Содержание к диссертации
Введение
1 Современное состояние теории и практики применения воздухоподогревателей в энергетике и теплотехнологии 9
1.1 Целесообразность подогрева воздуха 9
1.2 Принципиальные схемы современных воздухоподогревателей 11
1.3 Гидродинамика и теплообмен перемещающегося псевдоожиженного слоя 28
1.4 Тепловая эффективность воздухоподогревателя 37
2 Моделирование процессов теплообмена в перемещающемся псевдоожиженном слое 41
2.1 Математическое описание задачи 41
2.2 Аналитическое решение задачи 43
2.3 Численное решение задачи 46
2.4 Расчет скорости движения слоя 53
3 Экспериментальное исследование воздухоподогревателя 56
3.1 Описание экспериментальной установки и оценка ошибок измерений.56
3.2 Исследование гидравлических параметров 64
3.3 Исследование межфазного теплообмена и температурных полей 67
4 Разработка конструкции и методики инженерного расчета воздухоподогревателя 75
4.1 Конструкция воздухоподогревателя 75
4.2 Методика инженерного расчета воздухоподогревателя 76
Основные результаты и выводы 82
Библиографический список 83
Приложения 93
- Принципиальные схемы современных воздухоподогревателей
- Аналитическое решение задачи
- Исследование гидравлических параметров
- Методика инженерного расчета воздухоподогревателя
Введение к работе
Экономия топливно-энергетических ресурсов рассматривается в Федеральной программе «Энергетическая стратегия России до 2020 года» в качестве основного фактора повышения конкурентоспособности отечественной продукции и снижения загрязняющего воздействия на окружающую среду. Анализ тепловых потерь в энергетических и теплотехнологических установках различного назначения показывает, что их значительную часть составляет физическая теплота уходящих газов, использование которой должно быть направлено на повышение тепловой эффективности самих установок, например, путем подогрева воздуха, идущего на горение. Воздухоподогреватель позволяет осуществить снижение температуры уходящих газов, что повышает КПД установки и, тем самым, обеспечивает экономию потребляемого топлива, а также повышает температуру его горения. Однако технико-экономическая целесообразность применения воздухоподогревателя не всегда оправдана, что связано, в основном, с низкими температурными напорами теплоносителей, большим гидравлическим сопротивлением аппарата, загрязнением поверхностей теплообмена со стороны греющего теплоносителя различными отложениями или ее разрушением за счет коррозии или эрозии.
В этой связи весьма перспективными, на наш взгляд, являются регенеративные воздухоподогреватели, в которых в качестве промежуточного теплоносителя (насадки) служит циркулирующий псевдоожиженный слой дисперсного материала. Достоинства данной насадки обусловлены такими свойствами псевдоожиженного слоя, как развитая поверхность межфазного теплообмена, высокие коэффициенты теплоотдачи, способность частиц к самоочистке от загрязнений и т.д. Из известных схем и конструкций аппаратов подобного типа следует выделить теплообменники, в которых циркуляция насадки происходит за счет динамического воздействия греющего газа и воздуха, поскольку применение механических транспортеров и элеваторов значительно усложняет конструкцию теплообменника и снижает надежность его
работы. Однако недостаточная изученность межфазных процессов теплообмена в циркулирующем псевдоожиженном слое дисперсного материала не позволяет разработать методику инженерного расчета воздухоподогревателей подобного типа, что препятствует их широкому распространению. В связи с этим тема диссертации представляется актуальной.
Работа выполнялась в соответствие с научным направлением «Физико-технические проблемы энергетики и экологии» по теме ГБ 04.12 (№ Гос. per. 01.2.00409970) ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет».
Целью работы является моделирование гидродинамики и теплообмена и разработка методики расчета воздухоподогревателя с циркулирующим псевдоожиженным слоем насадки.
Для достижения указанной цели поставлены следующие задачи:
Разработка математической модели межфазного теплообмена в циркулирующем псевдоожиженном слое дисперсного материала и определение температурных полей в твердой и газообразной фазах.
Получение зависимостей для определения скоростей движения газообразных теплоносителей и насадки.
