автореферат диссертации по энергетике, 05.14.04, диссертация на тему:Гидродинамика и теплообмен в регенераторе с дисперсной насадкой

На правах рукописи

ПРУТСКИХ Дмитрий Александрович

ГИДРОДИНАМИКА И ТЕПЛООБМЕН В РЕГЕНЕРАТОРЕ С ДИСПЕРСНОЙ НАСАДКОЙ

Специальность: 05.14.04- Промышленная теплоэнергетика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 2 ФЕВ ТЗ

Воронеж - 2009

003461156

Работа выполнена в ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет»

Научный руководитель доктор технических наук,

профессор

Бараков Александр Валентинович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор

Шитов Виктор Васильевич;

кандидат технических наук, доцент

Швырев Андрей Николаевич

Ведущая организация ОАО ТГК-4 «Воронежская

региональная генерация»

Защита состоится 26 февраля 2009 г. в 1400 часов в конференц-зале на заседании диссертационного совета Д 212.037.05 ГОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» по адресу: 394026, г. Воронеж, Московский просп., 14.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ГОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет».

Автореферат разослан января 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

¡тй

и

г

Бараков А.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Экономия топливно-энергетических ресурсов рассматривается в Федеральной программе «Энергетическая стратегия России до 2020 года» в качестве основного фактора повышения конкурентоспособности отечественной продукции и снижения загрязняющего воздействия на окружающую среду. Анализ тепловых потерь в энергетических и теплотехнологических установках различного назначения показывает, что их значительную часть составляет физическая теплота уходящих газов, использование которой должно быть направлено на повышение тепловой эффективности самих установок, например, путем подогрева воздуха, идущего на горение. Воздухоподогреватель позволяет осуществить снижение температуры уходящих газов, что повышает КПД установки и, тем самым, обеспечивает экономию потребляемого топлива, а также повышает температуру его горения. Однако технико-экономическая целесообразность применения воздухоподогревателя не всегда оправдана, что связано, в основном, с низкими температурными напорами теплоносителей, большим гидравлическим сопротивлением аппарата, загрязнением поверхностей теплообмена со стороны греющего теплоносителя различными отложениями или ее разрушением за счет коррозии или эрозии.

В этой связи весьма перспективными, на наш взгляд, являются регенеративные воздухоподогреватели, в которых в качестве промежуточного теплоносителя (насадки) служит циркулирующий псевдоожиженный слой дисперсного материала. Достоинства данной насадки обусловлены такими свойствами псевдоожиженного слоя, как развитая поверхность межфазного теплообмена, высокие коэффициенты теплоотдачи, способность частиц к самоочистке от загрязнений и т.д. Из известных схем и конструкций аппаратов подобного типа следует выделить теплообменники, в которых циркуляция насадки происходит за счет динамического воздействия греющего газа и воздуха, поскольку применение механических транспортеров и элеваторов значительно усложняет конструкцию теплообменника и снижает надежность его работы. Однако недостаточная изученность межфазных процессов теплообмена в циркулирующем псевдоожиженном слое дисперсного материала не позволяет разработать методику инженерного расчета воздухоподогревате-

лей подобного типа, что препятствует их широкому распространению. В связи с этим тема диссертации представляется актуальной.

Работа выполнялась в соответствие с научным направлением «Физико-технические проблемы энергетики и экологии» по теме ГБ 04.12 (№ Гос. per. 01.2.00409970) ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет».

Целью работы является моделирование гидродинамики и теплообмена и разработка методики расчета воздухоподогревателя с циркулирующим псевдоожиженным слоем насадки.

Для достижения указанной цели поставлены следующие задачи:

1. Разработка математической модели межфазного теплообмена в циркулирующем псевдоожиженном слое дисперсного материала и определение температурных полей в твердой и газообразной фазах.

2. Получение зависимостей для определения скоростей движения газообразных теплоносителей и насадки.

3. Разработка и монтаж установки и проведение экспериментальных исследований воздухоподогревателя для подтверждения достоверности теоретических результатов и получение эмпирической зависимости для межфазного коэффициента теплоотдачи.

4. Разработка методики инженерного расчета конструктивных размеров и эксплуатационных параметров воздухоподогревателя.

Научная новизна:

- разработана, реализована и экспериментально подтверждена математическая модель теплообмена в перемещающемся псевдоожиженном слое дисперсного материала, отличающаяся учетом скорости его движения.

- получены аналитические соотношения для расчета температурных полей в твердой и газообразной фазах и скорости движения насадки.

- в результате обработки опытных данных получена эмпирическая критериальная зависимость для расчета межфазного коэффициента теплоотдачи, учитывающая угол входа газового потока в слой материала.

- разработана методика инженерного расчета регенеративного воздухоподогревателя с циркулирующим псевдоожиженным слоем насадки.

Достоверность научных результатов подтверждена использованием фундаментальных законов гидродинамики и теплообмена, итогами их экспериментальной проверки, а также сопоставлением полученных результатов с данными других авторов.

Практическая значимость работы.

Результаты выполненных теоретических и экспериментальных исследований являются ценной базой для разработки методики инженерного расчета регенеративного воздухоподогревателя с перемещающимся псевдоожиженным слоем насадки. Разработана конструкция воздухоподогревателя, новизна и оригинальность которой защищена патентом на изобретение.

Результаты диссертационной работы внедрены в практику ОАО ТГК-4 «Воронежская региональная генерация» и ОАО «Воронежский опытно-механический завод».

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на Международной конференции и Российской научной школе «Системные проблемы надежности, качества, информационных и электронных технологий в инновационных проектах» (Сочи, 2005), II Международной научно-практической конференции «Современные энергосберегающие тепловые технологии» (Москва, 2005), Международной конференции «Компьютерные технологии в технике и экономике» (Воронеж, 2007), научно-технической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов «Физико-технические проблемы энергетики, экологии и энергоресурсосбережения» (Воронеж, 2005-2008).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 10 научных работ, в том числе 3 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежит: [1,5,9] - аналитический обзор литературы, разработка методики расчета воздухоподогревателя; [2,3,6,7,8,10] - разработка и реализация математической модели, проведение экспериментов и обработка опытных данных; [4] - разработка конструкции газораспределительной решетки.

