WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


 

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 установок» Федерального государственного бюджетного учреждения высшего профессионального образования «Национальный исследовательский университет «МЭИ».

Научный руководитель:

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 аудитории 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 организации, просим присылать по адресу: 111250, г. Москва, Красноказарменная улица, 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 212.157.10

к.т.н., доцент  Степанова Т. А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ



Актуальность. Значительные масштабы энергоиспользования при низком уровне эффективности потребления энергоресурсов является характерной чертой для высокотемпературных технологий. Так, анализ использования топливных 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, полученной при сжигании топлива, поступает на плавление технологического материала, в то время как 60 % теряется через наружные ограждения установки и c нагретыми дымовыми газами.

Обзор существующих схем утилизации тепловых отходов, повышающих энергетическую эффективность стекловаренных, электродуговых и нагревательных печей, показал, что  основным способом, повышающим энергетическую эффективность высокотемпературных установок (ВТУ) является 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 стекловаренной 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 использованы трубы Фильда. Обоснование такой замены часто проводится по результатам математического моделирования на одномерных моделях с сосредоточенными или распределенными параметрами. Погрешность такого моделирования может быть довольно значительной, поэтому для более точного расчета требуется разработка двух- и трехмерных моделей с распределенными параметрами.

Таким образом, разработка более точных моделей тепловых процессов, протекающих в трубах Фильда, определение области  эффективного их использования 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 утилизации тепловых отходов высокотемпературных установок.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

  1. Выбрать инструмент моделирования и провести его тарировку на примере 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 теплогидродинамические параметры процесса в устройстве, оснащенном трубой Фильда, при умеренных температурах теплоносителей.
  3. Сопоставить экспериментальные данные с результатами численных исследований, полученных в вычислительном комплексе PHOENICS, и определить модель турбулентности наилучшим образом описывающей исследуемый процесс в устройстве, оснащенном трубой Фильда.
  4. Разработать численно-аналитический метод расчета теплообмена в цилиндрическом канале, содержащем трубу Фильда, и выполнить проверку получаемых результатов на соответствие экспериментальным данным.
  5. Разработать трехмерную модель процесса, протекающего в камере вторичного дожигания, оснащенной реакционными элементами в виде труб Фильда для утилизации теплоты продуктов сгорания и получения синтез-газа путем термохимической регенерации.
  6. Исследовать целесообразность использования в энергосберегающей схеме 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 теплообменнике с учетом разных k-ε моделей турбулентности.  Установлено, что наиболее точное описание исследуемого процесса получено при использовании k-ε 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 камере дожигания, оснащенной реакционными элементами в виде труб Фильда для утилизации теплоты продуктов сгорания и получения синтез-газа путем термохимической регенерации. Использование труб Фильда с центральной каталитической трубкой вместо прямых гладких катализированных труб увеличивает количество конвертированного газа в 1.7 раза и снижает температуру продуктов 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 использование теплоты отходящих газов и расплава для подогрева окислителя и шихтовых материалов, а также получения синтез-газа посредством термохимической регенерации, что позволяет снизить расход топлива на 33 % по сравнению с термической регенерацией отходящих газов для подогрева окислителя.

Достоверность полученных  в диссертационной работе результатов и выводов базируются на корректном использовании современных прикладных программ для численных исследований (MathCAD, PHOENICS и Fluent), методов проведения натурных исследований и их обработки, а так же на хорошем согласовании 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 продукта и, следовательно, уменьшить капиталоемкость теплотехнического оборудования и снизить вредное воздействие технологических процессов на окружающую 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 трехканального теплообменника в виде цилиндрического канала, содержащего трубу Фильда. Данный метод позволяет, не прибегая к использованию дорогих и ресурсоемких CFD пакетов, определить изменение температуры стен каналов и теплоносителей вдоль данного устройства с учетом зависимости  их теплофизических 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 трубкой для получения синтез-газа и утилизации теплоты продуктов сгорания.
  • Результаты расчетов энергетической эффективности использования в энергосберегающей системе стекловаренной установки комплексную утилизацию теплоты отходящих газов и расплава стекломассы для подогрева окислителя, шихты и получения вторичного топлива (синтез-газа) посредством термохимической регенерации.

Апробация работы. Основные положения работы, результаты теоретических 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 работы 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, заключения и двух приложений. Основной текст диссертации изложен на 189 страницах машинописного текста, который содержит 56 рисунков, 50 таблиц и список литературы, включающий 66 наименований.





