CC BY
30
УДК 621.311.22; 660.9:662.6
НЕСТАЦИОНАРНЫЙ ТЕПЛООБМЕН В СИСТЕМАХ ХРАНЕНИЯ ВОДОУГОЛЬНОГО ТОПЛИВА
Р.М. ГИЛЬМАНОВ*, А.И. ФЕДОТОВ*, Э.В. ШАМСУТДИНОВ*
Казанский научный центр Российской академии наук Казанский государственный энергетический университет
Прогнозируемое в первой половине XXI века повышение доли твердого топлива в структуре топливно-энергетического баланса страны обусловлено его крупными запасами и достаточно высокими ценами нефти и газа. В тоже время экологические проблемы, возникающие при использовании угольного топлива, требуют разработки и внедрения новых экономически выгодных и экологически «чистых» угольных технологий, которые обеспечивают максимально высокую полноту использования добытого топлива. Особенно остры эти проблемы для угольных регионов России, испытывающих недостаток в экологически чистых природных энергоносителях. Поэтому использование угля для создания водоугольных топлив (ВУТ) является актуальным.
Несмотря на актуальность проблем исследования систем подготовки, транспортировки и хранения ВУТ для промышленной теплоэнергетики, исследований в этой области явно недостаточно. Не хватает данных и их обобщения с последующей рекомендацией к практическому использованию. Такая ситуация затрудняет определение наилучшего метода транспортировки и хранения ВУТ и проведение последующего расчета оборудования систем подготовки к сжиганию, транспортировки при ламинарном режиме течения композиционного органического топлива на основе водоугольных топлив. Это требует, в свою очередь, осуществить моделирование и исследование процессов теплообмена подготовки, гидротранспорта и хранения водоугольного топлива, свойства которого существенно отличаются от свойств мазута.
Для исследования процессов хранения и разогрева водоугольного толива разработан экспериментальный стенд, позволяющий моделировать рассматриваемые процессы при различных режимах работы оборудования (рис. 1).
Принцип работы экспериментального стенда включает в себя «холодный» контур (контур циркуляции ВУТ) и «горячий» контур (контур циркуляции воды). Водоугольное топливо из емкости 1 перистальтическим насосом 2 подается буферную емкость 3, которая позволяет погасить пульсации потока, создаваемые насосом. Далее ВУТ поступает в рабочий участок 7 (длина 1м, диаметр 20 мм) с дискретной шероховатостью, на входе которого установлены датчики температуры 6 с преобразователем давления. На выходе из рабочего участка также происходит замер давления и температуры ВУТ. После этого ВУС поступает в теплообменник 4, для последующего охлаждения, и далее - в емкость 1. «Холодный» контур обеспечивает постоянство температуры ВУТ на входе в рабочий участок 7 и позволяет охладить ВУТ после его прохождения. Регулирование расхода ВУТ производится изменением числа оборотов насоса 2 при помощи преобразователей частоты 12. Показания температуры с термопреобразователей и термопар поступают на измеритель-регулятор 13. «Горячий» контур состоит из бака 11, объемом 0,125 м3, циркуляционного насоса 9, с возможностью ступенчатой регулировки расхода, и расходомера-счетчика 8. Нагрев воды осуществляется электронагревателем 10, мощностью 30 кВт. Из теплообменника разогретое топливо подается в коллектор, установленный на днище емкости 1 , откуда
© Р.М. Гильманов, А.И. Федотов, Э.В. Шамсутдинов Проблемы энергетики, 2015, № 11-12
через насадки поступает в модельный резервуар. Для приготовления топлива используется угольная пыль, приготовленная в вибромельнице ВМ-200. Дисперсный состав пыли контролируется при помощи ситового анализа, который осуществляется на вибростоле рассевом угольной пыли на ситах с различным диаметром.
