CC BY
27
PROBLEMELE ENERGETICII REGIONALE 3 (32) 2016 TERMOENERGETICÁ
Investigation of Heat Exchange Efficiency in the Heat Exchanger Waste Heat Recovery with Granular Nozzle
Boshkova I.L., Solodkaya A.V.
The Department of power engineering and pipeline transport energy carriers Institute of Refrigeration, Cryogenic Technologies and EcoEnergetic Odessa National Academy of Food Technologies, Odessa, Ukraine
Abstract. The article analyzes the characteristics of the heat transfer process between the dispersed and gaseous medium for the moving and fixed layer of particulate material. The methods of calculus of thermal and hydraulic regimes of heat exchangers with a dense layer of particles were elaborated. The results of experimental studies of the process of heating of different kinds of granular material, intended for use as a nozzle in the recuperative heat exchanger. The influence of the height of heating chamber, the particle diameter on the output temperature of the granular material has been determined. The dependence of the temperature of the gas and solid components of the height of the nozzle has been presented.
Keywords: a granular material, a nozzle, the heat transfer coefficient, Interconnects heat exchange, intensification, aerodynamic drag.
Studiu de eficienta a transferului de caldura in schimbatorul de caldura cu recuperarea caldurii reziduale
cu duza granulare inclusa Bo^cova Irina, Solodcaia Antonina
Departamental de energie termica §i transport prin conducte a resurselor energetice Institutul de frig, criotehnologii §i ecoenergetica Academia nationala a tehnologiilor alimentare din Odessa Odesa, Ucraina
Rezumat. Utilizarea agentilor termici in flux sub forma de material granular in scopuri de racire permite intensificarea proceselor de schimb de caldura §i de transfer de masa. Apare oportunitatea de a crea o suprafata de schimb de caldura dezvoltata, creSterea careia este conditionata totalitatea suprafetelor particulelor materialului granulat inclus ca componenta functionala a schimbatorului de caldura. Promitatoare sunt schimbatoarele de caldura recuperative cu un strat mobil dens, caracterizate prin eficienta termica ridicata, compactitate, greutate redusa, simplitatea de proiectare, fiabilitate, ce asigura performante semnificativa a schimbatoarelor de caldura. Avand in vedere complexitatea proceselor de interactiune a particulelor din fluxul de aer in mi§care trebuie acordata o atentie deosebita metodei simplicite de calcul a acestor schimbatoare de caldura. ín articol se analizeaza caracteristicile procesului de transfer de caldura intre mediul gazos dispersat pentru stratul materialului granulat aflat in stare de mi§care §i in stare de repaos. S-au propus metode de calcul ale regimurilor termic §i hidraulic a schimbatoarelor de caldura cu strat dens dispersat format din particule granulate. Sunt prezentate rezultate ale cercetarilor experimentale ale procesului de incalzire a diverselor tipuri de material granulat propuse pentru utilizare in calitate de material functional in schimbatoarele utilizatoare de caldura de tip recuperativ. ín baza calculelor s-a stabilit influenta inaltimii camerei de ardere, a diametrului particulelor asupra temperaturii de ie§ire a materialului granular. Se prezinta caracteristica evolutiei temperaturii componentei gazoase §i a componentei solide in functie de inaltimea duzei.
Cuvinte-cheie: material granular, duza, coeficientul de transfer de caldura, schimb de caldura mutual, intensificarea, rezistenta aerodinamica.
Исследование эффективности теплообмена в теплообменниках-утилизаторах
с гранулированной насадкой Бошкова И. Л., Солодкая А.В.
