Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор и анализ современных аппаратов для утилизации теплоты парогазовых выбросов и методов их расчета для текстильны x и хим и ч ески x предприятий 8
1.1. Анализ конструктивных особенностей существующих аппаратов для утилизации теплоты паровоздушной смеси и методов их расчета 8
1.2. Обзор и анализ работ по исследованию гидродинамических режимов в аппаратах со встречно закрученными потоками
Глава 2. Исследование гидродинамических процессов в вихревых многофункциональных аппаратах с активной гидродинамикой 3 5
2.1. Течение газовой фазы в аппаратах со встречными закрученными потоками
2.2. Движение жидкой (твердой) фазы в аппарате со встречными закрученными потоками
Глава 3. Разработка физической модели и математического описания процесса тепло - и массообмена в вихревых многофункциональных аппаратах с активной гидродинамикой
3.1. Исследования процессов тепло - и массообмепа в вихревых многофункциональных аппаратах
3.2. Исследования распределения потенциалов переноса в пограничном слое между газом и жидкостью
3.3. Разработка физической модели и математического описания процессов тепло - и массообмена в вихревых многофункциональных аппаратах
Глава 4. Результаты экспериментальных исследовании гидродинамических процессов и процессов тепломас- собмеыа в вихревых многофункциональных аппаратах
4.1. Описание лабораторной установки для проведения экспериментальных исследований
4.2. Определение гидродинамических характеристик (полей скоростей и статических давлений) аппарата со встречными закрученными потоками
4.2. Результаты экспериментальных исследований гидродинамических характеристик аппарата и их анализ
4.3. Экспериментальное исследование процессов тепло - и массообмена
4.4. Инженерный метод расчета вихревых многофункциональных аппаратов для утилизации тепла и очистки технологических выбросов
4.5. Аппаратурное оформление вихревых многофункциональных аппаратов
основные результаты и выводы
Литература
- Обзор и анализ работ по исследованию гидродинамических режимов в аппаратах со встречно закрученными потоками
- Движение жидкой (твердой) фазы в аппарате со встречными закрученными потоками
- Исследования распределения потенциалов переноса в пограничном слое между газом и жидкостью
- Определение гидродинамических характеристик (полей скоростей и статических давлений) аппарата со встречными закрученными потоками
Введение к работе
Химические и имеющие отделочное производство текстильные предприятия являются крупными потребителями тепловой энергии. Производство и потребление теплоты сопровождается значительными потерями и сопутствующим загрязнением окружающей среды. При этом резервы экономии топливно-энергетических ресурсов (ТЭР) могут достигать 70 и более процентов от всего технологического теплопотребления, в том числе на долю теплоты выбрасываемой паровоздушной смеси от теплотехнологического оборудования (запарные и выпарные аппараты, зрельники, сушильные установки и т.п.) приходится до 50% всех побочных тепловых энергоресурсов.
Повышение энергетической и экологической эффективности потребления тепловой энергии возможно путем использования оборудования для утилизации теплоты побочных энергетических ресурсов и ее возврата в технологию.
Практическая реализация указанных мероприятий связана с разработкой высокоэффективных многофункциональных аппаратов для утилизации теплоты и очистки воздуха от пыли и некоторых газов (ВМФА), а также теории и методов их расчета.
Необходимость и важность решения задачи повышения экологической и энергетической эффективности работы теплопотреблнющего оборудования и определяют актуальность данной работы.
Цель работы заключалась в проведении теоретических и экспериментальных исследований и разработке на их основе инженерных методов расчета вихревых многофункциональных аппаратов и их конструктивных решений, обеспечивающих снижение энергетических затрат на проведение тепло-массообмеццых процессов.
Указанная цель соответствует постановлению Совета Министров РФ «Об использовании сырьевого, топливно-энергетического и других матери-
альных ресурсов в период до 2005 года», межвузовской программой «Энергосбережение», комплексной программе «Экономия», принятой Минтек-стильпромом РФ, а также планам госбюджетных и хоздоговорных работ МГТУ.
