авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Использование труб фильда в аппаратах системы комплексной утилизации тепловых отходов высокотемпературных установок

На правах рукописи

Ву Ван Чьен ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТРУБ ФИЛЬДА В АППАРАТАХ СИСТЕМЫ КОМПЛЕКСНОЙ УТИЛИЗАЦИИ ТЕПЛОВЫХ ОТХОДОВ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ УСТАНОВОК Специальность 05.14.04 – Промышленная теплоэнергетика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва – 2012

Работа выполнена на кафедре «Тепломассообменных процессов и устано вок» Федерального государственного бюджетного учреждения высшего про фессионального образования «Национальный исследовательский университет «МЭИ».

Научный консультант: кандидат технических наук, доцент Глазов Василий Степанович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Яновский Леонид Самойлович ЦИАМ им. Баранова П.И., начальник отдела двигателей и химмотологии кандидат технических наук Сараф Борис Алексеевич ОАО ВНИИАМ, главный научный сотрудник

Ведущая организация: Московский Государственный Университет Леса (МГУЛ)

Защита диссертации состоится «24» мая 2012 г. в 15 час. 30 мин. в аудито рии Г-406 на заседании диссертационного совета Д 212.157.10 при ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ» по адресу:111250, г. Москва, ул. Красноказарменная, дом 17.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью организа ции, просим присылать по адресу: 111250, г. Москва, Красноказарменная ули ца, дом 14, Ученый Совет ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ».

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ».

Автореферат разослан « » апреля 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.157. к.т.н., доцент Степанова Т. А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Значительные масштабы энергоиспользования при низком уровне эффективности потребления энергоресурсов является характерной чер той для высокотемпературных технологий. Так, анализ использования топлив ных ресурсов при производстве стекла показывает, что лишь 70 % затраченной энергии в современных стекловаренных установках используется в процессе плавления и переработки стекла. Из этих 70%, только 40 % энергии, получен ной при сжигании топлива, поступает на плавление технологического материа ла, в то время как 60 % теряется через наружные ограждения установки и c на гретыми дымовыми газами.

Обзор существующих схем утилизации тепловых отходов, повышающих энергетическую эффективность стекловаренных, электродуговых и нагрева тельных печей, показал, что основным способом, повышающим энергетиче скую эффективность высокотемпературных установок (ВТУ) является исполь зование теплоты уходящих газов для подогрева окислителя. Не менее эффек тивным энергосберегающим мероприятием, обеспечивающим глубокую реге нерацию теплоты газовых отходов, является их утилизация посредством термо химической регенерации, а также предварительный подогрев шихты или ис ходного материала теплоносителем, поступающим из студочной зоны стекло варенной установки, или газами, выходящими из ванны электродуговой печи.

Для повышения компактности и эффективности аппаратов, применяемых в энергосберегающих схемах ВТУ, вместо гладких прямых труб могут быть ис пользованы трубы Фильда. Обоснование такой замены часто проводится по ре зультатам математического моделирования на одномерных моделях с сосредо точенными или распределенными параметрами. Погрешность такого моделиро вания может быть довольно значительной, поэтому для более точного расчета требуется разработка двух- и трехмерных моделей с распределенными пара метрами.

Таким образом, разработка более точных моделей тепловых процессов, протекающих в трубах Фильда, определение области эффективного их исполь зования в аппаратах системы комплексной утилизации тепловых отходов ВТУ является актуальной задачей.

Цель работы. Выявить условия и определить область энергоэффективного применения труб Фильда в составе аппаратов и систем комплексной утилиза ции тепловых отходов высокотемпературных установок.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Выбрать инструмент моделирования и провести его тарировку на приме ре решения сопряженной задачи теплообмена для расчета устройства типа "труба в трубе". Разработать двумерные модели аппаратов типа "труба в трубе" и трубы Фильда, а также дать оценку их теплообменным характеристикам.

2. Разработать экспериментальный стенд и исследовать теплогидродинами ческие параметры процесса в устройстве, оснащенном трубой Фильда, при умеренных температурах теплоносителей.

3. Сопоставить экспериментальные данные с результатами численных ис следований, полученных в вычислительном комплексе PHOENICS, и опреде лить модель турбулентности наилучшим образом описывающей исследуемый процесс в устройстве, оснащенном трубой Фильда.

4. Разработать численно-аналитический метод расчета теплообмена в ци линдрическом канале, содержащем трубу Фильда, и выполнить проверку полу чаемых результатов на соответствие экспериментальным данным.

5. Разработать трехмерную модель процесса, протекающего в камере вто ричного дожигания, оснащенной реакционными элементами в виде труб Филь да для утилизации теплоты продуктов сгорания и получения синтез-газа путем термохимической регенерации.

6. Исследовать целесообразность использования в энергосберегающей схе ме стекловаренной установки комплексную утилизацию теплоты отходящих газов и расплава стекломассы для подогрева окислителя, шихты и получения вторичного топлива (синтез-газа) посредством термохимической регенерации.