Кафедра теплоэнергетики и трубопроводного транспорта энергоносителей Институт холода, криотехнологий и экоэнергетики Одесская национальная академия пищевых технологий Одесса, Украина
Аннотация. Использование в теплоэнергетике проточных теплоносителей в виде гранулированного материала позволяет интенсифицировать процессы теплообмена и массообмена. Возникает возможность создать развитую теплообменную поверхность, которой является совокупная поверхность частиц, находящихся в теплообменном аппарате. Перспективными являются рекуперативные теплообменники с плотным движущимся слоем, характеризующиеся высокой тепловой эффективностью, компактностью,
PROBLEMELE ENERGETICП REGЮNALE 3 (32) 2016 TERMOENERGETГСA
небольшой массой, простотой конструкции, надежностью, позволяющие обеспечить значительную производительность. Ввиду сложности процессов взаимодействия движущихся частиц с потоком воздуха, особое внимание следует уделять упрощенным методикам расчета подобных теплообменников. В статье проведен анализ особенностей процесса теплообмена между дисперсной и газовой средой для движущегося и неподвижного слоя дисперсного материала. Составлены методики теплового и гидравлического расчетов теплообменных аппаратов с плотным дисперсным слоем. Представлены результаты экспериментального исследования процесса нагрева различных видов гранулированного материала, предполагаемых к использованию в качестве насадки в рекуперативном теплообменнике-утилизаторе. Расчетным путем установлено влияние высоты камеры нагрева, диаметра частиц на выходную температуру гранулированного материала. Представлена зависимость температуры газового и твердого компонентов по высоте насадки.
Ключевые слова: гранулированный материал, насадка, коэффициент теплоотдачи, межкомпонентный теплообмен, интенсификация, аэродинамическое сопротивление.
1. Введение
Одним из определяющих путей экономии топливно-энергетических ресурсов является использование вторичных энергоресурсов. Совершенствование технологического
процесса за счет дополнения схемы утилизации ВЭР способствует повышению конкурентоспособности продукции и снижению загрязняющего воздействия на окружающую среду. В результате анализа тепловых потерь в энергетических и теплотехнологических установках различного назначения получено [1], что их значительную часть составляет физическая теплота уходящих газов, использование которой должно быть направлено на повышение тепловой эффективности самих установок. Представляются перспективными регенеративные теплообменники, в которых в качестве промежуточного теплоносителя (насадки) служит циркулирующий слой дисперсного материала. Однако технико-экономическая целесообразность применения дисперсной насадки в качестве промежуточного теплоносителя не всегда оправдана [2] , что связано, в основном, с низкими температурными напорами теплоносителей, большим гидравлическим сопротивлением аппарата, загрязнением поверхностей теплообмена со стороны греющего теплоносителя различными отложениями или ее разрушением за счет коррозии или эрозии. Анализ теоретических и экспериментальных работ [3-5], в которых исследованы тепловые процессы,
определяющие эффективность работы таких теплообменников, показал, что в настоящее время отсутствуют надежные общепринятые зависимости, которые послужили бы научной базой для разработки методики расчета утилизаторов подобного типа и
способствовали их внедрению в промышленности.
Целью работы является оценка влияния параметров теплообмена и характеристик материала на эффективность утилизации теплоты отходящих газов гранулированной насадкой. Для достижения данной цели проведено аналитическое и
экспериментальное исследование
теплообмена в теплообменнике-утилизаторе с движущимся плотным слоем насадки.
2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛООБМЕНА В ПЛОТНОМ СЛОЕ ГРАНУЛИРОВАННОГО МАТЕРИАЛА
Задачами исследования являлись: экспериментальное изучение процессов теплообмена между нагретым воздухом и гранулированным материалом, помещенным в рабочую камеру, и получение рекомендаций к выбору материала; математическое моделирование теплообмена в системе воздух - плотный слой движущегося гранулированного материала.
Экспериментальная установка
представлена на рис.1.
исследования теплообмена в плотном слое гранулированного материала.
РКОБЬЕМЕЬЕ ЕКЕКвБТЮП КЕОЮМТЛЬЕ 3 (32) 2016 ТЕКМОЕКЕКОЕТЮА
1- вентилятор; 2 - нагреватель; 3 - датчик скорости воздуха; 4 - датчик температуры; 5 -сетка; 6 - камера нагрева; 7 - гранулированная насадка; 8 - камера сбора нагретого материала; 9 -изоляция.
В качестве гранулированного материала исследовался керамзит и гравий (размер частиц: 10-20 мм). Методика заключалась в следующем. В рабочую камеру 6 загружался гранулированный материал. Включался вентилятор 1 и нагреватель 2, после чего нагретый воздух поступал в рабочую камеру. Датчики 3 и 4 предназначены для измерения температуры и скорости потока, температура материала определялась в течение опыта с помощью термопары 10, расположенной по центру камеры. Средняя скорость фильтрации воздуха составляла
w = 0,25...1,2 м/с, диаметр воздуховода ё = 0,1 м.