Структура и объём работы. Диссертационная работа изложена на 100 страницах, состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы из 91 наименования, приложений и содержит 42 рисунка и 7 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулирована цель диссертационной работы и задачи исследования, представлена научная новизна и практическая значимость полученных результатов и данные об апробации работы.

В первой главе диссертации сделан обзор конструкций воздухоподогревателей и показано, что наибольшего внимания заслуживает конструкция, в которой в качестве насадки служит циркулирующий псевдоожиженный слой дисперсного материала. Циркуляция насадки обусловлена потоками греющего газа и воздуха, ориентированными газораспределительной решеткой в сторону движения насадки.

Произведен анализ теоретических и экспериментальных работ, в которых исследованы гидродинамические и тепловые процессы, определяющие эффективность работы таких теплообменников. Он показал, что в настоящее время отсутствуют надежные общепринятые зависимости, которые послужили бы научной базой для разработки инженерной методики расчета воздухоподогревателей ' подобного типа и их широкому внедрению в промышленности. На основании проведенного анализа современного состояния указанной темы сформулированы цель и задачи диссертационной работы.

Во второй главе диссертационной работы разработана и реализована математическая модель теплообмена в перемещающемся псевдоожиженном слое дисперсного материала. При разработке модели принята следующая расчетная схема теплообмена (рис. 1).

Рис. 1. Расчетная схема теплообмена

Предполагая, что коэффициент межфазного теплообмена не изменяется по объему слоя и температурное поле внутри отдельной частицы равномерно, тепловой поток в элементе слоя сЬсф можно представить следующей системой уравнений

дв

с{<2 = с1жг(\-е)рг —скй\■ дх

с)Т

с!д = -с1м-1.,рг-—сЬсс1у ду

<1<2 = аМТ-в)<Ь:ау .

(1)

(2) (3)

Из (1)-(3) получена исходная система дифференциальных уравнений для расчета температурных полей в твердой и газообразной фазах:

дв_ дх дв дх

= Т-в

дТ ду'

(4)

(5)

Граничные условия для (4)-(5) имеют вид

Т = Г при у* = О, в = в' при х* = 0.

(6) (7)

В результате аналитического решения (4)-(7) получены соотношения для определения температуры насадки и газообразных теплоносителей

0" = Г-(Т'-9')-ех р

аГг1

стЩ

О-Фт

(8)

а /.-£

Г = г--Г „ИТ [Г_вуехр

1 + -

аЛИ

2 сг™,,.рг

а/УЬ

стч>т(\-е)рт

1 +

ссЛЬ 2сгиу,.рг

Для численного решения системы (4)-(7) получены ее конечно-разностные аналоги на равномерной сетке и уравнения для расчета температурных полей в твердой и газообразной фазах:

' 2 +Ау*

Ах*

в,> =

Т =Т

2 +Ау* Ах*

+ 1

Ах11

2 +Ау* Ах *

(10)

(П)

+ 1

Установившаяся скорость движения насадки может быть найдена из условия равновесия действующих на отдельную частицу слоя сил. На основании предварительных оценок установлено, что основными являются сила лобового сопротивления, сила веса с учетом силы Архимеда и сила трения частицы об ограждающие поверхности (рис.1). Для определения скорости насадки получено следующее аналитическое уравнение

/ , 2у>.Л0--

(<*Рг&К 4

-0,71

п1\

+ 7,11

ЪРг

(12)

Третья глава диссертации посвящена экспериментальному исследованию воздухоподогревателя. Эти исследования проводились с целью проверки адекватности разработанной математической модели и аналитических соотношений, полученных на ее основе, получения эмпирической критериальной зависимости для расчета межфазного коэффициента теплообмена в перемещающемся псев-дооожиженном слое, а также для проверки работоспособности и тепловой эффективности исследуемого воздухоподогревателя.

Эксперименты проводились на установке, принципиальная схема которой показана на рис.2, а общий вид - на рис. 3.

Рис. 2. Принципиальная схема установки: 1-воздухоподогреватель; 2-газораспределительная решетка; 3-калорифер; 4-вентиляторы; 5-термопары; 6-термометры;

7-микроманометры.

Экспериментальный воздухоподогреватель представляет собой кольцевую камеру, образованную двумя коаксиальными обечайками диаметром 200 и 380 мм. Для визуального наблюдения процесса наружная обечайка выполнена из органического стекла. В нижней части камеры установлена жалюзийная газораспределительная решетка с углом наклона жалюзи 30° относительно горизонта.

В качестве дисперсного материала использовали частицы из алюмоцинкового сплава, силикагеля и песка. Параметры дисперсных материалов приведены в табл. 1.

Рис. 3. Общий вид экспериментальной установки

Таблица 1

Параметры дисперсных материалов

№ п/п Наименование материала Форма частиц Рт, кг/м' ск мм £о

1 Сплав В-95 куб 2580 2,57 0,35

2 Сплав В-95 куб 2580 2,88 0,35

3 Сплав В-95 куб 2580 5,00 0,35

4 Чугун шар 7800 из 0,38

5 Песок неправильная 2650 3,17 0,42

6 Песок неправильная 2650 3,62 0,42

7 Силикагель шар 1560 2,03 0,40

8 Силикагель шар 1560 2,47 0,40

9 Силикагель шар 1560 4,82 0,40

I Перед началом экспериментов был произведен расчет макси-

| мальных систематических ошибок измерения параметров процесса, а для снижения влияния случайных ошибок определено необходимое количество измерений каждого параметра.

