ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПРОЦЕССА ПСЕВДООЖИЖЕНИЯ В ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВКАХ
К 110-летию СПбГУ ИТМО
УДК 536.24:66.096.5
Г. Н. ДУЛЬНЕВ, Н. В. ПИЛИПЕНКО, В. П. ХОДУНКОВ
ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПРОЦЕССА ПСЕВДООЖИЖЕНИЯ В ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВКАХ
Рассматривается актуальность тепловых измерений для исследования динамики процессов псевдоожижения, применяемых в современных энерготехнологиях. Приводятся основные методы и устройства для измерения теплофизических и структурно-гидродинамических параметров систем.
Ключевые слова: псевдоожижение, тепловые измерения, нестационарные методы, пульсации температуры, тепловой поток, ресурсосбережение.
Современными особенностями развития мировой энергетики являются резкое ужесточение экологических требований, переход на высокоэффективные энергоресурсосберегающие технологии и попытки поиска альтернативных источников энергии. Сегодня основной вклад в мировое производство электроэнергии дает уголь (40 %), заметно меньше — газ (19 %), атомная энергия и гидроэнергетика (по 16 %). И в будущем (прогноз до 2030 г.) уверенное лидерство по приросту генерирующих мощностей будет принадлежать углю, далее идут газ, гидроэнергия, возобновляемые источники (биомасса и отходы, ветер, солнечная энергия, геотермальное и сбросное тепло), и совсем небольшая роль отводится атомной энергии. В России наибольший вклад в производство электрической энергии вносит газ (46 %) и лишь 18 % — уголь.
Однако ситуация в России начинает изменяться в сторону общемировых тенденций, о чем свидетельствует официально принятая „Энергетическая стратегия развития России на период до 2020 года“ [1].
В соответствии с данной стратегией необходимо создавать горелочные устройства для низкотемпературного сжигания (при температуре 600—700 °С) твердого и жидкого топлива в псевдоожиженном слое катализатора, предназначенные, главным образом, для муниципальных нужд [2]. Создание топочных устройств на базе ныне действующих теплоэлектростанций особенно актуально для районов Поволжья и Сибири. Довольно остро также стоит проблема оптимизации и ресурсосбережения в таких энергоемких производствах, как обжиг руд и нерудных материалов, термообработка, сушка, катализ, пиролиз, кристаллизация, основанных на применении принципа псевдоожижения. Это актуально для электронной промышленности (выращивание кристаллов редкоземельных металлов), фармацевтики, химической промышленности (производство минеральных удобрений, серной и азотной кислоты) и т.д. Например, в последнее время активно разрабатываются кристаллизаторы-грануляторы псевдоожиженного слоя для производства лекарственных препаратов, искусственных кристаллов для микроэлектроники, сушильные агрегаты для сельскохозяйственных нужд и т.д.
Для создания и оптимизации таких технологических устройств необходимо детально исследовать все происходящие процессы (химические, тепловые, гидродинамические и др.). Теплофизические параметры характеризуют технологический процесс в целом. Исследование
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2010. Т. 53, № 3
84 Г. Н. Дульнев, Н. В. Пилипенко, В. П. Ходунков
таких параметров требует адекватных методов экспериментальной диагностики и математического моделирования [3].
Процессы, основанные на применении псевдоожиженного слоя, описываются обобщенной блок-схемой (рис. 1). Ядром технологической цепочки является реактор псевдоожиженного (кипящего) слоя, а вспомогательные системы, узлы и агрегаты должны обеспечивать его оптимальное функционирование. Главный критерий эффективной работы реактора — максимальный выход готового продукта при минимуме энергозатрат вспомогательного оборудования, что может быть достигнуто заданием оптимального теплового и гидродинамического режима кипящего слоя на стадии проектирования, стабильностью его поддержания средствами мониторинга и управления при эксплуатации.
Средства подготовки и подачи сырья
Реактор кипящего
слоя
Устройства газоочистки
Средства измерения
параметров
Устройства подачи ожижающего агента
АСУ
Средства рецикла и утилизации
Устройства выгрузки и транспортировки готового
продукта
Рис. 1
Тепловой и гидродинамический режимы псевдоожиженного слоя характеризуют качество работы всей системы. Основными структурно-гидродинамическими и тепловыми параметрами псевдоожиженного слоя являются порозность, эффективная теплопроводность и температуропроводность слоя, коэффициент перемешивания (диффузии), скорость движения (циркуляции) твердых частиц и ожижающего газа, потеря динамического напора по высоте слоя, температура слоя, тепловой поток и коэффициент теплоотдачи от поверхности к двухфазной среде, высота слоя, качество псевдоожижения и т.д.
К настоящему времени набор методик и аппаратных средств измерения указанных параметров крайне ограничен, а для некоторых параметров — отсутствует.
В силу специфики псевдоожиженных систем — изменяющихся во времени тепловых и гидродинамических условий — представляется логичным использовать нестационарные методы измерений параметров системы. Перспективными и наиболее адекватными для данной ситуации являются методы нестационарной теплометрии, позволяющие разработать универсальные средства для одновременного измерения нескольких параметров.
