Моделирование процессов тепло-и массообмена в форсуночных оросительных камерах

Актуальность работы.

Газожидкостные системы «капли — парогазовый поток» широко используются в различных технических устройствах: для тепловлажностной обработки воздуха в камерах орошения кондиционеров воздуха (КВ), системах вентиляции, в градирняхдля очистки воздуха от пыли и вредных газов в различного типа промывных камерах, противоточных и прямоточных форсуночных скрубберах (ПФС) — для сжигания жидкого топлива в топках теплогенерирующих установок, в камерах сгорания ЖРД и др. В зависимости от назначения этих устройств, при взаимодействии парогазового потока с каплями газ (воздух) либо осушается за счет конденсации паров жидкости на каплях, либо увлажняется за счет испарения капель и поступления паров жидкости в поток. При этом меняется и температура парогазового потока.

При очистке газов от тонкодисперсных механических примесей конденсационным способом на частицах субмикронных размеров конденсируется водяной пар из потока, в результате чего они укрупняются и, увеличивая свою инерционность, эффективно улавливаются на капли за счет столкновения с ними. Все процессы, отмеченные выше, связаны сложными механизмами динамического и тепломассообменного взаимодействия одновременно между каплями жидкости, частицами и парогазовым потоком, описать которые упрощенными способами не представляется возможным. Для этого требуется построение адекватных реальным условиям обобщенных математических моделей процесса контактного тепломассообмена между каплями орошающей жидкости, частицами и парогазовым потоком, на основе численной реализации которых можно было бы этот процесс рассчитывать и оптимизировать. Отсутствие таких моделей при технической необходимости разработки оросительных камер различного назначения и, в большей мере для КВ, потребовало прежде всего целенаправленного экспериментального изучения тепломассообменных процессов, протекающих в них, в приближении малых влагосодержаний, разработки инженерных методов расчета и оптимизации расчета этих устройств, пригодных только для конкретных, по замечаниям М. Г. Тарабанова, Ю. В. Видина, Г. П. Бойкова, Л. М. Зусмановича, конструкций.

В газоочистительных устройствах эффективное улавливание тонкодисперсной пыли конденсационным способом достигается, как показано В. Н. Ужовым, А. Ю. Вальдбергом, В. П. Савраевым и др., только при повышенных влагосодержаниях, составляющих 1−2 кг/кг сухих газов. Так что все наработанные экспериментальными методами материалы по оросительным камерам КВ для расчета конденсационных газоочистителей не пригодны, поскольку они относятся только к системе «капли воды — водяной пар — воздух». Газожидкостные системы с другими физическими свойствами (например, система «капли воды — водяной пар — крекинг-газы», реализующаяся при очистке крекинг-газов конденсационным способом от сажевых частиц) подчиняются другим закономерностям. Все выше сказанное говорит об актуальности постановки и решения задачи обобщенного математического моделирования процессов теплои массообмена между каплями жидкости, частицами и парогазовым потоком в форсуночных оросительных камерах различного назначения при высоких влагосодержаниях, чему и посвящена настоящая диссертационная работа.

Цель работы.

Разработка обобщенных физико-математических моделей процесса тепломассообмена и конденсационного улавливания тонкодисперсной пыли в оросительных камерах различного назначения и в скрубберах при высоких влагосодержаниях и их адаптация к расчету и оптимизации режимных и конструктивных параметров конкретного типа устройств.

Поставленные задачи.

Первой задачей является построение двумерной физико-математической модели процесса теплои массообмена в оросительных камерах в широком диапазоне влагосодержаний, ее численная реализация в ходе которой проведено сравнение результатов расчетов с опытными данными, выяснение правомерности использования одномерной модели при расчете оросительных камер, выяснение влияния различных факторов на термодинамические параметры компонентов потока. Второй задачей, как расширение первой является построение физико-математической модели конденсационного улавливания тонкодисперсных механических примесей в форсуночных скрубберах, проверка ее работоспособности на основе сопоставления результатов расчетов с известными опытными данными, установление с помощью модели оптимальных режимных и конструктивных параметров аппаратов.

Научая новизна работы.