10 11
2 1 4
Рис. 1. Принципиальная схема экспериментального стенда
Для экспериментальных исследований интенсификации теплообмена выбраны следующие геометрические характеристики дискретно-шероховатого канала:
- винтовая накатка [1]: 1) как показал анализ литературы, наиболее интенсивная интенсификация достигается при следующих значения: S/D=0,72 и d/D=0,72, где S -шаг выступов; D - диаметр трубопровода; d - диаметр трубопровода в месте сужения; 2) в некоторых случаях выгодно применять накатку с низкими выступами: S/D=l,78 и d/D=0,85;
- поперечная накатка со следующими характеристиками: 1) значения S/D=0,66 и d/D=0,8 [l]; 2) значения S/D=0,8 и d/D=0,8 [2].
Для исследования процессов теплообмена в резервуарах хранения насадки выполнены при различных углах наклона, таких как 45°, 90°, 135° и 180° (угол отсчитывается от вертикальной оси против часовой стрелки).
Результаты исследований интенсификации теплообмена
На рис. 2 показана зависимость перепада давления от числа Re для различных видов дискретной шероховатости канала. Из рисунка видно, что гидравлическое сопротивление резко увеличивается для всех предложенных интенсификаторов по сравнению с гладкой трубой.
Исследования также показали (рис. 3), что для всех исследуемых интенсификаторов график имеет неравномерный характер. Так для поперечной накатки с геометрическими характеристиками d/D =0,8 и S/D = 0,6 при Re<10 отношение критериев Нуссельта больше 1, при этом необходимо отметить, что при малых значениях 1<Re<3 отношение критериев Нуссельта достигает 4-5,8, что свидетельствует об эффективности применения данного вида шероховатой поверхности при данном числе Рейнольса. В интервале значений 10<Re отношение критериев Нуссельта меньше 1 - это указывает на то, что применение данного вида дискретной шероховатости при таких числах Рейнольдса и расходах не эффективно. Для поперечной накатки с геометрическими характеристиками d/D =0,8 и S/D = 0,8 во всем исследуемом диапазоне чисел Re отношение критериев Нуссельта больше 1, график имеет максимум в виде значений критериев Нуссельта при Re = l0, что также
свидетельствует об эффективности применения данного вида шероховатой поверхности во всем исследуемом диапазоне чисел Рейнольдса.
Поперечная накатка: 1 ¿/0=0,8 и 5/0=0,6 5 ¿/0=0,8 и 5/0=0,8
Винтовая накатка: 2 ¿/0=0,85 и 5/0=1,78 4 ¿/0=0,72 и 5/0=0,72
5
Гладкая
Рис. 2. Зависимость перепада давления АР от числа Яе для различных видов дискретной
шероховатости
Для винтовой накатки с геометрическими характеристиками ¿/0=0,85 и 5/0=1,78 при Яе<3 отношение критериев Нуссельта больше 1. При остальных значениях Яе отношение критериев Нуссельта меньше 1 - это указывает на то, что применение данного вида дискретной шероховатости эффективно только в очень узком диапазоне чисел Яе. Для винтовой накатки с геометрическими характеристиками ¿/0=0,72 и 5/0=0,72 график имеет более плавный и равномерный характер, однако отношение критериев Нуссельта в исследуемом диапазоне меньше 1, что делает применение данного вида дискретной шероховатости не эффективным.
КиСр Д™/ КиСргл
4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1
0,5 0
Яе
10
15
0
5
Поперечная накатка: 1 -* ¿/0=0,8 и 5/0=0,6 3 ¿0=0,8 и 5/0=0,8
Винтовая накатка: 2 ¿/0=0,85 и 5/0=1,78 4 — ¿0=0,72 и 5/0=0,72
Рис. 3 . Отношения критерия Нуссельта дискретно-шероховатого канала к критерию Нуссельта гладкого канала в зависимости от чисел Рейнольдса
Результаты исследований процессов теплообмена в резервуарах хранения
В результате эксперимента получены зависимости изменения температуры водоугольного топлива в резервуаре от времени разогрева и хранения при различных расходах ВУТ и углах наклона насадки. Для иллюстрации полученных данных на рис. 4 показаны результаты исследований при различных углах наклона насадки и расходе Q=0,949 10-4 м3/с.
