автореферат диссертации по энергетике, 05.14.04, диссертация на тему:Тепломассообмен в аппарате с трехфазным центробежным псевдоожиженным слоем

На правах рукописи

МЕДВЕДЕВ Дмитрий Игоревич

/*

т-

ТЕПЛОМАССООБМЕН В АППАРАТЕ С ТРЕХФАЗНЫМ ЦЕНТРОБЕЖНЫМ ПСЕВДООЖИЖЕННЫМ СЛОЕМ

Специальность 05.14.04 - Промышленная теплоэнергетика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Воронеж - 2005

Работа выполнена в Воронежском государственном техническом университете

Защита состоится « 29 » сентября 2005 г в 14*' часов в конференн-зале на заседании диссертащюнного совета Д 212 037 05 Воронежскою государственного технического университета по адресу. 39402(> г Воронеж. Московский просп, 14

С диссертацией молено ознакомиться в библиотеке Воронежского государственного технического университета.

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Мозговой Николай Васильевич;

Официальные оппоненты- доктор технических наук, профессор

Жучков Анатолий Витальевич

кандидат технических наук, доцент Санников Александр Васильевич

Вед\гцая организация Воронежский государственный

архитектурно-строительный университет

Автореферат разослан <_ авгу ста __ 2005 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Бараков А I'.

¿/ере 73

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Существенным резервом экономии в топливно-энергетическом комплексе является использование вторичных энергоресурсов (ВЭР). которые в виде теплоты технологического продукта отходящих газов, пара или горячей воды имеются в большинстве производственных процессов. Однако рациональному использованию этой теплоты, как правило, препятствует низкая эффективность существующей в настоящее время теплообменной аппаратуры Это связано, главным образом, с малыми коэффициентами теплоотдачи от газов к стенке, поэтому при незначительном температурном перепаде межд\ теплоносителями приходится применять теплообменники с огромными поверхностями нагрева Одним из наиболее перспективных методов интенсификации теплообмена между газообразными средами является использование в качестве промежуточного теплоносителя тонкого псевдоожиженного слоя твердого зернистого материала. Основными достоинствами данного метода является интенсивное перемешивание твердой фазы, высокие значения коэффициентов межфазного теплообмена, развитая удельная поверхность контакта фаз, подвижность псевдоожиженного слоя и возможность непрерывной циркуляции твердой фазы, небольшое гидравлическое сопротивление псевдоожиженного слоя, широкий диапазон свойств твердой фазы, газов, паров и капельных жидкостей, сравнительно простое устройство аппаратов и доступность их автоматизации Особый интерес представляют аппараты с центробежным трехфазным псевдоожиженным слоем. При их использовании ингенсифисируются процессы тепло- и массообмена, а также расширяется диапазон использования аппаратов с таким слоем. Однако проведенный анализ показал, что в настоящее время практически отсутствуют сведения о скорости движения, гидравлическом сопротивлении и теплообмене в перемещающемся трехфазном псевдоожиженном слое, а также о механизме его формирования, которые послужили бы научной базой для разработки методики инженерного расчета данного типа теплообменников и их использовании в промышленном масштабе.

Данная диссертационная работа выполнялась в рамках научного направления «Физико-технические проблемы энергетики и экологии», тема ГБ.01.12 per. №01200117677.

Цель п задачи исследования. Получение аналитических зависимостей и создание методики расчета на базе теоретических и экспериментальных исследований процессов гидродинамики и тепломассообмена в центробежном трехфазном псевдоожиженном спое штя птюектирования и оптимизации энергетических установок с"

Для достижения указанной цели поставлены следующие задачи разработка и анализ математической модели, описывающей процесс формирования и движения центробежного трехфазного псевдоожиженного слоя, моделирование процессов гидродинамики и тепломассообмена в центробежном трехфазном псевдоожиженном слое; расчет температурных полей в жвдкой и газообразной фазах; экспериментальное исследование процессов гидродинамики и тепломассообмена центробежного трехфазного псевдоожиженного слоя, а также практическое сравнение аппарата с центробежным трехфазным псевдоожиженным слоем и вентиляторной градирни с пластинчатой насадкой; оптимизация основных параметров исследуемого процесса и разработка методики инженерного расчета аппаратов с таким слоем.

Научная новизна. Определены особенности процесса формирования и движения центробежного трехфазного псевдоожиженного слоя Предложено уравнение для определения средней скорости газа на входе в слой. Изучены температурные поля охлаждающего агента и охлаждающей жидкости. Проведена экспериментальная проверка разработанных математических моделей и аналитических зависимостей Получены эмпирические критериальные уравнения для расчета гидравлического сопротивления и межфазного коэффициента теплоотдачи На основании теоретических и экспериментальных исследований разработана методика расчета и рекомендации для оптимизации основных параметров процесса для аппаратов с таким слоем.

Практическая ценность работы. Полученные математические модели, аналитические и эмпирические зависимости представляют собой необходимую теоретическою баз} для создания методики инженерного расчета и проектирования аппаратов с центробежным трехфазным псевдоожиженным слоем.

Результаты диссертационного исследования внедрены в практику ООО СК "Союз" (г. Воронеж), а также используются в учебном процессе в дисциплине "Источники и системы теплоснабжения предприятий" на кафедре "Теоретическая и промышленная теплоэнергетика" Воронежского государственного технического университета.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на II Всероссийской научно-технической конференции "Прикладные задачи механики и тепломассообмена в авиастроении" (Воронеж, 2001); научно-технической конференции "Современные аэрокосмические и информационные технологии" (Воронеж, 2003): VIII Международной открытой научной конференции "Современные проблемы информатизации в технике и технологиях" (Воронеж, 2003); Международной конференции "Системные

проблемы качества и математического моделирования информационных и электронных технологий" (Москва, 2003); научно-технической конференции "Современные технологии в аэрокосмической отрасли и теплоэнергетике" (Воронеж. 2003): IV Российской научно-технической конференции "Авиакосмические технологии АКТ-2003" (Воронеж, 2003). региональной научно-технической конференции "Прикладные задачи электромеханики, энергетики, электроники" (Воронеж. 2004).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 работ

