Моделювання процесів переносу в надшаровому просторі реактора з циркулюючим киплячим шаром

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний технічний університет України

"Київський політехнІчний інститут"

Рохман Болеслав Борисович

УДК 532.529:536.46:662.62

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

моделювання процесів переносу в надшаровому просторі реактора з циркулюючим киплячим шаром

Спеціальність 05.14.06 - технічна теплофізика і промислова теплоенергетика

Київ - 2003

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Науково-технічному центрі вугільних енерготехнологій НАН та Мінпаливенерго України.

Науковий консультант: доктор технічних наук, професор Шрайбер Олександр Авраамович Інститут загальної енергетики НАН України, провідний науковий співробітник.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Кєсова Любов Олександрівна Національний технічний університет України "КПІ", завідувач кафедри теплоенергетичних установок теплових та атомних електростанцій;

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

Провідна установа: Інститут технічної теплофізики НАН України, відділ моделювання процесів тепломасообміну в об'єктах енергетики і теплотехнологіях.

Захист відбудеться "6" жовтня 2003 р. о 15 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д26.002.09 Національного технічного університету України "Київський політехнічний інститут" за адресою: 03056, Київ, проспект Перемоги, 37, корпус 5, аудиторія 307.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного технічного університету України "Київський політехнічний інститут" за адресою: 03056, Київ, проспект Перемоги,37.

Автореферат розісланий 04.08.2003 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради В.І.Коньшин.

Загальна характеристика роботи

Актуальність проблеми. Серйозною перешкодою на шляху використання пиловидного твердого палива (факельне спалювання) в енергетиці є постійне погіршення якості вугілля, що добувається, і екологічні обмеження, пов'язані з погрозою забруднення навколишнього середовища викидами ТЕС. Основна частина діючих пиловугільних ТЕС спроектована на використання палива з нижчою теплотою згоряння =23,4 25 МДж/кг. Однак за останні 25 років зольність (на суху масу) енергетичного вугілля зросла з 25-28 до 35-38%, а знизилася до 16-19 МДж/кг. В енергетичних установках, розрахованих на використання палива нормативної якості, високозольні низькосортні палива (ВНП), антрацити (АШ) і пісне вугілля в чистому виді не запалюються. Тому доводиться вживати "підсвічування" додаванням мазуту або природного газу. Для одержання необхідної температури горіння до ВНП, що спалюється, додається біля 15% мазуту і до 25% природного газу. При цьому ефективність горіння і шлаковидалення істотно знижується. Вихід із цієї ситуації пов'язаний із впровадженням нових, високоефективних і екологічно чистих вугільних енерготехнологій, до яких, у першу чергу, варто віднести методи спалювання і газифікації в киплячому шарі (КШ) і циркулюючому киплячому шарі (ЦКШ).

Оскільки фізико-хімічні і тепломасообмінні процеси в подібній системі протікають при досить невисоких температурах, особливе значення набуває визначення часу перебування частинок у реакційній зоні. Останнє тісно пов'язано із закономірностями руху середовища, зокрема, високою концентрацією твердої фази, що істотно посилює ефекти міжчастинкових зіткнень, обумовлених хаотичним і осередненим рухом частинок. При цьому відбувається генерація псевдотурбулентної енергії частинок і дисипація пульсаційної енергії газу, що необхідно враховувати при конструюванні установок із КШ і ЦКШ. Великий інтерес щодо технологій КШ і ЦКШ породжує численні експериментальні і теоретичні дослідження, спрямовані на вивчення процесів переносу маси, імпульсу та енергії в подібних системах. При цьому одержання детальної інформації про поведінку гетерогенного середовища (особливо реагуючого) з експерименту пов'язано з великими матеріальними витратами і технічними труднощами. У цих умовах зростає актуальність побудови математичних моделей (ММ) зазначених процесів і проведення на їх основі числових досліджень, спрямованих на одержання детальної інформації, необхідної для створення цих установок. Що стосується функції експерименту, то остання повинна, мабуть, полягати в одержанні інтегральних характеристик процесу і перевірці адекватності ММ.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами і темами. Теоретичні і практичні результати, отримані в дисертації, є частиною досліджень, що проводилися в Науково-технічному центрі вугільних енерготехнологій НАН і Мінпаливенерго України (НТЦВЕ) у рамках держбюджетних науково-дослідних робіт: "Дослідження процессів переробки вугілля та розробки енергетичних установок високотемпературної газифікації та спалювання вугілля" (№ держреєстрації 392), виконаної відповідно до рішення Бюро Відділення фізико-технічних проблем енергетики (ВФТПЕ) АН УРСР, протокол № 7 від 3 грудня 1989 року, і "Дослідження методів газифікації та спалювання енергетичного та забалансового вугілля в потоці та киплячому шарі під тиском з метою розробки технічного завдання на створення дослідно-промислових парогазових установок на твердому паливі" (№ держреєстрації 0298U000205), виконаної відповідно до рішення Бюро ВФТПЕ НАН України, протокол № 2 від 8 лютого 1994 року.

Підставою для проведення робіт були також накази Міністра енергетики і електрифікації України №116 від 3 серпня 1993 р. "Про розробку прогресивних технологій використання вугілля в енергетиці" і №234 від 13 грудня 1995 р. "Про спорудження демонстраційної установки для спалювання та газифікації вугілля під тиском".