Поставленная цель достигается решением следующих научных и технических 'задач:
Разработкой физической модели и математического описания процессов тепло - и массообмена в вихревом многофункциональном аппарате, учитывающей сложный характер протекающих в аппарате процессов.
Проведением экспериментальных исследований, с-целью подтверждения адекватности предложенной физической модели и математического описания процессов тепло - и массообмена в вихревом многофункциональном аппарате.
Разработкой инженерных методов расчета вихревого многофункционального аппарата и алгоритмов их реализации, а также рекомендаций по применению аппарата в промышленности.
Разработкой типовой конструкции вихревого многофункционального аппарата для утилизации теплоты и очистки выбросного воздуха от пыли и некоторых газов.
Основными, наиболее значимыми, с точки зрения научной новизны, результатами, полученными при решении-перечисленных выше задач, являгот-ся следующие:
Разработаны физическая модель и математическое описание процессов тепло - и массообмена в вихревых многофункциональных аппаратах.
Разработана математическая модель гидродинамики многофункционального вихревого аппарата, позволяющая определить поля скоростей газовой фазы.
Получено математическое описание движения капель жидкости а аппарате, позволяющее рассчитать время их нахождения во взвешенном со-
стоянии. Получены критериальные зависимости для коэффициента интенсивности тепломассообмена, позволяющие проводить расчеты режимных и конструктивных характеристик аппаратов, предназначенных для утилизации теплоты высоковлажных парогазовых выбросов с температурой от 70 до 100С, а также для увлажнения и кондиционирования воздуха при низких температурах (до 40С).
Обосшшапность научных положений и выводов обусловлена применением корректных теоретических предпосылок и математических методов решения задач и обработки экспериментальных данных, использованием современного оборудования и приборов, а также хорошим соотвегсгвием теоретических и экспериментальных данных. Практическое значение работы.
Разработана модифицированная конструкция вихревого многофункционального аппарата, предназначенного для решения широкого круга задач (утилизация теплоты паровоздушных выбросов, увлажнение и кондиционирование воздуха, мокрая очистка газовоздушных выбросов).
На основании полученных критериальных зависимостей разработаны инженерные методы расчета и алгоритм их реализации для вихревых многофункциональных аппаратов, предназначенных для утилизации теплоты нагретых парогазовых выбросов, увлажнения и кондиционирования воздуха, а также очистки выбросного технологического воздуха от пыли и некоторых газов.
Даны рекомендации и о использованию аппарата в системах утилизации теплоты,увлажнения и кондиционирования воздуха.
Апробация работы. Основные результаты и положения работы докладывались на семинаре «Технологические процессы с твердой фазой» проблемного совета по ТОХТ РАН (2003, 2004 г.г.), на международных конференциях по химии и химической технологии МКХТ (2002 - 2005 г.г.), на все-
российских конференциях «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности (Текстиль 2003 и Текстиль 2004).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 9 работ.
Струїсгура работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, выводов, списка литературы из 139 наименований. Работа изложена на 141 странице, содержит 34 рисунка и 4 таблицы.
Обзор и анализ работ по исследованию гидродинамических режимов в аппаратах со встречно закрученными потоками
Орошаемые насадки могут быть выполнены самым различным образом и определяют структуру и площадь межфазной поверхности. В качестве насадки используются различные листовые, пористые, реечные и насыпные материалы. Причем насыпные материалы могут быть самой разнообразной конструкции [22]: кольца Рашига, седла Бердли, кольца с перегородками, шары, пропеллерная насадка, хордовая насадка и др. Они могут изготовляться из керамики, пластмасс, металла и других материалов. Наиболее употребимые представляют собой так называемые керамические кольца Рашига, имеющие достаточно развитую наружную поверхность.
Листовые насадки также могут быть выполнены из листов различных материалов с гладкой или гофрированной поверхностью и располагаться под различным углом к направлению движения потока газа.