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 высокотемпературных установок. Представлен анализ существующих схем утилизации тепловых отходов, повышающих энергетическую эффективность этих установок, который показал, что  основным способом, повышающим энергетическую эффективность стекловаренных, электродуговых и нагревательных печей является 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 стекловаренной установки, или газами, выходящими из ванны электродуговой печи.

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

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

Во второй главе сделан выбор инструмента для математического моделирования теплообменных процессов и проведена его тарировка на примере решения сопряженной задачи теплообмена для теплообменного аппарата типа "труба в трубе". Представлены двумерные модели теплообменников типа "труба 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 параметрами, показало, что 1-ая модель может использоваться в инженерной практике для оценочных расчетов, когда погрешность  в 11% не считается значительной. Для более точного расчета рекомендуется использовать двумерную модель с распределенными параметрами, которая может быть реализована в таких вычислительных комплексах как PHOENICS или Fluent. Моделирование в CFD пакетах позволяет учитывать реальную форму аппарата, использовать различные модели турбулентности и зависимость теплофизических свойств теплоносителей от их температуры, давления и концентрации компонентов. Результатом такого расчета являются более точные значения полей температур, скоростей и давлений. При этом, коэффициенты теплоотдачи могут быть определены 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 каналах – противоточная. Расходы и температуры теплоносителей на входе исследуемых 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 температуры теплоносителей в моделях «труба в трубе» и труба Фильда при одинаковой их длине

Рисунок 2 - Изменение средней температуры жидкости в моделях «труба в трубе» и труба Фильда при одинаковой температуре на выходе и разных длинах

2D модель (PHOENICS)

2D модель (Fluent)

1D модель (Mathematica)

Горячий теплоноситель

Горячий теплоноситель

Горячий теплоноситель

  Холодный теплоноситель в кольцевом канале

Холодный теплоноситель в кольцевом канале

Холодный теплоноситель в кольцевом  канале

Холодный теплоноситель в центральном канале

Холодный теплоноситель в центральном канале

Холодный теплоноситель 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 исследования выполнены на стенде (рис. 4), содержащим трехканальный теплообменник, насос и термостат, два контура для прокачки холодного и горячего теплоносителя, измерительный комплекс ВИС.Т для определения расхода и температуры теплоносителей, а так же приборный шкаф с блоком хромель-алюмелевых термопар для определения температур стен 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 холодного и горячего теплоносителей, соответственно. Относительная  погрешность измерения расхода, в рассматриваемом диапазо­не составила 0,6 %. Абсолютная погрешность измерения температуры рассчитывалась по выражению rt = 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 геометрических и режимных параметрах близких к экспериментальным. Для описания турбулентного течения в аппарате использовались модели: k-ε стандартная, KeChen (Чена и Кима) и КЕММК (Мураками, Мочида и Кондо).

Результаты экспериментальных и числительных исследований представлены на рис.5. Видно, что изменение температуры поверхности внутренних стен кольцевых каналов качественно подтверждаются экспериментальными данными, а в количественном отношении наименьшее отклонение от данных эксперимента 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 экспериментов. Видно, что наименьшую погрешность по перепаду температуры теплоносителей (между входом и выходом) дает модель КЕММК, а наибольшую - модель KeChen.

Таблица 1 - Температуры теплоносителей на входе и выходе рабочего участка

Вид исследования

Холодный тракт

Горячий тракт

Эксперимент

0.384585

14.57

20.32

5.75

-

0.381425

80.7

74.28

6.42

-

PHOENICS-2008

Стандартная k-ε модель

0.384585

14.57

20.60

6.03

4.95

0.381425

80.7

74.42

6.28

2.23

k-ε модель KeСhen

0.384585

14.57

20.55

5.98

4.07

0.381425

80.7

73.86

6.84

6.54

k-ε модель MMK

0.384585

14.57

20.52

5.95

3.42

0.381425

80.7

74.12

6.58

2.49

Примечание: Погрешность t определена  по формуле: %, где - разности температур теплоносителя на входе и выходе исследуемого участка, 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

5

Координата (м)