Мета і задачі дослідження. Мета роботи - побудувати комплекс ММ аеродинаміки і тепломасообмінних процесів у висхідному висококонцентрованому двофазовому потоці в реакторі з ЦКШ, більш точних і надійних у порівнянні з відомими методами розрахунку. Для досягнення цієї мети необхідно вирішити такі задачі:

розробити одновимірну стаціонарну ММ гідродинамічних і фізико-хімічних процесів у висхідному висококонцентрованому двофазовому потоці в надшаровому просторі (НП) реактора з ЦКШ з урахуванням ефектів міжчастинкової взаємодії;

побудувати двовимірну стаціонарну ізотермічну систему рівнянь турбулентного руху газу і полідисперсних частинок у трубі;

вивести рівняння переносу кінетичної енергії пульсаційного руху частинок з урахуванням її генерації і дисипації, обумовленої міжчастинковою взаємодією за рахунок осередненого і хаотичного руху частинок, а також турбулентністю несучої фази;

узагальнити двовимірну ММ турбулентної двофазової течії на випадок ізотермічного руху висхідного висококонцентрованого потоку з урахуванням впливу міжчастинкових зіткнень на турбулентний і псевдотурбулентний перенос твердої фази;

узагальнити модель руху п. 4 на випадок неізотермічного потоку коксозольної суміші з урахуванням хімічного реагування в зоні пневмотранспорту (ЗП) надшарового простору реактора з ЦКШ;

розробити ММ руху висококонцентрованого двофазового потоку в перехідній зоні (ПЗ) надшарового простру реактора з ЦКШ;

провести широкі числові дослідження вивчених процесів і порівняти їх результати з відомими експериментальними даними.

Об'єктом дослідження є ізотермічні і неізотермічні хімічно реагуючі двофазові системи, що складаються із газу і завислого в ньому полідисперсного ансамблю твердих частинок. Предмет дослідження - турбулентний потік газу з полідисперсними частинками коксу і золи у вертикальних каналах стосовно до НП реактора з ЦКШ. Метод дослідження - математичне моделювання процесів переносу на основі уявлень фізики суцільних середовищ з урахуванням турбулентних і псевдотурбулентних ефектів.

Наукова новизна.

Висунуто гіпотезу про те, що основним механізмом перемішування частинок при високих концентраціях твердої фази, коли турбулентна енергія газу досить мала, є пульсаційна енергія частинок, обумовлена міжчастинковими зіткненнями за рахунок їх осередненого і хаотичного руху.

Вивчено механізм зіткнень між частинками в двофазовому потоці. На цій основі вперше обчислено осереднену силу зіткнень полідисперсних частинок з урахуванням шорсткості їх поверхні, швидкість генерації і дисипації кінетичної енергії хаотичного (псевдотурбулентного) руху моно- і полідисперсних частинок унаслідок їх зіткнень, а також пульсаційного руху частинок турбулентного походження за рахунок дії аеродинамічних сил. Визначено частоту зіткнень частинок, обумовлених їх осередненим і хаотичним рухом, і коефіцієнти псевдотурбулентного переносу. На цій базі побудовано загальне рівняння переносу кінетичної енергії хаотичного руху частинок.

Із застосуванням процедури Рейнольдса до актуальних рівнянь збереження маси, імпульсу та енергії отримана система осереднених рівнянь стосовно до зони пневмотранспорту реактора з ЦКШ.

Розроблена ММ руху висококонцентрованого двофазового потоку з урахуванням особливостей перехідної зони реактора з ЦКШ.

Для математичних моделей процесів переносу в реакторі з ЦКШ сформульовані граничні умови для газу і твердої фази. Побудовано ефективні алгоритми інтегрування отриманих систем рівнянь.

На основі широкого числового дослідження особливостей руху, теплообміну і хімічного реагування в двофазових потоках, проведених за допомогою розробленого комплексу ММ, підтверджена гіпотеза про переважний вплив механізму міжчастинкових зіткнень на формування полів параметрів руху твердої фази.

Практичне значення отриманих результатів полягає у визначенні основних закономірностей переносу маси, імпульсу та енергії у висококонцентрованих двофазових потоках. Запропонований комплекс ММ і методів розрахунку може бути використаний при конструюванні елементів реактора з ЦКШ, у якому робочим тілом є газ із висококонцентрованою полідисперсною коксозольною сумішшю. Дані числового дослідження відкривають нові можливості управління концентраційними полями і структурою гетерогенного потоку, що також важливо для ряду прикладних задач.

На підставі побудованого комплексу ММ були розроблені такі пакети прикладних програм:

розрахунку руху, теплообміну і хімічного реагування висококонцентрованої полідисперсної коксозольної суміші (одновимірна постановка), призначена для визначення і оптимізації середньоінтегральных характеристик процесу, які використовуваються на стадіях ескізного і технічного проектування НП котлів із ЦКШ;

розрахунку ізотермічного турбулентного руху газу і полідисперсних частинок невеликої концентрації з метою одержання детальної інформації щодо структури швидкісних і концентраційних полів (стосовно до зони пневмотранспорту "холодних" установок із ЦКШ);

розрахунку ізотермічного висококонцентрованого полідисперсного двофазового потоку з урахуванням турбулентних і псевдотурбулентних ефектів, із метою дослідження та оптимізації аеродинамічних процесів у вертикальних каналах, зокрема, у ЗП "холодної" установки з ЦКШ;

розрахунку аеродинаміки, теплових і фізико-хімічних процесів, із метою одержання детальної інформації про розподіл швидкісних, концентраційних і температурних полів кожної фази, необхідної для робочого проектування зони пневмотранспорту "гарячих" установок із ЦКШ.

