Диссертация (Закономерности тепломассообмена в закрытом двухфазном термосифоне для агрегата распылительной сушки)

Федеральное государственное бюджетное образовательноеучреждение высшего образования«Российский государственный университет им. А. Н. Косыгина(Технологии. Дизайн. Искусство)»На правах рукописиБОРОДИНА ЕЛЕНА СЕРГЕЕВНАЗАКОНОМЕРНОСТИ ТЕПЛОМАССООБМЕНА В ЗАКРЫТОМДВУХФАЗНОМ ТЕРМОСИФОНЕ ДЛЯ АГРЕГАТАРАСПЫЛИТЕЛЬНОЙ СУШКИ05.17.08 – Процессы и аппараты химических технологийДиссертацияна соискание ученой степеникандидата технических наукНаучный руководитель:Доктор технических наук, профессорТюрин Михаил ПавловичМосква – 20172СОДЕРЖАНИЕВВЕДЕНИЕ .....................................................................................................................

4ГЛАВА1.ОБЗОРПОСВЯЩЕННЫХИАНАЛИЗЛИТЕРАТУРНЫХИССЛЕДОВАНИЮТЕПЛОВЫХИСТОЧНИКОВ,ТРУБИТЕРМОСИФОНОВ ....................................................................................................... 101.1. Классификация и особенности работы тепловых труб и термосифонов ...... 101.2. Анализ факторов, лимитирующих работу тепловых труб ............................. 131.3.

Конструктивные характеристики термосифонов ............................................ 221.4. Анализ эффективности работы термосифонов................................................ 26ГЛАВА2.АНАЛИТИЧЕСКИЕИССЛЕДОВАНИЯПРОЦЕССОВТЕПЛОМАССОПЕРЕНОСА В ДВУХФАЗНОМ ЗАКРЫТОМ ТЕРМОСИФОНЕ 392.1 Математическое описание процессов тепломассопереноса в ЗДТ ................ 392.2 Аналитические исследования характеристик тепломассопереноса в закрытомдвухфазном термосифоне .........................................................................................

452.3 Результаты аналитических исследований теплофизических процессов вЗДТ .............................................................................................................................. 50ГЛАВА3.ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕИССЛЕДОВАНИЯПРОЦЕССОВТЕПЛОМАССООБМЕНА В ДВУХФАЗНОМ ЗАКРЫТОМ ТЕРМОСИФОНЕ ... 623.1 Экспериментальная установка и результаты исследований процессовпереноса в термосифоне ...........................................................................................

623.2 Результаты исследований процессов переноса в экспериментальныхобразцах двухфазных закрытых термосифонов ..................................................... 703.3 Оценка погрешности измерений тепловых характеристик аппарата ............. 78ГЛАВА4.КОНСТРУКЦИЯУСТАНОВКИИИНЖЕНЕРНЫЙМЕТОДРАСЧЕТА ...................................................................................................................... 854.1 Конструкция опытно-промышленного образца ............................................... 854.2Исследованияхарактеристикопытно-промышленногообразцатермосифона ...............................................................................................................

884.3 Инженерный метод расчета ................................................................................ 9934.3.1Расчеткоэффициентатеплоотдачиотнаружнойстенкитрубкиконденсатора к нагреваемой жидкости ................................................................. 1044.3.2 Расчет коэффициента теплоотдачи от пара к внутренней стенке трубкиконденсатора ............................................................................................................

1054.3.3 Расчет коэффициента теплоотдачи от греющего газа к наружной стенкетермосифона ............................................................................................................. 1114.3.4 Расчет коэффициента теплоотдачи от стенки трубы к кипящейжидкости...................................................................................................................

1124.3.5 Учет оребрения наружных поверхностей нагрева термосифона ............... 1154.4 Реконструкция производства фосфатов с использованием ЗДТ .................. 120ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ .............................................................. 127УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ ................................................................................. 128СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ .................................................

129ПРИЛОЖЕНИЯ .......................................................................................................... 1434ВВЕДЕНИЕАктуальность работыПроизводства предприятий пищевой, химической и имеющих отделочноепроизводствотекстильнойилёгкойпромышленностихарактеризуютсязначительным потреблением тепловой энергии. При этом производство ипотребление теплоты сопровождается существенными тепловыми потерями исопутствующим загрязнением природной среды. Резервы экономии топливноэнергетических ресурсов (ТЭР) могут достигать 70 и более процентов от всеготехнологического теплопотребления [1].В тоже время, согласно федеральной программе энергосбережениеформирование в России энергоэффективного общества - это неотъемлемаясоставляющая развития экономики России по инновационному пути.

Переход кэнергоэффективному варианту развития должен быть совершен в ближайшиегоды, иначе экономический рост будет сдерживаться из-за высоких цен иснижения доступности энергетических ресурсов. Исходя из этого, разработкаэнергосберегающих конструкций аппаратов и переход на менее энергоемкиесхемы производственных процессов является приоритетной задачей развитиялюбого производства.В соответствии с изложенным важнейшей задачей в химической и лёгкойпромышленностиявляетсяреализациямалоотходныхтехнологийпутемреализации возможных резервов экономии тепловой энергии, снижения сырьевыхпотерь и реализации возможных резервов экономии тепловой энергии. Одними изнаиболее энергоёмких процессов на химических и текстильных предприятияхявляются процессы распылительной сушки, характеризующиеся значительныминерациональными затратами тепловой энергии и загрязнением окружающейсреды [2, 3].

