автореферат диссертации по строительству, 05.23.03, диссертация на тему:Теплообмен и аэродинамика в регенеративном воздухоподогревателе с направленно перемещающимся псевдоожиженным слоем

На правах рукописи

АГАПОВ ДМИТРИЙ ЮРЬЕВИЧ

ТЕПЛООБМЕН И АЭРОДИНАМИКА В РЕГЕНЕРАТИВНОМ ВОЗДУХОПОДОГРЕВАТЕЛЕ С НАПРАВЛЕННО ПЕРЕМЕЩАЮЩИМСЯ ПСЕВДООЖИЖЕННЫМ СЛОЕМ

Специальность: 05.23.03 — Теплоснабжение, вентиляция, кондиционирование воздуха, газоснабжение и освещение

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005061294

13 И'гОН 2013

Воронеж-2013

005061294

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Воронежский государственный технический университет»

Научный руководитель кандидат технических наук, профессор

Стогней Владимир Григорьевич

Официальные оппоненты Кобелев Николай Сергеевич

доктор технических наук, Юго-Западный государственный университет, кафедра теплогазоснабжения и вентиляции, заведующий кафедрой

Китаев Дмитрий Николаевич

кандидат технических наук, Воронежский государственный архитектурно-строительный университет, кафедра теплогазоснабжения и нефтегазового дела, доцент

Ведущая организация Федеральное государственное

бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Воронежская государственная лесотехническая академия»

Защита диссертации состоится 19 июня 2013 г. в 13— на заседании диссертационного совета Д 212.033.02 при Воронежском государственном архитектурно-строительном университете по адресу: 394006, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84 ауд. 3220; тел./факс: (473) 271-53-21.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Воронежского государственного архитектурно-строительного университета. Автореферат размещен на официальном сайте Минобрнауки РФ и на официальном сайте Воронежского ГАСУ.

Автореферат разослан «15»мая 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета - __Колосов А.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Энергетическая стратегия России на период до 2030 года, утвержденная распоряжением Правительства Российской Федерации от 13 ноября 2009 года, предусматривает значительное снижение энергоемкости производства и повышение тепловой эффективности теплотехнических процессов за счет всемерной экономии топлива и энергии. Одним из резервов повышения экономичности теплоиспользующих установок является глубокая регенерация и утилизация теплоты отходящих от них газов. Использование отходящих газов для подогрева воздуха, подаваемого в топки, системы вентиляции и другие теплотехнологические установки, является важнейшим способом повышения их тепловой эффективности. Поэтому дальнейшее совершенствование и создание компактных, высокоинтенсивных и технологичных в изготовлении воздухоподогревателей является актуальной задачей.

Применение направленно перемещающегося псевдоожиженного слоя мелкозернистого материала в качестве промежуточного теплоносителя в регенеративных теплообменниках позволяет значительно интенсифицировать теплообмен между газообразными теплоносителями, что обусловлено такими их преимуществами, как высокие значения коэффициентов межфазного теплообмена, текучесть, большая удельная поверхность теплообмена, возможность организации протиивоточ-ной схемы движения газообразных теплоносителей для глубокого использования теплоты отходящих газов при многоступенчатом нагреве воздуха. Перемещение твердых частиц промежуточного теплоносителя обеспечивается за счет действия направленных струй газовых потоков, формирующихся в газораспределительных решетках, что обуславливает отсутствие транспортирующих устройств твердой фазы в теплообменном аппарате. Однако в настоящее время нет достаточных сведений об аэродинамике, теплообмене и механизме движения частиц в аппаратах такого типа, которые послужили бы научной базой для разработки методики их инженерного расчета.

Настоящая работа выполнялась в рамках Федеральной целевой программы «Научные и научно-педогогические кадры инновационной России», тема ФЦП 1/10 «Создание энергосберегающих систем и установок с центробежным псевдоожиженным слоем» ГК 02/740/110758, тема ГРМ 4/12 «Создание энергосберегающих тепло-технологических систем и установок с высокоразвитыми поверхностями тепломассообмена» по соглашению № 14.В.37.21.1963 и в

соответствии с научным направлением ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» «Физико-технические проблемы энергетики и экологии» по теме ГБ 2007.12 (№ Гос. регистр. 01.2.00409970).

Целью работы является моделирование аэродинамики и теплообмена в направленно перемещающемся слое дисперсного промежуточного теплоносителя, разработка конструкции и инженерной методики расчета регенеративных воздухоподогревателей с таким слоем. Для достижения этой цели поставлены следующие задачи:

1. Моделирование аэродинамики направленно перемещающихся псевдоожиженных слоев вдоль наклонных полукольцевых газораспределительных решеток.

2. Определение температурных полей в твердой и газообразных фазах.

3. Экспериментальное исследование аэродинамики и межфазного теплообмена в перемещающихся слоях промежуточного теплоносителя.

4. Сопоставление результатов экспериментов с результатами расчетов и данными других исследований.

5. Разработка методики инженерного расчета воздухоподогревателя и оптимизация его режимных и конструктивных параметров. Научная новизна:

- разработана и реализована математическая модель аэродинамики и теплообмена направленно перемещающегося псевдоожиженного слоя вдоль наклонных полукольцевых газораспределительных решеток, позволяющая определить угол выхода газового потока из слоя, скорость газа, соответствующую началу движения слоя, и среднюю скорость его перемещения вдоль решётки;

- установлено распределение температур газов, воздуха и твердой фазы в воздухоподогревателе, учитывающее противоточное движение газообразных теплоносителей;

- определены зависимости для определения сопротивления газораспределительных решеток и сопротивления слоя, его порозности и коэффициентов межфазного теплообмена, учитывающие движение частиц в сторону подъема решетки;

- разработан воздухоподогреватель, использующий указанный способ движения промежуточного теплоносителя, новизна и оригинальность которого защищена патентом РФ, определены его оптимальные режимные и конструктивные параметры;

- определены расчетные формулы коэффициентов тепловой эффективности многоступенчатых теплообменников, реализующих протии-воточную схему движения газов и воздуха на базе разработанного воздухоподогревателя.