Объектом исследования являются аппараты систем утилизации теплоты высокотемпературных установок, в конструкции которых используются трубы Фильда.

Предметом исследования являются процессы, протекающие в аппаратах энергосберегающей системы высокотемпературной установки, оснащенных трубами Фильда, а также условия повышения их энергоэффективности.

Научная новизна:

Впервые с учетом зависимости теплофизических свойств теплоносителей от температуры разработан численно-аналитический метод, позволяющий определить распределение температуры и плотности тепловых потоков в трехканальном теплообменнике, представляющем собой трубу Фильда в цилиндрическом канале.

Разработана математическая модель, позволяющая проводить численные исследования теплогидродинамического процесса в трехканальном теплооб меннике с учетом разных k- моделей турбулентности. Установлено, что наи более точное описание исследуемого процесса получено при использовании k модели турбулентности Мураками, Мочида и Кондо (КЕММК).

Разработан экспериментальный стенд и проведено исследование тепло гидродинамического процесса в трехканальном теплообменнике. Установлено, что результаты расчета, полученные численнно-аналитическим методом и в ходе численного моделирования в пакете PHOENICS, удовлетворительно согласуются друг с другом. Отклонение расчетных значений температуры стен кольцевых каналов от данных эксперимента не превышают 3.1 и 1.7 %, соответственно для первого и второго вариантов расчета. Поэтому разработанный численнно-аналитический метод расчёта и 3D модель теплогидродинамического процесса в рассматриваемом теплообменнике могут быть использованы для анализа его функциональных характеристик.

Впервые разработана трехмерная модель процесса, протекающего в каме ре дожигания, оснащенной реакционными элементами в виде труб Фильда для утилизации теплоты продуктов сгорания и получения синтез-газа путем термо химической регенерации. Использование труб Фильда с центральной каталити ческой трубкой вместо прямых гладких катализированных труб увеличивает количество конвертированного газа в 1.7 раза и снижает температуру продук тов сгорания на выходе из камеры вторичного дожигания на 15.8 %.

Установлены границы области энергоэффективного использования труб Фильда в студочной зоне стекловаренных установок производительностью в 16, 160 и 300 т/сут.

На примере стекловаренной установки, производительностью 16 т/сут, показана целесообразность применения комплексной утилизации её тепловых отходов. Предлагаемая энергосберегающая система предполагает использова ние теплоты отходящих газов и расплава для подогрева окислителя и шихтовых материалов, а также получения синтез-газа посредством термохимической ре генерации, что позволяет снизить расход топлива на 33 % по сравнению с тер мической регенерацией отходящих газов для подогрева окислителя.

Достоверность полученных в диссертационной работе результатов и выво дов базируются на корректном использовании современных прикладных про грамм для численных исследований (MathCAD, PHOENICS и Fluent), методов проведения натурных исследований и их обработки, а так же на хорошем со гласовании с результатами экспериментов и численных исследований других авторов.

Практическая ценность.

Полученные в работе результаты позволяют:

Использовать разработанные модели и численнно-аналитический метод расчета тепло- и массообмена при проектировании теплообменных и реакционных аппаратов на основе труб Фильда для энергосберегающих систем ВТУ.

Определить режимные параметры студочной зоны стекловаренной установки в соответствии с областью энергетической эффективности труб Фильда, ограниченной технологическими требованиями.

Снизить расход топлива для получения единицы технологического про дукта и, следовательно, уменьшить капиталоемкость теплотехнического обору дования и снизить вредное воздействие технологических процессов на окру жающую среду.

Основные положения, выносимые на защиту:

Результаты моделирования и сопоставительного анализа тепловой эффективности трубы Фильда и теплообменника типа «труба в трубе».

Численно-аналитический метод расчета теплообмена для трехканально го теплообменника в виде цилиндрического канала, содержащего трубу Филь да. Данный метод позволяет, не прибегая к использованию дорогих и ресурсо емких CFD пакетов, определить изменение температуры стен каналов и тепло носителей вдоль данного устройства с учетом зависимости их теплофизиче ских свойств от температуры.





Результаты натурных и численных экспериментов по моделированию теплообмена в цилиндрическом канале с трубой Фильда.

Результаты численного моделирования тепло- и массообмена в камере дожигания, оснащенной трубами Фильда с каталитической центральной труб кой для получения синтез-газа и утилизации теплоты продуктов сгорания.

Результаты расчетов энергетической эффективности использования в энергосберегающей системе стекловаренной установки комплексную утилиза цию теплоты отходящих газов и расплава стекломассы для подогрева окисли теля, шихты и получения вторичного топлива (синтез-газа) посредством термо химической регенерации.

Апробация работы. Основные положения работы, результаты теоретиче ских и расчетных исследований докладывались и обсуждались на XVI-XVIII международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов.