Результати роботи впроваджені в КБ "Південне" (м. Дніпропетровськ, Україна), Харківсь-кому ЦКБ (Україна) і ВТІ (м. Москва, Росія).

Особистий внесок здобувача. Автор особисто:

висунув гіпотезу про механізм перемішування частинок при високих концентраціях твердої фази, що базується на міжчастинкових зіткненнях, обумовлених осередненим рухом полі- і монодисперсних частинок;

розробив комплекс ММ руху, теплообміну і хімічного реагування висхідної висококонцентрованої полідисперсної коксозольної суміші з урахуванням турбулентних і псевдотурбулентних ефектів стосовно до НП котла з ЦКШ;

вивів формули для генерації і дисипації енергії хаотичного (турбулентного і псевдотурбулентного) руху полі- і монодисперсних частинок, осередненої сили міжчастинкових зіткнень, коефіцієнтів псевдотурбулентного переносу для "газу" частинок;

вивів рівняння переносу кінетичної енергії пульсаційного руху частинок;

сформулював коректні граничні умови для параметрів твердої фази;

розробив пакети прикладних програм, за допомогою яких провів числові дослідження особливостей аеродинаміки, теплообміну і хімічного реагування стосовно до НП котла з ЦКШ.

Апробація роботи. Основні результати проведених досліджень доповідалися на III науково-технічному семінарі "САПР і АСУТП у хімічній промисловості" (Черкаси, 6-9 липня 1989 р.); на республіканській конференції "Підвищення ефективності використання паливно-енергетичних ресурсів у металургії" (Дніпропетровськ, 18-20 жовтня 1989 р.); на Всесоюзній науково-технічній конференції "Проблеми енергозбереження" (Київ, 1-3 жовтня 1991 р.); на Другій всесоюзній конференції "Теплообмін у парогенераторах" (Новосибірськ, 23-25 жовтня 1990 р.); на Всесоюзній науково-технічній конференції "Математичне моделювання в енергетиці" (Київ, 23-25 жовтня 1990 р.); на семінарі "Проблеми перетворення енергії і раціонального використання органічного палива в енергетиці" (Київ, 1-3 вересня 1992 р.); на III Мінському міжнародному форумі з тепломасообміну (Мінськ, 20-24 травня 1996 р.).

Публікації. За темою дисертації автором опубліковано 19 наукових праць, у тому числі: 9 статей у провідних фахових журналах, 5 статей у наукових збірниках та 5 тез доповідей на конференціях і семінарах.

Структура й об'єм дисертації. Дисертація складається з вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаної літератури і додатків. Загальний об'єм роботи 219 стор., у тому числі об'єм основного тексту 165 стор. Дисертація містить 56 малюнків і 9 таблиць. Список літератури включає 123 найменування.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтовується актуальність проблеми, формулюється мета і задачі дослідження, визначається наукова новизна і практичне значення отриманих результатів, наводяться відомості про їх реалізацію, а також про апробацію роботи і публікації за темою дисертації.

У першому розділі наводиться критичний огляд результатів опублікованих експериментальних і теоретичних досліджень різних типів турбулентних двофазових потоків. Особлива увага приділяється закономірностям процесів переносу в НП установки з ЦКШ. Підрозділ 1.1 присвячено аналізу експериментальних даних, отриманих на "холодних" установках із ЦКШ. Встановлено, що аеродинамічна структура НП (ПЗ) неоднорідна по перетину апарата. У центральній частині апарата спостерігається висхідний рух газодисперсного потоку (зона ядра), а поблизу стінки (кільцева зона (КЗ)) переважає спадний щільний потік частинок. У підрозділі 1.2 аналізуються найпростіші одновимірні моделі, що описують поведінку частинок у НП: однозонні, що враховують тільки висхідний рух двофазового потоку в ядрі; двозонні, які включають у себе висхідний потік суміші газу і частинок в ядрі і спадний щільний потік частинок у зоні біля стінок. Вважається, що КЗ утворюється за рахунок міграції частинок із ядра до стінки, яка викликана енергією вибуху пузирів на поверхні КШ. Підрозділ 1.3 присвячений методам моделювання двофазових турбулентних потоків. Описані методи осереднення мікрорівнянь, необхідних для одержання рівнянь гидродинаміки двофазового потоку в ейлеровому наближенні. Наводяться різні моделі замикання ейлерових рівнянь на основі напівемпіричної теорії шляху змішання Прандтля (Абрамович); використання рівнянь переносу турбулентної енергії газу k_g і швидкості її дисипації (Гавін, Elghobashi), рівнянь переносу різних кореляційних моментів параметрів частинок (Кондратьєв) і енергії їх хаотичного руху k_p (Милоєвич). Описані також дискретно-траєкторний метод розрахунку руху і нагрівання частинки в полі турбулентності та методи обчислення кореляційних моментів параметрів дисперсної фази і змішаних кореляцій. Підрозділ 1.4 присвячений аналізу моделей хаотичного руху частинок. Вважається, що поведінка дисперсної фази може бути описана в рамках кінетичної теорії щільних газів за допомогою рівнянь Больцмана і Енскога для функцій розподілу частинок, із яких можуть бути отримані рівняння збереження маси, імпульсу та хаотичної енергії (Ding, Gidaspow, Sinclair). Підрозділ 1.5 присвячений аналізу неізотермічних ММ, що містять у собі рівняння переносу з урахуванням хімічного реагування.

