Оценка параметров теплообмена в аппарате с псевдоожижаемой насадкой для эффективного использования теплового потенциала газов систем аспирации стройиндустрии

Аннотация

Статья посвящена вопросу совершенствования теплообменных аппаратов для использования вторичного теплового потенциала газовоздушных потоков аспирационных систем в стройиндустрии. Модернизация технологий и устройств, обеспечивающих более эффективное использование тепловых, энергетических ресурсов и является важной задачей, решение которой отвечает требованию инновационного преобразования промышленности и стройиндустрии. Использование тепла отходящих газов от оборудования термической обработки сырья и продукции позволяет экономить количество сжигаемого топлива в целом в теплоэнергетическом цикле предприятий. В статье представлены результаты исследования по оценке параметров теплообмена в аппарате предложенной конструкции с насадкой в виде псевдоожиженного слоя гранулированного материала. Получены и представлены данные для расчета теплообмена в теплообменнике — утилизаторе с псевдоожижаемой насадкой в виде гранул-зерен ряда материалов по регрессионным соотношениям.

Ключевые слова: гранула, теплообменник, псевдоожижение, слой, стройматериал, скорость, загрязнение, атмосфера, система, аспирация утилизация, тепло, сбережение.

теплообменный аппарат ресурс газовоздушный Повышение эффективного использования тепловых и энергетических ресурсов, включая вторичные, весьма актуально в настоящее время и способствуют инновационному развитию экономики страны. Модернизация промышленности, строительного комплекса, и дальнейшее совершенствование теплосберегающих технологий и устройств, в т. ч. теплообменных аппаратов, позволяющих эффективно использовать потенциал вторичных источников тепла и ресурсов, является задачей государственной важности (Федеральный закон от 23 ноября 2009 г. N 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации» (с изменениями и дополнениями)).

Одним из практически востребованных направлений с использованием возобновляемых и не возобновляемых теплоэнергетических ресурсов является их применение для систем горячего водоснабжения [1]. По результатам работы [1] модернизированная система теплоснабжения весьма эффективно использовала энергию централизованной теплосети с реализацией смешанной схемы систем воздушного отопления и горячего водоснабжения здания без дополнительной линии рециркуляции.

В [2] рассматривается математическая модель процессов теплообмена в солнечном воздушном коллекторе, — теплообменных устройствах установки нагрева воды. Авторами [2] исследована возможность использования тепла солнечной водонагревательной установки для отопления теплиц. Результаты исследований [2, 3] показывают актуальность практического использования низкопотенциальной тепловой энергии для целей отопления и горячего водоснабжения.

При этом одним из наиболее перспективных направлений может считаться интенсификация теплообмена в псевдоожиженных слоях. Результаты изучения теплообмена между ограждающими стенками котла с циркулирующим псевдоожиженным слоем гранулированного материала в печи представлены в работе [4]. Авторами было установлено, что порозность псевдоожиженного слоя наиболее существенно влияет на интенсивность процесса теплообмена.

В [5] изучался процесс в теплообменнике с псевдоожиженным слоем при вымораживании соли из раствора. Проведенная оценка параметров работы исследованного теплообменника показало целесообразность и рентабельность его использования в диапазоне исследуемых параметров при стабильных условиях работы в сравнении с обычным поверхностным теплообменным устройством. В [6] также отмечено, что частицы псевдоожиженного слоя способны удалять отложения со стенок и предотвратить загрязнение теплообменников. Предложенная конструкция позволяет упростить масштабирование данных устройств.

Расположение поверхностей теплообмена в псевдоожиженном слое твердого гранул, зерен материала в значительной степени позволяют использовать остаточную энергию тепла отходящих газов систем аспирации теплогенерирующего оборудования, составляющего около 25% от суммарного количества тепла [7−9], что придает актуальность таким исследованиям.

Проведенный обзор некоторой незначительной части источников технической литературы показал на актуальность дальнейших как фундаментальных, так и прикладных технических исследований и моделирования в области процессов и аппаратов теплообмена в псевдоожижененных слоях. Появление новых конструкций таких устройств [10] требует их дальнейшего изучения и развития модельных представлений, описывающих происходящие в них процессы.