Радиоэлектроника, электротехника и энергетика (Москва, 2010-2012 гг.);

Публикации. Материалы, отражающие содержание диссертационной рабо ты и полученные в ходе ее выполнения, представлены в 9 публикациях, две из которых опубликованы в журналах рекомендуемых ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, за ключения и двух приложений. Основной текст диссертации изложен на страницах машинописного текста, который содержит 56 рисунков, 50 таблиц и список литературы, включающий 66 наименований. Общий объем работы со ставляет 189 страниц.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность темы диссертации. Поставлена цель и сформулированы задачи работы. Показана научная новизна и практическая ценность результатов работы.

В первой главе дан обзор энергоэффективных технологических схем высо котемпературных установок. Представлен анализ существующих схем утилиза ции тепловых отходов, повышающих энергетическую эффективность этих уста новок, который показал, что основным способом, повышающим энергетическую эффективность стекловаренных, электродуговых и нагревательных печей явля ется использование теплоты уходящих газов для подогрева окислителя. Не менее эффективным энергосберегающим мероприятием, обеспечивающим глубокую регенерацию теплоты газовых отходов, является их утилизация посредством термохимической регенерации, а также предварительный подогрев шихты или исходного материала теплоносителем, поступающим из студочной зоны стекло варенной установки, или газами, выходящими из ванны электродуговой печи.

В данной главе также рассмотрены различные варианты труб Фильда, указа ны области их использования и методы расчета.

Обзор существующих схем и тенденций позволил определить цель и сфор мулировать задачи данной работы.

Во второй главе сделан выбор инструмента для математического модели рования теплообменных процессов и проведена его тарировка на примере ре шения сопряженной задачи теплообмена для теплообменного аппарата типа "труба в трубе". Представлены двумерные модели теплообменников типа "тру ба в трубе" и трубы Фильда. Дана оценка их тепловой эффективности.

Сравнение результатов расчетов, выполненных по одномерной модели с сосредоточенными параметрами и двумерной модели с распределенными пара метрами, показало, что 1-ая модель может использоваться в инженерной прак тике для оценочных расчетов, когда погрешность в 11% не считается значи тельной. Для более точного расчета рекомендуется использовать двумерную модель с распределенными параметрами, которая может быть реализована в та ких вычислительных комплексах как PHOENICS или Fluent. Моделирование в CFD пакетах позволяет учитывать реальную форму аппарата, использовать раз личные модели турбулентности и зависимость теплофизических свойств тепло носителей от их температуры, давления и концентрации компонентов. Резуль татом такого расчета являются более точные значения полей температур, ско ростей и давлений. При этом, коэффициенты теплоотдачи могут быть опреде лены с помощью пристенных функций.

На рис. 1-2 представлены результаты расчета теплообмена в устройствах типа «труба в трубе» и трубы Фильда. Схема движения теплоносителей в кана лах – противоточная. Расходы и температуры теплоносителей на входе иссле дуемых моделей аппаратов – одинаковые. Сопоставление результатов расчетов по моделям, разработанным в программе PHOENICS, показало, что тепловая эффективность трубы Фильда в 1.3 раза превышает эффективность устройства типа «труба в трубе» и примерно в 1.7 раза из расчета на 1 кг металла трубы.

Рисунок 1 - Изменение средней темпе- Рисунок 2 - Изменение средней темпера ратуры теплоносителей в моделях туры жидкости в моделях «труба в тру «труба в трубе» и труба Фильда при бе» и труба Фильда при одинаковой тем одинаковой их длине пературе на выходе и разных длинах 2D модель (PHOENICS) 2D модель (Fluent) 1D модель (Mathematica) Горячий теплоноситель Горячий теплоноситель Горячий теплоноситель Холодный теплоноси- Холодный теплоноси- Холодный теплоноси тель в кольцевом канале тель в кольцевом канале тель в кольцевом канале Холодный теплоноси- Холодный теплоноси- Холодный теплоноси тель в центральном канале тель в центральном канале тель в центральном канале Рисунок 3 - Тестовые расчеты теплообмена в трубе Фильда при условиях ламинарного (а) и переходно-турбулентного (б) режимов: PHOENICS (автор), Fluent и Mathematica (Густаво Алонсо Рестрепо Монги).

В третьей главе представлены результаты экспериментальных и численных исследований теплообмена в трехканальном теплообменнике, состоящего из цилиндрического канала-кожуха и размещенного в нем трубы Фильда.

Экспериментальные исследо вания выполнены на стенде (рис.

4), содержащим трехканальный теплообменник, насос и термо стат, два контура для прокачки холодного и горячего теплоноси теля, измерительный комплекс ВИС.Т для определения расхода и температуры теплоносителей, а так же приборный шкаф с блоком хромель-алюмелевых термопар для определения температур стен Рисунок 4 –Экспериментальный стенд трубы Фильда.

