Использование труб Фильда в аппаратах системы комплексной утилизации тепловых отходов высокотемпературных установок тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.14.04, кандидат технических наук Ву Ван Чьен

• Ву Ван Чьен
• кандидат технических наук
• 2012

Оглавление диссертации кандидат технических наук Ву Ван Чьен

СОДЕРЖАНИЕ

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1. Анализ энергоэффективных технологий в высокотемпературных плавильных установках систем по производству стекла. Современное состояние вопроса

1.2. Стекловаренные печи и процесс производства стекла

1.3. Способы повышения энергетической эффективности работы систем по выработке стекла

1.4. Методы расчета теплообмена в трубе Фильда

1.5. Электродуговая шахтная печь с удерживающими пальцами фирмы «ФУКС - СИСТЕМТЕХНИК»

1.6. Вывод по главе

ГЛАВА 2. ВЫБОР ИНСТРУМЕНТА МОДЕЛИРОВАНИЯ И ЕГО

ТАРИРОВКА НА ПРИМЕРЕ РЕШЕНИЯ СОПРЯЖЕННОЙ ЗАДАЧИ ТЕПЛООБМЕНА

2.1. Особенности математической постановки задачи

2.2. Расчет теплообменника типа «труба в трубе»

2.3. Расчет трубы Фильда, омываемой горячим теплоносителем

2.4. Вывод по главе

ГЛАВА 3, ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ И ЧИСЛЕННАЯ ПРОВЕРКА

МОДЕЛЕЙ ТУРБУЛЕНТНОСТИ ПРИ ИССЛЕДОВАНИИ ПРОЦЕССА В ТРУБЕ ФИЛЬДА

3.1 Постановка задачи

3.2 Описание экспериментальной установки

3.3 Результаты контрольных экспериментов

3.4. Численные исследования на базе различных моделей турбулентности

3.5. Сравнение расчётных и экспериментальных данных

3.6. Вывод по главе

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛО- И МАССОПЕРЕНОСА В ТРЕХКАНАЛЬНОМ ТЕПЛООБМЕННИКЕ

4.1. Методика обработки экспериментальных данных и её результаты

4.2. Одномерная модель процессов тепло - и массопереноса в элементах трубки Фильда

4.3. Трёхмерная модель (Пакет PHOENICS)

4.4. Обработка и анализ полученных результатов

4.5. Вывод по главе

ГЛАВА 5. МОДЕЛЬ ТЕПЛО- И МАССООБМЕНА В КАМЕРЕ

ВТОРИЧНОГО ДОЖИГАНИЯ С ТРУБАМИ ФИЛЬДА

5.1. Модель камеры вторичного дожигания с трубами Фильда

5.2. Модельные уравнения

5.3. Вычислительная методология

5.4. Качественная оценка полученных результатов

5.5. Вывод по главе

ГЛАВА 6. КОМПЛЕКСНАЯ УТИЛИЗАЦИЯ ТЕПЛОВЫХ ОТХОДОВ

СТЕКЛОВАРЕННОЙ УСТАНОВКИ

6.1. Определение области энергетической эффективности труб Фильда для студочной зоны стекловаренной установки

6.2. Представление расчетной схемы баланса

6.3. Тепловой баланс стекловаренной печи

6.4. Расчет баланса по схеме стекловаренной установки с воздушной регенерацией

6.5. Расчет теплового баланса комплексной схемы стекловаренной установки с системой предварительного подогрева шихты и окислителя за счет теплоты расплава и отходящих газов

6.6. Расчет теплового баланса комплексной схемы утилизации тепловых отходов посредством термохимической регенерации и рекуперативного подогрева окислителя

6.7. Расчет теплового баланса комплексной схемы утилизации тепловых отходов посредством термохимической регенерации и использования системы предварительного подогрева шихты и окислителя за счет теплоты расплава- 'и отходящих газов

6.8. Проведение сравнения исходного топлива и оценки экономической эффективности

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

\

ПРИЛОЖЕНИЕ «А» - program fildl

ПРИЛОЖЕНИЕ «Б» - ql file

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Использование труб Фильда в аппаратах системы комплексной утилизации тепловых отходов высокотемпературных установок»

ВВЕДЕНИЕ

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 двух- и 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 термо-

химической 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 тепло- и 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 обору-

дования 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 тепло- и 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 тепло- и 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. Hoäng Khäc Hoäng, Vü Van Chien , Sergievsky E.D., Glazov V.S. Nghien cuu vä mö phöng bäi toän trao doi nhiet trong khe hep bäng phirong phäp so. Tap chi Khoa hoc& Cong nghe Nhiet (ISSN 0868 - 3336. Thermal science technology review) 2010- №91* 1/2010^(23-25).