0.025

0.175

0.325

0.475

0.508

t1.экс , oC

37.259

43.489

50.948

76.626

70.216

t1.стандартная k-ε , oC

36.693

45.22

49.27

69.903

62.3

t1. стандартная k-ε, %

1.52

3.98

3.29

8.77

11.27

t1.Кеchen, oC

30.435

40.15

49.024

69.75

62.896

t1. Кеchen, %

18.32

7.68

3.78

8.97

10.42

t1.KEMMK , oC

35.67

45.289

49.987

69.827

62.173

t1. KEMMK, %

4.26

4.14

1.89

8.87

11.45

t2.экс , oC

12.523

13.218

13.22

17.738

16.857

t2. стандартная k-ε, oC

15.132

15.163

15.469

15.982

16.159

t2. стандартная k-ε, %

20.83

14.71

17.01

9.90

4.14

t2. Кеchen, oC

15.218

15.227

15.584

16.167

16.345

t2. Кеchen, %

21.52

15.20

17.88

8.86

3.04

t2. KEMMK, oC

15.131

15.148

15.475

15.975

16.151

t2. KEMMK, %

20.83

14.60

17.06

9.94

4.19

Примечание: ti - температура на наружной (i=1) или внутренней (i=2) стенке трубы Фильда в заданном её сечении, δti - погрешность определения этой температуры (относительно экспериментальной) при использовании разных k-ε моделей турбулентности

В четвертой главе представлены одномерная и трехмерная модели, процессов, 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 трехканального 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 постоянных теплофизических свойствах коэффициентов переноса и итерационных процедурах, корректирующих их значения в зависимости от температуры теплоносителей. 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 равенство 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 обогреваемый участок. Исходя из этого, температура теплоносителей на границе x = 0 соответствует следующим выражениям:

  для прямотока                (1)

для  противотока         (2)

где W = Gcp –  водяной  эквивалент,  индекс 1 и «г»  относятся  к горячему теплоносителю, 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 температуры при x = 0 и геометрические характеристики всех элементов устройства;

б) конструктивным расчетом, когда известны тепловая нагрузка, геометрические 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 основывается 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 элементарного участка трубы при прямотоке изображена на рис.6

Рисунок 6 - Схема потоков теплоты на участке dx для прямотока.

Система уравнений одномерного процесса теплообмена в трехканальном теплообменнике имеет вид:

       , ,  ,  (3)

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-ε модели турбулентности MMK. Указанные уравнения в тензорном виде имеют общую форму:

                       (4)

где: t - время; i - плотность i-ой фазы; Фi - любая переменная i-ой фазы, такая как: энтальпия, момент на единицу массы, массовая доля химического компонента, турбулентная энергия и т.д.; Vi - вектор скорости i-ой фазы; Гфi - диффузионный 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

5

Координата (м)

0.000

0.033

0.183

0.333

0.483

T.ст1эк (К) эксперимент

343.22

349.62

328.99

321.45

315.29

T.ст1Ф (К) PHOENICS (3D-модель)

345.94

348.33

330.39

326.88

319.97

T.ст1пр (К) ЧАМ (1D-модель)

347.60

346.25

339.12

329.19

319.46

Tст1ф (%)

0.79

0.37

0.43

1.69

1.49

Tст1пр (%)

1.28

0.96

3.08

2.41

1.32

T.ст2эк (К) эксперимент

289.86

290.74

286.22

286.22

285.52

T.ст2Ф (К) PHOENICS (3D-модель)

289.01

288.85

288.38

288.13

288.11

T.ст2пр (К) ЧАМ (1D-модель)

289.70

289.51

288.69

288.10

287.79

Tст2ф (%)

0.29

0.65

0.76

0.67

0.91

Tст2пр (%)

0.24

0.23

0.11

0.01

0.11

Примечание: Тстiэк, TстiФ, Tстiпр – температура внешней (i=1) или внутренней (i=2) стенки кольцевого канала трубы Фильда, определенная в эксперименте, расчетом по программе PHOENICS и численно-аналитическим методом (ЧАМ).

Результаты расчета теплообмена в трехканальном теплообменнике по трехмерной математической модели также представлены на рис.7 не затемненными маркерами и в табл. 3. Здесь же приведены экспериментальные данные для одного 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 горячего теплоносителя к возвратному потоку холодного теплоносителя в кольцевом зазоре, при этом интенсивность теплопередачи остаётся практически постоянной по всей длине каналов из-за равенства расходов теплоносителей и противоточной 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 %, соответственно 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 позволяют 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 массообмена в камере дожигания (КД), оснащенной трубами Фильда. КД используется в теплотехнологических схемах электродуговых печей и печах малоокислительного нагрева с целью удаления продуктов неполного горения из состава отходящих 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 топлива) в теплотехнологическом процессе. 

В нижней части камеры дожигания расположены входные патрубки для дожигаемой 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. Перегородка служит для задания направления омывания продуктами сгорания труб Фильда и увеличения времени необходимого для выжигания СО и передачи теплоты от горячего теплоносителя к холодному. Высокотемпературный поток продуктов 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 парогазовая смесь разворачивается и движется в противоположном направлении по кольцевому каналу, находясь в состоянии радиационно-конвективного теплообмена со стенками внешней и внутренней трубок.

