Моделирование и расчет тепловых процессов в регенеративных утилизаторах теплоты с циркулирующей гранулированной насадкой

На правах рукописи

на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.17.08 – Процессы и аппараты химических технологий

6. Иваново 2009
7. Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина».

Научный руководитель:

кандидат технических наук, доцент

СУББОТИН Владимир Иванович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, доцент

Волынский Владимир Юльевич

доктор технических наук, доцент

Мурашов Анатолий Александрович

Ведущая организация: ЗАО «Научно технический центр

«ЛАГ Инжиниринг», г. Москва

Защита состоится «23» марта 2009 г. в 14 часов на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссератций Д 212.063.05 ГОУВПО «Ивановский государственный химико-технологический университет» по адресу: 153000, г. Иваново, проспект Ф. Энгельса, 7

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУВПО «Ивановский государственный химико-технологический университет».

Автореферат разослан «16» февраля 2009 г.

доктор физико-математических наук Зуева Г.А.

Общая характеристика работы

Актуальность темы диссертации. Повышение эффективности производственных процессов - крупных потребителей тепловой энергии, может быть достигнуто путем утилизации их вторичных энергоресурсов (ВЭР). В химической промышленности, производстве строительных материалов и других отраслях потери теплоты при обжиге цементного клинкера, извести, керамических изделий, производстве стекла, кирпича, огнеупоров и других изделий иногда достигают 40…50% от подводимой теплоты, а общий потенциал ВЭР данных отраслей оценивается в несколько миллионов тонн условного топлива. При этом наиболее перспективным является использование теплоты уходящих продуктов сгорания топлива для подогрева воздуха, подаваемого в камеру сгорания.

Наибольшее распространение в таких системах утилизации теплоты получили регенерационные теплообменники различных конструкций. Важнейшей задачей при их проектировании и эксплуатации является определение рациональных конструктивных и режимных параметров, при которых достигается максимальное значение теплоты, полученной единицей массы воздуха. Данные задачи не могут быть решены с помощью известных методов расчета, в которых вместо актуальных значений температур теплоносителей используются значения, осредненные по длине канала и времени цикла, а также ряд других далеко идущих допущений. Особенно это касается нетрадиционных конструкций регенеративных теплообменников, позволяющих преодолеть существующие технологические ограничения.

Одним из типов таких теплообменников является регенератор с циркулирующей гранулированной насадкой, в котором поток огнеупорного сыпучего материала сначала проходит через камеру нагрева, воспринимая теплоту горячего газа и нагреваясь, затем – камеру охлаждения, где отдает полученное тепло холодному воздуху, нагревая его, а затем снова элеватором подается в камеру нагрева. Несомненными преимуществами такого аппарата является отсутствие необходимости переключать потоки горячего газа и холодного воздуха, как это имеет место в регенераторах с неподвижной насадкой, отсутствие массивных вращающихся при высокой температуре частей, как в регенераторах типа «Юнгстрем» с вращающейся насадкой, возможность иметь большую температуру в огнеупорной гранулированной насадке, то есть ее большую теплоаккумулирующую способность.

Процессы теплообмена между теплоносителями и насадкой в таких регенеративных теплообменниках зависят от множества параметров и поэтому весьма сложны для экспериментального исследования. Для решения актуальных технических вопросов проектирования и эксплуатации подобных регенераторов необходима разработка математических моделей процессов нестационарного теплообмена между потоками сыпучего материала и газа, которые могли бы прогнозировать температурный режим регенеративных теплообменников в зависимости от конструктивных и режимных параметров, а также оптимизировать условия их работы по различным целевым функциям.

Разработка таких моделей является актуальной научной и технологической задачей, что и определило цель настоящей работы, которая выполнялась в рамках ФЦП «Интеграция» (2.1 – А118 Математическое моделирование ресурсосберегающих и экологически безопасных технологий) и планов НИР ИГЭУ, а также частично в рамках международного договора о научно-техническом сотрудничестве между кафедрой прикладной математики ИГЭУ и Горным институтом г. Алби, Франция.

