2
Специальность 05.17.08 - Процессы и аппараты химических технологий
Ученый секретарь диссертационного советаНечаев Василий Михайлович
1. Общая характеристика работы
Актуальность работы. Ограниченность запасов топливно-энергетических ресурсов вызвала необходимость проведения энергосберегающей политики во всех странах мира. Проблема снижения энергозатрат особенно актуальна для российской экономики, поскольку в России энергоемкость промышленного производства и социальных услуг оказывается выше общемировых показателей, что приводит к увеличению себестоимости продукции и снижению ее конкурентоспособности.
Среди множества процессов химической и смежных отраслей промышленности сушка материалов, полупродуктов или готовых изделий занимает важное место. Для сушки дисперсных материалов в промышленности наиболее часто применяются сушилки с конвективным подводом теплоты. Однако конвективные сушилки, используемые в промышленности, имеют низкий коэффициент полезного действия по теплоте (до 60%), так как паровоздушная смесь, выходящая из рабочей зоны сушильного оборудования, имеет высокую температуру и влагосодержание. В связи с этим актуальными являются задачи разработки технологических схем и вариантов устройств для использования теплоты уходящей паровоздушной смеси в технологических целях.
Одним из возможных типов энергосбережения является термотрансформация (теплотрансформация) с использованием вихревой трубы Ранка-Хилша (ВТ). Основной физический феномен вихревого эффекта Ранка заключается в температурной стратификации сплошной среды - разделении исходного закрученного потока воздуха (газа, пара, жидкости) с равномерной по сечению начальной температурой на входе на два выходящих потока: «горячий» периферийный и «холодный» осевой.
Проблема термотрансформации до сих пор содержит многочисленные парадоксы и противоречия и представляет значительный научный интерес.
В науке и технике основные вопросы разделения состоят в минимизации энергозатрат и в максимально достижимых КПД. Решение задачи использования тепла в процессе сушки дисперсных материалов в конвективных сушилках с использованием ВТ требует разработки соответствующей экспериментально-аналитической базы и инженерной методики расчета.
Работа выполнялась в рамках Федерального закона РФ от 23 ноября 2009 г. № 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации».
Цель работы и задачи исследования. Исследование газо-, гидро- и термодинамических характеристик вихревых труб с целью энергосбережения в процессе сушки и разработка на их основе инженерной методики расчета, позволяющей рассчитать конструктивные параметры вихревой трубы.
Соответственно этому в диссертации были поставлены следующие задачи:
- изучить влияние конструктивно-технологических особенностей вихревых труб различных типов и конструктивных вариантов (ВТ А.П. Меркулова, ВТ Nex Flow 40 (H, С), ВТ Nex Flow 4 (H, С)) на их режимные характеристики и параметры процесса термосепарации;
- провести исследования по сушке и нагреву пастообразных и сыпучих материалов в тонких плоских слоях на различных подложках;
- выяснить кинетические типы сушки (на примере азопигментов), найти коэффициенты массо- и теплоотдачи, критические точки и другие характеристики, необходимые для расчета кинетики сушки;
- разработать методику обработки полученных экспериментальных данных на ВТ, на основе материального и теплового балансов и дополнительных однопоточных экспериментов при закрытом дросселе и при заглушенной диафрагме;
- разработать инженерную методику расчета вихревых труб, позволяющую определять сопротивления вихревой трубы и ее элементов, общее сопротивление, расходы и потребляемую мощность с учетом размеров ВТ и анализировать роль и качество конструкции элементов трубы;
- разработать схему технологической линии с использованием вихревой трубы на стадии сушки (на примере азопигментов).
В связи с характером работы большую ее часть оказалось необходимым посвятить особенностям работы вихревых труб.
Научная новизна работы. Впервые предложена и отработана методика получения и обработки экспериментальных данных на вихревых трубах, заключающаяся в проверке материального и теплового балансов, проведении дополнительных однопоточных экспериментов и в последовательной обработке результатов по сериям.
Впервые разработан инженерный газогидродинамический метод расчета, основанный на определении сопротивлений вихревой трубы и ее элементов, получено основное расчетное уравнение «разности квадратов давлений», учитывающее расширение сжимаемой среды. Предложен тепловой расчет, базирующийся на явлениях нагрева торможением, расширительного охлаждения и вязкостной диссипации с введением «коэффициентов реальности».
Практическая ценность. Создана экспериментальная установка с вихревой трубой и проведены эксперименты с вихревыми трубами различных типов (ВТ А.П. Меркулова, ВТ Nex Flow 40 (H, С), ВТ Nex Flow 4 (H, С)), позволившие определить характеристики вихревых труб, возможности их применения и разработать метод инженерного расчета.
На базе полученных аналитических решений и корреляций разработана и реализована компьютерная методика инженерных расчетов вихревых труб.
Предложена модернизация технологической линии по производству азопигментов с использованием для энергосбережения вихревой трубы на стадии сушки.
Апробация работы. Результаты работы доложены на Международном научно-техническом семинаре «Актуальные проблемы сушки и термовлажностной обработки материалов», г. Воронеж, 2010 г.; Четвертой Международной научно-практической конференции «Современные энергосберегающие тепловые технологии (сушка и термовлажностная обработка материалов). сэтт-2011», г. Москва, 2011 г.
