Совершенствование методов моделирования и расчета процессов тепломассопереноса в контактных теплообменниках

Актуальность темы

диссертации. Создание и совершенствование систем утилизации вторичных энергетических ресурсов (ВЭР) дает возможность наиболее полно удовлетворить потребности в энергии не путем ввода дополнительных мощностей, а за счет энергосбережения — одного из приоритетных направлений развития экономики России на современном этапе.

Одним из наиболее перспективных путей повышения глубины утилизации теплоты отходящих от теплотехнологических установок парогазовых смесей (в том числе — уходящих газов парогенераторов) является использование теплоты конденсации содержащихся в них водяных паров. Для этого применяются контактные теплообменники, позволяющие при достаточно приемлемых габаритах, умеренном расходе металла на их изготовление и сравнительно невысоком расходе электроэнергии при эксплуатации обеспечить глубокое охлаждение отходящих газов, конденсацию содержащихся в них водяных паров и возможность использования получаемого конденсата, то есть экономию воды.

Процесс тепломассообмена в контактных теплообменниках весьма сложен для математического моделирования и расчета, так как общая интенсивность передачи теплоты в нём зависит от соотношения между собой значений трех тепловых потоков: передачи физической теплоты парогазовой смеси водеиспарения воды и конденсации паров. В зависимости от величин температур воды, газа и точки росы доминирующее влияние могут иметь процессы теплоили массопереноса, причем в различных зонах аппарата движущие силы этих процессов могут иметь разные знаки. Поэтому очень трудно установить какие-либо четкие закономерности среднего для всей контактной камеры общего (условного) коэффициента теплоотдачи (учитывающего и массоотдачу). Универсальных надежных и общепризнанных зависимостей для определения таких коэффициентов нет и получить их, по нашему мнению, не представляется возможным вследствие большого количества независимых факторов, влияющих на интенсивность рассматриваемых процессов. До настоящего времени известные инженерные методики расчета таких аппаратов основаны на использовании средних по всему объему параметров: температурного напора, условного коэффициента теплоотдачи, эффективной площади контакта фаз и др.

Повышение достоверности проектирования контактных теплообменников и выбор рациональных режимов их эксплуатации может быть достигнут при использовании математической модели сопряженных процессов тепломассообмена в таких аппаратах, позволяющей рассчитывать распределение температур теплоносителей и влагосодержания парогазовой смеси по высоте контактной камеры, и её компьютерной реализации. Разработка таких моделей является актуальной научной и технологической задачей, что и определило цель настоящей работы, которая выполнялась в рамках ФЦП «Интеграция» (2.1 — AI 18 Математическое моделирование ресурсосберегающих и экологически безопасных технологий) и планов НИР ИГАСУ.

Целью работы является повышение энергетической и технологической эффективности систем утилизации тепла с контактными теплообменниками путем разработки математических моделей происходящих в них тепломассообменных процессов и оценки по ним рациональных режимов их эксплуатации и управления ими.

Научная новизна результатов работы заключается в следующем:

1. Разработана ячеечная математическая модель процесса тепломассобмена в контактном теплообменнике, позволяющая рассчитывать процессы тепломассопереноса по локальным параметрам состояния теплоносителей, что позволяет более достоверно определять количество переданной теплоты и массы конденсирующейся или испаряющейся влаги.

2. Показано, что в подавляющем большинстве практически важных случаев определяющий вклад в тепловую мощность процесса вносит теплота конденсации влаги, причем фазовое равновесие наступает на неполной высоте теплообменника, в результате чего оставшаяся часть не вносит вклада в тепловую мощность, но создает дополнительное аэродинамическое сопротивление.

3. Показано существование оптимальной высоты теплообменника, обеспечивающей максимальную разность между его тепловой мощностью и мощностью, затрачиваемой на прокачку парогазовой смеси.

4. Подобраны эмпирические критериальные уравнения для определения локальных коэффициентов теплоотдачи и массоотдачи, и потерь давления, обеспечивающие наилучшее согласование расчетных по разработанной модели и экспериментальных данных по выходным характеристикам контактных теплообменников. Найдена и описана универсальная для разных размеров колец насадки зависимость её аэродинамического сопротивления от плотности орошения.

Практическая ценность результатов состоит в следующем:

1. Разработан компьютерный инженерный метод расчета рабочего процесса в контактных теплообменниках, обеспеченный программными средствами расчета. Согласно выполненным оценкам данный метод обеспечивает в два раза меньшую погрешность прогнозирования теплотехнических характеристик контактных теплообменников.

2. Выполнено сравнение выходных параметров теплоносителей, рассчитываемых по разработанной модели, с опытными данными испытаний контактного теплообменника-утилизатора марки ЭК-БМ-1−1, имеющего диаметр 1000 мм, и показано, что погрешность в их определении не превышает 5% при средней по всем опытам погрешности 3,35% в отличие от средней погрешности для традиционно используемого метода расчета, составляющей 6,9%.

3. Разработаны и внедрены на ЗАО «Традиции текстиля» энергосберегающие мероприятия, заключающиеся в разработке и установке модернизированного контактного теплообменника-утилизатора теплоты отработавшего сушильного воздуха с достигнутым техническим эффектом 830 кВт дополнительной тепловой мощности и расчетным экономическим эффектом 485 тыс. руб./год.

Автор защищает:

1. Ячеечную математическую модель и метод расчета контактных теплообменников по локальным параметрам состояния теплоносителей, распределенных по высоте аппарата.

2. Эмпирическое обеспечение модели и метода расчета: критериальные зависимости для расчета коэффициентов теплои массоотдачи, аэродинамического сопротивления и влияния на него плотности орошения.

3. Физические основы и результаты оптимизация энергетических характеристик контактного теплообменника.

4. Приложение полученных результатов к разработке энергосберегающих мероприятий на промышленном предприятии.

Обоснование соответствия диссертации паспорту научной специальности 05.14.04 — «Промышленная теплоэнергетика».

Пункты 1 и 4 научной новизны соответствуют п. 3. паспорта специальности «Теоретические и экспериментальные исследования процессов теплои массопереноса в тепловых системах и установках, использующих тепло. Совершенствование методов расчета тепловых сетей и установок с целью улучшения их технико-экономических характеристик, экономии энергетических ресурсов», а пункты 2 и 3 — пункту 5 паспорта.

Оптимизация параметров тепловых технологических процессов и разработка оптимальных схем установок, использующих тепло, с целью экономии энергетических ресурсов и улучшения качества продукции в технологических процессах".

Апробация работы.

Основные положения диссертации были доложены, обсуждены и получили одобрение на IX Международной научной конференции «Теоретические основы энерго-ресурсосберегающих процессов, оборудования и экологически безопасных производств», Иваново, ИГХТУ, 2011; XIV Международной конференции «Информационная среда вуза», Иваново, PIT АСУ, 2010; Международной НТК «Состояние и перспективы развития электротехнологии — XVI Бенардосовские чтения», Иваново, ИГЭУ, 2011; 24-й Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях ММТТ-24», Киев-Пенза, 2011, а также на научных семинарах кафедры гидравлики, водоснабжения и водоотведения ИГ АСУ и кафедры прикладной математики ИГЭУ (2009;2011гг.).

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 9-ми печатных работах, в том числе в 4-х изданиях, предусмотренных перечнем ВАК, и в одном зарубежном журнале.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 4-х глав, основных выводов, списка использованных источников и приложения.