8. Vu Van Chiên , Sergievsky E.D., Glazov V.S. Sur dung ông FILDA trong câc thiét bi thu hôi nhiêt thâi. Tap chi Nâng lirgng Nhiêt (Thermal energy review) 2011-№100*7/201l*(07-09).

9. Vu Van Chiên , Sergievsky E.D., Glazov V.S. Ve dâc tinh cûa thiét bi thu hôi nhiêt thâi kiêu ông long ông. Tap chi Nâng lugng Nhiêt (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.

Настоящая работа выполнена под руководством к.т.н, доцента Глазова B.C. на кафедре Тепломассообменных процессов и установок в «Национальном исследовательском университете «МЭИ».

Автор выражает особую благодарность своему руководителю Глазову B.C., профессорам Сергиевскому Э.Д., Сасину В.Я., Жубрину C.B. и Гаряеву А.Б. за полезные советы и конструктивную критику моей работы, а так же всем сотрудникам кафедры ТМПУ за понимание и поддержку.

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

а - внутренний радиус цилиндра, м

а,} - коэффициент поглощения межтрубного излучения, м"1

а2 - коэффициент поглощения в обратном течении, м"1

а3 - коэффициент поглощения в прямом течении, м"1

Ау<2 - объемная поверхность трубчатого элемента, м"1

АУ:3 - объемная поверхность внутренней трубки элемента, м"1

Ау^ - объемная поверхность наружных стенок реактора, м"1

Ъ - внешний радиус цилиндра, м (и

срг,срг - удельная теплоемкость нагревающего теплоносителя(горячего)

при постоянном давлении на входе и выходе, Дж/(кг'°С) |ц

срх,срх - удельная теплоемкость нагреваемого теплоносителя (холодного)

при постоянном давлении на входе и выходе, Дж/(кг °С)

£>г-Эквивалентный диаметр (Гидравлический диаметр), м Е- модуль упругости или модуль Юнга, Па, или эффективность теплооб-менного оборудования

£ - массовый расход парогазовой смеси, кг/с Gг - расход нагревающего теплоносителя (горячего), кг/с (7Х- расход нагреваемого теплоносителя (холодного), кг/с Гф - диффузионный коэффициент свойства Ф в г'-ой фазе; к\ - коэффициент теплоотдачи горячего потока, Вт/(м -К) Ь2 - коэффициент теплоотдачи в обратном течении,

Вт/(м -К)

2

НЪ - коэффициент теплоотдачи в прямом течении,

Вт/(м -К)

коэффициент теплоотдачи к наружным стенкам, Вт/(м -К) Н\ - энтальпия горячих продуктов сгорания, Дж/кг Н2 - энтальпия парогазовой смеси в обратном течении, Дж/кг Я3 - энтальпия парогазовой смеси в прямом течении, Дж/кг НСо - теплота сгорания монооксида углерода, Дж/кг к - Коэффициент теплопередачи, Вт/(м-К)

К - кинетическая энергия турбулентности, м Ус т 2 - массовая доля метана в обратном течении т3- массовая доля метана в прямом течении тСо~ массовая доля монооксида углерода, % тс02- массовая доля диоксида углерода, % тнго- массовая доля водяного пара, % mN2- массовая доля азота, % т02- масовая доля кислорода, %

мог, air_ массовая доля кислорода во вторичном воздухе, % тсо in ~ массовая доля монооксида углерода в первичной смеси, % т i - массовый расход горячих продуктов сгорания, кг/с М- молекулярная масса Nu- критерий Нуссельта

Ф[ - любая переменная z'-ой фазы, такая как: энтальпия, момент на единицу массы, массовая доля химического компонента, турбулентная энергия Рг - критерий Прандтля