Достоверность полученных результатов подтверждена использованием фундаментальных законов аэродинамики и теплообмена, итогами экспериментальной проверки, а также сопоставлением полученных результатов с данными других исследований.

Практическая значимость работы.

Проведенные исследования и предложенные в работе зависимости и рекомендации позволили разработать методику инженерного расчета воздухоподогревателя с перемещающемся слоем про-межу-точного теплносителя и определить его расчетные параметры. Результаты исследований использованы при разработке конструкции воздухоподогревателя для утилизации теплоты уходящих газов от сушильной установки в ОАО «Агроэлектромаш», а также внедрены в учебный процесс в ВГТУ по курсу «Котельные установки и парогенераторы».

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на XIII Всероссийской научно-практической конференции «Энергетики и металлурги настоящему и будующему России» (г. Магнитогорск,2012), на научно-технических конференциях «Физико-технические проблемы энергетики, экологии и энергоресурсосбережения» (г. Воронеж, 2009-2011).

Публикации. По результатам исследований опубликовано 12 научных работ, в том числе две в издании, рекомендованном ВАК: «Вестник Воронежского государственного технического университета». Получено два патента РФ.

В работах опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата лично соискателю принадлежит: [1,5,6]- определение коэффициентов воздухоподогревателей; [3,4,11]- разработка конструкций теплообменника и обоснование принципа его действия; [2,7,8] - проведение экспериментальных исследований и обработка их результатов; [7,9,12] - разработка конструкций газораспределительных устройств; [10] - моделирование процессов аэродинамики и теплообмена в перемещающемся псевдоожиженном слое.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка использованных источников из 130 наименований и двух приложений. Диссертация изложена на 162 страницах основного машинописного текста и содержит 46 рисунков и 4 таблицы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введение обоснована актуальность темы исследования, сформулированы цель и задачи исследования, научная новизна и практическая значимость полученных в работе результатов.

В первой главе дан обзор конструктивных схем воздухоподогревателей, использующих в качестве промежуточного теплоносителя псевдоожиженный слой. Обоснованы наиболее перспективные конструкции теплообменников, обеспечивающих глубокое охлаждение уходящих газов.

Рассмотрены теоретические и экспериментальные работы, в которых исследованы процессы и предложены зависимости для расчетов аппаратов с псевдоожиженным слоем и сформулированы основные задачи исследований.

Вторая глава посвящена теоретическому исследованию закономерностей процессов формирования и движения промежуточного дисперсного теплоносителя на полукольцевых наклонных газораспределительных решетках, характера изменения температуры газов и частиц по высоте слоя и длине циркуляционного контура.

При движении псевдоожиженого слоя по криволинейному каналу, например, полукольцевому, из-за влияния центробежных сил на частицы высота псевдоожиженного слоя изменяется по радиусу. Форма свободной поверхности псевдоожиженного слоя в этом случае описывается соотношением:

„ „ 0,5 О2 г2

с = Ъ -. (1)

8

Отсюда следует, что перепад высоты слоя по радиусу (ширине) горизонтальной кольцевой решетки составит:

АН = 0,5П2 (г""~г«") (2)

г

При достаточно большой скорости движения псевдоожиженного слоя часть газораспределительной решетки у ее центральной образующей оголяется и газ, проходящий через эту часть решетки, не оказывает влияния на движение слоя дисперсного материала. Для исклюю-чения этого явления необходимо, чтобы решетки имели угол наклона к центральной оси кольцевого канала, определяемый из соотношения:

Я

Рт = агщ

ПггГ1

(3)

С учетом особенностей, которые возникают при восходящем движении псевдоожиженного слоя по наклонной к горизонтальной плоскости кольцевой решетке, для расчета расхода промежуточного дисперсного теплоносителя необходимо определить скорость движения твердых частиц. Для этого рассмотрим процесс взаимодействия наклонного потока газов с частицами в предположении, что порозность слоя и скорость его движения постоянны, а тангенциальная составляющая скорости газового потока по высоте слоя будет уменьшаться из-за искривления струй газа в слое по направлению наименьшего сопротивления (рис. 1).

г<№

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:

= рг -о1 ■г-(1<р-(к ^^^ +рг ^-г-<1<р-<к-сЬ-ътРР, е

= (1 -е)рТ ^-г-с1<р-(1г-(к-сое /7,,,

II — ш

¿Г = (1 -е)р^г<1<р(к<к-±-т-со$РР, (4)

3(1 -Е)г-<1<р-с1г-(к-р -с, г~г : ,

=-----у---^г)ЧЧ _и,г)-

Из решения системы уравнения (4) получены уравнения изме нения тангенциальной составляющей скорости газа по высоте слоя:

р-£)Ртё 2 е

Ргио

о,=™т+(о01ёР0-\Ут)ехр Соотношение для определения угла выхода потоков газов из слоя:

(1 -е)ртгНсЕ

Рн = агс'ё

ОгРо-

рЛ

— | -СО^Рг-ЫПр,,

(5)

,(6)

скорости газа, соответствующий началу движения слоя, при условии

р„ =0, иу =0, е = е0, Нс = Н0:

1-0 5

Р,

2 сое ро

-1п

(7)

а также получена формула для определения средней скорости движения слоя в кольцевом канале:

VI ЗягсЛ-и0

(В)

Циркуляция промежуточного теплоносителя по камерам теплообменника осуществляется направленными струйными потоками газообразных сред. Каждая частичка последовательно оказывается то в одном температурном поле, то в другом (рис.2.).

