CC BY
17
Оценка параметров теплообмена в аппарате с псевдоожижаемой насадкой для эффективного использования теплового потенциала газов
систем аспирации стройиндустрии
1 2 С.А.Кошкарев , П.А. Рощин
1- Волгоградский государственный технический университет, Волгоград 2
- ООО «Газпром энерго» Надымский филиал, Волгоград
Аннотация: Статья посвящена вопросу совершенствования теплообменных аппаратов для использования вторичного теплового потенциала газовоздушных потоков аспирационных систем в стройиндустрии. Модернизация технологий и устройств, обеспечивающих более эффективное использование тепловых, энергетических ресурсов и является важной задачей, решение которой отвечает требованию инновационного преобразования промышленности и стройиндустрии. Использование тепла отходящих газов от оборудования термической обработки сырья и продукции позволяет экономить количество сжигаемого топлива в целом в теплоэнергетическом цикле предприятий. В статье представлены результаты исследования по оценке параметров теплообмена в аппарате предложенной конструкции с насадкой в виде псевдоожиженного слоя гранулированного материала. Получен и представлен общий вид регрессионного соотношения для расчета теплообмена в теплообменнике - утилизаторе с псевдоожижаемой насадкой в виде гранул-зерен ряда материалов.
Ключевые слова: гранула, теплообменник, псевдоожижение, слой, стройматериал, скорость, загрязнение, атмосфера, система, аспирация утилизация, тепло, сбережение.
Повышение эффективного использования тепловых и энергетических ресурсов, включая вторичные, весьма актуальна в настоящее время и способствуют инновационному развитию экономики страны. Модернизация промышленности, строительного комплекса, и дальнейшее совершенствование теплосберегающих технологий и устройств, в т.ч. теплообменных аппаратов, позволяющих эффективно использовать потенциал вторичных источников тепла и ресурсов, является задачей государственной важности [1]. Рост стоимости всех видов ресурсов (вторичных и природных), объемов производства и строительства, делает
экономически целесообразным разработку и внедрение эффективно использующих утилизируемый и вторичный тепловой потенциал [1].
Одним практически востребованных направлений с использованием возобновляемых и не возобновляемых теплоэнергетических ресурсов является их применение для систем горячего водоснабжения [2]. По результатам работы [2] модернизированная система теплоснабжения весьма эффективно использовала энергию централизованной теплосети с реализацией смешанной схемы систем воздушного отопления и горячего водоснабжения здания без дополнительной линии рециркуляции.
В целом ряде работ [3-7] рассматривались процессы теплообмена. В [3] рассматривается математическая модель процессов теплообмена в солнечном воздушном коллекторе, - теплообменных устройствах установки нагрева воды. Авторами [4] исследована возможность использования тепла солнечной водонагревательной установки для отопления теплиц. Данные исследования показывают, что использование низкопотенциальной тепловой энергии является одним из актуальных направлений развития энергосберегающих технологий в промышленности, в жилищно-коммунальном хозяйстве для целей отопления и горячего водоснабжения.
При этом одним из наиболее перспективных направлений может считаться интенсификация теплообмена в псевдоожиженных слоях. Результаты изучения теплообмена между ограждающими стенками котла с циркулирующим псевдоожиженным слоем в печи представлены в работе [5]. В исследованном аппарате предложенной конструкции с насадкой в виде гранулированного материала псевдоожиженного слоя, было установлено, что плотность, или порозность псевдоожиженного слоя в большей степени влияет на процесс теплопередачи. При этом менее существенно влияние оказывает размер частиц псевдоожиженного слоя [5].
В [6] изучался процесс в теплообменнике с псевдоожиженным слоем при вымораживании соли из раствора. Проведенная оценка параметров работы исследованного теплообменника показало целесообразность и рентабельность его использования в диапазоне исследуемых параметров при стабильных условиях работы в сравнении с обычным поверхностным теплообменным устройством. В [7] также отмечено, что частицы псевдоожиженного слоя способны удалять отложения со стенок и предотвратить загрязнение теплообменников. Кроме того отмечено, что в достаточной степени облегчается масштабирование данных устройств.
Проведенный обзор некоторой незначительной части источников технической литературы показал на актуальность дальнейших как фундаментальных, так и прикладных технических исследований в области процессов и аппаратов теплообмена в псевдоожижененных слоях. Моделирование теплообмена в псевдоожиженном слое гранулированных материалов остается также актуальной в настоящее время.
Расположение поверхностей теплообмена в псевдоожиженном слое твердого гранул, зерен материала в значительной степени позволяют осуществлять теплообменные процессы с высокими показателями также и в аппаратах использования остаточной энергии тепла [8-10]. Актуальность использования теплового ресурса отходящих газов от теплогенерирующего оборудования и поступающего в системы аспирации составляет по данным литературы [9-10] около 25% от суммарного количества объема теряемой вторичного теплового потенциала. Появление новых конструкций таких устройств [11] требует их дальнейшего изучения и развития модельных представлений, описывающих происходящие в них процессы.