Prf - критерий Прандтля по средней температуре газового потока Prw - критерий Прандтля по средней температуре поверхности Ргт- критерий Прандтля по средней температуре потока газа на входе Ргц - критерий Прандтля по переменной Рги<р ~ турбулентное число Прандтля

бизлуГ тепловой поток излучения от дымовых газов к трубе Фильда, Вт Qmjiy2- тепловой поток излучения от стенки наружной трубы к стенке внутренней трубы, Вт

бконвъ бконв2, бконвЗ- конвективные потоки от труб к теплоносителю Q¿op~ количество теплоты теряемой горячим теплоносителем в единицу времени на рабочем участке, Вт

Огор-хол ~ количество теплоты получаемой холодным теплоносителем в

единицу времени на рабочем участке, Вт Я - Универсальная газовая постоянная, Яе- критерий Рейнольдса

Яц- плотность межтрубного потока излучения, Вт/м

2

Я12 - плотность потока излучения в обратном течении, Вт/м

Я13 - плотность потока излучения в прямом течении, Вт/м

Ят2- объемная скорость химической реакции в обратном течении, кг/м -с

Ят3- объемная скорость химической реакции в прямом течении, кг/м -с

б'я] - тепловой источник в горячем потоке, Вт/м

Бн2 ~ тепловой источник в обратном течении, Вт/м

Бнз ~ тепловой источник в прямом течении, Вт/м

8т2 - источник (сток) метана в обратном течении, кг/м -с

8т2 - источник (сток) метана в прямом течении, кг/м -с

- тепловой источник межтрубного излучения, Вт/м

- тепловой источник излучения в обратном течении, Вт/м Баз - тепловой источник излучения в прямом течении, Вт/м

- объемный источник импульса в х-направлении, Н/м

- объемный источник импульса в у-направлении, Н/м

- объемный источник импульса в г-направлении, Н/м

- тепловой источник во внешних стенках, Вт/м

- тепловой источник в обратной стенке, Вт/м

- тепловой источник в прямой стенке, Вт/м

- источник свойства Ф. t - время, с

¿2 -температура воздуха на выходе, С

температуре воздуха на входе, °С ^ - температура дымовых газов на входе, С /•-температура теплоносителя расчет по 1-ой модели, °С

¿фл - температура теплоносителя расчет по РНОЕМСБ, °С ^стл.эк - температура теплоносителя данные эксперимента, °С ?1.ке. - температура теплоносителя расчет по стандартной к-в модели турбулентности, С

?1.кч. - температура теплоносителя расчет по к-в модели КеСЬеп (Чена и Кима), °С

¿1.кеммк - температура теплоносителя расчет по к-е модели КЕММК (Мурака-ми, Мочида и Кондо), °С

Т\ ] - температура газовой смеси в среднем сечении камеры, К Т22 - температура парогазовой смеси в обратном течении, К Г33 - температура парогазовой смеси в прямом течении, К Т - функция распределения температуры, К У[ - вектор скорости ¿-ой фазы, м/с

а - коэффициент линейного температурного расширения (к"1) или коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2К) р-х - плотность ¿-ой фазы

1 - объемная пористость межтрубного пространства /?У;2 - объемная пористость пространства обратного течения Д,3 - объемная пористость пространства прямого течения о - постоянная Стефана-Больцмана, 5.67-10"8, Вт/(м2К4) (р -обобщенная переменная 5^1 - степень черноты внешней стенки £^2,1 - степень черноты внутренней стенки внешней трубки £ш2,о -степень черноты наружной стенки внешней трубки

- степень черноты внутренней стенки центральной трубки

- степень черноты наружной стенки центральной трубки £\ - коэффициент влияния на длину трубки

£гр - радиальные деформации внешней стенки трубы Фильда £-гХ - радиальные деформации трубы в цилиндрическом канале

16

2,3

£ - скорость диссипации энергии, м /с £п - радиальные деформации

£ее - скручивающие деформации

- осевые деформации £ - коэффициент трения

сггг - радиальные термонапряжения (Па, Н/м2)

сгее - окружные термонапряжения (Па, Н/м2) сг22 -осевые термонапряжения (Па, Нм ) V- коэффициент Пуассона

2

VI - ламинарная вязкость, м с

- турбулентная вязкость, м2/с

Заключение диссертации по теме «Промышленная теплоэнергетика», Ву Ван Чьен

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.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Ву Ван Чьен, 2012 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Данилов О. Л. Энергосбережение в теплоэнергетике и теплотехнологиях. -М.: МЭИ, 2004.-64 с.

