Гідродинаміка вертикального потоку газу з твердими частками і його теплообмін зі стінкою

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національна академія наук України

Інститут технічної теплофізики НАН України

УДК 66.096.5

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Гідродинаміка вертикального потоку газу з твердими частками і його теплообмін зі стінкою

05.14.06 - Технічна теплофізика та промислова теплоенергетика

Збаращенко Олександр Валентинович

Київ - 2004

Дисертацією є рукопис

Робота виконана у відділі теплопровідності Інституту технічної теплофізики НАН України

Науковий керівник:

доктор технічних наук, член-кореспондент НАН України, Клименко Віктор Миколайович, Інститут прикладних досліджень в енергетиці, директор

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор, Нікітенко Микола Іванович, Інститут технічної теплофізики НАН України, провідний науковий співробітник

кандидат технічних наук, Яценко Володимир Петрович Інститут загальної енергетики НАН України, старший науковий співробітник

Провідна установа: Інститут вугільних енерготехнологій НАН України, м. Київ

Захист дисертації відбудеться 01.06.2004 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.224.01 при Інституті технічної теплофізики НАН України за адресою: 03057, м. Київ, Желябова 2а.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Інституту технічної теплофізики НАН України за адресою: 03057, м. Київ, Желябова 2а.

Автореферат розісланий 30.04.2004 року.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, к.т.н. Чайка О.І.

Загальна характеристика роботи

інженерний теплообмін енергетичний

Актуальність роботи. Розвиток промисловості України нерозривно пов'язаний з підвищенням технічного рівня виробництва, розробкою і впровадженням нових технологій, спрямованих на заощадження енергетичних ресурсів, зниження металоємності устаткування, підвищення якості матеріалів, що виробляються.

У техніці широко застосовуються технології з використанням двокомпонентних (газ-тверді частки) систем. У деяких з них (наприклад, пневмотранспорт, класифікація по крупності) розглядаються лише гідродинамічні закономірності, а в теплотехнологічних (сушіння, випал і ін.) ще і закономірності тепло- і масопереносу. В енергетиці прикладом таких технологій є спалення палива у котлах з циркулюючим киплячим шаром. При проектуванні і розрахунках апаратів з двокомпонентними системами, як правило, зневажають залежністю густини газу від тиску. Це, безумовно, позначається на характері зміни лінійної швидкості газової фази, розподілі твердої фази по висоті каналу і енергетичних витратах при проведенні процесу. З цієї причини встановити вплив залежності густини газу від тиску на перераховані характеристики двокомпонентної системи є актуальною задачею.

При тепловій обробці дисперсних продуктів процеси протікають з підводом (відводом) теплової енергії до двокомпонентної системи через стінку. Коефіцієнти тепловіддачі в цьому випадку визначають без врахування вологовмісту компонентів системи. В той же час вплив вологості компонентів на інтенсивність процесу тепловіддачі експериментально доведена низкою авторів. Але у цих роботах не розкрито механізм цього впливу на інтенсифікацію теплообміну, що утруднює узагальнення отриманих результатів та їх застосування при проектуванні. Виявити вплив вологості компонентів системи на інтенсивність процесу переносу теплоти до теплообмінної поверхні є також актуальною задачею.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалася як складова частина відомчої теми Інституту технічної теплофізики № 1.7.1.474 «Підвищення ефективності використання палива за рахунок розробки систем комбінованого виробництва теплової і електричної енергії». Номер держ. реєстрації 0199U000080.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є дослідження впливу густини газу при зміні його тиску на гідродинаміку двокомпонентних потоків і теплообміну потоків, що містять вологі компоненти.

Для досягнення поставленої мети необхідно було вирішити такі задачі:

Розробити модель переносу теплоти від двокомпонентного потоку до стінки, яка враховувала б вологість компонентів. Проаналізувати вплив вологості компонентів на інтенсивність процесу переносу теплоти до теплообмінної поверхні.

Розробити фізично обґрунтовану модель гідродинамічних процесів у системах вертикального потоку газу з твердими частками. При розгляді цих процесів проаналізувати зміну складових енерговитрат.

Розробити на базі загальнофізичних уявлень модель взаємодії частки твердої фази у вертикальному потоці газу з урахуванням залежності густини газу від його тиску. Методом чисельного експерименту дослідити зміну параметрів системи у часі.

Об'єкт дослідження: система газ - тверді частки.

Предмет дослідження: теплообмін двокомпонентної системи з поверхнею з урахуванням вологості компонентів потоку та гідродинаміка вертикального потоку газу з твердими частками з урахуванням залежності густини газу від його тиску.

Основним методом дослідження в роботі є використання математичного моделювання та аналітичного дослідження на персональній ЕОМ по спеціально розробленим програмам. Достовірність одержаних результатів оцінювалась їх порівнянням з експериментальними даними.

Наукова новизна отриманих результатів. В запропонованій моделі теплообміну вперше аналітично враховано вплив вологості компонентів системи на інтенсивність тепловіддачі від неї до теплообмінної поверхні. Доведено, що інтенсифікація теплообміну двокомпонентного потоку, що містить вологі компоненти (газ, тверді частки), зі стінкою обумовлена зміною гігротермічного стану при переносі часток з ядра потоку в тепловий пограничний шар.

