Гидродинамика пузырькового псевдоожиженного слоя в тепломассообменных установках Тупоногов, Владимир Геннадьевич

Введение к работе

Актуальность темы. Псевдоожиженные слои дисперсных материалов обладают свойством текучести, упрощающей организацию работу установок непрерывного действия с постоянной загрузкой и выгрузкой материала. Большая

удельная поверхность частиц (около 30000 м /м для частиц с диаметром 0,1мм) и интенсивное перемешивание пузырями мелкодисперсного материала обеспечивают высокий уровень теплоотдачи от погруженной поверхности к слою и от газа к частицам при практически изотермических условиях в объеме слоя. Псевдоожиженный слой находит применение в новых химико- технологических процессах сжигания и газификации твердых топлив, получения водорода из твердых топлив и природного газа, в высокоточных процессах термообработки.

Недостаточные знания о происходящих в псевдоожиженном слое гидродинамических процессах и, как следствие, отсутствие теоретически обоснованных принципов и данных для расчета тепломассообмена, разработки технологических режимов и проектирования технических устройств затрудняют эффективное использование технологии псевдоожижения.

Расчеты тепломассообменных процессов в псевдоожиженном слое базируются на его гидродинамических моделях, поэтому для создания теоретических основ разработки и проектирования технологического оборудования требуются дальнейшие фундаментальные исследования гидродинамики в установках с псевдоожиженным слоем.

Работа выполнена в Уральском федеральном университете в соответствии с Координационным планом АН СССР по проблеме 1.9.1 «Теплофизика и теплоэнергетика», раздел 1.9.1.2.5(5) «Исследование гидродинамики и теплообмена в псевдоожиженном слое», комплексной научно-технической программой ГНТК и Минвуза РСФСР «Человек и окружающая среда», раздел «Исследование способов управления процессами тепло- и массообмена в дисперсных системах путем изменения гидродинамических режимов», (гос. рег. 01840005222). Часть исследований выполнялась в Кембриджском университете по заключению-рекомендации Национального комитета АН СССР по тепло- и массообмену (№11442-2115/4 от 29.01.86 г.), а также в Саррейском и Лондонском (Университетский колледж) университетах.

Цель работы: Экспериментальное и теоретическое выявление основных механизмов массопереноса и межфазного взаимодействия в пузырьковом псевдоожиженном слое и разработка на основе полученных данных методик расчета параметров технологических процессов и устройств, повышающих интенсивность тепломассообменных процессов в установках с псевдоожиженным слоем. Поставлены и решены следующие задачи:

1. Разработаны конструкции экспериментальных установок и методика исследований случайных гидродинамических процессов в псевдоожиженном слое с использованием многоканальных цифровых информационно- измерительных систем.

2. Экспериментально изучены и проанализированы закономерности распространения волн давления в однородном и неоднородном псевдоожиженных слоях.

3. Выполнены экспериментальные исследования динамических характеристик пузырькового слоя в крупном аппарате и получены расчетные зависимости для их определения. Установлена переходная скорость псевдоожижения от пузырькового режима к турбулентному.

4. Определены и исследованы виды волн давления в пузырьковом псевдоожиженном слое и соответствующие им типы волн порозности и поверхностных волн.

5. Выявлены корреляционные зависимости процессов образования и движения пузырей в слое, колебаний давления и расходов газа во всей псевдоожиженной системе.

6. Установлен тип глобальных колебаний псевдоожиженного слоя и предложено математическое описание колебательного процесса.

7. Выполнены исследования и проведен теоретический анализ механизмов образования и разрушения застойных зон на газораспределительной решетке и просыпания частиц под решетку с учетом масштабного перехода от лабораторных установок к промышленным. Разработана методика расчета равномерных и беспровальных режимов псевдоожижения в аппаратах с псевдоожиженным слоем..

8. Выполнены экспериментальные исследования параметров истечения в псевдоожиженный слой вертикальных газовых струй. Разработана и экспериментально проверена методика расчета интенсивности истирания частиц в струйной зоне слоя.

9. По результатам исследований разработан ряд опытно- промышленных и промышленных образцов печей, котлов, газификатор твердого топлива и средств технологического контроля качества псевдоожижения.

Достоверность и обоснованность результатов основывается на применении в экспериментах цифровых измерительных систем, томографической и лазерной техники с проведением тестовых опытов; использовании программных пакетов с численными методами обработки информации и решения задач моделирования, анализе исследований других авторов и подтверждается положительной цитируемостью в научных публикациях.