В аппаратах с орошаемой насадкой обеспечивается противоточное движение газовой и жидкой фаз, что в сочетании с развитой поверхностью раздела фаз обеспечивает довольно высокую эффективность процессов тепломассообмена.
Наилучшими характеристиками обладают регулярные сотоблочные насадки, выполненные из" листового материала. В них обеспечивается относительно высокая скорость движения газовой фазы, возможность изменения режима работы орошаемого слоя и большая поверхность контакта двух фаз.
Нерегулярные насадки обладают меньшей эффективностью, характеризуются повышенным гидравлическим сопротивлением и толщиной слоя. Однако насыпные насадки, выполненные из колец Рашига, нашли довольно широкое примененне благодаря простоте изготовления и высокой коррозионной стойкости.
Кокориньш О.Я. [3] исследовались насадки в виде блоков из бумажных полос, уложенных синусоидально и пропитанных смолами; блоков из бумажных полос, уложенных ромбовидно и также пропитанных смолами; пакетов из пластин мипласта.
К недостаткам аппаратов с нерегулярной орошаемой насадкой следует отнести их чувствительность к загрязнениям потоков воздуха и жидкости. В этом случае насадка может забиваться присутствующими в теплоносителях загрязнениями, что приводит сначала к увеличению гидравлического сопротивления аппарата и затем к его выходу из строя.
К другой разновидности контактных теплообменников можно отнести барботажные аппараты. В барботажпых аппаратах возможны два режима работы. При этом поверхность контакта представляет собой либо всплывающие пузырьки газа (при малых скоростях газа), либо капли жидкости при скорости движения газа больше некоторой критической.
Для диспергирования потока газа в барботажных трубах могут устанавливаться зубчатые, тарельчатые или решетчатые барботажные устройства. Для эффективной работы барботажных аппаратов достаточна высота слоя жидкости в 200 мм.
Для барботажных тспломассообменных аппаратов характерны невысокие относительные скорости движения потока газа, которые ограничены ненообразованием. При этом в зависимости от скорости движения потока газа его и способа диспергирования некоторые типы барботажных аппаратов могут работать в режиме пенных аппаратов. Такой аппарат называется полочным пенным аппаратом. Наличие пены обеспечивает устойчивую работу такого аппарата при скорости движения потока газа до 2,5 м/с [1]. В полочном контактном аппарате тепломассобмен между контактирующими средами осуществляется при их перекрестном токе. При этом время контакта двух сред определяется длиной газонаправляющей решетки и скоростью течения жидкости по ней.
Пенные аппараты представляют собой отдельный класс смесительных аппаратов, в которых межфазовая поверхность образована газожидкостной эмульсией, состоящей из ячеек пены.
Полочный аппарат работает в режиме пенного аппарата при диапазоне скорости потока воздуха от 0,5 до 2,5 м/с. Скорость 0,5 м/с является нижним пределом пеиообразования. При меньшей скорости движения газа пена не образуется. Скорость газа в отверстиях газонаправляющей решетки поддерживается в диапазоне 15-20 м/с. При этом пенные аппараты характеризуются повышенным гидродинамическим сопротивлением 1500-2000 Па.
К разновидности форсуночных камер могут быть отнесены полые скрубберы [22]. Полые скрубберы представляют собой колонны круглого или прямоугольного сечения. Орошающая жидкость, подаваемая сверху, диспергируется па капли механическими форсунками грубого распыла, работающими под давлением 0,3-0,4 МПа. При этом факелы распыла перекрывают все поперечное сечение скруббера. Поток газа со скоростью 0,7-1,5 м/с, как правило, движется противотоком к движению капель жидкости, снизу вверх. В скрубберах с установленными для уменьшения уноса жидкой фазы капле-уловителями скорость газа в пересчете на полное поперечное сечение аппарата может достигать-5-8 м/с.