Встановлено, що зміна густини газу від тиску впливає на характер структури двокомпонентного потоку по висоті вертикального каналу. Визначено умови, при яких досягається найбільша енергетична ефективність вертикального пневмотранспорту. Знайдено функціональну залежність між складовими енергетичних витрат та початковими умовами у всьому діапазоні можливих режимів реалізації пневмотранспорту.

Вперше аналітично показано, що врахування залежності густини газу від його тиску визначає коливання параметрів системи при взаємодії одиночної частки з потоком газу, тобто є властивістю такої системи. Запропонована система рівнянь дозволила обрахувати величину швидкості витання частки у каналі. Визначено істотний вплив об'єму і коефіцієнту гідравлічного опору ділянки газопроводу, який передує робочому, на значення параметрів потоку (швидкість і прискорення частки, витрати і тиск газу), якщо густина газу залежить від тиску.

Практична цінність і реалізація результатів роботи полягає у створенні інженерних методів розрахунків теплообміну двокомпонентного потоку зі стінкою каналу в технологічних процесах, в яких застосовуються вологі компоненти потоку.

Отримані результати дослідження механізму руху двокомпонентного потоку дозволяють вже на стадії проектування транспортних систем оптимізувати режими роботи обладнання по енергетичним витратам.

Дослідження умов виникнення пульсаційного режиму роботи системи “газ - тверда частка” дозволяють знайти рішення для нейтралізації негативного впливу ділянки газопроводу, що передує робочому каналу.

Отримані в дисертаційній роботі результати використовуються в Інституті вугільних енерготехнологій НАН України для розрахунків розподілу твердої компоненти двокомпонентного потоку в котлах з циркулюючим киплячим шаром, а також для розрахунків пиловугільних транспортних мереж котлоагрегатів.

Особистий внесок здобувача - розроблені математичні моделі, алгоритми вирішення поставлених задач, комп'ютерні програми, а також виконані чисельні дослідження, обробка й аналіз отриманих результатів. У співавторстві сформульовані загальні напрямки досліджень та програма їх виконання, а також публікація основних результатів досліджень.

Апробація отриманих результатів: результати роботи доповідались на II міжнародній конференції «Проблеми промислової теплотехніки» 2001 р., м. Київ; на Круглому столі “Молоді вчені - енергетиці України” (ІТТФ НАНУ м. Київ, 2003 р.); Міжнародній науково-технічній конференції “ЕНЕРГОЕФЕКТИВНІСТЬ-2003” 15-17 грудня 2003 р., м. Київ.

Публікації. Результати дисертації опубліковані у 3-х статтях у періодичних наукових виданнях України, визнаних ВАК (“Доповіді Національної академії наук України”, “Промышленная теплотехника”).

Структура і обсяг роботи.

Дисертаційна робота складається з вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних літературних джерел і додатків.

Загальний обсяг дисертаційної роботи складає 110 сторінки основної текстової частини (у тому числі 39 малюнків і 2 таблиці), а також 28 сторінок додатків. Бібліографічна частина включає 81 найменування.

Основний зміст роботи

У вступ і висвітлена структура та актуальність дисертаційної роботи, мета та задачі досліджень, наукова новизна та значення отриманих результатів.

У першому розділі на підставі аналізу літературних джерел упорядковані теоретичні і експериментальні факти, які висвітлюють основні закономірності гідродинаміки та теплообміну у двокомпонентних системах. Ці процеси залежать від великої кількості різноманітних чинників. Їх вплив досліджувався різними авторами (Баскаков А.П., Горбіс З.Р., Забродський С.С., Шрайбер О.А. та інші), головним чином, експериментально. Багато фактів, які виявлені на практиці, не знайшли належного фізичного тлумачення. Так, наприклад, вплив вологості компонентів системи на інтенсивність процесу тепловіддачі експериментально доведена, але жодна існуюча модель теплообміну не дозволяє у своїх рамках врахувати та проаналізувати вплив цього фактору на інтенсивність процесу переносу теплоти від двокомпонентного потоку до теплообмінної поверхні.

Відомо, що одним з головних чинників, які визначають інтенсивність теплообміну, є концентрація твердої компоненти в потоці. Концентрація, в свою чергу, залежить від структури потоку. Але у двокомпонентних системах, як правило, зневажають залежністю густини газу від тиску. Це, безумовно, позначається на характері зміни лінійної швидкості газової фази, розподілі твердої фази по висоті каналу і енергетичних витратах на реалізацію процесу.

До експериментальних фактів, що не знайшли належного фізичного пояснення, також слід віднести виникнення пульсацій тиску при взаємодії вертикального потоку газу з твердими частками, залежність їх амплітуди і частоти від різних чинників.

В другому розділі досліджувався вплив вологості компонентів на теплообмін двокомпонентної системи з поверхнею, для чого була розроблена модель урахування фактору вологості компонентів в процесах переносу теплоти та маси, починаючи з нульового значення вологості, тобто для випадку “сухих” компонентів. Саме останнє дозволило залучити існуючі експериментальні данні по теплообміну “сухих” двокомпонентних систем для обґрунтування та апробації запропонованої моделі.