<К

а

'///////У//////

Нс

I

I

т„

Рис. 2. Схема теплообмена в воздухоподогревателе

На основе совместного решения уравнений теплового баланса для элементарного объема слоя единичной ширины и для отдельной частицы в случае охлаждения газов, при условии что температурный градиент внутри частиц отсутствует (ВК0.1), а температура частиц по

6

высоте продуваемого плотного перемещающегося слоя изменяется получены:

уравнение изменения температуры газов по высоте слоя:

и-М-Е/

т = о+(Гнг-е;ехр

сгРг»оУ.

(9)

уравнение изменения температуры частиц по длине канала при высоте слоя Нс:

а(1-е)Г,Нс

0г=Т1Г-(Т„-в1Г)ехр

аС/ стР,«тУ

■ехр

«0СгРгУ

(10)

уравнение изменения температуры газов по направлению движения слоя высотой ис:

1-схр

чедЧ

РФ

-ехр

ЧАРгЧ

,(П)

Для направленно перемещающегося псевдоожиженного слоя уравнение изменения температуры частиц по длине канала при высоте слоя Нс:

в.=Тк.+(9и.-Т11.)-ехр

(1-е)™тС1РтНс

1-ехр

с.р.иоЧ )

,(12)

уравнение изменения температуры газов по направлению движения слоя при Нм = (1 - е)Нс :

Т.=Т111+(611.-Тн.)ехр

\утстртНм

1-ехр

С.Р.ЦЛ

1 - ехр 1 - ехр

-а-

, (13)

С.Р.иоЧ ),

соотношение для определения средних температур газов и воздуха на выходе из слоя:

(14)

\ут [1 - «ар (-Фв )] • [1 - ехр{-дг )](ТНГ - Т^ ) ТВК=ТНВ+ УУв[.-ехрНг-Фв)] " (15)

Третья глава посвящена экспериментальному сравнению газораспределительных решеток, формирующих направленно перемещающийся псевдоожиженный слой, его сравнению с прямолинейно движущимся слоем, экспериментальному исследованию аэродинамики и

межфазного теплообмена в слое на наклонных газораспределительных решетках, опытной проверке полученных теоретических соотношений.

Опыты проводились на эксперементальной установке, принципиальная схема которой изображена на рис. 3.

Основными элементами экспериментального образца является цилиндрическая камера 1 и кольцевой 3 камеры, высотой 400 мм, образованные двумя коаксиально расположенными цилиндрическими обечайками диаметром 200 и 380 мм. Для визуальных наблюдений и фотосъемки внешняя цилиндрическая обечайка 2 выполнена из органического стекла. В кольцевой камере предусмотрена возможность монтажа горизонтальных и наклонных к горизонтальной плоскости газораспределительных решеток 4 с профильными лопатками, предназначенных для формирования направленных потоков газа.

Решетки накрывались металлической сеткой 7, которые закреплялись между цилиндрической камерой и выходным участком, выполненным в виде конфузора 16.

Подача ожижающего газа осуществляется двумя вентиляторами 5 типа Ц10-28 № 3, которые имеют номинальную производительность 3500 м3/час и полный напор - 4500 Па. Производительность вентиляторов регулируется поворотными заслонками, установленными на их всасывающей стороне. Для измерения расхода газа используются интегрирующие трубки 9 в комплекте с микроманомет-

ром 10 типа ММН-240. Поток воздуха, поступающий в кольцевой канал подогреваеться подогревается в электрокалорифере 8. Лабораторный автотрансформатор 6 типа РНО-250-5 позволяет плавно регулировать температуру воздуха в диапазоне от 290К до 360 К.

Для измерения температуры ожижающего агента в различных точках камеры служат хромель-копелевые термоэлектрические преобразователи (термопары) 11 типа ТП-0188. В качестве вторичного прибора к ним используется универсальный восьмиканальный измеритель-регулятор 12 типа ТРМ 148, откуда через преобразователь интерфейсов 18 типа АС 4 сигнал поступает на персональный компьютер 19. Перед началом опытов осуществлялась проверка термопар по образцовому ртутному термометру с ценой деления 0,1 К в интервале температур от 290 до 340 К. Относительная погрешность при измерении температуры не превышает ± 0,5 %. Температура частиц в слое фиксировалась при помощи хромель-копелевой термопары, помещенной в специальную «ловушку» 13.

Средняя температура ожижающих агентов на выходе из каждого канала измерялась в воздухосборниках 16 и 17. Для одновременного измерения температуры ожижающего газа применялась специально изготовленная «гребенка», состоящая из четырех термопар. Направление потока газов, выходящих из газораспределительного устройства и непосредственно из слоя определяется при помощи трубчатого трехточечного Г-образного насадка типа Н-32-543-01, который с помощью координатника 15 может перемещаться в осевом и радиальном направлениях. Измерение статического давления в различных сечениях газового тракта производилось, с помощью штуцеров отбора давления. В качестве вторичного прибора к ним и к насадкам используется дифференциальный цифровой микроманометр 14 типа ДМЦ-01М в комплекте с пневмометрическими трубками конструкции НИИОГАЗ. Сигнал с микроманометра через преобразователь интерфейсов АСЗ-М поступает на персональный компьютер 19. Измерение скорости движения твердой фазы производится с помощью частиц, помеченных радиоактивным изотопом золота, датчика типа «Сигнал» и секундомера СТЦ-2. Момент появления меченых частиц в заданном сечении аппарата фиксируется датчиком.

В качестве твердой фазы использовались частицы из алюмо-цинкового сплава, силикагеля, фторопласта, кварцевого песка, полистирола, полипропилена и полиэтилена с = 2,5-^-5 мм.

В результате экспериментального сравнения перфорированных, жалюзийных и профильных решеток установлено, что последние при

одинаковых сопротивлениях слоя и решетки обеспечивают увеличение массового расхода дисперсного материала в 2,5 раза при использовании жалюзийных, и в 12 раз - перфорированных.

Экспериментальная проверка аналитических зависимостей (2,7,8,12-15), показала их приемлемость для практических расчетов.

