автореферат диссертации по энергетике, 05.14.04, диссертация на тему:Использование труб Фильда в аппаратах системы комплексной утилизации тепловых отходов высокотемпературных установок

005016147

На правах рукописи

—

Ву Ван Чьей

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТРУБ ФИЛЬДА В АППАРАТАХ СИСТЕМЫ КОМПЛЕКСНОЙ УТИЛИЗАЦИИ ТЕПЛОВЫХ ОТХОДОВ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ УСТАНОВОК

Специальность 05.14.04 - Промышленная теплоэнергетика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

з 2и"і2

Москва-2012

¿г»

005016147

Работа выполнена на кафедре «Тепломассообменных процессов и устано вок» Федерального государственного бюджетного учреждения высшего про фессионального образования «Национальный исследовательский университе' «МЭИ».

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

Глазов Василий Степанович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Яновский Леонид Самойлович ЦИАМ им. Баранова П.И., начальник отдела двигателей и химмотологии

кандидат технических наук

Сараф Борис Алексеевич

ОАО ВНИИАМ, главный научный сотрудник

отдела разработки инновационных проектов

Ведущая организация: Московский Государственный

Университет Леса (МГУЛ)

Защита диссертации состоится «24» мая 2012 г. в 15 час. 30 мин. в аудитории Г-406 на заседании диссертационного совета Д 212.157.10 при ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ» по адресу: 111250, г. Москва, ул. Красноказарменная, дом 17.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим присылать по адресу: 111250, г. Москва, Красноказарменная улица, дом 14, Ученый Совет ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ».

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ».

Автореферат разослан « 23 » апреля 2012 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.157.10 —

к.т.н., доцент ¿ися-'Шг-ь Степанова Т. А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Значительные масштабы энергоиспользования при низком уровне эффективности потребления энергоресурсов является характерной чертой для высокотемпературных технологий. Так, анализ использования топливных ресурсов при производстве стекла показывает, что лишь 70 % затраченной энергии в современных стекловаренных установках используется в процессе плавления и переработки стекла. Из этих 70%, только 40 % энергии, полученной при сжигании топлива, поступает на плавление технологического материала, в то время как 60 % теряется через наружные ограждения установки и с нагретыми дымовыми газами.

Обзор существующих схем утилизации тепловых отходов, повышающих энергетическую эффективность стекловаренных, электродуговых и нагревательных печей, показал, что основным способом, повышающим энергетическую эффективность высокотемпературных установок (ВТУ) является использование теплоты уходящих газов для подогрева окислителя. Не менее эффективным энергосберегающим мероприятием, обеспечивающим глубокую регенерацию теплоты газовых отходов, является их утилизация посредством термохимической регенерации, а также предварительный подогрев шихты или исходного материала теплоносителем, поступающим из студочной зоны стекловаренной установки, или газами, выходящими из ванны электродуговой печи.

-Для повышения компактности и эффективности аппаратов, применяемых в энергосберегающих схемах ВТУ, вместо гладких прямых труб могут быть использованы трубы Фильда. Обоснование такой замены часто проводится по результатам математического моделирования на одномерных моделях с сосредоточенными или распределенными параметрами. Погрешность такого моделирования может быть довольно значительной, поэтому для более точного расчета требуется разработка двух- и трехмерных моделей с распределенными параметрами.

Таким образом, разработка более точных моделей тепловых процессов, протекающих в трубах Фильда, определение области эффективного их использования в аппаратах системы комплексной утилизации тепловых отходов ВТУ является актуальной задачей.

Цель работы. Выявить условия и определить область энергоэффективного применения труб Фильда в составе аппаратов и систем комплексной утилизации тепловых отходов высокотемпературных установок.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Выбрать инструмент моделирования и провести его тарировку на примере решения сопряженной задачи теплообмена для расчета устройства типа "труба в трубе". Разработать двумерные модели аппаратов типа "труба в трубе" и трубы Фильда, а также дать оценку их теплообменным характеристикам.

2. Разработать экспериментальный стенд и исследовать теплогидродинами-ческие параметры процесса в устройстве, оснащенном трубой Фильда, при умеренных температурах теплоносителей.

з

3. Сопоставить экспериментальные данные с результатами численных исследований, полученных в вычислительном комплексе РНОЕМСБ, и определить модель турбулентности наилучшим образом описывающей исследуемый процесс в устройстве, оснащенном трубой Фильда.

4. Разработать численно-аналитический метод расчета теплообмена в цилиндрическом канале, содержащем трубу Фильда, и выполнить проверку получаемых результатов на соответствие экспериментальным данным.

5. Разработать трехмерную модель процесса, протекающего в камере вторичного дожигания, оснащенной реакционными элементами в виде труб Фильда для утилизации теплоты продуктов сгорания и получения синтез-газа путем термохимической регенерации.

6. Исследовать целесообразность использования в энергосберегающей схеме стекловаренной установки комплексную утилизацию теплоты отходящих газов и расплава стекломассы для подогрева окислителя, шихты и получения вторичного топлива (синтез-газа) посредством термохимической регенерации.

Объектом исследования являются аппараты систем утилизации теплоты высокотемпературных установок, в конструкции которых используются трубы Фильда.

Предметом исследования являются процессы, протекающие в аппаратах энергосберегающей системы высокотемпературной установки, оснащенных трубами Фильда, а также условия повышения их энергоэффективности.

Научная новизна:

• Впервые с учетом зависимости теплофизических свойств теплоносителей от температуры разработан численно-аналитический метод, позволяющий определить распределение температуры и плотности тепловых потоков в трехканальном теплообменнике, представляющем собой трубу Фильда в цилиндрическом канале.

• Разработана математическая модель, позволяющая проводить численные исследования теплогидродинамического процесса в трехканальном теплообменнике с учетом разных к-е моделей турбулентности. Установлено, что наиболее точное описание исследуемого процесса получено при использовании к-е модели турбулентности Мураками, Мочида и Кондо (КЕММК).

• Разработан экспериментальный стенд и проведено исследование тепло-гидродинамического процесса в трехканальном теплообменнике. Установлено, что результаты расчета, полученные численнно-аналитическим методом и в ходе численного моделирования в пакете РНОЕМСБ, удовлетворительно согласуются друг с другом. Отклонение расчетных значений температуры стен кольцевых каналов от данных эксперимента не превышают 3.1 и 1.7 %, соответственно для первого и второго вариантов расчета. Поэтому разработанный численнно-аналитический метод расчёта и ЗБ модель теплогидродинамического процесса в рассматриваемом теплообменнике могут быть использованы для анализа его функциональных характеристик.

• Впервые разработана трехмерная модель процесса, протекающего в камере дожигания, оснащенной реакционными элементами в виде труб Фильда для утилизации теплоты продуктов сгорания и получения синтез-газа путем термохимической регенерации. Использование труб Фильда с центральной каталитической трубкой вместо прямых гладких катализированных труб увеличивает количество конвертированного газа в 1.7 раза и снижает температуру продуктов сгорания на выходе из камеры вторичного дожигания на 15.8 %.

