WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


На правах рукописи

ФЕДЯЕВ АЛЕКСАНДР АРТУРОВИЧ

РАЗРАБОТКА И НАУЧНОЕ ОБОСНОВАНИЕ ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИХ ПРИЕМОВ И ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕПЛОТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ

05.14.04 – Промышленная теплоэнергетика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва – 2008

Работа выполнена на кафедре Тепломассообменных процессов и установок Московского энергетического института (технического университета)

Научный консультант: доктор технических наук, профессор Данилов Олег Леонидович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Рудобашта Станислав Павлович доктор технических наук, профессор Леончик Борис Иосифович доктор технических наук, профессор Тимонин Александр Семенович

Ведущая организация: Московский государственный университет леса

Защита диссертации состоится «16» мая 2008 года в ___ часов в аудитории Г-406 на заседании диссертационного Совета Д.212.157.10 в Московском энергетическом институте (техническом университете), 111250, г. Москва, Красноказарменная ул., д.17.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского энергетического института (технического университета).

Отзывы на автореферат в 2-х экземплярах, заверенные печатью организации, просим направлять по адресу: 111250, Москва, Красноказарменная ул., д.14, Ученый Совет МЭИ (ТУ).

Автореферат разослан «___» __________ 2008 года.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент С.К. Попов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Высокий уровень энергозатрат и значительные потери энергии, которые характерны для большинства отраслей промышленности и народного хозяйства, предопределяют актуальность активной энергосберегающей политики, проведение которой, в том числе и в технологии такого широко распространенного и энергоемкого теплотехнического процесса как сушка, обуславливается неоправданным ростом энергоемкости единицы продукции. Возможные масштабы экономии энергии при использовании сушильной техники во многих отраслях промышленности составляют десятки млн. т.у.т.

Последнее особенно актуально в обширных регионах за Уральским хребтом, например, где только в регионах Восточной и Западной Сибири доля промышленной продукции, получаемой с использованием сушильной техники, достигает 18-22%.

Разработка математических моделей неравномерного тепломассообмена в рабочих камерах аппаратов и элементах оборудования, к примеру, в поверхностных теплообменниках, в контактных тепломассообменных аппаратах, в сушильных установках с конвективным массоотводом при различных физических механизмах теплоподвода и т.д., позволяющих рассчитывать неравномерные в пространстве и во времени поля физических величин, является важной задачей при выявлении нового потенциала энерго- и ресурсосбережения в низкотемпературных теплотехнологических процессах промышленной теплоэнергетики.

При решении задач конвективного тепломассообмена в жидкости значительную роль сыграли методы математического моделирования, разработанные научной школой Д.Б. Сполдинга. Такие методы математического моделирования для исследования вариантов повышения энергетической эффективности теплотехнологического оборудования до сих пор систематически не разрабатывались. Один из возможных подходов к решению этой актуальной проблемы описан в данной работе.

Научные основы по вопросам энергосбережения заложены в работах Ключникова А.Д., Ахмедова Р.Б., Доброхотова В.И., Макарова А.А., Мелентьева Л.А. и др.

Реальная кинетика процессов при использовании наиболее широко распространенных методов расчета зачастую игнорируется. Не рассчитываются многомерные неравномерные поля изменяющихся физических величин, рассчитываются только их усредненные значения. Расчеты выполняются на основе эмпирических обобщений, причем в эмпирические формулы, равносильные заданию зависимости энергетических затрат от исходных параметров, нередко уже заложен негативный эффект неравномерности.

Так, например, в многочисленных процессах сушки произвольных материалов, где кинетика процессов переноса сильно зависит от свойств твердых рабочих сред, наибольшими возможностями в исследовании нестационарных полей влагосодержания и температуры обладает математическая мо дель, базирующаяся на системе нелинейных дифференциальных уравнений для внутреннего влаго- и теплопереноса, разработанных А.В. Лыковым.

Использование подобной модели в вычислительном эксперименте является перспективным, т.к. в условиях непрерывного изменения входных условий в сушилке (различные виды пород, изменение структуры, начального влагосодержания и т.д.) только расчет на ЭВМ позволяет контролировать состояние материала на выходе из сушильной камеры и управлять процессом сушки по заданным в первую очередь критериям качества сушимых материалов, ассортимент которых постоянно расширяется. Однако, использование в широких диапазонах изменения характеристик материала отмеченной выше системы уравнений затруднено отсутствием кинетических коэффициентов.

Интенсивное развитие современной теплоэнергетики предопределяет и создание высокофорсированных промышленных теплоэнергетических установок, новых систем тепло- и энергосберегающей технологии, что практически невозможно без всестороннего изучения физики процессов тепло- и массообмена и разработки методов расчета локальных характеристик этих процессов. В частности, в многочисленных конвективных сушильных установках процессы гидродинамики и теплообмена осложняются целым рядом внешних факторов, которые необходимо учитывать при расчетах: меняющийся по длине режим течения энергоносителя (ламинарный, переходный, турбулентный); начальная степень турбулентности на входе в проточные части установок, большой уровень температурных напоров; наличие на рабочих поверхностях источников массы, а также продольных компонент скорости (движение поверхности, направленный вдув) и т.д.

Решаемая проблема отвечает первому направлению Концепции энергетической политики России в новых экономических условиях, принятой Правительством Российской Федерации в сентябре 1992 г., - анализ потенциала энергосбережения, а также второму этапу Основных положений Энергетической стратегии России на период до 2020 года, принятых Правительством РФ в ноябре 2000 г., - повышение эффективности использования топливноэнергетических ресурсов, а также эффективности и конкурентоспособности производства, в том числе и лесопромышленного комплекса. Актуальность темы диссертации подтверждается ее соответствием, в частности, тематике государственной научно-технической программы “Новые методы и средства экономии энергоресурсов и экологические проблемы энергетики”. Научные результаты, полученные автором в ходе работы над диссертацией, были использованы при проведении ряда прикладных научно-исследовательских работ.

Целью работы является: экспериментальное и теоретическое исследования внешнего и внутреннего тепломассопереноса при целенаправленном изменении аэродинамической обстановки в энергоемких теплотехнологических установках, разработка научно-обоснованных энерго- и ресурсосберегающих технических и технологических решений при термовлажностной обработке дискретных капиллярно-пористых коллоидных материалов.

Для достижения указанной цели поставлен и решен ряд научно технических задач, в том числе:

- создание лабораторного стенда и экспериментальное изучение особенностей испарения жидкостей с различными физическими свойствами из капиллярно-пористых тел при изменении их пористости с целью последующего учета возникающих физических явлений в математической модели сопряженного тепло- и массообмена;

- расчетно-экспериментальное исследование течения и внешнего тепло- и массообмена при ориентированной подаче инородного газа с переменной интенсивностью, углом вдува и степенью турбулентности для уточнения математической модели сушки;

- расширение возможностей использования физически обоснованной математической модели внутреннего тепломассопереноса в термически толстых влажных материалах для исследования и непрерывного расчета кинетики и динамики в I и II-м периодах сушки в условиях неравномерных полей параметров сушки;

- настройка и адаптация вычислительного комплекса PHOENICS для решения задач исследования и проектирования рабочих камер теплотехнологических установок с целью воздействия конструктивными приемами на неравномерность тепломассообмена для снижения нерациональных энергетических затрат;

- разработка программного обеспечения для численных исследований нестационарных полей движущих сил во влажных материалах при сопряженном тепломассопереносе в условиях неравномерного распределения параметров сушки по сечению сушильной камеры;

- расчетно-экспериментальное изучение процессов движения и тепломассообмена для разработки рекомендаций по повышению эффективности крупногабаритного теплотехнологического оборудования;

- уточнение, дополнение и апробация методики теплотехнического расчета конвективных сушильных установок для сушки дискретных материалов с учетом влияния поперечного потока инородной массы на распределение динамических и тепловых полей и дополнительного стока тепла в пограничном слое;

- научное обоснование и разработка оригинальных конструктивных решений промышленных аппаратов и их элементов, обеспечивающих улучшение теплотехнических и технологических показателей.

Новые научные результаты.

1. Экспериментально установлено влияние пористости П, температуры t и вида растворов на интенсивность испарения при конвективной сушке дискретных капиллярно-пористых коллоидных тел и получены зависимости, необходимые для реализации математической модели взаимного тепломассопереноса. В зоне испарения выявлены оптические неоднородности, проведена оценка их размеров и числа в объеме перетяжки лазерного пучка.

2. Исследованы процессы ориентированной подачи инородного газа при варьировании интенсивности подачи, углов вдува и различной степени турбулентности на осредненные и пульсационные характеристики турбу лентного изотермического бинарного пограничного слоя. Установлено активное влияние слабых вдувов (с интенсивностью до 0,6 %) на оттеснение скоростных и концентрационных полей и турбулентных пульсационных составляющих потоков во внешнюю область пограничного слоя, учет которых необходим при испарении водных и неводных жидкостей в паровоздушную среду.

Уточнена методика расчета течения и тепломассообмена в каналах и рабочих камерах теплотехнологических установок с конвективным теплоподводом, процессы в которых осложнены наличием инородных потоков массы (при различной степени турбулентности набегающего потока) с поверхностей капиллярно-пористых материалов.

3. Развита и дополнена физически обоснованная модель и расширены возможности использования системы уравнений взаимосвязанного тепломассопереноса при сушке дискретных термически толстых капиллярнопористых тел, позволяющих рассчитывать и исследовать кинетику и динамику сушки, протекающих как в I-м, так и во II-м периодах сушки, за счет учета изменения поверхностного влагосодержания и интенсивности испарения на действительную движущую силу внешнего массопереноса.

4. Создано программное обеспечение для расчета нестационарных полей движущих сил процесса обезвоживания дискретных материалов в условиях неравномерного тепло- и массообмена и проведены численные исследования локальных и интегральных характеристик динамики и кинетики сушки, результаты которых позволили:

- установить качественное и количественное влияние неравномерных профилей потоков тепла на профиль конечного влагосодержания сушимого материала, объяснить причины возникновения технологического брака и перерасхода энергии, предложить способы рационального деформирования профилей параметров сушильного агента;

- обосновать новый подход к управлению совместным тепло- и массообменом при конвективной сушке капиллярно-пористых коллоидных материалов, методологической основой которого служит использование в качестве регулируемых параметров профилей скорости и температуры сушильного агента;

- выявить возможности снижения энерго- и материалоемкости промышленных установок за счет интенсификации процессов тепло- и массообмена при реконструкции отдельных элементов теплотехнического оборудования.

5. Изучены процессы движения и совместного тепло- и массообмена в перекрестноточных сушилках для сушки дискретных материалов. Получены новые расчетные и экспериментальные данные, необходимые для реализации энерго- и ресурсосбережения. Разработаны новые формы конструкций газоподводящих, газораспределительных и газонаправляющих устройств в рабочих камерах теплотехнологических аппаратов, позволяющие снизить непроизводительный расход энергоресурсов, брак, внеплановые остановки на текущий ремонт.

6. Разработаны и реализованы новые способы повышения энергетической эффективности теплотехнических и теплотехнологических установок (котлоагрегатов, крупногабаритных конвективных сушильных установок для термообработки толстых и тонких капиллярно-пористых материалов, сопловых направляющих аппаратов, газораспределительных устройств и др.), защищенных авторскими свидетельствами и патентами Российской Федерации на изобретения.