Наиболее эффективным техническим мероприятием по сокращению снижению потерь теплоты, выбрасываемой газовоздушными потоками систем аспирации, представляется установка высокоэффективных теплообменников с псевдоожижененным слоем гранул. Схема экспериментального стенда для исследования такого типа теплообменного устройства приведена на рис. 1.

Значительная сложность теоретических исследований процесса теплообмена, невозможность решения систем уравнения конвективного теплопереноса в трехмерных газовых потоках в т. ч. и с твердой фазой (частицами), что характерно для аппаратов псевдоожиженного слоя. Это предполагает использование иных подходов, например, использования критериев подобия и уравнений, описывающих процесс конвективного теплопереноса в теплоутилизирующих устройствах с псевдоожижаемой насадкой в виде слоя гранул, зерен строительных материалов.

Рис. 1. — Схема экспериментальной установки с теплообменником с псевдоожижаемой насадкой в виде слоя гранул — зерен материала.

1 — змеевик; 2 — псевдоожижаемая насадка слоя гранул — зерен материала; 3 — газораспределительная решетка; 4 — нагревательный элемент; 5 — тягодутьевое устройство.

Уравнение теплового баланса для установки имеет вид.

Q1+Q2=Q3=Q4+Q5+Q6 +Q7, (1).

где Q1 — количество теплоты, образовавшейся в результате сжатия воздуха в вентиляторе, Вт;

Q2 — количество теплоты, получаемое от электронагревателя — калорифера, Вт;

Q3 — количество теплоты, подаваемое в теплообменное устройство, Вт;

Q4 — количество теплота с уходящими газами, Вт;

Q5 — количество теплоты, теряемой через ограждающие конструкции, Вт;

Q6 — полезно используемая теплота, воспринятая водой в змеевике, Вт;

Q7 — количество теплоты, теряемой с улетающими частицами, уносимыми из слоя агентом-газом, Вт.

Эффективность работы теплообменника с псевдоожиженным слоем (КПД) нас основе схемы рис. 1 и уравнения баланса (1) составит з=(Q6/ Q3•) 100, % (2).

Следует отметить, что коэффициент теплоотдачи от газа г к твердой поверхности змеевика значительно меньше, чем коэффициент теплоотдачи от частиц псевдоожиженного слоя пс.

Зависимость коэффициента теплоотдачи пс как функции значению критерия Рейнольдса представлена на рис. 2. Изменение коэффициента теплоотдачи пс в зависимости от величины числа Прандтля для среднеинтегрального значения температуры газа в слое Tг. ср представлено на рис. 3.

Критерий Рейнольдса Reэг для твердых частиц-гранул среднемедианным эквивалентным размером гранулы-частицы и среднерасходовой скорости ее движения газового потока vг, м /с имеет вид.

(3).

где г — кинематическая вязкость газа для среднеинтегрального значения температуры газа в слое, м2 /с.

Критерий Прандтля Pr имеет вид.

(4).

Зависимость коэффициента теплоотдачи пс определяется с использованием значений критерия Рейнольдса и числа Прандтля по известным регрессионным соотношениям, например, [11].

Рис. 2. — Зависимость коэффициента теплоотдачи как функции критерия Рейнольдса, для гравия и керамических цилиндров

Рис. 3. — Зависимость коэффициента теплоотдачи пс в зависимости от величины числа Прандтля газа Pr в псевдоожиженном слое

Выводы

Результатом выполненных и представленных в работе исследований являются экспериментальные зависимости коэффициента теплоотдачи частиц псевдоожиженного слоя пс к поверхности теплообменного элемента от критерия Рейнольдса и числа Прандтля для предложенной конструкции теплообменника.