В работах, опубликованных в соавторстве, лично соискателю принадлежит [1] - экспериментальное исследование процесса гидродинамики; [2. 4, 5] - критический обзор литературы по использованию аппаратов с трехфазным центробежным псевдоожиженным слоем; [3] - разработка математической модели формирования и движения трехфазного центробежного псевдоожиженного слоя: [6. 15] усовершенствование экспериментальной установки; [9] - проведение сравнения градирен разного типа по теилогидравлическому показателю: [10] - определение области оптимальных значений скорости газа, диаметра частиц, угла входа газа в слой; [11] - выбор методики определения межфазного коэффициента теплообмена; [12, 14] - экспериментальное исследование процесса тепломассообмена, получение эмпирических уравнений; [13] - анализ температурных полей охлаждающего агента и охлаждаемой жидкости.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав с основными результатами и выводами, изложенными на 138 страницах, библиографического списка из 71 наименования, приложений, содержит 36 рисунков и 1 таблицу.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выбранной темы диссертации, сформулированы основные цели и задачи исследования, определена научная новизна и практическая значимость результатов работы.

В первой главе приводится обзор литературы по теме диссертации, проанализированы параметры, обусловливающие процессы гидродинамики и тепломассообмена в центробежном трехфазном псевдоожиженном слое, а также конструктивные особенности существующих установок с таким слоем Проведенный анализ литературы показал, что в настоящее время практически отсутствуют сведения о скорости движения, гидравлическом сопротивлении и теплообмене в перемещающемся трехфазном псевдоожиженном слое, а также о механизме его формирования. Отсутствие

I

!

инженерной методики расчета сдерживает внедрение данного типа теплообменников и их использование в промышленном масштабе.

Во второй главе при анализе созданной математической модели определены особенности процесса формирования и движения центробежного трехфазного псевдоожиженнош слоя. Проанализированы температурные поля охлаждающего агента и охлаждаемой жидкости. Получены уравнения распределения температуры газа и жидкости по высоте и по радиусу кольцевой камеры

Схема сил. определяющих формирование и движение слоя вдоль газораспределительной решетки, а также треугольники скоростей газожидкостного потока показаны на рис 1.

I/

11>0

Рис. 1. Силы, действующие на элемент слоя, и треугольники скоростей газожидкостного потока

Для определения характера изменения скорости газа в слое рассмотрена система уравнений, включающая уравнения сохранения импульса для элемента слоя и проекции сил. действующих со стороны газа на частицы и со стороны частиц на газ:

<ШС =рг -1)0 11с1рс1К с1Рг =(1~в) рт ^-к ак сг^ ск:

(1)

<Н\

4(1,

Из решения системы уравнений (1) получено уравнение изменения тангенциальной составляющей скорости газа по высоте слоя:

(1-е)-р, г

(2)

г)< =шт -юг)• ехр

Рг -1>5

соотношения для определения угла выхода потока газов из слоя и скорости газа, соответствующей началу движения слоя, при условии = 0;

сот

и,

= 0: е = е0; Н = Ну соответственно:

Р„=агая

"Он =

0), -8 I),

•>с«тРг

•ехр

(1-е)-рт §-Нс -е

Рг •«<"

Рг

• 1п

2со5(30

-0 5

(3)

(4)

Численный анализ (4} показывает, что второй член уравнения более чем на порядок меньше первого и не оказывает значительного влияния на результат, особенно при углах входа газового потока в слой (ри < 45°). следовашльно. им можно пренебречь и окончательно, получим

о,,„ = .

Иво-Рт

(5)

Зса -рг

Для определения температурных полей сделаны следующие допущения температурный градиент вштри частиц отсутствует (Ш < 0,1) для увеличения термостойкости и повышения теплоа ккрхулирующей способности промежуточного теплоносителя; температура частиц по высоте псевдоожиженного слоя не изменяется; перемешивание слоя происходит только по радиусу, пленка жидкости на частице при оценке ее диаметра не учитывается.

*

г

Уравнение теплового баланса для элементарного объема единичной ширины (IV в случае охлаждения жидкости имеет вид

-(1-е).рж.»ж.^ = рг.1,г.^. (б)

сЖ 02

Для отдельной твердой частицы с пленкой жидкости запишем

Р,-У,.^г- = а-(в-Т)-Гч. (7)

Для установившегося режима движения

dJ, dJ,

(8)

dr " dR Уравнение (6) с учетом (7), (8) будет иметь вид

f = -Me-x), (9)

Pr-Dr-V4 GrHc Учитывая, что

dJr = (cr + С, )• dT, где С, - коэффициент, учитывающий влияние влагосодержания на температуру газа. кДж/(кг-К), из (9) запишем

(cr+C1).g~ = -Aidz. (10)

Так как считаем, что 0 - const по высоте слоя, то после интегрирования при z = О и Т = Т„ и потенцирования (10) получим

T = 0-(e-TH)-exp(-A,-z), (11)

А А1

где А, =-

cr+C!

Выражение (6) для высоты слоя Нп запишем в виде

dJ^ = _ Pr-Ur-(cr4- C1)_ (т _ } dR рж.»ж.(1-е)-Н0 V н; С учетом dJj. = сж dO и (11) после интегрирования при 0 = 0н иЯ = О и потенцирования выражение (12) будет иметь вид

0 = тн - (тн - 0Н). ехр(- А2 .R • (l - ехр(- А, • z))), (13)

где At = P,4>r-(cr +Cl) _ (рг

Подставив в (11) выражение (13), получим

Т = Тн + (е„ - Тн)е\р(-А: • R • (l - ечр(- А, ■ z|- (l-exp(-A, ■ z)). (14)

В третьей главе приведены результаты экспериментальных исследований процессов гидродинамики и тепломассообмена в аппарате с трехфазным центробежным псевдоожиженным слоем.

Принципиальная схема экспериментальной установки показана на рис. 2 и разрез на рис 3.

