Тепломассообмен в аппарате с трехфазным центробежным псевдоожиженным слоем тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.14.04, кандидат технических наук Медведев, Дмитрий Игоревич

• Медведев, Дмитрий Игоревич
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Медведев, Дмитрий Игоревич

ВВЕДЕНИЕ

ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

1 ХАРАКТЕРИСТИКИ ТРЕХФАЗНОГО ПСЕВДООЖИЖЕННОГО 10 СЛОЯ

1.1 Особенности трехфазного псевдоожиженного слоя

1.2 Гидродинамические закономерности трехфазных систем

1.3 Процессы тепло- и массообмена в трехфазном псевдоожиженном 35 слое

1.4 Анализ существующих схем и конструкций аппаратов с 46 трехфазным псевдоожиженным слоем

1.5 Выводы и задачи исследования

2 ФОРМИРОВАНИЕ, ГИДРОДИНАМИКА И 61 ТЕПЛОМАССООБМЕН В ЦЕНТРОБЕЖНОМ ТРЕХФАЗНОМ ПСЕВДООЖИЖЕННОМ СЛОЕ

2.1 Особенности процесса формирования и движения 61 центробежного трехфазного псевдоожиженного слоя

2.2 Температурные поля охлаждающего агента и охлаждаемой 77 жидкости

2.3 Моделирование процессов гидродинамики и тепломассообмена в 80 центробежном трехфазном псевдоожиженном слое

2.4 Выводы

3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ГИДРОДИНАМИКИ 85 И ТЕПЛОМАССООБМЕНА В ЦЕНТРОБЕЖНОМ ТРЕХФАЗНОМ ПСЕВДООЖИЖЕННОМ СЛОЕ

3.1 Методика исследования и описание экспериментального стенда

3.2 Экспериментальное исследование гидродинамики 93 центробежного трехфазного псевдоожиженного слоя

3.3 Экспериментальное исследование тепломассообмена 98 центробежного трехфазного псевдоожиженного слоя

3.4 Экспериментальное сравнение охладителя с центробежным 101 трехфазным псевдоожиженным слоем и вентиляторной градирни с пластинчатой насадкой

3.5 Выводы

4 РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ РАСЧЕТА И ОПТИМИЗАЦИЯ 115 ПАРАМЕТРОВ ОХЛАДИТЕЛЯ С ЦЕНТРОБЕЖНЫМ ТРЕХФАЗНЫМ ПСЕВДООЖИЖЕННЫМ СЛОЕМ

4.1 Методика расчета геометрических и режимных параметров 115 охладителя

4.2 Определение оптимальных параметров охладителя

4.3 Сравнение эффективности аппаратов для охлаждения жидкости

4.4 Выводы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «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 тепло- и 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. № 01200117677.

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 слоя; моделирование процессов гидродинамики и тепломассообмена в центробежном трехфазном псевдоожиженном слое; расчет температурных полей в жидкой и газообразной фазах; экспериментальное исследование процессов гидродинамики и тепломассообмена центробежного трехфазного псевдоожиженного слоя, а также практическое сравнение аппарата с центробежным трехфазным псевдоожиженным слоем и вентиляторной градирни с пластинчатой насадкой; оптимизация 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.

Заключение диссертации по теме «Промышленная теплоэнергетика», Медведев, Дмитрий Игоревич

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.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Медведев, Дмитрий Игоревич, 2005 год

1. Псевдоожижение Текст. / под ред. В.Г. Айнштейна, А.П. Баскакова. -М.: Химия, 1991.-397 с.

2. Дэвидсон, И.Ф. Псевдоожижение твердых частиц Текст. / И.Ф. Дэвидсон, Д. Харрисон; пер. с англ. В.Г. Айнштейн. М.: Химия, 1965. - 184 с.

3. Ostergaard К. // Advances in Chemical Engineering. London - New York.: Academic Press, 1968. - P. 71-75

4. Massimilla L., Solimando A., Squillace E. // Brit. Chem. Eng. And Process Technol. 1961. - V. 6. - P. 632-637

5. Adlington D., Thompson E. // Proc. 3rd European Symposium Chem. React. Eng. Oxford.: Pergamon Press, 1965. - P. 203-207

6. Davidson J.F., Harrison D. Fluidized Particles. Cambridge University Press, 1963.-390 p.

7. Viswanathan S., Kakar A.S., Murti P.S. // Chem. Eng. Sei., 1965. V.20. - P. 903-905

8. Вайль, Ю.К. Газосодержание в трехфазных псевдоожиженных слоях Текст. / Ю.К. Вайль, Н.Х. Манаков, В.В. Маншшпш // Химия и технология топлив и масел. 1969. - № 8. - С. 4-8

9. Lee J. // Proc. 3rd European Symposium Chem. React. Eng. Oxford.: Pergamon Press, 1965. - P. 211-216

10. Rigby G.R., Capes C.E. Expansion of a layer and hydrodynamical trace of bubbles at three-phase pseudo-liquefied layer // Chem. Eng. Sei., 1970. V.48. - P. 343-346

11. Diboun M., Schurgerl K. // Chem. Eng. Sei., 1967. V.22. - P. 147-149

12. Stewart P.S.,Davidson J.F. //Chem. Eng. Sei., 1964. V.19.-P. 319-323

13. Левш, И.П. Тарельчатые абсорберы и скрубберы с псевдоожиженным (подвижным) слоем Текст. / И.П. Левш, А.К. Убайдуллаев. Ташкент: Узбекистан, 1981. - 236 с.

