Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ существующих методов утилизации теплоты и очистки топочных газов теплогенерирующих установок 10
1.1 Существующие методы и аппараты для утилизации теплоты и очистки
топочных газов теплогенерирующих установок 10
1.2 Регулирование расхода и транспорт твердого зернистого теплоносителя 19
1.3 Зернистый теплоноситель и его свойства 24
1.4 Механика движения и физико-механические свойства
движущегося плотного слоя зернистого теплоносителя 27
1.5 Теплообмен и аэродинамика в движущемся плотном
слое зернистого теплоносителя 30
1.6 Выводы по первой главе 36
1.7 Цель и постановка задач исследования 36
2 Математическое моделирование процессов тепломассообмена в перекрестно-продуваемом движущемся плотном зернистом слое 38
2.1 Общая постановка задачи 38
2.2 Основные дифференциальные уравнения, описывающие процесс тепломассообмена в перекрестно-продуваемом плотном зернистом слое . 41
2.3 Теплофизические и адсорбционные свойства зернистых материалов.
Общие замечания о динамике процесса тепло- и массопереноса 46
2.4 Ограничения на скорости зернистого слоя и газового потока 53
2.5 Интегрирование дифференциальных уравнений теплопереноса 55
2.5.1 Аналитическое решение нестационарной задачи теплопередачи от дымовых газов к продуваемому неподвижному зернистому слою 56
2.5.2 Решение стационарной задачи теплопередачи 57
2.6 Оценка периодичности процесса "нагрев-охлаждение"
зернистого теплоносителя 64
2.7 Интегрирование дифференциального уравнения адсорбции 65
2.8 Выводы по второй главе 70
3 Экспериментальное исследование тепломассообмена в перекрестно продуваемом движущемся плотном зернистом слое 71
3.1 Экспериментальная установка 71
3.2 Измерительная аппаратура и схема инструментальных гидродинамических и тепловых измерений 74
3.2.1 Общая измерительная аппаратура 74
3.2.2 Специальная измерительная аппаратура 74
3.3 Методика проведения экспериментов 77
3.3.1 Задачи и целевые функции экспериментов 77
3.3.2 Определяющие факторы и планирование эксперимента 78
3.3.3 Параллельные опыты. Исключение грубых ошибок. Погрешность измерений 80
3.3.4 Методика расчета эмпирических констант 82
3.4 Результаты экспериментов и их математическая обработка 83
3.4.1 Поле температур в движущемся плотном зернистом слое 83
3.4.2 Исследование изменения температурных полей в экспериментальном теплоутилизаторе-адсорбере 92
3.4.3 Потери давления 97
3.4.4 Результаты эксперимента с тепловыми трубами 98
3.4.5 Оценка адсорбционной способности цеолита 99
3.5 Выводы по третьей главе 100
4 Промышленное проектирование и применение зернистого теплоутилизатора-адсорбера 102
4.1 Блок-схема и программа расчета температурных полей и парметров адсорбции в теплоутилизаторе-адсорбере 102
4.2 Методика инженерного расчёта теплоутилизатора-адсорбера по осреднённым параметрам 106
4.3 Оценка основных характеристик опытно-промышленного модуля зернистого теплоутилизатора-адсорбера 108
4.4 Описание конструкции, принципа действия и области применения модуля зернистого теплоутилизатора (теплоутилизатора-адсорбера) 110
4.5 Экономическая эффективность проекта модуля зернистого теплоутилизатора 113
4.5.1 Экономия тепловой энергии 115
4.5.2 Расчет чистого дисконтированного дохода 115
4.6 Промышленное внедрение модуля зернистого теплоутилизатора за котельным агрегатом 116
4.7 Выводы по четвертой главе 118
Выводы 120
Библиографический список литературы
- Регулирование расхода и транспорт твердого зернистого теплоносителя
- Основные дифференциальные уравнения, описывающие процесс тепломассообмена в перекрестно-продуваемом плотном зернистом слое
- Измерительная аппаратура и схема инструментальных гидродинамических и тепловых измерений
- Методика инженерного расчёта теплоутилизатора-адсорбера по осреднённым параметрам
Введение к работе
Актуальность темы. Одной из важнейших научно-технических проблем является энергосбережение и охрана окружающей среды от токсичных газообразных выбросов, выделяемых при сгорании твердого, жидкого и газообразного топлива в теплогенерирующих установках. В то же время основной задачей, решение которой определяет состояние топливно-энергетического хозяйства, является энергосбережения.
Экономия топливно-энергетических ресурсов (ТЭР) и создание малоотходных технологий при эксплуатации энергетических установок приобретает в настоящее время особую актуальность.
Повышение эффективности работы и экологической безопасности тепло-генерирующих установок за счет применения комплексных систем утилизации теплоты и адсорбционной очистки уходящих газов с последующим использованием уловленных загрязняющих веществ и теплоты является актуальнейшей задачей, решение которой позволит создавать эффективные тепловые схемы и компактные технические решения.
Создание методологии проектирования теплоутилизаторов-адсорберов (ТУА) должно базироваться на математическом моделировании соответствующих процессов, что является одной из задач исследования настоящей работы.
Применение ТУА - это не только сбережение энергоресурсов, но и защита окружающей среды от вредных газовых выбросов, в том числе и за счет сокращения выбросов СОг (парникового газа) в атмосферу.
Если по проектированию теплоутилизационных аппаратов исследования разрознены и требуют обобщения в отечественной и зарубежной практике конструирования перечисленных устройств, то по разработке комплексных ТУА решение находится на начальном уровне и нуждается в тщательной проработке.
Данная работа выполнялась в соответствии с целевой программой ГКНТ и ГОССТРОЯ России, а также с межвузовскими программами «Строительство» по научному направлению: «Разработка систем теплогазоснабжения с целью эко-
номии ТЭР и защиты окружающей среды от тепловых и вредных газообразных выбросов энергетических установок».
Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является совершенствование метода комплексной утилизации теплоты и адсорбционной очистки топочных газов теплогенерирующих установок на основе математического моделирования.
В связи с поставленной целью задачами исследования являются:
разработать математическую модель для описания процессов тепломассообмена в аппаратах с движущимся зернистым слоем, продуваемом топочными газами;
создать алгоритм и методику теплового, конструктивного, аэродинамического и адсорбционного теплоутилизаторов-адсорберов;
разработать конструкцию опытно-промышленного теплоутилизатора-адсорбера;
привести технико-экономическое обоснование целесообразности применения теплоутилизаторов-адсорберов для утилизации теплоты и адсорбционной очистки топочных газов теплогенерирующих установок.
Научная новизна заключается в следующем:
- разработана и экспериментально подтверждена математическая модель
процесса тепломассообмена в движущемся зернистом слое, позволяющая
получить зависимости для нахождения точного распределения температуры
топочных газов и теплоносителя-адсорбента, скорости движения фронта
адсорбции, времени адсорбции, эффективности очистки и максимальной
высоты движущегося слоя адсорбента в теплоутилизаторе-адсорбере.
Зависимости найдены путем интегрирования двумерных дифференциальных
уравнений энергии, теплопроводности, неразрывности, аэродинамики и
адсорбции для гетерогенных систем;
-предложен метод комплексной утилизации теплоты и адсорбционной очистки газов в теплоутилизаторе-адсорбере. Метод отличается тем, что позволяет учесть влияние характера изменения температуры газовой среды на значение
параметров адсорбции, которые в свою очередь определяют размеры аппарата и эффективность его работы;
- с использованием чисел Фруда и Архимеда, найдены ограничения по
скорости движения зернистого слоя и газового потока, предотвращающие
разрушение плотности движущегося зернистого слоя, снижение интенсивности
теплообмена, проскок загрязняющих веществ через слой и вынос зёрен из слоя;
-разработана методика инженерного расчета теплоутилизаторов-адсорберов с плотным движущимся зернистым слоем, которая позволяет определить их геометрические размеры, температурные и концентрационные поля, количество утилизируемой теплоты, аэродинамическое сопротивление, эффективность очистки и экономические показатели.