Практическая значимость результатов работы. На основе теоретических, экспериментальных и опытно-промышленных исследований:

- разработан программный продукт для теплотехнических расчетов и численных исследований сопряженного тепло- и массообмена в условиях неравномерности полей плотности потоков массы и тепла по поперечному сечению камер теплотехнологического оборудования, позволяющий повысить точность определения конструктивных размеров установок, оценивать вероятность локального ухудшения характеристик обрабатываемых материалов;

- созданы новые и модернизированы существующие конструкции газораспределительных сопловых устройств сушилок финской фирмы «Рауте» для сушки шпона, позволившие управлять интенсивностью сушки в диапазоне 12 - 16% от номинала;

- уточнена методика расчета течения и тепломассообмена в рабочих камерах и каналах крупногабаритных теплотехнологических установок, в которых процессы конвективного энергоподвода при различной степени турбулентности основного энергоносителя осложнены направленным инородным вдувом потока меньшей плотности с малой интенсивностью.

Экспериментальные данные и скорректированная методика расчета могут быть использованы при анализе, модернизации, а также разработке и проектировании крупногабаритного теплотехнологического оборудования и сушилок;

- усовершенствованы системы распределения газообразного энергоносителя для крупногабаритных сушилок финской фирмы «Валмет», установленных на ОАО «ЦКК» в г. Братске и на ОАО «Усть-Илимский ЛПК», а также итальянских сушильных камер фирмы «Copcal», расположенных на «Братском ЗСИ», позволившие за счет снижения неравномерности конвективного энергоподвода уменьшить практически вдвое величину технологического брака кондиционной продукции;

- повышена надежность работы и снижены непроизводительные затраты при определении рациональных характеристик узла подачи заднего дутья и расходных параметров горелочных устройств котлоагрегатов Б-50-14, установленных на центральной котельной Братского алюминиевого завода;

- выполнена и внедрена работа по использованию низкопотенциального тепла центральных бытовых цехов металлургического предприятия для сушки специальных материалов сложной формы в ограниченном временном интервале при рациональном управлении аэродинамической обстановкой в рабочей камере.

Апробация работы. Основные положения работы, результаты теоре тических, вычислительных и экспериментальных исследований изложены в материалах: 2-й Всесоюзной научной конференции «Методы кибернетики химико-технологических процессов». Баку, 1987г.; 4-й Всесоюзной школы – семинара «Современные проблемы газодинамики и тепломассообмена и пути повышения эффективности энергетических установок». Волгоград, МВТУ, 1987г.; 2-й Всесоюзной научной конференции «Проблемы энергетики теплотехнологии». Москва, 1987 г.; III-й Всесоюзной научной конференции «Интенсификация тепло- и массообменных процессов в химической технологии». Казань, 1987г.; конференции «Совершенствование технологических процессов производства, их механизация, автоматизация и внедрение результатов» (г. Вильнюс, 1988г); «Proceedings of the First World Conference on Experimental Heat Transfer, Fluid Mechanics, and Thermodynamics held September 4-9» (г. Dubrovnik, Yugoslavia, 1988 г.); областной научно - технической конференции «Совершенствование технологических процессов на предприятиях Павлодар – Экибастузского региона» (г. Павлодар, 1988г.); 10й научной конференции болгарских аспирантов в СССР с международным участием «Актуальные проблемы современной науки» (г. Москва, 1988г.); 1ой Республиканской научно-технической конференции «Проблемы эффективного использования электрической и тепловой энергии в машиностроении Узбекистана» (г. Ташкент, 1989г.); научной сесии «ВМЕИ» Ленин «89» (г.

София, 1989г.); Dantec Information «Measurement and Analysis September 1990» (Дания, 1990г.); III Всесоюзной научной конференции по проблемам энергетики теплотехнологии «Интенсивное энергосбережение в промышленной теплотехнологии» (г. Москва, 1991г.); Международной конференции «Тепломассообмен в технологических процессах» (г. Юрмала, 1991г.); Международной конференции по сушке 2-го Международного форума по тепло- и массообмену (г. Киев, 1992г.); XV-XX научно-технических конференциях (г. Братск, 1994 - 1999г.г.); Международных научно-технических конференциях «Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири» (г. Иркутск, 1996, 1998, 1999г.г.); Международной конференции молодых специалистов и ученых алюминиевой, магниевой и электродной промышленности (г. Санкт-Петербург, 1999г.); семинара вузов Сибири и Дальнего Востока по теплофизике и теплоэнергетике (г. Новосибирск, 1999г.); Всероссийской научно – практической конференции с международным участием «Достижения науки и техники – развитию сибирских регионов» (г. Красноярск, 1999г.); конференции «Теплоэнергетика и технологии» Каунасского технологического университета (г. Каунас, Литва, 2000г.); XXIXXII научно-технических конференциях Братского государственного технического университета (г. Братск, 2000 - 2001г.г.); научно-практической конференции «Энергосбережение: проблемы и перспективы» (г. Красноярск, 2000г.); «Kauno technologijos universitetas. Lietuvos energetikos institutas.

ilumos energetika ir technologijos. Konferencijos praneim mediaga. Kaunas.

Technologija» (Kaunas, 2001, 2002 m.m.); I, II Международных научнопрактических конференциях «Современные энергосберегающие тепловые технологии (сушка и термовлажностная обработка материалов, сушка и теп ловые процессы) СЭТТ» (г. Москва, 2002, 2005 г.г.); Межрегиональных научно-технических конференциях «Естественные и инженерные науки – развитию регионов» (г. Братск, 2002 – 2004, 2006, 2007г.г.); 1ere conference internationale sur 1’ efficatite energetique. Alger – Algerie (Algerie, 2003 g.);

Второй и Третьей Международной школы-семинара молодых ученых и специалистов «Энергосбережение – теория и практика» (г. Москва, 2004, 2006г.г.); IV Межрегиональной и VI Всероссийской научно-технических конференциях с международным участием «Механики XXI веку» (г. Братск, 2005, 2007г.г.); I Международной научно-технической конференции «Энергетика, экология, энергосбережение» (г. Усть-Каменогорск, июнь 2005 г.);

Международной научно-практической конференции «Энергетика, экология, энергосбережение» (г. Усть-Каменогорск, октябрь 2005г.); Международного научно-практического семинара. – Санкт-Петербург, 31 марта 2006г.; Международного научно-практического семинара, – Санкт-Петербург, ГЛТА: НП «НОЦ МТД», 2006г.; Международной научно-практической конференции «Первичная обработка древесины: лесопиление и сушка пиломатериалов.

Состояние и перспективы развития», – СПб.: НП «НОЦ МТД», 2007г.; Всероссийской научно-технической конференции, – Братск: ГОУ ВПО «БрГУ», 2007г.

Публикации. Основные научные положения, выводы и рекомендации диссертации содержатся в 144 опубликованных работах, в том числе в авторском свидетельстве и 2 патентах, десяти учебных пособиях (четыре с грифом УМО), десяти в реферируемых изданиях по списку ВАК, в более 1научных работах в материалах: международных, всесоюзных, всероссийских и республиканских симпозиумов, конференций и семинаров; межвузовских сборников; центральных изданий; зарубежных журналов и сборников.

Объем и структура работы. Материал диссертации изложен на 2страницах машинописного текста. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, выводов, списка литературы, насчитывающего 318 наименований, приложений и содержит 96 рисунков и 18 таблиц.

Основное содержание работы

Во введении отмечена актуальность проблемы снижения энерго- и металлоемкости при работе промышленных теплотехнологических установок. Обосновывается необходимость использования расчета как внутреннего, так и внешнего тепломассообмена для совершенствования действующих и проектирования энергоемких теплотехнологических установок и разработки соответствующих теоретических основ по интенсификации процессов термовлажностной обработки дискретных капиллярно-пористых коллоидных материалов. Сформулированы цели и задачи работы, показана научная новизна, практическая ценность, перечислены основные результаты теоретических, расчетных и экспериментальных исследований.

В первой главе рассматриваются вопросы внешнего и внутреннего тепломассопереноса в энергоемких теплотехнологических установках с точки зрения энерго- и ресурсосберегающей оптимизации протекающих в них процессов, на основе анализа которых формулируются в работе цели и научные задачи исследования.

В сравнении с другими такими традиционными методами энергосбережения, как интенсификация локального тепломассообмена, использование нетрадиционных источников энергии, утилизация вторичных энергетических ресурсов и т.п., метод рационального управления неравномерным тепломассообменом, рассматриваемый в работе, изучен слабо, прежде всего в связи со сложностью его математического моделирования и неоднозначностью в трактовке качества получаемого технологического продукта при варьировании неравномерностью тепломассообмена с помощью регулируемых профилей основных параметров энергоносителя.

Потенциал энерго- и ресурсосбережения вследствие неравномерности тепломассообмена как правило неочевиден, так как существующие методики расчета процессов в теплотехнологических аппаратах, как это следует из анализа технической литературы, не учитывают неравномерные поля переменных физических параметров рабочих сред. Негативные последствия неравномерного тепломассообмена при этом обнаружить достаточно сложно.

Рассматривается современная классификация методов энерго- и ресурсосбережения, определяется место подхода к управлению совместным тепло- и массообменном при термовлажностной обработке дискретных капиллярнопористых коллоидных материалов среди других методов энерго- и ресурсосбережения, сформулированы основные требования к математическим моделям, которые могут быть использованы в основе алгоритмов расчета не только локальной интенсивности тепломассообмена, но и при варьировании неравномерным тепломассообменом в теплотехнологических установках.

Для достижения указанной цели необходимо:

- обобщить существующие и разработать физически обоснованную модель, которая позволит использовать систему уравнений взаимосвязанного тепломассопереноса, учитывающую качественные и количественные изменения, включая наличие объемных стоков тепла в пограничном слое и учет структурных характеристик скелета сушимых материалов, описывающих непрерывную сушку термически толстых материалов в I-м и II-м периодах;

- создать опытные стенды для экспериментального исследования структурных особенностей и физических свойств испаряемых жидкостей на интенсивность испарения; инородного потока массы и его направленности на распределение динамических, тепловых и концентрационных профилей и их рабочие характеристики; определить качественные и количественные показатели при дополнительном стоке тепла в пограничном слое при испарении и его влиянии на коэффициенты теплообмена;

- разработать комплексный метод расчета внутреннего и внешнего тепломассообмена на базе вычислительного комплекса PHOENICS и оригинального программного продукта для расчета кинетики и динамики внутреннего тепломассообмена капиллярно-пористых тел с использованием универсаль ных граничных условий;

- адаптировать вычислительный комплекс для решения задач исследования и проектирования рабочих камер теплотехнологических установок с целью определения геометрических размеров и форм распределительных устройств для снижения неравномерности тепломассообмена и нерациональных энергетических затрат;

- определить и исследовать разнообразные приемы влияния на неравномерность тепломассопереноса с целью обоснования кинетической оптимизации применительно к сушке термически толстых капиллярно-пористых дискретных материалов.

Выполнение поставленных задач на основе разработки научнообоснованных энерго- и ресурсосберегающих технических и технологических решений при управлении неравномерным тепломассопереносом в энергоемких теплотехнологических установках является не только актуальным, но и имеет важное народно-хозяйственное значение.