Научная новизна заключается в разработке положений волновой гидродинамики в объеме псевдоожиженного слоя и на его границах, позволяющих управлять тепломассообменными процессами в промышленных установках.

Работа содержит полученных впервые экспериментальные и теоретические научных результаты:

2. выполнены измерения скоростей волн давления при свободных колебаниях минимально ожиженного слоя и скорости распространения волн от локальных возмущений в слое;

3. экспериментально определены параметры собственных упругих колебаний псевдоожиженного слоя в зависимости от плотности газа и частиц, порозности и высоты слоя;

4. получены экспериментальные цифровые спектры с пиком основной частоты f₀ и зависимости максимальной амплитуды колебаний давлений и расходов газа через газораспределительную решетку в псевдоожиженной автоколебательной системе;

5. предложено определение переходной скорости псевдоожижения от пузырькового режима к турбулентному по максимуму амплитуды пульсаций давления в слое;

6. выявлены закономерности механизма гравитационных автоколебаний пузырькового псевдоожиженного слоя и получено выражение для основной частоты колебаний слоя f₀; показано дискретное изменение частоты при смене мод поперечных поверхностных волн;

7. установлено разделение слоя на прирешеточную и пузырьковую зону слоя, происходящее при суперпозиции глобального и локальных видов волн давления; выявлен разрывный тип автоколебаний слоя, определяющий синхронизацию динамических процессов в псевдоожиженной автоколебательной системе;

8. разработана физико-математическая модель и получено ее решение для разрывных автоколебаний псевдоожиженного слоя;

9. аналитически и экспериментально установлена причина образования застойных зон на газораспределительной решетке, связанная с локальным дополнительным сопротивления слоя; определены условия равномерного псевдоожижения в аппарате с многоэлементным газораспределителем;

10. на основе корреляционного анализа колебаний давлений на решетке и в подрешеточном объеме получены расчетные зависимости параметров газораспределителя, исключающие провал частиц под решетку;

11. разработана физическая модель истирания частиц в струйной зоне псевдоожиженного слоя и на ее основе разработана методика расчета интенсивности истирания, учитывающая массовый поток частиц в струе, прочностные свойства частиц и влияние диаметра отверстия в решетке.

Практическая значимость и реализация работы. Полученные результаты позволили сформировать физические представления о пузырьковом псевдоожиженном слоем как о релаксационной автоколебательной системе и разработать на их основе методики расчета режимных и технических параметров высокоинтенсивных тепломассообменнных процессов в установках с псевдоожиженным слоем.

Полученные данные и запатентованные решения использованы ОАО ВНИИ металлургической теплотехники, ЭПК УрФУ, УГМК-ХОЛДИНГ и другими организациями при создании высокоэффективных, экологически чистых технологий и установок для термической обработки железной руды и деталей машиностроения, котлов и газификаторов с псевдоожиженным слоем, средств технологического контроля качества псевдоожижения.

Отдельные положения и разделы работы включены в 5 монографий и справочное издание Handbook of Powder Technology, издательство «Elsevier», 2007г. Материалы исследований используются в учебных курсах университетов.

На защиту выносятся:

11. 1. Разработанные автором оригинальные методики исследования случайных динамических процессов псевдоожиженного слоя и их аппаратурное оформление.

    2. Результаты экспериментальных исследования распространения волн давления в псевдоожиженном слое и их теоретическое описание.

    3. Результаты экспериментальных исследований амплитудно-частотных характеристик режимов псевдоожижения.

    4. Результаты экспериментальных исследований пространственных корреляционных связей колебаний давления, расходов газа и движения пузырей в аппарате с псевдоожиженным слоем.

    5. Теоретическое обоснование глобального и локальных видов колебаний давления в слое и двухзонной структуры слоя.

    6. Физико-математическая модель разрывных автоколебаний пузырькового псевдоожиженного слоя.

    7. Зависимости для определения амплитуды и основной частоты колебаний в пузырьковом псевдоожиженном слое

    8. Результаты экспериментальных исследований и теоретический анализ равномерности псевдоожижения, обратных потоков газа и частиц через решетку.

    9. Разработанная автором методика расчета параметров газораспределительного устройства, обеспечивающего равномерное и беспровальное псевдоожижение.

    10. Разработанная автором модель и результаты исследований интенсивности истирания частиц мелкодисперсного материала в струйной зоне псевдоожиженного слоя.