Проведение экспериментальных исследований воздухоподогревателя для подтверждения достоверности теоретических результатов и получение эмпирической зависимости для межфазного коэффициента теплоотдачи.
Разработка методики инженерного расчета конструктивных размеров и эксплуатационных параметров воздухоподогревателя.
Научная новизна:
разработана, реализована и экспериментально подтверждена математическая модель теплообмена в перемещающемся псевдоожиженном слое дисперсного материала, отличающаяся учетом скорости его движения.
получены аналитические соотношения для расчета температурных полей в твердой и газообразной фазах и скорости движения насадки.
в результате обработки опытных данных получена эмпирическая критериальная зависимость для расчета'межфазного коэффициента теплоотдачи.
разработана методика инженерного расчета регенеративного воздухоподогревателя с циркулирующим псевдоожиженным слоем насадки.
Достоверность научных результатов подтверждена использованием фундаментальных законов гидродинамики и теплообмена, итогами их экспериментальной проверки, а также сопоставлением полученных результатов с данными других авторов.
Практическая значимость работы.
Результаты выполненных теоретических и экспериментальных исследований являются научной базой для разработки методики инженерного расчета регенеративного воздухоподогревателя с перемещающимся псевдоожиженным слоем насадки. Разработана конструкция воздухоподогревателя, новизна и оригинальность которой защищена патентом на полезную модель.
Результаты диссертационной работы внедрены в практику Воронежской ТЭЦ-1 (ОАО «ТПС-4») и ОАО «Воронежский опытно-механический завод».
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на Международной конференции и Российской научной школе «Системные проблемы надежности, качества, информационных и электронных технологий в инновационных проектах» (Сочи, 2005), Второй Международной научно-практической конференции «Современные энергосберегающие тепловые технологии» (Москва, 2005), Международной конференции «Компьютерные технологии в технике и экономике» (Воронеж, 2007), научно-технической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов «Физико-технические проблемы энергетики, экологии и энергоресурсосбережения» (Воронеж, 2005-2008).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 работ. В работах, опубликованных в соавторстве, лично соискателю принадлежит: в [1,6,9] — аналитический обзор литературы, разработка методики расчета воздухопо-
догревателя; в [2,3,6,7,8,10] - разработка и реализация математической модели, проведение экспериментов и обработка опытных данных; в [4] - разработка конструкции газораспределительной решетки.
Структура и объём работы. Материал диссертации изложен на 100 страницах. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, библиографического списка, включающего 91 наименование, приложений и содержит 42 рисунка и 7 таблиц.
Принципиальные схемы современных воздухоподогревателей
Из конвективных рекуперативных воздухоподогревателей с металлической поверхностью теплообмена наибольшее распространение получили стальные теплообменники. Принципиальная схема трубчатого стального воздухоподогревателя приведена на рис. 1.3 [6].
4-компенсатор; 5-песочные затворы Поверхность теплообмена такого теплообменника выполнена из гладких стальных труб с внутренним диаметром от 15 до 100 мм и толщиной стенки от 2 до 5 мм. Подобные аппараты применяют при температуре уходящих газов до 800 С и обеспечивают подогрев воздуха до температуры RT 300-ь400 С при коэффициенте теплопередачи 17,5 -29,1 —г [6]. м -К
Опыт применения рекуператоров из гладкостенных чугунных труб показал весьма низкую их тепловую эффективность, поэтому в настоящее время применяют ребристые трубы, в основном так называемые «игольчатые» чугунные трубы. Такое название связано с тем, что поверхности их теплообмена (стенки) изготавливают не гладкими, а с ребрами в виде игл круглой или вытянутой - овальной в сечении формы, что существенно увеличивает теплоотдачу (рис. 1.4).
Одноходовой игольчатый рекуператор Рис. 1.4. Игольчатая чугунная труба Конструкция одноходового игольчатого рекуператора приведена на рис. 1.5 [6]. Оребрение поверхности теплообмена приводит к интенсификации конвективного теплообмена и повышает коэффициент теплопередачи воздухо Вт подогревателя до 90 -100 — [6].
В качестве общего недостатка металлических конвективных рекуператоров следует отметить невысокую начальную температуру греющего газа, которая составляет 800 -850 С.