На защиту выносятся:
математическая модель для описания процессов тепломассообмена в теплоутилизаторах-адсорберах с движущимся зернистым слоем;
аналитические зависимости, полученные на основе математического моделирования, для расчета теплофизических и конструктивных параметров тепло-утилизатора-адсорбера, полей температур и концентраций в зернистом слое и газовом потоке;
методика и алгоритм проектирования теплоутилизаторов-адсорберов с движущейся зернистой матрицей на основе аналитических зависимостей для определения тепловых, газоочистных, аэродинамических, конструктивных и технико-экономических параметров.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, содержащихся в работе, подтверждены следующими положениями:
применением фундаментальных аэродинамических и тепло - и массо-обменных законов для газообразных и твердых зернистых сред, подтвержденных статистической теорией и экспериментом;
соответствием результатов лабораторных и натурных исследований и численного эксперимента, выполненных с использованием современных прибо-
ров и методов испытаний со степенью достоверности 95%, в том числе теории математической статистики;
одновременным использованием нескольких методов исследований, позволяющих с разных сторон изучить одни и те же процессы и явления, положенные в основу предлагаемых решений.
Практическое значение работы заключается в разработке универсального модуля опытно-промышленного теплоутилизатора-адсорбера, апробации и внедрении новой методики расчета для создания принципиальных схем и аппаратов теплоутилизации и газоочистки в проектных организациях при проектировании котельных установок систем теплоснабжения.
На основе методики проектирования теплоутилизатора-адсорбера разработано устройство с движущимся слоем теплоносителя-адсорбента, внедренное в котельной ОАО "Энергия" за котлом марки ДЕ-10-14 ГМ.
Результаты диссертации используются в процессе обучения студентов по курсам: "Теплотехника", "Теплогенерирующие установки", "Охрана окружающей среды" и при дипломном проектировании на факультете инженерных систем и сооружений Воронежского государственного архитектурно-строительного университета.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены в 2002 - 2005 гг. на 57-ой - 60-й научных конференциях и семинарах в Воронежском государственном архитектурно-строительном университете.
По материалам исследований опубликовано 6 научных статей общим объемом 34 страницы. Лично автору принадлежат 24 страницы. Две статьи опубликованы в издании, рекомендованном ВАК для докторских диссертаций. В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в библиографическом списке литературы, лично соискателю принадлежит: в [30] - математические зависимости для расчета температурных полей в теплоутилизаторе-адсорбере; в [31] — расчеты с учетом экспериментальных данных; в [32] - экспериментальная проверка адекватности предложенной математической модели реальным условиям работы
теплоутилизатора - адсорбера; в [33] - аналитические решения дифференциальных уравнений энергии для газа и зернистого слоя.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и библиографического списка литературы из 100 наименований. Диссертация изложена на 133 страницах машинописного текста и содержит 26 рисунков, 22 таблицы и 2 приложения.
В первом разделе рассмотрены конструктивные и теоретические особенности аппаратов для теплоутилизации и газоочистки. Проанализированы физико-механические свойства зернистого теплоносителя. Выявлены особенности теплообмена и аэродинамики в движущемся плотном слое зернистого теплоносителя, перекрестно продуваемом дымовыми газами.
Во втором разделе дано математическое моделирование процессов тепло - и массопереноса в перекрестно-продуваемом движущемся плотном зернистом слое. Представлены основные дифференциальные уравнения, описывающие процессы тепло - и массопереноса и проведено их интегрирование. Изучены теплофизические и адсорбционные свойства зернистых материалов.
В третьем разделе приведено описание экспериментальной установки, а также средств и приборов измерений. Разработана методика проведения и планирования экспериментальных исследований. Даны и обработаны экспериментальные и расчетные данные, полученные в результате серии различных экспериментов.
В четвертом разделе разработана блок-схема, программа и методика инженерного расчёта теплоутилизатора с зернистым теплоносителем по осреднён-ным параметрам. Разработан модуль зернистого теплоутилизатора-адсорбера (ЗТУА) универсальной конструкции. Приведены практические примеры использования предложенного аппарата и представлено экономическое обоснование его применения.
1 АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ МЕТОДОВ УТИЛИЗАЦИИ ТЕПЛОТЫ И ОЧИСТКИ ТОПОЧНЫХ ГАЗОВ ТЕПЛОГЕНЕРИРУЮЩИХ УСТАНОВОК
1.1 Существующие методы и аппараты для утилизации теплоты и очистки топочных газов теплогенерирующих установок
Большое многообразие видов и конструкций газоочистных и теплоутилизационных устройств обусловлено широким спектром задач и областей их применения [3,8,19,21,35,62-63,79]. Множество методов и способов утилизации выбросной теплоты и очистки уходящих газов приводят к различным техническим и конструктивным решениям, рассмотренным, например, в работах [23,64-65,70] или справочнике [83].
Для очистки газообразных выбросов ТГУ от частиц сажи, аэрозолей и паров может быть применен один или несколько существующих способов [19,48-49,63-64,78,84]:
сухой и мокрой механической очистки;
мокрой химической очистки;
электрический;
ультразвуковой;
электромагнитный.
Каждый способ имеет свою область и специфику применения.
Тепловые выбросы котельных, вентсистем, сушилок, металлургических печей и т.п. можно существенно снизить путем установки различного рода теплообменников [1-2,13,27,38,49,73,76,95].
Для выравнивания колебаний тепловых потоков, вырабатываемых ТГУ, рекомендуется применение аккумуляторов тепла с зернистым теплоносителем [31,57,88]. К недостаткам тепловых аккумуляторов следует отнести периодичность работы и вследствие этого конструктивные и технологические трудности при компоновке их в качестве хвостовых поверхностей нагрева.
Содержащиеся в дымовых газах котлов вредные примеси, как правило, хорошо растворимы в воде или водных растворах некоторых химических веществ. Поэтому для целей газоочистки широко используется мокрая очистка: поглощение примесей при непрерывной промывке газовоздушной смеси жидкостью путем её орошения (абсорбции) с последующей нейтрализацией получающегося элюата. При данном методе, кроме очистки выбросов, удается одновременно утилизировать их теплоту и также теплоту, выделяющуюся в процессе абсорбции
[41,71].
К числу наиболее распространенных способов утилизации теплоты с одновременной очисткой высокотемпературных выбросов относится обработка дымовых газов в контактных аппаратах, совмещающих функции теплообменников и абсорберов. Однако широкое использование таких аппаратов без проведения дополнительных мероприятий по поддержанию в контактной камере заданных температурных условий затруднено, поскольку известно, что наиболее эффективно процессы газоочистки абсорбционными методами протекают при вполне определенном значении этих параметров [12,35,54,65].
Чтобы поддерживать заданную температуру в слое и получить изотермические условия в контактной камере, необходимы нагреваемые или охлаждаемые поверхности, размещенные непосредственно в слое насадки контактной камеры. Погружение труб в слой насадки является одним из возможных путей достижения цели. При этом контактно-поверхностные аппараты с погруженными змеевиковы-ми трубчатыми поверхностями обеспечивают компактную конструкцию и большую гибкость в установке необходимой площади теплопередающей поверхности в объеме контактной камеры. Однако разработка таких аппаратов наталкивается на значительные трудности ввиду отсутствия обоснованных методов расчета процессов теплообмена и гидродинамики.
Интенсификация теплообмена, а также решение вопросов о коррозии и загрязнениях могут быть достигнуты путем использования в теплообменниках движущегося твердого зернистого теплоносителя [1,5,34].
Регенеративные теплообменники с движущимся твердым теплоносителем по принципу распределения концентрации частиц в газовоздушных потоках подразделяются на три основные группы: теплообменники типа «газовзвесь» (ис-тинная концентрация теплоносителя 0,01 - 0,03 м /м ); типа «кипящий слой» (кон-центрация меняется в пределах 0,03 - 0,3 м /м ); типа «плотный слой» (объемная концентрация движущегося слоя составляет 0,3 - 0,6 м3/м3) [34].
Теплообменники первой группы не получили широкого распространения для утилизации теплоты. Они в основном используются в сушильной технике.
Аппараты, работающие по принципу кипящего (псевдоожиженного) слоя, нашли самое широкое применение - топки котлов, печи для обжига мелкодисперсных материалов, сушилки и т.п.
В работах [4-7,16,56] авторы предлагают использовать в тепловых и технологических схемах аппараты с центробежным псевдоожиженным слоем. Ими был проведен большой объем исследований по моделированию процессов гидродинамики и тепломассообмена в установках такого типа, но в тоже время они не рассматривали процессы комплексной утилизации теплоты и очистки уходящих газов теплогенерирующих установок.
К основным недостаткам аппаратов с псевдоожиженным слоем, следует отнести: возможность коррозии при применении металлических дисперсных материалов в качестве промежуточного теплоносителя, истираемость и унос частиц, а также большие габаритные размеры установки, вследствие небольшой концентрации частиц в единице объеме.