• Установлены границы области энергоэффективного использования труб Фильда в студочной зоне стекловаренных установок производительностью в 16,160 и 300 т/сут.

• На примере стекловаренной установки, производительностью 16 т/сут, показана целесообразность применения комплексной утилизации её тепловых отходов. Предлагаемая энергосберегающая система предполагает использование теплоты отходящих газов и расплава для подогрева окислителя и шихтовых материалов, а также получения синтез-газа посредством термохимической регенерации, что позволяет снизить расход топлива на 33 % по сравнению с термической регенерацией отходящих газов для подогрева окислителя.

Достоверность полученных в диссертационной работе результатов и выводов базируются на корректном использовании современных прикладных программ для численных исследований (MathCAD, PHOENICS и Fluent), методов проведения натурных исследований и их обработки, а так же на хорошем согласовании с результатами экспериментов и численных исследований других авторов.

Практическая ценность.

Полученные в работе результаты позволяют:

• Использовать разработанные модели и численнно-аналитический метод расчета тепло- и массообмена при проектировании теплообменных и реакционных аппаратов на основе труб Фильда для энергосберегающих систем ВТУ.

• Определить режимные параметры студочной зоны стекловаренной установки в соответствии с областью энергетической эффективности труб Фильда, ограниченной технологическими требованиями.

• Снизить расход топлива для получения единицы технологического продукта и, следовательно, уменьшить капиталоемкость теплотехнического оборудования и снизить вредное воздействие технологических процессов на окружающую среду.

Основные положения, выносимые на защиту:

• Результаты моделирования и сопоставительного анализа тепловой эффективности трубы Фильда и теплообменника типа «труба в трубе».

• Численно-аналитический метод расчета теплообмена для трехканально-го теплообменника в виде цилиндрического канала, содержащего трубу Фильда. Данный метод позволяет, не прибегая к использованию дорогих и ресурсоемких CFD пакетов, определить изменение температуры стен каналов и тепло-

носителей вдоль данного устройства с учетом зависимости их теплофизиче-ских свойств от температуры.

• Результаты натурных и численных экспериментов по моделированию теплообмена в цилиндрическом канале с трубой Фильда.

• Результаты численного моделирования тепло- и массообмена в камере дожигания, оснащенной трубами Фильда с каталитической центральной трубкой для получения синтез-газа и утилизации теплоты продуктов сгорания.

• Результаты расчетов энергетической эффективности использования в энергосберегающей системе стекловаренной установки комплексную утилизацию теплоты отходящих газов и расплава стекломассы для подогрева окислителя, шихты и получения вторичного топлива (синтез-газа) посредством термохимической регенерации.

Апробация работы. Основные положения работы, результаты теоретических и расчетных исследований докладывались и обсуждались на XVI-XVIII международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов. Радиоэлектроника, электротехника и энергетика (Москва, 2010-2012 гг.);

Публикации. Материалы, отражающие содержание диссертационной работы и полученные в ходе ее выполнения, представлены в 9 публикациях, две из которых опубликованы в журналах рекомендуемых ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения и двух приложений. Основной текст диссертации изложен на 159 страницах машинописного текста, который содержит 56 рисунков, 50 таблиц и список литературы, включающий 66 наименований. Общий объем работы составляет 189 страниц.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность темы диссертации. Поставлена цель и сформулированы задачи работы. Показана научная новизна и практическая ценность результатов работы.

В первой главе дан обзор энергоэффективных технологических схем высокотемпературных установок. Представлен анализ существующих схем утилизации тепловых отходов, повышающих энергетическую эффективность этих установок, который показал, что основным способом, повышающим энергетическую эффективность стекловаренных, электродуговых и нагревательных печей является использование теплоты уходящих газов для подогрева окислителя. Не менее эффективным энергосберегающим мероприятием, обеспечивающим глубокую регенерацию теплоты газовых отходов, является их утилизация посредством термохимической регенерации, а также предварительный подогрев шихты или исходного материала теплоносителем, поступающим из студочной зоны стекловаренной установки, или газами, выходящими из ванны электродуговой печи.

В данной главе также рассмотрены различные варианты труб Фильда, указаны области их использования и методы расчета.

Обзор существующих схем и тенденций позволил определить цель и сформулировать задачи данной работы.

Во второй главе сделан выбор инструмента для математического моделирования теплообменных процессов и проведена его тарировка на примере решения сопряженной задачи теплообмена для теплообменного аппарата типа "труба в трубе". Представлены двумерные модели теплообменников типа "труба в трубе" и трубы Фильда. Дана оценка их тепловой эффективности.

Сравнение результатов расчетов, выполненных по одномерной модели с сосредоточенными параметрами и двумерной модели с распределенными параметрами, показало, что 1-ая модель может использоваться в инженерной практике для оценочных расчетов, когда погрешность в 11 % не считается значительной. Для более точного расчета рекомендуется использовать двумерную модель с распределенными параметрами, которая может быть реализована в таких вычислительных комплексах как PHOENICS или Fluent. Моделирование в CFD пакетах позволяет учитывать реальную форму аппарата, использовать различные модели турбулентности и зависимость теплофизических свойств теплоносителей от их температуры, давления и концентрации компонентов. Результатом такого расчета являются более точные значения полей температур, скоростей и давлений. При этом, коэффициенты теплоотдачи могут быть определены с помощью пристенных функций.

На рис. 1-2 представлены результаты расчета теплообмена в устройствах типа «труба в трубе» и трубы Фильда. Схема движения теплоносителей в каналах - противоточная. Расходы и температуры теплоносителей на входе исследуемых моделей аппаратов - одинаковые. Сопоставление результатов расчетов по моделям, разработанным в программе PHOENICS, показало, что тепловая эффективность трубы Фильда в 1.3 раза превышает эффективность устройства типа «труба в трубе» и примерно в 1.7 раза из расчета на 1 кг металла трубы.

Труба Фнльдя; Труба в трубе:

ФФФ Горячий тракт О-в Горячий тракт

Холодный тракт (кольцевой канал) <£>-<3> Холодный тракт

мні Холодный тракт(цешр альная труба)

N

—у-

V к ;

• |

V - . 1 ч

Труба Фильда: Труба в трубе:

Горячий тракт ©-9 Горячий тракт

Холодный ■факт (кольцевой канал) Холодный тракт

■-*■ Холодный тракт(центральная труба)

Рисунок 1 - Изменение средней температуры теплоносителей в моделях «труба в трубе» и труба Фильда при одинаковой их длине

Рисунок 2 - Изменение средней температуры жидкости в моделях «труба в трубе» и труба Фильда при одинаковой температуре на выходе и разных длинах

Рисунок 3 - Тестовые расчеты теплообмена в трубе Фильда при условиях ламинарного (а) и переходно-турбулентного (б) режимов: PHOENICS (автор), Fluent и Mathematica (Густаво Алонсо Рестрепо Монги).

В третьей главе представлены результаты экспериментальных и численных исследований теплообмена в трехканальном теплообменнике, состоящего из цилиндрического канала-кожуха и размещенного в нем трубы Фильда.