2. Новая энергетическая политика России. - М.:Энергоатомиздат,1995. -512 с.

3. Проект. Энергетическая стратегия России на период до 2030 года, г. Москва. 2008 г.

4. Высокотемпературные тепло- технологические процессы и установки. Энергоатомиздат, Москва, 1989.

5. Троякин Ю.В. Проектирование и эксплуатация высокотемпературных технологических установок. М.: МЭИ, 2002.

6. Кириллов П.Л. и др. Справочник по теплогидравлическим расчетам (ядерные реакторы, теплообменники, парагенераторы). - М.: Энергоатомиздат, 1990.-360 с.

7. Крылов А.Н. Повышение эффективности стекловаренных печей на основе комплексной регенерации тепловых отходов. Автореф. дисс. к.т.н.- М.: МЭИ, 2007. - 20 с.

8. Густаво, А. Р. М., Повышение энергетической эффективности высокотемпературных установок посредством термохимической рекуперации тепловых отходов, кандидатская диссертация, Москва, МЭИ, 2011.-143 с.

9. ОАО «Саратовстройстекло». Производство листового стекла флоат -способом. Учебное пособие, Саратов, 2008. - 37 с.

10. Глазов B.C., Иванов В.А. Потенциал энергосбережения в работе шахтной печи «ФУКС-СИСТЕМТЕХНИК» // Информационная среда ВУЗа: Сб. ст. к VII международной научно-технич. конф. / Иванов, гос. архит.-строит. акад. Иваново,2001. Вып. 8. С. 220 -222.

11. Глазов B.C., Иванов В.А. Экспериментальные исследования тепловой работы шахтной печи «ФУКС-СИСТЕМТЕХНИК» // Информационная среда ВУ-

За: Сб. ст. к VII междуна-родной научно-технич. конф. / Иванов, гос. архит-строит. акад. Иваново,2001. Вып. 8. С. 216 -219.

12. Хоанг Хак Хоанг исследование сложного теплообмена в трубах Фи льда и их использование в энергосберегающей схеме стекловаренной установки. Ав-тореф. дисс. к.т.н.- М.: МЭИ, 2010. - 20 с.

13.Мотулевич В.П., Журбрин С.В. Числитенные методы расчета теплооб-менного оборудования. М.: МЭИ, 1989.-76 с.

14. Жубрин С.В. и др. "Методы расчета теплогидравлических характеристик в теплообменных установках", М.: Издательство МЭИ, 2006, 48 с.

15. Ross С. P. Tincher G. L. Glass Melting Technology: A Technical and Economy Assessment. - A Project of Glass Manufacturing Industry Council, U.S. Department of Energy-Industrial Technologies Program, 2004. - 274 p.

16. C. Philip Ross Gabe L. Tincher. "Glass Melting Technology: A Technical and Economy Assessment" A Project of Glass Manufacturing Industry Council, U.S. Department of Energy-Industrial Technologies Program, 2004.

17. Пат. 2240987 РФ. Шахтная печь / Ю. К. Иванов, С. К. Попов (РФ); МЭИ (ТУ) (РФ). - Заяв. № 2003113517; Опубл. 27.11.04. Бюл. № 33; Приоритет 13.05.03 (РФ).

18. Перелетов И. И., Пушкин А.В., Иванов Ю.К. Плавильная печь с предельно высоким энерго- и материалосберегающим эффектом // Пром-сть строительных материалов Серия 9. Стекольная пром-сть. Аналит. обзор. Вып. 2. - М.: ВНИИЭСМ, 1991.-42 с.

19. А. с. №1425419 СССР, кл. F 27 D 1/00. - Футеровка-ограждение металлургической печи / Jl. Н. Говорухин, В. И. Косенков, Э. Д. Сергиевский. Опубл. 23.09.88 Бюл. №35.

20. Чехов О. С. Вопросы экологии в стекольном производстве. М.: Легпром-бытиздат, 1990. - 104 с.