Результаты экспериментов представлены в табл. 1, 2. Скорость воздуха составляла 0,63 м/с - для керамзита, 0,5 м/с - для гравия, высота слоя 0,12 м,.
Таблица 1 Нагрев гравия в рабочей камере
Таблица 2 Нагрев керамзита в рабочей камере
т, с 1к, Ок, 1 '' 1в', Ов,
°С Вт °С °С Вт
1 2 3 4 5 6 7
0 18,5 0 18,5 18.4 700
30 23,4 122 25 60 601 6.9
60 39,4 398 29 58.6 542 4.6
90 48,4 223 32 58.9 492 3.7
120 53,0 114 38 57.4 395 3.4
150 55,0 50 43 59.9 310 2.9
180 56,5 37 46 58.9 257 2.3
Продолжение таблицы 2
1 2 3 4 5 6 7
210 58,0 37 48 57.4 223 1.8
240 58,8 20 49 58.0 205 1.5
270 58,9 3 51 57.1 169 1.4
300 59,3 10 52 58.6 150 1.1
330 59,4 3 52 59.3 150 1.1
360 59,5 3 52 59.9 150 1
390 59,4 0 52 58.1 150 1
420 60 15 52,5 59.0 141 1
450 59,4 0 53 61.2 132 1
480 59,4 0 53 58.9 132 1
510 60,4 24 53 61.3 132 1
540 60,1 7 53 61.5 132 1
570 59,6 0 53 62.5 132 1
600 59,8 5 53 60.0 132 1
Данные свидетельствуют, что с течением времени теплота, поглощённая материалом, снижается, причем для керамзита это снижение резко усиливается после 360 с, а для керамзита - после 480 с, что связано с изменением среднелогарифмического
температурного напора. Характер изменения теплоты во времени следует учитывать при оценке длительности периода нагрева в теплообменном аппарате при их проектировании.
Характер изменения температуры материала (гравий) в зависимости от скорости фильтрации демонстрирует рис. 2. Видно, что увеличение скорости способствует интенсификации теплообмена, причем при скорости w = 1 м/с материал практически перестал нагреваться через 330360 с, достигнув значения температуры £ « 55 оС. При меньших скоростях эффективность нагрева была ниже. Очевидно, структура керамзита и особенно свойства его поверхности способствуют более
интенсивному теплообмену с окружающей средой (воздухом).
Для сравнения эффективности применения насадок, на рис. 4 представлен график
т, с 1гр, Огр, 1 '' 1в', Ов, лог
°С Вт °С °С Вт
0 21 0 18,4 60 0 0
30 27 539 21,2 60 740 2.6
60 28 90 33,6 58.6 504 6.4
90 29 90 37,3 58.9 433 7.2
120 30 90 41,1 57.4 361 7.8
150 33 269 43,6 59.9 313 7.82
180 35 180 46,7 58.9 254 7.5
210 38 269 48,5 57.4 219 6.96
240 39 90 50,4 58.0 183 6.5
270 40 90 52,1 57.1 151 6.5
300 42 180 53,3 58.6 128 6.2
330 44 180 54,3 59.3 109 5.6
360 45 90 55,3 59.9 90 5.2
390 47 180 55,4 58.1 88 4.6
420 47 0 56,1 59.0 74 4.4
450 48 90 56,6 61.2 65 3.9
480 49 90 56,9 58.9 59 4
510 50 0 57,1 61.3 55 3.6
540 50 0 57,4 61.5 48 3.4
570 50 0 57,7 62.5 44 3.5
600 51 90 57,5 60.0 48 3.3
РКОБЬЕМЕЬЕ ЕКЕКвБТЮП КЕОЮМТЛЬЕ 3 (32) 2016 ТЕКМОЕКЕКОЕТЮА
изменения температур, полученных для керамзита и гравия, при скорости фильтрации w = 1,2 м/с.
60 55 50 45 О 40 35 30 25 20
т,-с
Рис. 2. Нагрев гравия в рабочей камере при различной скорости фильтрации воздуха
Влияние скорости при нагреве насадки из керамзита значительно меньше, чем для гравия.