Во второй главе представлены результаты экспериментального исследования энергетической эффективности промышленных установок при крупномасштабной термообработке капиллярно-пористых материалов.

При прямом промышленном эксперименте выявлены нарушения режимов сушки из-за неравномерности распределения полей скоростей сушильного агента по поперечному сечению крупногабаритной рабочей камеры финской фирмы «Валмет» (одновременно обрабатывается 12 штабелей пиломатериалов, каждый габаритами 4,56,51,5 м), а значит и полей влагосодержаний и протекающих тепло- и массообменных процессов в материале вследствие различного энергоподвода к нему. Так, например, отмечается значительная неравномерность как продольных (вблизи торцов пиломатериалов рост скорости сушильного агента до 25 %), так и вертикальных профилей скорости (падение скорости до 50 %, а также наличие обратных потоков в верхней и повышение скорости почти в 2 раза в нижней частях камеры) в рабочей зоне участка подачи и распределения теплоносителя (рис. 1а).

Аналогичные тенденции отмечены и при исследовании режимов работы камерных установок «Ваничек», «Сорсал», «Сатеко» и др.

5 а) б) Рис. 1. Поле скоростей на входе в рабочую зону сушилки: эксперимент – а); расчет PHOENICS – б).

1 – узел подачи и распределения сушильного агента в рабочую зону; 2 – профиль скорости; 3 – осевой вентилятор; 4 – штабель сушимого материала; 5 – рабочая зона сушильной камеры.

Технологический брак из-за повышенного влагосодержания, растрес кивания и коробления готовой продукции вследствие неравномерного распределения полей влагосодержаний и температур достигает 4-5% и более.

Потенциал энерго- и ресурсосбережения в результате изменения или устранения неравномерности процессов тепломассообмена в рабочих камерах и элементах термовлажностных установок за счет снижения непроизводительных потерь энергии может достигать только при сушке пиломатериалов на предприятиях в отдельных регионах Восточной Сибири без учета затрат энергии на вспомогательные операции более 0,4 млн. т.у.т./год.

На лесообрабатывающем заводе, где установлены 24 сушильные камеры «Валмет», проводились экспериментальные исследования температурных режимов работы этих установок с помощью тепловизионного оборудования:

фотографические съемки и сканирование распределения температурного профиля в штабеле сразу после выгрузки из сушильной камеры (рис. 2а,б), а также контрольные замеры конечного влагосодержания с интервалом 0,7 м по длине и 0,4 м по высоте передней и задней частей штабеля (рис. 3).

Очевидно, что в целом конечное влагосодержание в верхней части штабеля выше чем в нижней части (11-17,2% против 12,2-13,8%). Таким образом неблагоприятная аэродинамическая обстановка для верхней части штабеля, выявленная при экспериментальных исследованиях, влияет и на кондиционные параметры продукции в конце процесса термовлажностной обработки.

р3 ррррррр3 рр1 рррра) б) Рис. 2. Распределение температурного профиля в штабеле после выгрузки из сушильной камеры: а) – фронтальная часть (сечение р1-р1, р3-р3); б) торцевая часть (сечение р1-р1, р4-р4).

В промышленных сушильных установках для интенсификации процессов тепло- и массообмена используются активные гидродинамические режимы, в частности, набегание сушильного агента на материал в виде импактных струй. Подобный принцип используется при сушке тканей, бумаги, шпона и т.д. Однако, несовершенство аэродинамики в сушильной камере и сопловых аппаратах приводит часто к неравномерности высушивания по ширине полотна материала. Так, например, на фанерном заводе, где установлено крупномасштабных конвективных ленточных установок финской фирмы «Рауте» для сушки шпона (рис. 4а), технологический брак по указанной выше причине достигает 2,6% и более (или свыше 15 тыс. т.у.т./год в целом по заводу).

к, % Wк, % 4, м h,3,2,1,а) б) 0,10 12 14 16 18 к, % 0 1 2 3 4 5 к, % Передняя сторона Задняя сторона Среднее значение W L, м Передняя сторона Задняя сторона Среднее значение Рис. 3. Распределение конечного влагосодержания по высоте – (а) и по длине штабеля пиломатериала (каждая точка – усредненное значение из пяти точек по длине) – (б).

W, % 26 , % 4 I 4 I 1а) II II 2 2 III III б) 1 IV 1 IV V V , мин 0 2 4 6 Рис. 4. Поперечный разрез одной из секций рабочей камеры сушильной установки (а) и изменение влагосодержания при сушке сосны в конвективной сушильной установке (б): – полотно сушимого материала; 2 – сопловые короба; 3 – паровой калорифер; 4 – осевой вентилятор; 5 – выброс части отработанного теплоносителя; 6 – рабочая камера; 7 – эпюры скоростей сушильного агента в напорной части; 8 – первый этаж сушки шпона; 9 – подача теплоносителя через раздаточные отверстия (сопла); 10 – заслонки; 11 – сопловые короба новой конструкции (V этаж); 12 - левая часть; 13 – правая часть полотна сушимого материала.

Результаты экспериментальных и лабораторных исследований процесса сушки лущеного шпона, выполненных на одной из установок, показали, что скорости сушки, различные с левой и правой частей полотна древесины, обуславливаются неодинаковыми гидродинамическими условиями. Левая часть полотна, ближняя к подаче сушильного агента, достигает проектного влагосодержания уже на пятой минуте процесса сушки (III этаж), wПР.=810% (рис. 4б), средняя часть полотна - на шестой минуте (IV этаж), правая часть полотна, даже при меньшем начальном влагосодержании, не выходит на требуемые кондиции даже на выходе из сушилки.

Наличие внешней неравномерности приводит и к внутренней неравномерности процессов тепломассопереноса, а значит к неэффективной эксплуатации сушильных установок, к увеличению энергетических затрат, неоправданному увеличению габаритов теплотехнологических установок и технологического брака готовой продукции из-за трещинообразования и коробления материала.

В третьей главе рассматриваются вопросы расчетных и эксперимен тальных исследований аэродинамических и тепломассообменных характеристик проточных частей промышленных установок.

Численное моделирование процессов течения и теплообмена осуществлялось с помощью вычислительного комплекса PHOENICS. Система уравнений, описывающая данные процессы, включает в себя уравнение неразрывности, уравнение движения, уравнение энергии, уравнение кинетической энергии турбулентных пульсаций и уравнение диссипации энергии турбулентности при соответствующих граничных условиях. Использовалась стандартная к- модель турбулентности, дающая хорошую сходимость в том чис ле и для опытных данных, полученных для условий ориентированной подачи с поверхностей потока другой плотности. Основой пакета прикладных программ комплекса при решении системы уравнений является метод контрольных объемов.

Поиски методов интенсификации теплообмена ведут к необходимости более детальных исследований структуры неизотермических турбулентных течений. Проведенный анализ теоретических и экспериментальных работ показал, что практически отсутствуют данные по эффективности воздействия на гидродинамику и тепломассообмен процессов испарения в сушилках, когда поперечный поток пара и его отклонение от нормали к поверхности испарения аналогичен вдуву инородного газа с различной интенсивностью.

В работе представлено описание аэродинамической установки с универсальным рабочим участком, на котором моделировались процессы испарения и ориентированной подачи инородных газов с различной степенью интенсивности в сложных газодинамических и тепловых условиях: переменной степенью турбулентности (0,5 – 12%); регулируемой температурой (до 140оС) и скоростью (до 16 м/с) набегающего потока; организацией канальных и безградиентных течений различной конфигурации. При измерениях осредненных и пульсационных характеристик пограничных слоев использовалась прецизионная многоканальная термоанемометрическая система. Была проведена серия экспериментов по вдуву в пограничный слой разнородных газов с пористых поверхностей под различными углами к поверхности ( = 15о 165о), в том числе воздуха с малой интенсивностью F102 = (V)w/(U)l, % в диапазоне F102 = 0,0030,03 (рис. 5а), т.е. в пределах интенсивностей испарения F воды, определяемых аналогично. Интенсивность подачи гелия в пределах деформации профилей для воздуха и испарения воды составила 0,00050,001. В работе проведена оценка влияния вдува различных газов на закон теплообмена. Профили скоростей при испарении воды (рис. 5б) также получены на пористой поверхности (пористость П = 0,6 - 0,8) при различных температурах безградиентного потока. Интенсивность испарения в диапазоне о температур t = 22102 С составила F102 = 0,00010,011 %, число Rel = 3,6105.

Анализ изменения профилей скоростей в пограничном слое показал, что с увеличением интенсивности вдува воздуха F заполненность профилей падает, что говорит об увеличении толщины пограничного слоя. В соответст вии с теорией пограничного слоя и многочисленными исследованиями по вдуву воздуха под углом 90о с увеличением интенсивности вдува F и ростом толщины пограничного слоя падает коэффициент поверхностного трения Cf и коэффициент теплоотдачи в связи с оттеснением основного потока от стенки за счет поперечного потока массы (V)w.

Аналогичные эффекты в соответствии с данной теорией должны наблюдаться и при испарении жидкости, т.е. при наличии поперечного потока массы в виде пара, как и при подаче с поверхности потока с низкой плотностью (рис. 5в). С ростом интенсивности испарения воды за счет увеличения температурного напора также отмечается снижение заполненности профилей скорости, что хорошо иллюстрируется совмещенными профилями скоростей (рис. 5б). Однако в ряде экспериментальных работ [например, Лыков А.В.], отмечается возрастание коэффициента теплоотдачи с увеличением температурного напора на десятки процентов, что объясняется, на наш взгляд, наличием в пограничном слое отрицательного источника теплоты в виде объемного испарения капель, выносимых с пористых поверхностей в пограничный слой. Этот фактор предопределил задачу по экспериментальной проверке данной гипотезы, чему посвящена 4 глава работы.

Расчет процессов течения с учетом осложняющих факторов, выполненный в эксперименте с помощью вычислительного комплекса PHOENICS и выбранной модели турбулентности, показал достаточно хорошее совпадение, в частности, для условий поперечного потока массы низкой интенсивности с пористой поверхности (рис. 5б, сплошная линия).

Ниже приведены некоторые результаты физического моделирования с помощью вычислительного комплекса аэродинамической обстановки каналов сложной геометрии в 2-х, 3-х мерной постановке, выполненные в работе для различных теплотехнологических установок.

Фрагмент численных исследований процессов гидродинамики в рабочей зоне крупномасштабной конвективной сушильной установки (рис. 1б) показывает достаточно хорошее соответствие распределения поля скоростей в узле подачи и распределения сушильного агента в рабочую зону с данными прямого промышленного эксперимента, представленными на рис. 1а.

U/Ue • - воздух Рис. 5. Профили осредненных 0,F102 = 0,2 1,а) скоростей при нормальном вдуве = 90о 0,U/Ue воздуха (а) и гелия (в) с различ0,о - вода 0,ной интенсивностью F и испареб) = 0,8, t = 102 оС 0,нии воды (б) через пористые по0,0 верхности при изменении темпеU/Ue 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,6 0,7 0,8 0,9 0,80,5 ратуры набегающего потока от 0,до 102 С. Пунктир – гладкая пла0,6 - гелий F102 = 0,05 0,стина.