Цель настоящей работы — создание специальных зондирующих устройств лабораторного и диагностического назначения, средств и методов мониторинга, включая электронные системы обработки и визуализации информации о параметрах.
Рассматриваемые ниже методы и устройства базируются на использовании теории теплопроводности и теплообмена, обратных задач теплопроводности, пространства состояний и параметрической идентификации динамических систем, теплофизического эксперимента и численного моделирования [4].
Для быстропротекающих процессов теплообмена поверхностей с псевдоожиженным слоем разработана методика, предполагающая регистрацию пульсаций температуры и теплового потока на границе раздела псевдоожиженного слоя и малоинерционного первичного преобразователя,
размещенного на массивном теле. Расчетные зависимости для определения нестационарного теплового потока q(τ) получены
из решения задачи (1)—(4) для системы тел (рис. 2):
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2010. Т. 53, № 3
Теплофизические аспекты процесса псевдоожижения в энергетических установках
85
dti dτ
=
ai
d 2ti dx2
,
i
= 1,
2,
q(τ)
=
λ1
dt1 dx
,
x=−δ
(1) (2)
λ1
dt1 dx
x=0
= λ2
dt2 dx
,
x=0
dt2 dx
x→∞
= 0,
(3)
t1 x=0 = t2 x=0 , ti τ=0 = t ,
(4)
где t1, t2 , λ1, λ2 , a1, a2 — температура, теплопроводность и температуропроводность мате-
риала первичного преобразователя 1 и массивного тела 2 соответственно; δ — толщина пер-
вичного преобразователя, τ — время. Уравнения для определения нестационарного теплового
потока имеют следующий вид:
∫q(τ)
=
C1
dt1 (τ) dx
+
λ2 τ t1′(τ − z)dz , πa2 0 z
(5)
∑q(τ) = q′(τ) + q′′(τ) =
λ1 πa1τ
⎪⎧⎨1 + ⎪⎩
∞ m=1
⎡ ⎢1 ⎢⎣
+
⎛ ⎜⎝
1 1
− +
ϕ ϕ
⎞m ⎟⎠
exp
⎛ ⎜⎝⎜
−m2 A2 4τ
⎞⎠⎟⎟⎥⎤⎥⎦⎭⎪⎬⎫⎪
∆t
(τ)
+
( )+
λ1 2πa1
τ
∫
0
∆t (τ) − ∆t (ζ) (τ − ζ)
⎧ ⎨⎪1 − ⎩⎪
∑∞
m=1
⎡ ⎢⎢1 ⎣⎢
+
⎛ ⎜⎝
1 1
− +
ϕ ⎞m ϕ ⎟⎠
m2 A2 − 2(τ − ζ) 2(τ − ζ)
exp
⎡ ⎢− ⎢⎣
m2
4(τ
A2 −ζ
)
⎤ ⎥ ⎦⎥
⎤ ⎥ ⎥ ⎦⎥
⎫ ⎪ ⎬ ⎪⎭
d
ζ
,
(6)
ϕ = λ1 λ2
a1 , A = δ , a 2 a1
где C1 — теплоемкость материала первичного преобразователя, z и ζ — переменные интег-
рирования.
В случае медленно меняющихся потоков рассматривается модель градиентного тепло-
мера, для высокочастотных пульсаций — модель пленочного тепломера, расположенного на
полуограниченном теле. Мгновенные значения тепло-
вого потока восстанавливаются решением обратной задачи теплопроводности путем параметрической иден-
12
тификации дифференциально-разностной модели теп- q(τ) лопереноса с использованием реккурентного алгоритма фильтра Калмана [5]. С помощью проточного калори-
–δ 0
X
метра определяются средние значения теплового пото-
ка и коэффициент теплоотдачи. Для измерения температуры псевдоожиженного
Рис. 2
слоя предлагается метод, базирующийся на линейной зависимости средней амплитуды пульса-
ций температуры пленочного термоприемника от разности температур между ним и псевдо-
ожиженным слоем [6]. Для обоснования этого положения рассмотрим процесс теплообмена по-
верхности с дисперсной средой. Уравнение теплового баланса для пакета твердых частиц и га-
зовой фазы с учетом наличия газового зазора δ в пристенной зоне (рис. 3) имеет вид:
( )dQp
=
λf δ
Sp
Tw − θ p
d τ = Cp γ pVpdθ p ,
( )dQf = α f S f Tw − θ f d τ = C f γ f V f dθ f ,
(7)
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2010. Т. 53, № 3
86 Г. Н. Дульнев, Н. В. Пилипенко, В. П. Ходунков
где Cp , C f , γ p , γ f , Vp , Vf — удельная теплоемкость, плотность и объем твердой фазы (пакета) и газовой фазы (пузыря) соответственно; λf — теплопроводность газовой фазы, αf — коэффициент теплоотдачи, Tw — температура поверхности, S p , S f — эффективная площадь теплообменных поверхностей пакета и газового пузыря.
