Моделирование гидродинамики и теплообмена в перемещающемся псевдоожиженном слое дисперсного материала тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

Введение

Основные условные обозначения

1. Анализ схем и параметров установок с перемещающемся псевдоожиженным слоем

1.1 Схемы и конструкции установок

1.2 Гидродинамические характеристики перемещающегося псевдоожиженного слоя

1.2.1 Особенности формирования и движения

1.2.2 Гидравлическое сопротивление и порозность

1.3 Теплообмен в перемещающемся слое

1.3.1 Интенсивность межфазного теплообмена

1.3.2 Расчет температурных полей

1.4 Выводы и задачи исследования

2. Математическое моделирование процессов в. перемещающемся псевдоожиженном слое

2.1 Гидродинамическая модель процесса

2.2 Моделирование процессов теплообмена

3. Экспериментальное исследование процессов гидродинамики и теплообмена

3.1 Описание экспериментальной установки и методика проведения опытов

3.1.1 Математическая обработка опытных данных

3.2 Исследование гидродинамических параметров процесса

3.2.1 Критическая скорость псевдоожижения

3.2.2 Скорость движения твердой фазы

3.2.3 Гидравлическое сопротивление и порозность

3.3 Исследование процессов теплообмена 67 3.3.1 Интенсивность межфазного теплообмена

3.3.2 Исследование температурных полей

4. Оптимизация и расчет параметров установок с перемещающимся 81 псевдоожиженным слоем

4.1 Определение оптимальных параметров

4.2 Алгоритм конструктивного расчета аппарата для термической обработки материала

4.3 Алгоритм конструктивного расчета регенеративного воздухоподогревателя с дисперсным промежуточным теплоносителем

Выводы

Актуальность проблемы.

Псевдоожижение является одним из наиболее перспективных методов осуществления энергетических, технологических и механических процессов с твердой фазой. Этот метод получил весьма широкое распространение в энергетике, химической, нефтеперерабатывающей, металлургической, строительной, пищевого и других отраслях промышленности, что обусловлено радом его несомненных достоинств /1/:

1. Интенсивное перемешивание твердой фазы, приводящее к выравниванию температур и концентраций в объеме псевдоожиженного слоя.

2. Высокие значения эффективной теплопроводности и межфазной теплоотдачи, соизмеримые с соответствующими значениями коэффициентов для капельных жидкостей.

3. Возможность использования твердых частиц малых размеров, т.е. твердой фазы с развитой удельной поверхностью, для эффективного течения процесса теплообмена, например, 1 м частиц диаметром 100 мкм имеет площадь поверхности свыше 30000 м2.

4. Подвижность («текучесть») псевдооженного слоя.

5. Небольшое гидравлическое сопротивление и независимость его величины от скорости ожижающего агента.

6. Сравнительно простое устройство аппаратов с псевдоожиженным слоем, легкость их механизации и автоматизации.

Однако способу организации процессов в псевдоожиженном слое, естественно, присуще также определенные недостатки. В частности, для создания непрерывных процессов возникает проблема направленного перемещения псевдоожиженного слоя вдоль газораспределительной решетки.

В большинстве известных устройств /1-3/ перемещение пседвдоожижен-ного слоя осуществляется специальными транспортными устройствами, наличие которых усложняет конструкцию аппаратов и понижает их надежность. Поэто4 му одним из перспективных методов перемещения слоя твердых частиц вдоль газораспределительной решетки как горизонтальной так и наклонной (снизу вверх), является ориентация потока ожижающего газа по направлению движения слоя. Вертикальная составляющая силы динамического давления газового потока на частицы псевдоожижает дисперсный материал, а ее . горизонтальная составляющая перемещает слой в горизонтальной плоскости. Ориентация потока ожижающего газа происходит в специальной газораспределительной решетке, что позволяет отказаться от механических транспортеров.

В настоящее время этот способ перемещения псевдоожиженного слоя широко используется в различных областях техники: сушке /4-6/, топочных процессах 111, пневмотранспотре /8-10/, классификации зернистых материалов /11/, термообработке /12/, охлаждении /13/ и др.