• 1. Петренко, В.Н., Мокрова, Н. В. Разработка системы горячего водоснабжения с использованием возобновляемых источников энергии// Инженерный вестник Дона, 2013, № 2. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2013/1617.
• 1. Смирнов, Р.В., Бахвалов, Ю. А. Математическое моделирование теплообменных процессов в энергосберегающих гелиоустановках коллектора // Инженерный вестник Дона, 2013, № 3. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2013/1782.
• 2. Романова, М.И., Шерстюков, В. В. Энергоэффективный метод использования излишек тепла солнечного коллектора // Инженерный вестник Дона, 2012, № 4−2. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4p2y2012/1440.
• 3. Basu P., Nag P. K. Heat transfer to walls of a circulating fluidized-bed furnace //Chemical Engineering Science. 1996. V. 51. №. 1. Pp.1−26
• 4. Habib B., Farid M. Heat transfer and operating conditions for freeze concentration in a liquid-solid fluidized bed heat exchanger //Chemical Engineering and Processing: Process Intensification. 2006. V. 45. №. 8. Pp.698−710.
• 5. Pronk P., Ferreira C. A. I., Witkamp G. J. Prevention of fouling and scaling in stationary and circulating liquid-solid fluidized bed heat exchangers: Particle impact measurements and analysis //International Journal of Heat and Mass Transfer. 2009. V. 52. №. 15. Pp.3857−3868.
• 6. Рощин, П.А. и др. Обоснование использования спирального теплообменника кипящего слоя в тепловых и теплогенерирующих установках // Вестник ВолгГасу. 2011. Вып.25 (№ 44). С. 208−211.
• 7. Рощин, П.А. и др. Энергоэффективность тепловых установок со спиральным теплообменником кипящего типа // Вестник ВолгГАСУ. 2013. № 30 (49). С. 212−216.
• 8. Кошкарев, С.А., Рощин, П. А. Совершенствование эффективных устройств использования теплоэнергоресурсов // Экономика. Бизнес. Банки. 2016. № 1 (14). С. 123−132.
• 9. Патент № 109 838. Россия / Рощин, П.А., и др. Спиральный теплообменник кипящего слоя. Заявка № 2 011 124 254 от 15.06.2011. Опубликовано 27.10.2011, Бюл. № 30.
• 10. Кэйс, В. М. Конвективный теплои массообмен / В. М. Кейс. М.: Энергия, 1972. 448 с.

References.

• 1. Smirnov, R.V., Bahvalov, Ju.A. Inћenernyj vestnik Dona (Rus), 2013, № 3. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2013/1782.
• 2. Romanova, M.I., Sherstjukov, V.V. Inћenernyj vestnik Dona (Rus), 2012, № 4−2. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4p2y2012/1440.
• 3. Basu P., Nag P. K. Chemical Engineering Science. 1996. V. 51. №. 1. Pp.1−26.
• 4. Habib B., Farid M. Heat transfer and operating conditions for freeze concentration in a liquid-solid fluidized bed heat exchanger. Chemical Engineering and Processing: Process Intensification. 2006. V. 45. №. 8. Pp.698−710.
• 5. Pronk P., Ferreira C. A. I., Witkamp G. J. Prevention of fouling and scaling in stationary and circulating liquid-solid fluidized bed heat exchangers: Particle impact measurements and analysis. International Journal of Heat and Mass Transfer. 2009. V. 52. №. 15. Pp.3857−3868.
• 6. Roshchin, P. A, et al. Vestnik VolgGASU. Izdatelstvo VolgGASU. 2011. V.25 (№ 44). PP. 208−211.
• 7. Roshchin, P.A. et al. Vestnik VolgGASU. Volgograd. 2013. V.30 (№ 49). Pp. 212−216.
• 8. Koshkarev, S.A., Roshhin, P.A. Jekonomika. Biznes. Banki. 2016. № 1 (14). Pp. 123−132.
• 9. Patent № 109 838. Russia. Roschin P.A. et al. Spiral’nyj teploobmennik kipjashhego sloja [Spiral heat exchanger of the fluidized bed]. Application No. 2 011 124 254 from 15.06.2011. Published On 27.10.2011, Bulletin № 30.
• 10. Kjejs, V.M. Konvektivnyj teploi massoobmen [Convective heat and mass transfer]. M.: Jenergija, 1972. 448 p.