Получаем оценку дополнительного тепловыделения в «условном» виде:
или ,
которая легко пересчитывается в температуры дополнительного диссипативного нагрева Tad.diss.
«Коэффициенты реальности» находятся обработкой экспериментальных данных на базе подтверждаемых и непротиворечивых физико-теоретических соображений.
Например, в наших экспериментах для температур 110…120 °С они составляли: kreal stagn temp = 1,8…2,2 (на °С), т.е. реальный нагрев существенно выше (при этом скорости на выходе из улитки были 120…200 м/с при давлениях 4…4,5 атм); kreal exp cool = 0,2…0,25, т.е. здесь, наоборот, теоретическое «детандерное» охлаждение должно давать перепад температур в 4-5 раз больше; при этом доля горячего потока составляет всего 10…20% от общего; оценка дополнительных диссипативных потерь kreal add diss = 10…15% от мощности компрессора Ns или Nт - весьма предположительная.
В шестой главе рассмотрены задачи разработки вихревых труб с требующимися параметрами и возможности совершенствования сушильных и других технологических процессов и оборудования с ВТ.
Основное внимание для химической промышленности сосредотачивается при этом на следующем: 1) перспективах использования «горячего» потока из вихревой трубы, так как в настоящее время чаще изучаются возможности применения «холодного» потока в специфической технике сублимационной сушки; 2) повышении температуры воздуха до 120…150 С и выше, так как в настоящее время температуры обычно не превышают 100 С; 3) возможности принципиального увеличения производительности при одновременном снижении требующегося давления воздуха (газа) на входе; 4) получаемые расходы должны обеспечивать достаточные скорости воздуха в рабочих каналах и камерах сушилок с размерами 300…500 мм и выше; 5) требующиеся напоры должны обеспечиваться выпускаемыми вентиляторами (дымососами), а не компрессорами; 6) весьма желательна разработка и применение экономичных воздушных инжекторов для питания вихревой трубы, подсасывающей циркулирующий воздух (также возможно вихревого типа).
Рис. 7. Схема распылительной сушки пигментов с вихревой трубой и поверхностным пылеуловителем
По результатам проведенных исследований и на основании сопоставительного анализа энергоресурсосберегающих схем была разработана схема высокотемпературной сушки пигментов с вихревой трубой в цехе № 15 ОАО «Пигмент» (рис. 7). В работе приведена также схема экспериментального стенда, рекомендованного к установке на производственной линии, для проверки и сопоставления восьми вариантов проработанных решений по водо- и газосбережению (Отчет ТГТУ по НИР № 08/04, этапы 2 и 3, 2005 г.).
Основные результаты и выводы
1. Выполнена систематизация, даны обзор и анализ разновидностей энерготехнологического обеспечения, путей и способов энергосбережения, обзор общих особенностей и экспериментальной техники по вихревым трубам; выполнен обзор и приведены примеры промышленного оборудования и технологий экономии энергии при тепловой сушке; рассмотрены возможности применения вихревых труб Ранка-Хилша в химических технологиях с целью энергосбережения, позволившие поставить задачу необходимости выполнения работ по созданию типов вихревых труб с увеличением производительности, повышением температуры и снижением необходимого давления, а также экспериментальной проверки для всех конкретных случаев.
2. Создана экспериментальная установка с вихревой трубой и проведено более трехсот экспериментов, позволяющие изучить влияние конструктивно-технологических особенностей вихревых труб различного типа на их режимные характеристики и параметры процесса термосепарации.
3. Отработана методика экспериментальных работ и обработки опытных данных, включающая составление и анализ материальных и тепловых балансов для каждого опыта, выполнение специальных «однопоточных» экспериментов с закрытым дросселем, с заглушенной диафрагмой и в штатном режиме с последующей обработкой результатов по сериям, обеспечивающей наименьшую среднестатистическую погрешность для каждого вида вихревых труб.