21. Nosach V. G. et al., A Method for Utilization of the Heat of Exhaust Gases of Furnaces. - USSR Author Certificate No. 1013726, publ. 23.04.83, Bull. № 15.

22. Науменко А.В., Дейнеженко В.И., Гофман М.С. Энергосбережение и разработка высокоэффективного газоиспользуюгцего оборудования// Журнал «Газовая промышленность», №1, 2005, С. 55-58.

23. Yonguo Wu. Optimization of heat recovery in glass melting. Case western reserve university .US A. 1994

24. C. Philip Ross Gabe Г. Tincher. "Glass Melting Technology: A Technical and Economy Assessment" A Project of Glass Manufacturing Industry Council, U.S. Department of Energy-Industrial Technologies Program, 2004.

25. Перелетов И. И., Шопшин М. Ф., Новосельцев В. Н., Чуланова Е. А. Математическая модель реактора паровой конверсии природного газа в системе регенеративного теплоиспользования. - В сб.: Тр. МЭИ. Энергетика новых теплотехнологии. процессов и безотходных систем, М.: , вып. 394, 1979, с. 49-54.

26. Шопшин М. Ф., Новосельцев В. Н., Тюрин А.И. и др. Химическая регенерация тепловых отходов топливных печей Обзорн. инф. Сер. «Энерготехнологические процессы в химической промышленности». - М.: НИИТЭ-ХИМ, 1981.-39 с.

27. Перелетов И. И., Новосельцев В. Н., Шопшин М. Ф. и др. К опытш-промышленным испытаниям стекловаренной печи с химической регенерацией тепла. - В сб.: Тр. МЭИ. Энергетика высокотемпературной теплотехнологии, М., вып. 476, 1980-С. 26-32.

28. Китайгородский И.И. Справочник по производству стекла. Том 1 - М.: Госстройиздат 1963, -518 с.

29. Егоров К.С. Повышение эффективности теплообменных аппаратов газотурбинных установок замкнутого цикла: Автореф. дисс. к.т.н. - М.: МГТУ им. Баумана, 2007. - 20 с.

30. Турбулентные сдвиговые течение 1. Пер.с. англ. Под. Ред. А.С. Гиневско-го. М. Машиностроение, 1982. -432 с.

31. Крейт Ф., Блэк У. Основы теплопередачи. М.: «Мир», 1983. - 512 с.

32. Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи. «ЭНЕРГИЯ», М.:1973. - 319 с.

33. Жукаускас A.A.. Конвективный перенос в теплообменниках. Издатеьство «НАУКА». М.:1982. - 472 с.

34. Глазов B.C., Сергиевский Э.Д., Криницкий Е.В. Применение программного комплекса Phoenics 3.5 для задач промышленной теплоэнергетики. Иваново, 2005.-45 с.

35. Быстров Ю.А., Исаев С.А., Кудрявцев H.A., Леонтьиев А.И. Численное моделирование вихревой интенсификации теплообмена в пакетах труб. Санкт-Петербург, 2005.-392 с.

36. Сергиевский Э.Д., Хомченко Н.В., Овчинников Е.В. Расчет локальщлх параметров течения и теплообмена в каналах. МЭИ, 2001.-57 с.

37. The PHOENICS Reference Manual (Vesion 5.5). CHAM TR 200/(PIL).-384 c.

38. Боли Б., Уэйнер Дж., Теория температурных напряжений. Пер. с английского Сисляна Ж.С., Шорра Б.Ф.,М. : «МИР», 1964.-520 с.

39. Гейтвуд Б. Е., Температурные напряжения Пер. с английского Димент-берга М.Ф. и Красонтовича Ю.Ф., М. : Москва, 1959.-349 с.

40. Феодосьев В.И.,Сопротивление материалов, М.: МГТУ им. Баумана, 2000.-592 с.

41. Чернявский А.О., Строительная механика машин. Челябинск 1999.-142 с.

42. Туваев В.Н., Прозоров A.A., Пустынная Ю.Ю., Шутов A.A. Охлаждение молока с использованием естественного холода // Молочная промышленность. 2009. № 5

43. Справочник по теплообменникам. Т. 2. М.: Энергоатомиздат, 1987. С.279.

44. Хмельницкий, Р. 3. Стальные рекуператоры. Расчет и основы проектирования. - М.: МЭИ, 1970.-61 с.