Целью работы является повышение эффективности систем утилизации тепла в регенеративных теплообменниках с циркулирующей гранулированной насадкой в высокотемпературных процессах химической, строительной и других отраслей промышленности.

Объектом исследования является тепловой процесс в регенеративном теплообменнике с циркулирующей гранулированной насадкой.

Предмет исследования – температурный режим насадки, греющего газа и нагреваемого воздуха в тепловом цикле работы насадки и возможности управления им.

Задачи исследования:

1. Разработать математические модели нестационарного теплообмена между потоками гранулированного материала и газа при их прямоточном, противоточном и перекрестном движении при локализованной и распределенной подаче газа.
2. Выполнить экспериментальную проверку разработанного подхода к моделированию процесса.
3. На основе разработанных моделей построить модель регенеративного теплообменника с гранулированной насадкой и метод его компьютерного расчета.
4. Исследовать влияние конструктивных и режимных параметров регенератора на его характеристики и найти рациональные (оптимальные) параметры, обеспечивающие его максимальную компактность.

Научная новизна результатов работы заключается в следующем:

1. Теоретически исследованы закономерности процессов нестационарного теплообмена потока газа с потоком гранулированного материала при локализованной, распределенной и перекрестной подаче газа в канал движения сыпучего материала, позволяющие связать скорость теплопереноса с конструктивными и режимными параметрами процесса.
2. Разработана математическая модель регенеративного процесса в теплообменнике с подвижной гранулированной насадкой, исследованы циклы нагрева и охлаждения насадки и влияние конструктивных и режимных параметров регенератора на температурный режим и эффективность теплообмена.
3. Показано существование оптимального диаметра гранул насадки регенератора, обеспечивающих его максимальную компактность при заданной степени утилизации теплоты уходящего газа.
4. Предложена методика оценки эффективности использования теплоты уходящих продуктов сгорания промышленных печей для подогрева подаваемого в них воздуха.

Практическая ценность результатов состоит в следующем:

1. Предложена методика построения математических моделей нестационарных процессов теплообмена в регенеративных теплообменниках с подвижной гранулированной насадкой.

2. Разработан компьютерный инженерный метод расчета процесса теплообмена в регенеративных теплообменниках с подвижной гранулированной насадкой и выбора его рациональных конструктивных и режимных параметров.

3. Разработана методика оценки эффективности использования теплоты уходящих продуктов сгорания промышленных печей для подогрева подаваемого в них воздуха.

4. Разработанные математические модели, инженерные методы расчета и оценки эффективности, а также средства компьютерной поддержки моделирования и расчета нашли практическое применение в практике исследовательских и проектных работ в ЗАО «Научно-технический центр «ЛАГ Инжиниринг», ЗАО «Славнефть – ЯНОС» и ООО НТЦ «Промышленная энергетика».

Автор защищает:

1. Ячеечную модель, описывающую нестационарный конвективно-радиационный теплообмен потока газа с потоком сыпучего материала при локализованной и распределенной подаче газа с учетом стохастической составляющей движения обоих потоков.

2. Результаты расчетного исследования теплового состояния сыпучего материала при его прогреве и охлаждении продольным потоком газа и влияния конструктивных и режимных параметров процесса на аккумулируемую в нем теплоту и скорость ее накопления.

3. Ячеечную модель и результаты расчетного исследования нестационарного теплообмена потока газа с поперечным потоком сыпучего материала. Влияние параметров процесса на двухмерное поле температуры в движущемся сыпучем материале.

4. Математическую модель и компьютерный метод расчета регенеративного процесса в теплообменнике с подвижной гранулированной насадкой.

Апробация работы.

