Методика расчета теплоутилизатора кипящего слоя для систем кондиционирования воздуха Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 677.697

О.С. Кочетов, В.Б. Сажин, М.А. Апарушкина, А.В. Костылева, Л.Б. Дмитриева

Московский государственный текстильный университет им. А.Н. Косыгина, Москва, Россия Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия

МЕТОДИКА РАСЧЕТА ТЕПЛОУТИЛИЗАТОРА КИПЯЩЕГО СЛОЯ ДЛЯ СИСТЕМ КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ ВОЗДУХА

The design procedure of parameters heat recyclors a boiling layer of systems of ventilation and an air conditioning for crest of scratched shops of Open Society « Troitskaya kamvolnaya factory», for the conditioner such as КТ-200 by settlement productivity of 182000 m3 / Л is considered. The optimum sizes of the device are received: 0,65x0,65x1,9 m, the area of alive section in a working zone of 0,42 m2, and also modes of operation of the device: mass speed of air no more than 4,1 ... 4,3 kg / (м2-с), an inert nozzle - open plastic spheres, aerodynamic resistance of the device - 0,35 ^a.

Рассмотрена методика расчета параметров теплоутилизатора кипящего слоя систем вентиляции и кондиционирования воздуха для гребнечесального цеха ОАО «Троицкая камвольная фабрика», для кондиционера типа КТ-200 расчетной производительностью 182000 м3/ч. Получены оптимальные размеры аппарата: 0,65x0,65x1,9 м, площадь живого сечения в рабочей зоне 0,42 м2, а также режимы работы аппарата: массовая скорость воздуха не более 4,1.4,3 кг/(м2-с), инертная насадка - полые пластмассовые шары, аэродинамическое сопротивление аппарата - 0,35 кПа.

Рациональное использование топливно-энергетических ресурсов является одним из основных принципов функционирования современного промышленного производства. Рассчитаем систему кондиционирования воздуха с утилизатором тепла кипящего слоя, представленного на рис.1, для гребнечесального цеха ОАО «Троицкая камвольная фабрика». Аппараты с кипящим слоем широко применяют в системах оборотного водоснабжения (для охлаждения рециркулирующей воды) в хлебопекарной промышленности и на предприятиях общественного питания. Однако наиболее эффективно их использование в вентиляционных системах предприятий, где по технологическим требованиям необходимо поддержание в течение всего года повышенной относительной влажности воздуха, что характерно для производственных цехов текстильных предприятий, так как при повышенной влажности воздуха уменьшается вероятность обрыва нитей, и, следовательно, повышается в целом производительность технологического процесса. При использовании аппарата с кипящим слоем сокращается до 50 % расход теплоты на нагрев приточного воздуха и достигается охлаждение его в летний период, что обеспечивает достаточно малый срок окупаемости необходимых капитальных вложений.

Расчет системы кондиционирования воздуха выполнялся для гребнечесального цеха ОАО «Троицкая камвольная фабрика», находящейся в г. Троицке Московской области. Площадь цеха составляет 2 122 м , высота - 3,2 м. На продольной стене цеха, обращенной на юг, имеются 32 окна, на восток - 10 окон, с двойным остеклением в деревянных переплетах, размером 1,8x1,4 м. Технологическое оборудование состоит из 54 ленточных и гребнечесальных машин мощностью электродвигателей 2,8 кВт. В цехе одновременно работают 47 человек.

Сумма теплопоступлений от всех источников для теплого периода года EQ = 1004397 кДж/ч. Примем расчетные параметры Б наружного воздуха для г.Троицка [1]: ^ = 28,5°С, 1н = 54 кДж/кг. Внутренние параметры принимаем равными ^=25 °С при ф = 50 %.

Цех находится на верхнем этаже, в связи с чем теплопотери будут через наружные стены, окна и потолок. Подсчитав теплопотери по каждому ограждению в отдельности и просуммировав их, получим общую величину теплопотерь в цехе: EQ = 21 016 кДж/ч. Та-

ким образом, избыточное тепло в летнее время составит: EQп =1025413 кДж/ч

I

ВЫХ0Дпвр

воды

Рис.1. Схема утилизатора тепла кипящего слоя для систем кондиционирования воздуха: 1-сепаратор, 2-распределитель воды, 3-форсунки, 4-подвижная насадка из полых пластмассовых шаров («кипящий слой»), 5-поддон, 6-опорная решетка, 7-металлический корпус, 8-направляющий

аппарат, 9-поплавковый клапан, 10-фильтр.