• Разработана обобщенная двумерная модель процесса тепломассообмена капель жидкости и парогазового потока в широком диапазоне влагосодержаний в форсуночных оросительных камерах различного назначения, учитывающая переменность массы капель в уравнении их движения, влияние стефановского потока на массообмен, повышенную концентрацию капель в прогазовом потоке, влияние испарения — конденсации на теплообмен капель с парогазовым потоком на термодинамические параметры потока в целом. Проведена численная реализация модели процесса тепломассообмена капель жидкости и парогазового потока в оросительной камере кондиционера воздуха. С целью выяснения достоверности и работоспособности модели проведено сопоставление результатов расчетов с известными опытными данными;

Установлены основные закономерности и значимость влияния отдельных факторов, учтенных в модели, на термодинамические параметры потока;

• На основе модели процесса тепломассообмена капель жидкости и парогазового потока в форсуночных оросительных камерах разработана модель конденсационного улавливания тонкодисперсной пыли в форсуночных скрубберах. Работоспособность модели конденсационного улавливания тонкодисперсной пыли в форсуночных скрубберах и достоверность результатов, полученных при ее численной реализации, подтверждаются сопоставлением их с известными опытными данными;

• Выполнено численное исследование модели конденсационного улавливания тонкодисперсной пыли в противоточных форсуночных скрубберах и скрубберах Вентури и показана возможность оптимизации работы этих устройств. Установлено влияние определяющих параметров парогазового потока и жидкости на входе в эти аппараты на эффективность улавливания пыли.

Достоверность результатов.

Достоверность результатов определяется строгой оценкой приближений при записи уравнений сохранения, использованием обобщенных критериальных зависимостей для коэффициентов теплообмена и массообена капель с потоком, выбором аппроксимационных зависимостей по парциальному давлению насыщенных водяных паров от температуры, обеспечивающих минимальное отклонение от известных табличных эмпирических данных, удовлетворительным согласованием расчетов с известными опытными данными как по параметрам тепломассообмена, так и по эффективности пылеулавливания в скрубберах (конденсационном и в изотермических условиях).

Связь с научными программами.

Работа выполнена в соответствии с научным направлением ТГАСУ «Системы жизнеобеспечения зданий и населенных пунктов» (коды по ГРНТИ 67.53- 75.31).

Практическая значимость работы.

Разработанные физико-математические модели позволяют производить инженерные расчеты процессов тепломассообмена в оросительных камерах различного назначения при любых влагосодержаниях и концентрациях капель жидкости и оптимизировать их режимные и конструктивные параметры. В результате численного анализа моделей установлено, что конденсационное пылеулавливание в форсуночных скрубберах желательно проводить при возможно меньших концентрациях пыли и температурах капель на входе, при возможно большем влагосодержании. Противоточные системы тепловлажностной обработки в оросительных камерах КВ и конденсационного пылулавливания в форсуночных скрубберах более экономичны, чем прямоточные. Конденсационное улавливание крупных частиц пыли малоэффективно и, следовательно, нецелесообразно. Результаты работы используются в учебном процессе ТГАСУ (г. Томск) и СФУ (г. Красноярск) по специальности «Теплогазоснабжение и вентиляция» в курсах «Аэродинамика и тепломассообмен газодисперсных потоков», «Кондиционирование воздуха и холодоснабжение» и «Методы расчета и проектирования пылегазоочистного оборудования», а также на предприятии ОАО «Азот» (г. Кемерово), о чем свидетельствуют справка и акт о внедрении результатов НИР, являющиеся приложением к диссертации. Результаты диссертации использованы в монографии М. И. Шиляева, Е. М. Хромовой, А. Р. Богомолова «Интенсификация тепломассообмена в дисперсных средах при конденсации и испарении».

Апробация работы.

Основные положения работы доложены и обсуждены на региональных научно-технических конференциях (НГАСУ (Новосибирск, 2007), ТПУ (Томск, 2009) — всероссийских и международных научно-практических конференциях ПГАСА (Пенза, 2008), ВолгГАСУ (Волгоград, 2008), ТПУ (Томск, 2009, июнь 2010, декабрь, 2010)).

Публикации.