При температуре уходящих газов 1000 -1500 С возможно применение керамического конвективного воздухоподогревателя. Наибольшее распространение в настоящее время получили аппараты, поверхность теплообмена которых выполнена из шамота и карбошамота. Принципиальная схема такого теплообменника показана на рис. 1.6.
Керамический трубчатый рекуператор (типа АМКО) 1- керамические рекуператорные трубы; 2- промежуточные кольца (стыковые кирпичи); 3- верхние кольца; 4- промежуточные перегородки; 5- керамические цилиндры; 6- нижние кольца; 7- нижние опорные камни; 8- верхние перекрывающие плиты; 9- песочный затвор. Керамический конвективный воздухоподогреватель обеспечивает высокотемпературный подогрев воздуха до 60(Н900 С.
Радиационные рекуператоры отличаются от конвективных простотой компоновки поверхности теплообмена и большей доступностью ее для ремонта, а также меньшим гидравлическим сопротивлением на стороне продуктов сгорания, что позволяет использовать естественную «прокачку» этого теплоносителя. Поверхность теплообмена такого рекуператора выполнена из стальных трубок небольшого диаметра, расположенных в виде цилиндрической «корзины». В верхней и нижней части трубного пучка имеются кольцевые коллекторы для подвода и отвода воздуха. Дымовые газы движутся внутри трубного пучка, нагревая его за счет лучистого (радиационного) теплообмена.
Недостатками радиационных воздухоподогревателей являются их громоздкость, вследствие малой удельной поверхности теплообмена, а также невозможность, как правило, охлаждения продуктов сгорания до температуры ниже 700-800 С.
В результате проведенного анализа следует выделить общие недостатки воздухоподогревателей рекуперативного типа: - малые коэффициенты теплопередачи; - громоздкость; - склонность поверхности теплообмена к загрязнению и коррозии. Эффективность работы воздухоподогревателя регенеративного типа определяется, в основном, видом промежуточного теплоносителя (насадки). В [11] сформулированы основные требования, предъявляемые к насадке регенеративного теплообменника: - большая теплоемкость; - высокие коэффициенты теплоотдачи от газообразных теплоносителей; - большая удельная поверхность теплообмена; - термостойкость; - стойкость к коррозии.
Рассмотрим принципиальные схемы наиболее распространенных регенераторов непрерывного действия. В 1923 году шведская фирма «Актибола-гет Юнгстрем Ангтурбин» разработала конструкцию регенератора вращающегося типа (РВП). Принципиальная схема такого теплообменника показана нарис. 1.8 [5].
Основным элементом РВП является ротор, вращающийся со скоростью 1,5-3 об/мин. Ротор разделен радиальными и аксиальными перегородками на ячейки, которые заполняются набивкой - стальными профильными листами толщиной 0,5-4,2 мм. Дымовые газы, выходящие из котла с высокой температурой (25(Н400 С), проходят между листами и нагревают их. Нагретые листы вращающимся ротором переносятся на воздушную сторону, где отдают свое тепло воздуху. Воздух поступает в воздухоподогреватель по схеме противотока. Разность температур газов, входящих в РВП, и горячего воздуха составляет, как правило, 25- 40 С. Дымовые газы охлаждаются до температуры 14СН-160 С, а в ряде случаев до 120 С. Поверхность теплообмена -набивка - на холодном конце (на выходе газов из РВП и соответственно на входе воздуха) имеет сравнительно низкую температуру, лежащую ниже точки росы дымовых газов для ряда топлив. В связи с этим набивка на холодном конце подвержена сильной коррозии и загрязнению. Для увеличения срока службы «холодную» набивку изготовляют из более толстых листов (1,0-4,2 мм) упрощенного профиля и с увеличенным эквивалентным диаметром по сравнению с горячей набивкой. Подогреватели данного типа имеют большую удельную поверхность теплообмена (до 100-420 м /м ), обладают малым гидравлическим сопротивлением, однако нуждаются в электроприводе и не обеспечивают высокую газоплотность. Наиболее полно указанным выше требованиям отвечает насадка регенератора в виде циркулирующего слоя дисперсного материала. К основным достоинствам такой насадки относятся: - большая удельная поверхность теплообмена, т.к. 1 м частиц диаметром 1 мм имеет суммарную поверхность 3600 м2; - самоочистка частиц при их циркуляции по камерам теплообменника; - возможность создания полностью неметаллического, т.е. стойкого к коррозии воздухоподогревателя.
