Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 5
ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ 12
1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ
ПСЕВДООЖИЖЕННОГО СЛОЯ В ТЕПЛОМАССООБМЕННЫХ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССАХ И АППАРАТАХ 14
1.1. Предпосылки эффективного использования принципа кипящего
слоя в тепломассообменных процессах и аппаратах 14
Гидродинамика тонкого направленно перемещающегося псевдоожиженного слоя 34
Межфазный тепломассообмен в тонком псевдоожиженном слое дисперсного материала 43
Влияние различных факторов на эффективность использования псевдоожиженного слоя в теплотехнологических установках 49
Особенности трехфазного псевдоожижения 54
Выводы 72
2. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ФОРМИРОВАНИЯ
И ГИДРОДИНАМИКИ ЦЕНТРОБЕЖНОГО ПСЕВДООЖИЖЕННОГО
СЛОЯ 74
Особенности процесса формирования центробежного псевдоожиженного слоя 74
Движение центробежного псевдоожиженного слоя 81
Выводы 89
3. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛОМАССОБМЕНА
В ЦЕНТРОБЕЖНОМ СЛОЕ 91
Влияние центробежных сил на интенсивность межфазного теплообмена 91
Распределение температур газов и частиц по контуру циркуляции 93
Распределение температур теплоносителей при трехфазном псевдоожижении 101
Выводы 105
4. ЗКСПЕРРІМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ГИДРОДИНАМРІКИ
И ТЕПЛООБМЕНА В ЦЕНТРОБЕЖНОМ СЛОЕ 107
Общий вид критериальные уравнений и планирование экспериментов 107
Экспериментальная установка и оценка точности измеряемых параметров 111
Экспериментальное исследование газораспределительных устройств, формирующих центробежный слой 119
Сравнение центробежного слоя с направленно перемещающимся псевдоожиженным слоем в прямолинейном канале 125
Экспериментальное исследование процесса формирования
и гидродинамики центробежного слоя 130
4.6. Экспериментальное исследование межфазного теплообмена
в центробежном слое 143
4.7. Выводы 150
5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТРЕХФАЗНОГО
ЦЕНТРОБЕЖНОГО ПСЕВ ДООЖИЖИЖЕННОГО СЛОЯ 151
Определение общего вида критериальных зависимостей 151
Экспериментальная установка и методика исследований 152
Экспериментальное исследование гидродинамики и тепломассообмена 155
Выводы 165
6. ЗКСПЕРРІМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНРІЕ ТЕПЛООБМЕННРІКОВ
С ЦЕНТРОБЕЖНЫМ СЛОЕМ ПРОМЕЖУТОЧНОГО ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ 166
Распределение температур теплоносителей в аппарате 166
Определение коэффициентов тепловой эффективности теплообменников 170
Исследование абразивного износа и перетоков в теплообменнике 179
Выводы 185
7. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ АППАРАТОВ
С ТРЕХФАЗНЫМ ПСЕВДООЖИЖИЖЕННОМ СЛОЕМ 186
Исследование воздухоохладителей испарительного типа 186
Исследование аппарата для очистки вентвыбросов 194
Сравнение воздухоохладителя с вентиляторной градирней 199
Исследование процесса сушки мелкозернистых материалов
в центробежном псевдоожиженном слое 206
7.5. Выводы 215
8. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ РАСЧЕТА И ОПТИМИЗАЦИИ
ПАРАМЕТРОВ АППАРАТОВ С ЦЕНТРОБЕЖНЫМ СЛОЕМ 217
Методика конструктивного расчета теплообменника 217
Методика расчета воздухоохладителя 221
Методика расчета охладителя жидкости 224
Методика расчета сушильной установки 226
Определение оптимальных параметров аппаратов 228
Выводы 235
9. ТЕХНИКО - ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ
АППАРАТОВ С ЦЕНТРОБЕЖНЫМ СЛОЕМ И ПРАКТИЧЕСКАЯ
РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ 236
Сравнительная эффективность теплообменников с центробежным слоем и аппаратов других типов 236
Технико-экономическая эффективность аппаратов с трехфазным
псевдоожиженным слоем 241
9.3. Реализация результатов исследований 246
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ 251
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 253
ПРИЛОЖЕНИЯ 277
Введение к работе
Актуальность проблемы. Федеральная целевая программа «Энергетическая стратегия России на период до 2020 года» предусматривает существенное улучшение использования энергетических ресурсов, всемерную экономию топлива и энергии, обеспечение на этой основе значительного снижения энергоемкости производства III. Промышленный теплотехнологический комплекс является одним из основных потребителей топливно-энергетических ресурсов страны, его теплотехнические системы характеризуются низкими коэффициентами теплоиспользования, а также исключительно большими возможностями экономии топлива. Радикальное решение проблемы экономии и подъема эффективности использования топлива и энергии возможно только на основе прогрессивных энерго- и ресурсосберегающих, экологически совершенных технологий и оборудования 121.
