Введение к работе
Актуальность темы исследования. Высокотемпературные установки (ВТУ) такие как, стекловаренные печи, характеризуются не только своим интенсивным энергопотреблением, но также выбросом горячих дымовых газов и низкой утилизацией энергии топлива. Вследствие этого были созданы энергосберегающие системы, основанные на термической рекуперации (ТР) теплоты горячих дымовых газов.
Высокие затраты энергии и растущее беспокойство по поводу негативных последствий потребления энергии ископаемого топлива, способствовали развитию технологий термохимической рекуперации (ТХР), в которых дополнительное количество теплоты от дымовых газов используется для превращения топлива в газовую смесь с более высоким тепловым эффектом. Природный газ способен превращаться в синтез-газ при помощи эндотермических реакций конверсии метана, его основного компонента. Таким образом, ТХР в сочетании с ТР способствует значительному снижению количества топлива, необходимого для энергоснабжения ВТУ.
В настоящей диссертации проводится анализ преимуществ использования системы ТХР в ВТУ, при условиях работы, подобных условиям функционирования стекловаренных установок. Представленные здесь результаты исследования опираются на работы российских и зарубежных ученых: И. И. Перелётова, М. Ф. Шопшина, В. Н. Новосельцева, А. И. Тюрина, В. Г. Носача, А. Н. Крылова, G. F. Froment, J. Xu, М. Н. Wesenberg, J. A. Liu и др., посвященные термохимической рекуперации, конверсии метана и повышению энергоэффективности.
Целью работы является повышение энергетической эффективности высокотемпературных установок на основе термохимической рекуперации.
Для достижения поставленной цели были определены следующие задачи:
разработка одномерной математической модели химических, тепломассо-обменных и гидравлических процессов, протекающих в каналах реактора-рекуператора (РР), в объеме которого расположены реакционные элементы (РЭ), имеющие вид трубы Фильда.
проверка адекватности одномерной математической модели путем сравнения с экспериментальными данными и результатами численного моделирования, выполненного в вычислительном комплексе Fluent по разработанной в нём двумерной модели;
проведение численных расчётов локальных характеристик полей концентраций газовых компонентов и температур в каналах РР с помощью разработанных математических моделей;
повышение энергоэффективности ВТУ, использующей ТХР, посредством усовершенствования существующей технологической схемы;
Определение параметров функционирования усовершенствованной технологической схемы и оценка её эффективности на основе массовых и энергетических балансов;
Объектом исследования является система ТХР в технологических схемах ВТУ, подобных стекловаренным установкам.
Предметом исследования являются процессы, протекающие в ВТУ с ТХР, а также условия повышения их энергоэффктивности.
Инструментом исследования являются разработанные в вычислительных комплексах Mathematica и Fluent математические модели химических и тепло-массобменных явлений, протекающих в PP.
Методы исследования. При решении задач данной диссертационной работы были использованы понятия и методы термодинамики, теории явлений переноса теплоты и массы, а также теории разработки реакционных аппаратов. При проведении вычислительных экспериментов были использованы методы численного моделирования теплообмена и гидродинамики.
Научная новизна работы
1. Впервые разработана математическая модель РР, которая позволяет опре
делить температурное поле протекающих по тракту РР газов с учетом перемен
ности их теплофизических свойств и свойств конструктивных элементов, обра
зующих РР; влияния рабочих параметров (температуры, давления, расхода га
зов) и режимов работы на рекуперацию теплоты и эффективность PP. От из
вестных моделей она отличается тем, что учитывает:
зависимость теплофизических свойств газов (коэффициентов переноса тепла и массы) от температуры, давления и концентрации;
влияние температуры на теплопроводность и степень черноты катализатора и стенок каналов проточной части РР;
явление многокомпонентной диффузии и химические реакции в наружных порах вставки катализатора РЭ, а также процесс внешней диффузии в кольцевом канале РЭ;
определение коэффициентов эффективности каталитических реакций для моделирования внутренней диффузии, расчёт локальных значений чисел Нус-сельта Шервуда по тепло- и массобменным поверхностям РЭ и потоков излучения в каналах РЭ и РР, а также проведение гидравлических расчётов;
Подтверждено, что при соотношении между молярными расходам водяного пара и метана в смеси, поступающей в РР, равном двум процесс термохимической рекуперации протекает с наибольшим коэффициентом полезного действия, при более низкой величине этого отношения наблюдается интенсивное сажеобразование.
На основании массового, энергетического и эксергетического балансов технологической схемы с ТХР определены эффективные условия её работы. Установлено, что использование ТХР в промышленных высокотемпературных процессах позволяет увеличить энергоэффективность технологических схем, работающих при условиях подобных существующим в стекловаренных установках, на 26 % по сравнению с ныне действующими схемами.
Достоверность полученных результатов подтверждается удовлетворительным совпадением результатов численных расчётов, выполненных по моделям,
разработанным в вычислительных комплексах Mathematica и Fluent, а также с экспериментальными данными, опубликованными Новосельцевым В.Н. и др.1
Практическая ценность работы заключается в том, что разработанная математическая модель РЭ реактора-рекуператора позволяет, при относительно не больших компьютерных ресурсах, достаточно точно определить рабочие характеристики аппарата (при заданных условиях эксплуатации), оценить его энергетическую эффективность и исследовать влияние конструктивных параметров на конверсию метана и рекуперацию теплоты. Установленные режимные параметры технологической схемы с ТХР, позволяют не только повысить её эффективность, но и снизить выбросы углекислого газа в атмосферу.
Основные положения, выносимые на защиту:
Математическая модель РР, описывающая процессы переноса тепла и массы в условиях высокотемпературного излучения и химические превращения, с учетом переменности тепло физических свойств тел, участвующих в указанных процессах.
Данные сопоставительного анализа, выполненного по результатам моделирования в вычислительном комплексе Fluent, расчётам по разработанной одномерной математической модели РР и экспериментальным литературным данным.
Результаты оценки энергетической эффективности технологической схемы с ТХР и предложения по её использованию в ВТУ.
Апробация работы. Основные положения и результаты данной диссертационной работы были представлены и обсуждены на XV и XVI международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» - Москва 2009 и 2010 гг.; Летней конференции по теплообмену Американского общества инженеров-машиностроителей - ASME - Сан-Франциско, США, 2009 г. и на VII международном междисциплинарном конгрессе научных исследований - Санто-Доминго, Доминиканская Республика, 2011 г.
Публикации. Основные научные положения, выводы и рекомендации диссертации содержатся в 6 опубликованных работах, одна из которых опубликована в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Структура диссертационной работы. Диссертация содержит 142 страницы машинописного текста и состоит из введения, 4 глав, заключения, списка использованной литературы (93) и приложений.
Новосельцев В. Н., Тюрин А. И., Волков В. А., Шопшин М. Ф. Опытная стекловаренная печь с глубокой регенерацией тепла дымовых газов на Гусевском заводе стекловолокна, Москва. 1977.