- - w=1,2 м/с
- - w=0,63 м/с
- - w=0,3м/с
Рис. 3. Нагрев керамзита в рабочей камере при различной скорости фильтрации воздуха
данные, до более высоких установленных в эксперименте.
значении,
3.аналитическое исследования теплообмена
Влияние высоты канала и диаметра частиц определялась в ходе вычислительного эксперимента, проведенного с
использованием зависимостеи для газового (воздух) (1) и твердого (2) компонентов. Зависимости были получены при решении математическои модели процесса
теплообмена плотного слоя
гранулированного материала с газовои средоИ. При составлении модели
принималось, что поток частиц движется под деиствием гравитационных сил вниз, а поток воздуха направляется противотоком снизу. Рассматривается одномерная стационарная задача при следующих условиях однозначности:
Граничные условия:
X = 0: / г = / го Х = Ь : Iт = ¡т0
Начальные условия:
Т = 0 : /г = /г0 ; ¡т = ¡т0
Здесь wг- скорости слоя и воздуха в
контактном теплообменнике, Ь - высота слоя, х - продольная координата.
щ (х) = С1 + С 2е
К 2(-К 4+К 3) х К 4 К 3
(1)
т(х) =
К 2(-К 4+ К 3) х
К 4С1 + С 2е К 4К 3 К 4
(2)
где С1, С2 - коэффициенты, определяемые заданным условием однозначности, форма которых представлена зависимостями (3), (4): Из данного выражения были найдены коэффициенты С1 и С2,
Рис. 4. График изменения температуры насадки в зависимости от вида материала
Для того, чтобы эффективность теплообмена с гравием была сопоставима с керамзитом, скорость фильтрации должна быть увеличена, причем, как показывают
С1 = tg 0 +
К 4^0 - т0) -К 4 + еК 5ЬК 3
С2 = -
К 4^ 0 - /т0) -К 4 + еК 5 'ЬК 3
(3)
(4)
200
300
400
200
300
400
Т, С
-■-1-1-1-1-1-1-1-1-г
100 200 300 400 500 600
Т, С
РКОБЬЕМЕЬЕ ЕМЕЯСЕПСП КЕОЮКТЛЬЕ 3 (32) 2016 ТЕКМОЕКЕКОЕТЮА
Коэффициенты К2, К3, К4 представляют собой комбинации из заданных величин, характеризующих процесс:
(5)
К 2 = ам ■ ауд ,
где ам - коэффициент межкомпонентного теплообмена, определяемый по
рекомендациям [6], ауд - удельная поверхность частиц в единице объема.
К3 = сг ■ рг ■ w
(6)
На рис. 5 представлены результаты расчета температуры гранулированного материала при различных диаметрах частиц. Исходные данные, принятые при расчете, следующие: 4 = 60°С , 4 = 20°С , wг = 1,2м/с, Ь=0,12 м. Видно, что с увеличением диаметра частиц их температура уменьшается. Это связано с тем, что при нагреве частиц с меньшим диаметром интенсивность межкомпонентного теплообмена выше. Однако последующее охлаждение частиц с меньшим диаметром будет происходить также быстро, поэтому для достижения аккумулирующего эффекта в аппарат целесообразно выбрать материал с диаметром частиц 0,02-0,03 м.
0,005
6055 5045-О 40 353025
20 •
0,015 0,02
0,03
Х, м
62 60 58 56 О 54 52 50 48 46
Рис. 5 Зависимость температуры насадки от диаметра частиц. 1 - керамзит; 2 - гравий
На рис. 6 представлены результаты расчета распределения температуры гранулированного материала по высоте насадки.
Здесь за начало координат принято сечение, на котором осуществлялась засыпка материала: верхнее сечение канала на высоте Ь. На начальном участке интенсивность теплообмена выше вследствие большего температурного напора и высоких значений коэффициента межкомпонентного
теплообмена [5], [6].