Количество воздуха, которое необходимо подавать в цех, определим по формуле

Lm =

Z Qn

1025413

(Азала -Мвен ) • Кэ (3,2 - 0,8) -1,15

=222916 кг/ч

(1)

или 182000 м3/ч.

Производительность системы кондиционирования воздуха будет равна

LM =

Z Qn

611284

Ai • Кэ

зала

= 86133 кг/ч

(2)

9,2 -1,15

зала ' '

или 71184 м3/ч.

При выборе кондиционера будем учитывать параметры, рассчитанные для лета. Принимаем к установке кондиционер типа КТ-200 расчетной производительностью 182000 м /ч при номинальной производительности 200000 м /ч с утилизатором тепла, представленного на рис.1. Аппарат с кипящим слоем работает следующим образом. Шары подвижной насадки 4 под воздействием, восходящего потока воздуха и поступающей на нее воды перемещаются, сталкиваясь друг с другом, и тем самым значительно интенсифицируют процессы тепло- и массообмена между распыляемой водой и воздухом, поступающим в аппарат. Интенсификации процесса тепло- и массообмена способствует установленный на опорной решетке 6 вибратор.

Начало псевдоожижения соответствует равенству подъемной силы и силы тяжести частицы. Для всего аппарата полный перепад давления

АР = О / 5 (3)

а перепад давления в слое

АР = % (р_ -рД1 -в) (4)

где О, И - масса и высота слоя; Б - полное сечение аппарата; рч, рг - плотность частицы материала и газа; в - порозность слоя.

ДТЧ

1

/ р -а,

V« V*

Рис. 2. Кривая псевдоожижения полидисперсных систем

Рис. 3. Кривая идеального вытеснения

Для полидисперсных систем считается характерным наличие переходной области между областями с режимами фильтрации и псевдоожижения. На рис. 2 показана примерная зависимость АР от и для этого случая. При некоторой скорости и=ин начинает теряться устойчивость слоя и перестают двигаться мелкие частицы. Полное псевдоожижение всего слоя и ар=сопб1 наблюдаются при более высокой скорости газа и>ин. В переходной области ин<и<ик все большая доля частиц переходит во взвешенное состояние, и сопротивление слоя медленно возрастает АР ~ ип (п = 0,1-0,2).

Кипящий слой характеризуется следующими параметрами: порозностью слоя в (относительный объем пустот в слое), скоростью на живое сечение и/в, числом псевдоожижения W=u/uкр, высотой слоя И, скоростью витания частиц ивит и показателем полидисперсности 1 (отношение диаметров частиц крупной и мелкой фракций).

те = Аг

" = (1400 - 5.22)4Тг (5)

Им же предложена обобщенная полуэмпирическая зависимость для описания всего интервала существования взвешенного слоя

АГе475

^ =-ТГ^ТГ (6)

А + Вл}Ага

где А = 18 и В = 0,61 - константы.

Для случая идеального перемешивания твердого материала в кипящем слое кривая распределения концентраций по времени пребывания газовой фазы приближается к кривой идеального вытеснения (рис.3). Этот случай реализуется при малых размерах слоя и примерно одинаковой его протяженности в различных направлениях. Для описания гидродинамики кипящего слоя в условиях различных режимов обтекания частиц наиболее применима интерполяционная формула Тодеса (для шарообразных частиц)

Выражение (6) при в= 0,4 превращается в формулу (5) для определения критической скорости псевдоожижения, а при в = 1,0-скорости витания

Re - Ar

^ = 18 + 0.6h/Ar (7)

Зависимость Re=f(Ar) изменяется с изменением зависимости Ly = f(Ar), причем и =f(d4). Зависимость Ly =f(Ar) представлена графически [2], а область существования псевдоожиженного слоя лежит между кривыми порозности s= 1 и s=0,4.

При расчете аппарата с кипящим слоем в качестве исходных данных задают следующие показатели процесса: производительность по готовому продукту G2, кг/ч; начальную и конечную влажность материала юн и юк, %; температуры воздуха: наружного t0, на входе в аппарат t1 и выходе из него t2, °С; начальную 9н и конечную 9к температуры материала. Как показывают результаты экспериментов, можно принимать

0к=2-(3...5 °C)

Для расчета геометрических размеров аппарата с кипящим слоем рассчитывают критическую скорость псевдоожижения для частиц материала максимального размера dmax по соотношению

Ar

Re,, --= (8)

1400 + 5.22vAr V 7

где Ar — p) ; рм— плотность материала, кг/м3; ps- средняя плотность газа;

v2 Р

3 2

кг/м ; v - средняя кинематическая вязкость газа, м /с. Критическая скорость (в м/с)

U — "d"" (9)

max

Для обеспечения устойчивого режима псевдоожижения средняя скорость газа в аппарате

й- (2...3К, (10)

Тогда площадь газораспределительной решетки аппарата (в м3)

F — V/u (11)

Коэффициент межфазного теплообмена для частиц материала, имеющих средний объемно-поверхностный размер d3 2, определяется из уравнения

Nu — 0.4 ^ j Pr033 (12)

где s - средний коэффициент порозности слоя, величина которого для интенсивного псевдоожиженного слоя составляет 0,55-0,7.