0, = 90о в) 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 0,y/ 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 Другой пример – шлакование поверхностей нагрева задней стенки экрана топки котлоагрегата вследствие забрасывания части пылевидного топлива вторичным воздухом с высокими скоростными параметрами, что приводит к снижению теплообмена, коэффициента полезного действия котла и в конечном итоге к внеплановому текущему ремонту, а значит и росту непроизводительных эксплуатационных затрат.

Экспериментальным и расчетным путем определена рациональная аэродинамическая обстановка в топке пылеугольного котлоагрегата при различной ориентации в пространстве камеры потоков горячего воздуха из узла подачи заднего дутья, приводящая к снижению энергозатрат (рис. 6).

1 б) а) Рис. 6. Распределение профилей скорости основного потока вторичного воздуха в топочном пространстве: а) – узел заднего дутья включен; б) – узел заднего дутья выключен; 1 – подача вторичного воздуха; 2 – подача заднего дутья. Расчет PHOENICS.

Неравномерность процессов термовлажностной обработки материалов наблюдается и в малогабаритных установках, например, в мини камерах (рис.

7), достаточно широко применяемых на различных предприятиях для сушки материалов неправильной формы (текстиль, войлочные изделия, армейская верхняя одежда и т.д.).

Численные исследования аэродинамики газового тракта и газоподводящих каналов сложной конфигурации финских высокопроизводительных ленточных установок с помощью вычислительного комплекса выполнены с целью снижения значительной неравномерности сушки длинномерных материалов по ширине полотна.

а) б) Рис. 7. Распределение переменных параметров сушильного агента в сечении по оси симметрии мини камеры при сушке разногабаритных текстильных изделий: а) – поле температур теплоносителя; б) – профили скорости теплоносителя. Расчет PHOENICS.

В частности, при уменьшении проходного сечения хвостовых частей газораспределительных аппаратов между корпусом и полотном сушимого материала (рис. 8) на величину до 16-20% на последних этажах сушилки скорость сушильного агента возрастает в пределе до 8,7-9,2%, что приводит в конечном итоге к улучшению кондиционных параметров готовой продукции и к снижению более чем вдвое технологического брака.

Вычислительный комплекс позволяет обеспечивать многоцелевое применение для решения задач исследования и проектирования рабочих камер теплотехнологических установок с целью определения геометрических размеров и форм распределительных устройств для снижения неравномерности тепломассообмена и энергетических затрат, а также провести оценку влияния режимных параметров энергоносителей на эффективность работы промышленных установок.

I - I 4 U U 3 U I Н1 Н2 НРис. 8. Схема перфорированного обдува полотна сушимого материала и деформации выходного профиля скорости в зоне его эффективной сушки: 1 – газораспределительные аппараты; 2 – полотно сушимого материала; 3 - расчетный профиль продольной скорости сушильного агента; 4 – подача агента через отверстия; пунктир – варианты деформации выходного профиля скорости в зазоре.

В четвертой главе рассматриваются вопросы описания разработанных опытных стендов для экспериментального исследования канальных течений при наличии осложняющих факторов (пористость и физические свойства испаряемых жидкостей) и лабораторных исследований по определению влияния температурного фактора на вынос неоднородностей в пограничный слой при испарении.

Для повышения достоверности проектирования конвективных сушильных установок необходимы углубленные исследования по влиянию различных факторов на интенсивность внешнего теплообмена. Отрывочные и противоречивые опытные данные [Смагин В.В., Вайнберг Р.Ш., Бояршинов Б.Ф., Данилов О.Л.] по влиянию поровой структуры сушимого материала и физических свойств испаряемой жидкости, а также существенные отличия в значениях коэффициентов теплоотдачи при испарении из капиллярно-пористых тел и при вдуве в пограничный слой инертного газа вызывают необходимость более детального изучения физики происходящих при этом процессов.

Экспериментальные исследования выполнялись на специально разработанном стенде, в качестве испаряемых жидкостей использовались вода, этиловый спирт и ацетон как теплоносители, имеющие различную, например, температуру кипения, теплоту фазового перехода и плотность. При измерении осредненных характеристик динамического и теплового пограничных слоев по длине пластины с различной пористой структурой (керамика, поролон) использовались миниатюрные хромель-копелевые термопары и щелевой насадок полного давления, а также прецизионная термоанемометрическая аппаратура. Температура основного потока при безградиентном течении в канале варьировалась в пределах t = 18 138оС, число Re = 3,6105, степень турбулентности Тu = 3,3 %.

По результатам измерения осредненных характеристик определялось несколько параметров, в частности интенсивность испарения:

qм = (tп - tмт ), (1) r где r – теплота фазового перехода; tп и tмт – соответственно температура ядра нагретого потока и температура мокрого термометра.

Коэффициент теплоотдачи определялся на основании измеренного температурного градиента:

(t / y)w, (2) = - (tп - tмт ) где – теплопроводность; (t/y)w – градиент температуры у стенки.

При этом интенсивность теплообмена определялась как:

qw = qм r. (3) При проведении экспериментов разброс опытных данных составил до ±8,5 %. Наиболее заметное влияние пористость (П) материалов на коэффициент теплоотдачи и интенсивность испарения различных жидкостей оказывает при высоких температурах (рис. 9). Величина теплового потока к поверхности при испарении воды и варьировании П и t изменяется и по длине капиллярно-пористого материала (рис. 10). Величина коэффициента теплоотдачи (рис. 11) снижается довольно значительно при уменьшении пористости, причем с ростом температурного напора эта разница растет. Так, при уменьшении пористости до П = 0,8 величина снижается на 20 %, а при П = 0,17 – более чем в два раза. Коэффициент теплоотдачи у этилового спирта в 1,36 1,39 раза, а у ацетона в 1,85 1,9 раза выше по сравнению с испарением воды в исследуемом температурном диапазоне.

Как показали проведенные исследования, существуют отличия в значениях коэффициентов теплоотдачи, определяемых при испарении из капиллярно-пористых тел и при вдуве в пограничный слой инертного газа. Для диагностики пограничного слоя в зоне испарения методом оптического локального зондирования [Бендатт Д., Пирсол А., Дубнищев Ю.Н. и др.], основанного на отклонении зондирующего лазерного излучения на оптических неоднородностях, использовался лазер ЛНГ-203 в комплекте с прецизионным измерительным комплексом фирмы. Анализатор комплекса имеет 800 полос спектра равной ширины и позволяет обрабатывать сигнал в диапазоне частот от 0 до 51,2 кГц. Ширина одной полосы в выбранном диапазоне частот со ставляла 64 Гц.

1qм, кг/м2ч Рис. 9. Влияние пористости материала на интенсивность испарения при температуре 12 о С различных жидкостей: 1 – ацетона; 2 – спирта; 3 – воды.

0 0,2 0,4 0,6 0,8 П t, оС 112 Рис. 10. Влияние температурного напора на 100 Вода, величину плотности теплового потока qw по П = 0,длине капиллярно-пористого тела в 1-3 сечениях по длине рабочего участка при испарении воды.

qм, кДж/м2ч 0 2 4 6 8 t, 150 оС 10,0 0,17 0,34 0,8 1Рис. 11. Влияние пористости П в интервале от до 1 и температурного фактора t на ковода эффициент теплоотдачи при испарении воды.

0 25 50 75 , Вт/м2оС На разработанной аэродинамической установке у поверхности испарения (этиловый спирт) проведено локальное зондирование лазерным пучком в последнем сечении в 2-х точках по высоте. В результате измерения в зоне испарения обнаружены неоднородности размером 8,2 мкм. В объеме перетяжки лазерного пучка диаметром 52 мкм их содержалось 8 штук. При определении абсолютной спектральной плотности колебаний лазерного пучка отмечено значительное увеличение скорости «уноса» частиц в поток (рис. 12) в диапазоне температур 20 50 оС. Измеренный временной сигнал подвергался преобразованию Фурье [Дженкинс Г., Ваттс Д.], в результате которого он превращался в амплитудочастотную характеристику. По результатам полученных экспериментально характеристик очевидно, что отрыв с поверхности частиц – рассеивателей имеет место. Процесс уноса капель характеризуется узким спектральным пиком на спектрограмме в диапазоне частот порядка кГц (рис. 13).

1t, оС А,В 40 0 w,кГц 13,0 1 2 Ei, усл. ед.

Рис. 12. Зависимость спектральной плот- Рис. 13. Спектрограмма процесса колебаний ности энергии колебаний Еi лазерного пульсаций интенсивности лазерного зондипучка от температуры ядра потока. рующего пучка от температуры ядра потока:

1 – 20 оС; 2 – 45 оС; 3 – 95 оС.

При тестировании эксперимента, т.е. при наличии потока теплоносите ля, наличии градиентов температур, но при «сухом» капиллярно-пористом теле, отмеченных выше характерных пиков не наблюдалось.

Важной задачей при выявлении потенциала энерго- и ресурсосбережения в низкотемпературных теплотехнологических процессах является разработка математических моделей неравномерного тепломассообмена в рабочих камерах аппаратов и элементах оборудования с конвективным массоотводом при различных физических механизмах теплоподвода.

В работе для исследования нестационарных полей влагосодержания и температуры в процессах термовлажностной обработки термически толстых капиллярно-пористых коллоидных тел взята математическая модель, базирующаяся на системе нелинейных дифференциальных уравнений для внутреннего влаго- и теплопереноса [Лыков А.В.]:

t t Co = + r o (4) x x t a = + a , (5) m m x x x где am, , - соответственно коэффициент потенциалопроводности, теплопроводность и термоградиентный коэффициент; С, r, - удельная теплоемкость, теплота фазового перехода и критерий фазового превращения.

В математической модели поверхностного испарения [Смагин В.В., Бояршинов Б.Ф.] предложены универсальные граничные условия, в которых учитывается снижение действительной движущей силы внешнего массопереноса за счет изменения поверхностного влагосодержания и интенсивности испарения. Модель поверхностного испарения описывает непрерывно как в I-м, так и во II-м периоде сушки весь процесс как в жестких, так и мягких условиях сушки.

Граничные условия при конвективной сушке капиллярно-пористого тела в форме пластины можно записать в виде:

t ± - (t - t )+ p Дп (Pw - P ) r(1 - )= 0 (6) w x t ± a o + - p Дп(Pw - P )= 0 (7) m x x Начальные условия: t(x) = to = f (x); (x) = o = f (x), (8) где p, , о - соответственно коэффициенты массообмена и теплоотдачи, начальная плотность; Дп - критерий поверхностного испарения, определяемый по отношению действительного перепада движущей силы внешнего массопереноса к максимально возможному.

Критерий поверхностного испарения учитывает также реальные свойства конкретного материала:

Rf Дп =, (9) Rf +1+ Pw / P где Pw - парциальное давление пара у поверхности мениска; Р - полное дав ление в сушильном агенте; Rf - критерий интенсивности испарения, представляющий собой отношение диффузионных сопротивлений пограничного слоя и устьев капилляров с учетом действительного проходного сечения для пара.

Критерий интенсивности испарения учитывает также факторы, влияющие на массоперенос, такие, как характерный размер пор, пористость материала П:

Rf = ( П /м)2 / 3, (10) где м - влагосодержание намокания.

