авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< 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


Pages:     | 1 ||

Моделирование и расчет тепловых процессов в регенеративных утилизаторах теплоты с циркулирующей гранулированной насадкой

-- [ Страница 2 ] --

Формулы (1)-(8) полностью описывают процесс теплообмена, начиная с подачи горячего газа с заданным распределением его по ячейкам, при известном начальном распределении по ячейкам температур в средах.

Некоторые результаты численных экспериментов с разработанной моделью показаны на рис.3-5. Рис.3 иллюстрирует установившееся распределение температур в средах при прямоточном теплообмене с различным распределением подаваемого газа с температурой 1000оС по длине аппарата: 1 – подача газа на вход аппарата, 2 – распределенная убывающая по длине подача, 3 – равномерно распределенная по длине подача. Локализованная подача газа в первую ячейку дает распределение температур, типичное для прямоточного теплообмена. При любой распределенной подаче расход газа через первые ячейки мал, а время пребывания в них относительно велико. Поэтому газ сильно охлаждается, но мало прогревает материал. По мере подачи газа с исходной температурой в последующие ячейки ситуация выправляется, и на выходе температура газа и материала не очень существенно различаются для разных программ подачи газа.

Тем не менее, наилучшей остается подача газа в первую ячейку.

Переход от прямотока к противотоку требует очень незначительных изменений в модели. Во-первых, вектор источников для газа записывается с последней, а не с первой ячейки, а во-вторых, в переходных матрицах (5) следует поменять местами диагонали, примыкающие к главной. Пример моделирования противоточного теплообмена показан на рис.4, где проявляется та же специфика распределенной подачи, что и при прямоточном теплообмене. На рис.5 показана эволюция температур сред, начиная с холодного состояния насадки для схемы 2 рис.3. Этот график показывает, что модель может описывать и переходный процесс в аппарате, что важно при моделировании регенеративного теплообмена.

В главе 3 рассмотрен следующий этап моделирования: перекрестное движение газа и материала. Расчетная схема процесса, его ячеечная схематизация и структура потоков в ячейках показана на рис.6. Поток сыпучего материала пересекается проникающим через него потоком горячего газа, теплота которого передается нагреваемому сыпучему материалу. Рассматривается плоская модель процесса, когда размер, перпендикулярный плоскости рисунка, считается равным единице. Для каждого потока строится двухмерная сетка ячеек размером nxm, где n – число строк ячеек в направлении потока материала, а m – число столбцов ячеек в направлении потока газа. Возможные направления переноса теплоты и массы внутри цепей и между цепями показаны стрелками на рис.6б.

Состояние каждой сетки ячеек представлено векторами-столбцами: Q – распределение теплоты по ячейкам, T – распределение температуры и M – распределение массы. Все векторы имеют размер nmx1. При построении этих векторов используется сквозная нумерация ячеек по столбцам. На каждом временном переходе с векторами состояния происходят изменения, описание которых в матрично-векторной форме полностью совпадает с таковым для одномерной модели, построенной в предыдущей главе.

Движение сред по ячейкам контролируется матрицами переходных вероятностей Ps и Pg. Эти матрицы имеют размер nmxnm. Каждый столбец матрицы принадлежит ячейке сетки в соответствии с принятой нумерацией ячеек. В этом столбце в строке с номером ячейки, куда имеется возможный переход, размещена вероятность этого перехода за время , или доля среды, переходящая в эту ячейку за это время. На главной диагонали матрицы размещены вероятности остаться в ячейке в течение . Остальные элементы столбца – нули. Принятая в модели структура возможных переходов в обеих средах показана на рис.6в стрелками. Стрелки с обозначениями vs и vg соответствуют осредненным движениям частиц насадки и газа, а стрелки с обозначениями d – чисто случайной миграции сред по соответствующим направлениям. Переходные матрицы Р удобно представлять в виде блочных матриц. Тогда, например, матрица Ps для сетки, показанной на рис.6б, может быть записана в виде