Эксперименты были проведены при расходе горячего теплоносителя 0.3814 т/ч (0.106 кг/с), и вариации холодного теплоносителя в диапазоне 0.181 0.698 т/ч (0.05 0.194 кг/с). Значения температур теплоносителей на входе измерительных участков варьировались в интервалах 14 21 и 74 81 оС для хо лодного и горячего теплоносителей, соответственно. Относительная погреш ность измерения расхода, в рассматриваемом диапазоне составила 0,6 %. Абсо лютная погрешность измерения температуры рассчитывалась по выражению t = 0,6 + 0,004.t, где t - измеряемая температура. Относительная погрешность определения тепловой мощности не превышала 4 % во всем диапазоне разности температур холодного и горячего теплоносителей.

Численное моделирование в среде PHOENICS было проведено при геомет рических и режимных параметрах близких к экспериментальным. Для описания турбулентного течения в аппарате использовались модели: k- стандартная, KeChen (Чена и Кима) и КЕММК (Мураками, Мочида и Кондо).

Результаты экспериментальных и числительных исследований представле ны на рис.5. Видно, что изменение температуры поверхности внутренних стен кольцевых каналов качественно подтверждаются экспериментальными данны ми, а в количественном отношении наименьшее отклонение от данных экспе римента наблюдается при использовании модели КЕММК.

В табл. 1 и 2 сопоставлены значения температуры теплоносителей на входе и выходе рабочего участка, а также температуры поверхности стен кольцевого канала трубы Фильда, полученные в ходе натурного и вычислительного экспе риментов. Видно, что наименьшую погрешность по перепаду температуры те плоносителей (между входом и выходом) дает модель КЕММК, а наибольшую - модель KeChen.

Таблица 1 - Температуры теплоносителей на входе и выходе рабочего участка Холодный тракт Горячий тракт Вид исследова ния G х, т ч t х, o C t х', o C t х, оС t г, оС t, % G г, т ч t г, C t г, C ' ' 'o '' o tг, % Эксперимент 0.384585 14.57 20.32 5.75 - 0.381425 80.7 74.28 6.42 Стандартная PHOENICS- 0.384585 14.57 20.60 6.03 4.95 0.381425 80.7 74.42 6.28 2. k- модель k- модель 0.384585 14.57 20.55 5.98 4.07 0.381425 80.7 73.86 6.84 6. KeСhen k- модель 0.384585 14.57 20.52 5.95 3.42 0.381425 80.7 74.12 6.58 2. MMK tЭ tФ t Э 100 %, где Примечание: Погрешность t определена по формуле: t t Э, t Ф - разности температур теплоносителя на входе и выходе исследуемого уча стка, полученных соответственно в эксперименте и расчетом по программе PHOENICS.

Рисунок 5 – Результаты натурного и численного экспериментов Таблица 2 – Экспериментальные и расчетные значения температуры стен трубы Фильда в местах установки термопар Сечение 1 2 3 4 Координата (м) 0.025 0.175 0.325 0.475 0. t1.экс, oC 37.259 43.489 50.948 76.626 70. t1.стандартная k-, oC 36.693 45.22 49.27 69.903 62. t1. стандартная k-, % 1.52 3.98 3.29 8.77 11. t1.Кеchen, oC 30.435 40.15 49.024 69.75 62. t1. Кеchen, % 18.32 7.68 3.78 8.97 10. t1.KEMMK, oC 35.67 45.289 49.987 69.827 62. t1. KEMMK, % 4.26 4.14 1.89 8.87 11. t2.экс, oC 12.523 13.218 13.22 17.738 16. t2. стандартная k-, oC 15.132 15.163 15.469 15.982 16. t2. стандартная k-, % 20.83 14.71 17.01 9.90 4. t2. Кеchen, oC 15.218 15.227 15.584 16.167 16. t2. Кеchen, % 21.52 15.20 17.88 8.86 3. t2. KEMMK, oC 15.131 15.148 15.475 15.975 16. t2. KEMMK, % 20.83 14.60 17.06 9.94 4. Примечание: ti - температура на наружной (i=1) или внутренней (i=2) стенке трубы Филь да в заданном её сечении, ti - погрешность определения этой температуры (относительно экспериментальной) при использовании разных k- моделей турбулентности В четвертой главе представлены одномерная и трехмерная модели, процес сов, протекающие в трехканальном теплообменнике, состоящего из трубы Фильда и цилиндрического кожуха. Сопоставлены экспериментальные данные, полученные на лабораторном стенде, с результатами расчетов, выполненных численно-аналитическим методом, базирующимся на одномерной модели трех канального теплообменника, и его трехмерной модели, разработанной в среде PHOENICS. Сделан вывод о возможности использования экспериментального стенда для тарировки математических моделей теплового оборудования.

Численно-аналитический метод расчета трехканального теплообменника основан на аналитическом решении одномерной модели теплообмена при по стоянных теплофизических свойствах коэффициентов переноса и итерационных процедурах, корректирующих их значения в зависимости от температуры теп лоносителей. Основные допущения, используемые в одномерной модели с распределенными параметрами:

теплообмен протекает при доминирующем влиянии конвекции;

стенки труб имеют незначительное термическое сопротивление;

теплообмен в тупиковом конце трубы Фильда обеспечивает равенст во температуры теплоносителя на выходе из центральной трубки и на входе кольцевого канала.