В зависимости от концентрации дисперсного материала З.Р. Горбис [12, 13] классифицирует такие теплообменники на аппараты с газовзвешен-ным (концентрация частиц 0,01-0,03 м /м ), плотным (0,2-0,6 M7MJ) и псев-доожиженным слоем (0,03-0,3 м /м ). Последние, по мнению автора, являются наиболее перспективными, поскольку здесь имеется возможность организации циркуляции насадки по камерам аппарата без применения каких-либо побуждающих устройств (транспортеров, элеваторов и т.д.).
Одной из первых разработок подобного типа, по-видимому, является воздухоподогреватель, предложенный Забродским С.С. с сотрудниками [14]. Аппарат состоит из двух камер, в одну из которых подается горячий газ («горячая» камера), а в другую воздух («холодная» камера). Дисперсный материал (песок, шамот и т.д.) псевдоожижается потоками газа и воздуха, проходящими через камеры. За счет расширения слоя в «горячей» камере и его пульсаций частицы подбрасываются вверх, отбрасываются наклонной полкой и улавливаются специальным «карманом», откуда они плотным слоем сползают в «холодную» камеру.
Аналитическое решение задачи
В целях упрощения получаемых аналитических соотношений для расчета температурных полей в дополнение к принятым ранее допущениям считаем, что из-за интенсивного перемешивания частиц в псевдоожиженном слое их температура в любом сечении в направлении координаты у остается постоянной, т.е.
Кроме того, полагаем, что в каждом сечении слоя теплообмен между газом и частицами заканчивается в пределах активной зоны, толщина которой несущественна по сравнению с толщиной слоя, т.е. = 0.
Для расчета (2.24) и (2.25) была разработана компьютерная программа, которая приведена в приложении. В результате расчетов получены графики распределения температур теплоносителей по относительной длине газораспределительной решетки, представленные на рис. 2.4 - 2.15.
Исследования проводились на установке, принципиальная схема которой показана на рис.3.1, а общий вид - на рис.3.2. Основным элементом установки является теплообменный аппарат 1, который представляет собой кольцевую камеру, образованную коаксиальными обечайками диаметрами 200 и 380 мм. Для визуального наблюдения процесса и возможности фотосъемки наружные стенки камер выполнены из органического стекла. Общий вид экспериментального воздухоподогревателя показан на рис. 3.3.
Принципиальная схема установки: 1-воздухоподогреватель; 2-газораспределительная решетка; 3-калорифер; 4-вентиляторы; 5-термопары; 6-термометры; 7-микроманометры. Рис. 3.2. Общий вид экспериментальной установки
Общий вид экспериментального воздухоподогревателя В камере на специальных кронштейнах закреплена сменная газораспределительная решетка 2. В опытах использовалась жалюзийная газораспределительная решетка, общий вид которой показан на рис. 3.4.
Решетка состоит из стального каркаса и поворотных лопаток. Угол наклона лопаток может изменяться в пределах от 20 до 40. Для исключения провала частиц и более равномерного газораспределения решетки накрывались стальной сеткой с «живым» сечением 50 %.
В качестве ожижающего газа используется атмосферный воздух, подаваемый в теплообменный аппарат высоконапорными вентиляторами 4 типа ЦІ0-28 № 3. Вентиляторы обеспечивают избыточное давление газа 4500 Па при номинальной производительности 3500 м3/ч. Расход ожижающего газа регулируется поворотной заслонкой, установленной на всасывающей стороне вентилятора. Для измерения расхода ожижающего газа служат «интегрирующая трубка» (на схеме 3.1. показана условно) в комплекте с микроманометром 7 типа ММН-240 (класс точности 1). Применяемая трубка изготавливалась в соответствии с рекомендациями /81, 82/ и предварительно тариро валась на специальном стенде по стандартной диафрагме, позволяющей измерить объемный расход газа с погрешностью ± 0,5%.
