Введение к работе
Актуальность темы. Сушка разнообразных дисперсных материалов является распространенным теплотехнологическим процессом в химической, строительной и других отраслях промышленности, а также в сельском хозяйстве. Её организация связана со значительными затратами тепловой энергии, что определяет необходимость выбора наиболее рациональных способов и разработку новых современных конструкций сушильных установок.
В настоящее время одним из наиболее эффективных способов сушки дисперсных материалов является метод, основанный на использовании принципа псевдоожиженного («кипящего») слоя. Достоинства псевдоожиженного слоя отмечены в работах Н.И. Гельперина, В.Г. Айнштейна, П.Г. Романкова, А.П. Баскакова, В.Ф. Фролова и ряда других отечественных и зарубежных ученых. К ним относятся высокие значения эффективной теплопроводности и межфазного тепломассообмена, развитая поверхность взаимодействия между твердыми частицами и сушильным агентом, подвижность («текучесть») и т. д. Однако реализация непрерывных процессов сушки в псевдоожиженном слое осложнена необходимостью его перемещения вдоль газораспределительной решетки. Эта проблема может быть решена при использовании центробежного псевдоожиженного слоя, перемещающегося за счет динамического воздействия на частицы направленных потоков сушильного агента. Происходящее при этом совмещение процессов псевдоожижения и транспорта дисперсного материала, а также межфазного тепло- и массообмена позволяет повысить эффективность работы сушильных установок. Однако процессы гидродинамики и тепломассообмена в таких аппаратах изучены не в полной мере, что затрудняет разработку инженерной методики расчета. В связи с этим тема диссертации является актуальной.
Работа выполнена в рамках основного научного направления «Физико-технические проблемы энергетики», ГБ 2007.12 (№ гос. регистр. 01.2.00409970) и ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы, тема ФЦП 1/10 «Создание энергосберегающих систем и установок с центробежным псевдоожиженным слоем», ГК 02.740.11.0758 (№ гос. регистр. 01.2.01062243), тема «Создание энергосберегающих теплотехнологических систем и установок с высокоразвитыми поверхностями тепломассообмена» (соглашение № 14.В.37.21.1963).
Цель работы. Разработка методики инженерного расчета конструктивных и режимных характеристик сушильных установок непрерывного действия с центробежным псевдоожиженным слоем на основе теоретического и экспериментального исследования гидродинамики и тепломассообмена.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
- теоретически исследовать процесс сушки дисперсных материалов в установке с центробежным псевдоожиженным слоем и получить аналитические соотношения для определения влагосодержания и температуры дисперсного материала и сушильного агента в зависимости от кинетических параметров процесса сушки;
разработать опытную сушильную установку, провести экспериментальное исследование кинетики процесса сушки и сравнить полученные данные с результатами теоретического исследования;
провести экспериментальное исследование гидродинамики и теплообмена в центробежном псевдоожиженном слое и получить эмпирические соотношения для определения порозности, гидравлического сопротивления и скорости движения центробежного псевдоожиженного слоя, а также межфазного коэффициента теплоотдачи;
- разработать методику инженерного расчета конструктивных и режимных параметров сушильных установок с центробежным псевдоожиженном слоем.
Научная новизна работы определяется следующими результатами:
1. Получены новые аналитические соотношения для определения
влагосодержания и температуры дисперсного материала и сушильного агента
во втором периоде в зависимости от кинетических параметров процесса сушки
в центробежном псевдоожиженном слое.
2. Установлены соотношения для определения времени начала второго
периода сушки и соответствующего ему критического влагосодержания,
отличающиеся учетом скорости движения материала и сушильного агента.
-
Получены новые эмпирические критериальные соотношения для определения порозности, гидравлического сопротивления и скорости движения центробежного псевдоожиженного слоя, а также межфазного коэффициента теплоотдачи в нём.
-
Разработана методика инженерного расчета конструктивных и режимных характеристик сушильных установок с центробежным псевдоожиженным слоем дисперсного материала.
Практическая значимость работы. Полученные в работе теоретические и экспериментальные результаты явились научной базой для разработки методики, позволяющей осуществить инженерный расчет конструктивных и режимных характеристик сушильных установок дисперсных материалов с центробежным псевдоожиженным слоем.
Результаты проведенных исследований внедрены в практику ОАО «Квадра» - «Воронежская региональная генерация», а также используются в учебном процессе по дисциплине «Тепломассообменное оборудование предприятий» по направлению 140100.62 «Теплоэнергетика и теплотехника» в ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет».
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах: Всероссийских научно-технических конференциях и школах молодых ученых, аспирантов и студентов «Авиакосмические технологии» (Воронеж, 2008 -2009), научно-технических конференциях молодых учёных, аспирантов и студентов «Физико-технические проблемы энергетики экологии и энергоресурсосбережения» (Воронеж, 2007 - 2012), XVII и XIX школах-семинарах молодых ученых и специалистов «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках» (Жуковский, 2009;
Орехово-Зуево, 2013), IV Международной молодёжной научной конференции «Тинчуринские чтения» (Казань, 2009), IV Международной научно-практической конференции «Современные энергосберегающие тепловые технологии (сушка и термовлажностная обработка материалов) СЭТТ - 2011» (Москва, 2011) 13 и 14 Всероссийских научно-практических конференциях студентов, аспирантов и специалистов «Энергетики и металлурги настоящему и будущему России» (Магнитогорск, 2012 - 2013).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 научных работ, в том числе 3 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, получено 2 патента РФ на полезную модель.
В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежит: [10, 13] - разработка конструкции сушильной установки и обоснование принципа её действия; [3, 8, 11] - проведение экспериментальных исследований и обработка их результатов; [2, 5] - разработка конструкции газораспределительного устройства, его экспериментальное исследование; [1, 4, 9, 16] - математическая модель тепломассообменных процессов и ее решение; [7, 12, 14, 15] - методика теоретических исследований и обработка их результатов.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, библиографического списка из 112 наименований, 3 приложений. Основная часть работы изложена на 145 страницах, содержит 29 рисунков и 8 таблиц.