Алгоритм решения нелинейной краевой задачи влаго- и теплопереноса в капиллярно- пористых телах (уравнения 4,5,6,7,8) реализован программно на языке – «Pascal». Для температурных режимов, пористости, коэффициентов влаго- и теплопереноса и термодинамических характеристик пористых материалов, использованных при экспериментальном исследовании процессов испарения, выполнено тестирование разработанной программы «Fields».

Для обработки выходных данных (количество численных значений более 40000) разработана программа «Picture», позволяющая представлять интегральные и текущие числовые данные в виде графиков в размерных координатах.

Результаты расчета процесса сушки различных пород древесины (сосна – рис. 14, береза – рис. 16) удовлетворительно согласуются с экспериментальными данными работы [Шубин Г.С.] и располагаются в диапазоне изменения влагосодержания материала вследствие изменения пористости (темный фон) в соответствующих временных интервалах продолжительности сушки.

a) б) 1 1 2 0,3 3 7,, ч 0 8 1 6 2 4 3 2 4 Рис. 14. Кривые сушки сосны толщиной 25 мм при изменении пористости (а) и совмещенные кривые распределения влаги в древесине (б) при пористости 0,1 и 0,5 при сушке сосны в интервалах по времени: 1-8; 2-16; 3-24; 4-32 часа. Точки – эксперимент (Г.С.Шубин).

Расчет процесса сушки сосны толщиной 25 мм выполнен при условиях:

н = 30 %, к = 5 %, tс = 70 оС. При изменении пористости материала с 0,1 до 0,5 (рис. 14а), продолжительность процесса сушки уменьшается на 12-13 %.

Эволюция полей влагосодержаний и температур представлена на рис. 15.

а б г в Т Т х,Т х,Т х, х, Рис. 15. Развитие полей переменных физических величин при сушке сосны: температур (вариант а) и влагосодержаний (вариант б) в соответствующих координатах (в), (г).

a) б) 6 15 18,2 30,0 36,,ч 0 7 14 21 28 Рис. 16. Кривые сушки березы толщиной 20 мм при изменении пористости (а) и совмещенные кривые распределения влаги в древесине (б) при пористости 0,1 и 0,5 при сушке березы в интервалах по времени: 1-7; 2-15; 3-30; 4-37 часов. Точки – эксперимент (Г.С.Шубин).

Неучет влияния пористости (в диапазоне 0,1 и 0,5) приводит к увеличению продолжительности сушки березы на 18-19 % (толщина 20 мм, н = 1%, к = 12 %, tс = 50 оС).

В пятой главе рассматриваются результаты численных исследований взаимосвязанного тепломассопереноса в промышленных установках с помощью разработанных программных продуктов и вычислительного комплекса PHOENICS.

В результате параметрических исследований по определению распределения скоростей на выходе из отверстий соплового аппарата высокопроизводительных сушильных установок (рис. 17) при изменении конфигурации и углов наклона его верхней крышки был получен рациональный вариант конструкции, обеспечивающий увеличение скоростного напора в правой части и его понижении в левой в пределах экспериментально полученных величин и возможность управлять количеством подводимого к материалу тепла, а значит и интенсивностью и скоростью сушки.

u 3,uo Рис. 17. Распределение скоростей энергоносителя по длине соплового аппарата при рациональном 2,3,а б изменении конфигурации (а) и существующего варианта (б) верхней крышки: 1 – сопловой аппарат; 2 – эксперимент; 3 – расчет.

3,2,l, % 0 25 50 75 1 Также была выполнена оценка влияния переменных по длине динамических характеристик предлагаемой конструкции соплового аппарата и температурного фактора на процесс теплообмена в канале между полотном сушимого материала и корпусом аппарата (рис. 8).

Скорость теплоносителя uо менялась от величины, полученной в экспериментах и взятой за 100%, до u1=111,9% и u2=87,2%, что находится в расчетном диапазоне изменения скоростей, соответственно, в правой и левой частях соплового короба. Рассчитывались также локальные и интегральные значения коэффициентов теплоотдачи в исследуемой области. При увеличении скорости u0 до u1 коэффициент теплоотдачи растет на 11,5%, что весьма существенно скажется на интенсивности и скорости сушки, а при снижении скорости падает на 15,5%.

/ о 1, U H 1, U 0 Рис. 18. Изменение коэффициента теплоотдачи в канаH ле между нижней стенкой соплового аппарата и полотU ном сушимого материала.

0, H 0 0, 0 5 0, 1 l, м 0,07 0,Еще большей интенсификации тепломассообмена будет способствовать изменение величины зазора Н только в хвостовой (правой) части сопловых коробов. При варьировании величиной зазора на ±28% (Н1 – исходный вариант, рис. 18) коэффициент теплоотдачи возрастает до 8,2 % (поджатие) и при увеличении Н соответственно падает на 17,1%.

В работе выполнены расчетные исследования по интенсификации тепломассообмена при различных методах (способах) укладки элементов пористых пиломатериалов по объему штабеля (рис. 19). Распределение полей температуры и скорости потока при стандартном рабочем режиме (рис. 19а) получено для условий: температура мокрого термометра 35 оС; температура основного потока 90 оС; начальная скорость потока 1,4 м/с.

При совершенствовании аэродинамической обстановки в крупногабаритных сушилках «Валмет» происходит увеличение скорости потока в верхней части рабочей камеры. Возрастание скорости в распределительной зоне всего на 4-5 % приводит к увеличению скорости потока и в канальной зоне между элементами сушимого материала, расположенного в виде непрерывного полотна в штабеле, уже на 16-18 %.

Установление проходных каналов между элементами сушимого материала (рис. 19б) позволяет увеличить температуру в зоне между элементами от значения температуры мокрого термометра (при вычислительном эксперименте 35 оС) на 60-90 %, то есть температурный фактор в этом случае составляет Те/Тw = 1,45 1,95 (рис. 19в).

Основным препятствием для быстрой сушки многих материалов явля ется их растрескивание, вследствие объемно-напряженного состояния сушимого материала свыше предельно допустимого, обусловленного прочностью материала.

1,0 м а) 0,1 м tм = 35 оС 0,04 м tc.а.

0,03 м vc.а.

0,1 м 1,18 м б) 0,1 м 0,02 м tм 0,04 м tc.а.

0,03 м vc.а.

в) 0,1 м Рис. 19. Схемы расчетных участков в рабочей камере сушильной установки: а) при укладке без зазоров; б) при укладке с равномерными зазорами между элементами сушимого материала в пределах 20 % от их поперечного размера; в) распределение полей температуры и скорости потока в средней канальной зоне между элементами сушимого материала при укладке с равномерными зазорами.

Ученые Лыков А.В., Чижский А.Ф. и другие, изучавшие причины возникновения трещин при усадке материалов, также отмечают, что их появление обуславливается неравномерными полями температур, внутренним парообразованием и главным образом неравномерным распределением влагосодержаний.

В результате решения системы дифференциальных уравнений (4,5) тепло- и массопереноса при условии постоянства коэффициентов am, и применительно к неограниченной пластине получают следующие соотношения в критериальной форме для параболического распределения температуры и влагосодержания внутри материала [Лыков А.В.]:

ц - п tп - tc = Kim(1+ Pn Ko Lu); = Kim Ko Lu. (11) о - р 2 tc - to Если температура в любой точке тела одинакова tп = tц = const и равна температуре мокрого термометра, то в этом случае массообменный критерий Кирпичева:

ц - п Kim = 2. (12) o - р Как следует из соотношения (12), минимальная величина критерия Kim 0 будет соответствовать бесконечно медленной сушке при условии, когда ц п; максимальное значение – когда влагосодержание на поверхности близко к равновесному п = р, а влагосодержание центра равно начальному влагосодержанию ц = о, при этом Kim = 2. Следовательно:

0 < Kim <2. (13) 0,м 0,м Критерием трещинообразования согласно [Лыков А.В.] можно принять относительный перепад между средним и локальным влагосодержаниями по отношению к начальному влагосодержанию o, т.е.

- K =. (14) o Для удобства расчета принимаем в качестве критерия поверхностного трещинообразования критерий Kim, который в 3 раза больше критерия К.

Критерий Kim может служить критерием поверхностного трещинообразования и в начальные моменты сушки (Fo << 0,1). Определить Kim можно различными способами, например: по интенсивности испарения j (), по перепаду влагосодержания (ц – п) или по поверхностному градиенту влагосодержания:

(ц R()п = 2 - п ). (15) j( )R Kim = = a oo o o m Неравномерное поле влагосодержаний обусловлено неравномерным распределением, в частности, скорости сушильного агента по поперечному сечению рабочей камеры сушильной установки. Это влияет не только на длительность, но и на качество высушенного материала, что в работе показано на примере влияния нескольких неравномерных профилей скорости сложной конфигурации.

Ниже показано влияние неравномерного профиля скорости при сушке сосны на распределение влагосодержаний внутри материала по высоте рабочей камеры с принудительной реверсивной циркуляцией средней интенсивности (рис. 20а) (скорость воздуха – 1 м/с, ширина штабеля 1,5 2 м).

1,5 20 1,5m Ki u, м/с , % а) б) в) t1 ttt0,5 0,t2 t0 0 1 2 3 № сектора 1 2 3 № сектора 1 2 3 № сектора Рис. 20. Распределение: а) – неравномерного поля скорости; б) – конечного влагосодержания; в) – значений критерия Kim для фиксированных временных интервалов по высоте рабочей камеры (1, 2, 3, 4 секторы).

Для нескольких осредненных значений скорости сушильного агента в соответствующих секторах по высоте рабочей камеры с помощью разработанной программы рассчитано время сушки образца древесины с постоянными техническими характеристиками режима сушки. Отмечается изменение конечного влагосодержания древесины для одного и того же временного ин тервала сушки (рис. 20б).

Для этого же расчетного варианта при t1 = 70 оС по перепаду влагосодержания в центре ц и на поверхности п для каждого значения скорости u1, u2, u3, u4 в соответствующих точках профиля для одного и того же временного интервала в периоде постоянной скорости сушки определен критерий Кирпичёва Kim по зависимости (15), распределение соответствующих значений которого представлено на рис. 20в.

При сравнении полученных критериев Kim с его определяющим значением (пунктирная линия) отмечаются зоны повышенных величин критерия трещинообразования и соответствующие зоны превышения осредненного значения скорости (рис. 20а – заштрихованная область) сушильного агента в основном в секторе № 1 по высоте рабочей камеры сушилки.

Таким образом, в отмеченных зонах и возможно появление трещинообразования, а значит и технологического брака при термообработке материала, для исключения которого необходимо выравнивать профиль скорости до пограничных значений, полученных в расчетных исследованиях (для представленного на рис. 20а расчётного варианта, к примеру, не более 12 %).

С увеличением температуры сушильного агента (t1 < t2 < t3) в отмеченных зонах вероятность появления технологического брака также возрастает (рис.

20б и в).

Одновременно в области пониженных скоростей сушильного агента (рис. 20а, сектор 4) отмечается также и увеличение конечного влагосодержания (рис. 20б, сектор 4). При его сравнении с нормативными показателями качества сушки пиломатериалов [Богданов Е.С.] для, в частности, III категории качества конечное влагосодержание для варианта на рис. 20б не превышает предельный перепад влагосодержания по толщине заготовок из древесины (3,5 %) для рассматриваемого наиболее благоприятного варианта неравномерного профиля скорости.