В другому розділі описується ММ гідродинаміки і фізико-хімічних процесів, алгоритм розрахунку і наводяться результати числових досліджень стосовно до НП реактора з ЦКШ. Підрозділ 2.1 присвячений постановці задачі, побудові системи диференціальних рівнянь і алгоритму її реалізації, виведенню формули для осередненої сили міжчастинкових зіткнень . Обговорено допущення, прийняті при побудові ММ. Стехіометрична схема реакцій враховує взаємодію коксових частинок із , , , а також гомогенні реакції "водяного зсуву", конверсії і . ММ являє собою одновимірну стаціонарну систему "жорстких" диференціальних рівнянь масопереносу, руху та енергії для кожної фази

; (1)

; (2)

; (3)

; (4)

; (5)

; (6)

. (7)

Тут враховуються гетерогенні і гомогенні хімічні реакції, градіент тиску, сили тяжіння, міжфазової і міжчастинкової взаємодії, тертя об стінку, теплообмін конвекцією і випромінюванням, тепловий ефект хімічних реакцій. кінетичний гідродинамічний двофазовий реактор

На підставі отриманої системи рівнянь був розроблений алгоритм і програма розрахунку, за допомогою якої в підрозділі 2.2 чисельно досліджувався вплив різних параметрів на процес горіння АШ у НП реактора з ЦКШ.

Третій розділ присвячений побудові комплекса двовимірних стаціонарних ММ руху висхідного двофазового потоку в ЗП. Розглядаються два варіанти моделей: у I варіанті при аналізі руху частинок враховуються тільки турбулентні ефекти, у II - як турбулентні, так і псевдотурбулентні.

Підрозділи 3.1 - 3.3 присвячені розробці I варіанту ММ, алгоритму і програми розрахунку, числовим дослідженням. На основі рівнянь механіки суцільного середовища методом просторового і часового осереднення отримана система рівнянь, що описує ізотермічний вісесиметричний рух газу і полідисперсних частинок у ЗП у наближенні вузького каналу

; (8)

; (9)

; (10)

; (11)

. (12)

Для визначення коефіцієнта турбулентної кінематичної в'язкості газу використовується рівняння переносу турбулентної енергії несучого середовища

. (13)

Кореляційні моменти, які присутні у (8 ) - (13), обчислюються за допомогою градієнтного підходу

; (14)

і методу локально-однорідного наближення (за відомими із (13) значеннями k_g), розробленого Гавіним і Шрайбером ( ). Для замикання системи рівнянь (8) - (13) задаються граничні умови на осі

; (15)

і стінці каналу

, , . (16)

На основі системи (8) - (13) були побудовані алгоритм і програма розрахунку, за допомогою якої проводилося тестування ММ, а також числові дослідження особливостей аеродинаміки ЗП. Показано, що при малих концентраціях частинок розрахункові значення добре співпадають з експериментальними даними. Однак із збільшенням , коли k_g 0, спостерігаються значні розбіжності з експериментом. У зв'язку з цим була висунута гіпотеза про те, що основним механізмом перемішування твердої фази при великих є псевдотурбулентна енергія частинок, обумовлена міжчастинковою взаємодією за рахунок їх осередненого руху.

У підрозділах 3.4, 3.5 на основі висунутої гіпотези розроблена більш загальна ММ хаотичного (турбулентного і псевдотурбулентного) руху частинок, що спроможна адекватно описувати поведінку двофазового потоку у широкому діапазоні зміни . Для цього необхідно отриману систему рівнянь (8) - (13) доповнити рівнянням збереження хаотичної енергії частинок, яке б містило в собі обидва механізми переносу (варіант II).

Вивід цього рівняння базується на використанні рівняння актуального руху частинок

. (17)

Замість актуальних значень у (17) підставляються їх складові (осереднена і пульсаційна) і проводиться осереднення за часом, що призводить до рівнянь осередненого і пульсаційного руху частинок. Останнє має вигляд

(18)

Далі (18) проектується на осі координат, і кожна з проекцій домножується на відповідне значення пульсаційної складової швидкості частинки. Таким чином отримуються рівняння переносу складових пульсаційної енергії, яке, наприклад, у радіальному напрямку має вигляд

. (19)

Складання рівнянь типу (19) по трьох осях з урахуванням осьової симетрії задачі і наближення примежового шару, при умові нехтування пульсаціями концентрації приводить до шуканого рівняння збереження хаотичної енергії:

. (20)

Перший член правої частини враховує пульсаційний перенос енергії, другий - генерацію за рахунок турбулентних ефектів, останні - генерацію і дисипацію, обумовлені аеродинамічною силою і міжчастинковою взаємодією. Для визначення розглядається взаємодія двох частинок: в та і. Передбачається, що частинки в рівномірно обстрілюють поверхню частинки і, тобто розглядається сферично симетрична задача. Тоді лінійна швидкість частинки і після удару може бути обчислена виходячи з виразу

; . (21)

Якщо (21) спроектувати на радіальну ось, а потім квадрат цієї проекції осереднити по чверті південної півкулі частинки і, отримується вираз для генерації псевдотурбулентної енергії частинок за рахунок одиничного удару

. (22)

В результаті були виведені вирази для генерації і дисипації псевдотурбулентної енергії для випадків моно- і полідисперсних частинок

; ; . (23)

Для замикання системи рівнянь (8) - (13), (20) задаються граничні умови на стінці та осі каналу для рівняння (20)

; . (24)

Підрозділ 3.6 присвячений числовим дослідженням особливостей аеродинаміки ЗП.