Tw δf θp пакет
θf газ
Рис. 3
После интегрирования уравнений (7) и проведения ряда преобразований получим вы-
ражение для среднего значения изменения температуры j-го пакета ∆θpj и j-й газовой фазы
∆θ fj за время контакта с поверхностью:
∫∆θ pj
=
1 τp
τp
∆θ p (τ)dτ =
0
(Tw − Tb
τpkp
)
( τ1k1
− 1)
+
(Tw
− Tb ) exp−kpτ
τpkp
= k ′pj (Tw
− Tb ) ,
(8)
где
∆θ fj = k ′fj (Tw − Tb ) ,
kp
=
λpSp δC p γ pVp
,
kf
=
α Cf
f Sf γ fVf
,
(9)
Tb — температура слоя, δf — толщина газового зазора между слоем и поверхностью. При условии, что средняя амплитуда пульсаций температуры поверхности равна сред-
нему перегреву двухфазной среды у поверхности за один период гравитационных колебаний
слоя, получим:
n
∑ ( ) ∑ ( ) ( ) ( )∆Twj = ∆θj = ⎡⎣ 1− fvj
( )j=1
n
∆θpj + fvj ∆θ fj ⎤⎦ =
j=1
τ pj k ′pj + τ fj k ′fj τ pj + τ fj
Twj −Tb = B Twj −Tb ,
(10)
где fvj — доля времени, в течение которого поверхность омывается газовой фазой. При рас-
четах искомой температуры псевдоожиженного слоя удобнее воспользоваться методом наименьших квадратов, в результате получена окончательная формула:
∑ ∑∑ ∑∑ ∑Tb
=
1 n
n
Twi
i=1
−
n i=1
⎛ ⎜⎜⎝
Twi
−
1 n
n
Twi
i=1
⎞ ⎟⎟⎠
1 n
n
∆Twi
i=1
n i=1
⎛ ⎜⎝⎜
Twi
−
1 n
n
Twi
i=1
⎞ ⎠⎟⎟
∆Twi
,
(11)
где n — число устанавливаемых при измерениях разностей температур i = 0, n (Tw − Tb ) .
Измерение скорости движения (циркуляции) твердой фазы υ p основывается на регистрации последовательных пульсаций температуры, вызванных локальным изменением усло-
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2010. Т. 53, № 3
Теплофизические аспекты процесса псевдоожижения в энергетических установках
87
вий теплообмена вблизи поверхности [6]. Значение скорости определяется величиной временной задержки сигналов на заданном базовом расстоянии первичного преобразователя.
На рис. 4 приведена принципиальная схема устройства измерений скорости движения твердой фазы: а) 1 — массивное тело; 2, 3 — термометры сопротивления; 4 — узел крепления, б) конфигурация термометров сопротивления. На рис. 5 представлена временная диа-
грамма сигналов (ε — порозность кипящего слоя; U1, U2 — сигналы термометров сопротивления) термоприемников.
3
l l=18 мм
2 1
4 vp
R5
R1 R2 R6
R3 R4
U2 U1
1 10 мм
12 мм R=15 Ом
Рис. 4 ε –ε
пузырь
пакет пузырь
пакет
пузырь
τ, с
U, К
∆τi
U2
τi U1
τ, с
Рис. 5
Расчетная формула скорости имеет вид:
υp =
nL
n
,
∑ ∆τi
i=1
(12)
L — базовое расстояние между датчиками, м; ∆τi — значение временного сдвига сигналов
( i = 0, n ) с термоприемников, с.
Одновременно, что особо важно, можно определить значение локального коэффициента
эффективной температуропроводности слоя ( ab ) в пристенной зоне по следующему соотношению (рис. 5):
аb
=
1− ε 4π
υ
2 p
T
,
(13)
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2010. Т. 53, № 3
88 Г. Н. Дульнев, Н. В. Пилипенко, В. П. Ходунков
где T
∑=
1 n
n
Ti
i=1
— среднее значение периода пульсаций температуры, с.
Следует подчеркнуть, что интегральное значение эффективной температуропроводно-
сти псевдоожиженного слоя ab , характеризующее процессы тепломассопереноса по всему
объему слоя, может существенно отличаться от его локальных значений аb , но также может быть определено из временной диаграммы термоприемников, при этом в расчете использует-
ся низкочастотная составляющая энергетического спектра пульсаций температуры ( ft2 ), вы-
деляемая при спектральном анализе. Полученная нами зависимость для ab имеет вид:
аb = ft2 D2 = 0,12 ( f0 H0 )0,6 D1,2 ≈ 0, 08H00,3D1,2 ,
(14)
где f0 — частота гравитационных колебаний, Гц; H0 — высота насыпного слоя, м; D — диаметр реактора, м.
Для оценки интенсивности тепловых и гидродинамических процессов в псевдоожижен-
ном слое введен параметр качества псевдоожижения, равный f0 ft2 [8]. По данному параметру можно управлять технологическим процессом псевдоожижения вне зависимости от его
типа [9].