Для более значительных перепадов скорости по высоте рабочей камеры, например, для представленного на рис. 21а поля скорости зона возможного появления трещинообразования расширяется (рис. 21в, секторы 1 и 2).

1,5m Ki 2 , % u, м/с а) б) в) 1,tt0,0,5 0 0 1 2 3 № сектора 1 2 3 № сектора 1 2 3 № сектора Рис. 21. Распределение: а) – неравномерного поля скорости; б) – конечного влагосодержания; в) – значений критерия Kim для фиксированных временных интервалов по высоте рабочей камеры (1, 2, 3, 4 секторы).

В этом случае конечное влагосодержание для III категории качества превышает предельный перепад влагосодержания (3,5 %) на 5 %, что свидетельствует о том, что возможен технологический брак при механической обработке и сборке деталей из пиломатериалов, прошедших термовлажностную обработку в секторе 3 по высоте рабочей камеры.

Подобные и другие виды профилей, рассмотренные в работе, со значительными перепадами скорости неоднократно фиксировались при исследованиях аэродинамической обстановки рабочих камер теплотехнологического оборудования в промышленных, а также лабораторных условиях (глава 6).

Необходимо также отметить, что в показателях качества сушки, разработанных, в частности для пиломатериалов, отсутствуют какие-либо технические условия или показатели, указывающие на возможность появления технологического брака и оценки его величины вследствие трещинообразования и коробления.

На основе разработанной программы «Fields» в работе проведены параметрические расчетные исследования внутреннего тепломассопереноса в капиллярно-пористых телах с учетом влияния внешнего температурного и динамического факторов на изменение внутренних полей температуры и влагосодержания материала. В частности, отмечается достаточно значительное влияние пористости древесины на продолжительность процесса сушки (до и более %) и развитие полей физических величин при сушке.

В шестой главе рассматриваются вопросы энергосбережения при рациональном энергопользовании за счет управления аэродинамической обстановкой в теплотехнологических установках и других энерго- и ресурсосберегающих технических и технологических решений.

Отмеченные ранее нарушения режимов сушки из-за неравномерности распределения полей скоростей сушильного агента в камерных установках «Валмет» (рис. 1а) предопределяют неблагоприятные условия для сушки не только для верхнего пакета первого штабеля, но и, очевидно, для последующих штабелей сушимого материала по длине рабочей зоны, что подтверждается и результатами тепловизионных исследований (рис. 2, 3). Для выравнивания скорости, а значит и интенсивности сушки по высоте штабеля, необходимо выравнить эпюру скорости, а значит и распределение теплового потока на входе в рабочую зону перед первым штабелем пиломатериалов.

Результаты численных исследований процесса гидродинамики и теплообмена, проведенных с помощью вычислительного комплекса PHOENICS, которые также достаточно хорошо согласуются с данными прямого промышленного эксперимента, показывают, что значительная неравномерность распределения физических параметров по газовому тракту сушилки вероятно не учитывалась при проектировании (рис. 22б, в). Поэтому размещение штабелей материала в камере практически не меняет аэродинамической обстановки (рис. 1б).

В результате проведенных комплексных экспериментальных исследований в промышленных и лабораторных условиях газодинамики сушильной камеры была получена такая форма и место расположения дополнительного распределительного устройства, которые позволили получить технически равномерную эпюру скорости (рис. 22а) перед первым штабелем сушильного материала.

1 а) б) в) Рис. 22. Усовершенствованная схема узла подачи сушильного агента в рабочую зону (а), распределение полей скорости (б) и давления (в) в узле подачи и распределения энергоносителя сушильной машины (без штабелей материала): 1 – дополнительное распределительное устройство; 2 – осевой вентилятор; 3 – штабель сушимого материала; 4 – рабочая зона сушильной камеры.

Снижение технологического брака (который достигает 4-5% и более) по указанным выше причинам только на 1 % позволит в год получить дополнительно порядка 147,5 м3 кондиционной продукции на одну сушильную камеру или около 3540 м3 в целом по деревообрабатывающему заводу ОАО «Целлюлозно-картонный комбинат» (всего 24 камеры).

Надежность работы котлоагрегатов во многом зависит от аэродинамической обстановки в топке. Шлакование поверхностей нагрева задней стенки топки котлоагрегата Б – 50 -14 в пределах отметок 5 – 8 м приводит к аварийному останову котла и значительному росту эксплуатационных затрат.

Поиск рациональной аэродинамической обстановки в топке проведен при численном и экспериментальном моделировании. Эффективность работы заднего дутья (ЗД) зависит от расположения данного узла по высоте заднего экрана, угла подачи воздуха, скоростных характеристик потока. Перечисленные рабочие параметры узла ЗД, очевидно, требуют непременной адаптации при выборе конструкции горелок, варьировании их модификациями, пуске котла в эксплуатацию и т. п.

Характер распределения эпюр скоростей вторичного воздуха (ВВ) и заднего дутья идентичен во всем исследованном диапазоне скоростей (рис.

23), в том числе при различных вариантах подачи ВВ через сопла горелок (конструктивные особенности которых приведены в работе) в топочное пространство, и отличается, как правило, величиной векторов скоростей в профилях.

При исследованиях получено, что наибольшая эффективность воздушной завесы ЗД наблюдается когда узел располагается по высоте заднего эк рана котла на отметках 8,15 – 8,35 – 8,55 м с соответствующими углами атаки = 20 – 22 – 25 о. При этом соотношение расходов потоков энергоносителей из горелок и узла подачи заднего дутья может варьироваться в пределах Gвв / Gзд = 2,8 – 3,5 (рис. 24А). В этих условиях достигается наиболее эффективная турбулизация потоков в топочном пространстве и падение скорости затопленных струй ВВ из горелок в районе заднего экрана до значений UВВ = 0,5 – 0,7 м/с.

Рис. 23. Распределение эпюр скоростей вторичного воздуха в топочном пространстве: 1 – эжекционные горелки (1-й вариант); 2 – узел заднего дутья; 3 – продольный разрез топки котла; 4 – профиль скорости вторичного воздуха; 5 – профиль скорости заднего дутья. Пунктирная линия – деформация профилей ВВ при одновременной подаче заднего дутья.

При рассмотрении 2-го варианта горелок (более равномерное распределение потоков ВВ в среднюю и нижнюю часть топки) наибольший защитный эффект достигается при установке узла подачи ЗД на отметках 8,2–8,35– 8,6 м с соответствующими углами атаки = 20 – 22 – 24о. При соотношении расходов встречных потоков в пределах GВВ / GЗД = 2,7 – 2,9 наблюдается падение скорости аэросмеси вблизи заднего экрана до UВВ = 0,35 – 0,55 м/с (рис. 24Б).

Б А Рис. 24. Дальнобойность струй вторичного воздуха в горизонтальном сечении при выключенном (а) и включенном (б) потоке заднего дутья: А) – 1-й вариант горелок; Б) – 2-й вариант горелок.

Результаты численных исследований (рис. 25) достаточно хорошо согласуются с экспериментальными данными. Использование результатов исследований позволило практически исключить аварийные ситуации вследствие не эффективной работы воздушных завес заднего дутья. Работа имеет практическое применение на центральной котельной Братского алюминиевого завода.

Для минимизации эксплуатационных и капитальных затрат для проектируемой системы сушки спецодежды персонала литейного производства алюминиевого завода в качестве сушильного агента (СА) использован воздух низких параметров бытовых помещений предприятия, возможность применения которого, в свою очередь, зависит от времени сушки материалов, причем в ограниченном временном интервале (14-16 часов).

а) б) Рис. 25. Распределение профилей скорости основного потока вторичного воздуха (а) и давления среды в топочном пространстве (б) при UВВ = 15 м/с (первый вариант горелок), заднее дутье включено (соотношение Gвв/Gзд = 2,8): 1 – подача вторичного воздуха; 2 - подача заднего дутья.

Наиболее предпочтительным для изучения кинетики сушки представляется метод обобщенной кривой сушки [Красников В.В.], позволяющий по одной кривой сушки учесть специфику конкретного сушимого материала и условия его обтекания воздушным потоком, для получения которых для каждого объекта сушки была изготовлена опытная аэродинамическая установка, работающая на отсасывание. Полученные экспериментальные данные по кинетике сушки верхней спецодежды войлочного покрытия позволили получить индивидуальные коэффициенты для каждой обобщенной кривой сушки и возможность рассчитывать продолжительность сушки для каждого образца до любого заданного конечного влагосодержания к в зависимости от различных начальных условий. Так, например, кривые сушки описываются полиномиальными (16, 17, 18) кривыми (брюки, куртка и валенки, соответственно), а обобщенные кривые сушки - соответствующими полиномиальными кривыми (19, 20, 21).

1 = 0,00063 + 0,01592 – 1,6203 + 24,071 (16) 2 = 0,6569 + 14,981 (17) 3 = -0,4703 + 9,4293 (18) (-р)1 = -5Е-05N3 + 0,0152N2 – 1,0957N + 22,311 (19) (-р)2 = -0,4896N + 13,833 (20) (-р)3 = -0,3128N + 7,2917 (21) Успешное использование низкопотенциальных ВЭР при отмеченных выше условиях (низкая температура сушильного агента, ограниченное время сушки) стало возможным при проведении численных исследований по по вышению эффективности процессов сушки за счет улучшения аэродинамической обстановки в рабочей зоне (выравнивание профилей скорости (рис.

7б) за счет организации рационального всестороннего обтекания сушимых образцов – рис. 27).

в) а) б) Рис. 26. Схема размещения объектов сушки при организации сети проходных каналов: а) и б) (продольный и поперечный разрезы) – поле температуры теплоносителя; в) – профили скорости теплоносителя (1, 2, 3, 4 – образцы сушимого материала).

Для сведения к минимуму материальных затрат в проектируемой системе сушки использованы элементы уже имеющегося оборудования «бытовок», а именно: индивидуальные шкафчики для хранения рабочей одежды и воздушная сеть принудительной вентиляции. Разработанная система сушки рабочей одежды эксплуатируется во всех цехах металлургического предприятия.

В работе для сушильных ленточных установок «Рауте» (рис. 4) проведено исследование аэродинамических характеристик газораспределительных устройств (рис. 27) и газового тракта, которые показали, в частности, снижение в 1,211,29 раза скорости на выходе из перфорированных отверстий аппаратов. Кроме того, на последнем нижнем этаже напорной части газового тракта сушилки выявлена застойная зона, приводящая к дополнительным потерям напора в целом по газовому тракту и особенно значительно на V этаже, а также к увеличению теплопотерь через поверхностные ограждения установки, что приводит к снижению и температурного напора сушильного агента.

U/Uo U/Uo 1,1 5 0,U/Uo 0,1,а ) б) б) а) 0,1,0 0,S, %0 S, % 1 0,9 0,8 0,7 S 1 0,9 0,8 0,7 S 0 1 0 2 0 3 0 4 0 10 20 30 Рис. 27. Изменение скорости сушильного агента при уменьшении живого сечения S газораспределительного устройства: а) – правая половина нижней крышки; б) – левая половина нижней крышки (сплошная и пунктирная линии – соответственно для существующей и предлагаемой конструкции аппарата).