Передумовою створення моделі є припущення, що при теплообміні з поверхнею зміна температури двокомпонентного потоку сконцентрована в порівняно невеликому по товщині тепловому пограничному шарі, що безпосередньо граничить з нею. Сутність цієї моделі полягає в заміщенні дискретної твердої компоненти, що увійшла до цього шару уявною пластиною з еквівалентними їй теплофізичними властивостями і масою, яка розташована на деякій відстані від поверхні каналу. Таким чином, умовна пластина поділяє тепловий пограничний шар на дві зони, з якими і знаходиться в процесі теплообміну. Такий підхід дозволяє перейти від розгляду стохастичного нестаціонарного процесу теплообміну окремих часток твердої компоненти з поверхнею каналу до розгляду періодичного нестаціонарного процесу теплообміну умовної пластини, як з ядром потоку, так і з поверхнею каналу.

В моделі приймається: температури часток і газу у ядрі потоку постійні і рівні ТЯ; температурний градіент між ядром і стінкою існує в тепловому пограничному шарі товщиною l; перенос теплоти між ядром і пластиною, а також між пластиною і стінкою здійснюється через газові прошарки l1 і l2 теплопровідністю; дисперсна тверда компонента, яка знаходиться у тепловому пограничному шарі замінюється умовною пластиною, розташованою паралельно теплообмінній поверхні каналу; товщина пластини, в порівнянні з товщиною шару, нескінченно мала; відстань від пластини до стінки визначається розподілом маси твердої фази в тепловому пограничному шарі і дорівнює відстані від стінки до центру тяжіння цієї маси.

де С - теплоємність твердої компоненти; mПЛ - маса твердої фази, яка знаходиться у тепловому пограничному шарі, віднесена до одиниці площі поверхні стінки; 0 - теплопровідність газової компоненти; TЯ, ТСТ і ТПЛ - температура потоку, стінки і пластини відповідно; l та l1 - товщина теплового шару та відстань від пластини до стінки, відповідно.

З урахуванням початкової умови, що при п=0 температура ТПЛ=ТЯ, рішення рівняння (1) має вигляд:

де - коефіцієнт, що враховує теплофізичні властивості газу і твердої компоненти, а також розподіл останньої у тепловому пограничному шарі. З урахуванням залежності l, l1 та m від мЯ, dЧ та пТВ коефіцієнт прийме вигляд, де мЯ - порізність у ядрі потоку (під терміном порізність розуміємо відношення об'єму газової фази до загального об'єму, що займає газ і тверді частки), пТВ - густина твердої фази.

Реальний час перебування твердих часток у тепловому шарі лежить у діапазоні 0<п<о і він враховується в моделі періодичною заміною пластини з інтервалом пЦ, який залежить від горизонтальної складової швидкості часток в напрямку до стінки і визначається з експериментальних даних.

Для інтервалу часу заміни умовної пластини усереднений (інтегральний) коефіцієнт тепловіддачі

З виразу (5) випливає, що наявність твердої компоненти у тепловому пограничному шарі призводить до інтенсифікації процесу теплообміну, і значення коефіцієнту тепловіддачі не залежить від температурного напору.

У дисертації наведено співставлення результатів виконаних розрахунків з експериментальними даними наведеними у монографії Дж. Боттерилла «Теплообмен в псевдоожиженном слое» (Пер. з англ.- М.: Энергия, 1980. 344 с.) для випадку “сухої” двокомпонентної системи. Задовільне кількісне і якісне узгодження результатів свідчить про коректність і роботоспроможність запропонованої моделі.

Теплообмін двокомпонентного потоку, компоненти якого містять вологу, зі стінкою є більш загальним випадком. Для аналізу цього процесу приймаємо: газова компонента і тверді частки в ядрі потоку знаходяться у гігротермічній рівновазі; відносна вологість газової компоненти лежить в межах 0<еЯ <100%; пластина завжди знаходиться у гігротермічній рівновазі з вологим газом, причому миттєва температура пластини визначає температуру газу на межі пластина - газ, а відносна вологість газу визначає вологість пластини відповідно до кривої сорбції, якщо ТЯ>ТСТ, або десорбції - коли ТЯ < ТСТ.

У випадку ТЯ > ТСТ і 0<п<о, температура пластини нижче температури ядра. Це призводить до збільшення відносної вологості газу е на межі пластина - газ. На початку циклу (п=0) пластина з вологістю WЯ потрапляє в тепловий пограничний шар з температурою газу нижчою чим ТЯ і відносною вологістю більшою, чим у ядрі потоку. Завдяки цьому починається процес сорбції вологи пластиною, що супроводжується виділенням теплоти і зниженням парціального тиску водяних парів на межі поверхня пластини - газ. Зниження парціального тиску відповідно до закону Фіка призведе до масового потоку водяних парів із ядра до пластини. Виділення теплоти уповільнює процес охолодження пластини при її теплообміні через прошарки l1 і l2, тобто при наявності сорбції температура пластини в усі моменти часу 0< п < о виявиться вищою в порівнянні з температурою пластини, коли еЯ =0 при інших рівних умовах. Внаслідок цього збільшується середня температура пластини за період пЦ, що призводить до зростання величини усередненого теплового потоку , який передається пластиною до стінки відповідно до (2). Слід зазначити, що при по вологовміст пластини досягає рівноважного значення і температура пластини ТПЛ ТСТ+, як і для випадку, коли еЯ =0.

