WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |

Индекс «1» относится к насадке, «2» – к теплоносителю, «w» – к поверхности насадки, «вх» – к входу в канал, «0» – к распределению температур в начале полуцикла нагрева или охлаждения.

Решение системы уравнений (1) – (9) осуществлялась методом сеток с применением явных схем аппроксимации. При расчтах использовался одинаковый шаг по пространственным переменным. Расчты проводились при следующих уровнях дискретизации Nx=20; Ny=20;

Nz=200. Контроль точности проводился по балансу тепловой энергии.

Необходимые для расчтов теплофизические свойства теплоносителей и насадки определялись по известным методикам.

С целью выявить влияние различных факторов на исследуемый процесс выполнены вычислительные эксперименты на примере регенератора с длиной канала 2 м, насадка которого сложена из шамотного кирпича размерами 250х120х65, в котором необходимо нагреть атмосферный воздух от 200С дымовыми газами с начальной температурой 9000С. Скорости потоков теплоносителей на входе составляют 1 м/с. В процессе численного интегрирования системы уравнений (1) – (9) величины коэффициентов теплоотдачи рассчитывались на каждом шаге по длине регенератора и по времени. Результаты расчетов распределения конв и изл=qr/(T2–T1w) по длине проточной части в конце периода нагрева для установившегося режима работы регенератора представлены на рис.2.

Рис. 2. Изменение средних коэффициентов теплоотдачи по длине теплообменного аппарата 1 – конв; 2 – изл; 3 – сум Результаты показывают, что доля тепла, передаваемая насадке от продуктов сгорания излучением, существенно уменьшается по длине е проточной части (для рассматриваемого примера – от 50 до 30%).

Следует отметить, что существующие методики расчета не учитывают этот факт.

Особый интерес представляет неустановившийся тепловой режим работы регенератора. На рис. 3 представлены результаты расчта процесса прогрева насадки из «холодного» состояния (при начальной температуре 200С) и из «горячего» состояния (при начальной температуре, соответствующей концу «горячего» полуцикла). Расчеты показывают, что около 18% тепловой энергии от газа к насадке передатся с большой скоростью за короткий период времени (для рассматриваемого примера – около 2 сек.), когда температурный напор между газом и насадкой максимален.

Проведены исследования вклада различных составляющих переноса теплоты теплопроводностью на температурное поле насадки. Рассматривалось три варианта переноса теплоты в насадке:

1) по всем трем осям;

2) перпендикулярно стенке и вдоль е поверхности в направлении, перпендикулярном потоку газа;

3) только перпендикулярно стенке.

а) б) Рис. 3. Распределение температуры горячего (а) и холодного (б) теплоносителей по длине проточной части регенератора для различных моментов времени а) – 1 – н = 2 c; 2 – н = 1000 с; 3 – н = 2000 с; 4 – н = 3000 с;

б) – 1 – охл= 0,2 c; 2 – охл = 620 с а) б) Рис. 4. Результаты расчетов температурных полей в поперечных сечениях насадки в конце периода нагрева при различных вариантах переноса теплоты в насадке: а) – по всем трем осям; б) – только в направлении, перпендикулярном поверхности Результаты расчетов представлены на рис. 4, а расчетные и экспериментальные изменения температур теплоносителей и средней по массе температуры насадки в течение цикла – на рис.5. Экспериментальные результаты получены при теплотехническом обследовании стекловаренной печи производительностью 5 т/сут.

Рис. 5. Результаты исследования изменения температур теплоносителей и средней по массе температуры насадки регенеративного подогревателя в течение цикла при различных вариантах переноса теплоты в насадке:

расчет по варианту №1:

1 – продукты сгорания; и 9 – насадка; 13 – воздух;

расчет по варианту №2:

2 – продукты сгорания;

6 и 10 – насадка; 14 – воздух;

расчет по варианту №3:

3 – продукты сгорания; и 11 – насадка; 15 – воздух;

эксперимент: 4 – продукты сгорания; 8 и 12 – насадка; 16 – воздух.

Расчеты температурных полей в насадке показали, что расчеты по вариантам №1 и №2 дают весьма близкие результаты. Следовательно, перенос теплоты вдоль течения (ось y) не оказывает заметного влияния, и им можно пренебречь. При игнорировании переноса теплоты теплопроводностью вдоль поверхности насадки в направлении, перпендикулярном потоку газа (вариант №3) получаются весьма заниженные величины температур областей, примыкающих к углам канала, объем которых составляет примерно 25% общего объема насадки (см. рис. 5). Это является причиной необоснованно заниженных расчетных величин температур теплоносителей по сравнению с экспериментальными. Для продуктов сгорания разница при расчетах по вариантам №1 и №3 составляет 55,6 0С (кривые 1,3 рис. 5), а для воздуха – 68,3 0С (кривые 13, 15 рис. 5).