Расчетный эксперимент и исследование на физических моделях в лабораторных условиях по поиску рациональной конфигурации газораспределительного устройства в конечном итоге позволили получить конструкцию аппарата (рис. 4, позиция 11), позволившую увеличить скорость в зонах повышенных влагосодержаний полотна сушимого материала, т.е. справа – до 8%. Дополнительное снижение проходного сечения в левой части соплового аппарата до 2030% (рис. 27а, б) позволяет увеличить скорость справа уже до 12,014,0% при одновременном понижении скорости в левой части аппарата на 2438%.

Годовой экономический эффект от внедрения предложенных рекомендаций, в частности по снижению конечного влагосодержания полотна сушимого материала в целом по заводу, а значит и величины технологического брака готовой продукции из-за неравномерности сушки по ширине полотна, часть которых приведена в работе главе, составил 15080 т.у.т.

Основные обозначения C – удельная теплоемкость, Дж/(кгК); – теплопроводность, Вт/(мК); – плотность, кг/м3; r – теплота фазового превращения, Дж/кг; – критерий фазового превращения; – пористость; A – амплитуда сигнала, мВ; E – спектральная плотность излучения, ус.ед.; н, к – соответственно начальное и конечное влагосодержание, %; l – линейный размер, м; w – частота, Гц; U, V – составляющие скорости, м/с; Ue – осредненная скорость, м/с; Tu – степень турбулентности основного потока; F – интенсивность вдува; – коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2К); – толщина гидродинамического пограничного слоя, м; Re, Le, Fo, Pn, Ko – соответственно критерии Рейнольдса, Льюиса, Фурье, Поснова, Коссовича; Kim – массообменный критерий Кирпичева; qм – интенсивность испарения, кг/(м2ч); qw – плотность теплового потока, кДж/(м2ч); N – скорость сушки, 1/с; G – расход теплоносителя, кг/с; – влагосодержание материала, %; р – равновесное влагосодержание на сухую массу, кг/кг; R – толщина материала, м; – среднее влагосодержание, %.

Нижние индексы: е – по внешней границе; w – у стенки; п – поверхность; ц – центр; с – среда; о – начальный; с.а. – сушильный агент.

Основные выводы Экспериментальные и теоретические исследования, посвященные изучению и управлению внешним и внутренним тепломассопереносом при термовлажностной обработке дискретных термически толстых капиллярнопористых коллоидных материалов путем целенаправленного изменения аэродинамической обстановки в энергоемких теплотехнологических установках, выполненные, в основном, автором и под его научным руководством, позволили сформулировать и научно обосновать прогрессивные технические и технологические решения.

Основные научно-технические результаты формулируются следующим образом:

1. Разработана физически обоснованная модель и расширены возможности использования в условиях неравномерных полей плотности потоков массы и энергии системы уравнений взаимосвязанного тепломассопереноса в термически толстых капиллярно-пористых телах, позволяющие исследовать и рассчитывать кинетику и динамику сушки, протекающих как в I-м, так и во II-м периодах сушки, за счет учета влияния изменения поверхностного влагосодержания и интенсивности испарения на действительную движущую силу внешнего массопереноса 2. Экспериментальным путем в лабораторных условиях на аэродинамических установках получены новые опытные данные:

- по влиянию поровой структуры (П = 0,18 1,0) влажных материалов на интенсивность испарения различных жидкостей в диапазоне температур сушильного агента от 15 до 130 оС, позволившие скорректировать математическую модель сушки термически толстых материалов количественным учетом влияния исследованных факторов в универсальных граничных условиях;

- при локальном зондировании лазерным пучком над поверхностью влажных материалов, по размерам, количеству капель жидкости в пограничном слое, параметрам режимов тепловой обработки, при которых возможен объемный сток тепла, отсутствие которых снижает точность расчетов габаритов теплотехнологического оборудования;

- по коэффициентам конвективной теплоотдачи к влажным пористым материалам и характеру их эволюции по длине опытного участка при изменении параметров режима сушки (u = 3 15 м/с, t = 15 130 оС) путем термоанемометрического исследования динамических и тепловых пограничных слоев;

- по аэродинамической обстановке в трехмерных моделях (масштаб 1:50, 1:75) рабочих камер установок и их элементов (газораспределительные устройства, сопловые сушилки для шпона, камерные сушилки для пиломатериалов, топочные пространства котлов промышленных предприятий и т.д.);

- с помощью прецизионной термоанемометрической аппаратуры по влиянию направленного вдува инородного газа с различной интенсивностью, более легкого по сравнению с основным газовым потоком, на развитие осредненных и пульсационных характеристик турбулентного бинарного (концентрационного) пограничного слоя ( = 15 165о; F = 0,1 0,6 % и Тu = 0, 12,5 %).

3. Получены с помощью тепловизионных исследований новые опытные данные по температурным полям в крупногабаритных штабелях (64,51,м) пиломатериалов и проведена их корреляция с аэродинамической обстановкой на входе и выходе сушильного агента из штабеля.

4. Проведена настройка и адаптация вычислительного комплекса PHOENICS для решения задач исследования и проектирования рабочих камер крупнотоннажных конвективных теплотехнологических установок, в ко торых целенаправленными конструктивными приемами осуществляется воздействие на неравномерность тепломассообмена с целью снижения интегрального времени термической обработки материалов и нерациональных энергетических затрат.

Выполнены численные исследования по поиску путей создания рациональной аэродинамической обстановки в рабочих камерах и каналах теплотехнологического оборудования:

- при перераспределении газовых потоков при широкомасштабной термообработке товарной пилопродукции, обеспечивших снижение брака готовой продукции минимум на 4%, что составляет для ЛДЗ ОАО «ЦКК» в г.

Братске, где установлен 24 сушильные камеры финской фирмы «Валмет», экономию в целом по заводу до 19100 т.у.т. в год. Для ЗДСП ОАО «УстьИлимский ЛПК», где установлено 36 аналогичных крупногабаритных сушильных машин экономия по отмеченным выше причинам составляет 286т.у.т. в год;

- путем совершенствования сопловых раздаточных элементов при сушке тонких гибких материалов из различных пород древесины, промышленное использование которых позволило снизить технологический брак из-за неравномерности высушивания по ширине полотна лущеного шпона, термообрабатываемого на конвективных ленточных установках с импактным набеганием теплоносителя финской фирмы «Рауте», на 2,6% (или 1370 т.у.т. на одну установку);

- при организации всестороннего энергоподвода при тепловой обработке текстильных материалов сложной геометрической формы, позволившего в результате расчетно-лабораторных исследований выявить возможность использования низкопотенциального тепла воздуха систем отопления центральных бытовых цехов Братского алюминиевого завода для сушки специальных материалов в ограниченном временном интервале;

- при организации направленной и дозированной подачи встречных потоков основного и заднего дутья с целью управления геометрическими характеристиками факела в камерных пылеугольных топках котлоагрегатов.

Последнее дало возможность повысить надежность и снизить непроизводительные затраты за счет определения рациональных пространственных рабочих параметров узла подачи заднего дутья и расходных характеристик горелочных устройств, что позволило получить годовой экономический эффект 815 т.у.т. на один из котлоагрегатов Б-50-14, установленных на центральной котельной БрАЗа;

- путем рациональной укладки в рабочих камерах термообрабатываемых капиллярно-пористых материалов в пакеты, штабели, садки;

- при устранении застойных зон с обратными вихревыми потоками в газораспределительных и газоподводящих каналах рабочих камер со сложным энергоподводом к сушимому материалу, позволившие в крупногабаритных конвективных сушильных установках снизить гидравлические потери на 1,5-2%;

- при варьировании высотой проходного сечения до 28% при конвек тивном высокоэффективном сопловом энергоподводе к материалу с целью локального устранения s-образных профилей скорости сушильного агента достигнуто увеличение коэффициента теплоотдачи до 8,2%, что приводит к экономии энергозатрат 123 т.у.т. в год на одну установку.

Основные публикации по теме диссертации 1. Федяев А.А. Снижение внеплановых энергозатрат при управлении аэродинамическими режимами в топке котла. Проблемы энергетики. Известия высших уч. заведений. № 3-4. Казань: КГЭИ, 2000г. - С. 3640.

2. Федяев А.А. Ресурсосбережение при широкомасштабной сопловой сушке длинномерных материалов. Проблемы энергетики. Известия высших уч. заведений. № 5-6. Казань: КГЭИ, 2000 г. - С. 63 – 69.

3. Федяев А.А. Повышение энергоэффективности сушильных машин при термообработке пилопродукции. Проблемы энергетики.

Известия высших уч. заведений. № 5-6. Казань: КГЭИ, 2002 г. - С. 32 - 37.

4. Федяев П.А., Федяев А.А., Данилов О.Л. Численные исследования по снижению энергозатрат в технологической цепочке многокорпусная выпарная станция – содорегенерационный котлоагрегат. Промышленная энергетика – 2007. - № 1. – С. 38-42.

5. Федяев А.А. Совершенствование аэродинамических характеристик топки котлоагрегата для снижения эксплуатационных затрат.

Промышленная энергетика – 2007. - № 10. – С. 35 - 37.

6. Федяев А.А. Программное обеспечение для исследования внутреннего влаготеплопереноса в капиллярно-пористых телах. Проблемы энергетики. Известия высших уч. заведений. № 7-8. Казань: КГЭИ, 20г. - С. 135– 138.

7. Федяев А.А., Данилов О.Л. Повышение энергоэффективности сушильных установок при термообработке пиломатериалов. Вестник Саратовского госагроуниверситета им. Н.И.Вавилова, – 2007. - № 6. - С.

62 – 65.

8. Федяев П.А., Данилов О.Л., Федяев А.А. Численные исследования энергетических выгод утилизации горючих ВЭР целлюлознобумажного комбината. Проблемы энергетики. Известия высших уч. заведений. № 9-10. Казань: КГЭИ, 2007 г. - С. 130 – 133.

9. Федяев А.А. Исследование внутреннего тепломассопереноса в дискретных капиллярно-пористых коллоидных материалах. Проблемы энергетики. Известия высших уч. заведений. № 11-12. Казань: КГЭИ, 2007 г. - С. 129 – 132.

10. Федяев А.А. Повышение эффективности неравномерной сушки длинномерных материалов. Промышленная энергетика – 2007. - № 12. – С. 30 - 33.

11. Федяев А.А. Определение объемной концентрации в газовой смеси воздух-гелий в турбулентных потоках. Тезисы докладов 4-й Всесоюзной школы – семинара «Современные проблемы газодинамики и тепломассообмена и пути повышения эффективности энергетических установок». Волгоград, МВТУ, 1987г. – С.156.

12. Трофимова С.А., Драгун Л.Н., Черутова М.И., Федяев А.А., Слинкова О.К., Царев А.А. Выбор показателя эффективности ремонтного производства. Москва, «Энергетика и электрификация». Серия: Экономика энергетического строительства. Экспресс-информация. Выпуск 2, 1982 г. – 21 с.

13. Адомавичюс А.А., Федяев А.А., Сергиевский Э.Д. Исследование процессов тепло- и массообмена и гидродинамики в газовых трактах сушильных установок. Материалы конференции «Совершенствование технологических процессов производства, их механизация, автоматизация и внедрение результатов». Механика 88, Вильнюс, 1988г.- С.32-35.