У випадку ТСТ > ТЯ і 0<е Я <100 % волога пластина потрапляє в тепловий пограничний шар, з температурою більшою ніж ТЯ і меншою, ніж еЯ відносною вологістю. Відвід теплоти в результаті десорбції знизить величину середньої температури пластини в порівнянні з випадком еЯ=0, а тепловий потік від стінки до пластини - збільшується.

Таким чином, незалежно від напрямку теплового потоку має місце інтенсифікація теплообміну за рахунок кругового переносу вологи з ядра в тепловий пограничний шар і в зворотному напрямку, обумовлений процесами сорбції та десорбції. Інтенсифікація теплообміну визначається зміною вологовмісту твердої компоненти за цикл.

Взаємозалежні процеси тепло- і масообміну описуються рівнянням теплового балансу пластини:

де ТПЛ - температура пластини, D - вологовміст пластини, r* - теплота фазового переходу.

З рівняння (6) випливає, що температура пластини визначається одночасно процесами теплообміну і масообміну.

Рівняння теплового балансу (6) вирішується, якщо відома величина . Для визначення останньої скористаємося правилом диференціювання складної функції і запишемо зміну вологовмісту твердої компоненти в часі у вигляді . Тоді рівняння (6) матиме вигляд

. (7)

Значення величини визначається чисельно, використовуючи графічні функції сорбції (десорбції) W = f (е), та подальшого визначення вологовмісту . Величина е, у свою чергу, є функцією температури пластини і при відомому парціальному тиску водяних парів в ядрі потоку РЯ знаходиться з виразу .

Остаточно зміна вологовмісту, що залежить від миттєвої температури пластини, визначається залежністю

.

Такий підхід дозволяє чисельно вирішити рівняння теплового балансу пластини (7) і знайти залежність ТПЛ=f(п), маючи яку нескладно одержати усереднені за час циклу пЦ значення температури пластини і ефективного коефіцієнту тепловіддачі

На підставі залежності (8) можливо стверджувати, що при теплообміні систем з обома вологими компонентами ефективний коефіцієнт тепловіддачі залежить від різниці температур стінки і потоку, в той час, як для “сухого” двокомпонентного потоку (див. рівняння (5)) такої залежності не існує. Цим самим пояснюється протиріччя експериментальних даних різних авторів щодо впливу температурного фактору на інтенсивність теплообміну двокомпонентних потоків зі стінкою, а саме не приймалася до уваги вологість компонент потоку.

Оцінити інтенсифікацію теплообміну за рахунок масообміну зручно за відношенням , де і - усереднені у часі ефективні коефіцієнти тепловіддачі при теплообміні зі стінкою зволоженого і “сухого” двокомпонентних потоків відповідно.

Очевидно, що величина А=f(W, ТЯ - ТСТ) зростає зі збільшенням відношення W/, а при рівних величинах W/ - для різних матеріалів зі збільшенням значення. Цей теоретичний висновок підтверджується експериментальними даними. Криві 1 і 2 побудовані за результатами розрахунків по запропонованій методиці для умов аналогічних експериментальним. У якості оЭФ для експериментальних даних були прийняті мінімальні коефіцієнти тепловіддачі о, значення яких відповідають умовам дослідів без розпилу води у шарі.

Інтенсивність тепло-обміну залежить від таких чинників, як теплофізичні властивості твердої і газової компоненти, вологість і вологісні характеристики компонент та порізність двокомпонентної системи. Доведеним є той факт, що порізність будь-якої двокомпонентної системи у загальному випадку є функцією її висоти. Таким чином, важливою при розрахунках теплообміну є інформація про розподіл величини порізності по висоті двокомпонентної системи.

В третьому розділі на підставі загальновідомих уявлень розроблена фізична і математична модель двокомпонентної системи, яка враховує залежність густини газової компоненти від її тиску і зміну порізності по висоті робочої ділянки. Ця модель дозволяє виконати аналіз енергетичних витрат по складовим при різних умовах.

Математична модель базується на законі збереження енергії

NГ = NКТ + NКГ + NП + NВЗ, (9)

при наступних припущеннях: тверді частки абсолютно пружні і монодисперсні; втратами енергії на тертя транспортуючого газу знехтуємо. У рівнянні (9) NГ=(PH-PB)< - потужність, яка підведена до системи транспортуючим газом з масовою витратою GГ і його тиском в нижньому і верхньому перетинах робочої ділянки PH і РВ відповідно; NКТ= - потужність, яка витрачається на змінювання кінетичної енергії твердих часток, які транспортуються; NКГ= - потужність, яка витрачається на змінювання кінетичної енергії потоку газу; NП= - потужність, яка витрачається на переміщення твердої компоненти з витратою GТВ на висоту Н; NВЗ=[] - потужність, яка витрачається для підтримки у зваженому стані твердих часток, які знаходяться в каналі, з усередненою (по об'єму робочого каналу) порізністью шару; GПО - масова витрата газової компоненти при переході твердої компоненти у зважений стан. Рівняння (9) у відносних величинах має вигляд

1=nКТ+ nКГ+ nВЗ,

де, - частки потужності, які витрачаються на змінювання кінетичної енергії твердих часток та газу відповідно, - коефіцієнт корисної дії пневмотранспорту, - частка потужності, яка витрачається на підтримку твердих часток, які знаходяться в каналі, у зваженому стані.