, (9)

где на главной диагонали находятся матрицы переходов между строками в столбцах, а на примыкающих к ней диагоналях – матрицы переходов между столбцами вперед и назад, соответственно. Например, матрица, описывающая переходы в первом столбце насадки имеет вид

, (10)

а матрица переходов и строк первого столбца во второй

. (11)

В этих матрицах для краткости записи считалось, что ячейки являются квадратными со стороной x, а стохастическая составляющая движения, характеризуемая величиной dp, - изотропной. Тогда

, (12)

и

, (13)

где Ds – дисперсионный коэффициент для частиц насадки, Vs – скорость движения частиц насадки, принимаемая одинаковой в каждом столбце ячеек, Мs – масса частиц насадки в ячейке в установившемся режиме работы, также считаемая одинаковой для всех ячеек в силу очевидной несжимаемости этой среды. При расчете соответствующих матриц для газа из-за меняющейся его плотности в процессе глубокого теплообмена величина Mg уже не может считаться постоянной и должна рассчитываться для каждой ячейки индивидуально в зависимости от плотности газа gij, рассчитываемой по уравнению состояния газа в ячейке.

Базовые кинетические уравнения (10)-(15) с описанными комментариями к построению источниковых членов и переходных матриц позволяют полностью рассчитывать эволюцию температур в газе и насадке, начиная с их подачи в зону теплообмена. Средние температуры сред на выходе из зоны рассчитываются по формулам

, . (14)

При достаточно глубоком поперечно-поточном теплообмене с прогревом насадки (как и при противоточном) <Tp> больше, чем <Tg>, однако средняя по всей зоне теплообмена температура газа, естественно, больше средней по всей зоне температуры частиц, поскольку их разность определяет интегральный тепловой поток от газа к насадке.

 На рис.7 показан пример численного-12

На рис.7 показан пример численного моделирования процесса в виде установившихся распределений температур газа и насадки по ячейкам зоны теплообмена, которая в данном случае представлена сетками 10х10 ячеек. Расчет выполнен в относительных единицах при температуре входящего греющего газа, равной единице, и температуре входящей насадки, равной нулю. Параметры процесса следующие: безразмерная относительная скорость частиц насадки vp=0,1, газа - vg=0,5, приведенный безразмерный коэффициент теплоотдачи =0,05. При принятых условиях температурный перекос в насадке на выходе невелик, и она прогревается практически до температуры газа. Температура же газа на выходе распределена по сечению весьма неравномерно, однако очевидно, что при дальнейшем его турбулентном движении по проточной части установки произойдет ее быстрое выравнивание.

В регенераторе с гранулированной насадкой на следующей стадии процесса горячая насадка попадает в другую секцию регенератора, где происходит ее взаимодействие с холодным газом, нагреваемым уже от насадки. Процесс теплообмена в этом случае описывается той же системой кинетических уравнений, но с другими начальными температурами. Это позволяет на базе единого универсального алгоритма моделировать циклы нагрева и охлаждения газа и насадки, то есть описывать и оптимизировать процесс во всем регенераторе. Технологическая схема потоков теплоты в регенераторе и в его ячеечной модели показана на рис.8.

Расчетный пример изменения температур теплоносителей в цикле нагрева-охлаждения насадки показан на рис.9 (без учета тепловых потерь). Процесс расчета требует итераций, так как низшая температура насадки заранее неизвестна. Расчеты показывают, что в большинстве случаев сходимость достигается через 3-4 итерации. В диссертации приведены результаты численных экспериментов, показывающих влияние конструктивных и режимных параметров зон нагрева и охлаждения на степень охлаждения газа и нагрева воздуха. В качестве примера на рис.10 показано влияние длин зон нагрева и охлаждения при постоянной их сумме. Интересно, что короткая зона нагрева не приводит к повышению температуры охлажденного газа, так как при этом снижается входная температура насадки. Но при этом заметно снижается температура нагретого воздуха. При принятых параметрах моделирования из трех представленных случаев наилучшим с тепловой точки зрения является средний вариант, но это не значит, что он останется таковым при других параметрах.