Благодаря большей концентрации частиц в единице объема теплообменники типа «плотный слой» во многих случаях могут оказаться выгоднее аппаратов «газовзвесь» и «кипящий слой» [34].
В теплообменниках с движущимся плотным слоем сферических частиц благодаря ранней турбулизации потока и специфическим особенностям самого слоя процесс теплоотдачи интенсифицируется в десятки раз, по сравнению с процессом в змеевиковых поверхностях нагрева [34].
Теоретически оптимальным вариантом теплообменников с движущимся плотным слоем зернистого теплоносителя является противоточный, позволяющий нагреть материал до максимальной или охладить греющие газы до минимальной температуры. Существенным недостатком таких аппаратов является неравномерность распределения газового потока в слое частиц, а также неравномерность движения самих частиц, что резко снижают их тепловую эффективность [34].
Одним из перспективных видов теплообменников с плотным движущимся слоем зернистого материала являются аппараты с поперечно продуваемым вертикально и наклонно движущимся слоем [34,53,55]. В этом случае, в отличие от противоточного слоя, формируется небольшой постоянный по толщине слой. Основным недостатком таких схем является уменьшение температурного напора по сравнению с напором при противотоке. Однако это в значительной степени компенсируется более интенсивным теплообменом за счет равномерного распределения газовоздушных потоков в тонком слое зернистого материала. Этот недостаток может быть сведен к минимуму при многоходовом движении газа. Подобные аппараты обладают также весьма важными для энергетических установок свойствами: минимальными перетечками воздуха в газовую часть, самоочисткой движущегося твердого промежуточного теплоносителя, являющегося поверхностью нагрева; ликвидацией коррозии поверхности нагрева при применении в качестве промежуточного теплоносителя неметаллических твердых зернистых материалов; незначительным эрозионным износом элементов конструкции аппарата и самого зернистого материала в связи с малыми скоростями его движения в теплообменнике.
В зарубежной практике регенеративные теплообменники-воздухоподогреватели с плотным вертикальным движущимся слоем керамических частиц, выполненные с тройным перекрестным движением компонентов, впервые начали применяться с малогабаритными мазутными котлами в ФРГ [100].
Исследования работы отечественных опытно-промышленных образцов регенеративных воздухоподогревателей с плотным движущимся слоем зернистого материала показали, что предложенная конструкция воздухоподогревателя явля-
ется работоспособной для котельных агрегатов, сжигающих твердое топливо и сернистый мазут. При глубоком охлаждении дымовых газов воздухоподогреватель обеспечивает минимальные присосы воздуха и чистоту поверхности нагрева [34].
Воздухоподогреватель (рисунок 1.1) [60], представляет собой модификацию конструкции вращающегося регенеративного воздухоподогревателя с горизонтальным валом, в котором вместо гофрированных листов набивки применены зигзагообразные кассеты, заполненные стальными или керамическими шариками диаметром от 3 до 8 мм.
Площадь живого сечения для прохода газовоздушных потоков в кассетах равна 50 %. Диаметр отверстий принят равным 60-70% диаметра шарика. Заполнение кассет шарами составляет около 90% объема, что обеспечивает свободное перекатывание шариков в процессе вращения ротора.
Рисунок 1.1 - Горизонтальный вращающийся регенеративный воздухоподогреватель с шаровой засыпкой
В зависимости от характера запыленности продуктов сгорания степень заполнения объема кассет шарами выбирается опытным путем. При этом, согласно [60], обеспечиваются условия самоочистки шарового слоя и интенсивный теплообмен. Движение газа и воздуха осуществляется по принципу противотока, что обеспечивает интенсивную теплоотдачу и выдувание из шарового слоя золовых отложений.
Рассмотренная схема обладает повышенной тепловой эффективностью, но имеет ряд недостатков: при использовании данной конструкции на котлах, сжигающих сернистый мазут, неизбежно загрязнение слоя в связи с малой его подвижностью в кассетах; предложенная конструкция не решает проблему присо-сов и перетоков воздуха; кассеты, ограждающие решетки, а также уплотнения и газовоздушные короба, подвержены коррозионному износу, в связи с протекающими процессами коррозии, усугубляемыми необходимостью применения водных промывок слоя; конструкция воздухоподогревателя в целом остается сравнительно сложной.
В регенеративных воздухоподогревателях с движущимся слоем зернистого теплоносителя и противоточным движением компонентов, гранулированный сыпучий материал воспринимает тепло греющих газов в камере нагревания и отдает аккумулированное тепло нагреваемому воздуху в камере охлаждения [34].
В 1945 г. 3. Ф. Чухановым впервые был предложен регенератор непрерывного действия с твердым промежуточным теплоносителем. Камеры регенеративного теплообменника было предложено выполнять по типу известных каскадных зерносушилок. Для уменьшения перетоков воздуха установлены вращающиеся питатели. В качестве транспорта сферической набивки применен ковшовый элеватор. Воздухоподогреватель предназначался для утилизации тепла уходящих газов и позволял осуществить подогрев воздуха до температур, близких к температуре греющих газов. Полупромышленные противоточные воздухоподогреватели, выполненные по схеме 3. Ф. Чуханова, были испытаны Нортоном в высокотемпературных установках. Исследования Нортона показали, что противоточные воздухоподогреватели имеют общий недостаток - неравномерность распределения газовоздушных потоков в слое и, как следствие этого, низкую тепловую эффективность [34].
Согласно [44] в модифицированном противоточном теплообменнике типа «движущийся продуваемый слой» (рисунок 1.2) зернистый теплоноситель равномерно подается в камеры с помощью многотрубчатого распределителя, а газы - с помощью перфорированных снизу горизонтальных труб.
Рисунок 1.2 - Схема модифицированного противоточного теплообменни-
ка:
1,2 - соответственно охлажденные и горячие газы; 3,4 - соответственно горячий и холодный воздух
Нижний бункер выполнен секционированным, что обеспечивает равномерное опускание слоя. Требуемый расход сыпучего материала поддерживается нижними питающими трубами.
Любошиц А. И. в работе [53] рассматривает многозонный каскадный воздухоподогреватель (рисунок 1.3). Воздухоподогреватель представляет собой шахту, заполненную горизонтально расположенными коробами, соединенными в шахматном порядке то с вентилятором, подающим в слой газы, то с дымососом, отсасывающим последние.
Таким образом, получается аппарат, состоящий из многочисленных, чередующихся друг с другом прямоточных и противоточных зон малой высоты.
Рисунок 1.3 - Схема многозонного каскадного воздухоподогревателя: 1,3 - соответственно вход и выход зернистого теплоносителя; 2,4 - соответственно выход и вход горячих газов
Сыпучий материал последовательно проходит сверху вниз все зоны воздухоподогревателя, а газы в одинаковом количестве и при одинаковой температуре поступают в зоны параллельно, т. е. в каждую зону в отдельности. Согласно [53] размеры воздухоподогревателя в плане по сравнению с простейшим противоточным вариантом уменьшаются пропорционально числу зон; соответственно возрастает его высота. Гидравлическое сопротивление слоя мало вследствие небольшого расстояния по вертикали между горизонтальными рядами коробов и низкой скорости газов. Конструктивное оформление многозонного воздухоподогревателя большой производительности является более совершенным, чем аппаратов с простейшей противоточной схемой. Основным недостатком теплообменника, показанного на рисунке 1.3, являются большие габариты по высоте, затрудняющие организацию непрерывного транспорта зернистого теплоносителя; кроме того, в этом случае не устранена неравномерность движения сыпучего материала в камерах нагрева и охлаждения.
Как в России, так и за рубежом воздухоподогреватели с перекрестным движением компонентов с вертикальным или наклонным движением слоя и противотоком газовоздушных потоков начали внедряться сравнительно недавно.
В 1959 г. инженером Барнаульского котельного завода Е. И. Кашуниным была предложена схема воздухоподогревателя, основное назначение которого -
подогрев воздуха для энергетических котельных установок при глубоком одновременном охлаждении дымовых газов [44-45].
На рисунке 1.4 [34] представлена принципиальная схема такого воздухоподогревателя, состоящего из формирующих слой жалюзийных блоков, расположенных в газовом и воздушном потоках, верхних и нижних бункеров, перепускных труб, питателя, промежуточного теплоносителя, подъемника. В качестве промежуточного теплоносителя предложены дешевые сыпучие материалы: гравий, керамика, базальтовая крошка, каменное литье, чугунная дробь и т. п.
