ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПАРОВОГО ТЕРМОЛИЗА ИСПОЛЬЗОВАННЫХ АВТОМОБИЛЬНЫХ ШИН Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

circuit is perspective from a point of sight of ecological safety, and enables technically rather simply to process any firm C-containing waste without their preliminary preparation.

УДК 536.246.2

ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПАРОВОГО ТЕРМОЛИЗА ИСПОЛЬЗОВАННЫХ АВТОМОБИЛЬНЫХ ШИН

Г.И. Журавский, A.C. Man- ?йчук

Одним из видов отходов, которые накапливаются в огромных количествах на территории многих государств, являются отработавшие свой ресурс автомобильные шины, ежегодный мировой приоост которых оценивается в 7 млн. т. (например, США - около 1 млн. 725 тыс. т/год, Россия - 1 млн. т/год. Германия - 450 тыс. т/год, Беларусь - 60 тыс. т/год) [1]. С другой стороны, автомобильные шины представляют собой ценное вторичное сырье, эффективное использование которого позволит не только решить экологические проблемы, но и обеспечит высокую рентабельность перерабатывающих производств. В развитых странах мира прилагаются значительные усилия к разработке экологически чистых технологий и оборудования для переработки шин основными из которых являются: складирование, сжигание с целью получением энергии, переработка в резиновую крошку и пооошки, применение в качестве строительных материалов для различных инженерных сооружений, пиролиз, термическая деструкция в растворителях и др. Но не смотря на разнообразие методов утилизации, в мире только 23% отработавших шин находят применение, а остальные 77% никак не используются ввиду отсутствия рентабельного способа утилизации, различного компонентного химического состава, механической прочности и биохимической стойкости.

В научном плане технология парового термолиза твердых органических отходов делает первые шаги. Найдены некоторые кинетические закономерности термической деструкции резины в среде перегретого водяного пара; установлено, что термолиз резины является типичным для твердых органических материалов диффузионным процессом скорость которого лимитируется (ограничивается) скоростью подвода теплоты и скоростью диффузии летучих продуктов деструкции [2]. На основании экспериментальных данных сформулирована физическая модель деструкции, позволяющая рассчитать такие параметры, как температура, время проведения процесса, выход продуктов и др.

Ниже представлен расчет возможности увеличения производительности термокамеры установки паротермической деструкции отходов от 600 до 1000 кг/ч по использованным автомобильным шинам. Дымовые газы вдоль камеры термолиза движутся в трубе кольцевого сечения при наружной теплоизоляции.

Произведем расчет теплоотдачи конвекцией при турбулентном течении дымовых газов. Определим число Нуссельта по формуле:

Nu = Nu

1-

0.45 24 + Pr

(1)

Рг-число Прандтля (для многоатомных газов Рг = 1); с/« - наружный диаметр внутренней трубы (с/< = 1640 мм): сУ2 - внутренний диаметр наружной трубы (сУ2 = 1820 мм); Ыи(г- число Нуссельта для круглой трубы:

>

Nulr = 0 021 Re 8 Pi (2)

Re - число Рейнольдса.

Re =

со d

о

(3)

со - соедняя скорость движения дымовых газов в межтрубном пространстве (¿у=10 м/с);

и - кинематическая вязкость дымовых газов (о = 174,3-10"6 м2/с); - характерный размер трубы кольцевого сечения

d, = d?-d. = 1820 - 1640 = 180 мм. По формуле (3) определим численное значение числа Рейнольдса:

Ке = ^0Л8 327 174,3 10 6

Определим поправочный коэффициент п для формулы (1)

/ 1820

/7 = 1 + 7-

4V d

Re

б

= 1 + 7

1640

-4

10327

= 1.

(4)

(5)

Подставив полученные численные значения в формулы (2) и (1) получим:

Nulr =0021 -(10327)° Г4 =34,1,

1640 "l

Nu = 34.1

1

0.45 2,4 + '

1820 J

= 32.9.

Определим коэффициент теплопередачи конвекцией:

а* =

(6)

А, - коэффициент теплопроводности дымовых газов {лд = 10,9 10 Вт/(м-К)). Таким образом, по формуле (6) коэффициент теплопередачи будет равен:

32,9 • 10.9 -10 2

=

0.18

= 10.9 Вт/м

Произведем расчет теплоотдачи излучением. Определим удельный тепловой поток излучением по формуле

JV s ' тс У CI

[00 V У mj

(7)

7 - средняя температура дымовых газов, Т = 1000°С.

Т'., - средняя температуоа стенки камеры термолиза (при нагреве Г', = 450°С при термолизе Тсс2 = 600°С);

С0 - излучательная способность абсолютно черного тела (С0 = 5 67 Вт/(м* К")) ¿-степень черноты дымовых газов (е = 0,18^

Полный тепловой поток определяем по фоомуле.

»

100

Вест нин У О ВГТУ

0 = 9

(8)

Я, - площадь поверхности нагрева камеры термолиза, определяемая по формуле:

Flt= гг-сУгЛ (9)

/-длина камеры термолиза (/ = 3,3 м).

Подставив численные значения в (8) и (9), получим. - при нагреве: удельный тепловой поток излучением д(:

Щ =5.67-0.1!

Г1273 Г7231 4 "

1100 ] ,100,

= 24013.3 Вт

Полный тепловой поток излучением О^

О, = 24013,3-3,14-1,64 3,3 = 408 075 Вт. Коэффициент теплоотдачи излучением а,:

Я 24013.3

а\ =

= 43 6 Вт/(м К).