Наиболее эффективным техническим мероприятием по сокращению снижению потерь теплоты, выбрасываемой газовоздушными потоками систем аспирации, представляется установка высокоэффективных
теплообменников. Остаточное тепло отходящих газов выбросов систем аспирации стройиндустрии возможно использовать, например, для нужд горячего водоснабжения при установке теплоутилизирующих теплообменных устройств. Анализ литературных данных показывает, что целесообразно проводить изучение процессов теплообмена и принимать конструктивные решения для эффективной и надежной работы такого рода теплоутилизирующих устройств.
Схема экспериментального стенда, на котором проводилось исследование теплообменного устройства, приведена на рис.1.
А 3
(
\ АЛ % а, !
Рис.1. - Схема экспериментальной установки с теплообменником с псевдоожижаемой насадкой в виде слоя гранул - зерен материала.
1 - змеевик; 2 - псевдоожижаемая насадка слоя гранул - зерен материала; 3 - газораспределительная решетка; 4 - нагревательный элемент; 5 - тягодутьевое устройство.
Уравнение теплового баланса для установки имеет вид
61+62=63=64+65+66 +67, (1)
где 61 " количество теплоты, образовавшейся в результате сжатия воздуха в вентиляторе, Вт;
Q2 - количество теплоты, получаемое от электронагревателя -калорифера, Вт;
Q3 - количество теплоты, подаваемое в теплообменное устройство, Вт; - количество теплота с уходящими газами, Вт;
Q5 - количество теплоты, теряемой через ограждающие конструкции,
Вт;
Q6 - полезно используемая теплота, воспринятая водой в змеевике, Вт;
0~1 - количество теплоты, теряемой с улетающими частицами, уносимыми из слоя агентом-газом, Вт.
Эффективность работы теплообменника с псевдоожиженным слоем (КПД) нас основе схемы рис.1 и уравнения баланса (1) составит
п=( Q6/ ОзО -100, % (2)
Значительная сложность теоретических исследований процесса теплообмена, невозможность решения систем уравнения конвективного теплопереноса в трехмерных газовых потоках в т.ч. и с твердой фазой (частицами), что характерно для аппаратов псевдоожиженного слоя. Это предполагает использование иных подходов, например, использования уравнений, описывающих процесс конвективного теплопереноса в теплоутилизирующих устройствах с псевдоожижаемой насадкой в виде слоя гранул, зерен строительных материалов.
Следует отметить, что коэффициент теплоотдачи от газа аг к твердой поверхности змеевика значительно меньше, чем коэффициент теплоотдачи от частиц псевдоожиженного слоя апс В первом приближении в практических целях для расчета теплоотдачи псевдоожиженного слоя к стенкам змеевика теплообменника возможно использование известных регрессионных соотношений критериального вида [12-15]. Данные
зависимости могут, например, являться функцией параметров газа -теплового агента на входе в теплообменник и имеют вид
ШПс = 4 + В(КСэгУ (рг ) (3)
Здесь Кипс - критерий Нуссельта :кипс = (апс^эм,50/\с), вычисленный по среднемедианному значению эквивалентного размера (диаметра) твердых частиц-гранул, ^экв50, определяемого по данным анализа фракционного
состава гранул материала (дисперсионного анализа), мкм;
^пс - коэффициент теплопроводности псевдоожиженного слоя: Ог - коэффициент молекулярного диффузионного перемешивания в газовой фазе, принимаемый по справочным данным, м2 /с;
- критерий Рейнольдса, Яеэг = (угЛэ™50 /к) для твердых частиц-гранул
среднемедианным эквивалентным размером гранулы-частицы и
относительной среднерасходовой скорости ее движения газового потока уг, (м /с);
Ргг - критерий Прандтля Ргг = (к / Ц) где кг - кинематическая вязкость газа, м2 /с.
Зависимость коэффициента теплоотдачи апс как функции относительной среднерасходовой скорости газа, определяемой на выходе из теплообменного устройства уср и отнесенной к 1 м/с, примерно соответствующей теоретическому значению среднерасходовой скорости газа начала псевдоожижения для исследованной группы материалов, или значению критерия Рейнольдса, Яеэг =(^ЭЮ5 /к) представлена на рис.2.
Изменение коэффициента теплоотдачи апс в зависимости от величины числа Прандтля для среднеинтегрального значения температуры газа в слое Тгср представлено на рис.3.