Рисунок 1.4 - Схема воздухоподогревателя с перекрестным движением компонентов:
1,3,7 - зернистый теплоноситель; 2 - уплотнительные перепускные трубы; 4,5 -жалюзийные решетки, соответственно газовой и воздушной камер; 6 - питатель
Зернистый теплоноситель, двигаясь плотным слоем между жалюзи в газовой и воздушной камерах, отбирает тепло газов и отдаёт его воздуху. Непрерывность процесса теплообмена обеспечивается непрерывным транспортом теплоносителя из-под питателя в верхний бункер. Плотность создается за счет медленно движущегося слоя зернистого теплоносителя в перепускных трубах.
Движущийся слой теплоносителя обеспечивает самоочистку поверхности нагрева, в связи с чем, сопротивление воздухоподогревателя не зависит от длительности работы котла. В регенеративном дробепоточном воздухоподогревателе в процессе эксплуатации весьма просто осуществляется замена поверхности на-
грева путем загрузки сыпучего материала в один из бункеров, расположенных в верхней части воздухоподогревателя.
Рассматривая схемы теплообменников с поперечно продуваемым плотным движущимся слоем сыпучего материала, а также результаты исследований опытно-промышленных образцов, можно отметить следующие их преимущества по сравнению с противоточными схемами: 1) высокая эффективность теплообмена, близкая к эффективности теплообмена неподвижного слоя и незначительное сопротивление слоя, объясняемые тем, что движущийся слой имеет постоянную толщину; равномерный подвод и отвод газа через развитые в глубину параллельные плоскости, также способствующие снижению неравномерности газораспределения; 2) простая конструкция подводящих и отводящих газовоздуховодов; 3) удобная компоновка теплообменника.
Таким образом, теплообменники с перекрестно-продуваемым движущемся слоем твердого зернистого теплоносителя являются весьма перспективными для использования в ТГУ во всех отношениях. Кроме того, желательно совместить в одном аппарате - теплоутилизаторе-адсорбере (ТУА) функции теплопередачи с функцией адсорбционной очистки от вредных примесей дымовых газов теплогенерирующих установок.
1.2 Регулирование расхода и транспорт твердого зернистого
теплоносителя
При проектировании и эксплуатации теплоутилизаторов-адсорберов с движущимся слоем твердого теплоносителя возникают проблемы, связанные с необходимостью перемещения твердого сыпучего материала. Помимо обычных трудностей, связанных с транспортом твердых сыпучих материалов, дополнительные затруднения вызываются высокой температурой транспортируемого теплоносителя (100 - 150 С) и необходимостью тщательной герметизации всей установки. Процесс непрерывной циркуляции твердого зернистого теплоносителя включает в себя две основные операции: регулирование расхода твердого те-
плоносителя и подъем (транспорт) теплоносителя в верхний бункер тешгоутили-затора-адсорбера [34].
Регулирование расхода теплоносителя может осуществляться многими способами. Первые теплообменники с твердым теплоносителем, оборудовались дисковыми питателями (рисунок 1.5) [10,34,92].
Рисунок 1.5-Схемы питателей зернистым теплоносителем; а - ленточный; б - пластинчатый; в - винтовой; г - качающийся; д - вибрационный; е - барабанный; ж - дисковый; з - цепной
Ленточные и пластинчатые питатели (рисунок 1.5, а, б) характеризуются хорошей равномерностью подачи зернистого материала и надежностью.
Винтовые питатели могут успешно применяться для транспортирования зернистых материалов на большие расстояния (до 40 м) [10]. Они могут перемещать материалы под углом до 20; в отдельных случаях их используют и для вертикального транспортирования. Винтовой питатель (рисунок 1.5, в) представляет собой винт, заключенный в кожух (желоб). При вращении винта материал перемещается вдоль его оси. Работают такие питатели при определенной окружной скорости винтов, которая выбирается в зависимости от коэффициента трения
между материалом и винтом. Качество работы аппарата зависит от заполнения желоба: при слишком большом заполнении трение между материалом и винтом будет очень велико и может произойти закупорка желоба; при недостаточном заполнении не достигается нужная производительность.
Для регулирования расхода зернистого теплоносителя применяют также вибрационные питатели (рисунок 1.5, д) [10]. Подводящая труба вибропитателя имеет небольшой подъем к выходному концу. Вибрация создастся при помощи электромагнита. При отсутствии вибрации накопление материала, определяющееся углом естественного откоса зерен теплоносителя, прекращает его поток. При включении вибратора зерна проталкиваются вверх по трубе и, дойдя до поворота, поступают в головку подъемного устройства. Расход теплоносителя регулируется изменением интенсивности и частоты вибрации.
Для твердых теплоносителей с малым различием размеров частиц в качестве устройств регулирования расхода могут быть применены регулирующие задвижки или шиберные питатели, так как движение плотного слоя, состоящего из подобных частиц, происходит плавно. В случае применения регулирующей задвижки расход зернистого теплоносителя регулируется изменением положения золотника. Для случая с шиберным питателем расход регулируется заслонкой [10].
С целью получения стабильных регулировочных характеристик при большой единичной производительности применяется конструкция секторного или барабанного питателя (рисунок 1.5, в) [34]. Секторный питатель имеет стабильную расходную характеристику, прост в изготовлении и надежен в эксплуатации, позволяет регулировать расход теплоносителя путем поворота сектора на необходимый угол. В барабанном питателе расход теплоносителя регулируются изменением скорости вращения барабана.
Конструкции секторного и барабанного питателей прошли длительную эксплуатационную проверку, и поэтому такие питатели могут быть рекомендованы в качестве регуляторов расхода зернистого теплоносителя для теплообменников-утилизаторов с плотным движущимся слоем [34].
Широкому внедрению теплоутилизационных аппаратов с движущимся слоем зернистого теплоносителя, а также созданию аппаратов большой единичной производительности препятствует отсутствие надежного транспорта зернистого материала. Подъем зернистого теплоносителя в верхний бункер установки, осложняется непрерывностью процесса транспортировки в высокотемпературных условиях. Существует несколько видов транспорта зернистого материала: механический транспорт (ковшовые элеваторы, ленточные транспортеры, подъемники с погруженными ковшами, виброподъемники и др.), пневмо- и гидротранспорт [34,66,81].
В России для подъема зернистого теплоносителя используются, в основном, ковшовые элеваторы, за рубежом - ковшовые элеваторы, ленточные транспортеры с прорезиненной термостойкой лентой и пневмоподъемники. Принцип действия ковшовых элеваторов общеизвестен. Важнейшим их преимуществом, как и всех механических транспортеров, является малый расход электроэнергии по сравнению с другими устройствами для подъема твердых материалов. Однако применение ковшовых элеваторов в теплообменных аппаратах с твердым теплоносителем требует больших эксплуатационных расходов, что обесценивает указанное выше преимущество. Цепи элеваторов быстро изнашиваются и необходим их частый ремонт, связанный со значительными затратами и простоями оборудования. Кроме того, применение ковшовых элеваторов приводило к разрушению неметаллических зернистых теплоносителей вследствие значительных механических напряжений как в момент захвата зерен теплоносителя в нижней головке элеватора, так и при сбрасывании его в верхний бункер. Зерна теплоносителя заклинивались в зоне между задней кромкой одного ковша и передней кромкой следующего ковша; это приводило к дроблению зерен и интенсивному износу ковшей. При зачерпывании горячих зерен передняя кромка ковша быстро изнашивалась, поэтому зерна не попадали на верхний разгрузочный желоб и, проваливаясь в шахту элеватора, частично разрушались [34].
Устранение вышеперечисленных недостатков ковшовых подъемников достигнуто фирмой «Райшталь-Хеншель» (Германия), которая для воздухопо-
догревателя с плотным движущимся слоем зернистого теплоносителя разработала ленточный транспортер [99]. Согласно [99] транспортирующее устройство с термостойкой прорезиненной лентой бесшумно, износа ленты и зернистого теплоносителя не наблюдается, затраты на обслуживание минимальные, устройство надежно в работе. Подвод воздуха к вентилятору через шахту подъемника охлаждает ленту, не требует сооружения специального всасывающего короба и устраняет пыление в бункерах и питателях воздухоподогревателя.
При разработке подъемников для транспорта зернистого теплоносителя Свердловским филиалом ЦПКБ «Союзпроммеханизация» была предложена конструкция кольцевого подъемника (рисунок 1.6) [34], представляющего собой металлический желоб, свернутый в кольцо диаметром, равным высоте подъема.