0,005 0,01
а) б)
Рис. 6. Изменение температуры гранулированного материала (гравий) по высоте насадки при различных диаметрах частиц а - гравий, б - керамзит
4. ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ
Q - тепловой поток, Вт; т - масса материала, кг ; w - скорость, м/с; d - диаметр, мм;
t - температура, °С; т - время, с;
ам - коэффициент межкомпонентного теплообмена; ауд - удельная поверхность частиц;
0,005
0,010
0,015
± м
0,01
20
0,05
х, м
PROBLEMELE ENERGETICII REGIONALE 3 (32) 2016 TERMOENERGETICA
Ь- высота твердого слоя, м; х - координата по высоте, м; с - удельная теплоемкость, Дж/(кгК); р - плотность, кг/м3.
Индексы: т - твердый материал; г - газ; гр -гравий; к - керамзит; в - воздух; 0 -начальное значение.
5. заключение
Эффективность теплообмена газовой среды (воздух) с гранулированной насадкой существенно зависит от вида используемого материала, диаметра частиц и скорости фильтрации. Увеличение скорости в пределах (0,3-0,62) м/с менее сказывается на росте температуры гравия по высоте канала, чем при скорости 1 м/с, при этом температура материала стабилизируется в течение 300 с. Влияние скорости в исследованном диапазоне на нагрев керамзита практически не наблюдается, стабилизация теплового режима происходит в течение 200 с. Предложенные аналитические зависимости для расчета температур газового и твердого компонентов адекватно описывают изменение температур при теплообмене между газовой (воздушной) средой и плотным слоем гранулированного материала.
Литература (References)
[1] D. А. Prutskih Ghidrodinamika i teploobmen v gheneratore s dispersnoi nasadkoi,
[Hidrodynamics and heat-mass transfer in generators with a dispersed generator nozzle] Avtoreferat diss. na soiskanie uch. stepeni k. t. n. Spetsialnosti: Voronej: 2009, 22 p.
[2] A.V. Barakov, D.A. Prutskih K raschetu reghenerativnogo vozduhopodogrevatelea nepre-ryvnogo deistvia. [The calculus of regenerative continious air heater] Vestnik Voronej skogo gosudarstvenogo tehnicheskogo universiteta [Proceedings of Voronej University], 2006, T. 2, Nr 6, pp. 11-14.
[3] A.V. Barakov, V.Iu. Dubanin, D.A. Prutskih. Issledovanie teploobmena v regheneratore s dispersnoi nasadkoi. [The research of heat mass transfer in the regenerator with dispersed nozzle] Energosberejenie i vodopodgotovka, [Eneergy efficiency and water processing], 2007, Nr 4, pp. 45-46.
[4] A.V. Barakov, V.Iu. Dubanin, D.A. Prutskih. Issledovanie teplovoi effectivnosti reghenerativnogo vozduhopodogrevatelea s dispersnoi nasadkoi, [The research of thermal efficency of the regenerator with dispersed nozzle] Promyshlenaia energhetika [Industrial energetics]. 2008, Nr 5, pp. 28-30.
[5] V.A. Kalenderian, V.R. Gappasov. Teploperenos v vozguhoohladitele s plotnym dvijuschimsea sloem promejutochnogo teplonositelea. [Heat transfer in air cooler with dense moving layer of intermediate heat transfer agent]. Tezisy dokladov I soobschenii IV Miskogo mejd. forum po teploomassoobmenu,[The proceedings of Minsk international heat mass transfer forum] Minsk, 2000, t.6, pp.175-182
[6] Z.R. Gorbis, V.A. Kalenderian. Teploobmenniki s protochnymi dispersnymi teplonositeleami. [Heat exchangers with flow particulate heat carriers] Moskva, 1975, 294 p.
Сведения об авторах:
Бошкова Ирина Леонидовна. Доцент кафедры теплоэнергетики и трубопроводного транспорта энергоносителей Одесской национальной академии пищевых технологий, ведущий научный сотрудник проблемной научно-исследовательской лаборатории, работает с 2006 г. над выполнением научных проектов, связанных с исследованием процессов термообработки материалов растительного происхождения с использованием энергии микроволнового поля.
Солодкая Антонина Васильевна. Закончила Одесскую национальную академию пищевых технологий в 2013 г. по специальности теплоэнергетика. В 2014 г. поступила в аспирантуру, специальность 05.14.06 «Техническая теплофизика и промышленная теплоэнергетика
Articolul a_fostprezentat la Conferinta "Energetica Moldovei 2016'
