Использование труб Фильда в аппаратах системы комплексной утилизации тепловых отходов высокотемпературных установок

Актуальность. Значительные масштабы энергоиспользования при низком уровне эффективности потребления энергоресурсов является характерной чертой для высокотемпературных технологий [1−3]. Так, анализ использования топливных ресурсов при производстве стекла показывает, что лишь 70% затраченной энергии в современных стекловаренных установках используется в процессе плавления и переработки стекла. Из этих 70%, только 40% энергии, полученной при сжигании топлива, поступает на плавление технологического материала, в то время как 60% теряется через наружные ограждения установки и с нагретыми дымовыми газами.

Обзор существующих схем утилизации тепловых отходов, повышающих энергетическую эффективность стекловаренных, электродуговых и нагревательных печей, показал, что основным способом, повышающим энергетическую эффективность высокотемпературных установок (ВТУ) является использование теплоты уходящих газов для подогрева воздуха горения [4,5]. Не мзнее эффективным энергосберегающим мероприятием, обеспечивающим глубокую регенерацию теплоты газовых отходов, является их утилизация посредством термохимической регенерации [7, 8], а также предварительный подогрев шихты или исходного материала теплоносителем, поступающим из студочной зоны стекловаренной установки [9], или газами, выходящими из ванны электродуговой печи [10, 11].

Для повышения компактности и эффективности аппаратов, применяемых в энергосберегающих схемах ВТУ, вместо гладких прямых труб могут быть использованы трубы Фильда [12]. Обоснование такой замены часто проводится по результатам математического моделирования на одномерных моделях с сосредоточенными или распределенными параметрами. Погрешность такого моделирования может быть довольно значительной, поэтому для более точного расчета требуется разработка двухи трехмерных моделей с распределенными параметрами [13, 14].

Таким образом, разработка более точных моделей тепловых процессов, протекающих в трубах Фильда, определение области эффективного их использования в аппаратах системы комплексной утилизации тепловых отходов ВТУ является актуальной задачей.

Цель работы. Выявить условия и определить область энергоэффективного применения труб Фильда в составе аппаратов и систем комплексной утилизации тепловых отходов высокотемпературных установок.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Выбрать инструмент моделирования и провести его тарировку на примере решения сопряженной задачи теплообмена для расчета устройства типа «труба в трубе». Разработать двумерные модели аппаратов типа «труба в трубе» и труба Фильда, а также дать оценку их теплообменным характеристикам.

2. Разработать экспериментальный стенд и исследовать теплогидродинами-ческие параметры процесса в устройстве, оснащенном трубой Фильда, при умеренных температурах теплоносителей.

3. Сопоставить экспериментальные данные с результатами численных исследований, полученных в вычислительном комплексе РНОЕ№С8, и определить модель турбулентности наилучшим образом описывающей исследуемый процесс в устройстве, оснащенном трубой Фильда.

4. Разработать численно-аналитический метод (ЧАМ) расчета теплообмена в цилиндрическом канале, содержащем трубу Фильда, и выполнить проверку, получаемых результатов, на соответствие экспериментальным данным.

5. Разработать трехмерную модель процесса, протекающего в камере вторичного дожигания, оснащенной реакционными элементами в виде труб Фильда для утилизации теплоты продуктов сгорания и получения синтез-газа путем термохимической регенерации.

6. Исследовать целесообразность использования в энергосберегающей схеме стекловаренной установки комплексную утилизацию теплоты отходящих газов и расплава стекломассы для подогрева окислителя, шихты и получения вторичного топлива (синтез-газа) посредством термохимической регенерации.

Объектом исследования являются аппараты систем утилизации теплоты высокотемпературных установок, в конструкции которых используются трубы у.

Фильда.

Предметом исследования являются процессы, протекающие в аппаратах энергосберегающей системы высокотемпературной установки, оснащенных трубами Фильда, а также условия повышения их энергоэффективности.

Научная новизна:

• Впервые, с учетом зависимости теплофизических свойств теплоносителей от температуры, разработан численно-аналитический метод, позволяющий определить распределение температуры и плотности тепловых потоков в трехка-нальном теплообменнике, представляющий собой трубу Фильда в цилиндрическом канале.

• Разработана математическая модель, позволяющая проводить численные исследования теплогидродинамического процесса в трехканальном теплообменнике с учетом разных к-в моделей турбулентности. Установлено, что наиболее точное описание исследуемого процесса получено при использовании к-е модели турбулентности Мураками, Мочида и Кондо (КЕММК).

• Разработан экспериментальный стенд и проведено исследование тепло-гидродинамического процесса в трехканальном теплообменнике. Установлено, что результаты расчета, полученные ЧАМ и в ходе численного моделирования в пакете РНОЕМСЭ, удовлетворительно согласуются друг с другом. Отклонение расчетных значений температуры стен кольцевых каналов от данных эксперимента не превышают 3.1 и 1.7%, соответственно для первого и второго вариантов расчета. Поэтому разработанный ЧАМ расчёта и ЗБ модель теплогидродинамического процесса в рассматриваемом теплообменнике могут быть использованы для анализа его функциональных характеристик.