14. Motulevich V.P., Sergievsky E.D., Fedyaev A.A., Shitov N.F. Heat and mass transfer in the channel with oriented injection. Proceedings of the First World Conference on Experimental Heat Transfer, Fluid Mechanics, and Thermodynamics held September 4-9, 1988, in Dubrovnik, Yugoslavia. S. 1777 – 1780.

15. Сергиевский Э.Д., Федяев А.А. Турбулентный пограничный слой в бинарных зонах смешения. Тепломассообменные процессы в аппаратах промышленной теплоэнергетики. Сб. науч. трудов МЭИ. № 173, 1988 г. - С. – 32.

16. Адомавичюс А.А., Миронов А.К., Сергиевский Э.Д., Федяев А.А.

Исследование характеристик датчика объемной концентрации примеси в бинарных потоках. Каунас. политехнический институт-Каунас, 1989г. -9с.: ил.

–Библиогр. 3 назв. Рус.-Деп. в ЛитНИИНТИ 19.01.89, № 2284 – ЛИ. –9с.

17. Федяев А.А., Данилов О.Л., Сергиевский Э.Д. Структура турбулентного пограничного слоя в условиях неизотермичности (болгарский яз.).

Научная сесия «ВМЕИ» Ленин «89»-София, 1989г. - С. 86.

18. Fedyaev A.A., Mironov A.K., Sergievskiy E.D. An Experimental Investigation of Binary Turbulent Boundary Layer Structures. Dantec Information.

“Measurement and Analysis September 1990”. S.13–15.

19. Федяев А.А., Шитов Н.Ф., Харламов С.Н. Структура неизотермического турбулентного пограничного слоя. «Оптимизация процессов тепло- и массопереноса в аппаратах промышленной теплоэнергетики». Сб. науч. трудов № 239, М.; Моск. энерг. ин-т, 1990г. - С. 35 – 42.

20. Федяев А.А., Данилов О.Л., Сергиевский Э.Д., Федяева В.Н. Конвективная ленточная сушилка. Авторское свидетельство № 1726934.

15.12.91г.

21. Федяев А.А., Видин Ю.В. Влияние аэродинамической обстановки в топке котла на снижение эксплуатационных затрат. Гидродинамика больших скоростей. Вестник Красноярского государственного технического университета. Выпуск 19. Красноярск: КГТУ, 1999 г. - С. 122 – 125.

22. Федяев А.А. Использование низкопотенциального тепла металлургического предприятия на бытовые нужды. Тезисы докладов Международной конференции молодых специалистов и ученых алюминиевой, магниевой и электродной промышленности. Санкт-Петербург: АО ВАМИ, 1999 г. - С. – 65.

23. Федяев А.А. Совершенствование аэродинамических характеристик топочных камер. Труды семинара вузов Сибири и Дальнего Востока по теплофизике и теплоэнергетике. Новосибирск: 1999 г. - С. 191 – 192.

24. Федяев А.А. Энергосбережение при организации рациональных аэродинамических режимов в топке котла. Достижения науки и техники – развитию сибирских регионов. Тезисы докладов Всероссийской научно – практической конференции с международным участием; в 3ч. ч.2. Красноярск:

КГТУ, 1999 г. - С. 239.

25. Федяев А.А. Ресурсосбережение при работе высокопроизводительных сушильных установок. Повышение эффективности производства и использование энергии в условиях Сибири. Тезисы докладов Международной научно-технической конференции. Иркутск: ИрГТУ. 1999 г. - С. 71-72.

26. Федяев А.А. Экономия энергоресурсов при сжигании древесных отходов в котлоагрегатах. Труды семинара вузов Сибири и Дальнего Востока по теплофизике и теплоэнергетике. Новосибирск: 1999 г. - С. 194.

27. Федяев А.А. Совершенствование сопловых сушилок лущеного шпона. Материалы конференции «Теплоэнергетика и технологии» Каунасского технологического университета. Каунас. Литва: КТУ, 2000 г. - С. 59 – 63.

28. Федяев А.А. Экономия энергоресурсов при тепловой сушке. Труды Братского государственного университета. Братск: БрГТУ, 2000 г. - С. 136 – 139.

29. Федяев А.А., Адомавичюс А.А. Снижение энергетических затрат в топке котла. Материалы конференции «Теплоэнергетика и технологии» Каунасского технологического университета. Каунас. Литва: КТУ, 2000 г. - С. – 26.

30. Федяев А.А., Видин Ю.В. Ресурсосбережение при конвективной сушке. Вестник Международной академии наук высшей школы. Научный и общественный журнал № 4 (14). Красноярск, 2000 г. - С. 209 – 215.

31. Федяев А.А. Выравнивание неравномерного тепло- и массообмена для интенсификации процессов сушки. Энергосбережение: проблемы и перспективы. Избранные труды научно-практической конференции. Красноярск:

КГТУ, 2001 г. - С. 110 – 115.

32. Федяев А.А. Исследование возможностей интенсификации тепломассообмена при сушке пиломатериалов. Труды Братского государственного технического университета. Т.2. –Братск: БрГТУ, 2001 г. - С. 48 – 53.

33. Федяев А.А. Ресурсосбережение при сушке лущеного шпона. Межвузовский сборник научных трудов «Проблемы экономии ТЭР на промпредприятиях и ТЭС». Санкт-Петербург: СПбГТУРП, СПбГТУ, СЗТИ, 2001 г. - С.

68 – 75.

34. Федяев А.А. Оптимизация тепловой сушки пиломатериалов в условиях поперечной неравномерности. Труды 1-й Международной научно практической конференции «Современные энергосберегающие тепловые технологии (сушка и термовлажностная обработка материалов)». В 4 томах.

Т.2. М.: МГАУ, 2002. - С. 168 – 171.

35. Федяев А.А., Данилов О.Л., Коновальцев С.И. Математическая модель для энергетической оптимизации конвективных сушильных установок.

Труды 1-й Международной научно-практической конференции «Современные энергосберегающие тепловые технологии (сушка и термовлажностная обработка материалов)». В 4 томах. Т.2. М.: МГАУ, 2002. - С. 106 – 109.

36. Федяев А.А., Данилов О.Л. Оптическое локальное зондирование неоднородного пограничного слоя в зоне испарения. Труды Братского государственного технического университета. – Том 2. – Братск: БрГТУ, 2002. - С. 25 - 28.

37. Федяев А.А., Адомавичюс А.А. Использование бросового тепла систем вентиляции для сушки материалов неправильной формы. Kauno technologijos universitetas. Lietuvos energetikos institutas. ilumos energetika ir technologijos. Konferencijos praneim mediaga. Kaunas. Technologija. 2002. S.

87 – 92.

38. Федяев А.А. Энергоэффективная оптимизация процессов сушки в высокопроизводительных установках. Проблемы экономии ТЭР на промпредприятиях и ТЭС: Межвуз. сб. науч. тр./ СПбГТУРП, СПбГТУ, СЗПИ, Санкт-Петербург, 2002 г. - С.117-123.

39. Федяев А.А., Федяева В.Н., Данилов О.Л. Конвективная камерная сушилка. Патент на изобретение № 2215251. – 2003г.

40. Федяев А.А., Федяева В.Н., Сергиевский Э.Д. Способ тарировки датчика объемной концентрации. Патент на изобретение № 2210751. – 20г.

41. Fedyaev A.A. Increase of power efficiency of heat technological equipment in the time of building materials’ thermal treatment. 1ere conference internationale sur 1’ efficatite energetique. Alger – Algerie. Tome 2. – 2003. S.

210 – 213.

42. Федяев А.А., Данилов О.Л., Федяева В.Н. Математическая модель неравномерного тепломассообмена для термовлажностной обработки капиллярно-пористых тел. Вторая международная школа-семинар молодых ученых и специалистов «Энергосбережение – теория и практика». М.: Издательство МЭИ, 2004. - С.336-339.

43. Федяев А.А., Данилов О.Л. Исследование внутреннего тепломассопереноса при термовлажностной обработке дискретных капиллярнопористых коллоидных материалов. Вторая Международная научнопрактическая конференция «Современные энергосберегающие тепловые технологии (сушка и тепловые процессы) СЭТТ-2005». Труды конференции.

Том 1. – М.: Издательство ВИМ, 2005. - С. 74 – 76.

44. Федяев А.А. Программное обеспечение для численных исследований нестационарных полей движущих сил во влажных капиллярно-пористых материалах. Вторая Международная научно-практическая конференция «Современные энергосберегающие тепловые технологии (сушка и тепловые процессы) СЭТТ-2005». Труды конференции. Том 1. – М.: Издательство ВИМ, 2005. - С. 199 – 202.

45. Федяев А.А., Федяева В.Н., Белокобыльский С.В. Повышение энергоэффективности сушильных установок при термообработке пиломатериалов. Павлодар, Вестник ПГУ № 2, 2006. - С. 97-105.

46. Федяев А.А. Расчет внешнего тепломассообмена в камерах теплотехнологических установок. Естественные и инженерные науки – развитию регионов Сибири: Материалы Всероссийской научно-технической конференции. – Братск: ГОУ ВПО «БрГУ», 2007. – C. 84 – 85.

47. Федяев А.А. Программный комплекс расчета внутреннего тепломассопереноса в термически толстых влажных материалах. Естественные и инженерные науки – развитию регионов Сибири: Материалы Всероссийской научно-технической конференции. – Братск: ГОУ ВПО «БрГУ», 2007. – C. – 86.

48. Федяев А.А. Многомодульное программное обеспечение для исследований кинетики сушки термически толстых влажных материалов. Труды Братского государственного университета: Серия Естественные и инженерные науки – развитию регионов Сибири. Т.2. - Братск: БрГУ, 2007. – С. 112 – 114.

49. Федяев А.А. Влияние внешних возмущающих факторов на продолжительность термообработки различных капиллярно-пористых коллоидных тел. Труды Братского государственного университета: Серия Естественные и инженерные науки – развитию регионов Сибири. Т.2. - Братск: БрГУ, 2007. – С. 114 – 117.

50. Федяев А.А, Федяева В.Н., Данилов О.Л. Промышленные тепломассообменные процессы и установки. Расчет барабанной сушильной установки для сушки сыпучих материалов: Учебное пособие по курсовому проектированию. Гриф УМО. – 2-е изд., перераб. и доп. – Братск: БрГТУ, 2001. - 73с.

51. Федяев А.А. Промышленные теплоэнергетические системы: Лабораторный практикум. Гриф УМО. – Братск: БрГТУ, 2003. – 110 с.

52. Федяева В.Н., Федяев А.А., Белокобыльский С.В. Тепломассообмен. Проектирование поверхностного кожухотрубного теплообменника:

Гриф УМО: Учебно-методическое пособие. – Братск: ГОУ ВПО «БрГУ», 2004. – 124 с.

53. Федяев А.А., Калинин Н.В., Данилов О.Л. Технологические энергосистемы предприятий. Расчет систем производства и распределения газообразных энергоносителей: Гриф УМО: Учебное пособие. – Братск: ГОУ ВПО «БрГУ», 2005. – 104 с.







© 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.