Энергосберегающие теплотехнологические установки с центробежным псевдоожиженным слоем

УДК 66.096.5

ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЕ ТЕПЛОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ С ЦЕНТРОБЕЖНЫМ ПСЕВДООЖИЖЕННЫМ СЛОЕМ

Ю.Н. Агапов, А.В. Бараков, В.Ю. Дубанин, Н.Н. Кожухов, Д.А. Прутских

Приводятся конструкции теплотехнологических установок с центробежным псевдоожиженным слоем различного назначения: регенеративного воздухоподогревателя, абсорбера, воздухоохладителя и сушильной установки

Ключевые слова: тепломассообмен, насадка, псевдоожиженный слой, энергосбережение

В России, развивающейся в течение многих десятилетий при необоснованно низких ценах на энергоресурсы, ежегодно перерасходуется от 300 до 400 миллионов тонн условного топлива. Значительные резервы энергосбережения имеются в таких весьма распространенных теплотехнологических процессах, как термообработка, абсорбция, водоиспарительное охлаждение воздуха и сушка. Поэтому в последнее время уделяется большое внимание необходимости создания и исследования новых технологий и оборудования.

Одним из наиболее перспективных методов осуществления гетерогенных теплотехнологических процессов, на наш взгляд, является псевдоожижение. Этот технологический принцип получил широкое распространение в химической, нефтеперерабатывающей металлургической, строительной, пищевой и других отраслях промышленности и в сельском хозяйстве. При этом, наряду с внедрением в промышленную практику, проводятся обширные исследования по изучению не только общих закономерностей псевдоожиженного состояния, но и применительно к конкретным теплотехнологическим процессам и установкам.

Идея направленного вдува ожижающего агента, позволяющего совместить процессы псевдоожижения и транспорта дисперсного материала, не нова, однако лишь последние 15-20 лет масштабы ее реализации стали наиболее значительными благодаря исследованиям проведенными на кафедре теоретической и промышленной теплоэнергетики ГОУВПО «Воронежский государственный технический

Агапов Юрий Николаевич - ВГТУ, д-р техн. наук, профессор, тел. (473) 243-76-62

Бараков Александр Валентинович - ВГТУ, д-р техн. наук, профессор, тел. (473) 243-76-62 Дубанин Владимир Юрьевич - ВГТУ, канд. техн. наук, профессор, тел. (473) 243-76-62

Кожухов Николай Николаевич - ВГТУ, канд техн. наук, доцент, тел. (473) 243-76-62

Прутских Дмитрий Александрович - ВГТУ, канд. техн. наук, ст. преподаватель, тел. (473) 243-76-62

университет». В рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы, государственный контракт № 02.740.11.0758, было разработано несколько высокоэффективных энергосберегающих теплотехнологических установок с центробежным псевдоожиженным слоем различного назначения. В данной работе описаны конструкции этих аппаратов и принцип их действия.

Регенеративный теплообменный аппарат

Общий вид теплообменного аппарата показан на рис. 1 [1].

Рис. 1. Общий вид теплообменника:

1 - наружняя обечайка; 2 - газораспределительная решетка; 3 - верхняя радиальная перегородка; 4 - нижняя радиальная перегородка; 5 - внутренняя обечайка; 6 - патрубок отвода греющего газа; 7 - патрубок отвода нагреваемого газа; 8 - патрубок подвода нагреваемого газа; 9 - патрубок подвода греющего газа

Корпус регенератора образован двумя ко-аксиально расположенными обечайками 1, 5. В нижней части корпуса закреплена газораспределительная решетка 2 с наклонными лопатками. На газораспределительной решетке на-

ходится дисперсный материал (на рис. 1 условно не показан). Корпус аппарата с помощью вертикальных перегородок 3 разделен на две камеры. Для циркуляции насадки в нижней части перегородок имеются переточные окна. Для подвода и отвода газообразных теплоносителей служат патрубки 6-9.

Теплообменник работает следующим образом. Под динамическим возде йствием потоков газообразных теплоносителей дисперсный материал (насадка) псевдоожижается и в виде центробежного слоя циркулирует по камерам аппарата. В «горячей» камере она нагревается потоком греющего теплоносителя и аккумулирует определенное количество теплоты. Затем она перемещается в «холодную» камеру, где отдает эту теплоту нагреваемому теплоносителю.

Основными достоинствами данной конструкции регенератора являются:

- простота, вследствие отсутствия специальных устройств для циркуляции насадки;

- компактность, вследствие большой удельной поверхности насадки и интенсивного телпообмена;

- способность насадки к самоочистке вследствие ее интенсивной циркуляции.

Воздухоохладитель косвенно-испарительного типа

Общий вид воздухоохладителя показан на рис. 2 [2].

В отличие от предыдущей конструкции, воздухоохладитель оборудован форсункой 4, с помощью которой происходит смачивание частиц насадки на входе в «мокрую» камеру аппарата. Внутренняя обечайка выполнена в виде усеченного конуса, что исключает унос частиц насадки и капель воды из «мокрой» камеры воздухоохладителя.

Аппарат работает следующим образом. Под динамическим воздействием основного и вспомогательного потоков воздуха насадка псевдоожижается и циркулирует в виде центробежного слоя между «сухой» и «мокрой» камерами аппарата. В начале «мокрой» камеры происходит увлажнение насадки. Подача воды в форсунку должно регулироваться таким образом, чтобы в конце «мокрой» камеры насадка высыхала, при этом температура ее понижается до температуры мокрого термометра. В «сухой» камере насадка нагревается, обеспечивая при этом соответствующее охлаждение основного потока воздуха.