Исследование гидродинамических параметров воздухоподогревателя проводилось на «холодной» модели. Для этого в аппарат загружалось определенное количество дисперсного материала и включались вентиляторы. Путем визуального наблюдения определялась скорость ожижающего газа, при котором происходило устойчивое и интенсивное движение насадки теплообменника без оголения газораспределительной решетки. В результате было установлено, что «насыпная» высота слоя дисперсного материала должна соответствовать (20 + 30)</,, а «рабочая» скорость газа и воздуха должна быть в (1,4 + 1,8) раза больше ее минимального значения. В этой

серии опытов измеряли также скорость движения частиц псевдо-ожиженного слоя материала с помощью меченой частицы и секундомера. Отдельные результаты этих экспериментов, а также график зависимости (12) показаны на рис. 4.

Сопоставление опытных и рассчитанных данных показало, что их среднеквадратичное отклонение не превышает 20 %, что позволяет рекомендовать полученное аналитическое соотношение для практического использования.

Рис.4. Скорость движения частиц: • -эксперимент;--расчет по(12).

Во второй серии экспериментов воздух, подаваемый в «горячую» камеру воздухоподогревателя, нагревали в электрокалорифере до 50 + 70 °С. После установления стационарного режима измеряли:

- температуру газообразных теплоносителей на выходе из слоя насадки (4 точки);

- среднюю температуру газообразных теплоносителей на выходе из камер теплообменника;

- температуру насадки в переточных каналах между камерами воздухоподогревателя.

На рис. 5 показаны отдельные опытные данные по распределению температуры теплоносителей по длине газораспределительной решетки, а также графики, построенные по (9) и (11)

{ 80

10 о

О 0,2 0.4 0,6 0,8 1 1,2

Х/Ь

Рис. 5. Распределение температуры теплоносителей эксперимент; I-температура газа на входе в аппарат (7"); 2-температура насадки (эксперимент); 3-численное решение по (П); 4-аналитическое решение по (9).

Анализ этих графиков показывает достаточно высокое совпадение экспериментальных данных с результатами аналитического и численного решения системы уравнений (4)-(7), что свидетельствует об адекватности разработанной математической модели.

По результатам измерений вычисляли средний коэффициент теплоотдачи от греющего газа к частицам насадки. В результате аппроксимации этих данных получено следующее эмпирическое соотношение

Nu =0,51

Re

(13)

Отдельные результаты этих опытов, а также графики, построенные по формулам других авторов, показаны на рис. 6.

Некоторое расхождение данных по интенсивности межфазного теплообмена связано, на наш взгляд, с различными условиями проведения экспериментов и трудностями точного замера температурного напора.

Рис. 6. Зависимость числа Nu от критерия Re. • - эксперимент;--расчет;

1 - Бараков A.B.; 2 - Агапов Ю.Н.; 3 - Санников A.B.;

4 - по формуле(13)

Среднеквадратичное отклонение опытных данных от расчетных по (13) составляет 15 %.

На рис.7 приведена зависимость коэффициента тепловой эффективности воздухоподогревателя, построенная на основании опытных данных и рассчитанная по формуле Неганова А.П.

Рис.7. Коэффициент тепловой эффективности воздухоподогревателя # - эксперимент; — расчет по формуле Неганова А.П.

Хорошее совпадение опытных и расчетных данных позволяет использовать указанную формулу при разработке методики теплового расчета воздухоподогревателя.

В четвертой главе диссертационной работы разработана методика инженерного расчета регенеративного воздухоподогревателя с циркулирующим псевдоожиженным слоем дисперсного материала насадки. Даны рекомендации по выбору материала и эквивалентного диаметра частиц дисперсного материала насадки, определению скорости греющего газа и воздуха, а также определению геометрических размеров воздухоподогревателя.

На основании проведенных исследований разработана конструкция воздухоподогревателя, принципиальная схема которого показана на рис. 8.

Конструкция теплообменника исключает перетоки газообразных теплоносителей, что особенно актуально при регенеративном подогреве воздуха продуктами сгорания топлива. Новизна и оригинальность конструкции защищена патентом на полезную модель и отмечена Дипломом на региональной выставке «Воронежский промышленный форум. Конкурс инновационных проектов» (Воронеж, 2008).

Рис. 8. Общий вид воздухоподогревателя 1- рабочая камера; 2 - газораспределительная решетка;

3 - перегородки; 4 - переточный канал

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Разработаны, реализованы и экспериментально подтверждены математические модели гидродинамики и теплообмена в перемещающемся (циркулирующем) псевдоожиженном слое.

2. Получены аналитические зависимости для расчета температурных полей в твердой и газообразной фазах и скорости движения насадки.

3. Выполнены экспериментальные исследования гидродинамики и теплообмена в воздухоподогревателе с дисперсным слоем насадки.

4. Экспериментально доказано, что для устойчивой и интенсивной циркуляции насадки «насыпная» высота слоя дисперсного материала должна составлять (20+30)^, а скорость газообразных

теплоносителей в (1,4 + 1,8) раза больше ее минимального значения.

5. Получено эмпирическое критериальное уравнение для расчета межфазного коэффициента теплообмена в перемещающемся псевдоожиженном слое в диапазоне чисел Рейнольдса от 800 до 4200.

6. Предложены рекомендации для определения конструктивных и эксплуатационных параметров воздухоподогревателя с циркулирующим псевдоожиженным слоем насадки.