В результате обработки данных серии опытов получена эмпирическая формула для определения порозности псевдоожи-женного слоя, перемещающегося вдоль наклонной решетки, с точностью 11%.

е=0,829

•>-0.1

(16)

Отдельные значения экспериментальных данных и рассчитанных по (16) по порозности приведены на рис. 4.

--расчет,

А- эксперимент; ёэ=4,55 мм, Рт=2850 кг/м3, /?р=0,26 рад; ■-эксперимент; с1э=4,55 мм, (>7=2850 кг/м3, #,=0,52 рад;

Рис.4. Зависимость порозности слоя от относительной скорости

газа

Для относительного расхода ожижающего газа и дисперсного материала на наклонной газораспределительной решетке получено эмпирическое соотношение с точностью 14% :

ю

0 = 0,127Яе°

Вх. Рг)

л-0-3

■Р1

(17)

Аппроксимация опытных данных по суммарному перепаду давления в слое и решетке, коэффициенту межфазного теплообмена производилась методом наименьших квадратов. Общий вид зависимостей устанавливается на основе анализа размерностей. В результате получены следующие соотношения:

£и = 0,17-Яе"1

Рг

р;

\Рг.

0,8 /7-0,69

(18)

Ии = 0,27 И.е Рг . (19)

Экспериментальные данные отличаются от расчетных не более, чем на 17% по (18) и на 12% по (19). Некоторые их значения приведены на рис.5 и 6.

Па.

550

500 450 400 350 300 250 200 150 100 50

ДРр.с /

/ ■ /

• А ° /

•

• о/ °

Ь у'

г |

и

— - расчет,

о, м -эксперимент, ¿/э =4,55 мм, рт = 2850 кг/м3, • —рР=0,09 рад, о - рР =0,26 рад, ■ ~рР =0,52рад.

10

11 м/с

Рис. 5. Зависимость АРр^ от скорости г>0при различных рР

N11 240 200 160 120 80 40

ИГ

у II

1 о

^/о

I - — - расчет, о - эксперимент, ёэ=2,47 мм, Рт=1560 кг/м3, (Зр =0,43 рад, И - — - расчет, А- эксперимент, с!э =4,55 мм, рт =2850 кг/м3, рР=0,43 рад,

400 800 1200 1600 2000 2400 Яе

Рис.6. Результаты эксперимента и расчета межфазного теплообмена в слое.

Область применения соотношений (16)-(19) ограничена следующими параметрами: 500<Яе<3000; 0,65<р0<1,22 рад; 1,05<рт<1,57 рад; 1300<рт/рг <2350; 0,09< рР<0,052 рад.

В четвертой главе разработана методика инженерного расчета воздухоподогревателя с промежуточным дисперсным теплоносителем для использования теплоты отходящих газов, позволяющия определить его геометрические размеры и режимные параметры, в основу которой положены результаты проведенных теоретических и экспериментальных исследований. Даны рекомендации для определения области оптимальных режимных и конструктивных параметров работы воздухоподогревателя с направленно перемещающимся слоем:

1,3<1)о/г)он<1,8; 0,5<сЬ<2 мм; 0,4<р0<0,8 рад.

Получено соотношение для определения коэффициента тепловой эффективности воздухоподогревателя:

ст°т

1 —ехр

Чт=-

--г—41-ехр—¿р)

ст Ог с;Ог

1-ехр

С'С'-(1-ехр^.)

ст°т

с„С„

1-ехр

сгСг .. аР-гг —1—-(1-ехр-—

ст°г

' г ]

■ехр

сиС„ ,, о/ч*. стиг свСгв J

".(20)

Из (20) следует, что тепловая эффективность регенеративного воздухоподогревателя с псевдоожиженным слоем определяется не

только отношением расходов теплоносителей, но и насыпной высотой слоя, размерами частиц и интенсивностью межфазного теплообмена. Анализ зависимости величины т|т от отношения массовых расходов теплоносителей и значений чисел единиц теплопереноса, показал, что существенно можно увеличить коэффициент тепловой эффективности при организации противоточного движения теплоносителей в теплообменнике. Получены соотношения для определения величины г)т для двух- и трехступенчатых воздухоподогревателей. Предложены две схемы организации ступенчатого противотока и проведено сравнение их по коэффициенту тепловой эффективности.

На основе проведенных исследований разработана конструкция воздухоподогревателя, новизна и оригинальность которого защищена патентом РФ.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. В результате исследования процессов формирования и движения перемещающегося псевдоожиженного слоя вдоль наклонных газораспределительных решеток аналитически установлены соотношения для определения угла выхода газового потока из слоя, скорости газа, соответствующей началу движения слоя и средней скорости его перемещения вдоль решетки.

2. Установлено распределение температур газов, воздуха и твердой фазы в воздухоподогревателе, и предложены соотношения для определения средних температур газов и воздуха на выходе из него.

3. Предложены эмпирические соотношения для определения порозности, суммарного перепада давления слоя и газораспределительного устройства, а также коэффициента межфазного теплообмена в направленно перемещающемся псевдоожиженном слое. Сопоставление опытных данных с расчетами по этим зависимостям показало их приемлемость для инженерных расчетов и достоверность принятой модели формирования и движения слоя.

4. Разработана методика инженерного расчета воздухоподогревателя с псевдоожиженным слоем, позволяющяя определить его режимные и конструктивные параметры. Предложены рекомендации для определения оптимальных параметров аппарата.

5. Разработана конструкция воздухоподогревателя для использования теплоты низкопотенциальных отходящих газов и вентиляционных выбросов, защищенная патентом РФ.