65 60 55 50 45 40 35 30 25
1 - а=45°, 2 - а=90°, 3 - а=135°, 4 - а=180° Рис. 4. Изменение средней температуры ВУТ при расходе Q=0,949 10"4 м3/с
Анализ результатов экспериментальных исследований показал, что при расходе Q=0,302 10-4 м3/с наибольший прогрев ВУТ наблюдается при угле наклона форсунки равном 90°, при этом средняя температура топлива в резервуаре равна 56,7 °С. Наименьший прогрев топлива в резервуаре наблюдался при угле наклона форсунки равном 180°, при этом средняя температура в резервуаре равна 51,5 °С.
При расходе Q=0,625 10-4 м3/с наибольший прогрев ВУТ происходит при угле наклона форсунки равном 45°, при этом средняя температура топлива в резервуаре равна 58,8 °С. Наименьший прогрев топлива в резервуаре наблюдался при угле наклона форсунки равном 180°, при этом средняя температура в резервуаре равна 55,5 °С.
При расходе Q=0,949 10-4 м3/с (рис. 4) 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 угле наклона форсунки равном 135°, при этом средняя температура в резервуаре равна 55,8 °С [3].
Для численного исследования процессов хранения разработана математическая модель теплообмена и гидродинамики в резервуарах хранения водоугольного топлива, позволяющая определять оптимальные конструктивные параметры подающих сопел при различных режимах работы оборудования. В ходе численного исследования предполагалось получить данные, позволяющие провести анализ процесса хранения ВУТ в динамических условиях за счет изменения режимных параметров и температурных условий хранения.
При создании математической модели приняты следующие допущения [4,5]:
1) теплофизические свойства ВУТ, такие как плотность р, теплоемкость ср и теплопроводность X меняются в ходе процесса незначительно;
2) кинематическая вязкость ВУТ v , м2/с, зависит от его температуры Т ; © Проблемы энергетики, 2015, № 11-12
3) объемной силой, влияющей на процесс теплопереноса при струйном течении ВУТ, является сила тяжести.
В качестве модельного резервуара рассмотрена емкость объемом 0,2 м3 со следующими характеристиками: внутренний диаметр - 0,594 м, высота - 0,845 м. Диаметр форсунки - 0,015 м, диаметр выходного патрубка - 0,015 м. Начальная температура ВУТ в резервуаре - 303 К, температура греющей струи - 333 К. В качестве рабочей среды используется водоугольное топливо с различной массовой долей (концентрацией) угля. Эксперимент проводился для трех расходов суспензии: Q=0,302•10~4; 0,625 10-4; 0,949 10-4 м3/с, при этом скорость потока на выходе из насадки была равна: ю=0,1703; 0,3537; 0,537 м/с.
На рис. 5 показана геометрическая область исследования. Расчетная сетка состоит из 278832 доменных элементов, 14046 граничных элементов и 912 краевых элементов.
0.2
■0,2
0
0.2
б
Рис. 5. Геометрическая область исследования (а), расчетная сетка (б)
При исследовании теплообмена и гидродинамики в резервуарах для хранения ВУТ использовалась основная система уравнений, которая базируется на фундаментальной системе дифференциальных уравнений сохранения энергии и механики сплошной среды - уравнения движения и неразрывности.
Исходя принятых допущений, система уравнений переноса энергии, движения и неразрывности, описывающая нестационарный теплообмен в резервуарах хранения, будет иметь следующий вид: © Проблемы энергетики, 2015, № 11-12
рСр ÔT + рСрп • V T = V • (kVT) + 0 + ^ + Wp , (1)
p — + p(u • V)u = V ■
ai
■ pl + /u(v u + (V u ) T ) - 2 V ■ u )l
+ F
(2)
+ V • (рм) = 0. (3)
81
Для замыкания данной системы уравнений в качестве естественных гидродинамических граничных условий приняты условия, приведенные ниже. 1. На входе в резервуар считается заданным профиль вектора скорости:
и = / (х, у, г, 1) . (4)
2. На стенках резервуара принимается граничное условие прилипания:
v ■ = о
(5)
3. На выходе из резервуара принимается
P = c on st = 0 . (6)
Температурное начальное граничное условие имеет вид:
T (х, y , z , t = 0 ) = T, У, z ). (7)
1. Тепловые граничные условия на входе в резервуар принимают вид:
T = Tвх (х, У, z, t ). (8)
В частности, температура жидкости на выходе из насадки может иметь постоянное значение:
^х (r, z , t ) = T1 = c О nst . (9)
2. На стенках резервуара принимается условие полной теплоизоляции:
ÔT п
ôtt=0 (10)
3. Тепловые граничные условия на выходе принимаются:
ÔT
-=о (И)
Высококонцентрированные водоугольные топлива с содержанием угольной пыли более 45% по массе являются неньютоновскими жидкостями, у которых динамическая вязкость уменьшается с увеличением скорости сдвига. Отечественными и зарубежными авторами предложены многочисленные модели для описания зависимости вязкости от доли твердых частиц в суспензии, обзор и подробный анализ которых проведен в монографиях [4, 5].