Принцип совмещения псевдоожижения и перемещения (циркуляции) слоя твердых частиц широко используется в регенеративных теплообменных аппаратах с дисперсным промежуточным теплоносителем. Одна из первых конструкций такого теплообменника была разработана авторами /14-15/. Характерной особенностью этой конструкции является движение частиц вдоль прямоугольной газораспределительной решетки. В теплообменниках, конструкции которых описаны в /16-17/, псевдоожижение происходит в поле центробежных сил, что позволяет увеличить относительную скорость ожижающего газа и интенсифицировать межфазные процессы в слое.

Очевидно, что эффективность работы перечисленных выше аппаратов определяется процессами гидродинамики и теплообмена в перемещающемся псев-доожиженном слое. Однако в литературе практически отсутствуют сведения о механизме формирования, гидродинамике и теплообмене в таком слое, которые послужили бы научной основой для разработки инженерной методики их расчета и проектирования. Решению этих задач посвящена данная работа, выполненная в соответствии с комплексным планом научно-исследовательских работ Воронежского государственного технического университета (Гос.рег. №01890014250).

Цель и задачи исследования.

Теоретическое и экспериментальное исследование процессов гидродинамики и теплообмена в перемещающемся псевдоожиженном слое, необходимых для проектирования и оптимизации энергетических и теплотехнических установок.

Для достижения цели поставлены следующие задачи:

Разработка и анализ математической модели, описывающей процесс формирования и движения псевдоожиженного слоя в каналах различной конфигурации.

Построение математической модели межфазного теплообмена для расчета температурных полей в твердой и газообразной фазах.

Экспериментальное исследование процессов гидродинамики и теплообмена в перемещающемся слое для проверки математических моделей и аналитических зависимостей, а также получения эмпирических критериальных уравнений.

Оптимизация основных параметров исследуемого процесса и разработка алгоритмов инженерного расчета энергетических и теплотехнологических установок.

Научная новизна.

Выявлены особенности формирования и движения псевдоожиженного слоя дисперсного материала в каналах различной конфигурации. Получены аналитические зависимости определения критической скорости псевдоожижения и средней скорости движения твердой фазы.

Изучен характер распределения темппературы в твердой и газообразной фазах по высоте слоя и вдоль газораспределительной решетки.

Проведена экспериментальная проверка разработанных математических моделей и аналитических зависимостей, получены эмпирические критериальные уравнения для расчета гидравлического сопротивления и порозности псевдоожиженного слоя и межфазного коэффициента теплоотдачи.

Разработаны рекомендации для оптимизации основных параметров исследуемого процесса и алгоритмы инженерного расчета энергетических и теплотехнических установок.

Практическая ценность работы.

Полученные математические модели, аналитические и эмпирические зависимости являются надежной теоретической базой для разработки методики инженерного расчета и проектирования энергетических и теплотехнических установок с перемещающимся псевдоожиженным слоем дисперсного материала.

Результаты исследования внедрены в практику теплоэнергетическопютде-ла «Воронежэнергопроект» ОАО «Воронежэнерго».

Материалы диссертационной работы используются в учебном процессе в дисциплине «Высокотемпературные теплотехнологические процессы и установки» на кафедре «Промышленная теплоэнергетика» Воронежского государственного технического университета.

Апробация работы.

Основное положение и результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на IV Международной научной конференции «Современные проблемы информатизации» (г. Воронеж, ВГПУ, 1999 г.), на Всероссийской научно-технической конференции «Теплофизика процессов горения и охрана окружающей среды» (г. Рыбинск, РГАТА, 1999 г.), на научно-технической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов ВГТУ «Современные аэрокосмические технологии» (г. Воронеж, ВГТУ, 2000 г.), на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ВГТУ (Воронеж, ВГТУ, 1999-2001 гг.)

Диссертация состоит из введения, четырех глав и приложений.

Выводы

1. Разработана гидродинамическая модель перемещающегося псевдоожиженного слоя, базирующаяся на уравнении Навье-Стокса, адекватность которой реальному процессу подтверждена экспериментальными исследованиями.