Рисунок 1.6 - Кольцевой подъемник: 1 - редуктор; 2 - обрезиненные катки фрикционной передачи; 3 - верхний бункер; 4 - кольцо; 5 - катки, фиксирующие вертикальность; 6 - кожух
Кольцевой подъемник отличается простотой, сведением до минимума количества подвижных трущихся узлов, отсутствием зачерпывания зернистого теплоносителя, возможностью создания установки большой единичной мощности. Его основной недостаток - большой диаметр кольца, равный высоте подъема сыпучего материала [34].
Хотя пневматический транспорт требует значительно большего расхода энергии, чем другие подъемные устройства, он находит все большее применение из-за малых капиталовложений и низких эксплуатационных расходов [67].
Существуют два режима работы пневмоподъема: режим разбавленной твердой фазы и режим плотной фазы. В первом случае по стояку с большой скоростью движется смешанная фаза малой плотности (15-70 кг/м ). При режиме плотной фазы зерна плотно расположены в стояке пневмоподъемника (800 - 1600 кг/м ). Важным преимуществом режима плотной фазы является уменьшенный износ зернистого материала вследствие отсутствия особо резких механических воздействий на него при подъеме. Небольшое увеличение скорости сжатого воздуха приводит к перемещению кипящего слоя твердой фазы вверх по трубопроводу. Для подъема в режиме плотной фазы вместо воздуходувки требуется компрессор. Однако применение более высокого давления частично компенсируется меньшим расходом воздуха, чем при пневмоподъеме в виде разбавленной твердой фазы [34,67].
Применение пневмотранспорта в теплоутилизаторах-адсорберах с плотным движущимся слоем требует в нижней части стояка защитной антиэрозионной облицовки, так как в противном случае неизбежен абразивный износ. Весьма важное значение имеет также рациональная конструкция устройств для подачи зерен теплоносителя и транспортирующего воздуха [34].
Если поток воздуха в точке входа твердой фазы не направлен точно по оси стояка, то зерна теплоносителя будут вызывать быстрый абразивный износ стенок в точке контакта. Поэтому необходимо устройство спрямляющих перегородок. Согласно [78] рациональная конструкция всех узлов системы пневмоподъема обеспечивает длительную непрерывную работу установки.
1.3 Зернистый теплоноситель и его свойства
Основные показатели теплоутилизаторов-адсорберов (поверхность нагрева, адсорбционная емкость, габариты, масса, стоимость, сопротивление слоя по
газу-воздуху) в значительной степени определяются характеристиками применяемых зернистых теплоносителей [15,34].
Промежуточным теплоносителем, в ТУА с плотным движущимся зернистым слоем, может служить любой твердый материал, обладающий необходимыми теплофизическими свойствами и отвечающий следующим требованиям: высокие величины теплопроводности, теплоемкости и т.д. [34].
Высокая удельная теплопроводность обеспечивает быстрое выравнивание температуры во всем объеме зерен теплоносителя и тем самым уменьшает разность температур между газом и теплоносителем.
Высокая удельная теплоемкость твердого теплоносителя позволяет уменьшить его весовые расходы при одинаковой тепловой эффективности, что облегчает условия работы транспортирующих устройств.
Высокая адсорбционная емкость твердого теплоносителя-адсорбента позволяет уменьшить его весовые расходы, время контакта реагентов и габариты установки.
Высокая плотность зернистого теплоносителя позволяет увеличить скорость газа, не вызывая выноса зерен из движущегося слоя в газовоздуховоды.
Зерна теплоносителя должны противостоять механическим ударным нагрузкам. Соответствующими конструктивными мерами механические ударные воздействия удается устранить, или значительно уменьшить, что позволяет применять в качестве теплоносителя менее прочные материалы.
Зерна теплоносителя подвергаются абразивному износу при поступлении в загрузочное устройство подъемника и при разгрузке в верхние бункера. Истирание происходит в результате контакта, как между зернами теплоносителя, так и с другими поверхностями. При сопротивлении истиранию, превышающем некоторую предельную величину, абразивный износ теплоносителя полностью устраняется, так как поверхность зерен только полируется.
Зерна теплоносителя должны противостоять резким изменениям температуры, которым они подвержены в процессе теплообмена, без отслаивания или растрескивания, которое в дальнейшем может привести к разрушению зерен под
действием ударных нагрузок.
Коррозионная стойкость является одним из важных свойств зернистого теплоносителя, особенно для мазутных котлов.
Размеры зерна должны быть в пределах 5-15 мм по диаметру. При меньшем диаметре зерна резко увеличивается гидравлическое сопротивление слоя, при большем диаметре увеличивается разрушающая способность зерен при резком изменении температур и в большей степени сказывается влияние внутреннего термического сопротивления зерен на снижение тепловой эффективности. Кроме того, с увеличением диаметра зерен резко снижается удельная поверхность нагрева, в единице объема. Практически оптимальный размер зерна определяется как свойствами теплоносителя, так и намечаемой областью его использования.
Теоретически максимальной стойкостью с точки зрения механической прочности и сопротивления резкому изменению температур обладают зерна сферической формы. Практически применяются в теплообменниках приблизительно сферические зерна, при этом отсутствуют убедительные доказательства того, что они в какой-либо мере уступают по своим показателям правильным сферическим зёрнам.
Очевидно, что теплоноситель, зерна которого разрушаются вдвое быстрее, не дает каких-либо преимуществ, даже если он вдвое дешевле. Таким образом, при выборе теплоносителя его свойства должны рассматриваться в комплексе.
Результаты исследований, представленные в [26], говорят о том, что наилучшие показатели по всем характеристикам дают теплоносители из керамических и чугунных зерен диаметром 5-7 мм вследствие высокой интенсификации теплообмена и большой удельной поверхности в единице объема.
В теплоутилизационном оборудовании котельных агрегатов в качестве зернистого теплоносителя могут применяться керамические и стеклянные шарики, гравий, базальтовая крошка, каменное литье, стоимость которых невысока при удовлетворительных остальных качествах.
Для применения в качестве теплоносителя-адсорбента наилучшим вариантом являются зерна синтетического цеолита или силикагеля размером от 2 до 8 мм, а также молекулярные сита (цеолиты с правильной кристаллической структурой) [46,65,69,72,80].
1.4 Механика движения и физико-механические свойства движущегося плотного слоя зернистого теплоносителя
От режима движения зернистого теплоносителя в рабочих камерах тепло-утилизатора-адсорбера, а также от равномерности распределения газовоздушных потоков в движущемся плотном слое в значительной степени зависит интенсивность теплообмена и равномерность охлаждения дымовых газов и нагрева холодного воздуха [34].
Полная однородность контакта газовоздушных потоков с зернами теплоносителя практически трудно достижима, однако можно создать такой гидравлический режим движения теплоносителя и газовоздушных потоков, при котором улучшается равномерность контакта. Изучение механики движения зерен теплоносителя в прямоугольных и щелевидных каналах проводилось Г. В. Мальцевой [55]. В работе [91] исследовано движение зернистого теплоносителя в слое, сформированном жалюзийными решетками, и изучено движение зерен, омываемых дымовыми газами сернистых мазутов.
Немаловажную роль в организации равномерного движения зернистого теплоносителя играет конструктивное оформление верхнего ввода установки и нижележащих бункеров и отверстий для истечения зернистого теплоносителя.
На рисунке 1.7 [34] показаны варианты бункеров с различным конструктивным выполнением как по наклону стенок бункера, так и по расположению выпускного отверстия, а также движения зернистого теплоносителя в зависимости от этих конструктивных параметров. В бункере с наклоном стенок, меньшим
угла внутреннего трения сыпучего материала, движение зерен в основном сосредо-
точено в центре бункера, а у стенок имеются застойные зоны, которые ликвидируются полностью только при полном опорожнении бункера.
а) б) в) г)
Рисунок 1.7 - Схемы истечения зернистого материала из выпускного отверстия бункеров:
а - с малым наклоном стенок; 6-е асимметричным расположением выпускного отверстия; в - с крутым наклоном стенок; г-с выравнивающими элементами
В бункере с несимметричным расположением отверстия движение зерен у боковой стенки вблизи отверстия происходит всем объемом, а с другой стороны имеется застойная зона. В бункере с наклоном стенок, большим угла внутреннего трения сыпучего материала, движение происходит всем объемом равномерно, аналогично истечению жидкости.