В данной работе использовалась полуэмпирическая зависимость, и вязкость водоугольного топлива задавалась по модели Carreau: © Проблемы энергетики, 2015, № 11-12
Я(г) = Я* + Яо - Я )[ + (¿7)2Р" •
(12)
Коэффициенты для уравнения (12) были получены из дополнительных экспериментальных исследований вязкости ВУТ на ротационном вискозиметре Ккевта ЯМ 100. Были исследованы водоугольные топлива с содержанием угольной пыли 60% по массе. Угольная пыль имела бифракционный состав: крупная фракция представляла собой остаток на сите 125 мкм, мелкая фракция состояла из частиц со средним диаметром 10 мкм, который определялся при помощи микроскопа. Содержание мелкой фракции изменялось от 0 до 10% по массе. Были получены значения динамической вязкости топлива в диапазоне скоростей сдвига от 8,43 до 72,5 с-1. После проведения статистической обработки определялись средние значения. Результаты исследований показаны на рис. 6.
й С
н т
й
3,5 3
2,5 2 1,5 1
0,5 0
2 4 6 8 10
доля частиц тонкодисперсной фракции угольной пыли, %
12
4
0
Рис. 6. Зависимости динамической вязкости водоугольного топлива бифракционного состава от доли мелкой фракции при различных скоростях сдвига у.
-«--24.7с"1; -ж--35.3с1; -•--50.6с1; —I— -72.5с1.
В качестве модельного резервуара рассмотрена емкость объемом 0,2 м3 со следующими характеристиками: внутренний диаметр - 0,594 м, высота - 0,845 м. Диаметр форсунки - 0,015 м, диаметр выходного патрубка - 0,015 м. Начальная температура ВУТ в резервуаре - 303 К, температура греющей струи - 333 К. В качестве рабочей среды используется водоугольное топливо с различной массовой долей (концентрацией) угля. Эксперимент проводился для трех расходов суспензии. 0=0,302 10-4; 0,625 10-4; 0,949 10-4 м3/с, при этом скорость потока на выходе из насадки была равна. ю=0,1703; 0,3537; 0,537 м/с.
В результате численных исследований получены зависимости изменения температуры водоугольного топлива в резервуаре от времени разогрева и хранения при различных расходах ВУТ и углах наклона насадки. Расчеты проводились на разных уровнях. на расстояниях 10, 20 и 30 см от дна резервуара. Математическая модель позволяет проанализировать изменение температуры по высоте резервуара и определить среднее значение. Для иллюстрации полученных данных на рис. 7 представлены результаты исследований при расходе 0=0,949-10-3 м3/с при угле наклона форсунки 45°.Анализ результатов экспериментальных исследований показал, что при © Проблемы энергетики, 2015, № 11-12
расходе 0=0,302 10" м/с наибольший прогрев ВУТ наблюдается при угле наклона форсунки равном 45°, при этом средняя температура топлива в резервуаре равна 57,7 °С. Наименьший прогрев топлива в резервуаре наблюдался при угле наклона форсунки равном 180°, при этом средняя температура в резервуаре равна 54,8 °С.
у 70
й Р.
I
о-
н
60 50 40 30 20 10
720 1440 2160 2880 3600 4320 5040 5760
6480 7200 Время, с
- на дне резервуара, —! —О--30 см от дна.
10 см от дна, —Ж—20 см от дна, Н— - средняя температура.