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

с - теплоемкость, Дж/(кгК); Гч -поверхность частицы, м /кг; ^с - площадь поперечного сечения, м2; С - расход, кг/с; ё - ускорение свободного падения, м/с2; Нс - высота слоя над решеткой, м; г - радиус, м; АР - перепад давления, Па; Т - температура, К; и, - скорость газообразной и твердой фаз, м/с; и0, овит - средняя скорость газов на входе в решетку и скорость витания частиц, м/с; ъ0н - скорость ожижающего газа, соответствующая началу движения слоя, м/с; а - коэффициент межфазного теплообмена, Вт/(м2 К); р0 - угол входа газового потока в слой, рад; Рт - угол наклона решетки к центру аппарата, рад; рР - угол наклона газораспределительной решетки к горизонтальной плоскости, рад; £о, е - порозности насыпного и псевдоожиженных слоев; <1э -эквивалентный диаметр частиц, м; X - коэффициент теплопроводности, Вт/(м К); V - кинематический коэффициент вязкости, м2/с; 0т -температура твердых частиц, К; р - плотность, кг/м3; £1 - скорость вращения слоя, 1/с; р - плотность, кг/м3; т|т - коэффициент тепловой эффективности; V - объем, м3; ср - текущий угол, рад; С - длина, м; Рт— поверхность теплообмена твердой фазы в камере, м2;

Критерии (числа):

Еи=

АР.

Рг«о

Ф =——

рс г* • ¿г, ,. а ■ (1о Л —; 11е=-2—Э-; N11= . ; Ф„

; Я. =—рг_ехР т т

аЕ

\У„

«Рт

;чг=—Г-ехР

ст°т

«Рт

Хг '

_ __

Ч сгаг]

Индексы: в - воздух; г - газ; вн - внутренний; к - конечный; м -монолитный; н - начальный; нр - наружный; с - слой; рс - решетка и слой; т - твердый; ч - частица; I - тангенциальный; г - радиальный; г - аксиальный; о - насыпная.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Надеев A.A. Определение коэффициентов тепловой эффективности аппаратов с центробежным слоем / A.A. Надеев, Д.Ю. Агапов, К.Н. Родионов и др. // Вестник Воронеж, гос. техн. ун-та. 2011. Т. 7. №10. С. 132-135.

2. Д.Ю. Агапов. Сравнение газораспределительных устройств для формирования центробежного псевдоожиженного слоя /Д.Ю. Агапов, А.А.Надеев, К.Н.Родионов и др. //Вестник Воронеж, гос. техн. ун-та. 2012. Т. 8. № 7.1. С.118-121.

Публикации в других изданиях

3. Агапов Д.Ю. Теплообменники с центробежным слоем для регенерации теплоты и очистки дымовых газов / Д.Ю. Агапов, Д.А. Прутских, A.B. Бараков, К.Н. Родионов // Физико-технические проблемы энергетики, экологии и энергоресурсосбережения: тр. научно-технической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов. Вып. 11. ВГТУ, 2009. С. 7-9.

4. Хаустов М.А. Теплообменные аппараты для использования теплоты отходящих газов котлоагрегатов/М.А. Хаустов, М.Ю. Долгов, Д.Ю. Агапов, В.Г. Стогней // Физико-технические проблемы энергетики, экологии и энергоресурсосбережения: тр. научно-технической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов. Вып. И. ВГТУ, 2009. С. 127-130.

5. Надеев A.A. Определение коэффициентов тепловой эффективности теплообменников с организацией противотока по промежуточному теплоносителя / A.A. Надеев, Д.Ю. Агапов, К.Н. Родионов // Физико-технические проблемы энергетики, экологии и энергоресурсосбережения: тр. научно-технической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов. Вып. 12. ВГТУ, 2010. С. 12-17.

6. . Надеев A.A. Определение коэффициентов тепловой эффективности теплообменников с организацией противотока по газообразным теплоносителям / A.A. Надеев, Д.Ю. Агапов, К.Н. Родионов // Физико-технические проблемы энергетики, экологии и энергоресурсосбережения: тр. научно-технической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов. Вып. 12. ВГТУ, 2010. С.30-35.

7. Агапов Д.Ю. Экспериментальное исследование газораспределительных решеток / Д.Ю. Агапов, A.A. Надеев, В.Г. Стогней и др. / Физико-технические проблемы энергетики, экологии и энергоресурсосбережения: тр. научно-технической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов. Вып. 13. ВГТУ, 2011. С.76-79.

8. Надеев A.A. Расчетно-эксперементальное исследование сушильной установки с псевдоожиженным слоем / A.A. Надеев, Д.Ю. Агапов, И.Ю. Клейников // Физико-технические проблемы энергетики, экологии и энергоресурсосбережения: тр. научно-технической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов. Вып. 13. ВГТУ, 2011. С.36-42.

9. Зверев Д.Ю. Разработка конструкции и методики иженерного расчета водоиспарительных воздухоохлодителей с псевдоожиженным слоем / Д.Ю.Зверев, А.М.Наумов, Д.Ю.Агапов, К.Н. Родионов // Физико-технические проблемы энергетики, экологии и энергоресурсосбережения: тр. научно-технической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов. Вып.13. ВГТУ, 2011. С.123-127.

10. Надеев A.A. Повышение интенсивности теплообмена при движении частиц в кольцевом канале / A.A. Надеев, Д.Ю. Агапов, В.Г. Стогней // Материалы XIII Всероссийской научно-практической конференции «Энергетики и металлурги настоящему и будующему России», Магнитогорск, 2012. С. 17-19.

11. Патент РФ RU 119080 U 1 МПК F26B 17/10. Устройство сушки сыпучих материалов; А.А.Надеев, Д.Ю.Агапов, H.H. Кожухов и др.; опубликовано 10.08.2012. Бюл. №22. Зс.

12. Патент РФ №2467274 МПК F 28 D 19/02. Регенеративный теплообменник / Д.Ю. Агапов, М.А. Хаустов, В.Г. Стогней и др. //опубликовано 20.11.2012. Бюл. №32 5с.