Розділ 4 присвячений побудові двовимірної ММ руху, тепломасообміну і горіння коксозольної суміші у ЗП НП реактора з ЦКШ. Дана ММ була побудована на основі моделі хаотичного руху частинок. На відміну від попередньої ММ, праві частини рівнянь нерозривності для газу і коксових частинок (подібно (1), (2)) враховують гетерогенні хімічні реакції. Праві частини рівнянь (10), (13) доповнюються доданками, що враховують розгін речовини, отриманої за рахунок гетерогенного горіння , а також додаткову дисипацію турбулентної енергії газу внаслідок поверхневого реагування . Отримана система рівнянь повинна бути доповнена:

рівняннями збереження енергії для кожної фази

; (25)

; (26)

, (27)

виразами для визначення кореляційних моментів (подібно до гіпотези Буссинеска) і граничними умовами на осі і стінці каналу

; ; . (28)

Розділ 5 присвячений побудові стаціонарних двовимірних ММ руху в ПЗ НП установки з ЦКШ. Розглядаються два варіанти моделей в залежності від схеми потоку дисперсної фази: у першому варіанті у рамках ММ хаотичного руху частинок розглядається їх висхідний рух із змінною витратою по висоті (однозонна модель); у другому - двозонна модель стабілізованого руху дисперсної фази (ядро - кільце).

У підрозділі 5.1, де розглядається однозонна ММ, особлива увага приділяється побудові граничних умов на межі розділу двох зон (ядро - кільце) у залежності від значення об'ємної концентрації частинок у КЗ. Розглянуто два випадки: 1) 85; 2) У першому випадку частинки з ядра, що підлітають до стінки, не в змозі проникнути всередину КЗ. У залежності від зміни витрати частинок (уздовж аксіальної координати z) частина з них концентрується на зовнішній межі КЗ, а інша - відбиваючись від неї, повертається до ядра. У другому випадку, в залежності від напрямку радіальної швидкості, надбаної в результаті взаємодії з частинками КЗ і ступеня екранування, частинки ядра здатні проникати всередину КЗ, а інші повертаються до ядра. З урахуванням сказаного граничні умови для , і мають вигляд

; ( = , ); (29) . (30)

Формула (30) отримана з урахуванням генерації за рахунок міжчастинкової взаємодії, що відрізняє її від відомих виразів. У підрозділі 5.3 розглядається двозонна ММ, що була побудована на основі моделі хаотичного руху частинок стосовно до стабілізованої ділянки потоку . На відміну від базової моделі сила аеродинамічного опору при великих обчислюється подібно рівнянню Ергуна.

Це пов'язано насамперед із зменшенням концентрації твердої фази, що, у свою чергу, інтенсифікує турбулентний механізм перемішування.

Результати виконаних розрахунків якісно добре погоджуються з експериментальними дослідженнями (Bader, Hartge, Yang).

У додатках описані наближені інженерні методи розрахунку апаратів з КШ і ЦКШ, які використовуються на етапі ескізного проектування та дають початкову інформацію для застосування моделей, розглянутих вище.

Висновки

У дисертації проведено теоретичне узагальнення і розв'язання науково-технічної проблеми розробки моделей, алгоритмів і програм для розрахунку процесів переносу в надшаровому просторі реактора з ЦКШ, що відрізняються ретельним урахуванням турбулентних і псевдотурбулентних ефектів. Запропоновані методи розрахунку дозволяють отримати детальну інформацію про розподіл найважливіших параметрів робочого процесу в реакторі, що необхідно для конструювання, удосконалення та оптимізації установок для термохімічної переробки низькосортного твердого палива.

1. На основі ейлерового підходу побудований комплекс моделей руху, тепломасообміну і горіння висококонцентрованого полідисперсного ансамблю частинок. Головними відмінностями від існуючих моделей є:

урахування обох механізмів переносу: турбулентного і псевдотурбулентного походження, шорсткості і полідисперсності частинок;

псевдотурбулентний механізм переносу враховує енергію, обумовлену хаотичним і осередненим рухом частинок;

можливість використання моделей у широкому діапазоні зміни параметрів, характерному для апаратів із ЦКШ: швидкість газу 3,5 - 10 м/с; масова швидкість твердої фази до 180 кг/(м²c) ; об'ємна концентрація частинок до 2 - 2,5 % у ядрі потоку і до 30 - 40 % у кільцевій зоні; діаметр частинок від 60 - 100 мкм до 2 - 2,5 мм.

Отримано рівняння переносу енергії хаотичного руху частинок.

Отримані формули для генерації і дисипації енергії хаотичного руху полі- і моно-дисперсних частинок, осередненої сили міжчастинкових зіткнень, коефіцієнтів псевдо-турбулентного переносу "газу" частинок.