0
0
Рис. 7. Изменение температуры ВУТ (60%) в резервуаре при расходе 0=0,949 10"4 м3/с при а=45°
При расходе 0=0,625 10"4 м3/с наибольший прогрев ВУТ происходит при угле наклона форсунки равном 45°, при этом средняя температура топлива в резервуаре равна 58,7 °С. Наименьший прогрев топлива в резервуаре наблюдался при угле наклона форсунки равном 180°, при этом средняя температура в резервуаре равна 55,5 °С.
При расходе 0=0,949 10"3 м3/с наибольший прогрев ВУТ происходит при угле наклона форсунки равном 45°, при этом средняя температура суспензии в резервуаре равна 59,0 °С. Наименьший прогрев топлива в резервуаре наблюдался при угле наклона форсунки равном 135°, при этом средняя температура в резервуаре равна 55,8 °С.
Таким образом, как показали экспериментальные данные, при скорости течения топлива из подающей насадки равной 0,144 м/с целесообразно использовать угол наклона сопла насадки равным 90°. При этом, за счет малых скоростей и эффекта возникновения обратных течений после удара о стенку резервуара струи нагретого топлива, наблюдается наилучший прогрев по объему резервуара. При скорости течения топлива более 0,144 м/с целесообразно использовать угол наклона насадки равным 45°. При этом угле наклона, несмотря на увеличение скорости практически в три раза по сравнению с предыдущим случаем, наблюдается эффективный прогрев топлива практически по всему объему резервуара. Объясняется это тем, что в этом случае струя топлива 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.
Анализ полученных результатов показывает, что при определенном времени прогрева разброс температуры по высоте резервуара становится незначительным и дальнейшее перемешивание нецелесообразно. © Проблемы энергетики, 2015, № 11-12
Исследование выполнено при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (гранты №14-08-31405-мол_а, №14-08-00333_а), а также в рамках гос. задания ФАНО №0217-2014-0004 «Разработка физико-химических основ и технологического оформления процессов функционирования энерготехнологических комплексов по производству энергии и химических продуктов, интегрированных в региональные системы электро- и теплоснабжения»
Литература
1. Назмеев Ю.Г. Теплообмен при ламинарном течении жидкости в дискретно-шероховатых каналах. М.: Энергоатомиздат, 1998. 376 с.
2. Кадыйров А.И., Вачагина Е.К. Интенсификация подогрева водоугольных суспензий в проточных каналах с помощью периодически расположенных кольцевых вставок // Материалы X Международного симпозиума «Энергоресурсоэффективность и энергосбережение». Казань, 1-3 декабря 2009г. С. 282-289.
3. Гильманов Р.М., Шамсутдинов Э.В. Исследование процессов теплообмена в модельном резервуаре хранения при различных расходах композиционного органического топлива // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. 2013. №3-4. С.131-134.
4. Гильманов Р.М. Моделирование теплообмена и гидродинамики в резервуарах хранения водоугольных суспензий // Всероссийская конференция с элементами научной школы для молодежи «Научно-исследовательские проблемы в области энергетики и энергосбережения»: сб. тр. / Уфа: УГАТУ, 2010. С.199-201.
5. Гильманов Р.М., Шамсутдинов Э.В. Численное исследование нестационарного теплообмена при ламинарном течении осесимметричной затопленной струи водоугольной суспензии // XVII Международная конференция по Вычислительной механике и современным прикладным программным системам (ВМСППС'2011: сб. тр. / Алушта, Крым, 2011. С. 515-517.
Поступила в редакцию 30 декабря 2015 г.
Гильманов Руслан Марселевич - Казанский научный центр Российской академии наук (КазНЦ РАН). Тел: 8(843)231-90-05, 8(927)4257746. E-mail: russel777@yandex.ru.
Федотов Алексей Игоревич - Казанский научный центр Российской академии наук (КазНЦ РАН). Тел: 8(927)6751333. E-mail: fedotovran@mail.ru.
Шамсутдинов Эмиль Василович - канд. техн. наук, проректор по НР Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел: 8(843)519-43-43; 8(919)6943650. E-mail: EShamsutd.kazan@mail.ru.