Рис. 2 Принципиальная схема экспериментальной установки:

1-цилиндрический вертикальный корте; 2 -ограничительная сетка; 3 -газопроницаемая сетка; 4-псевдоожиженная насадка из твердого мелкозернистого материала. 5-оросительное устройство: 6-ппуцер для подачи орошающей жидкости: 7-опорная газораспределительная решетка; 8-наружная наклонная образующая; 9-кожух, 10-ппуцер для отвода жидкости; 11 -радиальные профильные лопатки: 12-кольцевая камера; 13. 14-патрубки для подачи газа: 15-вентилятор; 16-интегрирующие гребки; 17-микроманометр; 18-ротаметр; 19-термостат; 20-электроконтактный терморегулятор. 21-аспирационный психрометр

Аппарат содержит цилиндрический вертикальный корпус 1. включающий псевдоожиженную насадку 4 в виде дисперсного материала, расположенную между ограничительной 2 и опорной газопроницаемой 3 сетками. Аппарат дополнительно снабжен опорной газораспределительной

решеткой 7 с радиальными профильными лопатками, обеспечивающими изменение направления движения потока газа и его выход под углом к горизонтальной плоскости кольцевой камеры с увеличивающимся поперечным сечением по ходу газов, оросительным устройством 5. выполненным в виде конуса и установленным основанием на опорную газораспределительную решетку 7. Наружная наклонная образующая К кольцевой камеры 12 выполнена с перфорацией, экранированной с внешней стороны кожухом 9 для сбора жидкости.

Штуцер 10 для отвода жидкости сообщен с полостью кожуха 9. Подача газа осуществляется двумя вентиляторами 15 типа Ц10-28 № 3,15 тангенциально через патрубки 13 и 14 с двух противоположных сторон аппарата для наилучшего закручивания потока Вентиляторы имеют производительность 3500 м/час и полный напор - 4500 Па. Производительность вентиляторов регулируется поворотными заслонками установленными на их всасывающей стороне Под действием косых струй газа, формируемых в радиальных профильных лопатках 11 газораспределительной решетки 7. дисперсный материал насадки 4 в псевдоожиженном виде перемещается по кольцевой камере 12 в сторону наклона струй газа, ограниченной наружной перфорированной наклонной образующей 8 и образующей оросителя 5 Орошающая жидкость подается

А-А

Рис 3 Разрез А-А на рис. 2

через штуцер 6 и через отверстия в образующей оросителя 5 впрыскивается в слой насадки.

Для измерения расхода газа использовались интегрирующие трубки 16 в комплекте с микроманометром 17 типа ММН - 240. Для измерения расхода жидкости на входе в контактный аппарат установлен ротаметр 18 типа РС Для нагрева жидкости перед входом в аппарат установлен термостат 19 типа ТС - 16А. Электроконтактный терморегулятор 20 позволяет поддерживать температуру жидкости на входе в аппарат постоянной. Замер температуры газа и жидкости на входе в аппарат и на выходе из него осуществлялся при помощи хромель-копелевых термопар. В качестве вторичного прибора использовался автоматический двенадцатиточечный потенциометр типа КСП - 4. Влажность газа на входе и на выходе фиксировалась аспирационными психрометрами 21 Расход газа на входе и на выходе из установки определялся с помощью дифференциальных микроманометров, которые присоединены к полым цилиндрам с интегрирующими трубками.

В экспериментах использовалась кольцевая камера диаметром 200 х 380 мм. В качестве дисперсного материала применялись частицы кубической формы из алюмоцинкового сплава (р, = 2850 кг/м3, <1Э = 4,55;

5,00 мм), шарики из полипропилена (рт = 900 кг/м3, = 2,96 мм), полиэтилена (рт = 780 кг/м3, <1Э = 3,2 мм) и полистирола (рт= 1150 кг/м3. с1э = 2.53 мм). Перед началом экспериментов был произведен расчет максимальных систематических ошибок измерения параметров процесса, я для уменьшения влияния случайных ошибок определено необходимое количество измерений каждого параметра.

При исследовании процесса измеряли гидравлическое сопротивление, скорость ожижающего газа и расход жидкости, порозность слоя. В общей сложности было исследовано свыше 150 режимов работы аппарата.

На рис 4 приведены экспериментальные значения гидравлического сопротивления от скорости ожижающего газа.

Аппроксимация опытных данных по гидравлическому сопротивлению, коэффициенту межфазного теплообмена производилась методом наименьших квадратов на ЭВМ. Общий вид зависимостей устанавливался на основе метода размерностей

В результате аппроксимации получено критериальное уравнение для расчета гидравлического сопротивления:

>,-0.11 (тт г Л0,з

Еи= 2,ЗЛе"0'1

В

Н.

Иэу

^Рг

(15)

Формула (15) получена в следующем диапазоне изменения параметров

процесса: 1,3 -1<Г5 < — < 35-КГ5; 650 < <2375; 1,45 < < 9,77;

»r Pr <*э

500 <Re< 2050.

Хорошее совпадение экспериментальных и расчетных данных свидетельствует об адекватности построенной гидродинамической модели реальному процессу.

Среднеквадратичное отклонение опытных данных от расчетных по формуле (15) составляет 10 %.

Па 650

600

550

500

450

400

350

300

250

200

2,5 3.0 3,5 4.0 мк,

Рис. 4. Зависимость гидравлического сопротивления от скорости газа:

• - эксперимент;--расчет по (15)

При проведении серии экспериментов по исследованию процессов тепломассообмена жидкость (воду) предварительно нагревали в термостате до температуры 25 + 35 0 С. В этих опытах, помимо названных выше параметров, измеряли температуру ожижающего газа и жидкости на входе и выходе из аппарата; влажность входного и выходного потока газа. В общей сложности было исследовано свыше 170 режимов работы аппарата

АР • •

• у/

г/1 •

•Л

г>г

На рис 5 приведена зависимость критерия Нуссельта от критерия Рейнольдса.

В результате аппроксимации получено критериальное уравнение для расчета межфазного коэффициента теплообмена:

;№1 = 2,Ше

0,72

в-а.

0,11

(16)

Среднеквадратичное отклонение опытных данных от расчетных по формуле (16) составляет 15 %.