Проведено числове дослідження руху висококонцентрованого полідисперсного двофазового потоку у надшаровому просторі установки з ЦКШ:

- показано, що зі зміною діаметра установки, витрати дисперсної фази і розміру частинок відбувається перебудова концентраційних, швидкісних і температурних полів фаз. При цьому, у залежності від вибору початкових умов, максимальні значення параметрів фаз (швидкість, пульсаційна енергія, концентрація) можуть розташовуватися або на осі каналу, або у периферійній області;

показано вплив міжчастинкових зіткнень, витрати золових частинок, початкової концентрації окислювача, фракційного складу коксових фракцій і температури стінки на температуру фаз і ступінь вигоряння коксових частинок;

установлено, що при великих концентраціях частинок, коли турбулентна енергія газу мала, основним механізмом переносу є псевдотурбулентная енергія частинок, що підтверджується дослідними даними;

показано, що в ядрі має місце висхідний рух, а на периферії - спадний потік частинок. При цьому середня швидкість частинок з ядра може перевищувати середню швидкість газу, віднесену до всього перетину перехідної зони. Зі збільшенням координати z відбувається вирівнювання профілю аксіальних швидкостей частинок.

Комплекс побудованих моделей і результати числових досліджень можуть бути використані при конструюванні апаратів із ЦКШ на різних стадіях проектування.

Результати роботи використані в КБ "Південне" (м. Дніпропетровськ, Україна) при створенні установки ЦКШ-1.0, Харківському ЦКБ (Україна) при розробці проекту реконструкції котла Миронівської ТЕС потужністю 125 МВт і ВТІ (м. Москва, Росія) при проектуванні котла ЦКШ для Курахівської ТЕС паропродуктивністю 500 т/год.

Список основних опублікованих праць за темою дисертації

Шрайбер А. А., Рохман Б. Б. К аэродинамике надслоевого пространства реактора с циркули-рующим кипящим слоем // Промышленная теплотехника. - 1994. - Т. 16, № 4-6. - С. 110-118.

Корчевой Ю. П., Майстренко А. Ю., Пацков В. П., Рохман Б. Б., Куличенко В. В. Системный анализ процессов термохимической переработки угля в установках с циркулирующим кипящим слоем // Энергетика и электрификация. - 1995. - № 1. -С. 41-45.

Шрайбер А. А., Рохман Б. Б, Харченко А. В. К математическому моделированию эволюции состояния горящих частиц в псевдоожиженном слое // Промышленная теплотехника. - 1996. - Т. 18, № 1. - С. 86-91.

Шрайбер А. А., Рохман Б. Б. О тепловом режиме охладителя сливной золы кипящего слоя // Промышленная теплотехника. - 2002. - Т. 24, № 6. -C. 21-24.

Шрайбер А. А., Рохман Б. Б., Редькин В. Б. О влиянии различных факторов на процесс горения кокса в восходящем высококонцентрированном полидисперсном потоке // ИФЖ - 1991. - Т. 60, № 2. - С. 225-231.

Рохман Б. Б., Шрайбер А. А. Математическое моделирование аэродинамики и физико-хими-ческих процессов в надслоевом пространстве топки с циркулирующим кипящим слоем. Часть I. Постановка задачи. Основные уравнения аэродинамики // ИФЖ. - 1993. - Т. 65, № 5. - С. 521-526.

Рохман Б. Б., Шрайбер А. А. Математическое моделирование аэродинамики и физико-химических процессов в надслоевом пространстве топки с циркулирующим кипящим слоем. Часть II. Взаимодействие частиц (псевдотурбулентность) // ИФЖ. -1994. - Т. 66, № 2. - С. 159-167.

Рохман Б. Б., Шрайбер А. А. Математическое моделирование аэродинамики и физико-хими-ческих процессов в надслоевом пространстве топки с циркулирующим кипящим слоем. Часть III. Граничные условия. Некоторые численные результаты // ИФЖ. - 1994. - Т. 66, № 6. - С. 681-688.

Рохман Б. Б., Шрайбер А. А. Математическое моделирование аэродинамики и физико-химических процессов в надслоевом пространстве топки с циркулирующим кипящим слоем. Часть IV. Тепломассообмен и горение // ИФЖ. - 1994. - Т. 67, № 1-2. - С. 32-38.

Пацков В.П., Веденьев А.Н., Чернявский Н.В., Рохман Б.Б. Математическое моделирование процессов сжигания-газификации полидисперсных пылевидных углей в дисперсионных потоках // Респ. межвед. сб. науч. трудов “Проблемы энергосбережения”. - Киев: Наукова думка, 1990. - № 3 - С. 42-50.

Рохман Б. Б., Редькин В. Б., Майстренко А. Ю. Математическое моделирование горения полифракционного твердого топлива высокой концентрации в надслоевом пространстве установок с циркулирующим кипящим слоем // Респ. межвед. сб. науч. трудов “Проблемы энергосбережения”. - Киев: Наукова думка, 1990. - № 4. - С. 43-48.

Рохман Б. Б. Двумерная математическая модель горения полидисперсного ансамбля частиц твердого топлива в высококонцентрированном турбулентном потоке // Сб. научн. трудов “Тепло- и энергосбережение, теплометрия”. - Киев. -1990. - С. 24-31.

Шрайбер А. А., Рохман Б. Б. Математическое моделирование тепломассообменных процессов при сжигании и газификации твердых топлив в циркулирующем кипящем слое // Тепломассообмен-ММФ. - Минск.