Экспериментальные исследования выполнены на стенде (рис. 4), содержащим трехканальный теплообменник, насос и термостат, два контура для прокачки холодного и горячего теплоносителя, измерительный комплекс ВИС.Т для определения расхода и температуры теплоносителей, а так же приборный шкаф с блоком хромель-алюмелевых термопар для определения температур стен трубы Фильда.

Эксперименты были проведены при расходе горячего теплоносителя 0.3814 т/ч (0.106 кг/с), и вариации холодного теплоносителя в диапазоне 0.181-^0.698 т/ч (0.05-^0.194 кг/с). Значения температур теплоносителей на входе

Рисунок 4 -Экспериментальный стенд

2D модель (PHOENICS)

Горячий теплоноситель

* * • Холодный теплоноситель в кольцевом канале

Холодный теплоноситель в центральном канале

2D модель (Fluent)

ID модель (Mathematica)

□ □ □ Горячий теплоноситель

О <> ОГорячий теплоноситель

ООО Холодный теплоноситель в кольцевом канале

XXX Холодный теплоноситель в кольцевом канале

ООО Холодный теплоноситель в центральном канале

+ + + Холодный теплоноситель в центральном канале

измерительных участков варьировались в интервалах 14-г-21 и 74+81 °С для холодного и горячего теплоносителей, соответственно. Относительная погрешность измерения расхода, в рассматриваемом диапазоне составила 0,6 %. Абсолютная погрешность измерения температуры рассчитывалась по выражению А* = 0,6 + 0,004.1, где I - измеряемая температура. Относительная погрешность определения тепловой мощности не превышала 4 % во всем диапазоне разности температур холодного и горячего теплоносителей.

Численное моделирование в среде РНОЕМСБ было проведено при геометрических и режимных параметрах близких к экспериментальным. Для описания турбулентного течения в аппарате использовались модели: к-е стандартная, КеСЬеп (Чена и Кима) и КЕММК (Мураками, Мочида и Кондо).

Результаты экспериментальных и числительных исследований представлены на рис.5. Видно, что изменение температуры поверхности внутренних стен кольцевых каналов качественно подтверждаются экспериментальными данными, а в количественном отношении наименьшее отклонение от данных эксперимента наблюдается при использовании модели КЕММК.

В табл. 1 и 2 сопоставлены значения температуры теплоносителей на входе и выходе рабочего участка, а также температуры поверхности стен кольцевого канала трубы Фильда, полученные в ходе натурного и вычислительного экспериментов. Видно, что наименьшую погрешность по перепаду температуры теплоносителей (между входом и выходом) дает модель КЕММК, а наибольшую - модель КеСЬеп.

Таблица 1 - Температуры теплоносителей на входе и выходе рабочего участка

і ид исследования Холодный тракт Горячий тракт

С,, т/ч С °С С °С А',- °С ¿1, % Сг,т/ч С °С С °с А/,, °С

Эксперимент 0.384585 14.57 20.32 5.75 - 0.381425 80.7 74.28 6.42 -

¡о э N п £ ¿1 Э С ¡4 Стандартная к-є модель 0.384585 14.57 20.60 6.03 4.95 0.381425 80.7 74.42 6.28 2.23

к-є модель КеСІїеп 0.384585 14.57 20.55 5.98 4.07 0.381425 80.7 73.86 6.84 6.54

к-є модель ММК 0.384585 14.57 20.52 5.95 3.42 0.381425 80.7 74.12 6.58 2.49

Примечание: Погрешность 61 определена по формуле: й =|А/Э - Дг!"/Агэ|-100%, где

Д^, Д1® - разности температур теплоносителя на входе и выходе исследуемого участка, полученных соответственно в эксперименте и расчетом по программе РНОЕ№С8.

5) Температура наружной стеши кольцевого какала трубы ФкльдаСзкспершшгг)

- Стандартная к-с турбуленгаая модель

-----к-£ турбулентная модель Чена и Кисла (КесЬеп)

.....к-г модель Муратами, Мочвда и Кондо (КЕММК)

<3> Температура внявшей стеяки кольцевого канала трубы Фшьда (зишерииеиг)

- Стандартная турвуленгеая модель

ООО к-е турбулеигная модель Чена и Кима (КесЬеп) ••♦¿-г модель Муржакн, Мочила и Кондо (КЕММК)

Трекн частиц і сил оно сиг елей в трех канальном теплообменнике

Рисунок 5 - Результаты натурного и численного экспериментов

¡Координата (м^

• I .стандартная к-є ?

30.435

49.024

•і. КесЙеп?

*1.КЕММК?

•1. КЕММК?

12. стандартная к-е?

-2, стандартная к-в?

15.218'

КШієну

[2. Ксшш-

КЕММК. °С

12. КЕММК;

Таблица 2 - Экспериментальные и расчетные значения температуры трубы Фильда в местах установки термопар

стен

Примечание: I, - температура на наружной (¡=1) или внутренней (¡=2) стенке грубы Фильда в заданном её сечении, - погрешность определения этой температуры (относительно экспериментальной) при использовании разных к-Е моделей турбулентности

В четвертой главе представлены одномерная и трехмерная модели, процессов, протекающие в трехканальном теплообменнике, состоящего из трубы Фильда и цилиндрического кожуха. Сопоставлены экспериментальные данные, полученные на лабораторном стенде, с результатами расчетов, выполненных численно-аналитическим методом, базирующимся на одномерной модели трех-канального теплообменника, и его трехмерной модели, разработанной в среде РНОЕМСБ. Сделан вывод о возможности использования экспериментального стенда для тарировки математических моделей теплового оборудования.

Численно-аналитический метод расчета трехканального теплообменника основан на аналитическом решении одномерной модели теплообмена при постоянных теплофизических свойствах коэффициентов переноса и итерационных процедурах, корректирующих их значения в зависимости от температуры теплоносителей. Основные допущения, используемые в одномерной модели с распределенными параметрами:

• теплообмен протекает при доминирующем влиянии конвекции;

• стенки труб имеют незначительное термическое сопротивление;

• теплообмен в тупиковом конце трубы Фильда обеспечивает равенство температуры теплоносителя на выходе из центральной трубки и на входе кольцевого канала.

Прямоточная или противоточная схема течений принята по относительному направлению входных потоков холодного и горячего теплоносителей. Начало координат распложено на оси внутренней трубы в точке, где начинается обогреваемый участок. Исходя из этого, температура теплоносителей на границе х = 0 соответствует следующим выражениям:

в .

для прямотока Ц = t\;

для противотока

t2=f-3+ в

JVx t2=f3+

Q

~ ' 3'

О) (2)

h=t'\- . ,

Wr J Wx

где W - Gcp - водяной эквивалент, индекс 1 и «г» относятся к горячему теплоносителю, 2 - к потоку холодного теплоносителя во внутреннем кольцевом зазоре, а 3 и «х» - к потоку в центральной трубе.

Постановка задачи представлена:

а) поверочным расчетом, когда известны расходы теплоносителей, их температуры при х = 0 и геометрические характеристики всех элементов устройства;

б) конструктивным расчетом, когда известны тепловая нагрузка, геометрические характеристики (кроме длины обогреваемого участка, которая является искомой величиной), заданы расходы и входные температуры теплоносителей.