Анализ этих графиков показывает достаточно высокое совпадение экспериментальных и расчетных данных

700 600 500 400 300 200 100

№

-- • у •

• •

л

•• Яе

400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800

Рис, 5. Зависимость критерия № от критерия 11е: • - эксперимент, — расчет по (16)

В четвертой главе предлагается методика определения оптимальных параметров охладителя с трехфазным центробежным псевдоожиженным слоем. В качестве критерия технико-экономической оптимизации (целевой

функции) использованы удельные приведенные затраты. В качестве параметров оптимизации служат режимные и геометрические характеристики охладителя, такие как относительная скорость газового потока, диаметр частиц, угол входа газового потока в слой, относительная высота слоя в охладителе.

Характерная зависимость удельных приведенных затрат (Зуд) от относительной скорости газового потока приведена на рис. 6.

Рис. 6. Зависимость величины Зуд от скорости газового потока: 1 - Нм / (1, = 6,5, ро = 0,86 рад.р т = 2850 кг/м3; 2 - / (1э = 4,05, Ро = 0.86 рад, рт = 2850 кг/м3; 3 - Ны / 4 = 2.5. р0 = 0,86 рад, р, = 2850 кг/м'

Анализ полученных результатов показал, что оптимальное значение скорости газового потока находится в пределах (0,35-0,65)«,,; относительной высоты слоя (Ны / с!,) в пределах 2-6; угла входа газового потока в пределах 0,55-0,80 рад.

Основные условные обозначения

/ - координата, м; Н - высота, м; Р - сила, Н: % - ускорение свободного падения, м2/с; <3, - эквивалентный диаметр частиц, м; Т - площадь, м"; И - радиус, м; т - время, с; V - объем, м3; в - расход, мэ/с; В - плотность орошения, м3/(м2-с): V - скорость, м/с; сот - скорость твердой фазы, м/с; и,, - средняя скорость газов на входе в решетку, м/с; г)в -скорость витания твердь« частиц, м/с; р - текущий угол, рад; р0, Рн - угол входа потока в слой и выхода из него, рад; <р - текущий угол, рад; е0 - порочность псевдоожиженного слоя; с,а - коэффициент лобового сопротивления: г - теплота парообразования, кДж/(кг • К); V - кинематический коэффициент вязкости, м2/с; р - плотность, кг/м3; X - коэффициент теплопроводности, Вт/(м К); с - теплоемкость, кДж/(кг ■ ВО; I - энтальпия, кДж/кг: Т - температура ожижающего газа. К; 0 - температура жидкости, К; Р - давление. Па; АР - перепад давления, Па: а - коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2 • К), ЗуД - удельные приведенные затраты, руб./ГДж .

Критерии (числа)

„ иг с1, „ „ ^ АР _т а-<1

Яе - ——- - Реинольдса; Ей =-- - Эйлера, N11 =-- - Нуссельта;

уг Рг^г

а-{1э В1 =-- -Био.

2ХТ

Индексы: г - газ: ж - жидкость; т - твердая фаза; 1 - тангенциальный; z - аксиальный; н - начальный; с - слоя; м - монолитный, ч - частиц.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Предложена математическая модель, описывающая процессы формирования и движения твердой фазы по кольцевой газораспределительной решетке теплообменных аппаратов с центробежным трехфазным псевдоожиженным слоем. На основе предложенной модели записано уравнение для определения средней скорости газа на входе в слой. Проведен анализ температурных полей газа и жидкости.

2. Спроектирован и смонтирован экспериментальный стенд для исследования гидродинамики и тепломассообмена в центробежном трехфазном псевдоожиженном слое.

3. Проведена экспериментальная проверка разработанных математических моделей и аналитических зависимостей. Предложены критериальные уравнения для распределения гидравлического сопротивления и межфазного коэффициента теплообмена в центробежном трехфазном псевдоожиженном слое.

4. На основании теоретических и экспериментальных исследований разработана методика оптимизации основных параметров аппаратов с центробежным трехфазным псевдоожиженным слоем.

5. Проведено сравнение аппарата с центробежным трехфазным псевдоожиженным слоем и вентиляторной градирни с пластинчатой насадкой по теплогидродинамическому показателю.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

1. Фалеев, В.В. О гидродинамике и теплообмене в псевдоожиженном слое [Текст] / В.В. Фалеев, Ю.Н. Агапов, A.M. Наумов, Д.И. Медведев // Прикладные задачи механики и тепломассообмена в авиастроении : Сб. тр. Второй Всерос. науч.-техн. конф - Воронеж, 2001. -Ч. 2. - С. 46-50.

2. Агапов, Ю.Н. Обоснование использования теплообменных аппаратов с трехфазным центробежным псевдоожиженным слоем [Текст] / Ю.Н. Агапов, A.M. Наумов, Д.И Медведев // Системные проблемы качества, математического моделирования, информационных, электронных и лазерных технологий : Материалы Междунар. конф. и Российской науч школы. - Воронеж, 2001. - Ч. 6. - Т. № 2. - С. 45-47.

3. Агапов, Ю.Н. Особенности формирования и движения центробежного псевдоожиженного слоя [Текст] / Ю.Н. Агапов, A.M. Наумов, Д.И Медведев // Системные проблемы качества, математического моделирования, информационных, электронных и лазерных технологий : Материалы Междунар конф и Российской науч. школы. - М . Радио и связь, 2002. -Ч. 7. - С. 38-49.

4. Фалеев, В.В. Применение трехфазного псевдоожиженного слоя в промышленности [Текст] / В.В. Фалеев. Ю.Н. Агапов, Д.И. Медведев // Системные проблемы качества, математического моделирования, информационных, электронных и лазерных технологий : Материалы Междунар. конф. и Российской науч школы. - М.: Радио и связь. 2002 - Ч. 7. - С. 56-65.

5. Агапов. ЮН Использование теплообменников с центробежным слоем для регенерации и очистки дымовых газов [Текст] / Ю.Н. Агапов, АЕ. Осташев. Д.И Медведев, ДА. Прутских // Современные аэрокосмические и информационные технологии : Материалы науч -техн. конф. молодых ученых, аспирантов и студентов, посвященной Дню космонавтики. - Воронеж, 2003. - С 75-78.