По материалам диссертации опубликовано 9 работ, в том числе: 4 статьи (3 — в соавторстве) в научныых журналах, входящих в перечень, рекомендованный ВАК РФ- 5 статей (в соавторстве) в сборниках трудов международных и всероссийских конференций.

Структура и объем диссертации

.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников из 89 наименований и приложения. Объем основного текста диссертации 139 страницы, включая 51 рисунок и 1 таблицу.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

По результатам выполненной диссертационной работы можно сделать следующие выводы.

1. Развита двумерная обобщенная модель контактного тепломассообмена между каплями жидкости и парогазовым потоком в широком диапазоне влагосодержаний в форсуночных оросительных камерах различного назначения, учитывающая переменность массы капель в уравнении их движения, влияние стефановского потока на массообмен, повышенную концентрацию капель в парогазовом потоке, влияние испаренияконденсации на теплообмен капель с парогазовым потоком на термодинамические параметры потока в целом. Проведена численная реализация модели процесса тепломассообмена капель жидкости и парогазового потока в оросительной камере кондиционера воздуха. Достоверность и работоспособность модели подтверждены согласованностью результатов расчетов термодинамических параметров потока с известными опытными данными для форсуночных оросительных камер кондиционеров воздуха (с односторонним орошением с точностью до 4%, с двухсторонним — до 1%).

2. В результате параметрического анализа модели установлено:

— для расчета большинства форсуночных тепломассообменных камер КВ горизонтального типа правомерно использовать одномерные модели;

— при повышенных влагосодержаниях (с! > 0,5 кг/кг сух. газа) необходимо учитывать поправку на стефановский поток;

— термодинамические параметры парогазовой смеси весьма консервативны по отношению к уравнению движения капель орошающей жидкости, в связи с этим переменность массы капель и их деформацию можно не учитывать;

— при повышенных концентрациях капель в вертикальных и горизонтальных противоточных камерах необходимо учитывать поправку на эффективную вязкость в уравнениях движения, а также поправки на теплообмен и массообмен капель;

— учет влияния влажности в коэффициентах теплопроводности и вязкости парогазовой смеси не отразился на термодинамических параметрах потока. Поэтому эти коэффициенты можно рассчитывать по зависимостям для сухого воздуха (газа).

3. Впервые на основе модели контактного тепломассообмена в оросительных камерах сформулирована модель конденсационного улавливания субмикронных частиц пыли в форсуночных скрубберах. Проведены численная реализация модели конденсационного улавливания субмикронной пыли и сопоставление полученных результатов с известными экспериментальными данными, подтверждающими работоспособность модели (сравнение расчетных данных по значениям эффективности конденсационного пылеулавливания сажи из крекинг-газов с известными экспериментальными данными НИИОГАЗ для противоточных форсуночных скрубберов показало расхождение не более 1%. Сопоставление расчетных значений фракционной эффективности пылеулавливания с известной экспериментальной обобщенной зависимостью от числа Стокса в изотермических условиях (без тепломассообмена) для скруббера Вентури дало расхождение не более 1,7%).

4. Проведен параметрический анализ модели конденсационного пылеулавливания, который показал возможность с ее помощью оптимизировать процесс конденсационного пылеулавливания (режимные и конструктивные параметры) в форсуночных скрубберах прямоточного и противоточного типов. В работе показано, что достижение опытного значения эффективности улавливания сажи из крекинг-газов в противоточных форсуночных скрубберах, полученного в НИИОГАЗ, может быть обеспечено за счет снижения температуры орошающей жидкости с 20 °C до 5 °C в аппарате высотой в 2,8 раза меньшей, чем в опытной.

128 установке, или может быть повышена эффективность пылеулавливания в аппарате той же высоты на 9% (с г|=89% до г|=98%). Также модель дает возможность оптимизировать длину и угол расширения диффузорной части трубы Вентури. Расчет показал, что максимальной эффективности пылеулавливания при определенных условиях можно достичь при значении угла расширения трубы а=7,7° и длине трубы 1 м (в справочниках по пылеулавливанию угол, а для нормализованной трубы Вентури рекомендуют принимать 6°, длина трубы не регламентируется).