Разница расчтных температур насадки в торцевых сечениях составляет около 580С. Это является причиной того, что тепловая мощность аппарата, пропорциональная величине заштрихованной площади между кривыми, показывающими изменение температуры насадки в течение цикла на рис. 5, занижена в среднем на 23,6% для принятых условий моделирования.

Из графика рис. 5 видно, что лучшее совпадение с экспериментальными данными обеспечивается по модели № 1. Достоверность результатов расчта контролировалась по продолжительности периодов нагрева и охлаждения, полученными в результате экспериментальных исследований, а также по условию непрерывности потока.

В третьей главе приведны результаты геометрической и режимной оптимизации регенеративного подогревателя.

а) б) Рис. 6. Изменение тепловой мощности в зависимости:

(а) от длительности периода цикла при различной длительности перекидки клапанов 1 – пер1=10 с; 2 – пер2=20 с; 3 – пер3=30 с;

(б) при различном соотношении сторон проходного сечения насадки (мм) 1 – 100100; 2 – 50200; 3 – 25400; 4 – Для практики интерес представляет разработка методики определения оптимального времени цикла, при котором достигается максимальная тепловая мощность регенератора. На рис. 6а представлены результаты расчтов зависимостей тепловой мощности регенератора от продолжительности цикла при различной длительности паузы перекидки клапанов.

Резкий подъм кривых в области малых периодов нагрева происходит вследствие значительного влияния паузы перекидки. При увеличении длительности влияние паузы уменьшается. На графике хорошо видно, что существует оптимальное время цикла, зависящее от длительности паузы перекидки клапанов.

Большое влияние на тепловую эффективность регенератора оказывают геометрические размеры сечения для прохода теплоносителей.

На практике его форму выбирают исходя из опыта с учетом стоимости изготовления и удобства эксплуатации.

Поиск оптимальной формы проходного сечения канала производился путем вычислительного эксперимента. Расчеты тепловой мощности выполнялись при постоянной площади живого сечения прямоугольного канала s = 0,01 м2 и различных соотношениях его высоты и ширины: 1:1; 1:4; 1:16; 1:100. Результаты расчетов, представленные на рис. 6б, показывают, что тепловая мощность регенератора может изменяться как в зависимости от продолжительности цикла, так и от формы проходного сечения канала насадки весьма сильно – от 20 до 50%.

При увеличении отношения длин сторон прямоугольного канала увеличение тепловой мощности происходит по двум причинам: увеличение поверхности теплообмена насадки с газом и увеличение объема материала насадки, участвующего в процессе аккумуляции теплоты за счет лучшего прогревания углов (см. рис. 5). Однако при этом происходит уменьшение теплового потока излучением от газа к насадке по причине уменьшения «эффективной длины луча», которая пропорциональна эквивалентному диаметру канала. Например, при изменении соотношения сторон сечения канала от 1:1 до 1:100 тепловой поток излучением уменьшается в 2,3 раза. Наибольшая тепловая мощность в рассматриваемом примере соответствует соотношению сторон сечения канала 1:16 (кривая 3 рис. 6б). Однако это не дает оснований утверждать, что такое соотношение будет оптимальным для любых регенераторов.

Интересно отметить, что величина оптимального времени цикла увеличивается при увеличении тепловой мощности регенератора. Этот результат не является неожиданным и объясняется, очевидно, тем, что при увеличении количества теплоты, запасаемой (отдаваемой) насадкой, на ее прогрев (охлаждение) требуется больше времени.

Расчеты показывают, что при увеличении на 50 % количества теплоты, переданной от уходящих продуктов сгорания к воздуху, направляемому на сжигание топлива, расход топлива, в зависимости от коэффициента избытка воздуха, уменьшается на 3…4%.

В четвртой главе рассмотрено практическое применение результатов расчетных исследований тепловых процессов в регенеративных подогревателях.

Разработанная математическая модель позволяет описывать распределение всех локальных характеристик процесса в регенераторе и рассчитывать его интегральные тепловые характеристики. Модель является по существу компьютерным методом расчета теплового процесса в регенераторе и нуждается только в обеспечении информацией о теплофизических свойствах газа, воздуха и материала насадки, которые доступны в справочной литературе. Она позволяет проводить поверочные и конструктивные расчты регенеративного подогревателя.

Задача поверочного расчта регенератора сводится к определению конечной температуры дутья на выходе из теплообменного аппарата при известной продолжительности цикла, либо к определению продолжительности цикла при известных конечных температурах теплоносителей.