В четвертой главе рассмотрены вопросы практического применения полученных результатов. Разработанная математическая модель позволяет описывать распределение всех локальных характеристик процесса в регенераторе и рассчитывать его интегральные тепловые характеристики. Модель является по существу компьютерным методом расчета теплового процесса в регенераторе и нуждается только в обеспечении эмпирической информацией. При поверочном расчете дополнительной информацией являются только данные по коэффициенту теплоотдачи от газа к насадке, для которого в диссертации подобраны известные критериальные зависимости. При конструкторском расчете встает вопрос о выборе размеров зон теплообмена, скоростей воздуха и газа, расхода и диаметра гранул насадки. Для рекомендаций по выбору этих параметров рассмотрен противоточный теплообмен с предельной скоростью газа, еще не приводящей к выносу гранул. Показано, что с ростом диаметра гранул (с учетом соответствующего роста допустимой скорости газа) коэффициент теплоотдачи сначала растет до размера 10…15мм, а затем практически остается постоянным. Однако, если отнести теплоотдачу к объему насадки (компактности регенератора), то зависимость такого коэффициента теплоотдачи имеет экстремум при диаметре гранул 7…10мм. Характер этой зависимости показан на рис.11. Именно такой размер гранул и рекомендуется для регенераторов подобного типа. При известном размере гранул и скорости газа размеры зоны теплообмена рассчитываются по уравнению неразрывности и уравнению теплового баланса (соответствующие формулы приведены в диссертации). После выбора основных параметров регенератора уточненный расчет проводится по схеме поверочного расчета, обеспеченного средствами компьютерной поддержки.

Экспериментальная проверка модели и метода поверочного расчета выполнена по опытным данным о физически аналогичном процессе – обжиге кусков известняка в шахтной обжиговой печи, где поток прогреваемых кусков (гранул) сырья движется вниз по цилиндрическому каналу печи, а вверх движутся продукты сгорания газа, подаваемые несколькими ярусами в нижней половине печи (распределенная подача газа при противотоке). Схема процесса и сравнение расчетного и опытного распределения по высоте печи температуры газа показана на рис.12. Несколько завышенная расчетная температура объясняется тем, что в модель не была включена теплота эндотермической реакции обжига.

Особое внимание уделено работе регенератора в составе теплового технологического процесса на примере одной из установок Ярославского нефтеперерабатывающего завода. Подробно рассмотрен тепловой баланс установки, состоящей из промышленной печи и регенеративного подогревателя воздуха, исследована технологическая эффективность существующей системы утилизации теплоты уходящих продуктов сгорания (общий потенциал и глубина утилизации ВЭР, параметры работы теплообменного оборудования). Рассмотрены технические решения, направленные на сокращение капитальных затрат на систему утилизации теплоты, а также на уменьшение расхода топлива за счет подогрева уходящими продуктами сгорания воздуха, подаваемого в печь. Разработаны предложения по реконструкции системы утилизации теплоты уходящих продуктов сгорания, которые включены в план реконструкции 2009 года.

Разработанная математическая модель и ее программно-алгоритмическое обеспечение внедрены в ЗАО «Научно-технический центр «ЛАГ Инжинииринг», а также приняты к внедрению рекомендации по расчету тепловой и экономической эффективности регенеративного подогрева направляемого на сгорание воздуха в ЗАО «Славнефть – ЯНОС».

Основные результаты диссертации

  1. Теоретически исследованы закономерности процессов нестационарного теплообмена потока газа с потоком гранулированного материала при локализованной, распределенной и перекрестной подаче газа в канал движения сыпучего материала, позволяющие связать скорость теплопереноса с конструктивными и режимными параметрами процесса.