Re — ^ (13)

v

Pr=v/a - число Прандтля; a - коэффициент температуропроводности газа при

42=0.5(^2), °C

Коэффициент межфазного теплообмена [в Вт/(м2 К)]

NuA

а — Т^ (14)

3,2

где X - коэффициент теплопроводности газа при t12

Минимальная высота слоя материала в аппарате (в м)

^ — V» /F (15)

Реальную высоту слоя материала в аппарате Ит обычно выбирают больше,

чтобы обеспечить необходимую среднюю продолжительность пребывания материала в

аппарате т , которую оценивают по экспериментальным данным. Высоту слоя материала, обеспечивающую требуемую среднюю продолжительность процесса, можно оценить по соотношению (в м)

н'ё = ОТ ) (1б)

РгРш (1 -В)

Учитывая, что реальное время пребывания отдельных частиц в аппарате отличается отт,а также необходимость повышения гидродинамической стабильности слоя, высоту слоя материала в аппарате выбирают с некоторым запасом

Нш = (1.5...2) Н№ При этом должно обеспечиваться условие

Н» > Н®шп

Гидравлическое сопротивление слоя материала при стационарном режиме определяют по соотношению (в Па)

АР = р (1 -в)%Н№ (17)

При номинальной производительности аппарата и давлении воды перед форсункой 98 кПа насадка 4 неподвижна при массовой скорости воздуха до 2,7...2,9 кг/(м -с), а при увеличении этой скорости до 3.3,1 кг/(м -с) начинается движение шаров 4, процесс тепло- и массообмена значительно интенсифицируется, но возрастает и аэродинамическое сопротивление аппарата. Поэтому принимать массовые скорости воздуха выше 4,1.4,3 кг/(м -с) не следует, так как шары выходят из рабочей зоны, прижимаясь

к сепаратору 1, и резко увеличивается аэродинамическое сопротивление аппарата, ко-

22 торое составляет: 0,12 кПа при массовой скорости 2 кг/(м -с), 0,2 кПа - при 3 кг/(м -с) и

0,35 кПа - при 4 кг/(м -с). Размеры аппарата 0,65-0,65-1,9 м, площадь живого сечения в

рабочей зоне 0,42 м2.

Выводы.

Рассмотрена методика расчета параметров теплоутилизатора кипящего слоя систем вентиляции и кондиционирования воздуха для гребнечесального цеха ОАО «Троицкая камвольная фабрика», для кондиционера типа КТ-200 расчетной производительностью 182000 м/ч. Выявлено, что принимать массовые скорости воздуха выше 4,1.4,3 кг/(м2- с) не следует, так как полые пластмассовые шары инертной насадки выходят из рабочей зоны, прижимаясь к сепаратору, при этом увеличивается аэродинамическое

сопротивление аппарата, которое составляет: 0,12 кПа при массовой скорости 2

2 2 2 кг/(м2-с), 0,2 кПа

- при 3 кг/(м -с) и 0,35 кПа - при 4 кг/(м -с). Получены оптимальные

2

размеры аппарата: 0,65x0,65x1,9 м, площадь живого сечения в рабочей зоне 0,42 м .

Список литературы

1.Сажин Б.С. Научные основы создания систем жизнеобеспечения для текстильных производств/ Б.С.Сажин, О.С.Кочетов.- М.: МГТУ, 2004.-318 с.

2. Сажин Б.С. Основы техники сушки. М.: Химия,1984. -320 с.

3.Удалов, В.П. Расчет и проектирование теплоутилизаторов отходящих газов: Учеб. пособие к курсовому проектированию по дисциплине: "Использование ВЭР теп-лотехнол. установок" для студентов специальности 100800; техн. ун-т.- Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т , 1999. - 50 с.

4.Павлова, Г.А. Теплоутилизационные аппараты: Учеб. пособие /Г.А. Павлова, А.В. Вачаев.- Магнитогорск: МГТУ им. Г.И. Носова , 2000. - 68 с.