Движение жидкой (твердой) фазы в аппарате со встречными закрученными потоками
Движение капель жидкости;в многофункциональном аппарате;моделировалось движением одиночных капель. Такое моделирование возможно, так как концентрация жидкой фазы в аппаратах низка. В результате расчета движения одиночных капель (частиц) можно определить:. 1) траекторию движения капель; 2) время их пребывания в аппарате; 3) минимальный размер капель, улавливаемых в аппарате - б/0; 4) фракционную эффективность улавливания.
Искомая система уравнений (2.59) решалась методом Рунге-Кутта с использованием стандартной программы. Эта программа расчета была состыкована с соответствующей программой расчета течения газовой фазы в аппаратах со встречными закрученными потоками. Целью расчета являлось определение времени пребывания капель воды различного размера во взвешенном состоянии в рабочем пространстве аппарата, также относительных чисел Рейнольдса.
Расчеты были проведены для аппаратов с диаметрами рабочей камеры 260, 500 и 700 миллиметров в различных режимах их работы. При этом соблюдали геометрическое подобие этих аппаратов.
Как видно из рисунков 2.5 - 2.7 время пребывания капли жидкости во взвешенном состоянии в рабочей камере аппарата с увеличением начальной тангенциальной составляющей скорости первичного потока воздуха уменьшается. Кроме того, выяснилось, что при скорости V 6 м/с начинается унос из аппарата капель жидкости с диаметром dK = 100 мкм, а при 9 м/с — капель є диаметром сік = 300 мкм.
Аналогичные зависимости приведены на рис. 2.14 и 2.15, для случая, когда капля жидкости подается навстречу вторичному потоку воздуха. Как и следовало ожидать в этом случае значение средневзвешенного во времени числа Рейнольдса несколько больше по сравнению с предыдущим случаем, в то время как время пребывания капли во взвешенном состоянии незначительно уменьшается.
Проведенный анализ аппаратурного оформления процессов позволил сделать вывод о перспективности использования;вихревого многофункционального аппарата (ВМФА) на базе аппарата со встречными закрученными потоками (ВЗП). В таком аппарате обеспечиваются высокие скорости потока (5-25 м/с) газа без снижения эффективности улавливаниявлаги. Одним из основных преимуществ вихревого аппарата является наличие в рабочем: объеме аппарата высокоразвитой поверхности теплообмена, включающей в себя капельную, пленочную и;пенную поверхности раздела фаз, и возможность регулировать их соотношение путем управления кратностью расходов охлаждаемого газа.
При расчете контактных тепломаесообменньгх аппаратов используются два подхода. Первый.связан с определением локальных коэффициентов-тепломассообмена;, параметров сред в аппарате: скорости движения, поверхности контакта и.ее геометрических характеристик, температуры, давления и. т.д. Этот подход основан на решении систем интегро-дифференциальных уравнений переноса теплоты и массы, уравнений теплового и материального баланса с использованием экспериментальных данных для определения коэффициентов переноса. Однако при этом далеко не всегда удается получить достаточно данных для разработки методов расчета процессов тепломассообмена в контактных аппаратах ввиду большой неопределенности характерных параметров.
Основой для описания процессов переноса теплоты и массы в материальной среде служат дифференциальные уравнения неразрывности, движения, теплопроводности, диффузии и др.[126, 121J Для описания конкретного процесса передачи теплоты и массы к указанным уравнениям необходимо добавить граничные условия. В общем виде уравнение неразрывности можно представить в виде.
В этом случае с учетом допущения о том, что коэффициент теплопроводности в пределах слоя является величиной постоянной и равной средне-интегральному значению, а также допущения (ввиду малости толщины самого слоя) о линейном характере зависимости температуры в пределах слоя, уравнение теплопроводности можно представить в виде уравнения Лапласа
Исследования распределения потенциалов переноса в пограничном слое между газом и жидкостью
Полученные выше соотношения позволяют определять соотношения между явным теплообменом и теплоотдачей за счет испарения (конденсации) влаги, а также определять количества испарившейся (сконденсировавшейся) жидкости, скорость данного процесса и скорость изменения размеров капель жидкости.