АГАПОВ ДМИТРИЙ ЮРЬЕВИЧ

ТЕПЛООБМЕН И АЭРОДИНАМИКА В РЕГЕНЕРАТИВНОМ ВОЗДУХОПОДОГРЕВАТЕЛЕ С НАПРАВЛЕННО ПЕРЕМЕЩАЮЩИМСЯ ПСЕВДООЖИЖЕННЫМ СЛОЕМ

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 14.05.2013. Формат 60x84/16. Бумага для множительных аппаратов. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ №

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

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧЕРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЕ ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

0420135^022

АГАПОВ ДМИТРИЙ ЮРЬЕВИЧ

ТЕПЛООБМЕН И АЭРОДИНАМИКА В РЕГЕНЕРАТИВНОМ ВОЗДУХОПОДОГРЕВАТЕЛЕ С НАПРАВЛЕННО ПЕРЕМЕЩАЮЩИМСЯ

ПСЕВДООЖИЖЕННЫМ СЛОЕМ

Специальность: 05.23.03 - Теплоснабжение, вентиляция, кондиционирование

воздуха, газоснабжение и освещение

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание научной степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

кандидат технических наук, профессор

Стогней Владимир Григорьевич

Воронеж - 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 4

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ 8

1 АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР КОНСТРУКЦИЙ И ОСОБЕННОСТЕЙ ВОЗДУХОПОДОГРЕВАТЕЛЕЙ С ПСЕВДООЖИЖЕННЫМ СЛОЕМ ПРОМЕЖУТОЧНОГО ДИСПЕРСНОГО ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ 10 1.1 .Конструкции воздухоподогревателей с псевдоожиженным слоем 10 1.2.Основные закономерности псевдоожиженного слоя и их влияние на

конструкцию теплообменных аппаратов 33

1.2.1. Аэродинамические особенности процессов псевдоожижения и перемещения слоя и его основные характеристики 33

1.2.2. Межфазный теплообмен между газами и твердыми частицами 47 1.3.Выводы 55

2 МОДЕЛИРОВАНИЕ АЭРОДИНАМИКИ И ТЕПЛООБМЕНА В НАПРАВЛЕННО ПЕРЕМЕЩАЮЩЕМСЯ СЛОЕ 57 2.1.Особенности формирования и движения слоя 57 2.2.Определение температур газов и частиц по контуру их циркуляции 67 2.3. Выводы 72

3 ЭКСПЕРЕМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ АЭРОДИНАМИКИ

И ТЕПЛООБМЕНА В ВОЗДУХОПОДОГРЕВАТЕЛЕ 73

3.1.Описание экспериментальной установки и методика проведения

исследования 73

3.2.Общий вид критериальных уровнений и планирование

экспериментов 80

3.3.Экспериментальное исследование газораспределительных

устройств и их сравнение 86

3.4.Экспериментальные исследования аэродинамики псевдоожиженного

слоя 91

3.5.Экспериментальные исследования межфазного теплообмена 100

3.6.Сопоставление результатов экспериментальных исследований с результатами расчетов и данными других исследований 107

3.7. Выводы 115 4 РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ИНЖЕНЕРНОГО РАСЧЕТА

ВОЗДУХОПОДОГРЕВАТЕЛЕЙ С ПСЕВДООЖИЖЕННЫМ СЛОЕМ

И ИХ ТЕПЛОВАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ 116

4.1. Оптимизация режимных и конструктивных параметров аппарата 116

4.2.Особенности и порядок расчета воздухоподогревателя 119 4.3.Определение коэффициентов тепловой эффективности

многоступенчатых теплообменников 124

4.4.Выводы 132

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ 132

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 134

ПРИЛОЖЕНИЯ А. Патенты 147

ПРИЛОЖЕНИЯ Б. Акты внедрения 158

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Энергетическая стратегия России на период до 2030 года, утвержденная распоряжением Правительства Российской Федерации от 13 ноября 2009 года, предусматривает значительное снижение энергоемкости производства и повышение тепловой эффективности теплотехнических процессов за счет всемерной экономии топлива и энергии. Одним из резервов повышения экономичности теплоиспользующих установок является глубокая регенерация и утилизация теплоты отходящих от них газов. Использование отходящих газов для подогрева воздуха, подаваемого в топки, системы вентиляции и другие теплотехнологические установки, является важнейшим способом повышения их тепловой эффективности. Поэтому дальнейшее совершенствование и создание компактных, высокоинтенсивных и технологичных в изготовлении воздухоподогревателей является актуальной задачей.

Применение направленно перемещающегося псевдоожиженного слоя мелкозернистого материала в качестве промежуточного теплоносителя в регенеративных теплообменниках позволяет значительно интенсифицировать теплообмен между газообразными теплоносителями, что обусловлено такими их преимуществами, как высокие значения коэффициентов межфазного теплообмена, текучесть, большая удельная поверхность теплообмена, возможность организации противоточной схемы движения газообразных теплоносителей для глубокого использования теплоты отходящих газов при многоступенчатом нагреве воздуха. Перемещение твердых частиц промежуточного теплоносителя обеспечивается за счет действия направленных струй газовых потоков, формирующихся в газораспределительных решетках, что обуславливает отсутствие транспортирующих устройств твердой фазы в теплообменном аппарате. Однако в настоящее время нет достаточных сведений об аэродинамике, теплообмене и механизме движения частиц в аппаратах такого типа, которые послужили бы научной базой для разработки методики их инженерного расчета.

Настоящая работа выполнялась в рамках Федеральной целевой программы «Научные и научно-педогогические кадры инновационной России», тема ФЦП 1/10 «Создание энергосберегающих систем и установок с центробежным псевдоожиженным слоем» ГК 02/740/110758, тема ГРМ 4/12 «Создание энергосберегающих тепло-технологических систем и установок с высокоразвитыми поверхностями тепломассообмена» по соглашению № 14.В.37.21.1963 и в соответствии с научным направлением ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» «Физико-технические проблемы энергетики и экологии» по теме ГБ 2007.12 (№ Гос. регистр. 01.2.00409970).