Технологический параметр, характеризующий структуру псевдоожиженного слоя, —
порозность слоя — в настоящее время может измеряться различными методами [10]. Наи-
большее распространение получили электроемкостные методы, их суть заключается в реги-
страции сигнала с датчика-конденсатора, между обкладками которого проходит неоднород-
ная среда. Главной задачей при 5 А-А создании устройств для измере-
ния порозности является умень-
А
1 2 3 4
12
22хх14 А
1 шение методической погреш-
3 4
ности, связанной с присутствием в слое датчика. Ранее применялись пластинчатые первичные
преобразователи, датчики стерж-
невого типа. Наиболее перспек-
22хх14 Рис. 6
тивными представляются планарные емкостные преобразователи [11], в наименьшей степени
искажающие гидродинамику процесса вблизи теплообменной поверхности. Кроме того, их
можно использовать совместно с аналогичными термопреобразователями планарного типа.
В частности, было установлено, что два первичных преобразователя (емкостной и тепловой),
размещенные на одной поверхности, регистрируют сигналы с коэффициентом взаимной кор-
реляции более 0,95. Для этого необходимо обеспечить равенство зон реагирования первич-
ных преобразователей (рис. 6), что достигается выполнением условия
0,3δ f ≤ x1 ≤ 0,8δ f при x1 = 0, 6x4 ,
(15)
где δ f — толщина теплового пограничного слоя у поверхности.
На рис. 6 представлен комплексный планарный преобразователь (1 — емкостной чувст-
вительный элемент; 2 — термопреобразователь; 3 — подложка; 4 — массивное тело; 5 —
подвод хладагента).
Рассмотренные выше подходы к определению основных структурно-гидродинами-
ческих и тепловых параметров псевдоожиженных систем могут успешно заполнить образо-
вавшийся в последние годы пробел в создании методов и устройств в данной области тепло-
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2010. Т. 53, № 3
Теплофизические аспекты процесса псевдоожижения в энергетических установках
89
физических измерений, что особенно важно для развивающихся ресурсосберегающих технологий. Из проведенного анализа следует, что измерение большинства режимных параметров возможно производить тепловыми методами, при этом открываются новые перспективы для углубления знаний о процессах тепломассопереноса в псевдоожиженных системах, физического моделирования, создания новых методов и устройств для исследований, диагностики и управления технологическими процессами. Предоставляются также дополнительные возможности для решения проблемы масштабирования, возникающей при проектировании новых установок для энергоемких технологических процессов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Энергетическая стратегия России на период до 2020 года. Распоряжение Правительства РФ от 28.08.2003 г., № 1234-р.
2. Безруких П. П., Стребков Д. С. Возобновляемая энергетика: Стратегия, ресурсы, технологии. М.: ВИЭСХ, 2005. 263 с.
3. Алексенко С. В. Теплофизические основы новых энергетических технологий // Наука в Сибири. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2008. № 15.
4. Кондратьев Г. М., Дульнев Г. Н., Платунов Е. С., Ярышев Н. А. Прикладная физика. Теплообмен в приборостроении. СПб: СПб ГУ ИТМО, 2003.560 с.
5. Пилипенко Н.В. Нестационарная теплометрия на основе параметрической идентификации дифференциальноразностных моделей теплопереноса в одномерных приемниках: Автореф. дис. докт. техн. наук. СПб: СПбГУ ИТМО, 2008. 35 с.
6. А.с. 1597600 СССР. Способ определения температуры взвешенного слоя / В. П. Ходунков, А. Л. Вассель. 1990. Б.И. № 37.
7. А.с. 1282012 СССР. Устройство для определения скорости движения частиц неоднородной дисперсной среды / Н. В. Пилипенко, В. М. Ключев, В. П. Ходунков. 1987. Б.И. № 1.
8. А.с. 1395997 СССР. Способ определения качества псевдоожижения и устройство для его осуществления / Н. В. Пилипенко, В. М. Ключев, В. П. Ходунков. 1988. Б.И. № 18.
9. А.с. 1272077 СССР. Способ управления технологическими процессами в аппаратах с кипящим слоем / О. М. Тодес, О. Б. Цитович, В. М. Чушев, Н. В. Пилипенко, В. М. Ключев, В. П. Ходунков. 1986. Б.И. № 43.
10. Протодьяконов И. О., Глинский В. А. Экспериментальные методы исследования гидродинамики двухфазных систем в инженерной химии. Л.: Изд-во ЛГУ, 1982. 196 с.
11. А.с. 1499199 СССР. Планарный датчик порозности псевдоожиженного слоя / Н. В. Пилипенко, В. П. Ходунков. 1989. Б.И. № 29.
