CC BY
7
УДК 621.311.22; 660.9:662.6
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛООБМЕНА В МОДЕЛЬНОМ РЕЗЕРВУАРЕ ХРАНЕНИЯ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ РАСХОДАХ КОМПОЗИЦИОННОГО ОРГАНИЧЕСКОГО ТОПЛИВА1
Р.М. ГИЛЬМАНОВ, Э.В. ШАМСУТДИНОВ
Исследовательский центр проблем энергетики Федерального государственного бюджетного учреждения науки Казанского научного центра Российской академии
наук
В статье представлены результаты экспериментальных исследований процессов теплообмена при хранении водоугольной суспензии в модельном резервуаре. Получены зависимости изменения температуры суспензии от времени разогрева при различных расходах и углах наклона подающей насадки.
Ключевые слова: водоугольная суспензия, теплообмен, экспериментальный стенд, хранение.
Введение
В соответствии с Энергетической стратегией России [1] к 2030 году планируется значительно увеличить долю угля в структуре внутреннего потребления топливно-энергетических ресурсов. При этом предполагается активное стимулирование замены «грязного» угля и малоэффективных методов его сжигания на так называемые технологии «чистого угля», использование которых позволит улучшить экологическую ситуацию в местах размещения топливопотребляющих агрегатов, работающих на традиционных топливах [2].
Применение водоугольного суспензионного топлива, или водоугольных суспензий (ВУС), является на сегодняшний день одним из перспективных направлений использования твердого топлива на энергетических объектах различного масштабного уровня - от небольших районных и промышленных котельных до крупных тепловых электростанций и энерготехнологических комплексов. Их широкомасштабное использование сдерживается рядом факторов, одним из которых является отсутствие научно-обоснованных методических рекомендаций по эффективному хранению ВУС на энергетических объектах.
Таким образом, целью настоящего исследования является изучение процесса теплообмена в модельных резервуарах хранения водоугольных суспензий.
Экспериментальный стенд
Для исследования процессов хранения и разогрева водоугольной суспензии разработан экспериментальный стенд, позволяющий моделировать рассматриваемые процессы при различных режимах работы оборудования (рис. 1).
В ходе эксперимента предполагалось получить данные, позволяющие провести анализ процесса хранения ВУС в динамических условиях за счет изменения режимных параметров и температурных условий хранения.
1 Исследование выполнено при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации (соглашение 14.132.21.1756 в рамках ФЦП "Научные и научно-педагогические кадры инновационной России" на 2009-2013 годы) и Российского фонда фундаментальных исследований (грант №12-08-97055-р_поволжье_а) © Р.М. Гильманов, Э.В. Шамсутдинов Проблемы энергетики, 2013, № 3-4
теплообмена в резервуарах хранения ВУС: 1 - емкость с ВУС; 2 - насос перистальтический шланговый НП-32; 3 - термопреобразователь ДТС; 4 - расходомер; 5 - вентиль шаровый;
6 - теплообменник; 7 - частотный преобразователь; 8 - измеритель-регулятор
Для поддержания ВУС в рабочем состоянии при хранении его в резервуарах может использоваться система циркуляционного подогрева топлива. В связи с этим в составе стенда предусмотрена система рециркуляции с подогревом, состоящая из перистальтического шлангового насоса НП-32 2 для отбора суспензии из емкости 1 и подачи его в теплообменник 6. Из теплообменника разогретая суспензия подается в коллектор, установленный на днище емкости 1, откуда через насадки поступает в модельный резервуар. Насадки выполнены при различных углах наклона: 45°, 90°, 135° и 180°. Регулирование расхода суспензии осуществляется изменением числа оборотов насоса 2 при помощи преобразователя частоты 7, расход измеряется при помощи расходомера 4. Показания с термопреобразователей ДТС 3 поступают на измеритель-регулятор ТРМ-138 8. В качестве рабочей среды используется водоугольная суспензия с различной массовой долей (концентрацией) угля. Для приготовления суспензии используется угольная пыль, приготовленная в вибромельнице ВМ-200. Дисперсный состав пыли контролируется при помощи ситового анализа, который осуществляется рассевом угольной пыли на ситах с различным диаметром на вибростоле.
Характеристики модельного резервуара: цилиндрическая емкость; круглое основание с внутренним диаметром 0,59м, высота - 0,84 м. Эксперимент проводился для трех расходов суспензии Q: 0,181-10-3; 0,375-10-3; 0,569-10-3 м3/с, при этом скорость потока на выходе из насадки ю была равна: 0,144; 0,298; 0,453 м/с.