Основные условные обозначения

х, у-координаты; и- -скорость, м/с; Г, -вес частицы, Н; Г-сила лобового сопротивления частицы, Н; -сила трения, Н; к -коэффициент трения; £ -средняя длина камеры воздухоподогревателя, м; р -угол входа газовых потоков в слой дисперсного материала, рад; ^-порозность псевдоожиженного слоя; /,,-удельная площадь поверхности частиц, м2/м3; % -ускорение свободного падения, м/с2; р -плотность, кг/м3; у -кинематический коэффициент вязкости, м2/с; с(, -коэффициент лобового сопротивления частицы;

а-межфазный коэффициент теплоотдачи, ^; Я-коэффициент

Вт „ - и

теплопроводности, --; О-тепловой поток, Вт; с-теплоемкость,

м-К

ГТ'уи*

-; Г-температура газообразного теплоносителя, К; в-

кг - К

температура твердой фазы (насадки), К; А - высота слоя насадки, м; IV-водяной эквивалент, Вт/К; ¿/.-эквивалентный диаметр частицы, м.

Безразмерные критерии и числа: Рейнольдса Re = W' ' ; Нуссельта

v

ad . а f.. а f..

Nu = —-; х =-- —х; v =--—v; Длг*-шаг по л:; Av*-

Яг c1w^{\-s)p-! ' crwlypr -

шаг по оси у .

Индексы: Г - греющий газ; В - воздух; Т - твердая фаза (насадка); ' - начальный; " - конечный; * - проекция на ось х; у - проекция на ось у.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Бараков A.B. К расчету регенеративного воздухоподогревателя непрерывного действия / A.B. Бараков, Д.А. Прутских // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2006. Т. 2. №6. С. 11-14.

2. Бараков A.B. Исследование теплообмена в регенераторе с дисперсной насадкой / A.B. Бараков, В.Ю. Дубанин, Д.А. Прутских // Энергосбережение и водоподготовка. 2007. №4. С. 45-46.

3. Бараков A.B. Исследование тепловой эффективности регенеративного воздухоподогревателя с дисперсной насадкой / A.B. Бараков, В.Ю. Дубанин, Д.А. Прутских // Промышленная энергетика. 2008. №5. С. 28-30.

Патенты

4. Пат. 70347 Российская Федерация, МПК F23L 15/02. Регенеративный теплообменник / A.B. Бараков, В.Ю. Дубанин, Д.А. Прутских; № 2007110673; заявл. 22.03.2007; опубл. 20.01.2008, Бюл. №2. Зс.

Статьи и материалы конференций

5. Мозговой Н.В. К выбору воздухоподогревателя для промышленных печей / Н.В. Мозговой, A.B. Бараков, Д.А. Прутских // Физико-технические проблемы энергетики, экологии и энергоресурсосбережения: труды науч.-техн. конф. Воронеж, 2005. Вып. 3. С. 27-31.

6. Мозговой H.B. Моделирование процессов в регенераторе с дисперсной насадкой / Н.В. Мозговой, A.B. Бараков, Д.А. Прутских // Системные проблемы надежности, качества, информационных и электронных технологий: материалы X Междунар. конф. и Рос. науч. шк. М.: Радио и связь, 2005. 4.5. Т.1. С. 99-101.

7. Бараков A.B. Расчет температурных полей в регенераторе с дисперсной насадкой / A.B. Бараков, Д.А. Прутских // Физико-технические проблемы энергетики, экологии и энергоресурсосбережения: труды науч.-техн. конф. Воронеж: ВГТУ, 2006. Вып. 5. С. 109-114.

8. Бараков A.B. К расчёту межфазного теплообмена в регенераторе с дисперсной насадкой / A.B. Бараков, Н.В. Заварзин, Д.А. Прутских // Физико-технические проблемы энергетики, экологии и энергоресурсосбережения: труды науч.-техн. конф. Воронеж: ВГТУ, 2006. Вып. 6. С. 111-115.

9. Бараков A.B. Исследование высокоэффективных теплоутилизационных систем на базе теплообменника-утилизатора с центробежным псевдоожиженным слоем / A.B. Бараков, В.Ю. Дубанин, Д.А. Прутских // Компьютерные технологии в технике и экономике: сб. докл. Междунар. конф. Воронеж: ВГТУ, 2007. С. 11-15.

10. Бараков A.B. Численное решение задачи теплообмена в ре-' генераторе с дисперсной насадкой / A.B. Бараков, Д.А. Прутских // Физико-технические проблемы энергетики, экологии и энергоресурсосбережения: труды науч.-техн. конф. Воронеж: ВГТУ, 2007. Вып. 7. С. 39-39.

Подписано в печать 20.01.2009. Формат 60x84/16. Бумага для множительных аппаратов. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 85 экз. Заказ № уЭ.

ГОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» 394026 Воронеж, Московский просп., 14

ВВЕДЕНИЕ.

ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ.

1 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ТЕОРИИ И ПРАКТИКИ ПРИМЕНЕНИЯ ВОЗДУХОПОДОГРЕВАТЕЛЕЙ В ЭНЕРГЕТИКЕ И ТЕПЛОТЕХНОЛОГИИ

1.1 Целесообразность подогрева воздуха.

1.2 Принципиальные схемы современных воздухоподогревателей.

1.3 Гидродинамика и теплообмен перемещающегося псевдоожиженного слоя.

1.4 Тепловая эффективность воздухоподогревателя.

2 МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛООБМЕНА В ПЕРЕМЕЩАЮЩЕМСЯ ПСЕВДООЖИЖЕННОМ СЛОЕ.

2.1 Математическое описание задачи.

2.2 Аналитическое решение задачи.

2.3 Численное решение задачи.

2.4 Расчет скорости движения слоя.

3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ

ВОЗДУХОПОДОГРЕВАТЕЛЯ.

3.1 Описание экспериментальной установки и оценка ошибок измерений.

3.2 Исследование гидравлических параметров.

3.3 Исследование межфазного теплообмена и температурных полей.

4 РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ И МЕТОДИКИ ИНЖЕНЕРНОГО РАСЧЕТА ВОЗДУХОПОДОГРЕВАТЕЛЯ.

4.1 Конструкция воздухоподогревателя.

4.2 Методика инженерного расчета воздухоподогревателя.