Сведения об авторах
Геннадий Николаевич Дульнев Николай Васильевич Пилипенко Вячеслав Петрович Ходунков
— д-р техн. наук, профессор; Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра энергофизического мониторинга и компьютерной теплофизики
— д-р техн. наук, профессор; Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра энергофизического мониторинга и компьютерной теплофизики
— аспирант; Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра энергофизического мониторинга и компьютерной теплофизики
Рекомендована кафедрой энергофизического мониторинга и компьютерной теплофизики
Поступила в редакцию 25.12.09 г.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2010. Т. 53, № 3
УДК 536.24:66.096.5
Г. Н. ДУЛЬНЕВ, Н. В. ПИЛИПЕНКО, В. П. ХОДУНКОВ
ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПРОЦЕССА ПСЕВДООЖИЖЕНИЯ В ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВКАХ
Рассматривается актуальность тепловых измерений для исследования динамики процессов псевдоожижения, применяемых в современных энерготехнологиях. Приводятся основные методы и устройства для измерения теплофизических и структурно-гидродинамических параметров систем.
Ключевые слова: псевдоожижение, тепловые измерения, нестационарные методы, пульсации температуры, тепловой поток, ресурсосбережение.
Современными особенностями развития мировой энергетики являются резкое ужесточение экологических требований, переход на высокоэффективные энергоресурсосберегающие технологии и попытки поиска альтернативных источников энергии. Сегодня основной вклад в мировое производство электроэнергии дает уголь (40 %), заметно меньше — газ (19 %), атомная энергия и гидроэнергетика (по 16 %). И в будущем (прогноз до 2030 г.) уверенное лидерство по приросту генерирующих мощностей будет принадлежать углю, далее идут газ, гидроэнергия, возобновляемые источники (биомасса и отходы, ветер, солнечная энергия, геотермальное и сбросное тепло), и совсем небольшая роль отводится атомной энергии. В России наибольший вклад в производство электрической энергии вносит газ (46 %) и лишь 18 % — уголь.
Однако ситуация в России начинает изменяться в сторону общемировых тенденций, о чем свидетельствует официально принятая „Энергетическая стратегия развития России на период до 2020 года“ [1].
В соответствии с данной стратегией необходимо создавать горелочные устройства для низкотемпературного сжигания (при температуре 600—700 °С) твердого и жидкого топлива в псевдоожиженном слое катализатора, предназначенные, главным образом, для муниципальных нужд [2]. Создание топочных устройств на базе ныне действующих теплоэлектростанций особенно актуально для районов Поволжья и Сибири. Довольно остро также стоит проблема оптимизации и ресурсосбережения в таких энергоемких производствах, как обжиг руд и нерудных материалов, термообработка, сушка, катализ, пиролиз, кристаллизация, основанных на применении принципа псевдоожижения. Это актуально для электронной промышленности (выращивание кристаллов редкоземельных металлов), фармацевтики, химической промышленности (производство минеральных удобрений, серной и азотной кислоты) и т.д. Например, в последнее время активно разрабатываются кристаллизаторы-грануляторы псевдоожиженного слоя для производства лекарственных препаратов, искусственных кристаллов для микроэлектроники, сушильные агрегаты для сельскохозяйственных нужд и т.д.
Для создания и оптимизации таких технологических устройств необходимо детально исследовать все происходящие процессы (химические, тепловые, гидродинамические и др.). Теплофизические параметры характеризуют технологический процесс в целом. Исследование
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2010. Т. 53, № 3
84 Г. Н. Дульнев, Н. В. Пилипенко, В. П. Ходунков
таких параметров требует адекватных методов экспериментальной диагностики и математического моделирования [3].
Процессы, основанные на применении псевдоожиженного слоя, описываются обобщенной блок-схемой (рис. 1). Ядром технологической цепочки является реактор псевдоожиженного (кипящего) слоя, а вспомогательные системы, узлы и агрегаты должны обеспечивать его оптимальное функционирование. Главный критерий эффективной работы реактора — максимальный выход готового продукта при минимуме энергозатрат вспомогательного оборудования, что может быть достигнуто заданием оптимального теплового и гидродинамического режима кипящего слоя на стадии проектирования, стабильностью его поддержания средствами мониторинга и управления при эксплуатации.
Средства подготовки и подачи сырья
Реактор кипящего
слоя
Устройства газоочистки
Средства измерения
параметров
Устройства подачи ожижающего агента
АСУ
Средства рецикла и утилизации
Устройства выгрузки и транспортировки готового
продукта
Рис. 1
Тепловой и гидродинамический режимы псевдоожиженного слоя характеризуют качество работы всей системы. Основными структурно-гидродинамическими и тепловыми параметрами псевдоожиженного слоя являются порозность, эффективная теплопроводность и температуропроводность слоя, коэффициент перемешивания (диффузии), скорость движения (циркуляции) твердых частиц и ожижающего газа, потеря динамического напора по высоте слоя, температура слоя, тепловой поток и коэффициент теплоотдачи от поверхности к двухфазной среде, высота слоя, качество псевдоожижения и т.д.
К настоящему времени набор методик и аппаратных средств измерения указанных параметров крайне ограничен, а для некоторых параметров — отсутствует.
В силу специфики псевдоожиженных систем — изменяющихся во времени тепловых и гидродинамических условий — представляется логичным использовать нестационарные методы измерений параметров системы. Перспективными и наиболее адекватными для данной ситуации являются методы нестационарной теплометрии, позволяющие разработать универсальные средства для одновременного измерения нескольких параметров.