Результаты исследований
В результате эксперимента получены зависимости изменения температуры водоугольной суспензии в резервуаре от времени разогрева и хранения при различных расходах ВУС и углах наклона насадки. Для иллюстрации полученных данных на рис. 2 представлены результаты исследований при расходе Q=0,569•10-3 м3/с.
Анализ результатов экспериментальных исследований показал, что при расходе Q=0,181•10-3 м3/с наибольший прогрев ВУС наблюдается при угле наклона форсунки, равном 90°, при этом средняя температура суспензии в резервуаре равна 56,7 °С. Наименьший прогрев суспензии в резервуаре наблюдался при а=180°, при этом средняя температура в резервуаре равна 51,5 °С.
При расходе Q=0,375•10-3 м3/с наибольший прогрев ВУС происходит при угле наклона форсунки, равном 45°, при этом средняя температура суспензии в резервуаре равна 58,8 °С. Наименьший прогрев суспензии в резервуаре наблюдался при а=180°, при этом средняя температура в резервуаре равна 55,5 °С.
При расходе Q=0,569•10-3 м3/с (рис. 2) наибольший прогрев ВУС происходит при
угле наклона форсунки равном 45°, при этом средняя температура суспензии в резервуаре равна 61,6 °С. Наименьший прогрев суспензии в резервуаре наблюдался при а=135°, при этом средняя температура в резервуаре равна 55,8 °С.
О 720 144(1 2Ш1 2880 360(1 432(1 5040 276« (¡480 721!(I Л С
Рис. 2. Изменение температуры ВУС при расходе Q=0,569-10"3 м3/с и углах наклона насадки а: 1 - 45°; 2 - 90°; 3 - 135°; 4 - 180°
Заключение
При эксплуатации систем циркуляционного подогрева ВУС в резервуарах в режиме «холодного» хранения целесообразно использовать небольшие расходы нагретой суспензии. Связано это с тем, что повышение расходов не дает существенного снижения скорости разогрева в резервуаре, т.к. при высоких скоростях движения разогретое топливо не успевает отдать теплоту холодным слоям топлива. Фактически наблюдается «проскок» струи нагретого топлива при движении от подающей насадки до выходного коллектора.
Как показали экспериментальные данные, при скорости течения суспензии из подающей насадки 0,144 м/с целесообразно использовать угол наклона сопла насадки 90°. При этом за счет малых скоростей и эффекта возникновения обратных течений после удара о стенку резервуара струи нагретой суспензии наблюдается наилучший прогрев по объему резервуара.
При скорости суспензии более 0,144 м/с целесообразно использовать угол наклона насадки 45°. При этом угле наклона, несмотря на увеличение скорости практически в три раза по сравнению с предыдущим случаем, наблюдается эффективный прогрев суспензии практически по всему объему резервуара. Объясняется это тем, что в данном случае струя суспензии частично направлена на дно резервуара, в результате удара о которое струя разворачивается вверх. За счет этого увеличивается время пребывания нагретой струи в объеме резервуара.
Использование насадки с углом наклона, равным 135° или 180°, нецелесообразно для всех рассмотренных скоростей вследствие низкой эффективности прогрева резервуара.
Summary
This article presents the results of experimental investigations of heat transfer processes during storage coal-water slurry in a model tank. The dependences of temperature coal-water slurry from the warm-up time for different angles of inclination of the flow nozzle.
Keywords: coal-water slurry, heat transfer, experimental facility, storage.
Литература
1. Энергетическая стратегия России на период до 2030 года (утверждена распоряжением Правительства РФ от 13.11.2009г. №1715-р).
2. Делягин Г.Н. Экологически чистое топливо из угля / Г.Н. Делягин, В.В. Корнилов, Ю.А. Чернегов // Экологическое развитие: сб. - М.: Международный центр научной и технической информации, Комиссия по изучению производительных сил и природных ресурсов при Президиуме РАН, 1992. Вып. 2. С. 49-52.
Поступила в редакцию 26 февраля 2013 г.
Гильманов Руслан Марселевич - Тел.: 8 (843) 273-05-71, 8 (927)425-77-46. E-mail: russel777@yandex.ru.
Шамсутдинов Эмиль Василович - канд. техн. наук Исследовательского центра проблем энергетики Федерального государственного бюджетного учреждения науки Казанского научного центра Российской академии наук. Тел.: 8 (843) 273-05-71, 8 (919)694-36-50. E-mail: EShamsutd.kazan@mail.ru.