2. Получены аналитические зависимости для определения критической скорости псевдоожижения (2.20) и скорости движения твердой фазы (2.18), точность которых подтверждена опытными данными автора и сопоставлением с результатами аналогичных исследований.

3. Разработана тепловая модель процесса, позволяющая рассчитать температурные поля твердой и газообразной фазы. Получены соотношения для определения предельных значений длины гидравлической решетки (2.36) и высоты слоя (2.37).

4. Проведено экспериментальное исследование гидродинамики и теплообмена в широком диапазоне изменения параметров процесса (d3 = 1,13 ч-5,00 мм, рт = 1560-г7800кг/м3, Рр=0-30°,

3П =20*65°, Т = 20 + 90°С, 0 = 2О + 55ОС).

5. Получены эмпирические критериальные уравнения для определения гидравлического сопротивления слоя (3.11), его порозности (3.12) и межфазного коэффициента теплоотдачи (3.15).

1. Гельперин Н.И., Айнштейн В.Г., Кваша В.В. Основы техники псевдоожижения. М.: Химия, 1967. - 664 с.

2. Боттерил Д.Ж. Теплообмен в псевдоожиженном слое. М.: Энергия, 1980.-344 с.

3. Новое в теории и практике псевдоожижения. Избранные труды второй международной конференции по псевдоожижению./ Под ред. И. Девидсона и Д. Кейрнза.- М.: Мир, 1980.

4. Патент № 4838495 / Япония /. Сушилка для слоя перемещающегося в поперечном направлении. Опубл. в Изобр. За рубежом 1974, №3.

5. А.С. 492716 (СССР) Многоступенчатая установка для сушки и охлаждения полидисперсных материалов (Р.Н. Спинов и др. -Опубл. вБ.И., 1975, №43.

6. А.С. 1276888 / СССР /. Сушилка кипящего слоя для термолабильных сыпучих материалов. / Ю.Н. Агапов, А.В. Жучков, А.В. Санников. Опубл. в Б.И., 1986, № 46.

7. Кубин М. Сжигание твердого топлива в кипящем слое: пер. с чешек. М.: Энергоатомиздат. 1987. - 112 с.

8. А.С. 541749 / СССР /. Аэродинамический транспортер. / Н.П. Сычугов. Опубл. в Б.И., 1977, № 1.

9. Островский Г.М. Пневматический транспортер сыпучих материалов в химической промышленности. Л.: Химия, 1984.

10. Померанцева А.А., Лесникова Т.А., Жилинский Г.А., Берг Б.В. Экспериментальное изучение транспорта золы в горизонтальных иподъемных аэрожелобах. Изв. вузов СССР. Энергетика, 1983, № 8, с. 95-98.

11. А.С. 386685 / СССР /. Воздушный классификатор. / А.П. Коновалов. Опубл. в Б.И., 1964, № 3.

12. А.С. 564497 / СССР /. Установка для термообработки сыпучих материалов. / П.В. Блохин, В.Н. Заболотный. Опубл. в Б.И., 1977, № 25.

13. Кудакова В.Е., Уткин Ю.В., Фролов С.В., Е.А. Альпенсов. Скороморозильный аппарат с направленным псевдоожиженным слоем.- Холодильная техника, 1996, №4.-23 с.

14. А.С. 273358 / СССР /. Регенеративный теплообменник с кипящим слоем. / А.П. Неганов. Опубл. в Б.И., 1970, № 207.

15. Патент 1500231 (Великобритания). Теплообменник. Изобретения за рубежом, 1979, №2.

16. А.С. 1106959 / СССР /. Регенеративный теплообменник / Ю.Н. Агапов и др. Опубл. в Б.И., 1984, № 29.

17. А.С. 1183816 / СССР /. Регенеративный теплообменник / А.В. Жучков и др. Опубл. в Б.И., 1985, № 37.

18. Ergun S. Fluid flow through packed columns. Chemical Eng. Progress, 1952. - v 48, p 89 - 94.

19. Горошко В.Д., Розенбаум Р.Б., Тодес О.М. Приближенные закономерности гидравлики взвешенного слоя и стесненного падения.- Изв. вузов. Нефть и газ, 1958, т. 1, № 1, с. 125 -131.