Одним из перспективных направлений решения этой проблемы является использование принципа псевдоожиженного (кипящего) слоя как в теплооб-менных аппаратах, так и различных технологических процессах и системах (сушке, обжиге и термообработке мелкозернистых материалов, сжигании и газификации твердого топлива, оборотном водоснабжении, испарительном охлаждении воздуха, очистке вентвыбросов и т.д.). Это отмечено в работах Н.И. Гельперина, В.Г. Айнштейна, А.П. Баскакова, З.Р. Горбиса, А.Д. Ключникова и ряда других отечественных и зарубежных ученых. Из известных схем и конструкций теплотехнологических установок, реализующих этот принцип, значительный интерес представляют аппараты с центробежным псевдоожижен-ным слоем, который формируется при движении частиц вдоль кольцевого канала за счет действия на них направленных потоков газов. Процессы межфазного теплообмена, псевдоожижения и транспорта твердой фазы в них совмещены. Газообразные потоки не только обмениваются теплотой с мелкозернистым материалом, но и обеспечивают его перемещение в аппаратах без специальных транспортирующих устройств. Вследствие достоинств этого теп-
лотехнического принципа - значительной объемной теплоемкости потока дисперсного теплоносителя, устойчивости к коррозии, способности твердых частиц самоочищаться, высокоразвитой удельной поверхности теплообмена, термостойкости, отсутствия движущихся механизмов и компактности - появляется возможность существенно интенсифицировать процессы межфазного тепломассообмена при незначительных затратах энергии. Однако в настоящее время практически отсутствуют сведения о механизме движения, структуре, гидродинамике и теплообмене в центробежном псевдоожиженном слое, которые послужили бы научной базой для разработки методики инженерного расчета аппаратов такого типа и их широкому внедрению в промышленности. В связи с изложенным представляется актуальным проведение теоретических и экспериментальных исследований процессов гидродинамики и тепломассообмена в центробежном псевдоожиженном слое, разработка новых конструкций теплотехнологического оборудования, реализующих данный теплотехнический принцип, и методов их расчета.
Настоящая работа выполнялась в рамках общесоюзных научно-технических программ ГКНТ СМ СССР 0.01.11 (1986 - 1990 гг.), комплексного плана научно-исследовательских работ Воронежского государственного технического университета (1986 - 2005 гг.), ГБ 91.12 «Анализ процессов и теплоэнергетических установок промышленных предприятий» (№ гос. per. 01910011394), ГБ 96.12 «Анализ процессов тепломассообмена энергетического оборудования» (№ гос. per. 01970000498), ГБ 01.12 «Исследование процессов тепломассообмена энергетического оборудования» (№ гос. per. 01200117677), ХД 8.81 «Оптимизация технологических процессов на ВШЗ (№ гос. per. 81013986), ХД 32.88 «Разработка и исследование высокоразвитых теплообменных поверхностей для реализации метода регенеративного косвенно-испарительного охлаждения воздуха» (№ гос. per. 01880020160), ХД 71.89 «Повышение энергетической эффективности и экологической чистоты систем вытяжной вентиляции и кондиционирования воздуха» (№ гос. per. 01890087439), ХД 04.97 «Оказание консультационных услуг по вопросам
исследования оптимизации работы теплообменного оборудования» (№ гос. per. 01200002269), ХД 1.01 « Комплексный анализ системы теплоснабжения ВАСО» (№ гос. per. 01200112406).
