범위에서 고체 입자의 속도와 기상 유속의 비 ($G_s/P_sU_g$)로부터 다음과 같은 식으로 예측 가능하였다. $(ε_{s∞}=ψ/[ψ+1/(G_s/ρ_sU_g)]$ 상승관의 출구에서는 출구 효과에 의하여 고체 체류량이 증가하였으며, 이러한 출구 효과는 기상 유속이 증가함에 따라 지수적으로 증가하였다. 본 연구의 결과 및 타연구자들의 실험 결과로부터 순환 유동층내의 축방향 고체 체류량 분포에 대한 상관식을 다음과 같이 도출하였다. ◁수식 삽입▷(원문을 참조하세요) 2차 공기의 주입이 축방향 고체 체류량 분포에 미치는 영향을 고찰하기 위하여 2차 공기의 주입비, 주입위치 및 주입 형태등에 따른 축방향 고체 체류량 분포의 변화를 조사하였다. 2차 공기가 주입된 경우, 2차 공기 주입비가 증가할수록 고체 체류량은 2차 공기 주입구 하부 (primary 지역) 에서는 증가하였으나, 2차 공기 주입구 상부(secondary 지역)에서는 감소하여 축방향 고체 체류량 분포의 구배는 증가하였다. 2차 공기 주입위치가 높아질수록 농후상의 높이가 증가하여 축방향 고체 체류량의 구배는 증가하였으며, 상승관내의 총 고체 체류량은 증가하였다. Radial 및 tangential 방향의 2 가지 형태의 2차 공기 주입 노즐에 대해, 2차 공기 주입구 근처를 제외하고는 축방향 고체 체류량 분포는 거의 동일한 형태를 보였으며, 2차 공기 주입구 근처에서의 고체 체류량은 2차 공기 주입비의 증가에 따라 radial injection의 경우에는 약간 증가하거나 거의 변화가 없었으나, tangential injection의 경우에는 높은 접선방향의 속도 성분으로 인해 형성된 강한 swirl 흐름으로 인해 고체 체류량이 급격히 증가하였다. 순환유동층의 축방향 고체 체류량 분포를 예측할 수 있는 모델을 제시하였다. 벽면에서의 입자들의 하강흐름, cluster의 거동, 상승관 상부의 fully developed flow 영역을 고려하여 모델의 매개변수(parameter) 를 예측하는 식을 제안하였으며, 특히 2차 공기의 주입비와 주입 위치의 영향을 포함하여 제시된 모델의 key parameter 인 decay constant 에 대한 상관식을 다음과 같이 제시하여 2차 공기 주입의 영향을 예측할 수 있었다. ◁수식 삽입▷(원문을 참조하세요) J 밸브의 운전 특성 고찰을 위해 aeration rate (0.054-0.264 N㎥/hr) 와 aeration 위치 (0.1-0.8 m) 가 J 밸브를 통한 고체 순환 속도와 CFB loop 에서의 압력 밸런스에 미치는 영향을 조사하였다. 고체 순환 속도는 aeration rate 가 증가함에 따라 선형적으로 증가하였으며, 최대 고체 순환 속도는 주어진 범위내에서 aeration 위치가 높은 경우에 크게 나타났다. 한편, J 밸브를 통한 압력 강하는 고체 순환 속도가 증가함에 따라 감소하였으며, aeration 의 위치와 rate 를 조절하여 J 밸브를 통한 압력 강하를 조절함으로써 고체 순환 속도를 제어할 수 있었다. 순환유동층의 벽면에서의 열전달 계수 측정을 위하여 축방향 높이가 0.9, 1.7, 2.3, 3.0 및 3.7 m 지점에 heat flux meter 를 설치하였는데, 축 방향 높이가 증가함에 따라 suspension 농도가 감소하여 국부 (local) 열전달 계수는 감소하였다. 대류(convective) 열전달 계수 입자들의 대류 성분에 의하여 크게 증가하였으며, 기상 유속이 감소하거나 고체 순환 속도가 증가함에 따라 증가하였다. 본 연구 결과 및 타연구자들의 실험 결과를 토대로 벽면 열전달 계수를 예측할 수 있는 다음과 같은 상관식을 제시하였다. ◁수식 삽입▷(원문을 참조하세요) 2차 공기의 주입비와 기상 유속이 증가함에 따라 기체 대류에 의한 열전달 계수는 증가하였으며, 특히 tangential injection의 경우에는 형성된 swirl 흐름에 의하여 기체 대류 열전달 계수는 급격히 증가하였다. 한편, 기체-입자의 suspension 흐름에 2차 공기가 radial 방향으로 주입된 경우, 2차 공기의 주입비가 증가함에 따라 벽면에서의 입자들의 하강 속도가 감소하게 되어 대류 열전달 계수는 감소하였으며, tangential injection의 경우, 주입된 2차 공기의 tangential velocity 가 큰 경우 swirl 흐름에 의해 열전달 계수는 증가하였으나, 입자들의 존재로 인한 증가율은 2차 공기 주입비에 따라 감소하였다. 본 연구의 결과는 packets 의 surface renewal theory 를 근거로 제시한 모델로 잘 예측할 수 있었으며, cluster 들의 전열면에서의 체류시간을 제안한 방법에 의해 예측함으로써 2차 공기의 주입이 벽면에서의 열전달 계수에 미치는 영향을 예측할 수 있었다.

서지기타정보

서지기타정보
청구기호 {DCHE 94020
형태사항 xv, 237 p. : 삽도 ; 26 cm
언어 영어
일반주기 저자명의 한글표기 : 조용준
지도교수의 영문표기 : Sang-Done Kim
지도교수의 한글표기 : 김상돈
학위논문 학위논문(박사) - 한국과학기술원 : 화학공학과,
서지주기 Reference : p. 206-219
주제 Heat transmission.
Hydrodynamics.
유동상. --과학기술용어시소러스
열 전달. --과학기술용어시소러스
유체 역학. --과학기술용어시소러스
Fluidized reactors.
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