Таким образом, при проектировании бункеров необходимо наклон стенок выбирать под углом, большим угла внутреннего трения зернистого теплоносителя. Если по конструктивным соображениям это требование выполнить невозможно, то следует устанавливать решетки, выравнивающие скорости потоков теплоносителя в центральной части бункера и на его периферии [34].
Порозность (доля пустот в объеме зернистого теплоносителя) движущегося слоя является одной из важнейших его характеристик. От правильного
определения порозности слоя в большой степени зависит точность теплотехнических и аэродинамических расчетов аппаратов с плотным движущимся слоем. Порозность движущегося слоя зернистого теплоносителя характеризуется критерием Фруда [34]:
Fr = w2Tl{glcp), (1.1)
где WT - скорость движения слоя теплоносителя, м/с; / — средняя толщина слоя,
м; S ~ ускорение свободного падения, м/с .
Кроме того, критерий Фруда характеризует состояние движущегося зернистого теплоносителя, а также тот максимальный его расход, при котором еще не наступает разрыхления слоя, т.е. порозность плотного движущегося слоя равна порозности неподвижного слоя. Однако критерий Фруда определяет порозности до тех пор, пока не произойдет потеря устойчивости и связанного с ней увеличения свободного объема слоя. В свою очередь, потеря устойчивости сопровождается резким изменением гидравлического сопротивления слоя при некотором критическом значении критерия Рейнольдса. Следовательно, порозность движущегося слоя будет равна порозности неподвижного слоя, если расходы зернистого теплоносителя и газовоздушных потоков соответственно не превосходят значений, отвечающих критическим величинам Fr и Re . В этих условиях влияние критерия Фруда при определении порозности движущегося слоя можно не учитывать. Порозность слоя также зависит, от геометрических размеров слоя, от диаметра и шероховатости зерен [34].
В работах [15,68] данные о порозности слоя разноречивы: порозность слоя изменяется в широких пределах, поэтому в каждом конкретном случае ее следует определять опытным путем или по формуле:
Є = \-(рн/рт), (1.2)
где рт - плотность твердого теплоносителя, кг/м ; рн - насыпная плотность теплоносителя, кг/м3.
Выбор оптимальных скоростей газовоздушных потоков и зернистой массы является немаловажным фактором в процессе интенсификации теплообмена [9].
Допустимая скорость газовоздушных потоков, т. е. критическая скорость выноса зерен теплоносителя из движущегося плотного слоя, зависит, прежде всего, от диаметра и плотности зерен, а также от конструкции распределяющих устройств [34].
1.5 Теплообмен и аэродинамика в движущемся плотном слое зернистого теплоносителя
Теплообмен. Особенность структуры плотного движущегося слоя зернистого теплоносителя, неполное омывание зерен газовыми потоками и другие факторы усложняют физические представления о процессе теплообмена в теплообмен-ных аппаратах типа «плотный движущийся слой». В общем случае теплообмен в слое осуществляется передачей тепла от газа частице теплопроводностью, конвекцией и излучением; передачей тепла в самой частице теплопроводностью и передачей тепла от частицы к частице путем конвективной теплопроводности. Сложность представлений теплообмена в плотном движущемся слое приводит к тому, что в основу расчетных формул для определения коэффициентов теплоотдачи положены данные, полученные экспериментальным путем [34,37,86-87].
Необходимо отметить, что условия теплообмена в движущемся и неподвижном слое зернистого теплоносителя различны. В неподвижном слое теплообмен протекает в условиях нестационарного режима, а в движущемся слое при малом термическом сопротивлении зерен теплоносителя имеет место квазистационарный режим [26,34]. Поэтому при расчете теплообмена движущегося слоя по зависимостям, полученным для неподвижного слоя, могут быть получены большие погрешности.
В общем случае процесс теплоотдачи от шаровой стенки к продуваемому потоку и в обратном направлении можно представить критериальной зависимостью [34]:
I IDS
Re,Pr,C„ т экв
(1.3)
Nu = f
' t '
. d d d
\ ~cp cp cp J
где Re,Pr- соответственно критерии Рейнольдса и Прандтля; Ct - температурный фактор; 1Т - толщина слоя, м; d - средний диаметр зерна, м; D3Ke - эквивалентный диаметр слоя зернистого теплоносителя в направлении потока газа, м;
-относительная шероховатость зерен.
Согласно [34] параметры lT I dcp и D3Mldcp не оказывают влияния на
теплообмен при
1т ^ * D
_Л_>3-г4 и ±^>10.
dcp dcP
Так как данные параметры для теплоутилизаторов-адсорберов с плотным движущимся перекрестно продуваемым слоем зернистого теплоносителя значительно больше указанных пределов, то их влиянием можно пренебречь. Влияние относительной шероховатости также можно не учитывать при применении в качестве зернистого теплоносителя чугунной дроби, стальных шлифованных шаров, стеклянных шаров и т. п.
Таким образом, применительно к слою теплоносителя в ТУА с перекрестным движением компонентов критериальное уравнение теплообмена имеет вид [34]:
Nu = ARcn?rmCr (1.4)
Принимая, согласно нормативному методу расчета котлоагрегатов, показатель степени п при критерии Re, температурный фактор С, и пг, получаем [34,85]:
Nu = ARQ?r0ACr (1.5)
Обработка опытных данных по теплообмену в аппаратах с плотным движущимся перекрестно продуваемым слоем зернистого теплоносителя выполняется
обычно по двум методам [34]. По первому методу «условный противоток» обработка опытных данных выполнена в целом по теплообменнику без учета перекрестного движения газовых потоков и плотного слоя зернистого теплоносителя. В этом случае опытный коэффициент теплопередачи определяется по формуле:
R--ihr (L6)
ср п
где Q — среднее тепловосприятие теплоутилизатора, Вт; At - среднелогарифми-
ческий температурный напор между газовыми и воздушными потоками, С; Нп - полная поверхность теплообмена, м2.
Критерий Нуссельта определяется по известной формуле для регенеративных теплообменников [90].
Коэффициенты теплоотдачи для газовой и воздушной сторон вычисляются по формуле [34]:
NuXa
а = — , (1.7)
4т где Л - теплопроводность газа или воздуха при определяющей температуре, Вт/(м-К).
По второму методу обработки опытных данных определение значений коэффициентов теплоотдачи производится на основе уравнений теплового баланса элементов слоя (раздельная методика).
Сопоставляя методики обработки опытных данных, можно заключить, что методика «условный противоток» проста, дает хорошую сходимость опытных и расчетных данных, однако не отражает истинной картины процесса переноса тепла от газа к теплоносителю и от теплоносителя к воздуху [34].
Регулирование расхода и транспорт твердого зернистого теплоносителя
При проектировании и эксплуатации теплоутилизаторов-адсорберов с движущимся слоем твердого теплоносителя возникают проблемы, связанные с необходимостью перемещения твердого сыпучего материала. Помимо обычных трудностей, связанных с транспортом твердых сыпучих материалов, дополнительные затруднения вызываются высокой температурой транспортируемого теплоносителя (100 - 150 С) и необходимостью тщательной герметизации всей установки. Процесс непрерывной циркуляции твердого зернистого теплоносителя включает в себя две основные операции: регулирование расхода твердого те плоносителя и подъем (транспорт) теплоносителя в верхний бункер тешгоутили-затора-адсорбера [34].
Регулирование расхода теплоносителя может осуществляться многими способами. Первые теплообменники с твердым теплоносителем, оборудовались дисковыми питателями (рисунок 1.5) [10,34,92].
Рисунок 1.5-Схемы питателей зернистым теплоносителем; а - ленточный; б - пластинчатый; в - винтовой; г - качающийся; д - вибрационный; е - барабанный; ж - дисковый; з - цепной
Ленточные и пластинчатые питатели (рисунок 1.5, а, б) характеризуются хорошей равномерностью подачи зернистого материала и надежностью.
Винтовые питатели могут успешно применяться для транспортирования зернистых материалов на большие расстояния (до 40 м) [10]. Они могут перемещать материалы под углом до 20; в отдельных случаях их используют и для вертикального транспортирования. Винтовой питатель (рисунок 1.5, в) представляет собой винт, заключенный в кожух (желоб). При вращении винта материал перемещается вдоль его оси. Работают такие питатели при определенной окружной скорости винтов, которая выбирается в зависимости от коэффициента трения между материалом и винтом. Качество работы аппарата зависит от заполнения желоба: при слишком большом заполнении трение между материалом и винтом будет очень велико и может произойти закупорка желоба; при недостаточном заполнении не достигается нужная производительность.