6 Фалеев, В.В Аппарат с подвижной насадкой для процессов тепло- и массообмена [Текст] / В В. Фалеев, Ю.Н. Агапов, Д.И. Медведев // Современные аэрокосмические и информационные технологии Материалы науч -техн. конф молодых ученых, аспирантов и студентов, посвященной Дню космонавтики - Воронеж, 2003. - С 79-82.

7 Медведев, Д.И. Выбор общего вида критериального уравнения для гидравлического сопротивления трехфазного цешробежного псевдоожиженного слоя [Текст] / Д.И. Медведев // Современные аэрокосмические и информационные технологии : Материалы науч.-техн. конф. молодых ученых, аспирантов и студентов, посвященной Дню космонавтики. - Воронеж, 2003. - С. 82-84.

8. Медведев, Д.И. Моделирование процессов гидродинамики в системах с трехфазным центробежным псевдоожиженным слоем [Текст] / ДИ Медведев // Современные проблемы информатизации в технике и технологиях : Материалы VIII Между нар. открытой науч. конф.: Сб. тр. -Воронеж: Центр -Чернозем, кн из-во. 2003. Вып. 8. - С. 52-53.

9. Агапов, Ю.Н. Использование центробежного слоя в качестве насадки водоохладителя [Текст] / Ю.Н Агапов, Д.И. Медведев // Современные технологии в аэрокосмической отрасли и теплоэнергетике : Материалы науч -техн конф молодых ученых, аспирантов и студентов. -Воронеж, 2003. - С. 65-71.

10. Агапов, Ю.Н. Определение оптимальных параметров водоохладителей [Текст] / Ю.Н. Агапов, Н.В. Мозговой, Д.И. Медведев // Современные технологии в аэрокосмической отрасли и теплоэнергетике • Материалы науч.-техн. конф. молодых ученых, аспирантов и студентов. -Воронеж, 2003. - С. 71-77.

11. Агапов, Ю.Н. К расчету аппарата с подвижной насадкой для проведения процессов тепло- и массообмена в центробежном слое [Текст] / Ю.Н. Агапов. Н.В. Мозговой, Д.И. Медведев // Авиакосмические технологии АКТ-2003 • Материалы IV Российской науч.-техн. конф. -Воронеж, 2003. - Ч. 2. - С. 105-110.

12. Агапов. Ю.Н. Экспериментальное исследование теплообмена в центробежном псевдоожиженном слое [Текст] /ЮН Агапов, Д.И. Медведев // Вестник Воронеж, гос. техн. ун-та. Сер. Энергетика. - 2003. -Вып. 7.3.-С. 153-158.

13. Агапов, Ю.Н., Температурные поля охлаждающего агента и охлаждаемой жидкости в центробежном трехфазном псевдоожюкенном слое [Текст] / Ю Н. Агапов, Д.И Медведев // Физико-технические проблемы энергетики, экологии и энергоресурсосбережения • Материалы науч-техн. конф молодых ученых, аспирантов и студентов - Воронеж. 2004.-Вып. 2.-С. 110-114.

14. Агапов, Ю.Н, Моделирование процессов теплообмена в центробежном псевдоожиженном слое [Текст! / ЮН. Агапов, Д.И. Медведев // Системы управления и информационные технологии • Сб науч. тр. - Москва-Воронеж- Научная книга, 2004. - № 2 (14) - С 54-58

15 Патент RU 36262 U1 7 D 01 D 47/14 Аппарат с подвижной насадкой / Фалеев ВВ., Агапов ЮН. Медведев ДИ - (РФ); Воронеж., гос техн ун-т (РФ), № 2003102781, заявлено 03.02.2003г. - Опубл. 10.03.2004г., Бюл. № 7, 2 с Л

Подписано в печать 22.08.2005. Формат 60x84/16. Бумага для множительных аппаратов

Усл. печ. л. 1.0. Тираж 85 экз. Зак. № 3216 Воронежский государственный технический университет 394026 Воронеж, Московский просп.. 14

t-

I

f

IM 5 12 8

РНБ Русский фонд ;

2006-4 11638

ВВЕДЕНИЕ

ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

1 ХАРАКТЕРИСТИКИ ТРЕХФАЗНОГО ПСЕВДООЖИЖЕННОГО 10 СЛОЯ

1.1 Особенности трехфазного псевдоожиженного слоя

1.2 Гидродинамические закономерности трехфазных систем

1.3 Процессы тепло- и массообмена в трехфазном псевдоожиженном 35 слое

1.4 Анализ существующих схем и конструкций аппаратов с 46 трехфазным псевдоожиженным слоем

1.5 Выводы и задачи исследования

2 ФОРМИРОВАНИЕ, ГИДРОДИНАМИКА И 61 ТЕПЛОМАССООБМЕН В ЦЕНТРОБЕЖНОМ ТРЕХФАЗНОМ ПСЕВДООЖИЖЕННОМ СЛОЕ

2.1 Особенности процесса формирования и движения 61 центробежного трехфазного псевдоожиженного слоя

2.2 Температурные поля охлаждающего агента и охлаждаемой 77 жидкости

2.3 Моделирование процессов гидродинамики и тепломассообмена в 80 центробежном трехфазном псевдоожиженном слое

2.4 Выводы

3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ГИДРОДИНАМИКИ 85 И ТЕПЛОМАССООБМЕНА В ЦЕНТРОБЕЖНОМ ТРЕХФАЗНОМ ПСЕВДООЖИЖЕННОМ СЛОЕ

3.1 Методика исследования и описание экспериментального стенда

3.2 Экспериментальное исследование гидродинамики 93 центробежного трехфазного псевдоожиженного слоя

3.3 Экспериментальное исследование тепломассообмена 98 центробежного трехфазного псевдоожиженного слоя

3.4 Экспериментальное сравнение охладителя с центробежным 101 трехфазным псевдоожиженным слоем и вентиляторной градирни с пластинчатой насадкой

3.5 Выводы

4 РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ РАСЧЕТА И ОПТИМИЗАЦИЯ 115 ПАРАМЕТРОВ ОХЛАДИТЕЛЯ С ЦЕНТРОБЕЖНЫМ ТРЕХФАЗНЫМ ПСЕВДООЖИЖЕННЫМ СЛОЕМ