У працях [1, 6-9] автором розроблено комплекс двовимірних ММ аеродинаміки і фізико-хімічних процесів, відповідних алгоритмів і програм, а також проведено широке числове дослідження. У працях [2, 10] автор приймав участь у розробці одновимірних ММ. У працях [3, 13] здобувачем отримано рівняння для функції розподілу частинок за масовими концентраціями вуглецю в КШ та його розв'язки. У праці [4] розроблена інженерна методика розрахунку теплового режиму охолоджувача зливної золи з КШ. У працях [5, 11] автору належать ММ процесів переносу, алгоритм, комп'ютерна програма та аналіз числових результатів.

Основні умовні позначення

z, r - аксіальна і радіальна координати; ц - трансверсальна координата, кут; u, v, w - аксіальна, радіальна и трансверсальна компоненти швидкості; B - витрата; - дисипація турбулентної енергії газу за рахунок присутності частинок; , - перетин і діаметр апарата; с - густина; ; ; м - коефіцієнт динамічної в'язкості; a - постійна спаду, стехіометричний коефіцієнт; L - довжина вільного пробігу; - сумарна сила аеродинамічного опору і Сафмена; D - коефіцієнт дифузії; , - коефіцієнти відновлення нормальних і тангенціальних складових швидкостей при ударі; ; P - тиск; T, t - температура; m - маса; - коефіцієнт аеродинамічного опору; R - швидкість хімічних реакцій, радіус апарата; C - мольна концентрація, емпірична константа; M - кількість фракцій; Q - тепловий ефект реакції; - коефіцієнт дифузійного масообміну, частка частинок, які пройшли у кільцеву зону; Pr - число Прандтля; f - коефіцієнт тертя; - одиничний вектор, спрямований уздовж лінії удару; N - частота ударів; c - питома теплоємність; - коефіцієнт тепловіддачі конвекцією; - приведений ступінь чорноти; - постійна Стефана-Больцмана; у, , - емпіричні константи; n, - рахункова і об'ємна концентрація частинок; - ефект одиничного удару; h - ентальпія; - генерація турбулентної енергії газу в слідах за частинками; - діаметр; f₂, f₃, f₄, f₈ - коефіцієнти відновлення пульсаційної енергії частинок. Індекси (верхні): ? - осереднення за часом; ' - пульсаційна складова величини при осередненні за часом; < > - осереднення по масі, геометричних розмірах, простору; w - параметр на поверхні; 0 - значення величини після удару. Індекси (нижні): p - частинка; 0 - значення відноситься до вхідного перетину; g - газ; У - значення відноситься до суми; w-, w, w+ - параметри поблизу межі, на межі і за межою; t - значення відноситься до турбулентного потоку; a - значення відноситься до аеродинамічної сили, до осі потоку; q - номер реакції; k - кокс; d - зола; m - параметр відноситься до компонентів газу, до середнього значення; c - значення відноситься до міжчастинкових зіткнень, до коефіцієнта конвективного теплообміну; п - значення відноситься до потоку; э - параметр відноситься до еквівалентного значення; в, г, i, j - номер фракції частинок.

АНОТАЦІЯ

Рохман Б.Б. Моделювання процесів переносу в надшаровому просторі реактора з циркулюючим киплячим шаром - Рукопис. Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук із спеціальності 05.14.06 - технічна теплофізика і промислова теплоенергетика. Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут", Київ, 2003.

На основі уявлень механіки суцільного середовища в ейлеровому наближенні побудовано комплекс математичних моделей (ММ) процесів переносу в надшаровому просторі (НП) реактора з циркулюючим киплячим шаром (ЦКШ). Висунуто гіпотезу про те, що основним механізмом перемішування частинок при великих концентраціях дисперсної фази є псевдотурбулентна енергія, обумовлена міжчастинковою взаємодією за рахунок їх осередненого руху. На її основі з урахуванням турбулентних ефектів побудоване рівняння переносу хаотичної енергії частинок, що дозволило істотно розширити діапазон застосування ММ у порівнянні з відомими. Отримані вирази для генерації і дисипації турбулентної енергії газу за рахунок сили опору і псевдотурбулентної енергії твердої фази для випадків моно- і полідисперсних частинок. Результати числових досліджень добре погоджуються з експериментом, що підтверджує обгрунтованість висунутої гіпотези. Показано, що структура перехідної зони НП складається з висхідного потоку суміші газу і частинок в ядрі і спадного щільного потоку частинок біля стінок. Розроблені і впроваджені нові методи розрахунку процесів переносу стосовно до НП реактора з ЦКШ.

Ключові слова: циркулюючий киплячий шар, надшаровий простір, псевдотурбулентність, турбулентність, частинка, математична модель, зіткнення, полідисперсність.

SUMMARY

Rokhman B.B. Modeling of transfer processes in the freeboard of a reactor with a circulating fluidized bed - Manuscript. Thesis for Candidate's degree (Engineering) on the speciality 05.14.06 - Technical thermophysics and industrial power engineering. National Technical University of Ukraine "Kiev Polytechnic Institute", Kiev, 2003.