Для регулирования расхода зернистого теплоносителя применяют также вибрационные питатели (рисунок 1.5, д) [10]. Подводящая труба вибропитателя имеет небольшой подъем к выходному концу. Вибрация создастся при помощи электромагнита. При отсутствии вибрации накопление материала, определяющееся углом естественного откоса зерен теплоносителя, прекращает его поток. При включении вибратора зерна проталкиваются вверх по трубе и, дойдя до поворота, поступают в головку подъемного устройства. Расход теплоносителя регулируется изменением интенсивности и частоты вибрации.
Для твердых теплоносителей с малым различием размеров частиц в качестве устройств регулирования расхода могут быть применены регулирующие задвижки или шиберные питатели, так как движение плотного слоя, состоящего из подобных частиц, происходит плавно. В случае применения регулирующей задвижки расход зернистого теплоносителя регулируется изменением положения золотника. Для случая с шиберным питателем расход регулируется заслонкой [10].
С целью получения стабильных регулировочных характеристик при большой единичной производительности применяется конструкция секторного или барабанного питателя (рисунок 1.5, в) [34]. Секторный питатель имеет стабильную расходную характеристику, прост в изготовлении и надежен в эксплуатации, позволяет регулировать расход теплоносителя путем поворота сектора на необходимый угол. В барабанном питателе расход теплоносителя регулируются изменением скорости вращения барабана.
Конструкции секторного и барабанного питателей прошли длительную эксплуатационную проверку, и поэтому такие питатели могут быть рекомендованы в качестве регуляторов расхода зернистого теплоносителя для теплообменников-утилизаторов с плотным движущимся слоем [34]. Широкому внедрению теплоутилизационных аппаратов с движущимся слоем зернистого теплоносителя, а также созданию аппаратов большой единичной производительности препятствует отсутствие надежного транспорта зернистого материала. Подъем зернистого теплоносителя в верхний бункер установки, осложняется непрерывностью процесса транспортировки в высокотемпературных условиях. Существует несколько видов транспорта зернистого материала: механический транспорт (ковшовые элеваторы, ленточные транспортеры, подъемники с погруженными ковшами, виброподъемники и др.), пневмо- и гидротранспорт [34,66,81].
В России для подъема зернистого теплоносителя используются, в основном, ковшовые элеваторы, за рубежом - ковшовые элеваторы, ленточные транспортеры с прорезиненной термостойкой лентой и пневмоподъемники. Принцип действия ковшовых элеваторов общеизвестен. Важнейшим их преимуществом, как и всех механических транспортеров, является малый расход электроэнергии по сравнению с другими устройствами для подъема твердых материалов. Однако применение ковшовых элеваторов в теплообменных аппаратах с твердым теплоносителем требует больших эксплуатационных расходов, что обесценивает указанное выше преимущество. Цепи элеваторов быстро изнашиваются и необходим их частый ремонт, связанный со значительными затратами и простоями оборудования. Кроме того, применение ковшовых элеваторов приводило к разрушению неметаллических зернистых теплоносителей вследствие значительных механических напряжений как в момент захвата зерен теплоносителя в нижней головке элеватора, так и при сбрасывании его в верхний бункер. Зерна теплоносителя заклинивались в зоне между задней кромкой одного ковша и передней кромкой следующего ковша; это приводило к дроблению зерен и интенсивному износу ковшей. При зачерпывании горячих зерен передняя кромка ковша быстро изнашивалась, поэтому зерна не попадали на верхний разгрузочный желоб и, проваливаясь в шахту элеватора, частично разрушались [34].
Основные дифференциальные уравнения, описывающие процесс тепломассообмена в перекрестно-продуваемом плотном зернистом слое
От режима движения зернистого теплоносителя в рабочих камерах тепло-утилизатора-адсорбера, а также от равномерности распределения газовоздушных потоков в движущемся плотном слое в значительной степени зависит интенсивность теплообмена и равномерность охлаждения дымовых газов и нагрева холодного воздуха [34].
Полная однородность контакта газовоздушных потоков с зернами теплоносителя практически трудно достижима, однако можно создать такой гидравлический режим движения теплоносителя и газовоздушных потоков, при котором улучшается равномерность контакта. Изучение механики движения зерен теплоносителя в прямоугольных и щелевидных каналах проводилось Г. В. Мальцевой [55]. В работе [91] исследовано движение зернистого теплоносителя в слое, сформированном жалюзийными решетками, и изучено движение зерен, омываемых дымовыми газами сернистых мазутов.
Немаловажную роль в организации равномерного движения зернистого теплоносителя играет конструктивное оформление верхнего ввода установки и нижележащих бункеров и отверстий для истечения зернистого теплоносителя.
На рисунке 1.7 [34] показаны варианты бункеров с различным конструктивным выполнением как по наклону стенок бункера, так и по расположению выпускного отверстия, а также движения зернистого теплоносителя в зависимости от этих конструктивных параметров. В бункере с наклоном стенок, меньшим угла внутреннего трения сыпучего материала, движение зерен в основном сосредо точено в центре бункера, а у стенок имеются застойные зоны, которые ликвидируются полностью только при полном опорожнении бункера. а) б) в) г) Рисунок 1.7 - Схемы истечения зернистого материала из выпускного отверстия бункеров: а - с малым наклоном стенок; 6-е асимметричным расположением выпускного отверстия; в - с крутым наклоном стенок; г-с выравнивающими элементами
В бункере с несимметричным расположением отверстия движение зерен у боковой стенки вблизи отверстия происходит всем объемом, а с другой стороны имеется застойная зона. В бункере с наклоном стенок, большим угла внутреннего трения сыпучего материала, движение происходит всем объемом равномерно, аналогично истечению жидкости.
Таким образом, при проектировании бункеров необходимо наклон стенок выбирать под углом, большим угла внутреннего трения зернистого теплоносителя. Если по конструктивным соображениям это требование выполнить невозможно, то следует устанавливать решетки, выравнивающие скорости потоков теплоносителя в центральной части бункера и на его периферии [34].
Порозность (доля пустот в объеме зернистого теплоносителя) движущегося слоя является одной из важнейших его характеристик. От правильного определения порозности слоя в большой степени зависит точность теплотехнических и аэродинамических расчетов аппаратов с плотным движущимся слоем. Порозность движущегося слоя зернистого теплоносителя характеризуется критерием Фруда [34]: Fr = w2Tl{glcp), (1.1) где WT - скорость движения слоя теплоносителя, м/с; / — средняя толщина слоя, м; S ускорение свободного падения, м/с .
Кроме того, критерий Фруда характеризует состояние движущегося зернистого теплоносителя, а также тот максимальный его расход, при котором еще не наступает разрыхления слоя, т.е. порозность плотного движущегося слоя равна порозности неподвижного слоя. Однако критерий Фруда определяет порозности до тех пор, пока не произойдет потеря устойчивости и связанного с ней увеличения свободного объема слоя. В свою очередь, потеря устойчивости сопровождается резким изменением гидравлического сопротивления слоя при некотором критическом значении критерия Рейнольдса. Следовательно, порозность движущегося слоя будет равна порозности неподвижного слоя, если расходы зернистого теплоносителя и газовоздушных потоков соответственно не превосходят значений, отвечающих критическим величинам Fr и Re . В этих условиях влияние критерия Фруда при определении порозности движущегося слоя можно не учитывать. Порозность слоя также зависит, от геометрических размеров слоя, от диаметра и шероховатости зерен [34].
В работах [15,68] данные о порозности слоя разноречивы: порозность слоя изменяется в широких пределах, поэтому в каждом конкретном случае ее следует определять опытным путем или по формуле:
Є = \-(рн/рт), (1.2)
где рт - плотность твердого теплоносителя, кг/м ; рн - насыпная плотность теплоносителя, кг/м3. Выбор оптимальных скоростей газовоздушных потоков и зернистой массы является немаловажным фактором в процессе интенсификации теплообмена [9].
Допустимая скорость газовоздушных потоков, т. е. критическая скорость выноса зерен теплоносителя из движущегося плотного слоя, зависит, прежде всего, от диаметра и плотности зерен, а также от конструкции распределяющих устройств [34].
Измерительная аппаратура и схема инструментальных гидродинамических и тепловых измерений
Зернистый слой, продуваемый сквозным дисперсным потоком, является гетерогенной системой. Применяя к этой системе идеи механики сплошной среды, в [26] выводятся следующие уравнения: уравнение "сплошности", выражающее закон сохранения двухкомпонентной массы, уравнения движения, выражающие теорему об изменении количества движения двухкомпонентной системы и уравнения теплопроводности. При этом масса, количество движения и энергия двухкомпонентной системы рассчитываются как средневзвешенные по объёму.