2. На основе выполненных исследований разработан компьютерный метод расчета регенеративных теплообменников с подвижной циркулирующей гранулированной насадкой, включающий циклы нагрева и охлаждения насадки и позволяющий выбирать рациональные конструктивные и режимные параметры регенеративных теплообменников.

3. Достоверность разработанных моделей и метода расчета экспериментально проверена на примере процесса теплообмена в шахтной обжиговой печи известняка с распределенной многоярусной подачей газа.

4. Установлено, что наибольший теплосъем с единицы рабочего объема регенеративного теплообменника с гранулированной насадкой при наиболее выгодном противоточном движении газа достигается при диаметре гранул 7…10 мм.

5. Разработана методика оценки эффективности использования теплоты уходящих продуктов сгорания промышленных печей для подогрева подаваемого в них воздуха, базирующаяся на сравнении затрат на создание дополнительной поверхности теплообмена (регенератора) с экономией затрат на топливо, достигаемой вследствие подогрева воздуха.

6. Разработанные математические модели, инженерные методы расчета и оценки эффективности, а также средства компьютерной поддержки моделирования и расчета нашли практическое применение в практике исследовательских и проектных работ в ЗАО «Славнефть – ЯНОС», Ярославль, ЗАО «Научно-технический центр «ЛАГ Инжиниринг», Иваново и в ООО НТЦ «Промышленная энергетика», Иваново.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих печатных работах автора

  1. Медведев, В.Б. Ячеечная модель поперечно-поточного теплообмена между сыпучим материалом и газом [Текст]/ В.Б. Медведев, В.Е. Мизонов, Н.Н. Елин, В.И. Субботин // Изв. вузов «Химия и хим. технология». – 2008. т.53. – №5. – С.135–137.
  2. Медведев, В.Б. Моделирование теплообмена между потоками газа и сыпучего материала при распределенной подаче газа [Текст]/ В.Б. Медведев, В.И. Субботин, В.Е. Мизонов, Н.Н. Елин // Вестник ИГЭУ. – 2008. – №3.

– С. 32–33.

  1. Медведев, В.Б. Моделирование теплообмена потока газа с поперечным потоком гранулированного материала [Текст]/ В.Б. Медведев, В.Е. Мизонов, Н.Н. Елин, В.И. Субботин // Труды Международной НТК «Математические методы в технике и технологиях ММТТ–21». – Саратов. – 2008. – т.5. – С.31–32.
  2. Медведев, В.Б. Моделирование процессов прогрева и охлаждения насадки в регенеративном теплообменнике [Текст] // Тезисы МНТК «Состояние и перспективы развития энерготехнологий – 14–е Бенардосовские чтения». – Иваново. – 2007. – С.36.
  3. Елин, Н.Н. Математическое моделирование процессов гидродинамики и теплообмена в кипящем слое./ Н.Н. Елин, В.Е. Мизонов, В.Б. Медведев// Сб. ст. XV Междунар. конф. «Информационная среда вуза». – Иваново. ИГАСУ. – 2008. – С. 345–347.
  4. Курчев, А.О. Сравнение тепловых характеристик насадок регенерационных теплообменников./ А. О. Курчев, В.Б. Медведев, Н.Н. Елин // Сб. ст. XV Междунар. конф. «Информационная среда вуза». – Иваново. ИГАСУ. – 2008. – С. 347–349.
  5. Медведев, В.Б. Тепловые характеристики различных типов насадки в регенеративных теплообменниках./ В.Б.Медведев, А.О. Курчев, В.А. Огурцов, Н.Н. Елин// Ученые записки инженерно–строительного факультета / ИГАСУ – Иваново. – 2008. – Вып. 4. – С.226–231

Подписано в печать 13 февраля 2009 г. Формат 60х84 1/16. Тираж 100 экз.

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Ивановский государственный химико–технологический университет»

153000 г.Иваново, пр–т Ф.Энгельса, 7

Отпечатано на полиграфическом оборудовании кафедры экономики и финансов ГОУ ВПО «ИГХТУ»



Pages:     | 1 ||
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

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.