В поверочном расчете искомыми величинами являются тепловая нагрузка Q, определяемая в итерационном процессе, и соответствующие ей выходные dx - температуры теплоносителей.

Решение указанных выше задач основывается на решении системы дифференциальных уравнений, описывающих процессы тепло - и массопереноса для участка длиной dx трубы Фильда, дополненной начальными условиями (1) или (2). Схема потоков теплоты для элементарного участка трубы при прямотоке изображена на рис.6

Рисунок 6 - Схема потоков теплоты на участке dx для прямотока.

Система уравнений одномерного процесса теплообмена в трехканальном теплообменнике имеет вид:

dt± = -Ax(ty-t2), ^ = A3(t2-t3), ^jL = -A2(t2-tx) + A3(t2-t3), (3)

Алгоритм расчета данного процесса с учетом зависимости теплофизических свойств теплоносителей от температур реализован в среде FORTRAN, а результаты расчета для потоков с одинаковыми расходами теплоносителей и начальными экспериментальными данными представлены затемненными маркерами на рис.7 и в табл. 3.

Трехмерная модель трехканального теплообменника. Для оценки результатов расчета, полученных численно-аналитическим методом в

ШШ

gi,<i G2, fc" ft, t, G2,f/ Gl, fi

вычислительном пакете РНОЕМСБ разработана трехмерная осесимметричная математическая модель трехканального теплообменника. 363т

т. к

343;

333-

323-

313-

283-1

273

й

-.-.♦зг

□

о МестаУстановкн'термолар. мм: ' /'в ТЗЗ ¡83 333 483 508

П ! ! I Г" £

X

295-****-,

Г''*' '

Ш-»

" ?

О 0.07 0 14 0 21 0.28 0 35 г, М 0.49

Объект Эксперимент Феникс ЧАМ

Горячий теплоноситель ООО

Наружная стенка трубы Фшодя XXX □ш

Холодный теплоноситель в кольцевой канале 444 А Л А

Внутренняя стеши трубы Фипьда + + + О о

Рисунок 7 - Изменение температуры теплоносителей и стен кольцевого канала

вдоль рабочего участка

Эта модель, позволяющая определить поля температур, скоростей и давлений, включает в себя уравнения неразрывности, движения, энергии, уравнение кинетической энергии и уравнение диссипации энергии при соответствующих граничных условиях и константах к-в модели турбулентности ММК. Указанные уравнения в тензорном виде имеют общую форму:

I ^^+с1;у(рг.ггФг-ГФг.егас)(ф;)) = ^ (4)

I

где: (- время; р,- - плотность ¡-ой фазы; Ф/ - любая переменная /-ой фазы, такая I как: энтальпия, момент на единицу массы, массовая доля химического компо-

нента, турбулентная энергия и т.д.; Р} - вектор скорости г'-ой фазы; Гф, - диффузионный коэффициент свойства Ф в г'-ой фазе; $ - источник свойства Ф. Таблица 3. Экспериментальные и расчетные значения температур стен трубы Фильда в местах установки термопар

ШІІШІ^^ИІіЖї ИММЙИ шв 4 9

Координата (м) 0.000 0.033 0.183 0.333 0.483

Т.сг1эк(К) <— эксперимент 343.22 349.62 328.99 321.45 315.29

Т.стіф (К) <- РНОЕМСв (ЗБ-модель) 345.94 348.33 330.39 326.88 319.97

ТСТ1пр(К) ЧАМ (Ш-модель) 347.60 346.25 339.12 329.19 319.46

8Тст1ф(%) 0.79 0.37 0.43 1.69 1.49

8Тст1пр(%) 1.28 0.96 3.08 2.41 1.32

Т.иЗэк (К) <— Эксперимент 289.86 290.74 286.22 286.22 285.52

Т.сйфОО РНОЕМСв (ЗО-модель) 289.01 288.85 288.38 288.13 288.11

Т.сйир (К) 1- ЧАМ (Ш-модель) 289.70 289.51 288.69 288.10 287.79

ЗТет2ф(%) 0.29 0.65 0.76 0.67 0.91

8Тст2пр (%) 0.24 0.23 0.11 0.01 0.11

Примечание: Тепэк, ТотФ, Тстщр - температура внешней (1=1) или внутренней (1=2) стенки кольцевого канала трубы Фильда, определенная в эксперименте, расчетом по программе РНОЕ1ч!С8 и численно-аналитическим методом (ЧАМ).

Результаты расчета теплообмена в трехканальном теплообменнике по трехмерной математической модели также представлены на рис.7 не затемненными маркерами и в табл. 3. Здесь же приведены экспериментальные данные для одного из режимов функционирования трубки Фильда при одинаковых расходах горячего и холодного теплоносителей 0,106 кг/с.

Согласно рис.7, наиболее интенсивно перенос теплоты происходит от горячего теплоносителя к возвратному потоку холодного теплоносителя в кольцевом зазоре, при этом интенсивность теплопередачи остаётся практически постоянной по всей длине каналов из-за равенства расходов теплоносителей и проти- 1 воточной схемы движения горячего потока и возвратного холодного потока.

Из табл. 3 видно, что отклонение расчетных значений температуры стен кольцевых каналов от данных эксперимента не превышают 3.1 и 1.7 %, соответственно для 1-го и 2-го вариантов расчета.

Анализ изменения температуры теплоносителей показывает, что расчёты по одномерной и двумерной моделям дают близкие результаты (табл. 3) и позволяют сделать вывод о слабом влиянии горячего теплоносителя на параметры I потока в центральной трубе, для которой возвратный холодный поток является 1 буферной зоной с большим термическим сопротивлением.

В пятой главе представлены результаты моделирования тепло- и массооб-мена в камере дожигания (КД), оснащенной трубами Фильда. КД используется в теплотехнологических схемах электродуговых печей и печах малоокислительного нагрева с целью удаления продуктов неполного горения из состава отходящих газов. Смесь этих газов поступает в КД с температурой 850-1200 °С

После КД газовую смесь используют для подогрева воздуха горения (или , предварительного подогрева шихтовых материалов).

I В данной главе представлена математическая модель камеры дожигания, оснащенная трубами Фильда для организации ТХР и получения синтез-газа, который в дальнейшем может быть использован (в качестве вторичного топлива) в теплотехнологическом процессе.

В нижней части камеры дожигания расположены входные патрубки для дожигаемой газовой смеси высокотемпературных продуктов сгорания и воздуха. В I верхней части камеры находится выходное отверстие для продуктов сгорания. В камере есть перегородка, над которой располагается пучок труб Фильда. Перего-| родка служит для задания направления омывания продуктами сгорания труб Фильда и увеличения времени необходимого для выжигания СО и передачи теплоты от горячего теплоносителя к холодному. Высокотемпературный поток продуктов сгорания движется в свободном пространстве между трубками Фильда и нагревает их путем конвекции и излучения.