7* ~Т'Л 1000-450 при термолизе: удельный тепловой поток излучением д2

д2 =5,67 0,18

1273 873У 100 (00

= 20874 Вт.

Полный тепловой поток излучением <Э2

02 = 20874-3,14 1.64 3,3 = 354 726,5 Вт. Коэффициент теплоотдачи излучением а2 по аналогии с (10):

20874

а2 =

1000-600

= 52,1 Вт/(м К).

Суммарный коэффициент теплоотдачи - при нагреве:

а; = ад + а, = 19,9 + 43,6 = 63,5 Вт/(м2-К),

- при термолизе

а: =ак + сги2 = 19,9 + 52,1 = 72 Вт/(м К).

(Ю)

(11)

(12)

Учитывая, что коэффициент теплообмена от водяного пара выше, чем от газа (воздуха) при прочих равных условиях, а также принимая во внимание турбулентность среды создаваемую струями перегретого водяного пара, можно

принять значение коэффициента теплоотдачи от внутренней стороны стенок камеры термолиза аь = 50 Вт/^

Определим коэффициент теплопередачи по формуле:

I } .« (13)

— + - • + —

а; /I аи 6 - толщина стенки (<5 = 0,006 м);

А - коэффициент теплопроводности стенки (А = 22 Вт/(л/ <))

Подставив численные значения в (13) получим значение коэффициента теплопередачи-

- при нагреве

- при термолизе

к' = о.шГ Т = 26 Вт/<м к)|

----¥ —- +

63,5 22 50

ЛГ, = --——-- = 27,3 Вт/(л/ '<)

1 0.06 1 — + +

72 22 50 Определяем температуру стенки по формуле

Подставив в (14) численные значения получим величину температуры стенки:

- при нагреве

" 43.6

- при термолизе:

'2 52,1

Определяем количество передаваемого тепла при нагреве

О, = К, Г (Т* - Т[,) = 26 17 (1000 - 450) = 243 100 Вт (15)

По аналогии с (15) определяем количество передаваемого тепла при термолизе.

02 = 27 3 17 (1000 - 600) = 185 640 кДж / 3600 с = 51 6 кВт.

Количество тепла, необходимое на нагрев резиновых отходов от 100 до 500°С определяем по формуле

0„ = вп-Ср (16)

Эр - масса перерабатываемых оезинотехнических отходов, кг;

Ср - удельная теплоемкость резинотехнических отходов (С0 =17 кДж/(кг-К))

Д7р- разность температур нагрева резинотехнических отходов. °С.

Подставив в (16) численные значения получим

QH = 1000 1,7-400 = 680 ООО кДж / 3600 с = 18Я 9 кВт

Количество тепла, необходимое на пиролиз резиновых отходов, с учетом того, что на деструкцию 1 кг резинотехнических отходов необходимо затратить 600 кДж теплоты.

Опир = Gp-qnMp = 1000 600 = 600 000 кДж / 3600 с = 166,7 кВт.

Чпир - поглощаемое тепло термолиза резинотехнических отходов, чДж.

Из расчета видно, что тепла, поступающего через стенки термокамеры данного размера, недостаточно для термообработки 1000 кг/час резиновых отходов Процесс нагреьа принципиально может быть решен за счет тепла пара и за счет предварительного нагрева резинотехнических отходов перед подачей в камеру термолиза Для ускорения процесса термолиза большое значение имеет возможность перегрева пара до 610°С. При охлаждении пара в камере термолиза от 610 до 500иС высвободится

Qnap = Gnap-CpnaD (Т2 - Ti) = 1000 2 (500 - 610) = 220 ООО кДж/3600 с = 61.1 кВт

Gnap - количество водяного пара, подаваемого в камеру термообработки, кг;

Српар - удельная теплоемкость водяного пара (Ср,,0 = 2 кДж/(кг-К))

Знак «минус» указывает на то, что пар при остывании отдает тепло. Таким образом, имеется потенциальная возможность повысить производительность термокамеры.

Список использованных источников

1. Дроздовский 8.Ф. Состояние и перспективы переработки и использования изношенных шин за рубежом // Каучук и резина. 1982. С. 23-30

2. Аристархов Д.В , Егоров Н.Н , Журавский Г.И , Полесский Э.П. Шаранда Н i Паровой термолиз органических отходов Минск Институт тепло- и мэссообмена им А. В. Лыкова НАНБ, 2001

3. Лыков А.В. Тепломассообмен: Справочник. М.:Энергия, 1971. - 560с.

4 Теоретические основы теплотехники Теплотехническии эксперимент Справочник // Общ. ред. Григорьев В.А Зорин В.М. - 2-е издание, книга 2. -М.. Энергоатомиздэт 1988. -558с.

5. Исаченко В.П., Осипова В.А.. Сукомел А С. Теплопередача Учебник для вузов // М Энергоатомиздэт, 1981. -416с.

SUMMARY

Is developed and the trial installation on realization термолиза C-containing waste in en* 'onment high-temperature water pair by proauctivity of 600 kg / h on processed raw material is created The experiments on thermal decomposition of the used automoone trunks carried out. The process of decomposition is investigated and such parameters are determined, as temperature, time of realization of process, the output of products etc. On the basis of the received data is submitted account of an opportunity of increase of productivity the thermal chamber of installation pair thermal decomposition waste from 600 up to 1000 kg / h on the used automobile trunks.