Расчеты по соотношениям (3.54) и (3.57) показывают, что отклонения температуры в середине пограничного слоя насыщенного газа и отклонение градиента температуры на внешней границе насыщенного слоя, т.е. там, где они имеют максимальные значения, от тех же значений для линейного распределения температуры в пограничном слое не превышают 0,4%. То же самое можно сказать и о распределении концентраций в пограничном слое ненасыщенного газа. Таким образом, можно сделать вывод о возможности использования модели линейного распределения температур и концентраций в пограничных слоях насыщенного и ненасыщенного газов.
В пограничном слое насыщенного газа происходит изменение температуры таза по мокрому термометру от температуры жидкости t до температуры газа по мокрому термометру tM на границе с ненасыщенным газом.
Разность температур по мокрому термометру и температурой жидкости является движущей силой процесса тепломассообмена, поскольку эти темиературы однозначно определяют энтальпию обеих сред.
Концентрация пара в слое насыщенного газа изменяется от концентрации пара Сж на границе с поверхностью жидкости, соответствующей состоянию насыщенного газа при температуре жидкости Іж, до концентрації и С„ на границе с ненасыщенным слоем газа; соответствующей состоянию газа при температуре мокрого термометраM. В слое ненасыщенного газа концентрация изменяется от значения,С„ на границе со слоем насыщенного газа до концентрации.С в потоке газа.[120, 119, 115, 96]
При выводе основных соотношений для расчета явного теплообмена были приняты постоянными суммарные расходы газа и жидкости, их начальные температуры и давления, а также их теплоемкости. Теплообменник условно разбивается на два теплообменника с различными направлениями движения потоков (газа восходящего - первичного и нисходящего - вторичного), различными расходами газа и поверхностями контакта, а также на различные зоны теплообмена, таким образом, чтобы коэффициент теплообмена а в них был одинаков. При этом положительное направление оси направлено в направлении движения первичного потока.
Этот вывод оказывается справедливым для любого типа теплообменников, а полученные величины в уравнениях (3.83, 3.84) могут быть использованы для расчета теплообменников в качестве определяемых чисел подобия. Однако, ввиду того, что в них входят четыре температуры (начальные и конечные температуры газа и жидкости), уравнение (3.83) было преобразовано путем подстановки вместо Л/; выражения для среднелогарифмическо-го температурного напора, вычисленного как для противоточного теплообменника. В результате было получено соотношение
Определение гидродинамических характеристик (полей скоростей и статических давлений) аппарата со встречными закрученными потоками
В работе исследовались распределения осевой скорости по радиусу сечения первичного и вторичного ввода потоков и по радиусу выхлопного патрубка с целью создания полной физической картины. Распределению же нолей скоростей по сечению аппарата посвящено большое количество работ [74, 25, 30, 75, 106, 107].
Все измерения осевой скорости проводились по газовой фазе, так как в работе.[25, 108] было показано, что поля скоростей воздушных потоков практически не деформируются при введении жидкой или твердой фазы.
Отличительной чертой закрученных потоков (в частности, встречных закрученных потоков) является наличие радиального градиента статического давления, связанного с наличием тангенциальной составляющей скорости газа. В работе определялось распределение по радиусу значений статического давления, определенных но высоте аппарата, и распределение статического давления в выхлопном патрубке. Все выше указанные гидродинамические характеристики оказывают существенное влияние на основные технико-экономические характеристики вихревых аппаратов со встречными закрученными потоками (эффективность улавливания и потери давления)[98, 100].
Методика проведения экспериментальных исследований Распределение осевой скорости по радиусу первичного и вторичного вводов и радиусу выхлопного патрубка и распределение статистического давления определялись при помощи нятиканального шарового зонда [76, 77] с диаметром чувствительного элемента 9 мм (рис.4.2). Зонд был закреплен на микрокоординатнике, который позволял перемещать чувствительный элемент вдоль оси державки с точностью до 0,05 мм и поворачивать с точностью до 0,5". Координатних укреплялся па корпусе аппарата в измеряемых сечениях.