45. Параметрическое численное исследование ТХР. Создание экспериментальной установки. Отчёт о НИР / МЭИ. Руководитель работы Сергиевский Э.Д., гос. per. № 01200958977, инв. № 02201053963. -М., 2010.-101 с.

46. Теплосчетчики «ВИС.Т» . Руководство по эксплуатации. ВАУМ. 407312.114 РЭ1. ЗАО НПО «Тепловизор», 2007. -11 с.

47. Фаддеев М.А. Элементарная обработка результатов эксперимента. Изда-теьство Нижегородского госуниверситета Нижний Новгород. 2002

48. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров, Издательство "НАУКА", М.: 1973, 831с.

49. Интернет-документация http://docs.google.com/View?docid=dfnmhh6z_656cdcfnr

50. Lockwood F.C., Alooja А.Р., Syed S.A., A prediction method for coal-fired furmaces, Combustion and Flame, 1980, v.38, p 1-15.

51. Benum A.C., A finite element solution of radiative heat transfer in participating media utilizing the moment method, Comput. Meth. Appl. Mech. Eng., 1988, v. 67, p. 1 -14

52. Волков Э.П., Гусев И.Н., Зайчик Л.И., Математическое моделирование топочных процессов в камерных топках энергетических котлов, Изв. РАН, Энергетика, 1992, т.38, N 2, с. 92-103.

53. Zhubrin S.V, Discrete raction model for composition of sooting flames, International Journal of Heat and Mass Transfer, 2009, v.52, p.4125-4133

54. Patankar S.V., Spalding D.B., Computer analysis of the three-dimensional flow and heat transfer in a steam generator, Forsch. Ing.-Wes., 1978, v.44, N2, pp. 47-52

55. Hjertager В. H., Solberg Т., Nymoen K.O., Computer modelling of gas explosion, propagation in offshore modules, J. Loss Prev. Process Ind., 1992, v.5, N3, pp 165-174

56. Смит, Мэнь, Фридман, Вычисление коэффициентов для модели взвешенной суммы серых газов, 1982, Теплопередача, т. 104, N4, с.25-32

57. 5-14.Сполдинг Д.Б., Конвективный массоперенос, Энергия, 1965, 384 с.

58. Байдакова Н.О., Гаряев А.Б., Использование метода термохимической регенерации теплоты уходящих газов в газотурбинных приводах газоперекачивающих агрегатов// семнадцатая международная научно-техническая конфе-

ренция студентов и аспирантов. Радио, электроника и энергетика: тезисы докладов в 2-х томах ,2011, Изд-во МЭИ, с.514-515.

59. Маскинская А.Ю. Повышение эффективности теплообменных аппаратов за счет интенсификации теплообмена на поверхности с лунками. Автореф. Дисс. к.т.н. М.:, МЭИ, 2004.-20 с.

60. Китайгородский И.И. Справочник по производству стекла. Том 2 - М.: Госстройиздат 1963, -822 с.

61. Попов С.К., Ипполитов В.А.. Практикум по высокотемпературной тепло-технологии. Решение задач в среде MathCAD. учебное пособие по курсам «Высокотемпературные тепло-технологические процессы и установки» и «источники энергии теплотехнологии». Москва, 2006.-37 с.

62. Сеничкин Б.К., Матвеева Г.Н. Тепловые расчеты нагревательных печей. 4.2: Учеб. пособие. Магниторогск: МГТУ им. Г.И. Носова, 2004. -77 с.

63. Кузнецов Н. В., Митор В.В. Тепловой расчет котельных агрегатов (нормативный метод), М.:, Энергия, 1973.-295 с.

64. Гинзбург Д.Б. Повышение эффективности работы стекловаренных печах. М. Центральный институт научно- технической информации легкой промышленности, М.:, Энергия, 1960.-41 с.

65. Новосельцев В.Н. «К вопросу о химической регенерации тепла промышленных огнетехнических установок»: Автореф. канд. техн. наук. -М., 1971.-22 с.

66. К вопросу об оптимальном проектировании реактора-теплообменника в системе регенеративного теплоиспользования / И.И. Перелетов и др. //Энергетика промышленных технологических процессов: сб. науч. трудов: -М.: МЭИ. - 1977. - № 332. - С- 98- 104.