Прямоточная или противоточная схема течений принята по относительному направлению входных потоков холодного и горячего теплоносителей. Начало координат распложено на оси внутренней трубы в точке, где начинается обог реваемый участок. Исходя из этого, температура теплоносителей на границе x = соответствует следующим выражениям:

Q для прямотока (1) t1 t'1 ;

t 2 t'3 ;

t3 t'3, Wx Q Q для противотока t1 t '1 (2) ;

t 2 t '3 ;

t3 t '3, Wг Wx где W = Gcp – водяной эквивалент, индекс 1 и «г» относятся к горячему теп лоносителю, 2 – к потоку холодного теплоносителя во внутреннем кольцевом зазоре, а 3 и «x» – к потоку в центральной трубе.

Постановка задачи представлена:

а) поверочным расчетом, когда известны расходы теплоносителей, их тем пературы при x = 0 и геометрические характеристики всех элементов устройст ва;

б) конструктивным расчетом, когда известны тепловая нагрузка, геометри ческие характеристики (кроме длины обогреваемого участка, которая является искомой величиной), заданы расходы и входные температуры теплоносителей.

В поверочном расчете искомыми величинами являются тепловая нагрузка Q, определяемая в итерационном процессе, и соответствующие ей выходные температуры теплоносителей.

Решение указанных выше задач основыва ется на решении системы дифференциальных уравнений, описывающих процессы тепло - и массопереноса для участка длиной dx трубы Фильда, дополненной начальными условиями (1) или (2). Схема потоков теплоты для элемен тарного участка трубы при прямотоке изобра жена на рис. Рисунок 6 - Схема потоков теплоты на участке dx для прямотока.

Система уравнений одномерного процесса теплообмена в трехканальном теплообменнике имеет вид:

dt dt dt A1( t1 t 2 ), A3 ( t 2 t3 ), A2 ( t 2 t1 ) A3 ( t 2 t3 ), (3) dx dx dx Алгоритм расчета данного процесса с учетом зависимости теплофизических свойств теплоносителей от температур реализован в среде FORTRAN, а результаты расчета для потоков с одинаковыми расходами теплоносителей и начальными экспериментальными данными представлены затемненными маркерами на рис.7 и в табл. 3.

Трехмерная модель трехканального теплообменника. Для оценки результатов расчета, полученных численно-аналитическим методом в вычислительном пакете PHOENICS разработана трехмерная осесимметричная математическая модель трехканального теплообменника.

Рисунок 7 - Изменение температуры теплоносителей и стен кольцевого канала вдоль рабочего участка Эта модель, позволяющая определить поля температур, скоростей и давлений, включает в себя уравнения неразрывности, движения, энергии, уравнение кинетической энергии и уравнение диссипации энергии при соответствующих граничных условиях и константах k- модели турбулентности MMK. Указанные уравнения в тензорном виде имеют общую форму:

d ( Фi ) div(i V i Фi Г ф i grad (Фi )) (4) Si dt где: t - время;

i - плотность i-ой фазы;

Фi - любая переменная i-ой фазы, такая как: энтальпия, момент на единицу массы, массовая доля химического компо нента, турбулентная энергия и т.д.;

Vi - вектор скорости i-ой фазы;

Гфi - диффу зионный коэффициент свойства Ф в i-ой фазе;

Si – источник свойства Ф.

Таблица 3. Экспериментальные и расчетные значения температур стен трубы Фильда в местах установки термопар Сечение 1 2 3 4 Координата (м) 0.000 0.033 0.183 0.333 0. T.ст1эк (К) эксперимент 343.22 349.62 328.99 321.45 315. T.ст1Ф (К) PHOENICS (3D-модель) 345.94 348.33 330.39 326.88 319. T.ст1пр (К) ЧАМ (1D-модель) 347.60 346.25 339.12 329.19 319. Tст1ф (%) 0.79 0.37 0.43 1.69 1. Tст1пр (%) 1.28 0.96 3.08 2.41 1. T.ст2эк (К) эксперимент 289.86 290.74 286.22 286.22 285. T.ст2Ф (К) PHOENICS (3D-модель) 289.01 288.85 288.38 288.13 288. T.ст2пр (К) ЧАМ (1D-модель) 289.70 289.51 288.69 288.10 287. Tст2ф (%) 0.29 0.65 0.76 0.67 0. Tст2пр (%) 0.24 0.23 0.11 0.01 0. Примечание: Тстiэк, TстiФ, Tстiпр – температура внешней (i=1) или внутренней (i=2) стенки кольцевого канала трубы Фильда, определенная в эксперименте, расчетом по про грамме PHOENICS и численно-аналитическим методом (ЧАМ).