Парогазовая смесь движется по центральной внутренней трубке и нагревается от ее стенок путем конвекции и излучения. В тупиковой зоне трубы Фильда парогазовая смесь разворачивается и движется в противоположном направлении по кольцевому каналу, находясь в состоянии радиационно-конвективного теплооб-, мена со стенками внешней и внутренней трубок.

) На поверхности внутренней каталитической трубки происходит эндотермическая реакция паровой конверсии метана. Получаемый конвертированный газ отводится из трубок Фильда в выходной канал и далее может быть использован в качестве топлива в технологическом процессе.

Температурное состояние каталитической трубки регулируется радиационно-конвективным теплообменом, обусловленным прямым и обратным течениями смеси и излучением стенки внешней трубы.

Расчеты с использованием программного комплекса РНОЕМСв позволили определить величины, характеризующие процессы в камере дожигания, перепады температур и давлений, распределение локальных сопротивлений и коэффициентов теплоотдачи. На рис. 8 дано изменение температуры холодного теплоносителя в прямой трубе и в трубе Фильда,

Рисунок 8 - Изменение средней температуры парогазовой смеси по длине реактора: а) гладкие трубы; б) трубы Фильда.

Видно, что при общих равных условиях использование труб Фильда позволяет увеличить температуру парогазовой смеси со 150 °С до 416 °С, в то время как

jfenfc-4r в кольцевом канапе ♦ ♦ » в центральной трубке

применение гладких труб повышает температуру смеси со 150 °С до 347 °С. Следовательно, в первом варианте парогазовая смесь на выходе из камеры дожигания имеет температуру на 69 градусов больше, чем во втором варианте.

На рис.9 видно, что массовая концентрация (т, %) монооксида углерода и водорода в случае труб Фильда возрастает в 1.47 и 1.909 раз, соответственно, по сравнению с гладкими трубами. Концентрация водяного пара и метана снижается в 1-ом варианте в 1.57 и 3.75 раза, а во втором -1.34 и 1.79 раза.

Рисунок 9 - Изменение состава парогазовой смеси по длине реактора: а) - гладкие трубы; б) - трубы Фильда; (1-водяной пар, 2-монооксид углерода, 3-метан, 4-водород)

В шестой главе определена область энергоэффекггивного использования труб Фильда в студочной зоне стекловаренной установки и проведен анализ энергоэффективности различных утилизационных схем стекловаренной установки производительностью 16 т/сутки.

Поскольку при использовании труб Фильда температура воздуха, поступающего из студочной зоны для подогрева шихты, может превысить значение, определяемое технологией, вводится поправка, которая устанавливает область допустимых значений этой температуры в диаграмме Хоанга Х.Х.

Верхней границей температуры воздуха, поступающего на подогрев шихты, принята температура 550 "С, т.к. при значениях, превышающих эту величину, наблюдается спекание шихтовых материалов, что недопустимо по технологическим причинам. Нижней границей является температура окружающего воздуха (15+20°С). Задание для неё более высокой температуры, с целью снижения влажности шихты, нецелесообразно по технологическим причинам. Например, согласно работе Р. Симса «Оптимизация конструкции и характеристик стекловаренной печи» уменьшение влажности шихты с 3 % до 0 % снижает потребность в энергии на 7 %, но вызывает проблемы с сегрегацией и повышением уноса в печи.

На рис. 10 представлена диаграмма Хоанга Х.Х, позволяющая по длине участка охлаждения расплава в студке определить параметры воздуха, поступающего на подогрев шихты, а также зона, в пределах которой тепловая эффективность труб Фильда является избыточной по технологическим причинам.

ч>

Ь(300,ш

Є~Є

0.5 1 1.5 7 3.5 3 3.5 4 ііу,,»5 5.5

Рисунок 10- Зависимость длины Ь участка охлаждения стекломассы с температуры 1400 до 1200 °С и температуры I воздуха на выходе из труб Фильда от его скорости соа;г и расхода

расплава

На рис. 11 представлены четыре схемы утилизации тепловых отходов ВТУ

ог

ВЦ

УГ

КОС ]}™г н—

вп,

тпТСТТ

и

В1 - схема с термической регенерацией, в которой в качестве регенеративного устройства используется радиационный и конвективный рекуператоры

В2 - схема регенерации тепловых отходов, включающая утилизацию теплоты отходящих газов посредством предварительного подогрева шихты и окислителя, а так же использование энтальпии воздуха, поступающего из труб Фильда, для подогрева шихты

ВЗ - Схема с регенерацией тепловых отходов В4 -Схема регеперации тепловых отходов ВТУ посред-

посредством термохимической регенерации и ством термохимической регенерации и использования си-

рекупсративного подогрева окислителя стемы предварительного подогрева окислителя и шихты за

счет теплоты отходящих газов и расплава, соответственно.

Рисунок 11 - Исследуемые энергосберегающие схемы стекловаренной установки (пунктиром обозначены устройства, оснащенные трубами Фильда): П - печь, Т-топливо, ОГ-отходящие газы, ИМ-исходный материал (шихта), ВШ и ВП2 -воздухоподогреватели 1-ой и 2-ой ступени, ТП-технологический продукт, ХВ и ГВ -холодный и горячий воздух, УГ-уходящие газы, КОС-камера охлаждения стекломассы, КПШ-камера подог рева шихты, РПК-реактор паровой конверсии, ППГС-пароперегреватель

Из анализа схемы В1 следует, что полезно использованная теплота, необходимая для нагрева шихты и осуществления химических реакций стеюгообразо-вания, составляет менее четверти от общего расхода тепла. Остальная теплота теряется с высокотемпературными газовыми отходами и через технологический продукт стекловаренной установки.

На рис. 12 представлены данные по удельному расходу топлива и КПИ стекловаренной установки для различных схем утилизации тепловых отходов. Из приведенных диаграмм видно, что использование комплексной схемы (В4) может обеспечить снижение расхода топлива на ~33% относительно исходной

Рисунок 12 - Диаграмма сравнения исходного удельного расхода природного газа (а) и КПИ стекловаренной установки при различных схемах (б)

На рис. 13 приведена сравнительная диаграмма расходов и экономии топлива при использовании разных схем утилизации тепловых отходов. Видно, что применение схемы В4 для установки производительностью 16 т/сут позволяет сэкономить топливо на ~33 % по сравнению со схемой термической регенера-

Рисунок 13 - Расход и экономия топлива при использовании разных схем утилизации тепловых отходов стекловаренной установки

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. По результатам решения сопряженной задачи теплообмена произведена оценка теплообменных характеристик трубы Фильда по сравнению с теплообменником типа «труба в трубе». Установлено, что тепловая эффективность первого аппарата выше, чем у второго при расходах теплоносителей и длинах аппаратов в диапазонах 0.002+0.009 кг/с и 1.0 +2.5 м, соответственно.

2. Разработан экспериментальный стенд и методика исследования теплогидродинамического процесса в трехканальном теплообменнике, состоящем из цилиндрического канала и трубы Фильда, при различных расходах и температурах теплоносителей.