Экономия топливно-энергетических ресурсов рассматривается в Федеральной программе «Энергетическая стратегия России до 2020 года» в качестве основного фактора повышения конкурентоспособности отечественной продукции и снижения загрязняющего воздействия на окружающую среду. Анализ тепловых потерь в энергетических и теплотехнологических установках различного назначения показывает, что их значительную часть составляет физическая теплота уходящих газов, использование которой должно быть направлено на повышение тепловой эффективности самих установок, например, путем подогрева воздуха, идущего на горение. Воздухоподогреватель позволяет осуществить снижение температуры уходящих газов, что повышает КПД установки и, тем самым, обеспечивает экономию потребляемого топлива, а также повышает температуру его горения. Однако технико-экономическая целесообразность применения воздухоподогревателя не всегда оправдана, что связано, в основном, с низкими температурными напорами теплоносителей, большим гидравлическим сопротивлением аппарата, загрязнением поверхностей теплообмена со стороны греющего теплоносителя различными отложениями или ее разрушением за счет коррозии или эрозии.

В этой связи весьма перспективными, на наш взгляд, являются регенеративные воздухоподогреватели, в которых в качестве промежуточного теплоносителя (насадки) служит циркулирующий псевдоожиженный слой дисперсного материала. Достоинства данной насадки обусловлены такими свойствами псевдоожиженного слоя, как развитая поверхность межфазного теплообмена, высокие коэффициенты теплоотдачи, способность частиц к самоочистке от загрязнений и т.д. Из известных схем и конструкций аппаратов подобного типа следует выделить теплообменники, в которых циркуляция насадки происходит за счет динамического воздействия греющего газа и воздуха, поскольку применение механических транспортеров и элеваторов значительно усложняет конструкцию теплообменника и снижает надежность его работы. Однако недостаточная изученность межфазных процессов теплообмена в циркулирующем псевдоожиженном слое дисперсного материала не позволяет разработать методику инженерного расчета воздухоподогревателей подобного типа, что препятствует их широкому распространению. В связи с этим тема диссертации представляется актуальной.

Работа выполнялась в соответствие с научным направлением «Физико-технические проблемы энергетики и экологии» по теме ГБ 04.12 (№ Гос. per. 01.2.00409970) ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет».

Целью работы является моделирование гидродинамики и теплообмена и разработка методики расчета воздухоподогревателя с циркулирующим псевдоожиженным слоем насадки.

Для достижения указанной цели поставлены следующие задачи:

1. Разработка математической модели межфазного теплообмена в циркулирующем псевдоожиженном слое дисперсного материала и определение температурных полей в твердой и газообразной фазах.

2. Получение зависимостей для определения скоростей движения газообразных теплоносителей и насадки.

3. Проведение экспериментальных исследований воздухоподогревателя для подтверждения достоверности теоретических результатов и получение эмпирической зависимости для межфазного коэффициента теплоотдачи.

4. Разработка методики инженерного расчета конструктивных размеров и эксплуатационных параметров воздухоподогревателя.

Научная новизна:

- разработана, реализована и экспериментально подтверждена математическая модель теплообмена в перемещающемся псевдоожиженном слое дисперсного материала, отличающаяся учетом скорости его движения.

- получены аналитические соотношения для расчета температурных полей в твердой и газообразной фазах и скорости движения насадки.

- в результате обработки опытных данных получена эмпирическая критериальная зависимость для расчета-'межфазного коэффициента теплоотдачи.

- разработана методика инженерного расчета регенеративного воздухоподогревателя с циркулирующим псевдоожиженным слоем насадки.

Достоверность научных результатов подтверждена использованием фундаментальных законов гидродинамики и теплообмена, итогами их экспериментальной проверки, а также сопоставлением полученных результатов с данными других авторов.

Практическая значимость работы.

Результаты выполненных теоретических и экспериментальных исследований являются научной базой для разработки методики инженерного расчета регенеративного воздухоподогревателя с перемещающимся псевдоожиженным слоем насадки. Разработана конструкция воздухоподогревателя, новизна и оригинальность которой защищена патентом на полезную модель.

Результаты диссертационной работы внедрены в практику Воронежской ТЭЦ-1 (ОАО «ТГК-4») и ОАО «Воронежский опытно-механический завод».

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на Международной конференции и Российской научной школе «Системные проблемы надежности, качества, информационных и электронных технологий в инновационных проектах» (Сочи, 2005), Второй Международной научно-практической конференции «Современные энергосберегающие тепловые технологии» (Москва, 2005), Международной конференции «Компьютерные технологии в технике и экономике» (Воронеж, 2007), научно-технической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов «Физико-технические проблемы энергетики, экологии и энергоресурсосбережения» (Воронеж, 2005-2008).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 работ, В работах, опубликованных в соавторстве, лично соискателю принадлежит: в [1,6,9] — аналитический обзор литературы, разработка методики расчета воздухоподогревателя; в [2,3,6,7,8,10] - разработка и реализация математической модели, проведение экспериментов и обработка опытных данных; в [4] - разработка конструкции газораспределительной решетки.

Структура и объём работы. Материал диссертации изложен на 100 страницах. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, библиографического списка, включающего 91 наименование, приложений и содержит 42 рисунка и 7 таблиц.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработана, реализована и экспериментально подтверждена математическая модель теплообмена в перемещающемся (циркулирующем) псевдо-ожиженном слое.

2. Получены аналитические зависимости для расчета температурных полей и скорости движения насадки.

3. Выполнены экспериментальные исследования гидродинамики и теплообмена в исследуемом воздухоподогревателе.

4. Экспериментально доказано, что для устойчивой и интенсивной циркуляции насадки «насыпная» высота слоя дисперсного материала должна составлять (20 -т-30)я?э, а скорость газообразных теплоносителей в (1,44-1,8) раза больше ее минимального значения.

5. Получено эмпирическое критериальное уравнение для расчета межфазного коэффициента теплообмена в перемещающемся псевдоожиженном слое в диапазоне чисел Рейнольдса от 800 до 4200.

