Учебное пособие 919

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

Защита диссертации состоится 19 июня 2013г. в 1300 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.

2

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 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 теплотехнологических систем и установок с высокоразвитыми поверхностями тепломассообмена» по соглашению № 14.В.37.21.1963 и в

3

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

итеплообмена 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;

4

- 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 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 научнопрактической 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.

5

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:

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

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 исклюючения этого явления необходимо, чтобы решетки имели угол наклона к центральной оси кольцевого канала, определяемый из соотношения:

6

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).

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:

7

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

Соотношение для определения угла выхода потоков газов из слоя:

скорости газа, соответствующий началу движения слоя, при условии

Н 0, wТ 0, 0 ,НС Н0 :

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

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.).

Ткг Тнв

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 (Bi<0.1), а температура частиц по

8

высоте продуваемого плотного перемещающегося слоя изменяется, получены:

уравнение изменения температуры газов по высоте слоя:

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

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

уравнение изменения температуры газов по направлению движения слоя при Hм 1 Hc :

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

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

9

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

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

Рис.3. Принципиальная схема экспериментальной установки

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-

10