В (2.6) обозначено: рт,р;Тт,Т;Ст,С;\т,\;(Еп — ЕЮ)Т,(ЕП — Еиз) -соответственно попарно (для твердых частиц с нижним индексом Г, для газа-без индекса): плотность, температура, удельная теплоемкость на единицу массы, коэффициент теплопроводности и разность энергий, поглощенной Еп и собственной Еш при излучении; vTX,vTy,vTZ,vx,vy,vz - проекции на оси координат вектора скорости твердых частиц (индекс J") и газа (без индекса); /3, -объёмная доля соответственно твердых частиц и газа в общем объёме.
Что такое /3F и eF = 1 — (Зр, в [26] не разъясняется. Нетрудно заметить, что уравнение (2.6) получено формальным взвешенным по объёму суммированием уравнений теплопроводности для твердых частиц и газа. Это уравнение заслуживает серьезной критики. Заметим лишь одно обстоятельство: сложившееся поле температур для твёрдых частиц и для газа существуют как бы независимо, т.е. уравнение теплопроводности (2.6) не выражает теплового взаимодействия между газовой средой и твердыми частицами.
Поэтому ниже представлен вывод уравнений теплопередачи между сквозным газовым потоком и твердыми частицами зернистого слоя. Пренебрегая концевыми эффектами, будем рассматривать двумерную задачу, считая все параметры независимыми от координаты у. Рассмотрим только случай постоянства скоростей газа и и зернистого слоя w. Заметим здесь, что фиктивная скорость газа и рассчитана на всё сечение слоя и связана с истинной скоростью газа в порах иист соотношением
Из уравнений (2.2) и (2.3) следует, что постоянство скоростей на практике нетрудно обеспечить неизменностью величин расходов газа Gz и твердых частиц G3 при условии, что слой остается стационарно плотным, т.е. порозность є и насыпная плотность рн остаются постоянными.
Диссипацией энергии за счет трения пренебрегаем. Будем считать постоянными физические параметры газа и зерен: плотность р,р3, удельную массовую теплоёмкость С ,С3, теплопроводность Л,Х3.
Выделим в потоке неподвижный элементарный параллелепипед с бесконечно малыми ребрами dx,dy,dz (рисунок 2.2) и напишем для него уравнение теплового баланса для газа и твёрдых частиц порознь. Обозначим температуру газа Г, температуру твердых частиц Т3. u
Вдоль оси Oz вносится с дымовыми газами, находящимися в межзе-ренном пространстве, и теплопроводностью количество теплоты: pCpTw-dx -dy-dt r eqzdx -dy-dt. Общее количество внесенной в объём теплоты: е(рСрТи + qx)dydzdt + e(pCpTw + qz)dxdydt. (2.8, a) Из объёма выносится количество теплоты: е(рСрТ и + qx)dydzdt + e{pCpT"w + q[)dxdydt. (2.8, б) В (2.8 б) содержатся величины, отнесённые к выходным граням параллелепипеда, которые можно определить, разлагая их в ряд и ограничиваясь первыми двумя членами разложения ах etc dz dz (2.9) Кроме того, из объёма выносится количество теплоты за счёт конвективной теплопередачи от газа к твёрдым частицам через поверхность, их ограничивающую, по закону Ньютона: а0 (1 - е)а0 (Т - Т3 )dxdydzdt, (2.10) где ао - удельная поверхность на единицу объёма твёрдой фракции, м2/м3; а0 - коэффициент теплоотдачи Вт/(м -"С). Подставляя (2.9) в (2.8,6) и вычитая полученное выражение, и (2.10) из (2.8, а), найдем для количества теплоты, оставшегося внутри объёма, выражение -[ePCp(utf + А + «„(1 - Ф. ? -Т,) + OX OZ +e{ L + %]dxdydzdt. (2.11) дх dz Пренебрегая из-за малости скоростей работой расширения и изменением кинетической энергии системы, будем считать, что всё оставшееся в объёме газа количество теплоты идёт на увеличение энтальпии газа:
Методика инженерного расчёта теплоутилизатора-адсорбера по осреднённым параметрам
Модуль включает в себя: шахту-канал 1 с движущимся зернистым слоем от питающего бункера 2 к приемному 3. Через патрубок 4а от дымососа (или автономного дутьевого вентилятора) под давлением в зернистый слой через заградительную сетку подаются горячие дымовые газы, отдавая тепло зернам, которые в свою очередь передают его трём тепловым трубам 7, заполненным ацетоном с температурой кипения 80 С. В тепловых трубах пары ацетона поднимаются в верхнюю часть, расположенную в коллекторе воды 8, где, отдавая тепло воде, конденсируются; конденсат стекает по стенкам ТТ в нижнюю испарительную часть - цикл теплопередачи непрерывен. Ось коллектора 8 параллельна плоскости заградительно-распределительной сетки (или жалюзей) 6.
Из приемного бункера 3 «Нория» 9 (ковшовый цепной или ленточный транспортер) захватывает зерна и перемещает их вверх. Хобот 12 «Нории» направляет зёрна в питающий бункер 2. Скорость движения зернистого слоя регулируется шибером 11, с этой скоростью увязывается с помощью привода 10 скорость перемещения ковшей. Ковши перемещаются в герметичном канале. Отдав тепло, дымовые газы через отвод 46 поступают в дымовую трубу.
Все составные части модуля ЗТУ жёстко связаны опорным каркасом 13.
Нижняя камера через патрубок 5 а продувается холодным воздухом, который отбирает остаточное тепло зёрен и через патрубок 56 направляется на утилизацию, например, на подогрев дутьевого воздуха для котлоагрегата.
Модуль с гравием в качестве зернистого теплоносителя используется только как теплоутилизатор. При использовании цеолита в качестве зернистого материала модуль выполняет дополнительно функции адсорбера, поглощающего вредные примеси оксидов азота. При этом в нижнюю камеру должен подаваться острый пар для регенерации адсорбента.
Разработанный модуль ЗТУ (ЗТУА) может найти разнообразные применения; горячее водоснабжение; обеспечение тепловой энергией технологических процессов (сушка, тепловая обработка, дистиллирование и т.п.); создание микроклимата и т.д.
Нагретый воздух после ЗТУ (ЗТУА) целесообразно использовать для систем вентиляции и кондиционирования воздуха, близко расположенных к котельной общественных и административных зданий. Для этой цели на воздуховод 4 с горячим воздухом устанавливается теплообменник-теплоприемник 6, а на приточном воздуховоде 3 располагается теплообменник-теплопередатчик 5 [17,39]. Данная схема показана на рисунке 4.3.
Теплообменники соединяются системой трубопроводов 7, заполненных 40% раствором этиленгликоля в дистиллированной воде. Теплоноситель, нагревшись в теплообменнике-теплоприемнике 6, обдуваемом теплым воздухом после ЗТУ, переносит это тепло в теплообменник-теплопередатчик 5. Теплообменник-теплопередатчик чаще всего играет роль подогревателя первой ступени.
Данная схема имеет следующие преимущества: 1) полное отсутствие смешения воздушных потоков; 2) высокая эффективность теплоутилизации (60 %); 3) использование незамерзающего теплоносителя.
Предложенную схему можно использовать в системах кондиционирования помещений с высокими требованиями к чистоте воздуха, а также в случае большого расстояния между приточной установкой и модулем ЗТУ.
В целом модуль ЗТУ представляет собой компактное сооружение, не требующее больших площадей для размещения.
Экономическая эффективность проекта модуля зернистого теплоутилизатора
Эффективность проекта зависит от степени утилизации "бросовой теплоты" и ее использования в технологических схемах теплогенерирующих установок [58,75].
При проектировании новых ТГУ в зависимости от доли количества утилизируемой теплоты за счет использования ЗТУА удается снизить мощность котельной и соответственно капитальные вложения и эксплуатационные затраты. Если внедрять ЗТУА на действующем предприятии, то в этом случае будут только капитальные и эксплуатационные затраты на аппарат, а экономический эффект от внедрения будет за счет утилизации тепла уходящих газов, и как следствие этого уменьшения расхода топлива.
Годовой эффект от внедрения модуля ЗТУ (ЗТУА) должен быть определен не только по приведенным затратам, но и на основе таких показателей, как чистый дисконтированный доход, индекс доходности при внедрении новой технологии, а также срок ее окупаемости [75].