Якщо GТВ0, то залежність (9) описує граничний випадок, коли дисперсний матеріал знаходиться у зваженому стані. У цьому випадку порізність шару монодисперсних твердих часток у вхідному перетині каналу може змінюватися в межах мПЛ о мН <1, де мПЛ - порізність щільного шару. При умові мПЛ=мН подача твердої фази в шар неможлива. З цієї причини пневмотранспорт має місце, коли мН > мПЛ. У зваженому стані, як граничному випадку пневмотранспорту, коли верхня межа зваженого шару збігається з необхідною висотою підйому твердих часток (висота робочого каналу), існує різниця в значеннях тисків несучого середовища у вхідному (РН) і вихідному (РВ) перетинах. Наявність такої різниці у тисках призводить до збільшення об'ємної витрати газу по висоті каналу при постійній його масовій швидкості (=GГ/S) і, як наслідок, до зміни порізності. Розподіл порізності шару по висоті визначається при допущенні, що по перетину зважений шар однорідний. Параметри зваженого шару з властивостями твердої фази і газу пов'язані відомою залежністю.

Визначення розподілу порізності при переході до зваженого стану з урахуванням зміни густини транспортуючого газу виконувалось за допомогою подрібнення робочої ділянки Н на i частин розрахункових ділянок висотою Нj (1оjоi), зі сталою по висоті порізністю. Перепад тиску Рj на j -ій ділянці визначається рівнянням

, (11)

а відповідно загальний перепад на усій робочій ділянці Р= Рj .

Таким чином, розрахунок розподілу поточних значень порізності м=f(h) і тиску P=f(h) по висоті зваженого шару, а також величин NГ і NКГ для заданих пТВ; dЧ; пГ; H і зводиться до рішення системи рівнянь (9), (10) і (11) для кожної з елементарних ділянок. Рішення у цьому випадку доцільно починати з верхньої ділянки, тому що завжди відомо значення РВ=Р0.

При переході від розгляду зваженого шару, верхній рівень якого збігається з висотою підйому твердих часток, до пневмотранспорту при постійному значенні мн, згідно з рівнянням (9) необхідно збільшити значення NГ, тобто витрату і тиск несучого газу на вході, що призводить до зміни параметрів потоку по висоті каналу. Для аналітичного визначення цих параметрів при пневмотранспорті необхідно доповнити залежності, по яких визначалися параметри при стані зважування, рівнянням руху твердих часток під впливом потоку газу. У якості такого рівняння використовується експериментальна залежність к.т.н. Вороніної Л.Ф.

де k=1,4 - розмірний коефіцієнт, що визначався експериментально; VВ - швидкість витання під якою розуміється швидкість твердої частки відносно швидкості газу при умові коли рівнодіюча сил прикладених до неї дорівнює нулю.

Рішення отриманої системи рівнянь (9)-(12) здійснюється чисельним методом з ітераціями для кожної елементарної ділянки, починаючи з нижнього перетину. Умови рішення системи: VТВ0=0, GТВ = const, GГ = const, Р0=РН і Р0=0. Слід зазначити, що з метою досягнення мінімальної похибки розрахунків необхідно зменшувати розмір елементарних ділянок Н, що примикають до вхідного перетину, впритул до значень розміру твердих часток.

Можливий діапазон існування режимів пневмотранспорту зручно зобразити в координатах порізність у нижньому перетині мн - масова швидкість газового середовища. Крива 1, яка обмежує діапазон режимів ліворуч, визначає мінімальну масову швидкість газу з урахуванням порізності і тиску, при якій на тверді частки у вхідному перетині діє сила потоку газу, що врівноважує силу тяжіння. Максимально можлива масова швидкість газу, що обмежує область режимів праворуч, є швидкість звуку і на рисунку не приводиться. Знизу діапазон обмежується порізністю щільного шару, а зверху порізністю потоку газу при відсутності в ньому твердих часток, тобто м=1.

У полі існування пневмотранспорту представлена низка кривих з параметром U<птв/ (витратна концентрація), яка показує зміну порізності в нижньому перетині ділянки пнемо-транспорту при зміні масової швидкості газової фази. Ці криві мають екстремальний характер. Наявність максимумів пов'язане з перерозподілом складових енерговитрат nКТ, nКГ, =, nВЗ на реалізацію процесу. При зростанні значення діапазон реалізації процесу по величині звужується до нуля при =max. Слід зазначити, що граничні умови визначаються властивостями твердої і газової компоненти, а також висотою транспортування.

Зміна складових відносних потужностей на реалізацію режимів пневмотранспортування в залежності від масової швидкості газу для конкретних умов. З цього рисунку видно, що основними складовими енерговитрат є відносні величини потужностей на зміну кінетичної енергії твердої фази і на підтримку часток у зваженому стані. Внаслідок того, що величина nКТ збільшується з ростом , а значення - nВЗ зменшується, це призводить до наявності максимуму на кривих ==f().