4.1 Методика расчета геометрических и режимных параметров 115 охладителя

4.2 Определение оптимальных параметров охладителя

4.3 Сравнение эффективности аппаратов для охлаждения жидкости

4.4 Выводы

Актуальность темы. Существенным резервом экономии в топливно-энергетическом комплексе является использование вторичных энергоресурсов (В ЭР), которые в виде теплоты технологического продукта, отходящих газов, пара или горячей воды имеются в большинстве производственных процессов. Однако рациональному использованию этой теплоты, как правило, препятствует низкая эффективность существующей в настоящее время теплообменной аппаратуры. Это связано, главным образом, с малыми коэффициентами теплоотдачи от газов к стенке, поэтому при незначительном температурном перепаде между теплоносителями приходится применять теплообменники с огромными поверхностями нагрева. Одним из наиболее перспективных методов интенсификации теплообмена между газообразными средами является использование в качестве промежуточного теплоносителя тонкого псевдоожиженного слоя твердого зернистого материала. Основными достоинствами данного метода являются: интенсивное перемешивание твердой фазы, высокие значения коэффициентов межфазного теплообмена, развитая удельная поверхность контакта фаз, подвижность псевдоожиженного слоя и возможность непрерывной циркуляции твердой фазы, небольшое гидравлическое сопротивление псевдоожиженного слоя, широкий диапазон свойств твердой фазы, газов, паров и капельных жидкостей, сравнительно простое устройство аппаратов и доступность их автоматизации. Особый интерес представляют аппараты с центробежным трехфазным псевдоожиженным слоем. При их использовании интенсифисируются процессы тепло- и массообмена, атак же расширяется диапазон использования аппаратов с таким слоем. Однако проведенный анализ показал, что в настоящее время практически отсутствуют сведения о скорости движения, гидравлическом сопротивлении и теплообмене в перемещающемся трехфазном псевдоожиженном слое, а так же о механизме его формирования, которые послужили бы научной базой для разработки методики инженерного расчета данного типа теплообменников и их использовании в промышленном масштабе.

Данная диссертационная работа выполнялась в рамках научного направления «Физико-технические проблемы энергетики и экологии», тема ГБ.01.12 per. № 01200117677.

Цель и задачи исследования. Получение аналитических зависимостей и создание методики расчета на базе теоретических и экспериментальных исследований процессов гидродинамики и тепломассообмена в центробежном трехфазном псевдоожиженном слое для проектирования и оптимизации энергетических установок с таким слоем.

Для достижения указанной цели поставлены следующие задачи: разработка и анализ математической модели, описывающей процесс формирования и движения центробежного трехфазного псевдоожиженного слоя; моделирование процессов гидродинамики и тепломассообмена в центробежном трехфазном псевдоожиженном слое; расчет температурных полей в жидкой и газообразной фазах; экспериментальное исследование процессов гидродинамики и тепломассообмена центробежного трехфазного псевдоожиженного слоя, а также практическое сравнение аппарата с центробежным трехфазным псевдоожиженным слоем и вентиляторной градирни с пластинчатой насадкой; оптимизация основных параметров исследуемого процесса и разработка методики инженерного расчета аппаратов с таким слоем.

Научная новизна. Определены особенности процесса формирования и движения центробежного трехфазного псевдоожиженного слоя. Предложено уравнение для определения средней скорости газа на входе в слой. Изучены температурные поля охлаждающего агента и охлаждающей жидкости. Проведена экспериментальная проверка разработанных математических моделей и аналитических зависимостей. Получены эмпирические критериальные уравнения для расчета гидравлического сопротивления и межфазного коэффициента теплоотдачи. На основании теоретических и экспериментальных исследований разработана методика расчета и рекомендации для оптимизации основных параметров процесса для аппаратов с таким слоем.

Практическая ценность работы. Полученные математические модели, аналитические и эмпирические зависимости представляют собой необходимую теоретическую базу для создания методики инженерного расчета и проектирования аппаратов с центробежным трехфазным псевдоожиженным слоем.

Результаты диссертационного исследования внедрены в практику ООО СК "Союз" г. Воронеж, а так же используются в учебном процессе в дисциплине "Источники и системы теплоснабжения предприятий" на кафедре "Теоретическая и промышленная теплоэнергетика" Воронежского государственного технического университета.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на: II всероссийской научно-технической конференции "Прикладные задачи механики и тепломассообмена в авиастроении" (Воронеж, ВГТУ, 2001); научно-технической конференции "Современные аэрокосмические и информационные технологии" (Воронеж, ВГТУ, 2003); VIII международной открытой научной конференции "Современные проблемы информатизации в технике и технологиях" (Воронеж, ВГТУ, 2003); Международной конференции "Системные проблемы качества и математического моделирования информационных и электронных технологий" (Москва, 2003); научно-технической конференции "Современные технологии в аэрокосмической отрасли и теплоэнергетике" (Воронеж, ВГТУ, 2003); IV Российской научно-технической конференции "Авиакосмические технологии АКТ-2003" (Воронеж, 2003); региональной научно-технической конференции "Прикладные задачи электромеханики, энергетики, электроники" (Воронеж, ВГТУ, 2004).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 печатных работ общим 11 объемом более 5 п.л. В работах, опубликованных в соавторстве, лично соискателю принадлежат: [57] - экспериментальное исследование процесса гидродинамики; [58, 60,61] - критический обзор литературы по использованию аппаратов с трехфазным центробежным псевдоожиженным слоем; [59] -разработка математической модели формирования и движения трехфазного центробежного псевдоожиженного слоя; [62, 71] - усовершенствование экспериментальной установки; [65] - проведение сравнения градирен разного типа по теплогидравлическому показателю; [66] - определение области оптимальных значений скорости газа, диаметра частиц, угла входа газа в слой; [67] - выбор методики определения межфазного коэффициента теплообмена; * [68, 70] - экспериментальное исследование процесса тепломассообмена, получение эмпирических уравнений; [69] - анализ температурных полей охлаждающего агента и охлаждаемой жидкости.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав с основными результатами и выводами, изложенными на 138 страницах машинописного текста, библиографического списка из 71 наименования, приложений, содержит 36 рисунков и 1 таблицу.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Предложена математическая модель, описывающая процессы формирования и движения твердой фазы по кольцевой газораспределительной решетке теплообменных аппаратов с центробежным трехфазным псевдо-ожиженным слоем. На основе предложенной модели записано уравнение для определения средней скорости газа на входе в слой. Проведен анализ температурных полей газа и жидкости.