Цель настоящей работы — создание специальных зондирующих устройств лабораторного и диагностического назначения, средств и методов мониторинга, включая электронные системы обработки и визуализации информации о параметрах.
Рассматриваемые ниже методы и устройства базируются на использовании теории теплопроводности и теплообмена, обратных задач теплопроводности, пространства состояний и параметрической идентификации динамических систем, теплофизического эксперимента и численного моделирования [4].
Для быстропротекающих процессов теплообмена поверхностей с псевдоожиженным слоем разработана методика, предполагающая регистрацию пульсаций температуры и теплового потока на границе раздела псевдоожиженного слоя и малоинерционного первичного преобразователя,
размещенного на массивном теле. Расчетные зависимости для определения нестационарного теплового потока q(τ) получены
из решения задачи (1)—(4) для системы тел (рис. 2):
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2010. Т. 53, № 3
Теплофизические аспекты процесса псевдоожижения в энергетических установках
85
dti dτ
=
ai
d 2ti dx2
,
i
= 1,
2,
q(τ)
=
λ1
dt1 dx
,
x=−δ
(1) (2)
λ1
dt1 dx
x=0
= λ2
dt2 dx
,
x=0
dt2 dx
x→∞
= 0,
(3)
t1 x=0 = t2 x=0 , ti τ=0 = t ,
(4)
где t1, t2 , λ1, λ2 , a1, a2 — температура, теплопроводность и температуропроводность мате-
риала первичного преобразователя 1 и массивного тела 2 соответственно; δ — толщина пер-
вичного преобразователя, τ — время. Уравнения для определения нестационарного теплового
потока имеют следующий вид:
∫q(τ)
=
C1
dt1 (τ) dx
+
λ2 τ t1′(τ − z)dz , πa2 0 z
(5)
∑q(τ) = q′(τ) + q′′(τ) =
λ1 πa1τ
⎪⎧⎨1 + ⎪⎩
∞ m=1
⎡ ⎢1 ⎢⎣
+
⎛ ⎜⎝
1 1
− +
ϕ ϕ
⎞m ⎟⎠
exp
⎛ ⎜⎝⎜
−m2 A2 4τ
⎞⎠⎟⎟⎥⎤⎥⎦⎭⎪⎬⎫⎪
∆t
(τ)
+
( )+
λ1 2πa1
τ
∫
0
∆t (τ) − ∆t (ζ) (τ − ζ)
⎧ ⎨⎪1 − ⎩⎪
∑∞
m=1
⎡ ⎢⎢1 ⎣⎢
+
⎛ ⎜⎝
1 1
− +
ϕ ⎞m ϕ ⎟⎠
m2 A2 − 2(τ − ζ) 2(τ − ζ)
exp
⎡ ⎢− ⎢⎣
m2
4(τ
A2 −ζ
)
⎤ ⎥ ⎦⎥
⎤ ⎥ ⎥ ⎦⎥
⎫ ⎪ ⎬ ⎪⎭
d
ζ
,
(6)
ϕ = λ1 λ2
a1 , A = δ , a 2 a1
где C1 — теплоемкость материала первичного преобразователя, z и ζ — переменные интег-
рирования.
В случае медленно меняющихся потоков рассматривается модель градиентного тепло-
мера, для высокочастотных пульсаций — модель пленочного тепломера, расположенного на
полуограниченном теле. Мгновенные значения тепло-
вого потока восстанавливаются решением обратной задачи теплопроводности путем параметрической иден-
12
тификации дифференциально-разностной модели теп- q(τ) лопереноса с использованием реккурентного алгоритма фильтра Калмана [5]. С помощью проточного калори-
–δ 0
X
метра определяются средние значения теплового пото-
ка и коэффициент теплоотдачи. Для измерения температуры псевдоожиженного
Рис. 2
слоя предлагается метод, базирующийся на линейной зависимости средней амплитуды пульса-
ций температуры пленочного термоприемника от разности температур между ним и псевдо-
ожиженным слоем [6]. Для обоснования этого положения рассмотрим процесс теплообмена по-
верхности с дисперсной средой. Уравнение теплового баланса для пакета твердых частиц и га-
зовой фазы с учетом наличия газового зазора δ в пристенной зоне (рис. 3) имеет вид:
( )dQp
=
λf δ
Sp
Tw − θ p
d τ = Cp γ pVpdθ p ,
( )dQf = α f S f Tw − θ f d τ = C f γ f V f dθ f ,
(7)
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2010. Т. 53, № 3
86 Г. Н. Дульнев, Н. В. Пилипенко, В. П. Ходунков
где Cp , C f , γ p , γ f , Vp , Vf — удельная теплоемкость, плотность и объем твердой фазы (пакета) и газовой фазы (пузыря) соответственно; λf — теплопроводность газовой фазы, αf — коэффициент теплоотдачи, Tw — температура поверхности, S p , S f — эффективная площадь теплообменных поверхностей пакета и газового пузыря.