Результаты расчета теплообмена в трехканальном теплообменнике по трех мерной математической модели также представлены на рис.7 не затемненными маркерами и в табл. 3. Здесь же приведены экспериментальные данные для од ного из режимов функционирования трубки Фильда при одинаковых расходах горячего и холодного теплоносителей 0,106 кг/c.

Согласно рис.7, наиболее интенсивно перенос теплоты происходит от горя чего теплоносителя к возвратному потоку холодного теплоносителя в кольце вом зазоре, при этом интенсивность теплопередачи остаётся практически посто янной по всей длине каналов из-за равенства расходов теплоносителей и проти воточной схемы движения горячего потока и возвратного холодного потока.

Из табл. 3 видно, что отклонение расчетных значений температуры стен кольцевых каналов от данных эксперимента не превышают 3.1 и 1.7 %, соответ ственно для 1-го и 2-го вариантов расчета.

Анализ изменения температуры теплоносителей показывает, что расчёты по одномерной и двумерной моделям дают близкие результаты (табл. 3) и позво ляют сделать вывод о слабом влиянии горячего теплоносителя на параметры потока в центральной трубе, для которой возвратный холодный поток является буферной зоной с большим термическим сопротивлением.

В пятой главе представлены результаты моделирования тепло- и массооб мена в камере дожигания (КД), оснащенной трубами Фильда. КД используется в теплотехнологических схемах электродуговых печей и печах малоокисли тельного нагрева с целью удаления продуктов неполного горения из состава от ходящих газов. Смесь этих газов поступает в КД с температурой 850-1200 оС После КД газовую смесь используют для подогрева воздуха горения (или предварительного подогрева шихтовых материалов).

В данной главе представлена математическая модель камеры дожигания, оснащенная трубами Фильда для организации ТХР и получения синтез-газа, который в дальнейшем может быть использован (в качестве вторичного топли ва) в теплотехнологическом процессе.

В нижней части камеры дожигания расположены входные патрубки для до жигаемой газовой смеси высокотемпературных продуктов сгорания и воздуха. В верхней части камеры находится выходное отверстие для продуктов сгорания. В камере есть перегородка, над которой располагается пучок труб Фильда. Перего родка служит для задания направления омывания продуктами сгорания труб Фильда и увеличения времени необходимого для выжигания СО и передачи теп лоты от горячего теплоносителя к холодному. Высокотемпературный поток про дуктов сгорания движется в свободном пространстве между трубками Фильда и нагревает их путем конвекции и излучения.

Парогазовая смесь движется по центральной внутренней трубке и нагревается от ее стенок путем конвекции и излучения. В тупиковой зоне трубы Фильда паро газовая смесь разворачивается и движется в противоположном направлении по кольцевому каналу, находясь в состоянии радиационно-конвективного теплооб мена со стенками внешней и внутренней трубок.

На поверхности внутренней каталитической трубки происходит эндотермиче ская реакция паровой конверсии метана. Получаемый конвертированный газ от водится из трубок Фильда в выходной канал и далее может быть использован в качестве топлива в технологическом процессе.

Температурное состояние каталитической трубки регулируется радиационно конвективным теплообменом, обусловленным прямым и обратным течениями смеси и излучением стенки внешней трубы.

Расчеты с использованием программного комплекса PHOENICS позволили определить величины, характеризующие процессы в камере дожигания, перепа ды температур и давлений, распределение локальных сопротивлений и коэффи циентов теплоотдачи. На рис. 8 дано изменение температуры холодного теплоно сителя в прямой трубе и в трубе Фильда.

Рисунок 8 - Изменение средней температуры парогазовой смеси по длине реактора:

а) гладкие трубы;

б) трубы Фильда.

Видно, что при общих равных условиях использование труб Фильда позволяет увеличить температуру парогазовой смеси со 150 оС до 416 оС, в то время как применение гладких труб повышает температуру смеси со 150 оС до 347 оС.

Следовательно, в первом варианте парогазовая смесь на выходе из камеры дожи гания имеет температуру на 69 градусов больше, чем во втором варианте.

На рис.9 видно, что массовая концентрация (m, %) монооксида углерода и во дорода в случае труб Фильда возрастает в 1.47 и 1.909 раз, соответственно, по сравнению с гладкими трубами. Концентрация водяного пара и метана снижается в 1-ом варианте в 1.57 и 3.75 раза, а во втором - 1.34 и 1.79 раза.

Рисунок 9 - Изменение состава парогазовой смеси по длине реактора: а) - гладкие тру бы;

б) - трубы Фильда;

(1-водяной пар, 2-монооксид углерода, 3-метан, 4-водород) В шестой главе определена область энергоэффективного использования труб Фильда в студочной зоне стекловаренной установки и проведен анализ энергоэф фективности различных утилизационных схем стекловаренной установки про изводительностью 16 т/сутки.

Поскольку при использовании труб Фильда температура воздуха, поступающе го из студочной зоны для подогрева шихты, может превысить значение, опреде ляемое технологией, вводится поправка, которая устанавливает область допусти мых значений этой температуры в диаграмме Хоанга Х.Х.