На поверхности внутренней каталитической трубки происходит эндотермическая реакция паровой конверсии метана. Получаемый конвертированный газ отводится 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, перепады температур и давлений, распределение локальных сопротивлений и коэффициентов теплоотдачи. На рис. 8 дано изменение температуры холодного теплоносителя 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 дожигания имеет температуру на 69 градусов больше, чем во втором варианте.

На рис.9  видно, что массовая концентрация (m, %) монооксида углерода и водорода 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 трубы; 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 энергоэффективности различных утилизационных схем стекловаренной установки производительностью 16 т/сутки.

Поскольку при использовании труб Фильда температура воздуха, поступающего из студочной зоны для подогрева шихты, может превысить значение, определяемое технологией, вводится поправка, которая устанавливает область допустимых 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, наблюдается спекание шихтовых материалов, что недопустимо по технологическим причинам.  Нижней границей является температура окружающего воздуха (15÷20оС). Задание для неё более высокой температуры, с целью снижения влажности шихты, нецелесообразно по технологическим причинам. Например, согласно 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 ωair и расхода расплава Ggl

На рис. 11 представлены четыре схемы утилизации тепловых отходов ВТУ

Рисунок 11 – Исследуемые энергосберегающие схемы стекловаренной установки (пунктиром 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 шихты, РПК-реактор паровой конверсии, ППГС-пароперегреватель

Из анализа схемы В1 следует, что полезно использованная теплота, необходимая для нагрева шихты и осуществления химических реакций стеклообразования, 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 удельному 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 воздушной регенерацией (В1) и повысить КПИ на 22 %.

Рисунок12 - Диаграмма сравнения исходного удельного расхода природного газа (а) и КПИ стекловаренной установки при различных схемах (б)

На рис. 13 приведена сравнительная диаграмма расходов 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 регенерации 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 теплогидродинамического процесса в трехканальном теплообменнике, состоящем из цилиндрического канала и трубы Фильда, при различных расходах и температурах теплоносителей.
  3. Впервые с учетом зависимости теплофизических свойств теплоносителей от температуры разработан численно-аналитический метод, позволяющий определить распределение температуры и линейной плотности тепловых потоков в трехканальном теплообменнике, представляющий собой трубу Фильда в цилиндрическом канале.
  4. В программном комплексе PHOENICS разработана математическая модель, позволяющая проводить численные исследования теплогидродинамического процесса в трехканальном теплообменнике с учетом разных k-ε моделей турбулентности. Сравнение расчётных и экспериментальных результатов показало:
  • Наиболее точное описание исследуемого процесса получено при использовании k-ε модели турбулентности Мураками, Мочида и Кондо (КЕММК). Поэтому при выполнении теплотехнических расчётов и определении режимов работы трехканального теплообменника, в виде трубы Фильда и цилиндрического кожуха, рекомендуется использовать эту модель турбулентности.
  • Результаты расчетов трехканального теплообменника, выполненных численно-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 превышают 3.1 и 1.7 %, соответственно для первого и второго вариантов расчета. Поэтому разработанный метод расчёта и трехмерная модель теплогидродинамического процесса в рассматриваемом теплообменнике могут быть использованы для анализа его функциональных характеристик при различных режимных и конструктивных параметрах.
  1. Впервые разработана трехмерная модель процесса, протекающего в камере дожигания с трубами Фильда, предназначенных для утилизации теплоты продуктов сгорания и получения синтез-газа путем термохимической регенерации. Использование труб Фильда с центральной каталитической трубкой вместо прямых гладких катализированных труб увеличивает количество конвертированного газа в 1.7 раза и снижает температуру продуктов сгорания на выходе камеры дожигания на 15.8 %.
  2. В диаграмму Хоанга Х.Х. по технологическим требованиям введено ограничение 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 эффективности использования труб Фильда.
  3. Показана целесообразность применения труб Фильда в аппаратах системы комплексной утилизации тепловых отходов стекловаренной установки, которая включает использование теплоты отходящих газов и расплава для подогрева окислителя 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 исследование процессов тепло- и массопереноса в элементах трубки Фильда// Тепловые 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. Радиоэлектроника, 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 конференция 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 Международная 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 исследования теплообмена  в трубе Фильда // 18-ая Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов. Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: 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.

Полиграфический центр МЭИ (ТУ)

Красноказарменная ул., д.13






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

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.