Tw δf θp пакет
θf газ
Рис. 3
После интегрирования уравнений (7) и проведения ряда преобразований получим вы-
ражение для среднего значения изменения температуры j-го пакета ∆θpj и j-й газовой фазы
∆θ fj за время контакта с поверхностью:
∫∆θ pj
=
1 τp
τp
∆θ p (τ)dτ =
0
(Tw − Tb
τpkp
)
( τ1k1
− 1)
+
(Tw
− Tb ) exp−kpτ
τpkp
= k ′pj (Tw
− Tb ) ,
(8)
где
∆θ fj = k ′fj (Tw − Tb ) ,
kp
=
λpSp δC p γ pVp
,
kf
=
α Cf
f Sf γ fVf
,
(9)
Tb — температура слоя, δf — толщина газового зазора между слоем и поверхностью. При условии, что средняя амплитуда пульсаций температуры поверхности равна сред-
нему перегреву двухфазной среды у поверхности за один период гравитационных колебаний
слоя, получим:
n
∑ ( ) ∑ ( ) ( ) ( )∆Twj = ∆θj = ⎡⎣ 1− fvj
( )j=1
n
∆θpj + fvj ∆θ fj ⎤⎦ =
j=1
τ pj k ′pj + τ fj k ′fj τ pj + τ fj
Twj −Tb = B Twj −Tb ,
(10)
где fvj — доля времени, в течение которого поверхность омывается газовой фазой. При рас-
четах искомой температуры псевдоожиженного слоя удобнее воспользоваться методом наименьших квадратов, в результате получена окончательная формула:
∑ ∑∑ ∑∑ ∑Tb
=
1 n
n
Twi
i=1
−
n i=1
⎛ ⎜⎜⎝
Twi
−
1 n
n
Twi
i=1
⎞ ⎟⎟⎠
1 n
n
∆Twi
i=1
n i=1
⎛ ⎜⎝⎜
Twi
−
1 n
n
Twi
i=1
⎞ ⎠⎟⎟
∆Twi
,
(11)
где n — число устанавливаемых при измерениях разностей температур i = 0, n (Tw − Tb ) .
Измерение скорости движения (циркуляции) твердой фазы υ p основывается на регистрации последовательных пульсаций температуры, вызванных локальным изменением усло-
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2010. Т. 53, № 3
Теплофизические аспекты процесса псевдоожижения в энергетических установках
87
вий теплообмена вблизи поверхности [6]. Значение скорости определяется величиной временной задержки сигналов на заданном базовом расстоянии первичного преобразователя.
На рис. 4 приведена принципиальная схема устройства измерений скорости движения твердой фазы: а) 1 — массивное тело; 2, 3 — термометры сопротивления; 4 — узел крепления, б) конфигурация термометров сопротивления. На рис. 5 представлена временная диа-
грамма сигналов (ε — порозность кипящего слоя; U1, U2 — сигналы термометров сопротивления) термоприемников.
3
l l=18 мм
2 1
4 vp
R5
R1 R2 R6
R3 R4
U2 U1
1 10 мм
12 мм R=15 Ом
Рис. 4 ε –ε
пузырь
пакет пузырь
пакет
пузырь
τ, с
U, К
∆τi
U2
τi U1
τ, с
Рис. 5
Расчетная формула скорости имеет вид:
υp =
nL
n
,
∑ ∆τi
i=1
(12)
L — базовое расстояние между датчиками, м; ∆τi — значение временного сдвига сигналов
( i = 0, n ) с термоприемников, с.
Одновременно, что особо важно, можно определить значение локального коэффициента
эффективной температуропроводности слоя ( ab ) в пристенной зоне по следующему соотношению (рис. 5):
аb
=
1− ε 4π
υ
2 p
T
,
(13)
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2010. Т. 53, № 3
88 Г. Н. Дульнев, Н. В. Пилипенко, В. П. Ходунков
где T
∑=
1 n
n
Ti
i=1
— среднее значение периода пульсаций температуры, с.
Следует подчеркнуть, что интегральное значение эффективной температуропроводно-
сти псевдоожиженного слоя ab , характеризующее процессы тепломассопереноса по всему
объему слоя, может существенно отличаться от его локальных значений аb , но также может быть определено из временной диаграммы термоприемников, при этом в расчете использует-
ся низкочастотная составляющая энергетического спектра пульсаций температуры ( ft2 ), вы-
деляемая при спектральном анализе. Полученная нами зависимость для ab имеет вид:
аb = ft2 D2 = 0,12 ( f0 H0 )0,6 D1,2 ≈ 0, 08H00,3D1,2 ,
(14)
где f0 — частота гравитационных колебаний, Гц; H0 — высота насыпного слоя, м; D — диаметр реактора, м.
Для оценки интенсивности тепловых и гидродинамических процессов в псевдоожижен-
ном слое введен параметр качества псевдоожижения, равный f0 ft2 [8]. По данному параметру можно управлять технологическим процессом псевдоожижения вне зависимости от его
типа [9].