Цель работы. Развитие теории и методов расчета процессов гидродинамики и тепломассообмена в центробежном псевдоожиженном слое. Для достижения этой цели поставлены следующие задачи:
разработка математической модели, позволяющей выявить особенности процессов формирования и движения центробежного псевдоожиженного слоя, получить уравнение его свободной поверхности, а также зависимости для определения скорости газа, соответствующей началу движения слоя, и скорости движения твердых частиц;
разработка математических моделей процессов тепломассообмена при двух- и трехфазном псевдоожижении, позволяющих определить характер распределения температур газов, жидкости и твердой фазы в центробежном слое;
экспериментальное исследование гидродинамики и тепломассообмена в центробежном псевдоожиженном слое с целью проверки адекватности разработанных математических моделей и получения эмпирических зависимостей для определения порозности, гидравлического сопротивления, расхода твердой фазы и коэффициента межфазного теплообмена;
разработка высокоэффективных аппаратов, реализующих теплотехнический принцип псевдоожижения в поле центробежных сил, предназначенных для использования теплоты низкопотенциальных отходящих газов, охлаждения воздуха и воды, сушки мелкозернистых материалов;
- экспериментальное исследование разработанных аппаратов с целью
проверки их работоспособности и тепловой эффективности;
- разработка инженерной методики расчета и оптимизации конструктив
ных и эксплуатационных параметров аппаратов такого типа.
Научная новизна работы определяется следующими результатами:
Впервые выявлены особенности процессов формирования и движения центробежного псевдоожиженного слоя в кольцевом канале.
Аналитически получены уравнение свободной поверхности слоя и зависимости для определения скорости газа, соответствующей началу движения слоя, угла наклона газораспределительной решетки, обеспечивающего равномерное распределение материала на ней и скорости движения твердых частиц.
Разработаны модели процессов тепломассообмена в центробежном слое, позволяющие выявить закономерности распределения в нем температур газообразной, твердой и жидкой фаз при двух- и трехфазном псевдоожижении.
Получены эмпирические критериальные зависимости для определения порозности, скорости движения псевдоожиженного слоя, перепада давления в нем и газораспределительной решетке, коэффициентов межфазного теплообмена при двух - и трехфазном псевдоожижении отличающиеся учетом влияния центробежных сил.
Разработаны методики расчета регенеративного теплообменника, аппарата испарительного охлаждения воздуха, водоохладителя и установок для сушки мелкозернистых материалов с центробежным псевдоожиженным слоем, и определены их оптимальные режимные и конструктивные параметры.
Разработан ряд конструкций тепломассообменных аппаратов, новизна и оригинальность которых защищены авторскими свидетельствами и патентами.
На защиту выносятся:
модель процесса формирования и движения центробежного псевдоожиженного слоя в кольцевом канале;
аналитические соотношения для определения скорости газов, соответствующей началу движения слоя и скорости его вращения;
аналитическое решение задачи определения угла наклона газораспределительной решетки к оси аппарата;
модель процессов тепломассообмена в центробежном псевдоожижен-ном слое и аналитическое решение задачи о распределении температур теплоносителей в нем;
результаты исследования влияния центробежных сил на интенсивность межфазного теплообмена;
результаты экспериментальных исследований гидродинамики и тепломассообмена двух- и трехфазных псевдоожиженных систем и полученные на их основе эмпирические критериальные зависимости для определения коэффициента межфазного теплообмена и порозности, а также перепада давления в слое и газораспределительной решетке;
методика расчета процессов гидродинамики и тепломассообмена в аппаратах с центробежным псевдоожиженным слоем и результаты оптимизации их режимных и конструктивных параметров.
