Нагрев и охлаждение в кипящем слое

Кипящий или псевдоожиженный слой — это среда, которая может служить для охлаждения и для нагрева деталей. Псевдоожижение заключается в интенсивном перемешивании твердых частиц, например кварцевого песка, корунда, дробленой руды, восходящим потоком газа. Устройство для получения псевдоожиженного слоя показано на рис. 98, а. В цилиндр 1 на газораспределительную решетку 3 помещается измельченный материал, а под решетку подводится газ. При достаточной скорости газа, называемой критической,твердые частицы приобретают подвижность, и слой становится похожим на вязкую жидкость. Вследствие движения газа получается перемещение частиц, и это интенсифицирует процессы теплоотдачи, которая регулируется количеством подаваемого газа. Коэффициент теплоотдачи с увеличением скорости газа сначала растет, достигает максимальной величины, а затем постепенно уменьшается [7 ]. Максимальное значение коэффициента теплоотдачи зависит от теплопроводности газа, от степени измельчения частиц среды. Кипящий слой может быть использован как охлаждающая и закалочная среда.

Скорость охлаждения в кипящем слое можно отрегулировать так, что она будет меньше, чем скорость охлаждения на воздухе, с другой стороны, охлаждение может быть в 10 и более раз интенсивнее, чем на воздухе. Интенсивность охлаждения может быть увеличена увлажнением зернистой среды, при этом коэффициент теплоотдачи увеличивается в 1,5—2 раза.

Скорость охлаждения в кипящем слое можно отрегулировать так, что она может быть равна скорости охлаждения в масле или в низкотемпературных соляных ваннах; в кипящем слое может быть проведена изотермическая обработка.

Закалочная среда, близкая к свойствам масла, может быть получена в кипящем слое при дополнительном вибрировании слоя. Такая среда называется вибропсевдоожиженным слоем. Цилиндру, в котором находятся твердые частицы, сообщается колебательное движение в вертикальном направлении. В вибро-псевдоожиженном слое интенсивность теплообмена почти в 2 раза больше, чем в кипящем слое без вибрирования.

В последнее время получили некоторое распространение установки с кипящим слоем и для нагрева. В специальных электрических печах для этой цели выделение тепла происходит в нагревательных элементах сопротивления, помещенных в кипящей слой.

С поверхности нагревателя, погруженного в кипящий слой, вследствие больших значений коэффициента теплоотдачи можно получать большие удельные тепловые потоки. Теплопередача в кипящем слое осуществляется конвекцией при движении частиц и теплопроводностью через газовые прослойки. В кипящем слое достигается высокая равномерность температуры (±2° С) и быстрота нагрева.

Во ВНИИЭТО была разработана электрическая шахтная печь с кипящим слоем ОКБ-1312 ЦО] (рис. 98, б). Внутри футерованного корпуса печи установлена газораспределительная решетка 3. Решетки изготовляют из пористых керамических материалов (при рабочей температуре до 1100° С — пеношамот и выше 1100— 1400° С — высоко глиноземистый легковес). Газ подается по трубопроводу 4, который проходит через дно печи. Над решеткой помещены нагревательные элементы 2. Нагреватели погружены в кипящий слой. Для того чтобы нагреватели минимально нарушали гидродинамический режим кипящего слоя, их изготовляют из ленты сплава сопротивления и имеют зигзагообразную форму с шагом не меньшим ширины ленты. Нагреватели устанавливают в нижней части рабочего пространства в один или несколько этажей, В кипящий слой помещают корзину 5 с деталями. Отвод газа производится через циклон 6, в нижней части которого оседают мелкие твердые частицы, а в верхней находится выходное отверстие 7 для газа. Рабочее пространство печи сверху закрыто крышкой 8 с механизмом, позволяющим поднимать ее и отводить в сторону. Печь ОКБ-1312 может быть использована для скоростного нагрева деталей под закалку, отжиг, отпуск и других процессов вместо шахтных печей, соляных и селитровых ванн. Техническая характеристика печи ОКБ-1312 следующая: размеры рабочего пространства — диаметр 400 мм, высота 400 мм, рабочая температура 900° С, напряжение питающей сети 380 в, мощность печи 140 ± 10% кет, производительность 400 кг/ч.