• Впервые разработана трехмерная модель процесса, протекающего в камере дожигания, оснащенная реакционными элементами в виде труб Фильда для утилизации теплоты продуктов сгорания и получения синтез-газа путем термохимической регенерации. Использование труб Фильда с центральной каталитической трубкой вместо прямых гладких катализированных труб увеличивает количество конвертированного газа в 1.7 раза и снижает температуру продуктов сгорания на выходе из камеры вторичного дожигания на 15.8%.

• Установлены границы области энергоэффективного использования труб Фильда в студочной зоне стекловаренных установок производительностью в 16, 160 и 300 т/сут.

• На примере стекловаренной установки, производительностью 16 т/сут, показана целесообразность применения комплексной утилизации её тепловых отходов. Предлагаемая энергосберегающая система предполагает использование теплоты отходящих газов и расплава для подогрева окислителя и шихтовых материалов, а также получения синтез-газа посредством термохимической регенерации, что позволяет снизить расход топлива на 33% по сравнению с термической регенерацией отходящих газов для подогрева воздуха горения.

Достоверность полученных в диссертационной работе результатов и выводов базируются на корректном использовании современных прикладных программ для численных исследований (MathCAD, PHOENICS и Fluent), методов проведения натурных исследований и их обработки, а так же на хорошем согласовании с результатами экспериментов и численных исследований других авторов.

Практическая ценность. Полученные в работе результаты позволяют:

• Использовать разработанные модели и ЧАМ расчета теплои массообме-на при проектировании теплообменных и реакционных аппаратов на основе труб Фильда для энергосберегающих систем ВТУ.

• Определить режимные параметры студочной зоны стекловаренной установки в соответствии с областью, в которой энергетическая эффективность труб Фильда не является избыточной.

• Снизить расход топлива для получения единицы технологического продукта и, следовательно, уменьшить капиталоемкость теплотехнического оборудования и снизить вредное воздействие технологических процессов на окружающую среду.

Основные положения, выносимые на защиту:

• Результаты моделирования и сопоставительного анализа тепловой эффективности трубы Фильда и теплообменника типа «труба в трубе».

• Численно-аналитический метод расчета теплообмена для трехканальнсго теплообменника в виде цилиндрического канала, содержащего трубу Фильда. Данный метод позволяет, не прибегая к использованию «тяжелых» СББ пакетов, определить изменение температуры стен каналов и теплоносителей вдоль данного устройства с учетом зависимости их теплофизических свойств от температуры.

• Результаты натурных и численных экспериментов по моделированию теплообмена в цилиндрическом канале с трубой Фильда.

• Результаты численного моделирования теплои массообмена в камере дожигания, оснащенной трубами Фильда с каталитической центральной трз’б-кой для получения синтез-газа и утилизации теплоты продуктов сгорания.

• Результаты расчетов энергетической эффективности использования в энергосберегающей системе стекловаренной установки комплексную утилизацию теплоты отходящих газов и расплава стекломассы для подогрева окислителя, шихты и получения вторичного топлива (синтез-газа) посредством термохимической регенерации.

Апробация работы. Основные положения работы, результаты теоретических и расчетных исследований докладывались и обсуждались на ХУ1-ХУШ международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов. Радиоэлектроника, электротехника и энергетика (Москва, 2010;2012 гг.);

Публикации. Материалы, отражающие содержание диссертационной работы и полученные в ходе ее выполнения, представлены в 9 публикациях, две из которых опубликованы в журналах рекомендуемой ВАК РФ:

1. Глазов B.C., Сергиевский Э. Д., Чьей B.B. Экспериментальная и численная проверка моделей турбулентности при моделировании процесса в трубе Фильда // Научно-технический журнал «Надежность и безопасность энергетики». -2011. № 4(11). С. 47−50.

2. By Ван Чьен, Глазов B.C., Сасин В. Я., Сергиевский Э. Д. Комплексное исследование процессов теплои массопереноса в элементах трубки Фильда// Тепловые процессы в технике. — 2011. № 5. С. 204−210.

3. Хоанг X. X., Белова H.A., Чьен В .В., Сергиевский Э. Д., Глазов B.C. Модель лучистого охлаждения стекломассы в студочной камере с трубками Фильда. // 16-ая Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов. Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Тез. докл. — М., 2010. т. 2. С. 429−430.

4. Чьен В. В., Глазов B.C., Сергиевский Э. Д. Расчет термонапряжений в трубе в условиях вынужденной конвекции// 17-ая Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов. Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Тез. докл. — М.: МЭИ, 2011. Т. 2. С. 510−512.

