Научная статья на тему 'Оптимизация параметров теплотехнологических установок с центробежным псевдоожиженным слоем'

Оптимизация параметров теплотехнологических установок с центробежным псевдоожиженным слоем Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

CC BY
134
60
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ЦЕНТРОБЕЖНЫЙ ПСЕВДООЖИЖЕННЫЙ СЛОЙ / СКОРОСТЬ ОЖИЖАЮЩЕГО ГАЗА / УГОЛ ВХОДА ОЖИЖАЮЩЕГО ГАЗА / ДИАМЕТР ЧАСТИЦ / ВЫСОТА СЛОЯ / CENTRIFUGAL FLUIDIZED BED / VELOCITY OF GAS / INLET ANGLE OF GAS / DIAMETER OF PARTICLES / HEIGHT OF LAYER

Аннотация научной статьи по механике и машиностроению, автор научной работы — Агапов Ю. Н., Бараков А. В., Дубанин В. Ю., Кожухов Н. Н., Прутских Д. А.

Приводятся результаты оптимизации тепловых, конструктивных и эксплуатационных параметров теплотехнологических установок с центробежным псевдоожиженным слоем

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по механике и машиностроению , автор научной работы — Агапов Ю. Н., Бараков А. В., Дубанин В. Ю., Кожухов Н. Н., Прутских Д. А.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

OPTIMIZATION OF HEAT ENGINEERING APPARATUSES PARAMETERS WITH THE CENTRIFUGAL FLUIDIZED BED

The results of optimization temperature, design and operational factors of engineering apparatuses with the centrifugal fluidized bed is shown

Текст научной работы на тему «Оптимизация параметров теплотехнологических установок с центробежным псевдоожиженным слоем»

Энергетика

УДК 66.096.5

ОПТИМИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ ТЕПЛОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ УСТАНОВОК С ЦЕНТРОБЕЖНЫМ ПСЕВДООЖИЖЕННЫМ СЛОЕМ

Ю.Н. Агапов, А.В. Бараков, В.Ю. Дубанин, Н.Н. Кожухов, Д.А. Прутских

Приводятся результаты оптимизации тепловых, конструктивных и эксплуатационных параметров теплотехнологических установок с центробежным псевдоожиженным слоем

Ключевые слова: центробежный псевдоожиженный слой, скорость ожижающего газа, угол входа ожижающего газа, диаметр частиц, высота слоя

В рамках реализации Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы было разработано и исследовано несколько установок различного технологического назначения [1].

Оптимизация конструктивных и эксплуатационных параметров аппаратов с центробежным псевдоожиженным слоем дисперсного материала, как известно, позволяет существенно улучшить их техникоэкономические показатели. Предварительный анализ установок подобного типа выявил основные параметры, оптимизация которых обеспечивает максимальный энергетический и экономический эффект. К этим параметрам относятся скорость ожижающего газа, эквивалентный диаметр частиц дисперсного материала и угол входа струи ожижающего газа в слой материала. В качестве критерия оптимизация теплотехнологического оборудования обычно принимают удельные приведенные затраты или годовой экономический эффект от внедрения аппарата. Однако при использовании такой целевой функции необходимо рассматривать всю технологическую схему, в которой применяется данный аппарат. Кроме того, для расчета этих показателей используются тарифы на электрическую и тепловую энергию и цены на материалы и оборудование, которые в процессе эксплуатации установки могут существенно изменяться. В связи с этим, в качестве критерия оптимизации удобнее применить теплогидродинамический показатель, который представляет собой отношение количества теплоты, переданного дисперсному материалу в аппарате к расходу энергии на привод дутьевой машины [2]. Поскольку данное соотношение не учитывает качественного различия между тепловой и электрической энергией, то при расчете теплогидродинамического показателя необходимо учитывать КПД установок, в которых эти виды энергии производятся

Агапов Юрий Николаевич - ВГТУ, д-р техн. наук, e-mail: pt_vstu@mail.ru

Бараков Александр Валентинович - ВГТУ, д-р. техн. наук, профессор, e-mail: pt_vstu@mail.ru

Дубанин Владимир Юрьевич - ВГТУ, канд. техн. наук, e-mail: pt_vstu@mail.ru

Кожухов Николай Николаевич - ВГТУ, канд. техн. наук, e-mail: k0zhukhov@yandex.ru

Прутских Дмитрий Александрович- ВГТУ, канд. техн. наук, e-mail: pt_vstu@mail.ru

E=

Qr

Nr

(1)

где Q - количество теплоты, переданной в аппарате, Вт;

N - мощность, затраченная на «прокачку» теплоносителя, Вт;

Г1Э,Лк - КПД электростанции и котельной соответственно.

Количество переданной в аппарате теплоты определяется из уравнения Ньютона-Рихмана.

Q = «Р(гг -Гм), (2)

где а - коэффициент межфазной теплоотдачи, Вт/(м2 • К);

Е - площадь поверхности контакта фаз, м2;

Ґг, їм - температура ожижающего газа и дисперсного материала соответственно, °С.

Расчет интенсивности межфазного теплообмена в центробежном псевдоожиженном слое может быть определен из соотношения

Nu = 0,21

/ \ 0,81 Re

C°sb0

b

1,55 , mp -

(3)

где N4 = <ай- - критерий Нуссельта, йэ - экви-

1

валентный диаметр частиц дисперсного материала, м, 1 - коэффициент теплопроводности теплоносителя,

Вт/(м2 • °С);

Яе = —- - критерий Рейнольдса, w - скорость V

ожижающего газа, м/с, V - кинематический коэффициент вязкости теплоносителя, м2/с ;

Д0 - угол входа ожижающего газа в слой дисперсного материала, °;

Дтр - угол наклона газораспределительной решетки к оси аппарата, °.