Рис. 2. - Зависимость коэффициента теплоотдачи а
как функции критерия Рис. 3. - Зависимость коэффициента
Рейнольдса, Яе = М /у) теплоотдачи аж в зависимости ог
' эг \ г экв 5 0 г /
величины числа Прандтля газа Рг в
для гравия и керамических
цилиндров
псевдоожиженном слое
Значения коэффициентов уг и Д. принимаются по справочным данным для среднеинтегрального значения температуры газа tcр, К, и коэффициента теплопроводности в псевдоожиженном слое определяемой расчетом с использованием экспериментальных данных.
При этом определение величины коэффициента эффективной теплопроводности в псевдоожиженном слое ^пс для исследованных материалов определялись по корреляционному соотношению вида [15]
т т
где ^пс - теплопроводность псевдоожижаемого слоя при вынужденном конвективном потоке газа; Хэк - истинная теплопроводность того же слоя в стационарном состоянии при отсутствии фильтрации газа, Х - истинная теплопроводность частиц материала (первом приближении принимается по справочным данным, или Хэк и Х определялись экспериментально).
Эквивалентное значение критерия Рейнольдса
Яеэ =(4Ф Яеэг/(6(1 - еж))
Ке эг = V ¿эп^/кг) (5)
V = ^ср/(1 - Впс )
где уср - среднерасходовая скорость газа в «живом» сечении теплообменника, м/с, впс - порозность псевдоожижаемого слоя для исследуемых материалов и конструкции теплообменника в аэродинамическом режиме, определяемая экспериментально.
Ф - коэффициент сферичности частиц объемом V = (ж/^50/б) и
эквивалентным среднемедианным миделевым сечением 5 со
среднемедианным эквивалентным размером гранулы-частицы ^ ,
определяемого по результатам фракционного дисперсного состава находится по соотношению
Ф = (**£. / (4^эк^5о)) (6)
Наиболее надежным способом определения величины критерия Рейнольдса является расчет по результатам экспериментальных
данных измерением скорости газа, например, на входе в устройство или выходе из слоя. В данном случае значение критерия относится к соответствующему месту устройства, где проводились измерения.
В результате статистической обработки данных результатов значительного числа серий экспериментов, выполненных на лабораторной установке (рис.1) предложенного теплообменника [11], получены уточненные регрессионные зависимости для ряда материалов. При этом значение коэффициентов допустимо принимать А=0, п=0,33 в регрессии (3). Значение параметрических коэффициентов В и т изменяется в интервале от 0,6 до 0,9 для исследованных материалов.
Величины теплопроводности ^пс, среднемедианного эквивалентным размера гранулы-частицы материала слоя d и параметра Вэ, порозности впс
для исследуемых материалов и конструкции теплообменника в исследованном диапазоне аэродинамических режимов определены экспериментально.
Выводы
Результатом выполненных и представленных в работе исследований являются уточненные регрессионные соотношения обобщенного типа для зависимости критерия Нуссельта Кипс с целью определения коэффициента теплоотдачи от частиц псевдоожиженного слоя апс предложенной конструкции теплообменника. При этом используются данные анализа фракционного состава гранул материала (дисперсионного анализа) с определением среднемедианного значения эквивалентного размера (диаметра) твердых частиц-гранул, ^экв о, а коэффициенты кинематической
вязкости газа уг и молекулярного диффузионного перемешивания в газовой фазе, Д- принимаются по справочным данным для определяемого экспериментально среднеинтегральное значения температуры газа в псевдоожиженном слое для ряда гранулированных материалов. Величины
теплопроводности Хс среднемедианного эквивалентным размера гранулы-частицы материала слоя d3Ni ^ и порозности впс определены экспериментально
в исследованных аэродинамических режимах. Полученные на основании расчетов значения коэффициентов теплоотдачи апс по системе соотношений (3)- (6) имеют хорошее совпадение с результатами измерений.
Литература
1. Федеральный закон от 23 ноября 2009 г. N 261-ФЗ "Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации" (с изменениями и дополнениями).
2. Петренко, В.Н., Мокрова, Н.В. Разработка системы горячего водоснабжения с использованием возобновляемых источников энергии// Инженерный вестник Дона, 2013, №2. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2013/1617.
3. Смирнов, Р.В., Бахвалов, Ю.А. Математическое моделирование теплообменных процессов в энергосберегающих гелиоустановках коллектора // Инженерный вестник Дона, 2013, №3. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2013/1782.
4. Романова, М.И., Шерстюков, В.В. Энергоэффективный метод использования излишек тепла солнечного коллектора // Инженерный вестник Дона, 2012, №4-2. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4p2y2012/1440.
5. Basu P., Nag P. K. Heat transfer to walls of a circulating fluidized-bed furnace //Chemical Engineering Science. 1996. V. 51. №. 1. Pp.1-26
6. Habib B., Farid M. Heat transfer and operating conditions for freeze concentration in a liquid-solid fluidized bed heat exchanger // Chemical Engineering and Processing: Process Intensification. 2006. V. 45. №. 8. Pp.698710.