Величина цього максимуму зростає при зменшені порізності у нижньому перетині, де відбувається подача твердої фази у канал, і досягає найбільшого значення при мН мПЛ. Цей факт був встановлений експериментально і його використовують на практиці під назвою “пневмотранспорт суцільним потоком”. У цьому випадку завжди застосовується підтримуюча решітка. На рис. 3 поле існування пневмотранспорту пунктирною кривою поділяється на дві частини. При реалізації процесу у зоні А обов'язкове застосування підтримуючої решітки, бо лінійна швидкість газу, з урахуванням тиску у нижньому перетині робочої ділянки, нижче швидкості витання окремої частинки. В зоні Б реалізація процесу можлива без застосування підтримуючої решітки.

У роботі розглянуто вплив витратної концентрації і порізності на ккд в області існування пневмотранспорту. Показано, що ккд збільшується зі зниженням порізності у вхідному перетині і досягає максимуму при деяких значеннях масової швидкості. Отримані результати, які задовільно узгоджуються з експериментальними даними, дозволяють розрахувати складові енерговитрат та оптимізувати по енерговитратах систему пневмотранспорту на стадії проектування.

Як було вже показано вище, врахування залежності густини газового середовища від тиску істотно впливає на структуру двокомпонентних систем. На практиці в технологічних процесах з застосуванням двокомпонентних систем газ - дисперсна тверда фаза виникають пульсації тиску газу на вході в робочий канал, що призводить до коливань витрат компонентів у часі. Натомість в системах рідина - дисперсна тверда фаза такі пульсації не спостерігаються. Це дає підставу вважати, що збудником пульсацій є газ, у якого, на відміну від рідини, густина залежить від тиску. Виходячи з цього можливо припустити, що такі коливання виникнуть і при взаємодії одиночної твердої частини з потоком газу.

Четвертий розділ дисертаційної роботи присвячений аналітичному дослідженню цього явища. Схема до розрахункової моделі системи “тверда частка -потік газу”.

При розробці математичної моделі зроблені такі припущення: газовий потік і частка мають лише вертикальну складову швидкості; в поперечному перерізі розподіл швидкості рівномірний; газовий потік незбуджений, а тверда частка з'являється в потоці миттєво.

Взаємодія твердої частки з потоком газу в каналі описується системою рівнянь:

а) сил, що діють на частку

m< = Р<Sч - m<g, (13)

б) зміни маси газу в об'ємі під часткою

= S<(x +п )= Gс - Ga , (14)

в) стану ідеального газу для адіабатичних умов

, (15)

де m, Sч - маса і міделевий перетин частки; x - поточна координата частки; п - час; Р=Р-Ра - різниця тисків під часткою і над часткою; g - прискорення вільного падіння; Gc - масова витрата газу на вході в робочу ділянку; Ga масова витрата газу в перетині знаходження частки, відносно частки, що рухається; п - густина газу; k - показник адіабати.

Система вирішувалася по методу Рунге-Кутта.

Визначальними параметрами системи є такі безрозмірні комплекси

, , , , , , , .

При чисельному дослідженні одержаної системи рівнянь встановлено, що характерним для величин , є загасаючі коливання їх значень у часі. Зі зменшенням значень і інтенсивність коливань збільшується, досягаючи граничних значень, коли =0 і =1. У граничному випадку коливання не загасають із часом. Зростання величини призводить до збільшення амплітуди коливань і зменшення часу їх загасання; це можливо за рахунок зниження величини початкової координати вводу частки хо.

При певних параметрах системи (L, M, b, ) в залежності від значення частка може підніматися, зависати або падати. Напрямок руху визначається величиною , де - значення безрозмірної величини тиску під умовно закріпленою часткою відносно стінок робочого каналу в перетині =1 при о, коли рівнодіюча сил, прикладених до частки F=0; - значення безрозмірної величини тиску під умовно закріпленою часткою відносно стінок робочого каналу в перетині =1 при о, коли рівнодіюча сил, прикладених до частки F=0 при заданому значені величини а. Варто звернути увагу, що за будь-яких умов при п=0 завжди значення < 0. У випадку, якщо м=1 при по, частка зависає нижче місця її введення до потоку. На підставі чисельних досліджень виявлено істотний вплив ділянки газопроводу, що передує робочому. Цей теоретичний висновок підтверджується експериментальними дослідженнями, виконаними різними авторами у відомих опублікованих роботах. У рамках розглянутої моделі знаходить своє пояснення відомий експериментальний факт, що вільно падаюча в циліндричній трубі частка, наближаючись до дна робочого каналу, рухається з уповільненням швидкості. Всі відзначені особливості властиві тільки для газу і відсутні для рідини.

У разі, коли P=const, dx/dп=const після нескладних перетворень рівняння (14) приймає вигляд, аналогічний емпіричним залежностям типу Vч=Vв<k, наведеним у відомих літературних джерелах, згідно з якими швидкість урівноваженого руху частки у каналі менша, ніж при вільному падінні в необмеженому просторі.