В качестве сушильного агента зачастую используются дымовые газы(с температурой около 600 °С) специально сконструированной для этих целейтопки, использующей в качестве топлива природный газ. При этом теплотадымовых газов используется не рационально. Так, например, на ОАО«РЕАТЭКС»вцехепопроизводствупищевыхфосфатоввагрегате5распылительной сушки нагрев фосфатных растворов, подлежащих обработке,осуществляется за счет теплоты насыщенного пара с температурой 140 °С отстороннего источника теплоты (в данном случае – ТЭЦ).

Такое теплоснабжениеприводит к неоправданным тепловым и материальным потерям. Целесообразнымявляетсяиспользованиедляэтихцелейтеплотытопочных газов,т.е.использование одного источника теплоты.Сцельюсниженияэнергоемкостипроизводства,повышенияегоэкологичности, а также из-за постоянно растущих цен на энергоресурсы, былопринято решение о проведении реконструкции и осуществлении измененийтехнологической схемы производства.Одним из важных элементов реконструкции технологической схемыпроизводства стал отказ от использования стороннего источника теплоты (пара).В качестве альтернативного источника тепловой энергии, необходимой на стадииприготовления растворов фосфатов, было решено использовать энергиютопочных отходящих газов.

По технологии приготовления растворов и с учетомтепловогоэффектареакциинейтрализацииобщееколичестватеплоты,необходимой для устойчивой работы установки составляет величину – 73 кВт.Количество энергии, переносимое топочными газами, значительно большеуказанной величины, необходимой для нагрева рабочих растворов на стадии ихприготовления по предложенной схеме. Таким образом, имеется возможностьосуществлятьнагреврастворовфосфатоввтехнологическойлиниираспылительной сушки за счет теплоты топочных газов без существенногоувеличения расхода газа, идущего на сжигание.

При этом, как показал анализ сучетом технологических особенностей производства, для реализации требуемыхэнергосберегающихтеплообменноготеплопередающеймероприятийаппаратавозникланебольшихспособностью[4,необходимостьгабаритныхвиспользованияразмеровсоавторствессвысокойСажиным Б. С.,Отрубянниковым Е.В., Кесояном Г.

А.]. [4].Анализ литературных и патентных источников показал, что наиболееперспективным решением в данном направлении является использование6закрытогодвухфазногораспылительнойтермосифонасушки.Данноенепосредственнорешениевсамомпотребовалоагрегатепроведениядополнительных исследований с целью обеспечения требуемых характеристиктакого аппарата.Необходимостьнаправленныхнаиважностьснижениепроведенияэнергетическихиуказанныхисследований,материальныхзатратнапроизводство, и определяют актуальность данной работы.Диссертационная работа проводилась в соответствии с планами научноисследовательских работ кафедры «Промышленная экология и безопасность»ФГБОУ ВО «Российский государственный университет им. А. Н.

Косыгина(Технологии. Дизайн. Искусство)».Цель работы заключалась в разработке на основе теоретических иэкспериментальныхисследованийконструкциизакрытогодвухфазноготермосифона и инженерных методов его расчёта для утилизации теплотывысокотемпературных дымовых газов топки и повышения эффективностипроцессов переноса теплоты и снижения энергетических затрат на проведениетепломассообменных процессов.Поставленнаяцельдостигаетсярешениемследующихнаучныхитехнических задач:разработкой математического описания процессов переноса теплоты отгреющеготеплоносителякнагреваемомупосредствомпромежуточноготеплоносителя в двухфазном закрытом термосифоне;получением применительно к двухфазному закрытому термосифонучисленного решения системы дифференциальных уравнений для определенияэффективности теплопереноса в зависимости от ряда влияющих факторов;проведениемадекватностиэкспериментальныхпредложенныхисследованийматематическихдляподтвержденияописанийпроцессовтепломассопереноса в закрытом двухфазном термосифоне и уточнения егогеометрических и теплофизических характеристик;разработкойконструкциизакрытогодвухфазноготермосифонадля7утилизации теплоты высокотемпературных дымовых газов топки;разработкойинженерныхметодоврасчетадвухфазногозакрытоготермосифона и алгоритмов их реализации.Основными, наиболее значимыми, с точки зрения научной новизны,результатами, полученными при решении перечисленных выше задач, являютсяследующие:предложеноматематическоеописаниепроцессовтепломассообменаприменительно к закрытому двухфазному термосифону с регулируемымтеплопереносом с учетом взаимодействия с внешней средой в условиях,близких к реальным, позволяющее определить эффективность протекающих внём процессов;применительнокзакрытомудвухфазномутермосифонуполученочисленное решение системы дифференциальных уравнений сохранениямассы, энергии и импульса (уравнения Навье - Стокса) с учетом реальныхусловий однозначности для определения эффективности теплопереноса взависимости от ряда влияющих факторов;на основе проведённых экспериментальных исследований процессовтепломассопереноса в двухфазном закрытом термосифоне с регулируемымтеплопереносом получена уточненная критериальная зависимость числаНуссельта для внешней задачи при обтекании испарителя термосифона;разработанаоригинальнаяконструкциязакрытогодвухфазноготермосифона с регулируемым теплопереносом, защищённая двумя патентамина изобретение № 2473856 и № 2532061 [5, 6, совместно с Зиновьевым В.