CC BY
68
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.