Гидравлическое сопротивление рабочей камеры (потери давления ожижающего газа в системе «решетка-слой») определяется по перепаду статического давления, измеряемого микроманометром 7 (тип ММН-240, класс точности 1).
Для подогрева ожижающего агента служит электрокалорифер 3 типа СФОЦ-25/0,5-Ц1 максимальной мощностью 24 кВт. С помощью лабораторного трансформатора типа РНО-250-5 производится плавное регулирование потребляемой калорифером мощности и, таким образом, регулируется температура ожижающего воздуха от комнатной до 90С. Мощность тока, потребляемого электрокалорифером, определяется по показаниям амперметра (А) и вольтметра (V) и служит для предварительной оценки температуры воздуха. Для обеспечения стационарного режима работы установки воздух, выходящий из рабочей камеры, отводится из помещения.
Для измерения температуры ожижающего агента в различных точках рабочей камеры служат термоэлектрические термопары 5 градуировки ХК, изготовленные из проволоки диаметром 0,2 мм. В качестве вторичного прибора к ним используется автоматический потенциометр КСП-4 или ТРМ-138.
Перед началом опытов осуществлялась градуировка термопар по образцовому ртутному термометру с ценой деления 0,1 С. Относительная погрешность при измерении температуры не превышает ±0,5%.
Исследование гидравлических параметров
Данная серия опытов проводилась с целью проверки адекватности полученного соотношения (2.33) для определения скорости движения насадки, а также получения оптимальных значений высоты слоя насадки и скорости газообразных теплоносителей.
Опыты проводилось на «холодной» модели (при выключенном калорифере) в следующей последовательности. В аппарат загружалась определенная масса дисперсного материала и включались вентиляторы. В ходе исследований измеряли минимальную скорость воздуха, при которой начиналось движение слоя частиц (w " ), скорость воздуха, при которой циркуляция насадки носит устойчивый и интенсивный характер (рабочую скорость). Затем измеряли скорость движения частиц насадки и гидравлическое сопротивление системы «газораспределительная решетка + слой». Измерение средней скорости частиц производили с помощью меченой частицы и секундомера.
Хорошее совпадение теоретических и экспериментальных данных (20 %) свидетельствует об адекватности принятых допущений при выводе (2.33) и позволяет рекомендовать эту зависимость для практического использования.
В результате визуальных наблюдений было установлено, что оптимальная «насыпная» высота слоя насадки должна составлять (20-т-30) э, а рабочая скорость газообразных теплоносителей находиться в диапазоне wr = (1,4 -г 1,8) w". Минимальная скорость газообразных теплоносителей с погрешностью не превышающей 10% определяется по аналитическому соотношению В.В. Фалеева (1.5), а гидравлическое сопротивление системы «решетка + слой» - по эмпирической формуле Ю.Н. Агапова (1.16).
Данная серия экспериментов проводилась с целью проверки адекватности разработанной выше математической модели теплообмена в перемещающемся псевдоожиженном слое, а также для получения эмпирического уравнения для определения межфазного коэффициента теплоотдачи. Опыты проводились при установившихся тепловом и аэродинамическом режимах, показателем которых служило постоянство температуры воздуха на выходе из теплообменника при начальной температуре греющего теплоносителя от 40 до 80 С. В дополнение к указанным выше гидродинамическим параметрам в этой серии опытов измеряли: - температуру греющего воздуха на входе в аппарат (Г ); - температуру греющего воздуха на выходе из аппарата (среднее значение Т" и по ходу циркуляции насадки Тх",Т2",Т3",Т4"); - температуру насадки на входе (# ) и выходе (#") из «горячей» камеры.
На этом рисунке приведены зависимости, построенные по известным и приведенным в 1 главе диссертации формулам других авторов. В целом совпадения удовлетворительные. Более высокие значения коэффициентов меж фазного теплообмена по (1.21) связано, на наш взгляд, с разными подходами при определении температурного напора.
Проведенные тепловые испытания подтвердили работоспособность исследуемого воздухоподогревателя и, несмотря на низкие перепады температуры теплоносителей, достаточно высокую тепловую эффективность [86]. На рис. 3.9 показана зависимость коэффициента тепловой эффективности аппарата от водяных эквивалентов теплоносителей, построенная на основании опытных данных и по формуле Неганова А.П. (1.31).