On the basis of continuum mechanics, in Eulerian approximation, we construct a family of mathematical models (MM) of transfer processes in the freeboard of a reactor with a circulating fluidized bed (CFB). We advance a hypothesis that the main mechanism of particle mixing at high disperse-phase concentrations is connected with their pseudoturbulent energy caused by particle-particle interaction at the expense of their averaged motion. On this basis, taking into account the turbulence effects, we derive the equation of conservation of particle chaotic energy, which enables one to essentially expand the range of application of our MM as compared with the known ones. Expressions for the generation and dissi-pation of gas turbulent energy due to the drag force and pseudoturbulent energy of particles for the cases of mono- and polydisperse particles have been obtained. The results of our numerical investigations are in good agreement with experimental data, confirming thereby the validity of the advanced hypothesis. We show that the transition zone of the freeboard consists of an ascending gas-particle flow in the core and a descending dense flow of particles near the walls. New methods of computation of transfer processes in the freeboard of a reactor with a CFB are developed and introduced.

Key words: circulating fluidized bed, freeboard, pseudoturbulence, turbulence, particle, mathematical model, collisions, polydispersity.

АННОТАЦИЯ

Рохман Б.Б. Моделирование процессов переноса в надслоевом пространстве реактора с циркулирующим кипящим слоем. - Рукопись. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.14.06 - Техническая теплофизика и промышленная теплоэнергетика. Национальный технический университет Украины "Киевский политехнический институт", Киев, 2003.

Показано, что для переработки низкосортных высокозольных топлив типа АШ необходимо использовать высокоэффективные технологии, такие как циркулирующий кипящий слой (ЦКС). Отличительной особенностью таких систем является высокая концентрация частиц и их полидисперсность, что существенно усиливает эффекты межчастичных соударений, а также взаимодействие частиц со стенкой. Отмечается, что концентрация частиц существенно изменяется по высоте установки. Для конструирования подобных установок необходимо иметь надежные методы расчета, учитывающие особенности процессов, протекающих в ЦКС. Анализ существующих математических моделей (ММ) показал, что ни одна из них не в состоянии в полной мере описывать процессы переноса в широком диапазоне изменения концентраций частиц.

На основе представлений механики сплошной среды в эйлеровом приближении построено семейство ММ (одномерных и двумерных) процессов переноса в надслоевом пространстве (НП) реактора с ЦКС. Отличительной особенностью одномерной ММ по сравнению с известными моделями является учет осредненной силы межчастичного взаимодействия, что существенно влияет на температуру, время пребывания и степень выгорания коксовых частиц (особенно крупных). Отмечается, что зависимость степени выгорания коксовых частиц от их диаметра имеет минимум, обусловленный, с одной стороны, реакционной поверхностью, с другой - временем пребывания. Показана возможность транспорта высококонцентрированным потоком крупных частиц, у которых сила тяжести превышает силу аэродинамического сопротивления, что существенно расширяет фракционный состав твердой фазы в НП реактора с ЦКС. Исследованы методы регулирования температуры потока в НП за счет изменения концентрации золы и кислорода.

Система двумерных осесимметричных осредненных уравнений переноса получена путем применения процедуры Рейнольдса к актуальным уравнениям сохранения массы, импульса и энергии. Показано, что область применения моделей, учитывающих только турбулентные эффекты, ограничена малыми концентрациями частиц. Выдвинута гипотеза о том, что основным механизмом перемешивания частиц при больших концентрациях дисперсной фазы, когда турбулентная энергия газа мала, является псевдотурбулентная энергия, обусловленная межчастичным взаемодействием за счет их осредненного движения. На ее основе, с учетом турбулентных эффектов, построено уравнение переноса хаотической энергии частиц, что позволило существенно расширить диапазон применения ММ по сравнению с известными. Получены выражения для осредненной силы межчастичных соударений, генерации и диссипации турбулентной энергии газа за счет силы сопротивления и псевдотурбулентной энергии частиц для случаев моно- и полидисперсных частиц. Результаты численных исследований хорошо согласуются с экспериментом, что подтверждает обоснованность выдвинутой гипотезы. Исследовано влияние концентрации и диаметра частиц, размера аппарата на характер концентрационных, скоростных и температурных полей фаз. Показано, что с увеличением концентрации частиц и диаметра аппарата, уменьшением диаметра коксовых частиц, при фиксированном размере золовых, происходит перестройка профилей аксиальных скоростей фаз - смещение максимальных значений от оси к периферии. Отмечается, что на формирование температурных полей фаз оказывает значительное влияние температура стенки. При этом температура дисперсной фазы у стенки существенно превышает температуру газа, что связано прежде всего с переносом пульсационной энергии частиц, обусловленным механизмом псевдотурбулентности.

На основе ММ хаотического движения частиц, с учетом особенностей переходной зоны (ПЗ) построены однозонная и двухзонная аэродинамические модели. Получено граничное условие для пульсационной энергии частиц на границе раздела зон (ядро - кольцо) с учетом генерации псевдотурбулентной энергии. Показано, что с увеличением продольной координаты ПЗ происходит выравнивание поля аксиальных скоростей частиц за счет интенсификации перемешивания, связанного с уменьшением концентрации дисперсной фазы, обусловленным миграцией частиц из ядра в кольцевую зону. С помощью двухзонной ММ показано, что аксиальные скорости частиц в ядре превышают среднюю скорость газа, осредненную по всему сечению ПЗ, что связано с уменьшением сечения для прохода газа за счет наличия кольцевой зоны. Разработаны и внедрены новые методы расчета процессов переноса применительно к НП реактора с ЦКС.

Ключевые слова: циркулирующий кипящий слой, надслоевое пространство, псевдотурбулентность, турбулентность, частица, математическая модель, соударения, полидисперсность.

Размещено на Allbest.ru

...