Целью работы является моделирование аэродинамики и теплообмена в направленно перемещающемся слое дисперсного промежуточного теплоносителя, разработка конструкции и инженерной методики расчета регенеративных воздухоподогревателей с таким слоем. Для достижения этой цели поставлены следующие задачи:

1. Моделирование аэродинамики направленно перемещающихся псевдоожиженных слоев вдоль наклонных полукольцевых газораспределительных решеток.

2. Определение температурных полей в твердой и газообразных фазах.

3. Экспериментальное исследование аэродинамики и межфазного теплообмена в перемещающихся слоях промежуточного теплоносителя.

4. Сопоставление результатов экспериментов с результатами расчетов и данными других исследований.

5. Разработка методики инженерного расчета воздухоподогревате-ля и оптимизация его режимных и конструктивных параметров.

Научная новизна:

разработана и реализована математическая модель аэродинамики и теплообмена направленно перемещающегося псевдоожиженного слоя вдоль наклонных полукольцевых газораспределительных решеток, позволяющая определить угол выхода газового потока из слоя, скорость газа, соответст-

вующую началу движения слоя, и среднюю скорость его перемещения вдоль решётки;

- установлено распределение температур газов, воздуха и твердой фазы в воздухоподогревателе, учитывающее противоточное движение газообразных теплоносителей;

- определены зависимости для определения сопротивления газораспределительных решеток и сопротивления слоя, его порозности и коэффициентов межфазного теплообмена, учитывающие движение частиц в сторону подъема решетки;

- разработан воздухоподогреватель, использующий указанный способ движения промежуточного теплоносителя, новизна и оригинальность которого защищена патентом РФ, определены его оптимальные режимные и конструктивные параметры;

- определены расчетные формулы коэффициентов тепловой эффективности многоступенчатых теплообменников, реализующих протиивоточную схему движения газов и воздуха на базе разработанного воздухоподогревателя.

Достоверность полученных результатов подтверждена использованием фундаментальных законов аэродинамики и теплообмена, итогами экспериментальной проверки, а также сопоставлением полученных результатов с данными других исследований.

Практическая значимость работы.

Проведенные исследования и предложенные в работе зависимости и рекомендации позволили разработать методику инженерного расчета воздухоподогревателя с перемещающемся слоем промежуточного теплноси-теля и определить его расчетные параметры. Результаты исследований использованы при разработке конструкции воздухоподогревателя для утилизации теплоты уходящих газов от сушильной установки в ОАО «Агроэлектромаш», а также внедрены в учебный процесс в ВГТУ по курсу «Котельные установки и парогенераторы».

6

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на XIII Всероссийской научно-практической конференции «Энергетики и металлурги настоящему и будующему России» (г. Магнитогорск,2012), на научно-технических конференциях «Физико-технические проблемы энергетики, экологии и энергоресурсосбережения» (г. Воронеж, 2009-2011).

Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 12 публикациях, в том числе две в издании рекомендованном ВАК РФ: «Вестник Воронежского государственного технического университета». Получено два патента РФ.

В работах опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата лично соискателю принадлежит: [1,5,6]- определение коэффициентов воздухоподогревателей; [3,4,11]- разработка конструкций теплообменника и обоснование принципа его действия; [2,7,8] - проведение экспериментальных исследований и обработка их результатов; [7,9,12] -разработка конструкций газораспределительных устройств; [10] -моделирование процессов аэродинамики и теплообмена в перемещающемся псевдоожиженном слое.

Структура и объем работ. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка использованных источников из 130 наименований и двух приложений. Диссертация изложена на 162 страницах основного машинописного текста и содержит 46 рисунков и 4 таблиц.

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

2

а - коэффициент температуропроводности, м /с; Ь - ширина, м;

с1э- эквивалентный диаметр частиц, м; Б - диаметр, м;

Са - коэффициент лобового сопротивления; с - теплоемкость, Дж/(кг К); Рх, - поверхность теплообмена, площадь, м ; Гуд - удельная поверхность частиц, м2/кг; Б - сила, Н;

Рпс - площадь поперечного сечения, м2; в - расход, кг/с;

g — ускорение свободного падения, м/с ;

Н, ъ - высота и уровень сечения слоя над решеткой, м;

Ь, € - длина, м;

М - масса, кг;

Я, г - радиус, м;

АР - перепад давления, Па;

Т - температура, °С,К; С2 - теплопроизводительность, Вт;

•э

V - объем, м ;

о

Уг, Ув - объемный расход газов и воздуха, м /с;

и, wт— скорость газообразной, твердой и жидкой фаз, м/с;

г)0,ивит-средняя скорость газов на входе в решетку и скорость уноса частиц, м/с;

- водяной эквивалент, Вт/К; а - коэффициент межфазного теплообмена, Вт/(м К); Ро, Р„ - угол входа газового потока в слой и выхода из него, рад; рт, Рр - угол наклона решетки к центру и к горизонтальной плоскости, рад; Ф - текущий угол, рад;

80, е - порозности насыпного и псевдоожиженных слоев; X - коэффициент теплопроводности, Вт/(м К); V - кинематический коэффициент вязкости, м /с; т - время, с;

Е- теплогидравлический показатель;

и'кр, ^"кр" скорость начала псевдоожижения и уноса частиц, м/с; 0Т,- температура твердых частиц, К; О, — скорость вращения слоя, 1/с; р - плотность, кг/м3;

г|т - коэффициент тепловой эффективности; х - степень расширения слоя.