14. Абсорбция и пылеулавливание в производстве минеральных удобрений Текст. / под ред. И.П. Мухленова. М.: Химия, 1987. - 208 с.

15. Douglas W. // Chem. Eng. Progr., 1964. V.60, № 7. Р. 66-71

16. Остергард, К. Псевдоожижение Текст. / К. Остергард; под ред. И.Ф. Дэвидсон, Д. Харрисон; пер. с англ. Н.И. Гельперин. М.: Химия, 1974. - 681 с.

17. Гельперин, Н.И. Структура потоков и эффективность колонных аппаратов химической промышленности Текст. / Н.И. Гельперин, B.JI. Пебалк, А.Е. Костанян. М.: Химия, 1977. - 261 с.

18. Заминян, A.A. Абсорберы с псевдоожиженной насадкой Текст. / A.A. Заминян, В.М. Рамм. М.: Химия, 1980. - 184 с.

19. Берд, Р. Явления переноса Текст. / Р. Берд, В. Стьюард, Е. Лайтфут; пер. с англ. Н.М. Жаворонков. М.: Химия, 1975. - 687 с.

20. Айнштейн, В.Г. Скорости начала псевдоожижения и витания сферических частиц Текст. / В.Г. Айнштейн // Химия и химическая технология. 1994. - Т. 39. - вып. 6. - С. 96-99

21. Шерстобитов, В.В. Гидравлические характеристики лопастной плавающей насадки Текст. / В.В. Шерстобитов, Г.Г. Михайпенко, АЛО. Винаров // Химическая промышленность. 1980. - № 7. - С. 433-435

22. Рамм, В.М. Абсорбция газов Текст. / В.М. Рамм. М.: Химия, 1976. -656 с.

23. Гельперин, Н.И. Основные процессы и аппараты в химической технологии Текст. / Н.И. Гельперин. М.: Химия, 1981. - Кн. 2. - 811 с.

24. Тодес, О.М. Аппараты с кипящим слоем Текст. / О.М. Тодес, О.Б. Цитович. Л.: Химия, 1981.-296 с.

25. Ковенский, Г.И. Управляемое псевдоожижение Текст. / Г.И. Ковенский. Минск: АНК ИТМО НАНБ, 1999. - 144 с

26. Рамм, В.М. Теплообменные аппараты Текст. / В.М. Рамм. М.: Химия, 1976.-248 с.

27. Гельперин, Н.И. Основы техники псевдоожижения Текст. / Н.И. Гельперин, В.Г. Айнштейн, В.В. Квакша. М.: Химия, 1967. - 664 с.

28. Баскаков, А.П. Процессы тепло- и массо- переноса в кипящем слое Текст. / А.П. Баскаков, Б.В. Берг, А.Ф. Рыжков. М.: Металлургия, 1978. - 320 с.

29. Кунии, Д. Промышленное псевдоожижение Текст. / Д. Кунии, О. Левеншпиль. М.: Химия, 1976. - 448 с.

30. Расчеты аппаратов кипящего слоя Текст.: справочник / под ред. И.П. Мухленов, B.C. Сажин, В.Ф. Фролов. Л.: Химия, 1986. - 352 с.

31. Новиков, А.И. Конические скрубберы с псевдоожиженной шаровой насадкой для очистки газов Текст. / А.И. Новиков, А.П. Скворцов, В.А. Кишкаров // Химическая промышленность. 1974. -№ 11. - С. 846-849

32. Махорин, К.Е. Сжигание топлива в псевдоожиженном слое Текст. / К.Е. Махорин, П.А. Хинкис. К.: Наукова думка, 1989. - 204 с.

33. Дудник, А.Н. Газификация энергетических углей в кипящем слое и потоке с циркуляцией твердой фазы Текст.: дис. канд. техн. наук / Дудник А.Н. -Киев, 1995.-218 с.

34. Лойцянский, Л.Г. Механика жидкости и газа* Текст. / Л.Г. Лойцянский. -М.: Наука, 1973.-843 с.