2. Спроектирован и смонтирован экспериментальный стенд для исследования гидродинамики и тепломассообмена в центробежном трехфазном псевдоожиженном слое.

3. Проведена экспериментальная проверка разработанных математических моделей и аналитических зависимостей. Предложены критериальные уравнения для распределения гидравлического сопротивления и межфазного коэффициента теплообмена в центробежном трехфазном псевдоожиженном слое.

4. На основании теоретических и экспериментальных исследований разработана методика оптимизации основных параметров аппаратов с центробежным трехфазным псевдоожиженным слоем.

5. Проведено сравнение аппарата с центробежным трехфазным псевдоожиженным слоем и вентиляторной градирни с пластинчатой насадкой по теплогидродинамическому показателю.

1. Псевдоожижение Текст. / под ред. В.Г. Айнштейна, А.П. Баскакова. -М.: Химия, 1991.-397 с.

2. Дэвидсон, И.Ф. Псевдоожижение твердых частиц Текст. / И.Ф. Дэвидсон, Д. Харрисон; пер. с англ. В.Г. Айнштейн. М.: Химия, 1965. - 184 с.

3. Ostergaard К. // Advances in Chemical Engineering. London - New York.: Academic Press, 1968. - P. 71-75

4. Massimilla L., Solimando A., Squillace E. // Brit. Chem. Eng. And Process Technol. 1961. - V. 6. - P. 632-637

5. Adlington D., Thompson E. // Proc. 3rd European Symposium Chem. React. Eng. Oxford.: Pergamon Press, 1965. - P. 203-207

6. Davidson J.F., Harrison D. Fluidized Particles. Cambridge University Press, 1963.-390 p.

7. Viswanathan S., Kakar A.S., Murti P.S. // Chem. Eng. Sei., 1965. V.20. - P. 903-905

8. Вайль, Ю.К. Газосодержание в трехфазных псевдоожиженных слоях Текст. / Ю.К. Вайль, Н.Х. Манаков, В.В. Маншшпш // Химия и технология топлив и масел. 1969. - № 8. - С. 4-8

9. Lee J. // Proc. 3rd European Symposium Chem. React. Eng. Oxford.: Pergamon Press, 1965. - P. 211-216

10. Rigby G.R., Capes C.E. Expansion of a layer and hydrodynamical trace of bubbles at three-phase pseudo-liquefied layer // Chem. Eng. Sei., 1970. V.48. - P. 343-346

11. Diboun M., Schurgerl K. // Chem. Eng. Sei., 1967. V.22. - P. 147-149

12. Stewart P.S.,Davidson J.F. //Chem. Eng. Sei., 1964. V.19.-P. 319-323

13. Левш, И.П. Тарельчатые абсорберы и скрубберы с псевдоожиженным (подвижным) слоем Текст. / И.П. Левш, А.К. Убайдуллаев. Ташкент: Узбекистан, 1981. - 236 с.

14. Абсорбция и пылеулавливание в производстве минеральных удобрений Текст. / под ред. И.П. Мухленова. М.: Химия, 1987. - 208 с.

15. Douglas W. // Chem. Eng. Progr., 1964. V.60, № 7. Р. 66-71

16. Остергард, К. Псевдоожижение Текст. / К. Остергард; под ред. И.Ф. Дэвидсон, Д. Харрисон; пер. с англ. Н.И. Гельперин. М.: Химия, 1974. - 681 с.

17. Гельперин, Н.И. Структура потоков и эффективность колонных аппаратов химической промышленности Текст. / Н.И. Гельперин, B.JI. Пебалк, А.Е. Костанян. М.: Химия, 1977. - 261 с.

18. Заминян, A.A. Абсорберы с псевдоожиженной насадкой Текст. / A.A. Заминян, В.М. Рамм. М.: Химия, 1980. - 184 с.

19. Берд, Р. Явления переноса Текст. / Р. Берд, В. Стьюард, Е. Лайтфут; пер. с англ. Н.М. Жаворонков. М.: Химия, 1975. - 687 с.

20. Айнштейн, В.Г. Скорости начала псевдоожижения и витания сферических частиц Текст. / В.Г. Айнштейн // Химия и химическая технология. 1994. - Т. 39. - вып. 6. - С. 96-99

21. Шерстобитов, В.В. Гидравлические характеристики лопастной плавающей насадки Текст. / В.В. Шерстобитов, Г.Г. Михайпенко, АЛО. Винаров // Химическая промышленность. 1980. - № 7. - С. 433-435

22. Рамм, В.М. Абсорбция газов Текст. / В.М. Рамм. М.: Химия, 1976. -656 с.

23. Гельперин, Н.И. Основные процессы и аппараты в химической технологии Текст. / Н.И. Гельперин. М.: Химия, 1981. - Кн. 2. - 811 с.

24. Тодес, О.М. Аппараты с кипящим слоем Текст. / О.М. Тодес, О.Б. Цитович. Л.: Химия, 1981.-296 с.

25. Ковенский, Г.И. Управляемое псевдоожижение Текст. / Г.И. Ковенский. Минск: АНК ИТМО НАНБ, 1999. - 144 с

26. Рамм, В.М. Теплообменные аппараты Текст. / В.М. Рамм. М.: Химия, 1976.-248 с.

27. Гельперин, Н.И. Основы техники псевдоожижения Текст. / Н.И. Гельперин, В.Г. Айнштейн, В.В. Квакша. М.: Химия, 1967. - 664 с.

28. Баскаков, А.П. Процессы тепло- и массо- переноса в кипящем слое Текст. / А.П. Баскаков, Б.В. Берг, А.Ф. Рыжков. М.: Металлургия, 1978. - 320 с.