4. Впервые разработан и предложен метод инженерного расчета вихревых труб, основанный на анализе методов газогидро- и термодинамики для процессов такого рода и применении этих методов к вихревым трубам, а также на результатах выполненных экспериментов с семью конструктивными вариантами вихревых труб трех типов. Получено уравнение разности квадратов давлений по элементам ВТ, учитывающее расширение сжимаемой среды, применительно к вихревым трубам. Предложены основы теплового расчета на базе трех проверенных эффектов нагрева-охлаждения: тормозной нагрев, изоэнтропическое расширительное охлаждение газа и частичная диссипация затраченной мощности, с введением «коэффициентов реальности», отличающих реальный процесс от базового эффекта. На основе полученных аналитических решений и корреляций разработана и реализована компьютерная методика инженерных расчетов вихревых труб.
5. Проведены модельные исследования по сушке и нагреву суспензий пигментов и послеспиртовой барды в тонких плоских слоях на различных подложках, на основе которых были определены кинетические типы сушки, найдены коэффициенты массо- и теплоотдачи, критические точки, необходимые для расчета кинетики сушки.
6. Показаны задачи разработки вихревых труб для сушки химических продуктов и возможности совершенствования сушильных процессов и оборудования для обработки дисперсных систем: выбора способа теплотрансформации; расчета размеров и характеристик вихревых труб; расчета кинетики сушки на базе температурно-влажностных зависимостей.
7. Предложено совершенствование сушильных и других технологических процессов и оборудования и изменения технологии с использованием тепла выходящей паровоздушной смеси при помощи ВТ (на примере технологии производства азопигментов), в результате которых достигается экономический эффект 20%. Рекомендации приняты к реализации в качестве экспериментального материала на ОАО «Пигмент», г. Тамбов.
Основные условные обозначения
- доля холодного потока, %; - погрешность расчетов, %; w - скорость воздуха, м/с; T - температура воздуха, К; G - массовый расход воздуха, кг/с; Q - количество теплоты, Вт; - плотность, кг/м3; - коэффициент трения; D - диаметр, м;
g - ускорение свободного падения, м/с2; F - площадь, м2; p - давление, Па;
R - универсальная газовая постоянная; - местные сопротивления; L - длина, м; p - перепад давления на участке, Па; - относительное сопротивление на участке; a, b, n, z, k - коэффициенты аппроксимации; с - теплоемкость; N - мощность, Вт; V - объемная производительность, м3/с.
Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах
1. Современные аналитические подходы к энергосбережению. Интегрированный подход. Пинч-анализ. Луковичная модель / В.И. Коновалов, Т. Кудра, А.Н. Пахомов, А.Ю. Орлов // Вестник Тамбовского государственного технического университета. - 2008. - Т. 14, № 3. - С. 560 - 578.
2. Романова, Е.В. Возможности использования тепловых насосов в процессе сушки / Е.В. Романова, А.Ю. Орлов // Вестник Тамбовского государственного технического университета. - 2008. - Т. 14, № 3. -С. 591 - 596.
3. Романова, Е.В. К вопросу о сушке послеспиртовой барды / Е.В. Романова, А.Ю. Орлов // Актуальные проблемы сушки и термовлажностной обработки материалов : материалы Междунар. науч.-техн. семинара. - Воронеж : Изд-во ГОУ ВПО «ВГЛТА», 2010. - С. 245 - 248.
4. Коновалов, В.И. Сушка и другие технологические процессы с вихревой трубой Ранка-Хилша: возможности и экспериментальная техника / В.И. Коновалов, А.Ю. Орлов, Н.Ц. Гатапова // Вестник Тамбовского государственного технического университета. - 2010. - Т. 16, № 4. - С. 803 - 825.
5. О возможностях высокотемпературной сушки красителей и послеспиртовой барды с вихревой трубой / А.Ю. Орлов, В.И. Коновалов, Н.Ц. Гатапова, Н.В. Орлова // Современные энергосберегающие тепловые технологии (сушка и термовлажностная обработка материалов). СЭТТ-2011 : тр. Четвертой Междунар. науч.-практ. конф. - М., 2011. - Т. 1. - С. 381 - 383.