20. Баранников Н.М. и др. К расчету регенеративного теплообменника с подвижным кипящим слоем. Промышленная энергетика, 1983, №3, с. 34-35.

21. Санников А.В. Повышение эффективности использования теплоты вентиляционных выбросов путем применения регенеративного теплообменника с дисперсным промежуточным теплоносителем: Ав-тореф. Дис. . канд. техн. наук. -М.; 1988. 18 с.

22. Баранников Н.М. и др. Формирование псевдоожиженного слоя, перемещающегося вдоль наклонной распределительной решетки. ИФЖ. - т. XVI. - № 2. - с. 261 - 264.

23. Агапов Ю.Н. и др. Исследование движения псевдоожиженного слоя вдоль наклонной газораспределительной решетки. -ТОХТ, 1986, т. XX, № 1, с. 111 115.

24. Фалеев В.В. Нелинейная фильтрация от источника в пористом клине. Изв. АНСССР, МЖГ, 1978, № 3, с. 151 - 153.

25. Фалеев В.В., Шитов В.В., Гуренко В.П. О фильтрации в пористой пластине с непроницаемой поверхностью. ИФЖ. - т. XLIX, №4,- с. 685.

26. Поляев В.М., Фалеев В.В., Дроздов И.Г. О фильтрации в пористом клине при наличии локальных зон. Изв. вузов. Машиностроение, 1989, № 8, с. 56 - 60.

27. Жучков А.В., Шитов В.В., Бараков Р.А. Исследование процессов формирования и движения тонкого псевдоожиженного слоя. -Теплоэнергетика. Межвуз. сборник научн. тр. Воронеж, 1999, с. 166 — 169.

28. Жучков А.В. Приближенный расчет производительности аэрожелоба. Изв. вузов. Химия и химическая технология, 1987, т. 30, №6, с. 106- 109.

29. Жучков А.В. Направленное движение псевдоожиженного слоя вдоль газораспределительной решетки. Теплообмен в энергетических установках и повышение эффективности их работы: Сб. научн. тр. Воронеж: ВПИ, 1988, с. 4 9.

30. Бубенчиков A.M., Старченко А.В. Численное исследование аэродинамики в установке с циркулирующим кипящим слоем. Изв. вузов. Физика, 1993, № 4, с. 63 - 68.

31. Чуханов И.З. Высокоскоростной метод интенсификации конвективного переноса тепла и вещества. Изв. АНСССР, ОТН, 1947, №10, с. 1341 - 1356.

32. Агапов Ю.Н. Разработка высокоэффективного регенеративного теплообменника с центробежным слоем для использования теплоты отходящих газов теплотехнологических установок: Автореф. Дис. . канд. техн. наук. -М. 1986. - 19 с.

33. Баранников Н.М., Агапов Ю.Н. Экспериментальное исследование гидродинамики теплообменника с подвижной насадкой. В кн.: Механизация работ на рудниках. - Кемерово, 1982, с. 77 - 79.

34. Агапов Ю.Н., Борисов А.В. Экспериментальное исследование гидродинамики жалюзийных газораспределительных решёток. -Изв. вузов, Энергетика, 1982, № 12, с. 99 101.

35. Баранников Н.М., Агапов Ю.Н. Экспериментальное исследование гидродинамики теплообмена с подвижной насадкой. Изв. вузов. Энергетика, 1983, № 8, с. 107 - 108.

36. Баранников Н.М., Критериальное уравнение для исследования гидродинамики теплообмена с подвижной насадкой. Изв. вузов. Горный журнал, 1981, № 11, с. 106 - 111.

37. Агапов Ю.Н. и др. Исследование движения псевдоожижен-ного слоя вдоль наклонной газораспределительной решётки. ТОХТ, 1986, т. XX, № 1, с. 111 - 115.

38. Гельперин Н.И., Кваша В.Б., Айнштейн В.Г. Межфазный теплообмен в псевдоожиженных системах. Химическая промышленность, 1971, №6, с. 460-466.

39. Псевдоожижение / Под ред. И. Девидсона и Д. Харрисона. -М.: Химия, 1974,- 728 с.