Верхней границей температуры воздуха, поступающего на подогрев шихты, принята температура 550 оС, т.к. при значениях, превышающих эту величину, на блюдается спекание шихтовых материалов, что недопустимо по технологическим причинам. Нижней границей является температура окружающего воздуха о (15 20 С). Задание для неё более высокой температуры, с целью снижения влаж ности шихты, нецелесообразно по технологическим причинам. Например, соглас но работе Р. Симса «Оптимизация конструкции и характеристик стекловаренной печи» уменьшение влажности шихты с 3 % до 0 % снижает потребность в энергии на 7 %, но вызывает проблемы с сегрегацией и повышением уноса в печи.

На рис. 10 представлена диаграмма Хоанга Х.Х, позволяющая по длине участка охлаждения расплава в студке определить параметры воздуха, поступающего на подогрев шихты, а также зона, в пределах которой тепловая эффективность труб Фильда является избыточной по технологическим причинам.

Рисунок 10- Зависимость длины L участка охлаждения стекломассы с температуры 1400 до 1200 оС и температуры t воздуха на выходе из труб Фильда от его скорости air и расхода расплава Ggl На рис. 11 представлены четыре схемы утилизации тепловых отходов ВТУ В1 - схема с термической регенерацией, в В2 - схема регенерации тепловых отходов, включающая утилизацию теплоты отходящих газов посредством пред которой в качестве регенеративного уст варительного подогрева шихты и окислителя, а так же ис ройства используется радиационный и пользование энтальпии воздуха, поступающего из труб конвективный рекуператоры Фильда, для подогрева шихты В3 - Схема с регенерацией тепловых отходов В4 -Схема регенерации тепловых отходов ВТУ посредст посредством термохимической регенерации и вом термохимической регенерации и использования систе мы предварительного подогрева окислителя и шихты за рекуперативного подогрева окислителя счет теплоты отходящих газов и расплава, соответственно.

Рисунок 11 – Исследуемые энергосберегающие схемы стекловаренной установки (пунк тиром обозначены устройства, оснащенные трубами Фильда): П – печь, Т-топливо, ОГ отходящие газы, ИМ-исходный материал (шихта), ВП1 и ВП2 –воздухоподогреватели 1 ой и 2-ой ступени, ТП-технологический продукт, ХВ и ГВ –холодный и горячий воздух, УГ-уходящие газы, КОС-камера охлаждения стекломассы, КПШ-камера подогрева ших ты, РПК-реактор паровой конверсии, ППГС-пароперегреватель Из анализа схемы В1 следует, что полезно использованная теплота, необхо димая для нагрева шихты и осуществления химических реакций стеклообразо вания, составляет менее четверти от общего расхода тепла. Остальная теплота теряется с высокотемпературными газовыми отходами и через технологический продукт стекловаренной установки.

На рис. 12 представлены данные по расходу топлива и КПИ стекловаренной установки для различных схем утилизации тепловых отходов. Из приведенных диаграмм видно, что использование комплексной схемы (В4) может обеспечить снижение расхода топлива на ~33% относительно исходной схемы с воздуш ной регенерацией (В1) и повысить КПИ на 22 %.

Рисунок12 - Диаграмма сравнения исходного расхода природного газа (а) и КПИ стекловаренной установки при различных схемах (б) На рис. 13 приведена сравнительная диаграмма расхода и экономии топлива при использовании разных схем утилизации тепловых отходов. Видно, что применение схемы В4 для установки производительностью 16 т/сут позволяет сэкономить топливо на 33 % по сравнению со схемой термической регенера ции отходящих газов для подогрева окислителя (В1), т.е. уменьшить затраты природного газа на 0.284 млн. м3 в год.

Рисунок 13 – Расход и экономия топлива при использовании разных схем утилизации тепловых отходов стекловаренной установки ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 1. По результатам решения сопряженной задачи теплообмена произведена оценка теплообменных характеристик трубы Фильда по сравнению с теплообменником типа «труба в трубе». Установлено, что тепловая эффективность первого аппарата выше, чем у второго при расходах теплоносителей и длинах аппаратов в диапазонах 0.002 0.009 кг/с и 1.0 2.5 м, соответственно.

2. Разработан экспериментальный стенд и методика исследования теплогидроди намического процесса в трехканальном теплообменнике, состоящем из цилиндриче ского канала и трубы Фильда, при различных расходах и температурах теплоносите лей.

3. Впервые с учетом зависимости теплофизических свойств теплоносителей от температуры разработан численно-аналитический метод, позволяющий определить распределение температуры и линейной плотности тепловых потоков в трехканаль ном теплообменнике, представляющий собой трубу Фильда в цилиндрическом кана ле.