3. Впервые с учетом зависимости теплофизических свойств теплоносителей от температуры разработан численно-аналитический метод, позволяющий определить распределение температуры и линейной плотности тепловых потоков в трехканальном теплообменнике, представляющий собой трубу Фильда в цилиндрическом канале.

4. В программном комплексе РНОЕМСЙ разработана математическая модель, позволяющая проводить численные исследования теплогидродинамического процесса в трехканальном теплообменнике с учетом разных к-е моделей турбулентности. Сравнение расчётных и экспериментальных результатов показало:

• Наиболее точное описание исследуемого процесса получено при использовании к-е модели турбулентности Мураками, Мочида и Кондо (КЕММК). Поэтому при выполнении теплотехнических расчётов и определении режимов работы трехка-нального теплообменника, в виде трубы Фильда и цилиндрического кожуха, рекомендуется использовать эту модель турбулентности.

• Результаты расчетов трехканального теплообменника, выполненных численно-аналитическим методом и по трехмерной модели, реализованной в пакете РНОЕГОСЗ, удовлетворительно согласуются друг с другом. Отклонение расчетных значений температуры стен кольцевых каналов от данных эксперимента не превышают 3.1 и 1.7 %, соответственно для первого и второго вариантов расчета. Поэтому разработанный метод расчёта и трехмерная модель теплогидродинамического процесса в рассматриваемом теплообменнике могут быть использованы для анализа его функциональных характеристик при различных режимных и конструктивных параметрах.

5. Впервые разработана трехмерная модель процесса, протекающего в камере дожигания с трубами Фильда, предназначенных для утилизации теплоты продуктов сгорания и получения синтез-газа путем термохимической регенерации. Использование труб Фильда с центральной каталитической трубкой вместо прямых гладких катализированных труб увеличивает количество конвертированного газа в 1.7 раза и снижает температуру продуктов сгорания на выходе камеры дожигания на 15.8 %.

6. В диаграмму Хоанга Х.Х. по технологическим требованиям введено ограничение на температуру воздуха, поступающего на подогрев шихты из студочной зоны стекловаренной установки. Это позволило уточнить диапазоны допустимого расхода теплоносителей в указанной зоне и определил, границы области энергетической эффективности использования труб Фильда.

7. Показана целесообразность применения труб Фильда в аппаратах системы комплексной утилизации тепловых отходов стекловаренной установки, которая

я

включает использование теплоты отходящих газов и расплава для подогрева окислителя и шихтовых материалов, а также получения вторичного топлива (синтез-газа) посредством термохимической регенерации. Это позволяет снизить расход топлива на ~33 % по сравнению с термической рекуперацией отходящих газов для подогрева окислителя. " •

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Глазов B.C., Сергиевский Э.Д., Чьей В.В. Экспериментальная в численная проверка моделей турбулентности при моделировании процесса в трубе Фильда // Научно-технический журнал "Надежность н безопасность энергетики". - 2011. № 4(11). С. 47-50.

2. By Ван Чьен. Глазов B.C., Саснн В.Я., Сергиевский Э.Д. Комплексное исследование процессов тепло- и массопереноса в элементах трубки Фильда// Тепловые процессы в технике. -2011. № 5. С. 204-209.

3. Хоанг X. X., Белова НА., Чьен В.В.. Сергиевский Э.Д., Глазов B.C. Модель лучистого охлаждения стекломассы в студочной камере с трубками Фильда. // 16-ая Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов. Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Тез. докл. -М., 2010. т. 2. С. 429-430.

4. Чьен В.В.. Глазов B.C., Сергиевский Э.Д. Расчет термонапряжений в трубе в условиях вынужденной конвекции// 17-ая Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов. Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Тез. докл. -М.: МЭИ, 2011. Т. 2. С. 510-512.

5. Чьен В .В.. Глазов B.C., Сергиевский Э.Д. Тепловая эффективность трубы Фильда с проницаемой внутренней стенкой кольцевого канала// 17-ая Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов. Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Тез. докл. -М.: МЭИ, 2011. Т. 2. С. 512-514.

6. Чьен В.В.. Глазов B.C., Сергиевский Э.Д. Экспериментальные и численные исследования теплообмена в трубе Фильда // 18-ая Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов. Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Тез. докл. - М.: МЭИ, 2012. Т. 3. С. 201-202.

7. Hoäng Khäc Hoäng, Vfl Vän Chi en , Sergievsky E.D., Glazov V.S. Nghien ciiu vä mö phöng bäi toän trao döi nhi£t trong khe hep bäng phuang phäp so. T?p chi Khoa hoc& Cong ngh? Nhi?t (ISSN 0868 - 3336. Thermal science technology review) 2010-№91 * l/2010*(23-25).

8. Vfl Vän Chitin , Sergievsky E.D., Glazov V.S. Sur d\mg ong FILDA trong cäc thift bj thu hoi nhi?t thäi. T?p chi Näng hitmg Nhi£t (Thermal energy review) 2011-№100*7/2011*(07-09).

9. Vfl Vän Chien, Sergievsky E.D., Glazov V.S. Ve d£c tfnh cüa thidt bi thu höi nhift thäi kieu 6ng löng ong. Tgp chi Näng lugng Nhi?t (Thermal energy review) 2012-№103*1/2012*(08-10).

Подписано в печать/9.0к> (Л Зак. Ш Тир. ?D0 П.л.

Полиграфический центр МЭИ (ТУ)

Красноказарменная ул., д. 13

61 12-5/2612

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ

УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МЭИ»

На правах рукописи

By Ван Чьей

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТРУБ ФИЛЬДА В АППАРАТАХ СИСТЕМЫ КОМПЛЕКСНОЙ УТИЛИЗАЦИИ ТЕПЛОВЫХ ОТХОДОВ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ УСТАНОВОК

05Л4.04 - Промышленная теплоэнергетика

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель: к.т.н., доцент Глазов B.C.

Москва - 2012

СОДЕРЖАНИЕ

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ..................................................................................................17

1.1. Анализ энергоэффективных технологий в высокотемпературных плавильных установках систем по производству стекла. Современное состояние вопроса........................................................................................................................17

1.2. Стекловаренные печи и процесс производства стекла...................................19

1.3. Способы повышения энергетической эффективности работы систем по выработке стекла........................................................................................................24

1.4. Методы расчета теплообмена в трубе Фильда................................................33

1.5. Электродуговая шахтная печь с удерживающими пальцами фирмы «ФУКС - СИСТЕМТЕХНИК»................................................................................................35

1.6. Вывод по главе....................................................................................................41

ГЛАВА 2. ВЫБОР ИНСТРУМЕНТА МОДЕЛИРОВАНИЯ И ЕГО

ТАРИРОВКА НА ПРИМЕРЕ РЕШЕНИЯ СОПРЯЖЕННОЙ ЗАДАЧИ ТЕПЛООБМЕНА.....................................................................................................13

2.1. Особенности математической постановки задачи..........................................43

2.2. Расчет теплообменника типа «труба в трубе».................................................44

2.3. Расчет трубы Фильда, омываемой горячим теплоносителем.......................54

2.4. Вывод по главе....................................................................................................64