Рис. 7. Результаты оптимизации параметров регенеративного подогревателя: А – существующий режим работы; предлагаемые режимы:

В – без изменения геометрических параметров насадки (режимная оптимизация), С – при изменении геометрических параметров насадки (режимная + геометрическая оптимизация); Nреж – эффект от режимной оптимизации, Nреж+констр – эффект от режимной и геометрической оптимизации Задача конструктивного расчета регенератора заключается в определении его геометрических размеров: длины проточной части и размеров каналов для прохода теплоносителей. Исходными данными при этом являются расходы теплоносителей, их теплофизические свойства, температуры на входе в регенератор и желаемые температуры на выходе из него, теплофизические свойства материала насадки.

Разработанная математическая модель и е компьютерная реализация апробирована на реальном объекте – регенеративном воздухоподогревателе стекловаренной печи производительностью 5 т/сутки.

Для наилучшего совпадения экспериментальных и расчтных данных вначале проводилась адаптация математической модели к реальным условиям работы регенератора, за счт корректировки теплофизических параметров теплоносителей и насадки (в первую очередь – степени черноты е поверхности) и учта потерь теплоты через торцевые поверхности теплообменного аппарата по фактическим данным.

На рис.7 представлены результаты оптимизации объекта.

Разработаны конкретные технические предложения по изменению продолжительности цикла и геометрических размеров живого сечения для прохода теплоносителей. В существующем режиме регенеративного подогревателя с размерами канала 100100 время цикла составляло 850 сек, а тепловая мощность – 1,01 МВт. После оптимизации в результате проведения расчетов с помощью разработанной компьютерной программы предложено уменьшить время цикла до 640 сек, а размеры канала изменить на 25400. Расчетная тепловая мощность регенератора увеличится до 1,23 МВт экономия топлива за счет этого составит примерно 3%.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ 1. Разработана математическая модель циклически сопряженного радиационно-конвективного теплообмена в регенеративном подогревателе с неподвижной кирпичной насадкой, позволяющая рассчитывать температурные поля в насадке и теплоносителях в установившемся и в переходном режимах работы.

2. Проведены расчтные исследования влияния размерности модели на тепловое состояние неподвижной кирпичной насадки. Показано, что уменьшение размерности моделируемого процесса распространения тепла в насадке (использование одно- и двухмерной модели вместо трхмерной) приводит к занижению средней по времени цикла температуры насадки и количества теплоты, аккумулированной насадочным кирпичом примерно на 23,6%.

3. Использование разработанной математической модели позволяет:

– рассчитывать оптимальное время цикла работы регенератора с учетом паузы перекидки клапанов, при котором достигается его максимальная тепловая мощность;

– выбирать оптимальные геометрические параметры насадки для заданных расходных и теплофизических параметров теплоносителей и материала насадки.

4. Выполнена компьютерная реализация математической модели циклически сопряжнного радиационно-конвективного теплообмена в регенеративном подогревателе в виде инженерной методики его расчта.

5. Сравнение предлагаемой инженерной методики расчета с известными методиками и с экспериментальными данными показало, что существующие приближнные методики расчта дают заниженные значения температуры насадки и теплоносителей на выходе из регенеративного подогревателя, что приводит к неоправданному завышению поверхности теплообмена.

6. Результаты работы используются при выборе рациональных режимов эксплуатации регенеративных подогревателей с неподвижными кирпичными насадками в ООО НТЦ «Промышленная энергетика».

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Публикации по перечню рецензируемых изданий ВАК 1. Елин Н.Н. Моделирование циклически сопряжнного теплообмена в регенеративном воздухоподогревателе [текст] / Н.Н. Елин, Г.В.

Рыбкина, М.Ю. Ометова // Вестник ИГЭУ. – Вып.2. – 2010. – С. 22 – 24.

2. Рыбкина Г.В. Оптимизация геометрических характеристик насадки регенеративного теплообменника / Г.В. Рыбкина, М.Ю. Ометова, Н.Н, Елин // Энергосбережение и водоподготовка. – Вып. 4 – 2010. – С.47 – 49.

3. Елин Н.Н. Экспериментальная проверка математической модели регенератора с неподвижной кирпичной насадкой [текст] / Н.Н. Елин, М.Ю. Ометова, Г.В. Рыбкина // Вестник ИГЭУ. – Вып.1. – 2011. – С.

22 – 24.

Публикации в других изданиях 4. Рыбкина Г.В. О выборе технологии утилизации теплоты уходящих газов промышленных печей [текст] / Г.В. Рыбкина // В сб. статей к 4 научной конференции аспирантов и соискателей. Иваново:

ГОУВПО «ИГАСУ». – 2005, С. 64 – 66.

5. Ометова М.Ю. Численное исследование режимов работы регенеративных воздухонагревателей [текст] / М. Ю. Ометова, Г.В.

Рыбкина Сб. статей «Вестник научно-промышленного общества». – Выпуск 11. – Москва, «Алев-В». – 2007. – С. 34 – 37.

Pages:     | 1 || 3 |



© 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.