6. Предложены рекомендации для определения конструктивных и эксплуатационных параметров воздухоподогревателя с циркулирующим псев-доожиженным слоем насадки.

1. Доброхотов В. И. Энергосбережение: проблемы и решения / В. И. Доброхотов // Теплоэнергетика. 2000. №1. С. 2-5.

2. Семененко Н.А. Вторичные энергетические ресурсы промышленности и энерготехнологическое комбинирование / Н.А. Семененко. М.: Энергия, 1968. 296 с.

3. Сушон С.П. Вторичные энергетические ресурсы промышленности / С.П. Сушон, А.Г. Завалко, М.И. Мину. М.: Энергия, 1978. 320 с.

4. Аронов И.З. Исследование тепла уходящих газов газофицированных котельных / И.З. Аронов. М.: Энергия, 1967. 192 с.

5. Добряков Т.С. Воздухоподогреватели котельных установок / Т.С. Добряков, В.К. Мигай, B.C. Назаренко, И.И. Надырев, И.И. Федоров. Л.: Энергия, 1977. 184 с.

6. Тебеньков Б. П. Рекуператоры для промышленных печей / Б. П. Тебеньков. М.: Металлургия, 1975. 296 с.

7. Мозговой Н.В. К выбору воздухоподогревателя для промышленных печей / Н.В. Мозговой, А.В. Бараков, Д.А. Прутских // Физико-технические проблемы энергетики, экологии и энергоресурсосбережения: труды науч.-техн. конф. Вып. 3. Воронеж, 2005. С. 27-31.

8. Хзмалян Д.М. Теория горения и топочные устройства / Д.М. Хзма-лян, Я.А. Каган. М.: Энергия, 1989. 218 с.

9. Высокотемпературные процессы и установки: учеб. для вузов / под ред. А.Д. Ключникова. М.: Энергоатомиздат, 1989. 336 с.

10. Промышленная теплоэнергетика и теплотехника: справочник / A.M. Бакластов, В.М. Бродянский, Б.П. Голубков и др.; под ред. В.А. Григорьева и В.М. Зорина. М.: Энергоатомиздат, 1983. 552 с.

11. Хаузен X. Теплопередача при противотоке, прямотоке и перекрестном токе: пер. с нем. / X. Хаузен. М.: Энергоиздат, 1981. 384 с.

12. Горбис З.Р. Теплообмен и гидромеханика дисперсных сквозных потоков / З.Р. Горбис. М.: Энергия, 1970. 424 с.

13. Горбис З.Р. Теплообменники с проточными дисперсными теплоносителями / З.Р. Горбис, В.А. Каледарьян. М.: Энергия, 1975. 296 с.

14. Забродский С.С. Двухкамерный теплообменник с циркулирующей насадкой / С.С. Забродский, В.В, Антонишин, В.А. Бородуля и др. // Тепло- и массообмен в дисперсных системах. Минск, 1965. С. 35-40.

15. Биндер Ю.И. О теплообмене частиц со средой в псевдоожиженном слое / Ю.И. Биндер, Н.Б. Кондуков // Химическая промышленность. 1966. №6. С. 429-431.

16. Васанова JI.K. О методике обработки опытных данных по теплообмену между частицами и газом в псевдоожиженном слое / JI.K. Васанова, Н.П. Сыромятников // Тепло- и массообмен в дисперсных системах. Минск, 1965. С. 22-26.

17. Линдин В.М. Исследование теплообмена между твердыми частицами и газом в псевдоожиженных и неподвижных слоях / В.М. Линдин, Е.А. Ка-запове // Химическая промышленность. 1965. № 8. С. 604-608.

18. Сыромятников Н. П. Тепло- и массообмен в кипящем слое / Н. П. Сыромятников, Л. К. Васанова, Ю. Н. Шаманский. М.: Химия, 1967. 176 с.

19. А.с. № 273358 СССР МКИ F23L 15/02. Регенеративный теплообменник с кипящим слоем / А. П. Неганов (СССР); опубл. 30.03.1979, Бюл. №20. 2 с.

20. Неганов А. П. Регенеративный подогрев воздуха в аппаратах с кипящим слоем промежуточного теплоносителя / А.П. Неганов // Промышленная энергетика. 1976. №12. с. 28-29.

21. Неганов А. П. Воздухоподогреватели с копящим слоем промежуточ ного теплоносителя: автореф. дисс. канд. тех. наук / А.П. Неганов. М, 1978. 21с.

22. А.с. 1106959 СССР, МКИ3 F23L 15/02. Регенеративный теплообменник / Ю. Н. Агапов, Н. М. Баранников, А. В. Бараков (СССР). №3490585/24 06; Заявлено 16. 07. 82; Опубл. 07. 08. 84. Бюл. №29. 3 с.

23. А.с. 1177598 СССР, МКИ3 F23L 15/02. Регенеративный теплообменник / Ю. Н. Агапов, А. В. Бараков, А. В. Жучков, А. В. Санников (СССР). №3716804/24 06; Заявлено 27. 12. 83; Опубл. 07. 09. 85. Бюл. №33. 2 с.

24. А.с. 1183816 СССР, МКИ3 F28C 3/12. Регенеративный теплообменник / А. В. Жучков, Ю. Н. Агапов, А. В. Бараков, А. В. Санников (СССР). №3666890/24 06; Заявлено 30. 11. 83; Опубл. 07. 10. 85. Бюл. №37. 3 с.

25. А.с. 1185043 СССР, МКИ3 F28C 3/12. Регенеративный теплообменник / Ю. Н. Агапов, А. В. Бараков, А. В. Жучков, А. В. Санников (СССР). №3623466/24 06; Заявлено 18. 07. 83; Опубл. 15. 10. 85. Бюл. №38. 3 с.