5. Чьен В. В., Глазов B.C., Сергиевский Э. Д. Тепловая эффективность трубы Фильда с проницаемой внутренней стенкой кольцевого канала// 17-ая Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов. Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Тез. докл. — М.: МЭИ, 2011. Т. 2. С. 512−514.

6. Чьен В. В., Глазов B.C., Сергиевский Э. Д. Экспериментальные и численные исследования теплообмена в трубе Фильда // 18-ая Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов. Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Тез. докл. -М.: МЭИ, 2012. Т. 3. С. 201−202.

7. Hoang Khac Hoang, Vu Van Chien, Sergievsky E.D., Glazov V.S. Nghien cuu va mo phong bai toan trao doi nhiet trong khe hep bang phirong phap so. Tap chi Khoa hoc& Cong nghe Nhiet (ISSN 0868 — 3336. Thermal science technology review) 2010; № 91* 1/2010^(23−25).

8. Vu Van Chien, Sergievsky E.D., Glazov V.S. Sur dung ong FILDA trong cac thiet bi thu hoi nhiet thai. Tap chi Nang lirgng Nhiet (Thermal energy review) 2011;№ 100*7/201l*(07−09).

9. Vu Van Chien, Sergievsky E.D., Glazov V.S. Ve dac tinh cua thiet bi thu hoi nhiet thai kieu ong long ong. Tap chi Nang lugng Nhiet (Thermal energy review) 2012; № 103* 1/2012*(08−10).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения и двух приложений. Основной текст диссертации изложен на 1о9 страницах машинописного текста, который содержит 56 рисунков, 50 таблиц и список литературы, включающий 66 наименований. Общий объем работы составляет 189 страниц.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.

1. По результатам решения сопряженной задачи теплообмена произведена оценка теплообменных характеристик трубы Фильда по сравнению с теплообменником типа «труба в трубе». Установлено, что тепловая эффективность первого аппарата выше, чем у второго при расходах теплоносителей и длинах аппаратов в диапазонах 0.002ч-0.009 кг/с и 1.0 4−2.5 м, соответственно.

2. Разработан экспериментальный стенд и методика исследования тепло-гидродинамического процесса в трехканальном теплообменнике, состоящего из цилиндрического канала и трубы Фильда, при различных расходах и температурах теплоносителей.

3. Впервые с учетом зависимости теплофизических свойств теплоносителей от температуры разработан численно-аналитический метод, позволяющий определить распределение температуры и линейной плотности тепловых потоков в трехканальном теплообменнике, представляющий собой трубу Фильда в цилиндрическом канале.

4. В программном комплексе РНОЕМ1С8 разработана математическая модель, позволяющая проводить численные исследования теплогидродинамиче-ского процесса в трехканальном теплообменнике с учетом разных к-в моделей турбулентности. Сравнение расчётных и экспериментальных результатов показало:

• Наиболее точное описание исследуемого процесса получено при использовании к-Б модели турбулентности Мураками, Мочида и Кондо (КЕММК). Поэтому при выполнении теплотехнических расчётов и определении режимов работы трехканального теплообменника, в виде трубы Фильда и цилиндрического кожуха, рекомендуется использовать КЕММК модель турбулентности.

• Результаты расчетов трехканального теплообменника, выполненных численно-аналитическим методом и по трехмерной модели, реализованной в пакете РНОЕМСБ, удовлетворительно согласуются друг с другом. Отклонение расчетных значений температуры стен кольцевых каналов от данных эксперимента не превышают 3.1 и 1.7%, соответственно для первого и второго вариантов расчета. Поэтому разработанный метод расчёта и трехмерная модель тепло-гидродинамического процесса в рассматриваемом теплообменнике могут быть использованы для анализа его функциональных характеристик при различных режимных и конструктивных параметрах.

5. Впервые разработана трехмерная модель процесса, протекающего в камере дожигания, оснащенная реакционными элементами в виде труб Фильда для утилизации теплоты продуктов сгорания и получения синтез-газа путем термохимической регенерации. Использование труб Фильда с центральной каталитической трубкой вместо прямых гладких катализированных труб увеличивает количество конвертированного газа в 1.7 раза и снижает температуру продуктов сгорания на выходе камеры дожигания на 15.8%.

6. В соответствии с технологическими требованиями в диаграмму Хоанга Х. Х. введена верхняя граница значения температуры воздуха поступающего на подогрев шихты из студочной зоны стекловаренной установки. Это позволило уточнить диапазоны допустимого расхода теплоносителей в указанной зоне и, следовательно, границы области энергетической эффективности использования труб Фильда.

7. Показана целесообразность применения труб Фильда в аппаратах системы комплексной утилизации тепловых отходов стекловаренной установки, которая включает использование теплоты отходящих газов и расплава для подогрева окислителя и шихтовых материалов, а также получения вторичного топлива (синтез-газа) посредством термохимической регенерации. Это позволяет снизить расход топлива на -33% по сравнению с термической рекуперацией отходящих газов для подогрева воздуха горения.