Методика инженерного расчета воздухоподогревателя
При конструктивном тепловом расчете воздухоподогревателя исходными данными следует считать: - объемные расходы греющего газа и воздуха (V, , VB ); - температура греющего газа и воздуха на входе в аппарат (Т г, 7 ); - температура воздуха на выходе из аппарата (Тв ); - теплофизические свойства теплоносителей (рг,сг,рв,св,рт,ст). Целью расчета является определение следующих конструктивных и эксплуатационных параметров теплообменника: - материала, размера частиц и массы дисперсного материала насадки «, Мт)\ - рабочих скоростей греющего газа и воздуха (wr,wB); - тепловой эффективности воздухоподогревателя (г/т); - гидравлического сопротивления воздухоподогревателя (АР).
Выбор материала насадки, в первую очередь, обусловлен температурными условиями работы теплообменника. Для высокотемпературных аппаратов, с температурой горячего теплоносителя более 1000 С, весьма перспективным является оксид алюминия и изготовленные на его основе материалы, корунд, корундомуллит, алунд и др. [88-90].
К материалам, обладающим огнеупорностью при температурах выше 1300 С, относятся также тугоплавкие металлы, металлокерамика, графит и окиси металлов. Высокой термостойкостью и прочностью, например, обладает соединение Zr02 - Si02 (циркон) с температурой плавления 2550 С. Подобный теплоноситель изготовляется с диаметром частиц 0,2-15 мм.
В области умеренных температур следует принять более дешевые материалы. Здесь можно использовать базальтовое литье, обладающее стойкостью против коррозии и износа. Может найти применение чугунная или стальная дробь, а также крупный сеянный песок. Для низкотемпературных теплообменников весьма перспективной, на наш взгляд, является насадка из алюминиевого сплава В-95, обладающая сравнительно малой плотностью (рг =2850кг/м3) и высокой удельной теплоемкостью (с7. =0,84 ). По кг-К добный теплоноситель изготавливается в виде частичек кубической формы с размером грани 2 мм и 4 мм.
Диаметр частиц дисперсного материала оказывает двоякое влияние на эффективность работы аппарата. С одной стороны, с его увеличением возрастает коэффициент теплоотдачи [27], а с другой при этом возрастает гидравлическое сопротивление псевдоожиженного слоя частиц. Оптимальное значение эквивалентного диаметра частиц насадки должно определяться на основании технико-экономических расчетов.
Гидродинамику тонкого псевдоожиженного слоя, помимо параметров дисперсного материала, определяет также конструкция газораспределительного устройства. На основании проведенных исследований, для аппаратов с направленным перемещением псевдоожиженного слоя, можно рекомендовать жалюзийные газораспределительные решетки следующих параметров: - угол наклона жалюзи - 30 + 35 ; - шаг установки жалюзи - 20 н- 30 мм; - относительный шаг установки жалюзи — 0,8 + 0,9 мм; - толщина жалюзи — 1,0 + 1,5 мм. Для исключения провала частиц дисперсного материала решетка накрывается металлической сеткой с размером ячеек менее d3Ke.
1. Разработана, реализована и экспериментально подтверждена математическая модель теплообмена в перемещающемся (циркулирующем) псевдоожиженном слое.
2. Получены аналитические зависимости для расчета температурных полей и скорости движения насадки.
3. Выполнены экспериментальные исследования гидродинамики и теплообмена в исследуемом воздухоподогревателе.
4. Экспериментально доказано, что для устойчивой и интенсивной циркуляции насадки «насыпная» высота слоя дисперсного материала должна составлять (204-30)я?э, а скорость газообразных теплоносителей в (1,44-1,8) раза больше ее минимального значения.
5. Получено эмпирическое критериальное уравнение для расчета межфазного коэффициента теплообмена в перемещающемся псевдоожиженном слое в диапазоне чисел Рейнольдса от 800 до 4200.
6. Предложены рекомендации для определения конструктивных и эксплуатационных параметров воздухоподогревателя с циркулирующим псев-доожиженным слоем насадки.
Похожие диссертации на Гидродинамика и теплообмен в регенераторе с дисперсной насадкой