26. А.с. 1281864 СССР, МКИ3 F28D 19/02. Регенеративный теплообменник / Ю. Н. Агапов, А. В. Бараков, А. В. Жучков, А. В. Санников (СССР). №3902193/24 06; Заявлено 22.05.85; Опубл. 07.01.87. Бюл. №1. 3 с.

27. Гельперин Н. И. Основы техники псевдоожижения / Н.И. Гельперин, В.Г. Айнштейн, В.Б. Кваша. М.: Химия, 1967. 664 с.

28. Бараков А.В. Гидродинамика и теплообмен в направленно перемещающемся псевдоожиженном слое (применительно к расчету регенеративных теплообменных аппаратов): дисс. канд. техн. наук / А.В. Бараков. Воронеж, 1983. 161 с.

29. Аэров М.Э. Гидравлические и тепловые основы работы аппаратов со стационарным и кипящим зернистым слоем / М.Э. Аэров, О.М. Тодес Д.: Химия, 1968.512 с.

30. Забродский С.С. Высокотемпературные установки с псевдоожижен-ным слоем / С.С. Забродский. М.: Энергия, 1971. 328 с.

31. Псевдоожижение / Под ред. И. Девидсона, Д. Харрисона. М.: Химия, 1974. 727 с.

32. Баскаков А.П. Процессы тепло- и массопереноса в кипящем слое / А.П. Баскаков, Б.В. Берг, А.Ф. Рыжков, Н.Ф. Филипповский. М.: Металлургия, 1978. 247 с.

33. Боттерил Д. Теплообмен в псевдоожиженном слое / Д. Боттерил. М: Энергия, 1980. 344 с.

34. Псевдоожижение / Под ред. В.Г. Айнштейна, А.П. Баскакова М.: Химия, 1991.397 с.

35. Горошко В.Д., Розенбаум Р.Б., Тодес О.М. Приближенные закономерности гидравлики взвешенного слоя и стесненного падения / В.Д. Горошко, Р.Б. Розенбаум, О.М. Тодес //Изв. вузов. Нефть и газ. 1958. с. 125 131.

36. Баранников Н.М. К расчету регенеративного теплообменного аппарата с подвижным кипящим слоем / Н.М. Баранников, А.В. Жучков, А.В. Бараков // Промышленная энергетика. 1983. №3. С.34-35.

37. Агапов Ю.Н. К определению скорости движения центробежного псевдоожиженного слоя /Ю.Н. Агапов // Вестник ВГТУ. 2005. т.1. №6. С. 4-7.

38. Жучков А.В. Исследование процессов формирования и движения тонкого псевдоожиженного слоя / А.В. Жучков, В.В. Шитов, Р.А. Бараков // Теплоэнергетика: межвуз. сб. научн. трудов. Воронеж, 1999. С. 166-169.

39. Вельшов Г. Пневматический транспорт при высокой концентрации перемещаемого материала / Г. Вельшов. М.: Колос, 1964. 160 с.

40. Дзядзио A.M., Кеммер А.С. Пневматический транспорт на зернопе-рерабатывающих предприятиях / A.M. Дзядзио, А.С. Кеммер. М.: Колос, 1967. 295 с.

41. Смолдырев А.Е. Трубопроводный транспорт / А.Е. Смолдырев М.: Недра, 1980. 293 с.

42. Урбан Я. Пневматический транспорт / Я. Урбан. М.: Машиностроение. 1967. 258 с.

43. Агапов Ю.Н. Исследование движения псевдоожиженного слоя вдоль наклонной газораспределительной решетки / Ю.Н. Агапов, А.В. Бараков, А.В. Жучков // Теоретические основы химической технологии. 1986. т.20. №1. С. 111-115.

44. Айнштейн В. Г. О расчете порозности неоднородного псевдоожиженного слоя / ВТ. Айнштейн // Теоретические основы химической технологии. 1980. т. 14. №2. С. 314.

45. Агапов Ю.Н. Определение порозности тонкого непрерывного перемещающегося вдоль наклонной газораспределительной решетки псевдоожиженного слоя / Ю.Н. Агапов, А.В. Бараков, А.В. Жучков // Химическая промышленность. 1984. №2. С. 48-49.

46. Бараков А.В. Исследование порозности перемещающегося псевдоожиженного слоя / А.В. Бараков, Ю.Н. Агапов // Моделирование процессов тепло- и массообмена: тез. докл. регион, межвуз. сем. Воронеж. 1997. С. 15.

47. Агапов Ю.Н. Движение псевдоожиженного слоя в прямолинейных и кольцевых каналах / Ю.Н. Агапов, А.В. Бараков, А.В. Санников // Теплообмен в энергетических установках и повышение эффективности их работы: сб. научн. тр. Воронеж: ВПИ, 1990. С. 101-107.

48. Романков П.Г. Сушка во взвешенном состоянии / П.Г. Романков, Н.Б. Рашповская. JL: Химия. 1979. 272 с.

49. Баранников Н.М. Экспериментальное исследование гидродинамики теплообменника с подвижной насадкой / Н.М. Баранников, А.В. Бараков, Ю.Н. Агапов // Изв. вузов. Энергетика. 1983. №8. С. 111-112.

50. Агапов Ю.Н. Оценка гидравлического сопротивления и межфазного теплообмена в центробежном псевдоожиженном слое / Ю.Н. Агапов, А.В. Бараков, А.В. Жучков, А.В. Санников // Химическая промышленность. 1986. №4. С. 61.

51. Агапов Ю.Н. Регенеративный подогрев воздуха в процессе обжига листового проката / Ю.Н. Агапов, А.В. Бараков, А.В. Жучков, А.В. Санников // Энергосбережение в высокотемпературной теплотехнологии: сб. научн. тр. М., 1990. С. 91-94.

52. Гельперин Н.И. Межфазный теплообмен в псевдоожиженных системах / Н.И. Гельперин, В.Б. Кваша, В.Г. Айнштейн // Химическая промышленность. 1971. №6. С.460-461.