4. В программном комплексе PHOENICS разработана математическая модель, по зволяющая проводить численные исследования теплогидродинамического процесса в трехканальном теплообменнике с учетом разных k- моделей турбулентности. Срав нение расчётных и экспериментальных результатов показало:

Наиболее точное описание исследуемого процесса получено при использо вании k- модели турбулентности Мураками, Мочида и Кондо (КЕММК). Поэтому при выполнении теплотехнических расчётов и определении режимов работы трехка нального теплообменника, в виде трубы Фильда и цилиндрического кожуха, реко мендуется использовать эту модель турбулентности.

Результаты расчетов трехканального теплообменника, выполненных чис ленно-аналитическим методом и по трехмерной модели, реализованной в пакете PHOENICS, удовлетворительно согласуются друг с другом. Отклонение расчетных значений температуры стен кольцевых каналов от данных эксперимента не превы шают 3.1 и 1.7 %, соответственно для первого и второго вариантов расчета. Поэтому разработанный метод расчёта и трехмерная модель теплогидродинамического про цесса в рассматриваемом теплообменнике могут быть использованы для анализа его функциональных характеристик при различных режимных и конструктивных пара метрах.

5. Впервые разработана трехмерная модель процесса, протекающего в камере до жигания с трубами Фильда, предназначенных для утилизации теплоты продуктов сгорания и получения синтез-газа путем термохимической регенерации. Использова ние труб Фильда с центральной каталитической трубкой вместо прямых гладких ка тализированных труб увеличивает количество конвертированного газа в 1.7 раза и снижает температуру продуктов сгорания на выходе камеры дожигания на 15.8 %.

6. В диаграмму Хоанга Х.Х. по технологическим требованиям введено ограниче ние на температуру воздуха, поступающего на подогрев шихты из студочной зоны стекловаренной установки. Это позволило уточнить диапазоны допустимого расхода теплоносителей в указанной зоне и определить границы области энергетической эф фективности использования труб Фильда.

7. Показана целесообразность применения труб Фильда в аппаратах системы комплексной утилизации тепловых отходов стекловаренной установки, которая включает использование теплоты отходящих газов и расплава для подогрева окисли теля и шихтовых материалов, а также получения вторичного топлива (синтез-газа) посредством термохимической регенерации. Это позволяет снизить расход топлива на 33 % по сравнению с термической рекуперацией отходящих газов для подогрева окислителя.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ 1. Глазов В.С., Сергиевский Э.Д., Чьен В.В. Экспериментальная и численная проверка моделей турбулентности при моделировании процесса в трубе Фильда // Научно-технический журнал "Надежность и безопасность энергетики". – 2011.

№ 4(11). С. 47-50.

2. Ву Ван Чьен, Глазов В.С., Сасин В.Я., Сергиевский Э.Д. Комплексное ис следование процессов тепло- и массопереноса в элементах трубки Фильда// Теп ловые процессы в технике. – 2011. № 5. С. 204-209.

3. Хоанг Х. Х., Белова Н.А., Чьен В.В., Сергиевский Э.Д., Глазов В.С. Модель лучистого охлаждения стекломассы в студочной камере с трубками Фильда. // 16-ая Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов. Радио электроника, электротехника и энергетика: Тез. докл. – М., 2010. т. 2. С. 429-430.

4. Чьен В.В., Глазов В.С., Сергиевский Э.Д. Расчет термонапряжений в трубе в условиях вынужденной конвекции// 17-ая Международная научно-техническая кон ференция студентов и аспирантов. Радиоэлектроника, электротехника и энергетика:

Тез. докл. – М.: МЭИ, 2011. Т. 2. С. 510-512.

5. Чьен В.В., Глазов В.С., Сергиевский Э.Д. Тепловая эффективность трубы Фильда с проницаемой внутренней стенкой кольцевого канала// 17-ая Международ ная научно-техническая конференция студентов и аспирантов. Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Тез. докл. – М.: МЭИ, 2011. Т. 2. С. 512-514.

6. Чьен В.В., Глазов В.С., Сергиевский Э.Д. Экспериментальные и численные ис следования теплообмена в трубе Фильда // 18-ая Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов. Радиоэлектроника, электротехника и энергети ка: Тез. докл. – М.: МЭИ, 2012. Т. 3. С. 201-202.

7. Hong Khc Hong, V Vn Chin, Sergievsky E.D., Glazov V.S. Nghin cu v m phng bi ton trao i nhit trong khe hp bng phng php s. Tp ch Khoa hc& Cng ngh Nhit (ISSN 0868 – 3336. Thermal science technology review) 2010 №91*1/2010*(23-25).

8. V Vn Chin, Sergievsky E.D., Glazov V.S. S dng ng FILDA trong cc thit b thu hi nhit thi. Tp ch Nng lng Nhit (Thermal energy review) 2011 №100*7/2011*(07-09).

9. V Vn Chin, Sergievsky E.D., Glazov V.S. V c tnh ca thit b thu hi nhit thi kiu ng lng ng. Tp ch Nng lng Nhit (Thermal energy review) 2012 №103*1/2012*(08-10).

Подписано в печать Зак. Тир. П.л.



 

Похожие работы:





 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.