WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |

Граничные условия для выражений (3), (4) запишутся в виде: на поверхности частицы:

,

(12)

(13)

в центре частицы при условии симметрии:

(14)

Равновесное влагосодержание древесины Up в зависимости от температуры и относительной влажности топочного газа можно определить из уравнения:

,

(15)

где предел гигроскопичности для древесины Uпг в зависимости от температуры определяется соотношением:

.

(16)

Теплоту парообразования в граничном условии (13) в зависимости от температуры древесины можно определить выражением:

.

(17)

Объем образовавшихся влажных топочных газов определяется из уравнений материального баланса процесса горения древесины:

V= V+V+V+(-1)V0;

(18)

Для решения численным способом полученного математического описания на ЭВМ, был разработан моделирующий алгоритм. Блок-схема алгоритма расчета, включает расчет процесса сжигания и сушки древесного топлива в энергетическом агрегате. Расчет ведется в следующем порядке. Вводятся исходные данные, представляющие собой сведения об основных характеристиках энергетического агрегата, характеристики топлива, а также необходимые для расчета коэффициенты. Далее в цикле, при заданных начальных температуре и влажности топочного газа, с учетом материального и теплового баланса процесса горения рассчитывается изменение влагосодержания и температуры топочного газа по высоте сушильного бункера, до поиска стационарного, сходящегося до определенной точности решения.

В третьей главе изложены результаты математического моделирования и экспериментальных исследований процесса сушки и сжигания влажных древесных отходов, а также результаты проверки полученной модели на адекватность реальному процессу.

В качестве модельного материала для математических расчетов и экспериментальных исследований кинетики сушки и сжигания была выбрана порода древесины – сосна, с учетом наибольшей распространенности в промышленности, и наличия в справочной литературе сведений о ее теплофизических свойствах.

Для проверки разработанной математической модели процесса термической переработки высоковлажных древесных отходов с предварительной сушкой топочными газами на адекватность был создан экспериментальный стенд, схема которого приведена на рис. 2. Проведенные на данном стенде эксперименты по исследованию влияния влажности древесины на процесс ее сжигания показали, что влажность является основным параметром, от которого зависит эффективность энергетического использования древесных отходов.

Рис. 2. Схема экспериментального стенда для исследования процесса сжигания и сушки древесных частиц (патент РФ № 2274851): 1 – загрузочный бункер, 2 - шнековый питатель,

3 – камера сжигания, 4 – теплообменник, 5 – эжектор, 6 – сушильный бункер,

7 - сборник, 8 – блок управления и регистрации данных.

Очевидно, что для повышения КПД энергоагрегатов работающих на древесных отходах, особенно на высоковлажных отходах (лесопильные цеха, лесхозы, производство фанеры), целесообразно использование предварительной сушки топлива подаваемого в топку, а в качестве сушильного агента разумно использовать отработанные топочные газы, которые в традиционных схемах энергоагрегатов отводятся в атмосферу с температурой около 150-200 С. Анализ влажности топочных газов показал что, несмотря на большое количество влаги, образующейся в процессе сжигания влажной древесины, топочные газы при данных температурах имеют большой потенциал влагопоглощения (см. рис. 3), и могут быть использованы в качестве сушильного агента.

В связи с этим были проведены эксперименты по сушке древесных отходов различной влажности и гранулометрического состава топочными газами, полученными в результате сжигания отходов фиксированной влажности в 30% и охлажденными в теплообменнике до 150 С. Для обеспечения фиксированных параметров топочных газов влажность и расход топлива, а так же коэффициент избытка воздуха в ходе экспериментов оставались постоянными. Установлено что оптимальным является время пребывания, за которое сушильный агент (топочный газ) в результате сушки древесных отходов достигает уровня степени насыщения близкого к значению 0,95. Более длительное пребывание топочного газа в сушильном бункере нежелательно, так как в верхней части сушильного бункера, начинается процесс конденсации топочных газов на поверхности холодных древесных частиц поступающих из загрузочного шлюза.

В результате обработки экспериментальных данных получены графические зависимости, описывающие процесс сушки древесных частиц отработанными топочными газами, при различных режимных параметрах процесса сушки.

Расчетные данные получены решением математической модели, включающей уравнения (1)-(18), численным методом в программной среде MathCAD 11. Сравнение опытных и расчетных данных позволяет говорить о достаточно удовлетворительном описании разработанной математической моделью реальных процессов сжигания и сушки топлива. Для повышения адекватности математической модели было проведено уточнение известных функциональных зависимостей, а также коэффициентов тепломассопереноса, путем обобщения и аппроксимации данных из литературных источников. Максимальное расхождение между теоретическими и экспериментальными данными не превышает 22 %.

Моделирование проводилось для частиц, имеющих форму пластины толщиной 0,01м.; при коэффициенте избытка воздуха `=1,2; начальной температуре частиц Тн =25 °С; расходе топлива 0,055 кг/с; зольности топлива А=2 %; плотности топлива 0=516 кг/м3; до условия достиженеия сушильным агентом степени насыщения =0,95.

На рисунке 4 представлено распределение влагосодержания по сечению частицы в различных по высоте аппарата слоях, при начальной температуре отработанных топочных газов Tг=150°С и влажности топлива Uн=70%, которое показывает эволюцию поля влагосодержания при продвижении частицы в слое. Следует отметить, значительное снижение влажности на поверхности частицы, как за счет сушки так и за счет термодиффузии в глубь частицы, что в свою очередь положительно сказывается при воспламенении частицы в топке.

На рисунке 5 представлено распределение средних влагосодержаний материала, температуры топочного газа и температуры материала по высоте слоя. Как видно из данной зависимости скорость сушки по высоте бункера возрастает. Необходимо отметить, что данные кривые являются рабочими линиями процесса сушки при заданных входных параметрах по материалу и выходных по газу.