Основные положения диссертации были доложены, обсуждены и получили одобрение на Международной научной конференции «Состояние и перспективы развития энерготехнологии – 14-е Бенардосовские чтения», Иваново, ИГЭУ, 2007, «15-е Бенардосовские чтения», Иваново, ИГЭУ, 2009, XV Международной конференции «Информационная среда вуза», Иваново, ИГАСУ, 2008, Международной НТК «Математические методы в технике и технологиях ММТТ-21», Саратов, 2008, а также на научных семинарах кафедры промышленной энергетики и прикладной математики ИГЭУ и кафедры гидравлики, водоснабжения и водоотведения ИГАСУ (2006-2009гг.).

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 7 печатных работах, в том числе в 2-х изданиях, предусмотренных перечнем ВАК.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 4-х глав, основных выводов, списка использованных источников и приложения.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы, охарактеризована научная новизна и практическая ценность полученных результатов, сформулированы основные положения, выносимые автором на защиту.

В первой главе выполнена оценка потенциала вторичных энергетических ресурсов в тепловых процессах химической и ряда смежных отраслей промышленности, представлено описание основных типов регенеративных подогревателей, используемых для утилизации теплоты продуктов сгорания, а также проанализировано современное состояние проблемы математического моделирования происходящих в них теплообменных процессов и инженерных методов их расчета. В традиционном регенеративном теплообменнике физическая сущность рассматриваемого теплового процесса состоит в теплообмене массивного протяженного тела, называемого насадкой, с обтекающим его потоком газа. В регенераторах с неподвижной насадкой необходима достаточно сложная и малонадежная система переключения потоков горячего и холодного газа, обеспечивающая цикл нагрева и охлаждения насадки. В регенераторах с вращающейся насадкой каналы для горячего и холодного газа неподвижны, а элементы насадки периодически пересекают их. Здесь возникает проблема надежного вращения очень массивного ротора с элементами насадки, часть из которых находится при высокой температуре. Одной из перспективных конструкций регенеративного теплообменника является регенератор с подвижной гранулированной насадкой, поток которой последовательно пересекает потоки горячего (нагрев насадки) и холодного (ее охлаждение) газа, передавая теплоту от одного потока к другому. Ввиду отсутствия значительных механических нагрузок, гранулы из огнеупорного материала можно прогревать до весьма высоких температур, недопустимых для других типов аппаратов. Однако, надежный расчет теплового процесса в подобных аппаратах и выбор на его основе рациональных (оптимальных) конструктивных и режимных параметров процесса требует решения ряда мало изученных задач продольного и поперечного теплообмена между стохастически движущимися потоками газа и сыпучего материала. Известные интегральные методы его расчета, в которых вместо локальных распределенных значений температур теплоносителя и насадки используются значения, осредненные по длине канала и сечению насадки, а также по времени цикла нагрева или охлаждения насадки, не могут обеспечить требуемую точность расчетных прогнозов. Тепловые потоки между газом и насадкой, рассчитываемые по этим температурам, оказываются не адекватными реальным. Более точное решение задачи могло бы быть выполнено на основе дифференциальных уравнений процесса теплопереноса в газе и насадке, но в этом случае модель сводится к двум сопряженным через граничные условия дифференциальным уравнениям, как минимум одно из которых является уравнением в частных производных. Это исключает возможность их аналитического решения, а численные методы трудно адаптируются к широкому спектру разнообразных условий процесса. В последнее время в работах В.Е. Мизонова, H. Berthiaux, С.В. Федосова и ряда других авторов для решения подобных задач были эффективно использованы ячеечные модели и связанный с ними математический аппарат теории цепей Маркова. Несомненным достоинством этого подхода является универсальность их алгоритмического обеспечения и инженерная ясность внесения изменений в модели и алгоритмы при изменении условий протекания процесса. Он был успешно использован для моделирования прогрева тел перемещающимися локальными источниками теплоты, сушки дисперсных материалов и химических реакций в них и других процессов. Поэтому ячеечная модель была выбрана методологической основой настоящей работы.