Результаты работы используются в учебном процессе ФГБОУ ВПО «ТГТУ» при изучении дисциплины «Теоретические основы энергоресурсосбережения».
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано пять печатных работ, в том числе четыре в журналах из перечня ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация изложена на 176 страницах основного текста и состоит из введения, шести основных глав, выводов, списка литературы и приложения.
2. Основное содержание работы
Во введении кратко изложено содержание работы и показана актуальность решаемых в ней задач.
В первой главе выполнена систематизация, даны обзор и анализ разновидностей энерготехнологического обеспечения, путей и способов энергосбережения и проблем, возникающих при их практической реализации, обзор общих особенностей и экспериментальной техники по вихревым трубам. Выполнен обзор и приведены примеры промышленного оборудования и технологий экономии энергии при тепловой сушке. Рассмотрены классификации методов повышения тепловой экономичности конвективных сушильных установок.
Рассмотрены возможности применения вихревых труб Ранка-Хилша в химических технологиях, прежде всего в сушильных процессах химической технологии с целью энергосбережения. Показана необходимость выполнения работ по созданию ВТ с увеличением производительности, повышением температуры и снижением необходимого давления, а также экспериментальной проверки для всех конкретных случаев.
Вторая глава посвящена обзору теоретических вопросов энергосберегающей сушки.
Рассматриваются современные методологии энергосбережения, основанные на интегрированном подходе к производству в целом, к системе аппаратов, на анализе индивидуальных и суммарных горячих и холодных потоков и выявлении узких, лимитирующих мест.
Проведен обзор и анализ многочисленных объяснений и классификаций теорий ВТ по группам, рассматриваются противоречивые явления и особенности, которые предполагаются ответственными за эффект Ранка.
Вышеизложенное определяет необходимость обязательной экспериментальной проверки разрабатываемых решений с применением вихревых труб.
В третьей главе приводится описание лабораторных установок и техники проведения экспериментальных исследований, а также характеристики испытуемых образцов.
Для исследований вихревых труб и сушки с вихревой трубой спроектирована и собрана сушильно-вихревая установка (СВТ) (рис. 1).
Рис. 1. Схема экспериментальной установки для исследования вихревых труб и процессов сушки с вихревой трубой:
1 - образец на подложке; 2 - сушильная камера; 3 - сопло для обдува высушиваемого образца; 4 - дроссельная задвижка; 5 - вихревая труба; 6 - ротаметр на входе воздуха; 7 - диафрагма; 8 - ротаметр на выходе холодного воздуха; 9 - компрессор с ресивером
Для сопоставления результатов и получения более детальных данных по кинетике сушки использовалась большая циркуляционная сушилка (БЦС).
Исследовались виды и варианты ВТ трех типов, семи вариантов:
1) ВТ Меркулова со слабо конической внутренней поверхностью: внутренний диаметр 15,9…24,3 мм, длина трубы 164 мм, три тангенциальных сопла с площадью поперечного сечения 15,75 мм2, диаметры диафрагм 6 мм, 8 мм, 13,1 мм (рис. 2, поз. а); 2) ВТ Nex Flow 40 (H, С): внутренний диаметр 11 мм, длина трубы 110 мм, шесть тангенциальных подводов с площадью поперечного сечения 19,2 мм2, H - диаметр диафрагмы 9,1 мм, C - диаметр диафрагмы 6,3 мм (рис. 2, поз. b); 3) ВТ Nex Flow 4 (H, C): внутренний диаметр 4,6 мм, длина трубы 70 мм, шесть тангенциальных подводов с площадью поперечного сечения 4,8 мм2, H - диаметр диафрагмы 2,8 мм, C - диаметр диафрагмы 2 мм (рис. 2, поз. с).
Рис. 2. ВТ Меркулова, ВТ Nex Flow 40, ВТ Nex Flow 4
Четвертая глава посвящена исследованию технических характеристик вихревых труб и изучению возможности проведения процесса сушки с вихревой трубой.
Проводились серии экспериментов с вихревыми трубами, в которых измерялись все характеристики труб в штатном режиме и в однопоточных режимах (при закрытом дросселе и при заглушенной диафрагме). Диапазон давлений был от 0,1 до 0,6 МПа с шагом в 0,1 МПа.
Расход воздуха на входе и выходах в ВТ пересчитывался в зависимости от температуры воздуха, после чего считалась доля «холодного» потока . После обработки полученных данных рассчитывалась погрешность материального баланса и теплового баланса (суммарного и по потокам) , % и Дпот, % соответственно.
В результате были получены основные характеристики ВТ: расходы, давления и температуры входного, горячего и холодного потоков, а также дополнительно давление потока перед дросселем. В диссертации приведены таблицы первичных экспериментальных данных для всех опытов (более 300).
Эксперименты по сушке проводились на образцах лака Рубинового СК, получаемого на основе соответствующего азопигмента (ОАО «Пигмент», г. Тамбов), а также на послеспиртовой барде (Ново-Лядинский спиртзавод, Тамбовская обл.) в тонких плоских слоях на различных подложках. Они позволяют выяснить кинетические типы сушки, найти коэффициенты массо- и теплоотдачи, критические точки и другие характеристики, необходимые для расчета и проектирования сушилки.