Практичне значення отриманих результатів полягає у можливості вже на стадії проектування розрахувати систему таким чином, щоб, у залежності від поставлених задач, послабити або посилити амплітуду та частоту коливань.

Висновки

В дисертації наведено теоретичне узагальнення і нове вирішення наукової задачі, що полягає у врахуванні впливу вологості компонентів системи на інтенсивність тепловіддачі від неї до теплообмінної поверхні та впливу зміни густини газу від тиску на розподіл порізності двокомпонентного потоку по висоті і виникнення коливань параметрів системи при взаємодії твердих часток з потоком газу. Для досягнення цього розроблено нові фізичні і математичні моделі, проведені дослідження, результати яких співставленні з відомими експериментальними даними, та зроблені такі висновки:

1. Розроблена модель переносу теплоти від двокомпонентного потоку до стінки каналу, яка дозволяє розглядати теплообмін як у разі використання “сухих” компонентів потоку, так і теплообмін, ускладнений масообміном. Саме масоперенос є головним чинником інтенсифікації теплообміну у порівнянні з теплообміном потоку з “сухими” компонентами. При масообміні волога переноситься з ядра до пограничного теплового шару твердими частками, а в зворотному напрямку - за рахунок дифузії. Послідовність прямого і зворотного напрямків визначається знаком температурного напору між ядром потоку і стінкою каналу.

2. Встановлено, що інтенсифікація теплообміну при вологих компонентах потоку визначається гігротермічними властивостями та вологовмістом твердих часток і відносною вологістю газової компоненти. Так, для гігроскопічним матеріалів інтенсифікація теплообміну, що обумовлена масопереносом, досягає 30 %.

3. Виявлено, що при теплообміні, ускладненому масообміном, коефіцієнт тепловіддачі від двокомпонентного потоку до стінки залежить від температурного напору, в той час, як при сухих компонентах потоку така залежність не виявлена.

4. В запропонованій моделі теплообміну для визначення коефіцієнтів тепловіддачі потрібна інформація про значення порізності потоку по висоті каналу. Дослідженнями встановлено, що на поточні значення порізності суттєво впливає зміна густини газу від його тиску. Розроблено метод розрахунку порізності як для зваженого шару, так і для умов пневмотранспорту твердої компоненти.

5. Отримані в дисертації результати по визначенню зміни порізності потоку по висоті каналу використані для обчислення складових енергетичних витрат при транспортуванні дисперсного матеріалу. Показано, що залежність ккд транспортування від масової швидкості газу має екстремальний характер. При постійній масовій швидкості газу зі зниженням порізності у вхідному перетині ккд транспортування зростає.

6. Встановлено, що при взаємодії вертикального потоку газу, у якого густина залежить від тиску, з часткою завжди виникають коливання тиску в об'ємі під часткою, що призводить до зміни миттєвих витрат газу, швидкості і прискорення частки. Вектор рівнодіючої сили, яка прикладена до частки в початковий момент часу при її надходженні у вертикальний потік газу, має напрям співпадаючий з напрямом сили тяжіння. Показано, що збільшення гідравлічного опору ділянки газопроводу, що передує робочому, призводить до зростання амплітуди коливань та зменшенню часу їх затухання.

7. Отримано теоретичну залежність, яка встановлює зв'язок між різницею швидкостей потоку газу, швидкістю урівноваженого руху частки у необмеженому об'ємі та швидкістю частки, яка рухається у каналі.

Список опублікованих робіт по темі дисертації

1. Клименко В.Н., Клименко Ю.Г., Збаращенко А.В. Модель взаимодействия системы вертикальный поток сжимаемого газа - частица // Доповіді Національної академії наук України. 2000. № 7. - С. 54-59

2. Клименко В.Н., Клименко Ю.Г., Збаращенко А.В. Энергетические показатели вертикального пневмотранспорта дисперсной твердой фазы газом // Промышленная теплотехника. 2002., № 2-3. - С. 103-107.

3. Клименко В.Н., Клименко Ю.Г., Збаращенко А.В. Теплообмен со стенкой двухфазной системы, содержащей влажные компоненты // Промышленная теплотехника. 2002. № 6. - С. 5-9.

У перелічених наукових працях Збаращенко О.В. особисто виконав розробку математичних моделей, алгоритми вирішення поставлених задач, комп'ютерні програми, а також виконані чисельні дослідження, обробку й аналіз отриманих результатів. У співавторстві сформульовані загальні напрямки досліджень та програма їх виконання.

Анотація

Збаращенко О.В. Гідродинаміка вертикального потоку газу з твердими частками і його теплообмін зі стінкою . - Рукопис. Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук зі спеціальності 05.14.06 - Технічна теплофізика та промислова теплоенергетика. Інститут технічної теплофізики НАН України, Київ, 2004.

У роботі з використанням загальнофізичних закономірностей досліджена і розроблена теоретична база, що дозволяє об'єктивно пояснити і розрахувати інтенсифікацію теплообміну зі стінкою двокомпонентного потоку з урахуванням вологісних характеристик компонентів, виявити вплив різних факторів на енергетичні характеристики при транспорті твердої фази газом, а також природу пульсаційних явищ при взаємодії потоку газу з твердими частками, що вводяться в потік.