Кроме этого, были проанализированы подходы к оценке тепловой и экономической эффективности регенеративного подогрева воздуха в промышленных печах. Под тепловой эффективностью здесь понимается степень утилизации теплоты уходящего печного газа при заданных габаритах регенератора (экономия условного топлива) или габариты регенератора при заданной степени утилизации теплоты (экономия капитальных затрат). Отмечено, что эти показатели должны оцениваться не по регенератору как отдельному аппарату (в ряде случаев это просто невозможно), а по его работе в составе тепловой установки, где он (или просто регенеративный подогрев) применяется.

В заключение главы сформулированы детализированные задачи исследования.

Вторая глава посвящена разработке ячеечных математических моделей теплового взаимодействия между стохастически движущимися потоками газа и сыпучего материала. Из всего многообразия возможного взаимодействия газа с гранулированной насадкой выбраны схемы, показанные на рис.1, где для вариантов а) и б) движение газа по отношению к насадке может осуществляться как прямотоком, так и противотоком.

Сначала была рассмотрена одномерная задача продольного движения материала и газа. Его расчетная схема и ячеечное представление показано на рис.2.

Рабочая длина теплообменника разбита на m ячеек идеального смешения длиной x=L/m одинакового объема V=Аx, где A – площадь поперечного сечения канала. Масса материала и газа в ячейке рассчитывается по формуле Msi=(1-)siV, Mgi=giV, – порозность материала в ячейке, si и gi – плотности материала и газа. В модели цепи ячеек для материала и для газа разнесены с учетом , хотя в реальном процессе они вложены друг в друга.

Текущее состояние процесса представлено распределением его параметров по ячейкам в виде векторов-столбцов температуры Т, теплоты и Q массы M, каждый из которых имеет размер mx1. Выберем продолжительность перехода между последовательными состояниями настолько малым, чтобы в течение него среда и переносимая с ней теплота могли перейти только в соседние (как вперед, так и назад) ячейки, но не далее. Текущее время k=(k-1), где k – номер временного перехода. Кинетика процесса определяется рекуррентными матричными равенствами

Mgk+1=PgMgk+ Mfgk, (1) Msk+1=PsMsk+Mfsk, (2)

Qgk+1=PgQgk+Qfgk -Qgsk, (3) Qsk+1=PsQsk+Qsgk +Qgsk, (4)

где движение массы и теплоты вдоль цепей контролируется переходными матрицами Pg и Ps и векторами внешних источников Mfgk, Qfgk и Mfsk, Qsgk, а теплообмен между цепями – вектором передаваемой за переход теплоты от газа к сыпучему материалу Qgsk.

Подача материала всегда локализована на входе, а его векторы источников имеют единственный ненулевой элемент для первой ячейки Mfs1k=Gs0, Qfs1k=csTs0Gs0, где Gs0 – массовый расход сыпучего материала, cs, Ts0 – его теплоемкость и температура на входе. При распределенной подаче газа его суммарный расход Gg0 распределен между ячейками в виде расходов Gfgi (Gg0=Gfgi) и представляет собой вектор Gfg. Тогда при прямотоке (показан на рис.2) вектор расходов газа через ячейки цепи для газа рассчитывается как Gg=cumsum(Gfg), где cumsum – оператор кумулятивной суммы для вектора.

Структура переходных матриц имеет вид

, (5)

где d=D/x2 – вероятность чисто случайных (симметричных) переходов, D – коэффициент макродиффузии, v=V/x – вероятность конвективного переноса, V – осредненная скорость продольного движения. Для сыпучего материала vs постоянна, а для газа с распределенной подачей определяется по формуле

vg=Ggt./Mg, (6)

где ./ - оператор поэлементного деления векторов.

Вектор теплообмена между ячейками параллельных цепей рассчитывается как

Qk=k.*S.*(tgk – tsk), (7)

где k – вектор коэффициентов конвективной теплоотдачи в ячейках, S – поверхность теплообмена в ячейке, зависящая от крупности частиц сыпучего материала. В методе расчета программа дополнена зависимостями для радиационной теплоотдачи.

Рассчитываемые на каждом переходе температуры сред связаны с теплотой и массой формулой

Tk=Qk./(cMk). (8)