Технологический параметр, характеризующий структуру псевдоожиженного слоя, —
порозность слоя — в настоящее время может измеряться различными методами [10]. Наи-
большее распространение получили электроемкостные методы, их суть заключается в реги-
страции сигнала с датчика-конденсатора, между обкладками которого проходит неоднород-
ная среда. Главной задачей при 5 А-А создании устройств для измере-
ния порозности является умень-
А
1 2 3 4
12
22хх14 А
1 шение методической погреш-
3 4
ности, связанной с присутствием в слое датчика. Ранее применялись пластинчатые первичные
преобразователи, датчики стерж-
невого типа. Наиболее перспек-
22хх14 Рис. 6
тивными представляются планарные емкостные преобразователи [11], в наименьшей степени
искажающие гидродинамику процесса вблизи теплообменной поверхности. Кроме того, их
можно использовать совместно с аналогичными термопреобразователями планарного типа.
В частности, было установлено, что два первичных преобразователя (емкостной и тепловой),
размещенные на одной поверхности, регистрируют сигналы с коэффициентом взаимной кор-
реляции более 0,95. Для этого необходимо обеспечить равенство зон реагирования первич-
ных преобразователей (рис. 6), что достигается выполнением условия
0,3δ f ≤ x1 ≤ 0,8δ f при x1 = 0, 6x4 ,
(15)
где δ f — толщина теплового пограничного слоя у поверхности.
На рис. 6 представлен комплексный планарный преобразователь (1 — емкостной чувст-
вительный элемент; 2 — термопреобразователь; 3 — подложка; 4 — массивное тело; 5 —
подвод хладагента).
Рассмотренные выше подходы к определению основных структурно-гидродинами-
ческих и тепловых параметров псевдоожиженных систем могут успешно заполнить образо-
вавшийся в последние годы пробел в создании методов и устройств в данной области тепло-
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2010. Т. 53, № 3
Теплофизические аспекты процесса псевдоожижения в энергетических установках
89
физических измерений, что особенно важно для развивающихся ресурсосберегающих технологий. Из проведенного анализа следует, что измерение большинства режимных параметров возможно производить тепловыми методами, при этом открываются новые перспективы для углубления знаний о процессах тепломассопереноса в псевдоожиженных системах, физического моделирования, создания новых методов и устройств для исследований, диагностики и управления технологическими процессами. Предоставляются также дополнительные возможности для решения проблемы масштабирования, возникающей при проектировании новых установок для энергоемких технологических процессов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Энергетическая стратегия России на период до 2020 года. Распоряжение Правительства РФ от 28.08.2003 г., № 1234-р.
2. Безруких П. П., Стребков Д. С. Возобновляемая энергетика: Стратегия, ресурсы, технологии. М.: ВИЭСХ, 2005. 263 с.
3. Алексенко С. В. Теплофизические основы новых энергетических технологий // Наука в Сибири. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2008. № 15.
4. Кондратьев Г. М., Дульнев Г. Н., Платунов Е. С., Ярышев Н. А. Прикладная физика. Теплообмен в приборостроении. СПб: СПб ГУ ИТМО, 2003.560 с.
5. Пилипенко Н.В. Нестационарная теплометрия на основе параметрической идентификации дифференциальноразностных моделей теплопереноса в одномерных приемниках: Автореф. дис. докт. техн. наук. СПб: СПбГУ ИТМО, 2008. 35 с.
6. А.с. 1597600 СССР. Способ определения температуры взвешенного слоя / В. П. Ходунков, А. Л. Вассель. 1990. Б.И. № 37.
7. А.с. 1282012 СССР. Устройство для определения скорости движения частиц неоднородной дисперсной среды / Н. В. Пилипенко, В. М. Ключев, В. П. Ходунков. 1987. Б.И. № 1.
8. А.с. 1395997 СССР. Способ определения качества псевдоожижения и устройство для его осуществления / Н. В. Пилипенко, В. М. Ключев, В. П. Ходунков. 1988. Б.И. № 18.
9. А.с. 1272077 СССР. Способ управления технологическими процессами в аппаратах с кипящим слоем / О. М. Тодес, О. Б. Цитович, В. М. Чушев, Н. В. Пилипенко, В. М. Ключев, В. П. Ходунков. 1986. Б.И. № 43.
10. Протодьяконов И. О., Глинский В. А. Экспериментальные методы исследования гидродинамики двухфазных систем в инженерной химии. Л.: Изд-во ЛГУ, 1982. 196 с.
11. А.с. 1499199 СССР. Планарный датчик порозности псевдоожиженного слоя / Н. В. Пилипенко, В. П. Ходунков. 1989. Б.И. № 29.
Сведения об авторах
Геннадий Николаевич Дульнев Николай Васильевич Пилипенко Вячеслав Петрович Ходунков
— д-р техн. наук, профессор; Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра энергофизического мониторинга и компьютерной теплофизики
— д-р техн. наук, профессор; Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра энергофизического мониторинга и компьютерной теплофизики
— аспирант; Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра энергофизического мониторинга и компьютерной теплофизики
Рекомендована кафедрой энергофизического мониторинга и компьютерной теплофизики
Поступила в редакцию 25.12.09 г.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2010. Т. 53, № 3