ГЛАВА 3, ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ И ЧИСЛЕННАЯ ПРОВЕРКА

МОДЕЛЕЙ ТУРБУЛЕНТНОСТИ ПРИ ИССЛЕДОВАНИИ ПРОЦЕССА В ТРУБЕ ФИЛЬДА.....................................................................................................65

3.1 Постановка задачи...............................................................................................55

3.2 Описание экспериментальной установки.........................................................66

3.3 Результаты контрольных экспериментов..........................................................73

3.4. Численные исследования на базе различных моделей турбулентности.......79

3.5. Сравнение расчётных и экспериментальных данных.....................................80

3.6. Вывод по главе.................................................................................................... 81

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛО- И МАССОПЕРЕНОСА В ТРЕХКАНАЛЬНОМ ТЕПЛООБМЕННИКЕ....................................................82

4.1. Методика обработки экспериментальных данных и её результаты.............82

4.2. Одномерная модель процессов тепло - и массопереноса в элементах трубки Фильда.........................................................................................................................94

4.3. Трёхмерная модель (Пакет PHOENICS)........................................................101

4.4. Обработка и анализ полученных результатов...............................................101

4.5. Вывод по главе..................................................................................................106

ГЛАВА 5. МОДЕЛЬ ТЕПЛО- И МАССООБМЕНА В КАМЕРЕ

ВТОРИЧНОГО ДОЖИГАНИЯ С ТРУБАМИ ФИЛЬДА.............................107

5.1. Модель камеры вторичного дожигания с трубами Фильда.........................107

5.2. Модельные уравнения......................................................................................112

5.3. Вычислительная методология.........................................................................122

5.4. Качественная оценка полученных результатов............................................123

5.5. Вывод по главе..................................................................................................128

ГЛАВА 6. КОМПЛЕКСНАЯ УТИЛИЗАЦИЯ ТЕПЛОВЫХ ОТХОДОВ

СТЕКЛОВАРЕННОЙ УСТАНОВКИ................................................................129

6.1. Определение области энергетической эффективности труб Фильда для студочной зоны стекловаренной установки.........................................................129

6.2. Представление расчетной схемы баланса......................................................130

6.3. Тепловой баланс стекловаренной печи..............................................................135

6.4. Расчет баланса по схеме стекловаренной установки с воздушной регенерацией............................................................................................................145

6.5. Расчет теплового баланса комплексной схемы стекловаренной установки с системой предварительного подогрева шихты и окислителя за счет теплоты расплава и отходящих газов......................................................................................146

6.6. Расчет теплового баланса комплексной схемы утилизации тепловых отходов посредством термохимической регенерации и рекуперативного подогрева окислителя.................................................................................................................147

6.7. Расчет теплового баланса комплексной схемы утилизации тепловых отходов посредством термохимической регенерации и использования системы предварительного подогрева шихты и окислителя за счет теплоты расплава- 'и отходящих газов........................................................................................................148

6.8. Проведение сравнения исходного топлива и оценки экономической эффективности.........................................................................................................149

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ...............................................Ш

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.............................................................................154

\

ПРИЛОЖЕНИЕ «А» - program fildl............................................................160

ПРИЛОЖЕНИЕ «Б» - ql file.........................................................................164

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность. Значительные масштабы энергоиспользования при низком уровне эффективности потребления энергоресурсов является характерной чертой для высокотемпературных технологий [1-3]. Так, анализ использования топливных ресурсов при производстве стекла показывает, что лишь 70 % затраченной энергии в современных стекловаренных установках используется в процессе плавления и переработки стекла. Из этих 70%, только 40 % энергии, полученной при сжигании топлива, поступает на плавление технологического материала, в то время как 60 % теряется через наружные ограждения установки и с нагретыми дымовыми газами.

Обзор существующих схем утилизации тепловых отходов, повышающих энергетическую эффективность стекловаренных, электродуговых и нагревательных печей, показал, что основным способом, повышающим энергетическую эффективность высокотемпературных установок (ВТУ) является использование теплоты уходящих газов для подогрева воздуха горения [4,5]. Не мзнее эффективным энергосберегающим мероприятием, обеспечивающим глубокую регенерацию теплоты газовых отходов, является их утилизация посредством термохимической регенерации [7, 8], а также предварительный подогрев шихты или исходного материала теплоносителем, поступающим из студочной зоны стекловаренной установки [9], или газами, выходящими из ванны электродуговой печи [10, 11].

Для повышения компактности и эффективности аппаратов, применяемых в энергосберегающих схемах ВТУ, вместо гладких прямых труб могут быть использованы трубы Фильда [12]. Обоснование такой замены часто проводится по результатам математического моделирования на одномерных моделях с сосредоточенными или распределенными параметрами. Погрешность такого моделирования может быть довольно значительной, поэтому для более точного расчета требуется разработка двух- и трехмерных моделей с распределенными параметрами [13, 14].

Таким образом, разработка более точных моделей тепловых процессов, протекающих в трубах Фильда, определение области эффективного их использования в аппаратах системы комплексной утилизации тепловых отходов ВТУ является актуальной задачей.

Цель работы. Выявить условия и определить область энергоэффективного применения труб Фильда в составе аппаратов и систем комплексной утилизации тепловых отходов высокотемпературных установок.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Выбрать инструмент моделирования и провести его тарировку на примере решения сопряженной задачи теплообмена для расчета устройства типа "труба в трубе". Разработать двумерные модели аппаратов типа "труба в трубе" и труба Фильда, а также дать оценку их теплообменным характеристикам.

2. Разработать экспериментальный стенд и исследовать теплогидродинами-ческие параметры процесса в устройстве, оснащенном трубой Фильда, при умеренных температурах теплоносителей.

3. Сопоставить экспериментальные данные с результатами численных исследований, полученных в вычислительном комплексе РНОЕ№С8, и определить модель турбулентности наилучшим образом описывающей исследуемый процесс в устройстве, оснащенном трубой Фильда.

4. Разработать численно-аналитический метод (ЧАМ) расчета теплообмена в цилиндрическом канале, содержащем трубу Фильда, и выполнить проверку, получаемых результатов, на соответствие экспериментальным данным.

5. Разработать трехмерную модель процесса, протекающего в камере вторичного дожигания, оснащенной реакционными элементами в виде труб Фильда для утилизации теплоты продуктов сгорания и получения синтез-газа путем термохимической регенерации.

6. Исследовать целесообразность использования в энергосберегающей схеме стекловаренной установки комплексную утилизацию теплоты отходящих газов и расплава стекломассы для подогрева окислителя, шихты и получения вторичного топлива (синтез-газа) посредством термохимической регенерации.

Объектом исследования являются аппараты систем утилизации теплоты высокотемпературных установок, в конструкции которых используются трубы

у

Фильда.

Предметом исследования являются процессы, протекающие в аппаратах энергосберегающей системы высокотемпературной установки, оснащенных трубами Фильда, а также условия повышения их энергоэффективности.

Научная новизна:

• Впервые, с учетом зависимости теплофизических свойств теплоносителей от температуры, разработан численно-аналитический метод, позволяющий определить распределение температуры и плотности тепловых потоков в трехка-нальном теплообменнике, представляющий собой трубу Фильда в цилиндрическом канале.