Критерии (числа):

д^ (Рт ~ Рг)ё^Э . Ец=Щ. ^

Р^о Ргио ^г В А

ав(1-8)-5чНс р _аг(1-е)^чНс

СвРв^о^ ' Г сгрги0Уч

аБч

ВР

а1Ёэ. Рт=1; Р -"вО-е)'^1

4' а' сврво0уч

" 2ХТ-

Ш аР ш гаР

Фг=— 1-ехр(-——^ ; Ф =—1-ехр(-— г \\гт_ ^ \¥г _ в Wт_ ^ 1\УВ _ '

аРч

■ехр

аРч

сг°г_

аРч

—ехр — с О с О

\-е

Индексы

в - воздух; г - газ; вн - внутренний; к - конечный; м - монолитный; н -начальный; нр - наружный; с - слой; ср - средний; т - твердый; ч - частица; I - тангенциальный; г - радиальный; ъ - аксиальный; о - насыпная.

1 АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР КОНСТРУКЦИЙ И ОСОБЕННОСТЕЙ ВОЗДУХОПОДОГРЕВАТЕЛЕЙ С ПСЕВДООЖИЖЕННЫМ СЛОЕМ ПРОМЕЖУТОЧНОГО ДИСПЕРСНОГО ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ

1.1. Конструкции воздухоподогревателей с псевдоожиженным слоем

На добычу и транспорт топлива и создание необходимых для этого производственных мощностей в настоящее время расходуется значительные средства. Поэтому экономичное использование топлива и других энергоресурсов имеет большое значение и позволяет значительно повысить эффективность их использования.

Промышленность является основным потребителем топлива и для производственных тепловых процессов затрачивается почти 50% добываемого топлива, при этом теплотехнологические процессы занимают значительное место в суммарном потреблении топлива и повышение их тепловой эффективности позволит получить значительную экономию топлива 121. Затраты на мероприятия по экономию топлива в 2-3 раза ниже расходов на его добычу и транспортировку к местам потребления.

Повышение теплового КПД топливоиспользующего оборудования осуществляется в основном совершенствованием процесса сжигания топлива и теплопередачи в рабочем пространстве и снижением потерь в окружающую среду. Основным направлением по снижению потерь тепла в окружающую среду является устройство тепловой и уплотнительной изоляции, снижающей передачу тепла наружу, устранение присосов воздуха и выбивания газов, и глубокое охлаждение отходящих газов. Более полное использование тепла газов, отходящих от парогенераторов, газотурбинных установок и других высокотемпературных промышленных агрегатов, является одной из важнейших задач теплоэнергетики, так как потери тепла с отходящими газами в тепловом балансе топливопотребляющего агрегата самые значительные, а снижение температуры отходящих газов на 16-20 °С позволяет повысить

10

КПД агрегата примерно на 1 % и позволит экономить только в промышленности более 10 млн. тонн условного топлива в год /3/.

Использование тепла отходящих газов непосредственно в топливопот-ребляющем агрегате наиболее целесообразно, так как в этом случае экономичность работы агрегата не зависит от посторонних потребителей тепла.

Наиболее выгодным вариантом при этом является подогрев дутьевого воздуха и низкокалорийного газа, а также сырых углей, поступающих в топку котла или зону горения топливоиспользующего агрегата, потому что при подогреве воздуха и низкокалорийного топлива удается лучше организовать процесс горения, повысить температуру в топке или рабочем пространстве агрегата и наиболее полно использовать теплоту уходящих газов. При этом без дополнительных затрат увеличивается его производительность.

Подогрев питательной воды котла не решает задачи глубокого охлаждения отходящих газов котельного агрегата, так как по условию деаэрации воды температура ее на входе в экономайзер составляет не менее 104°С, а это соответствует экономичной температуре уходящих газов 145-160°С /47/.

Применение теплофикационных экономайзеров и различных теплообменников, например, контактных для нагрева воды, также не приводит к желаемым результатам, ибо эти нагрузки не постоянны по времени. При подогреве воздуха создается больший температурный перепад, так как температура воздуха на входе в теплообменник ограничивается только температурой точки росы, следовательно, можно охладить отходящие газы до более низкой температуры.

Таким образом, необходимость подогрева воздуха, подаваемого в топки котлов агрегатов и печей, обусловливается повышением производительности установок и их экономичности, так как при нагреве воздуха повышается температура в топке, интенсифицируется теплообмен, снижаются потери с уходящими газами.

Сравнивая варианты регенеративного и энергетического использования тепла уходящих газов, авторы /5, 6/ оценивают экономию топлива от регене-

11

ративного подогрева воздуха в 2 - 2,5 раза выше, чем дает энергетическое использование, и рекомендует во всех возможных случаях в первую очередь предельно развивать нагрев отходящими газами дутьевого воздуха и низкокалорийного газа, возвращая тепло в топку котлоагрегата или рабочее пространство печи. Как показано в работах /5, 6/, подогрев дутьевого воздуха в печах различного назначения является не только эффективным средством повышения тепловой эффективности, но и ведет к технологическим преимуществам (улучшение качества продукции, увеличение производительности).

В настоящее время задача подогрева воздуха еще не решена, предпринимаются попытки найти конструкции воздухоподогревателей, надежно работающих, дешевых в изготовлении, стойких к коррозии и абразивному износу и легко очищающихся от отложений. Весьма перспективным для интенсификации процессов теплообмена является использование направлено перемещающегося псевдоожиженного слоя твёрдых частиц мелкозернистых материалов в качестве промежуточного теплоносителя, что позволяет качественно изменить процесс теплопередачи в теплообменниках, так как в этом случае мелкозернистый теплоноситель имеет целый ряд достоинств:

a) высокие коэффициенты межфазного теплообмена частиц с газами;

b) значительная объёмная теплоёмкость потока дисперсного материала;

c) устойчивость к коррозии и способности частиц самоочищаться;

ё) отсутствие движущихся механизмов и компактность;

е) большая поверхность теплообмена в малом объеме, что также обусловливается диаметром частиц насадки, например, 1 м3 частиц ¿ = 4 мм имее