Достоверность результатов и выводов подтверждается использованием известных фундаментальных исследований тепломассообменных процессов и аппаратов, лабораторными и опытно-промышленными испытаниями разработанных установок, а также сопоставлением их данных с результатами исследований других авторов.
Практическая ценность и реализация работы в промышленности.
Полученные в работе результаты позволяют осуществить тепловой и аэродинамический расчеты регенеративного и газовоздушного теплообменного аппарата с центробежным слоем промежуточного теплоносителя, а также могут использоваться для расчетов процессов теплообмена между газами и твердым мелкозернистым материалом в теплотехнологических установках, охладителей воды и воздуха, установок для сушки мелкозернистых материалов. Разработанные теплотехнические принципы интенсификации тепломас-сопереноса могут широко применяться в различных отраслях промышленности. Результаты исследований использованы при разработке теплотехниче-
ских установок с центробежным слоем, внедренных на Воронежском шинном заводе, на Воронежской ТЭЦ-2, ЗАО «Гидрогаз», в ВПО «Электросигнал», ГПЗ «Масловский», КСП «Лискинский», ОАО «Работница», НПО «Электроника», «Алиот», НВАЭС, а также при проведении практических занятий и курсов лекций в ВГТУ.
Разработанный регенеративный теплообменник с центробежным слоем награжден золотой медалью ВДНХ СССР.
Апробация работы. Основные положения диссертации изложены и обсуждены на: III Международном симпозиуме «Термодинамика кипящего слоя. Термофлюид - 85» (Ченстохово, 1985); Международных конференциях
+ «Системные проблемы качества, математического моделирования, информа-
ционных и электронных технологий» (Сочи, 2001 - 2005), «Современные энергосберегающие тепловые технологии» (Москва, 2005); XII Всесоюзной научно-технической конференции «Теория и практика циклонных технологических процессов в металлургии и других отраслях промышленности» (Днепропетровск, 1982); Всесоюзных и Всероссийских научно-технических конференциях «Проблемы энергетики и теплотехнологии» (Москва, 1983, 1987), «Проблемы эффективного использования энергоресурсов в промыш-
^ ленности» (Миасс, 1985), «Пути интенсификации производства и примене-
ния искусственного холода в отраслях АПК» ( Москва, 1985), «Разработка и использование новых типов энерготехнологических и теплоутилизационных установок с глубоким использованием вторичных энергоресурсов» (Москва, 1985), «Состояние и перспективы развития электротехнологии» (Иваново, 1985), «Разработка и использование новых типов теплотехнологических и теплоутилизационных установок с глубоким использованием вторичных энергоресурсов» (Баку, 1985), «Внедрение достижения научно-технического прогресса в проектировании источников и систем теплоснабжения» (Рига,
~ 1986), «Разработка и реализация региональных программ энергосбережения»
(Ленинград, 1987), «Методы диагностики двухфазных и реагирующих потоков» (Алушта, 1988), «Научно-технический прогресс в области совершенст-
вования тепловых процессов и новых технологий промышленных установок и ТЭЦ» (Челябинск, 1987), «Прикладные задачи механики и теплоснабжения в авиастроении» (Воронеж, 2001), «Современные аэрокосмические технологии» (Воронеж, 2000, 2003); региональном семинаре «Процессы тепломассообмена в энергомашиностроении» (Воронеж, 1991-2002).
Публикации. По теме диссертации опубликована 91 работа, в том числе монография, 14 работ в периодических научно-технических изданиях, рекомендуемых для публикации результатов диссертации на соискание ученой степени доктора наук и получено 18 авторских свидетельств и патентов на изобретения.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, девяти глав, выводов, библиографического списка из 219 наименований, приложений и изложена на 310 страницах, содержит 92 рисунка и 7 таблиц.