Мощность, затрачиваемая на «прокачку» теплоносителя будет равна

N=V АР.

(4)

где

Па.

V - объемный расход теплоносителя, м3/с ;

АР - гидравлическое сопротивление аппарата,

Величина гидравлического сопротивления аппарата зависит, в основном, от гидравлических потерь теплоносителя в системе «псевдоожиженный слой -газораспределительная решетка» и может быть определен из соотношения [3]

Ей = 0,129 Яе

( V

' Р

Рг

До,01Дт

(5)

где Ей =

АР

2

Рг W

■ критерий Эйлера;

к - высота псевдоожиженного слоя, м;

рм, рг - плотность дисперсного материала и

ожижающего газа соответственно, кг/м3 .

Условие минимума теплогидродинамического показателя Е, соответствующего оптимальному значению і - го параметра установки, имеет следующий вид

=о, ^ < о.

ді ді

(6)

В виду сложности решения (1)-(6) аналитическим способом задача решалась методом вариантных расчетов. На рис. 1 приведена зависимость теплогидродинамического показателя Е от относительной скорости ожижающего агента при разных значениях диаметра частиц дисперсного материала и углов входа ожижающего газа в слой.

При выполнении расчетов величина минимальной скорости ожижающего газа определялась из соотношения [4]

3с-Рг

(7)

1,2 1,4 1,

Рис. 1. Зависимость показателя Е от относительной скорости ожижающего газа: частица дисперсного материала: - - йэ = 2,88 мм , рт = 2850 кг/м3 ;--------йэ = 5,00 мм ,

Рт = 2850 кг/м3; - • - - йэ = 1,13 мм , Рт = 7800 кг/м3 ; газораспределительная решетка: 1 - Д0 = 20 град,

2 - Д0 = 35 град , 3 - Д0 = 50 град , Дт = 0 град

Влияние диаметра частиц дисперсного материала на величину Е показано на рис. 2.

теля от диаметра частиц материала: 1 - wг = 5 м/с,

к = 0,8 м, ур = 10° , Д0 = 20° ; 2 - - - wг = 4 м/с , к = 1,0 м , ур = 10° , Д0 = 20° ; 3 - • - - wг = 3 м/с , к = 0,8 м, у = 10° , Д0 = 20°

где е - порозность слоя;

g - ускорение свободного падения, м/с2 ; сй - коэффициент лобового сопротивления частицы дисперсного материала.

Как следует из графиков, оптимальная рабочая скорость ожижающего газа в аппарате находится в пределах

wn =(1,3 + 1,8) w ,

и \ ’ ’ / мин -

(8)

Как следует из графика, с увеличением диаметра частиц величина Е уменьшается, что связано, на наш взгляд, с уменьшением поверхности теплообмена с одной стороны и ростом гидравлического сопротивления с другой стороны. Особенно сильно эта зависимость проявляется в диапазоне йэ < 0,5 мм , где показатель Е уменьшается, практически, пропорционально росту диаметра частиц, поэтому в этом диапазоне наибольший эффект дает применение более мелких частиц. И, наоборот, при использовании частиц диаметром более диапазона от 2 до 3 мм данная зависимость, практически, вырождается и диаметр частиц не влияет на величину показателя Е .

0,5

э

w =

тій

Как видно на рис. 3 существенное влияние на величину теплогидродинамического показателя оказывает угол входа газового потока в слой.

Оптимальное значение угла входа газового потока в слой материала лежит в интервале от 20 до 35°, причем большее значение данного интервала следует выбирать для мелких частиц.

20 25 30 35 40 45 50 (30,°

Рис. 3. Зависимость показателя Е от угла /30: частицы: 1 - йЭ = 2,88 мм , рт = 2850 кг/м3 ; 2 - йЭ = 5,00 мм , рт = 2850 кг/м3 ; 3 - йЭ = 1,13 мм, рт = 7800 кг/м3 ; w0 = 12 м/с

Полученные рекомендации будут использованы при разработке методик инженерного расчета таких установок на следующих этапах выполнения НИР.

Работа выполнена в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы, государственный контракт

№ 02.740.11.0758 от 12.04.2010 г.

Литература

1. Агапов Ю.Н. Энергосберегающие теплотехнологические установки с центробежным псевдоожиженным слоем / Ю.Н. Агапов, А.В. Бараков, В.Ю, Дубанин, Н.Н. Кожухов, Д. А. Прутских // Вестник ВГТУ. 2011 г. т. 7. № 3 с. 9-12.

2. Вальцева Е.П. Оценка теплогидравлической эффективности рекуперативных теплообменных аппаратов / Е.П. Вальцева, Т.А. Доморацкая // Теплоэнергетика. 2002. № 3. с. 43-48.

3. Агапов Ю.Н. Оценка гидравлического сопротивления и межфазного теплообмена в центробежном псев-доожиженном слое / Ю.Н. Агапов, А.В. Бараков, А.В. Жучков, А.В. Санников // Химическая промышленность. 1986. № 4. с. 61.

4. Агапов Ю. Н. К определению скорости движения центробежного псевдоожиженного слоя / Ю.Н. Агапов // Вестник ВГТУ 2005 г. т. 1. № 6 с. 4-7.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Воронежский государственный технический университет

OPTIMIZATION OF HEAT ENGINEERING APPARATUSES PARAMETERS WITH THE

CENTRIFUGAL FLUIDIZED BED

Y.N. Agapov, A.V. Barakov, V.Y. Dubanin, N.N. Kozhukov, D.A. Prutskikh

The results of optimization temperature, design and operational factors of engineering apparatuses with the centrifugal fluidized bed is shown

Key words: centrifugal fluidized bed, velocity of gas, inlet angle of gas, diameter of particles, height of layer

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.