40. Горбис З.Р., Календарьян В.А. Теплообменники с проточными дисперсными теплоносителями. М.: Энергия, 1975. - 296 с.

41. Ключников А.Д., Иванцов Г.П. Теплопередача излучением в огнетехнических установках. М.: Энергия, 1970. - 400 с.

42. Баскаков А.П., Сыромятников Н.И. Упрощённый метод расчета времени прогрева материала в кипящем слое. Изв. вузов. Энергетика, 1959, № 8, с. 75 -81.

43. Тимофеев В.Н. Регенеративный теплообмен. Теплопередача в струйном потоке. Теплообмен в слое кусковых материалов. В кн.: Сб. научн. тр. ВНИИМГ. - Свердловск: 1962, № 8.

44. Китаев В.И. Теплообмен в доменных печах. М.: Металлургия, 1966.

45. Забродский С.С. Гидродинамика и теплообмен в псевдо-ожиженном слое. М.: Госэнергоиздат, 1963. - 487 с.

46. Сыромятников Н.И., Васанова JI.K., Шиманский Ю.И. Тепло- и массообмен в кипящем слое. -М.: Химия, 1967. — 176 с.

47. Ключников А.Д., Кузьмин В.Н. Параметры псевдоожижен-ного (кипящего) слоя и однородность конечного температурного состояния частиц слоя. Изв. вузов. Энергетика, 1969, № 1, с. 72-77.

48. Комиссаров В.М. Исследование рабочих процессов высокотемпературных теплообменников с движущейся насадкой: Автореф. Дисс. канд. техн. наук. Л., 1967. - 18 с.

49. Рабинович В.Д. Расчет теплообменного аппарата типа « газовзвесь ». В кн.: Тепло- и массообмен в сушильных и термических процессах. Минск, 1966, с. 164 - 185.

50. Рабинович Г.Д. Теория и расчет теплообменных аппаратов. Минск, Наука и техника, 1963.

51. Комиссаров В.М., Рехвиашвили Э.Р. Исследование квазистационарного теплообмена во вращающемся регенеративном воздухоподогревателе с шаровыми насадочными элементами. Инж. - физ. журн., 1984, т. Х1У1, № 5, с. 790 - 796.

52. Жучков А.В. и др. Теплообмен в аппарате с направленно перемещающемся псевдоожиженным слоем. Изв. вузов. Энергетика, 1986, №7, с. 63 -68.

53. Псевдоожижение / Под ред. Н.И. Гельперина. М.: Химия, 1974.-725 с.

54. Агапов Ю.Н. и др. Расчет межфазного теплообмена в перемещающемся псевдоожиженном слое. Теплообмен в энергетических установках и повышение эффективности их работы: Сб. научн. тр. - Воронеж, ВПИ, 1987, с. 4-7.

55. Botterill J.S.M. . Bessant D.J. Jnternational Fludiation confer-enses. Asilomar, California, 1975, in Fludiation Technology, Ed. Kearns, Vol.2, Hemisohere Publishing Co., p.7.

56. Rowe P.N. Yocomo C.X.R. Chem. Eng. Sci., 31, 1976, p. 1179.

57. Теплоэнергетика и теплотехника: одие вопросы / Под. ред. В.А. Григорьева и В.М. Зорина: М.: Энергия, 1980 - 528 с.

58. Флетчер К. Вычислительные методы в динамике жидкостей: В 2-х томах: Пер. с англ. М.: Мир, 1991. - 504 с, с. Ил.

59. Патанкар С. Численные методы решения задачи теплообмена и динамики жидкости: Пер. с англ. М. Энергоатомиздат, 1984 -154 с. с Ил.

60. Бараков Р.А. Исследование процессов теплообмена в перемещающемся псевдоожиженном слое // Теплоэнергетика: Межвуз. сборник научных трудов: Воронеж. ВГТУ, 1999. с. 208 -210.

61. Бараков Р.А. Моделирование процессов теплообмена в перемещающемся псевдоожиженном слое // Современные проблемы информатизации: Тез. докл. международн. науч. конф. Воронеж. ВГПУ, 1993, с. 131 132.