Регистрация показаний велась микроманометрами ММН-240. Погрешность измерений не превышала 8-10%. Измерение пятиканальным шаровым зондом осуществлялось по схеме, представленной на рис.4.2. Зонд при помощи микрокоординатпика устанавливался в требуемую точку измерения, и достигалось его положение, при котором вектор скорости лежит в плоскости отверстий 1, 2 и 3.
Градуировка зонда проводилась эталонной трубкой Прандтля в аэродинамической трубе со строгой ориентацией потока в пространстве [76].
Результаты экспериментальных исследований гидродинамических характеристик аппарата и их анализ
Как уже отмечалось выше, характерной особенностью закрученных потоков является значительный градиент статического давления, вызванный наличием тангенциальной составляющей скорости газа V „.
Как видно из представленных рисунков, с увеличением соотношения расходов по каналам происходит увеличение потерь напора (как в самом се-парационном объеме, так и в выхлопном патрубке). Это еще раз подтверждает результаты, которые были получены при исследовании потерь давления в аппарате.
Лабораторные и опытно-промышленные испытания вихревых аппаратов контактного типа для утилизации теплоты. ПВС проводились при: параметрах, характерных для запарных установок, зрельников и конвективных сушильных установок в относительно широком, характерном для данного типа установок диапазоне температур и влажности паровоздушной смеси [96,97, 101, 104, 105, 109, ПО].
При проведении испытаний на запарной установке расход паровоздушной смеси изменялся в небольших пределах и. в среднем составил LB = 1000лі /ч = 0,278л( /с. Это объясняется тем, что изменение расхода в широких пределах было недопустимо по технологическим условиям производства. В среднем соотношение расходов нисходящего и восходящего по 108 токов составило 2:1, поскольку именно это соотношение оказалось наиболее эффективным-для данного тина аппаратов. При этом расход орошающей воды менялся в широких пределах от Ga =700кг/ч до Gl} = 2600к?/ч. Температура ЛВС на входе в аппарат колебалась от 96 до 98 "С, а на выходе от 24 до 90 "С.При этом температура холодной воды на входе в аппарат в среднем составила б-С, а нагретой воды на выходе из аппарата зависела от расхода ПВС и изменялась от 50 до 90 "С.Такие высокие параметры нагретой воды: при испытаниях на запарной установке объясняются очень высоким содержанием пара в ПВС, близким к состоянию насыщения воздуха при данных температурах. Таким образом, при; утилизации теплоты ПВС данных параметров возможно получение температур нагретой воды В:широком диапазоне параметров; определяемых потребностью предприятия в ее количестве и температуре.
Исследования на сушильных конвективных установках проводились также при параметрах сушильного агента и его расходах, соответствующих технологическим режимам установок [133]. При этомв процессе проведения: испытаний изменялись расходы ПВС и нагреваемой жидкости. Для этого в отводные воздуховоды сушильной установки делалась врезка воздуховода с регулирующим шибером для подвода ПВС к исследуемому аппарату. То же самое можно сказать и об испытаниях на зрелышках. Изменению подлежали также расходы орошающей воды и соотношения нисходящего и восходящего потоков ПВС.
Обработка результатов испытаний проводилась по двум направлениям: определения постоянных коэффициентов критериального уравнения и определения коэффициентов эмпирического уравнения для объемного коэффициента теплопередачи [22, 135, 129, 128, 139],
При обработке результатов эксперимента по первой методике определялась критериальная зависимость коэффициента эффективности тепломассообмена Km от числа Рейнольдса Re и числа подобия тепловых эквивалентов Вт{, т.е. критериальная зависимость Km = /"(Re, Вт ). Постоянные коэффициенты критериальной зависимости находились при помощи метода наименьших квадратов для мпогофакторного эксперимента. При этом числа Re менялись в пределах 900 - 4000 и числа Вт1 -в пределах 1,15-2.