53. Бараков А.В. Расчет межфазного теплообмена в перемещающемся псевдоожиженном слое / А.В. Бараков, Ю.Н. Агапов, А.В. Жучков // Теплообмен в энергетических установках и повышение эффективности их работы: сб. научн. тр. Воронеж. 1987. С. 4-7.

54. Бараков А.В. Исследование тепломассообмена в центробежном псевдоожиженном слое / А.В. Бараков // Теплообмен в энергетических установках и повышение эффективности их работы: сб. научн. тр. Воронеж. 1989. С. 102-105.

55. Проценко В.П. Утилизатор теплоты с перемещающимся теплоносителем / В.П. Проценко, А.В. Бараков, А.В. Санников // Техника в сельском хозяйстве. 1988. №2. С. 11-12.

56. Фалеев В.В. Исследование межфазного теплообмена в регенеративном теплообменнике с дисперсной насадкой / В.В. Фалеев, А.В. Бараков // Промышленная энергетика. №6. 2003 С. 35-37.

57. Бараков А.В. Моделирование и оптимизация параметров теплотех-нологической установки с псевдоожиженным слоем / А.В. Бараков, В.В. Фалеев // Вестник ВГТУ. Серия Энергетик. Вып. 7.2. Воронеж. 2002. С. 17-19.

58. Антонишин Н.В. Об эффективности работы теплообменника с промежуточным дисперсным теплоносителем / Н.В. Антонишин, А.Г. Цубанов // Тепло- и массоперенос в аппаратах с дисперсными системами: сб. науч. трудов. Минск, 1970. С. 11-14.

59. Кейс В.Н. Компактные теплообменники / В.Н. Кейс, A.J1. Лондон. М.: Энергия, 1967. 224 с.

60. Шак А. Промышленная теплопередача / А. Шак. М.: Металлургия, 1961. 524 с.

61. Антонишин Н.В. Тепловой и гидродинамический расчет двухкамерного многоступенчатого регенеративного теплообменника с циркулирующей насадкой / Н.В. Антонишин // Тепло- и массообмен в дисперсных системах: сб. научн. тр. Минск. 1965. С. 12-16.

62. Тамарин А.И. О выборе числа ступеней многоярусного теплообменника / А.И. Тамарин // ИФЖ. 1963. т. 6. №4. С 88-91.

63. Агапов Ю.Н. Высокоинтенсивные теплообменные аппараты для утилизации теплоты газообразных ВЭР / Ю.Н. Агапов, А.В. Бараков, А.В.

64. Жучков, А.В. Санников // Проблемы эффективного использования энергоресурсов в промышленности: тез. докл. науч.-техн. конф. Миасс. 1985. С. 65.

65. Бараков А.В. Выбор числа ступеней регенеративного теплообмен-ного аппарата с дисперсным промежуточным теплоносителем / А.В. Бараков, А.В. Жучков, Ю.Н. Агапов, А.В. Санников // Промышленная энергетика. 1987. №5. С. 53-54.

66. Агапов Ю.Н. К расчету регенеративного теплообменника с дисперсным промежуточным теплоносителем / Ю.Н. Агапов, А.В. Бараков, А.В. Жучков // Теплоэнергетика: меж. вуз. сб. научн. тр. Воронеж. 1998. С. 92-95.

67. Бараков А.В. Исследование теплообмена в регенераторе с дисперсной насадкой / А.В. Бараков, В.Ю. Дубанин, Д.А. Прутских // Энергосбережение и водоподготовка. 2007. №4 (48). С. 45-46.

68. Флетчер К. Вычислительные методы в динамике жидкостей: пер. с англ. / К. Флетчер М.: Мир, 1991. 504 с.

69. Патанкар С. Численные методы решения задач теплообмена и динамики жидкости: пер. с англ. / С. Патанкар. М.: Энергоатомиздат, 1984. 154 с.

70. Захаров Ю.В. Два простых метода измерения расхода газа / Ю.В. Захаров, О.Н. Лебедев // Энергомашиностроение. 1960, №3. С. 41-43.

71. Мысяк М.С. Определение расхода среды с помощью интегральных трубок / М.С. Мысяк, Р.Н. Мосейчук, К.С. Грошек // Энергетик. 1975. №5. С. 28.

72. Львовский Е.Н. Статистические методы построения эмпирических формул / Е.Н. Львовский. М.: Высшая школа, 1982. 224 с.

73. Зайдель А.Н. Элементарные оценки ошибок измерений / А.Н. Зай-дель. Л.: Наука, 1968. 96 с.

74. Рушимский Л.З. Математическая обработка результатов эксперимента/ Л.З. Рушимский. М.: Наука. 1971. 192 с.

75. Бараков А.В. Исследование тепловой эффективности регенеративного воздухоподогревателя с дисперсной насадкой / А.В. Бараков, В.Ю. Дубанин, Д.А. Прутских И Промышленная энергетика. 2008. №5. С. 28-30.

76. Пат. 70347 Российская Федерация, МПК F23L 15/02. Регенеративный теплообменник / А.В. Бараков, В.Ю. Дубанин, Д.А. Прутских; № 2007110673; заявл. 22.03.2007; опубл. 20.01.2008, Бюл. №2. Зс.

77. Мармер Э.М., Гурвич О.С., Мальцева J1.T. Высокотемпературные материалы / Э.М. Мармер, О.С. Гурвич, JI.T. Мальцева. М.: Металлургия. 1967. 215 с.

78. Чечеткин А.В. Высокотемпературные теплоносители / А.В. Чечет-кин. М.: Энергия. 1971. 496 с.

79. Чудновский А.Ф. Теплофизические характеристики дисперсных материалов / А.Ф. Чудновский. М.: Физматиз. 1962. 456 с.

80. Дилсон C.JL Механика жидкостей и газов / C.JI. Дилсон. М.: Машиностроение. 1981. 212 с.