62. Фалеев В.В. Бараков Р.А. Исследование регенеративного теплообменного аппарата с дисперсным промежуточным теплоносителем // Теплофизика горения и охрана окружающей среды: Сб. трудов. -Рыбинск, 1999. С. 38-39.

63. Захаров Ю.В., Лебедев О.Н. Два простых метода измерения расхода газ. Энергомашиностроение, 1960, №3, с. 41 - 43.

64. Кутателадзе С.С., Ляховская Д.И., Пермяков В.А. Моделирование теплоэнергетического оборудования. М.: Энергия, 1966, -350 с.

65. Мысак И.С., Мосейчук Р.Н., Грошек К.С. Определение расхода среды с помощью интегральных трубок. Энергетик, 1975, №5, с. 28.

66. Агапов Ю.Н. Экспериментальная установка для исследования теплообменника с псевдоожиженным слоем. Экономия энергоресурсов и повышение технико-экономических показателей энергетических систем и устройств: Тез. докл. конф.: Воронеж, 1982, с. 68 69.

67. Зайдель A.M. Элементарные оценки ошибок измерений. -Л.: Наука, 1968.-96 с.

68. Ключников А.Д. Теплотехническая оптимизация топливных печей. —М.: Энергия, 1974. 343 с.

69. Тебеньков Б.П. Рекуператоры для промышленных печей. -М.: Металлургия, 1975. 296 с.

70. Ильин И.Н., Бекманис И.В. 'Оптимизация рекуперативных теплообменных аппаратов разных классов на ЭВМ. Изв. А.Н. Латв. ССР. Сер. физ. и техн. наук, 1983, №3, с. 51-56.

71. Бекманис И.В. Разработка методики оптимизации рекуперативных теплообменников по обобщенным характеристикам и средней скорости потока: Автреф. Дисс. канд. техн. наук. М., - 22 с.

72. Агапов Ю.Н., Сидельковский Л.Н. об эффективной высоте псевдоожиженного слоя в регенеративном теплообменнике. В. кн.: Состояние и перспективы развития электротехнологии. Тез. докл. Всесоюзной конф., Иваново, 1985, с. 101.

73. Проектирование, монтаж и эксплуатация теплообменных установок /A.M. Бакластов, В.А. Горбенко, П.Т. Удима / Под ред. A.M. Бакластова. -М.: Энергоиздт, 1981. -336 с.

74. Аронов И.З. Использование тепла уходящих газов газофи-цированных котельных. -М.: Энергия, 1967. 192 с.

75. Лапидус А.С. Бибор критериев для инженерно-экономической оптимизации теплообменных аппаратов // Химическое и нефтяное машиностроение. 1977. - №2 с. 34 - 37.

76. Майоров В.В., Майрова Л.П. Оптимальная скорость принудительной циркуляцией в аппаратах выпарных станций // Теплообмен в энергетических установках и повышение эффективности их работы. Воронеж: ВПИ, 1987. с. 93 - 101.

77. Агапов Ю.Н., Сидельниковский JI.H. Сравнение эффективности газораспределительных решеток аппаратов с тонким псевдо-ожиженным слоем // Теплообмен в энергетических установках и повышение эффективности их работы: Воронеж: ВПА, 1987 с. 9 - 13.

78. Диксон C.JT. Механика жидкости и газов. Термодинамика турбомашин. М.: Машиностроение, 1981. - 212 с.

79. Бараков Р.А. К расчету аппарата с перемещающимся псев-доожиженным слоем дисперсного материала // Современные аэрокосмические технологии. Труды научно-технич. конференции молодых ученых, аспирантов и студентов. Воронеж, 2000. с. 106-107.

80. Фалеев В.В., Бараков Р.А. Экспериментальное исследование гидродинамики и теплообмена в перемещающемся псевдоожижен-ном слое // Вестник ВГТУ. Сер. Энергетика. Воронеж, 2001. Вып.1 -с. 28-31.

81. Фалеев В.В., Бараков Р.А. Экспериментальное исследование регенеративного теплообменного аппарата с дисперсным промежуточным теплоносителем // Теплофизика горения и охрана окружающей среды: ст. научн. трудов. Рыбинск; РГАТА, 2001. с. 113-115.