Тепломассообмен в аппарате с трехфазным центробежным псевдоожиженным слоем

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 теплои 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. № 1 200 117 677.

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 слоямоделирование процессов гидродинамики и тепломассообмена в центробежном трехфазном псевдоожиженном слоерасчет температурных полей в жидкой и газообразной фазахэкспериментальное исследование процессов гидродинамики и тепломассообмена центробежного трехфазного псевдоожиженного слоя, а также практическое сравнение аппарата с центробежным трехфазным псевдоожиженным слоем и вентиляторной градирни с пластинчатой насадкойоптимизация 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.