29. Кунии, Д. Промышленное псевдоожижение Текст. / Д. Кунии, О. Левеншпиль. М.: Химия, 1976. - 448 с.

30. Расчеты аппаратов кипящего слоя Текст.: справочник / под ред. И.П. Мухленов, B.C. Сажин, В.Ф. Фролов. Л.: Химия, 1986. - 352 с.

31. Новиков, А.И. Конические скрубберы с псевдоожиженной шаровой насадкой для очистки газов Текст. / А.И. Новиков, А.П. Скворцов, В.А. Кишкаров // Химическая промышленность. 1974. -№ 11. - С. 846-849

32. Махорин, К.Е. Сжигание топлива в псевдоожиженном слое Текст. / К.Е. Махорин, П.А. Хинкис. К.: Наукова думка, 1989. - 204 с.

33. Дудник, А.Н. Газификация энергетических углей в кипящем слое и потоке с циркуляцией твердой фазы Текст.: дис. канд. техн. наук / Дудник А.Н. -Киев, 1995.-218 с.

34. Лойцянский, Л.Г. Механика жидкости и газа* Текст. / Л.Г. Лойцянский. -М.: Наука, 1973.-843 с.

35. Агапов, Ю.Н. Исследование движения псевдоожиженного слоя вдоль наклонной газораспределительной решетки Текст. / Ю.Н. Агапов, A.B. Жучков, A.B. Бараков // ТОХТ. Т. 20, № 1. - С. 111-115

36. Бараков, A.B. Гидродинамика и теплообмен в направленно перемещающемся псевдоожиженном слое автореф. дис. канд. техн. наук / Бараков Александр Валентинович. М., 1983. - 14 с.

37. Неганов, А.П. Воздухоподогреватели с кипящим слоем промежуточного теплоносителя Текст.: автореф. дис. канд. техн. наук / Неганов А.П. М., 1983. -14 с.

38. Боттерил, Д.Ж. Теплообмен в псевдоожиженном слое Текст. / Д.Ж. Боттерил. -М.: Энергия, 1978. -21 с.

39. Гухман, A.A. Применение теории подобия к исследованию процессов тепло- и массообмена. Процессы переноса в движущейся среде Текст. / A.A. Гухман. М.: Высшая школа, 1967. - 303 с.

40. Баранников, Н.М. Экспериментальное исследование гидродинамики теплообменника с подвижной насадкой Текст. / Н.М. Баранников, Ю.Н. Агапов // Механизация работ на рудниках. Кемерово, 1982. - С. 77-79

41. Шенк, X. Теория инженерного эксперимента Текст. / X. Шенк. М.: Мир, 1975.-378 с.

42. Агапов, Ю.Н. Определение порозности тонкого направленно перемещающегося вдоль наклонной газораспределительной решетки псевдоожиженного слоя Текст. / Ю.Н. Агапов, A.B. Бараков, A.B. Жучков // Химическая промышленность. 1984. № 2. - С. 48-49

43. Зайдель, А.Н. Элементарные оценки ошибок измерений Текст. / А.Н. Зайдель. Л.: Наука, 1986. - 96 с.

44. Агапов, Ю.Н. Использование псевдоожиженного слоя в качестве промежуточного теплоносителя в регенеративных теплообменниках Текст. / Ю.Н. Агапов // Межвузовский, сб. трудов. № 29. - М.: Моск. Энерг. ин-т, 1984.-С. 125-131

45. Абрамов, H.H. Водоснабжение Текст. / H.H. Абрамов. М.: Стройиздат, 1982. - 440 с.

46. Теплоэнергетика и теплотехника Текст. / справочник // под ред.В.А. Григорьева, В.М. Зорина. М.: Энергия, 1980. - 528 с.

47. Диксон, С.Л. Механика жидкости и газов. Термодинамика турбомашин Текст. / C.JI. Диксон. М.: Машиностроение, 1981. - 212 с.

48. Каневец, Г.Е. Теплообменники и теплообменные системы Текст. / Г.Е. Каневец. Киев: Наукова думка, 1982. - 272 с.

49. Ключников, А.Д. Теплотехническая оптимизация топливных печей Текст. / А.Д. Ключников. М.: Энергия, 1974. - 343 с.

50. Бубенчиков, А.М. Численное исследование характеристик неоднородного псевдоожиженного слоя Текст. / А.М. Бубенчиков, А.В. Старченко // ИФЖ. 1993. - Т. 65. № 2. - С. 178-183

51. Шаталов, Б.И. О фазовой структуре и моделировании псевдоожиженного слоя Текст. / Б.И. Шаталов // Химическая промышленность. 1992. - № 5. - С. 47-50

52. Степанов, Л.В. Управление перемешиванием дисперсных частиц в псевдоожиженном слое Текст. / JI.B. Степанов // Химическая промышленность. 1991. - № 4. - С. 46-48

53. Теплицкий, Ю.С. О теплообмене между псевдоожиженным слоем и телами малых размеров Текст. / Ю.С. Теплицкий // ИФЖ. 1994. - Т. 67. № 5-6.-С. 428-432

54. Айнштейн, В.Г. Размеры твердых частиц. Обобщенные связи скоростей ожижающего агента и размеров частиц Текст. / В.Г. Айнштейн // Химия и химическая технология. 1994. - Т. 39. - вып. 6. - С. 100-103

55. Матур, К. Фонтанирующий слой Текст. : пер. с англ. / К. Матур, Н. Эпстайн. Л.: Химия, 1978. - 288 с.

56. Агапов, Ю.Н., Моделирование процессов теплообмена в центробежном псевдоожиженном слое Текст. / Ю.Н. Агапов, Д.И. Медведев // Системы управления и информационные технологии : сб. научн. трудов. Москва-Воронеж: Научная книга, 2004. -№ 2 (14). - С. 54-58.

57. Патент 1Ш 36262 Ш 7 О 01 Э 47/14. Аппарат с подвижной насадкой / Фалеев В.В., Агапов Ю.Н., Медведев Д.И. (РФ); Воронеж., гос. техн. ун-т (РФ), № 2003102781, заявлено 03.02.2003г. - Опубл. 10.03.2004г., Бюл. № 7,2 с.