• Разработана математическая модель, позволяющая проводить численные исследования теплогидродинамического процесса в трехканальном теплообменнике с учетом разных к-в моделей турбулентности. Установлено, что наиболее точное описание исследуемого процесса получено при использовании к-е модели турбулентности Мураками, Мочида и Кондо (КЕММК).

• Разработан экспериментальный стенд и проведено исследование тепло-гидродинамического процесса в трехканальном теплообменнике. Установлено, что результаты расчета, полученные ЧАМ и в ходе численного моделирования в пакете РНОЕМСЭ, удовлетворительно согласуются друг с другом. Отклонение расчетных значений температуры стен кольцевых каналов от данных эксперимента не превышают 3.1 и 1.7 %, соответственно для первого и второго вариантов расчета. Поэтому разработанный ЧАМ расчёта и ЗБ модель теплогидродинамического процесса в рассматриваемом теплообменнике могут быть использованы для анализа его функциональных характеристик.

• Впервые разработана трехмерная модель процесса, протекающего в камере дожигания, оснащенная реакционными элементами в виде труб Фильда для утилизации теплоты продуктов сгорания и получения синтез-газа путем термо-

химической регенерации. Использование труб Фильда с центральной каталитической трубкой вместо прямых гладких катализированных труб увеличивает количество конвертированного газа в 1.7 раза и снижает температуру продуктов сгорания на выходе из камеры вторичного дожигания на 15.8 %.

• Установлены границы области энергоэффективного использования труб Фильда в студочной зоне стекловаренных установок производительностью в 16, 160 и 300 т/сут.

• На примере стекловаренной установки, производительностью 16 т/сут, показана целесообразность применения комплексной утилизации её тепловых отходов. Предлагаемая энергосберегающая система предполагает использование теплоты отходящих газов и расплава для подогрева окислителя и шихтовых материалов, а также получения синтез-газа посредством термохимической регенерации, что позволяет снизить расход топлива на 33 % по сравнению с термической регенерацией отходящих газов для подогрева воздуха горения.

Достоверность полученных в диссертационной работе результатов и выводов базируются на корректном использовании современных прикладных программ для численных исследований (MathCAD, PHOENICS и Fluent), методов проведения натурных исследований и их обработки, а так же на хорошем согласовании с результатами экспериментов и численных исследований других авторов.

Практическая ценность. Полученные в работе результаты позволяют:

• Использовать разработанные модели и ЧАМ расчета тепло- и массообме-на при проектировании теплообменных и реакционных аппаратов на основе труб Фильда для энергосберегающих систем ВТУ.

• Определить режимные параметры студочной зоны стекловаренной установки в соответствии с областью, в которой энергетическая эффективность труб Фильда не является избыточной.

• Снизить расход топлива для получения единицы технологического продукта и, следовательно, уменьшить капиталоемкость теплотехнического обору-

дования и снизить вредное воздействие технологических процессов на окружающую среду.

Основные положения, выносимые на защиту:

• Результаты моделирования и сопоставительного анализа тепловой эффективности трубы Фильда и теплообменника типа «труба в трубе».

• Численно-аналитический метод расчета теплообмена для трехканальнсго теплообменника в виде цилиндрического канала, содержащего трубу Фильда. Данный метод позволяет, не прибегая к использованию «тяжелых» СББ пакетов, определить изменение температуры стен каналов и теплоносителей вдоль данного устройства с учетом зависимости их теплофизических свойств от температуры.

• Результаты натурных и численных экспериментов по моделированию теплообмена в цилиндрическом канале с трубой Фильда.

• Результаты численного моделирования тепло- и массообмена в камере дожигания, оснащенной трубами Фильда с каталитической центральной трз'б-кой для получения синтез-газа и утилизации теплоты продуктов сгорания.

• Результаты расчетов энергетической эффективности использования в энергосберегающей системе стекловаренной установки комплексную утилизацию теплоты отходящих газов и расплава стекломассы для подогрева окислителя, шихты и получения вторичного топлива (синтез-газа) посредством термохимической регенерации.

Апробация работы. Основные положения работы, результаты теоретических и расчетных исследований докладывались и обсуждались на ХУ1-ХУШ международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов. Радиоэлектроника, электротехника и энергетика (Москва, 2010-2012 гг.);

Публикации. Материалы, отражающие содержание диссертационной работы и полученные в ходе ее выполнения, представлены в 9 публикациях, две из которых опубликованы в журналах рекомендуемой ВАК РФ:

1. Глазов B.C., Сергиевский Э.Д., Чьей B.B. Экспериментальная и численная проверка моделей турбулентности при моделировании процесса в трубе Фильда // Научно-технический журнал "Надежность и безопасность энергетики". -2011. № 4(11). С. 47-50.

2. By Ван Чьен, Глазов B.C., Сасин В.Я., Сергиевский Э.Д. Комплексное исследование процессов тепло- и массопереноса в элементах трубки Фильда// Тепловые процессы в технике. - 2011. № 5. С. 204-210.

3. Хоанг X. X., Белова H.A., Чьен В .В., Сергиевский Э.Д., Глазов B.C. Модель лучистого охлаждения стекломассы в студочной камере с трубками Фильда. // 16-ая Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов. Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Тез. докл. - М., 2010. т. 2. С. 429-430.

4. Чьен В.В., Глазов B.C., Сергиевский Э.Д. Расчет термонапряжений в трубе в условиях вынужденной конвекции// 17-ая Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов. Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Тез. докл. - М.: МЭИ, 2011. Т. 2. С. 510-512.

5. Чьен В.В., Глазов B.C., Сергиевский Э.Д. Тепловая эффективность трубы Фильда с проницаемой внутренней стенкой кольцевого канала// 17-ая Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов. Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Тез. докл. - М.: МЭИ, 2011. Т. 2. С. 512-514.

6. Чьен В.В., Глазов B.C., Сергиевский Э.Д. Экспериментальные и численные исследования теплообмена в трубе Фильда // 18-ая Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов. Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Тез. докл. -М.: МЭИ, 2012. Т. 3. С. 201-202.

7. Hoäng Khäc Hoäng, Vü Van Chien , Sergievsky E.D., Glazov V.S. Nghien cuu vä mö phöng bäi toän trao doi nhiet trong khe hep bäng phirong phäp so. Tap chi Khoa hoc& Cong nghe Nhiet (ISSN 0868 - 3336. Thermal science technology review) 2010- №91* 1/2010^(23-25).

8. Vu Van Chiên , Sergievsky E.D., Glazov V.S. Sur dung ông FILDA trong câc thiét bi thu hôi nhiêt thâi. Tap chi Nâng lirgng Nhiêt (Thermal energy review) 2011-№100*7/201l*(07-09).

9. Vu Van Chiên , Sergievsky E.D., Glazov V.S. Ve dâc tinh cûa thiét bi thu hôi nhiêt thâi kiêu ông long ông. Tap chi Nâng lugng Nhiêt (Thermal