Доведено, що інтенсифікація теплообміну двокомпонентного потоку, що містить вологі компоненти (газ, тверді частки), зі стінкою обумовлений зміною гігротермічного стану при переносі часток з ядра потоку з постійною температурою в тепловий пограничний шар, що має змінну температуру.

Встановлено вплив густини газу від зміни тиску на структуру двокомпонентного потоку по висоті вертикальної ділянки пневмотранспорту, що дозволило визначити умови його реалізації, енергетичні витрати по складовим, визначити умови, при яких досягається найбільша енергетична ефективність вертикального пневмотранспорту.

Уперше показано, що пульсаційні явища при взаємодії одиночної частки з потоком газу обумовлені залежністю густини газу від тиску, і вони є властивістю такої системи. Запропонована система рівнянь дозволила теоретично виявити вплив обмеженості потоку на швидкість витання частки.

Ключові слова: двокомпонентна система, газ, тверда частка, теплообмін, інтенсифікація теплообміну, вологісні характеристики матеріалів, гідравлічний опір, пневмотранспорт.

Аннотация

Збаращенко А. В. Гидродинамика вертикального потока газа с твердыми частицами и его теплообмен со стенкой. - Рукопись. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.14.06 - Техническая теплофизика и промышленная теплоэнергетика. Институт технической теплофизики НАН Украины, Киев, 2004.

Работа посвящена исследованию теплообмена потоков, содержащих влажные компоненты, и влияния изменения плотности газа при изменении его давления по высоте канала на распределение порозности двухкомпонентных потоков. С использованием общефизических представлений и закономерностей разработана теоретическая база, позволяющая объективно объяснить и рассчитать интенсификацию теплообмена двухкомпонентного потока со стенкой с учетом влажностных характеристик компонентов, выявить влияние различных факторов на энергетические характеристики при транспорте твердой фазы газом, а также природу пульсационных явлений при взаимодействии потока газа с вводимыми в него твердыми частицами.

Для исследования влияния влажности компонентов на теплообмен разработана модель учета влажности компонент в процессах переноса теплоты и массы, начиная с нулевого значения влажности, то есть для случая “сухих” компонентов. Именно это позволило привлечь существующие экспериментальные данные по теплообмену “сухих” двухкомпонентных систем для апробации предложенной модели.

Доказано, что интенсификация теплообмена двухкомпонентного потока, содержащего влажные компоненты (газ, твердые частицы), со стенкой обусловлена изменением гигротермического состояния при переносе частиц из ядра потока с постоянной температурой в тепловой пограничный слой, имеющий переменную температуру.

Разработана физическая и математическая модель двухкомпонентной системы, которая учитывает изменение плотности газовой компоненты по высоте рабочего участка в зависимости от эпюры давления и позволяет рассчитать распределение порозности двухкомпонентного потока для вертикального участка. На основании этой модели определены условия реализации режима пневмотранспорта, энергетические затраты по составляющим и условия, при которых достигается максимальна энергетическая эффективность пневмотранспорта.

В работе впервые показано, что пульсационные явления в двухкомпонентных системах обусловлены зависимостью плотности газа от давления и имеют место даже при взаимодействии одиночной частицы с потоком газа, то есть являются свойством такой системы. Предложенная система уравнений позволила теоретически выявить влияние стесненности потока на величину скорости витания частицы.

Ключевые слова: двухкомпонентные системы, газ, твердая частица, теплообмен, интенсификация теплообмена, влажностные характеристики материалов, гидравлическое сопротивление, пневмотранспорт.

The summary

Zbaraschenko A. V. Hydrodynamics of a vertical gas flow with firm particles and its heat exchange with a wall. -The manuscript. The dissertation for competition of a scientific degree of the candidate of engineering science on a speciality No 05.14.06 - Technical thermophysics and industrial heat power engineering. The Institute of Engineering of Thermophysics of National academy of sciences of Ukraine, Kiev, 2004.

In this manuscript the theoretical base is built and developed using universal physical laws, allowing to explain and to calculate objectively heat exchange intensification of two component flow with the account of the humid characteristics of components, and also to reveal the influence of various factors upon power characteristics under transport of a firm components by gas and also to reveal a nature of the pulsation phenomena under interaction of a gas flow with injected firm particles.

It is proved, that heat exchange intensification of such a two component flow that contains humid components (gas, firm particles) with a wall is caused by changing of hygrothermic condition during transference of particles from a core of a flow with a constant temperature in a thermal boundary layer which has variable temperature. Some influence of gas density during pressure changing upon structure of two component flow for height of vertical section for pneumatic transport is determined which allowed to reveal some conditions its realization, losses of energy by components and to determine some conditions under which the highest effectiveness of vertical pneumatic transport could be achieved.

It is shown for the first time, that pulsation phenomenon of single particle interaction with gas flow is caused by dependence of gas density on pressure and that is the property of such system. The offered system of the equations has allowed to reveal theoretically the influence of constraint of a flow upon the value of particle soar velocity.

Key words: two component system, gas, firm particle, heat exchange, intensification of heat exchange, humid characteristics of materials, hydraulic resistance.

Размещено на Allbest.ru