35. Агапов, Ю.Н. Исследование движения псевдоожиженного слоя вдоль наклонной газораспределительной решетки Текст. / Ю.Н. Агапов, A.B. Жучков, A.B. Бараков // ТОХТ. Т. 20, № 1. - С. 111-115

36. Бараков, A.B. Гидродинамика и теплообмен в направленно перемещающемся псевдоожиженном слое автореф. дис. канд. техн. наук / Бараков Александр Валентинович. М., 1983. - 14 с.

37. Неганов, А.П. Воздухоподогреватели с кипящим слоем промежуточного теплоносителя Текст.: автореф. дис. канд. техн. наук / Неганов А.П. М., 1983. -14 с.

38. Боттерил, Д.Ж. Теплообмен в псевдоожиженном слое Текст. / Д.Ж. Боттерил. -М.: Энергия, 1978. -21 с.

39. Гухман, A.A. Применение теории подобия к исследованию процессов тепло- и массообмена. Процессы переноса в движущейся среде Текст. / A.A. Гухман. М.: Высшая школа, 1967. - 303 с.

40. Баранников, Н.М. Экспериментальное исследование гидродинамики теплообменника с подвижной насадкой Текст. / Н.М. Баранников, Ю.Н. Агапов // Механизация работ на рудниках. Кемерово, 1982. - С. 77-79

41. Шенк, X. Теория инженерного эксперимента Текст. / X. Шенк. М.: Мир, 1975.-378 с.

42. Агапов, Ю.Н. Определение порозности тонкого направленно перемещающегося вдоль наклонной газораспределительной решетки псевдоожиженного слоя Текст. / Ю.Н. Агапов, A.B. Бараков, A.B. Жучков // Химическая промышленность. 1984. № 2. - С. 48-49

43. Зайдель, А.Н. Элементарные оценки ошибок измерений Текст. / А.Н. Зайдель. Л.: Наука, 1986. - 96 с.

44. Агапов, Ю.Н. Использование псевдоожиженного слоя в качестве промежуточного теплоносителя в регенеративных теплообменниках Текст. / Ю.Н. Агапов // Межвузовский, сб. трудов. № 29. - М.: Моск. Энерг. ин-т, 1984.-С. 125-131

45. Абрамов, H.H. Водоснабжение Текст. / H.H. Абрамов. М.: Стройиздат, 1982. - 440 с.

46. Теплоэнергетика и теплотехника Текст. / справочник // под ред.В.А. Григорьева, В.М. Зорина. М.: Энергия, 1980. - 528 с.

47. Диксон, С.Л. Механика жидкости и газов. Термодинамика турбомашин Текст. / C.JI. Диксон. М.: Машиностроение, 1981. - 212 с.

48. Каневец, Г.Е. Теплообменники и теплообменные системы Текст. / Г.Е. Каневец. Киев: Наукова думка, 1982. - 272 с.

49. Ключников, А.Д. Теплотехническая оптимизация топливных печей Текст. / А.Д. Ключников. М.: Энергия, 1974. - 343 с.

50. Бубенчиков, А.М. Численное исследование характеристик неоднородного псевдоожиженного слоя Текст. / А.М. Бубенчиков, А.В. Старченко // ИФЖ. 1993. - Т. 65. № 2. - С. 178-183

51. Шаталов, Б.И. О фазовой структуре и моделировании псевдоожиженного слоя Текст. / Б.И. Шаталов // Химическая промышленность. 1992. - № 5. - С. 47-50

52. Степанов, Л.В. Управление перемешиванием дисперсных частиц в псевдоожиженном слое Текст. / JI.B. Степанов // Химическая промышленность. 1991. - № 4. - С. 46-48

53. Теплицкий, Ю.С. О теплообмене между псевдоожиженным слоем и телами малых размеров Текст. / Ю.С. Теплицкий // ИФЖ. 1994. - Т. 67. № 5-6.-С. 428-432

54. Айнштейн, В.Г. Размеры твердых частиц. Обобщенные связи скоростей ожижающего агента и размеров частиц Текст. / В.Г. Айнштейн // Химия и химическая технология. 1994. - Т. 39. - вып. 6. - С. 100-103

55. Матур, К. Фонтанирующий слой Текст. : пер. с англ. / К. Матур, Н. Эпстайн. Л.: Химия, 1978. - 288 с.

56. Агапов, Ю.Н., Моделирование процессов теплообмена в центробежном псевдоожиженном слое Текст. / Ю.Н. Агапов, Д.И. Медведев // Системы управления и информационные технологии : сб. научн. трудов. Москва-Воронеж: Научная книга, 2004. -№ 2 (14). - С. 54-58.

57. Патент 1Ш 36262 Ш 7 О 01 Э 47/14. Аппарат с подвижной насадкой / Фалеев В.В., Агапов Ю.Н., Медведев Д.И. (РФ); Воронеж., гос. техн. ун-т (РФ), № 2003102781, заявлено 03.02.2003г. - Опубл. 10.03.2004г., Бюл. № 7,2 с.