На рисунке 6 представлена зависимость эффективной высоты слоя от начального влагосодержания топлива при различных температурах топочного газа на выходе из котельного агрегата. Как видно из данной зависимости, при увеличении начального влагосодержания топлива и снижении температуры отходящих газов, требуемая поверхность тепломассообмена, выраженная через высоту слоя, уменьшается вследствие снижения влагоемкости сушильного агента.

В результате математического моделирования: определены характер изменения температуры и влажности древесных отходов в сушильном бункере, расчетным путем установлена эффективная высота слоя в зависимости от влажности топлива и температуры отработанных топочных газов. Проведенные расчеты подтвердили возможность повышения теплонапряжения топочного устройства за счет подогрева и снижения влажности подаваемого в него топлива, что в свою очередь увеличивает общий КПД энергоустановки.

Моделирование изучаемого процесса показало, что на эффективность сушки топочными газами оказывают влияние начальная влажность топлива, температура отработанных топочных газов, фракционный состав материала, и начальная температура топлива.

Результаты математического моделирования могут быть использованы при разработке и расчете конструкций аппаратов для предварительной сушки высоковлажного древесного топлива отходящими топочными газами.

В четвертой главе приведены результаты исследований по структурно-механическим свойствам древесных отходов лесопильного цеха. На основе результатов теоретических и экспериментальных исследований разработана инженерная методика расчета процессов, протекающих при сжигании и сушки древесных отходов. Данная методика позволяет в первом приближении рассчитать основные раз­меры топки, котла, сушильного бункера при конструиро­вании и модернизации этих устройств.

На рис. 7 представлена схема опытно-промышленной установки для термической переработки высоковлажных древесных отходов.

Рис. 7. Схема установки для термической переработки высоковлажных древесных отходов

1- сушильный бункер, 2 – шнековый питатель, 3 - дымосос,
4 – газогенератор, 5 – камера сгорания, 6 – котел, 7 – система очистки.

В опытно-промышленной установке для термической переработки высоковлажных древесных отходов реализованы новые конструктивные особенности, которые увеличивают КПД установки до 20% и позволяют сократить количество токсичных выбросов в атмосферу за счет использования адсорбционной системы очистки (патент № 2229923), что дает возможность использования данной установки в черте города.

Разработанная конструкция энергетической установки мощностью 120 кВт внедрена в составе сушильного комплекса с термической утилизацией древесных отходов на ЗАО «Ласкрафт»

Проведенный технико-экономический анализ подтвердил эффективность разработанной конструкции. Ожидаемый годовой экономический эффект от внедрения установки сжигания составляет более 380 тыс. руб.

В приложении к работе представлена программа расчета процесса сушки топочными газами на ЭВМ, результаты статистической обработки полученных данных и акты внедрений, подтверждающие практическое использование основных результатов проделанной работы.

Основные результаты и выводы

  1. Разработана схема предварительной подготовки влажного древесного топлива с использованием бросового тепла отходящих топочных газов, позволяющая повысить КПД существующих котлоагрегатов до 20%.
  2. Создана математическая модель термической переработки высоковлажных древесных отходов с предварительной сушкой топочными газами, позволяющая оценить влияние различных режимных параметров на интенсивность процесса сушки древесных отходов и определить эффективную высоту слоя топлива в сушильном бункере.
  3. Разработан алгоритм расчета процесса сушки, позволяющий осуществить математическое моделирование данного процесса на компьютере и выбрать рациональные режимные и конструктивные параметры процесса.
  4. Разработан и изготовлен экспериментальный стенд. (Патент РФ № 2274851)
  5. Проведены экспериментальные исследования процессов сушки и сжигания в зависимости от влажности топлива, значений температуры и скорости циркуляции сушильного агента.
  6. Разработана инженерная методика расчета сушильного бункера и других элементов котлоагрегата.
  7. Разработана и внедрена промышленная энергоустановка мощностью 120 кВт, снабженная системой очистки (патент № 2229923), с ожидаемым экономическим эффектом в размере более 380 тыс. рублей.
  8. Результаты теоретических и практических исследований использованы для разработки углевыжигательной печи. (Патент РФ № 2256686)
  9. Экспериментальный стенд для исследования процесса сжигания и сушки древесных частиц внедрен в учебном процессе и позволяет студентам в ходе практических занятий изучать процессы сжигания и сушки древесных материалов.

Основные обозначения:

Х, X0 – влагосодержание топочного газа, дутьевого воздуха, кг/кг; h – высота слоя, м.; j – поток вещества, кг/ (м2с); f – удельная поверхность, м2/м3; – плотность, кг/м3; – порозность, м3/м3; w – скорость, м/с; B – массовый расход топлива кг/с; L – массовый расход газа, кг/с; Т – температура 0С; q – удельный тепловой поток, Дж/м2·с; c – удельная теплоёмкость Дж/кг·К, U – влагосодержание, %; Г – параметр, зависящий от формы частиц; aм – коэффициент массопроводности, м2/c; – термоградиентный коэффициент %/°С; – коэффициент теплопроводности. Вт/(мК); – относительная влажность %; p– парциальное давление, Па; – коэффициент массоотдачи, м/с; – коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2К); r – скрытая теплота парообразования, Дж/кг; х– координата, м; M – молярная масса, г/моль; V0 – объем дутьевого воздуха м3, %; ` - коэффициент избытка воздуха.

Индексы: x –координата; в – вода; м – материал; г – газ; с.г – сухой газ; о – абсолютно сухое состояние; б – бункер; к – конечный; н – начальный; р- равновесный, п – поверхность, ц – центр, пг – предел гигроскопичности, дес – десорбция, т - топка.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

Pages:     | 1 || 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»