    Личный вклад автора: постановка задач исследований, разработка методик экспериментов и конструкций экспериментальных установок; организация и проведение экспериментов; анализ и обобщение собственных и публикуемых экспериментальных данных; разработка теоретических моделей и вывод расчетных зависимостей; участие в разработке проектных решений промышленных и опытно-промышленных установок, участие в пуско- наладочных работах и испытаниях оборудования, разработанного на основе результатов исследований автора.

    Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на Всесоюзных, Всероссийских и Международных конференциях в УГТУ-УПИ, Екатеринбург, 1984,1986,1997,2003,2007; Всесоюзной конференции «Энергетика высокотемпературных теплотехнологических процессов», Москва, 1982; Всесоюзной конференции «Проблемы энергетики теплотехнологии», Москва, 1983; V конференции по псевдоожижению, Эльсинор, Дания, 1986; Симпозиуме по истиранию и износу в технологии порошков, Утрехт, Голландия, 1992; VII конференции по псевдоожижению, Сидней, Австралия, 1992; VIII конференция по псевдоожижению, Турс, Франция, 1995; IV Минский международный форум «Тепломассообмен ММФ-2000», Минск. 2000; III Европейской конференции по псевдоожижению, Тулуза, Франция, 2000; Общем годовом собрании Международного института тонких частиц «IFPRI-2000», Гаага, Голландия, 2000; VII симпозиум по агломерации, Алби, Франция, 2000; XIII, XIV, XV, XVI Школах-семинарах молодых ученых и специалистов под рук. акад. РАН А.И. Леонтьева, Москва 2001, Рыбинск 2003, Калуга 2005, Санкт-Петербург 2007; XXVI Сибирском теплофизическом семинаре, Новосибирск, 2002; III, IV,V Российских национальных конференциях по теплообмену, Москва, 2002, 2006, 2010; Второй Международной научно-практической конференции «Современные энергосберегающие тепловые технологии (сушка и тепловые процессы)» СЭТТ- 2005, Москва, 2005; Юбилейной научной общероссийской конференции «Современные проблемы науки и образования», Москва, 2005; Пятой Российской научно-технической конференции «Энергосбережение в городском хозяйстве, энергетике, промышленности», Ульяновск, 2006; VI Всероссийской конференции «Горение твердого топлива», Новосибирск, 2006; Первой конференции по фильтрационному горению, Черноголовка, 2007.

    Публикации. По теме диссертации опубликовано 76 работ (из них 50 относятся к изданиям, рекомендуемым ВАК для опубликования результатов докторских диссертаций), в том числе: 18 статей в журналах по списку ВАК, два авторских свидетельства и патент на изобретение.

    Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы, состоящего из 303 наименований, и приложений. Материал изложен на 366 страницах машинописного текста, содержит 115 рисунков и 16 таблиц.

    Похожие диссертации на Гидродинамика пузырькового псевдоожиженного слоя в тепломассообменных установках

    

    Трение, теплообмен и ламинаризация в турбулентном пограничном слое в пусковых режимах энергетических установокЯковлев Максим Владимирович

    

    Исследование характеристик горения в кипящем слое и снижение загрязнения атмосферы теплоэнергетическими установками : На примере ТЭЦ-3 г. БарнаулаЗагородских Игорь Александрович

    

    Моделирование гидродинамики и теплообмена в перемещающемся псевдоожиженном слое дисперсного материалаБараков Роман Александрович

    Теплообмен и гидродинамика при конденсации пара в зернистых слоях с различным контактным углом смачиванияБогомолов Александр Романович

    

    Гидродинамика и тепломассоперенос в слитке, затвердевающем под теплоизолирующим слоем Жук Виктор Иванович

    

    Повышение эффективности сушки урожая зерновых, кормовых культур и их грубоизмельченной массы в установках с неподвижным слоем сушимого материала за счет совершенствования сушильной камерыШиряев Алексей Сергеевич

    

    Концентрирование молочной сыворотки на мембранной установке с отводом поляризационного слояИванова Светлана Анатольевна

    Гидродинамика и тепломассообмен в сушильной установке с центробежным псевдоожиженным слоемНадеев, Александр Александрович

    Научные основы техники сушки пищевых продуктов в виброкипящем слое и промышленное внедрение сушильных установокРысин, Анатолий Петрович

    

    Формирование композиционных антинакипных слоев на теплопередающих элементах судовых энергетических установокМашталяр Дмитрий Валерьевич