Введение к работе
Актуальность темы. Основными направлениями в повышении эффективности и рациональной организации энергоиспользования промышленными предприятиями являются рационализация и оптимизация их энергетических балансов, что связано с определением такого варианта энергоснабжения и энергопотребления всех потребителей, при котором выпуск продукции осуществляется с минимальными энергетическими затратами.
Важнейшей задачей в химической и текстильной отраслях промышленности является реализация малоотходных технологий путём рационализации технологических процессов, снижения сырьевых потерь и реализации возможных резервов экономии тепловой энергии. Одними из наиболее энергоёмких процессов на химических и текстильных предприятиях являются процессы распылительной сушки, сопровождающиеся значительными тепловыми потерями.
В качестве сушильного агента зачастую используются разбавленные воздухом дымовые газы (с температурой 600 С) специально сконструированной для этих целей топки, использующей в качестве топлива природный газ. При этом обеспечение технологических процессов теплотой осуществляется от сторонних низкотемпературных тепловых источников (насыщенный пар ТЭЦ) с температурой 140 С. В частности, на ОАО «РЕАТЭКС» в агрегате распылительной сушки нагрев фосфатных растворов, подлежащих обработке, осуществляется за счет теплоты насыщенного пара от стороннего источника теплоты. Такое теплоснабжение приводит к неоправданным тепловым и материальным потерям. Целесообразным является использование для этих целей теплоты топочных газов, т.е. использование одного источника теплоты.
Для реализации требуемых энергосберегающих мероприятий, как показал анализ с учетом конструктивных особенностей производства на примере ОАО «РЕАТЭКС», требуется теплообменный аппарат небольших габаритных размеров с высокой теплопередающей способностью, в качестве которого было принято решение использовать закрытый двухфазный термосифон непосредственно в самом агрегате распылительной сушки. Данное решение
потребовало проведения дополнительных исследований с целью обеспечения требуемых характеристик такого аппарата.
Необходимость и важность проведения указанных исследований и определяют актуальность данной работы.
Цель работы заключалась в разработке на основе теоретических и экспериментальных исследований конструкции закрытого двухфазного термосифона и инженерных методов его расчёта для утилизации теплоты высокотемпературных дымовых газов топки и повышения эффективности процессов переноса теплоты и снижения энергетических затрат на проведение тепломассообменных процессов.
Методы исследования
При выполнении диссертационной работы были использованы фундаментальные закономерности протекания тепломассобменных процессов. Теоретическое описание этих процессов базируется на совместном рассмотрении уравнений сохранения массы, энергии и импульса. Численное решение системы уравнений выполнялось с использованием современных программных комплексов.
Научная новизна.
предложено математическое описание процессов тепломассообмена применительно к закрытому двухфазному термосифону с регулируемым теплопереносом, с учетом взаимодействия с внешней средой в условиях близких к реальным, позволяющее определить эффективность протекающих в нём процессов;
применительно к закрытому двухфазному термосифону получено численное решение системы дифференциальных уравнений сохранения массы, энергии и импульса (уравнения Навье - Стокса) с учетом реальных условий однозначности для определения эффективности теплопереноса в зависимости от ряда влияющих факторов;
на основе проведённых экспериментальных исследований процессов тепломассопереноса в двухфазном закрытом термосифоне с регулируемым теплопереносом получена уточненная критериальная зависимость числа Нуссельта для внешней задачи при обтекании испарителя термосифона;
разработана оригинальная конструкция закрытого двухфазного термосифона с регулируемым теплопереносом, защищённая двумя патентами на изобретение № 2473856 и № 2532061.
Практическая значимость работы.
Разработана оригинальная конструкция закрытого двухфазного термосифона с регулируемым теплопереносом, предназначенного для утилизация теплоты высокотемпературных выбросов.
На основании теоретических и экспериментальных исследований разработаны инженерные методы расчёта и алгоритм их реализации для закрытого двухфазного термосифона с регулируемым теплопереносом, предназначенного для утилизации теплоты высокотемпературных выбросов.
Проведена реконструкция технологической схемы установки производства пищевых фосфатов с целью повышения её энергетической и экологической эффективностей с применением двухфазного закрытого термосифона.
Даны рекомендации по использованию аппарата в системах утилизации теплоты высокотемпературных газовых выбросов.
Результаты теоретических и экспериментальных исследований используются в учебном процессе при чтении лекций, также при проведении практических и семинарских занятий.
Достоверность научных положений и выводов обусловлена применением корректных теоретических предпосылок и математических методов решения задач и обработки экспериментальных данных, использованием современного оборудования и приборов, а также хорошим соответствием теоретических и экспериментальных данных.
Положения, выносимые на защиту
математическое описание процессов тепломассообмена применительно к закрытому двухфазному термосифону с регулируемым теплопереносом, с учетом взаимодействия с внешней средой в условиях близких к реальным, позволяющее определить эффективность протекающих в нём процессов;
результаты численного решения процессов тепломассобмена математическое описание процессов тепломассообмена применительно к закрытому двухфазному термосифону с регулируемым теплопереносом, с
учетом взаимодействия с внешней средой в условиях близких к реальным, позволяющее определить эффективность протекающих в нём процессов;
- результаты экспериментальных исследований, подтверждающие
адекватность математической модели и результаты аналитических
исследований;
- принципиальная технологическая схема промышленной установки
использования теплоты продуктов сгорания для подогрева рабочих растворов
для распылительной сушки.
Апробация работы. Результаты работы докладывались на международной конференции по химической технологии ХТ’12 (Москва-2012), международных научно-технических конференциях «Дизайн, технологии и инновации в текстильной и легкой промышленности» (Москва - 2013г., 2014 г.), всероссийской научной конференции «Математика, информатика, естествознание в экономике и обществе (МИЕСЭКО 2014)» (Москва-2014), международных научно-практических конференциях «Наука и современность – 2014», «Фундаментальные и прикладные исследования: проблемы и результаты» (Новосибирск-2014), международной научно-практической конференции «Инновации, качество и сервис в технике и технологиях» (Курск-2014),
всероссийской конференции молодых ученых и специалистов «Будущее машиностроения России» (Москва-2014), первых Международных Лыковских научных чтениях, посвящённых 105-летию академика А.В. Лыкова, «Актуальные проблемы сушки и термовлажностной обработки материалов в различных отраслях промышленности и агропромышленном комплексе» (Москва – 2015).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 10 работ. В их число входят 2 статьи в изданиях, рецензируемых ВАК, 1 статья в журнале, включенном в глобальный индекс цитирования Scopus, 2 патента на изобретение, тезисы 5-и докладов на Российских и международных научных
конференциях.
Структура работы. Диссертация состоит из введения, 4-х глав, выводов, списка литературы из 140 наименований. Работа изложена на 147 страницах и содержит 75 рисунков.