7. Pronk P., Ferreira C. A. I., Witkamp G. J. Prevention of fouling and scaling in stationary and circulating liquid-solid fluidized bed heat exchangers: Particle impact measurements and analysis // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2009. V. 52. №. 15. Pp.3857-3868.
8. Рощин, П.А. и др. Обоснование использования спирального теплообменника кипящего слоя в тепловых и теплогенерирующих установках // Вестник ВолгГасу. 2011. Вып.25 (№44). С. 208-211.
9. Рощин, П.А. и др. Энергоэффективность тепловых установок со спиральным теплообменником кипящего типа // Вестник ВолгГАСУ. 2013. № 30 (49). С. 212-216.
10. Кошкарев, С.А., Рощин, П.А. Совершенствование эффективных устройств использования теплоэнергоресурсов // Экономика. Бизнес. Банки. 2016. № 1 (14). С. 123-132.
11. Патент № 109838. Россия / Рощин, П.А., и др. Спиральный теплообменник кипящего слоя. Заявка № 2011124254 от 15.06.2011. Опубликовано 27.10.2011, Бюл. № 30.
12. Кэйс, В.М. Конвективный тепло- и массообмен / В.М. Кейс. М.: Энергия, 1972. 448 с.
13. Hsu, N.T. Thermal and material transfer in turbulent gas streams: local transport from spheres / N.T. Hsu, B.H. Sage // A. I. Ch. E. Journal, 1957, V.3, N 3. Pp. 405-410.
14. Химвинга, Мвине. Повышение эффективности очистки пылегазовой смеси в аппарате распылительного типа.: автореф. дис. ... канд. техн. наук: 05.17.08. Воронеж. ТГТУ, 2016. 18 с.
15. Аэров М.Э., Тодес О.М., Наринский Д.А. Аппараты со стационарным зернистым слоем. Гидравлические и тепловые основы работы. Л.: Химия, 1979. 176 с.
References
1. Federal Law of November 23, 2009 N 261-FZ [Federalnyiy zakon ot 23 noyabrya 2009 g N 261-FZ]. " Ob energosberezhenii i o povyishenii energeticheskoy effektivnosti i o vnesenii izmeneniy v otdelnyie zakonodatelnyie aktyi Rossiyskoy Federatsii" (s izmeneniyami i dopolneniyami)". ["Rossiyskaya gazeta" ot 27 noyabrya 2009 g].
2. Petrenko, V.N., Mokrova, N.V. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2013, №2. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2013/1617.
3. Smirnov, R.V., Bahvalov, Ju.A.. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2013, №3. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2013/1782.
4. Romanova, M.I., Sherstjukov, V.V. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2012, №4-2. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4p2y2012/1440.5.
5. Basu P., Nag P. K. Chemical Engineering Science. 1996. V. 51. №. 1. Pp.1-26.
6. Habib B., Farid M. Chemical Engineering and Processing: Process Intensification. 2006. V. 45. №. 8. Pp.698-710.
7. Pronk P., Ferreira C. A. I., Witkamp G. J. International Journal of Heat and Mass Transfer. 2009. V. 52. №. 15. Pp.3857-3868.
8. Roshchin, P.A, et al. Vestnik VolgGASU. Izdatelstvo VolgGASU.
9. Roshchin, PA et al. Vestnik VolgGASU. Volgograd. 2011. Vyp.25 (№44). Pp 208-211.
10. Koshkarev, S.A., Roshhin, P.A. Jekonomika. Biznes. Banki. 2016. № 1 (14). Pp. 123-132.
11. Patent № 109838. Russia. Roschin P.A., et al. Spiralnyiy teploobmennik kipyaschego sloya. Application No. 2011124254 from 15.06.2011. Published On 27.10.2011, Bulletin № 30.
12. Kjejs, V.M. Konvektivnyj teplo- i massoobmen. V.M. Kejs. M.: Jenergija, 1972. 448 p.
13. Hsu, N.T. Thermal and material transfer in turbulent gas streams: local transport from spheres. A. I. Ch. E. Journal. 1957. V.3. N 3. Pp. 405-410.
14. Himvinga, Mvine. Povyshenie jeffektivnosti ochistki pylegazovoj smesi v apparate raspylitel'nogo tipa.: avtoref. dis. ... kand. tehn. nauk: 05.17.08. Voronezh. TGTU, 2016. 18 p.
15. Ajerov M.Je., Todes O.M., Narinskij D.A. Apparaty so stacionarnym zernistym sloem. Gidravlicheskie i teplovye osnovy raboty [Devices with a stationary granular bed. Hydraulic and thermal foundations work]. L.: Himija, 1979. 176 p.