Рис. 2. Общий вид воздухоохладителя косвенно-испарительного типа:

1 - наружняя обечайка; 2 - газораспределительная решетка; 3 - радиальные перегородки; 4 - форсунка; 5 - внутренняя обечайка; 6 -патрубок для отвода основного потока; 7 - патрубок для отвода вспомогательного потока; 8 -патрубок для подвода вспомогательного потока; 9 - патрубок для подвода основного потока

Основными достоинствами данной конструкции воздухоохладителя являются:

- возможность охлаждения основного потока воздуха без повышения его влагосодер-жания, вследствие регенеративного способа передачи теплоты;

- большая производительность по охлаждаемому воздуху вследствие большой удельной поверхности контакта фаз и интенсивного тепломассообмена.

Абсорбер

Общий вид абсорбера показан на рис. 3

Рис. 3. Общий вид абсорбера:

1 - наружняя обечайка; 2 - газораспределительная решетка; 3 - ороситель; 4 - штуцер для подачи абсорбента; 5 - патрубок для подачи загрязненного газа; 6 - патрубок для отвода очищенного газа; 7 - кожух; 8 - штуцер для отвода абсорбента

Внутренняя обечайка корпуса, как и в предыдущей конструкции, выполнена в виде усеченного конуса, но имеет перфорацию для подачи абсорбента в слой насадки. Наружная обечайка также имеет перфорацию для отвода прореагировавшего абсорбента из слоя насадки. Кожух 7 служит для сбора абсорбента и его отвода из аппарата через штуцер 8.

Абсорбер работает следующим образом. Под динамическим воздействием потока загрязненного газа, подаваемого в аппарат через патрубок 5, насадка псевдоожижается и в виде центробежного псевдоожиженного слоя циркулирует вдоль газораспределительной решетки 2. Абсорбент через штуцер 4 и отверстия в оросителе 3 подается в слой насадки. За счет центробежных сил жидкость фильтруется через слой частиц насадки и обеспечивает их равномерное смачивание. Взаимодействие газа с жидкостью

происходит на поверхности частиц с высокими значениями коэффициентов тепло- и массооб-мена. Отработанный абсорбент из перфорации в наружной обечайке 1 попадает в кожух 7 и через штуцер 8 отводится в канализацию, а очищенный газ через патрубок б направляется к потребителю.

Основными достоинствами данной конструкции абсорбера являются:

- высокая степень очистки газов вследствие надежного контакта газа с жидкостью;

- интенсивные процессы тепло- и массо-обмена в центробежном псевдоожиженном слое.

Сушилка дисперсных материалов

Общий вид сушильной установки показан на рис. 4 [4].

С целью реализации осциллирующего режима сушки термолабильных дисперсных материалов сушилка имеет две одинаковые по конструкции камеры для подачи горячего и холодного сушильных агентов. Камеры снабжены бункерами для загрузки 5 и выгрузки 12 дисперсного материала, переточным окном б и патрубками для подачи 7, 8 и отвода 9, 1G сушильного агента.

Сушилка работает следующим образом. Дисперсный материал, подлежащий сушке, через загрузочный бункер 5 поступает в верхнюю камеру установки. Под динамическим воздействием горячего сушильного агента, подаваемого через патрубок 7, дисперсный материал псевдоожижается и в виде центробежного псевдоожиженного слоя перемещается вдоль газораспределительной решетки 3. Интенсивные процессы тепломассообмена в центробежном псевдоожиженном слое обеспечивают быстрое высушивание дисперсного материала. Достигнув переточного окна б материал попадает на газораспределительную решетку нижней камеры, где движение его повторяется. В нижней камере происходит быстрое охлаждение дисперсного материала, что позволяет поддерживать его температуру на заданном уровне.

Основными достоинствами данной конструкции сушильной установки являются:

- интенсивные процессы тепло- и массо-обмена в центробежном псевдоожиженном слое;

- возможность реализации осциллирующего режима сушки.

,11

/

6 12

Рис. 4. Общий вид сушилки:

1 - корпус; 2 - горизонтальная разделительная

перегородка; 3 - газораспределительная решётка; 4 - вертикальная перегородка внутри сушильной камеры; 5 - загрузочный бункер; 6

- пересыпное окно; 7 - патрубок для подачи горячего сушильного агента; 8 - патрубок для подачи холодного сушильного агента; 9 - патрубок для отвода горячего сушильного агента; 10 - патрубок для отвода холодного сушильного агента; 11 - цилиндро-коническая конструкция; 12 - разгрузочный бункер

Литература

1. Пат. 70347 РФ, МПК Б23Ь 15/02. Регенеративный теплообменник / А.В. Бараков, В.Ю. Дуба-нин, Д.А. Прутских; № 2007110673/22; заявл. 22.03.2007; опубл. 20.10.2008, Бюл. № 2. 3 с.

2. Пат. 59786 РФ, МПК Р28Б 15/00. Воздухоохладитель / Ю.Н. Агапов, А.В. Бараков, А.М. Наумов; № 2006114868/22; заявл. 02.05.2006; опубл. 27.12.2006, Бюл. № 36. 3 с.

3. Пат. 86112 РФ МПК Б26Б 17/10 Устройство для очистки газа с центробежным псевдоожижен-ным слоем / С.В. Боев, Ю.Н.Агапов № 2008142494/22. Заявл. 27.10.08 Опубл. 27.08.09, Бюл. № 24.- 3с.

4. Пат. 44804 РФ, МПК Б26Б 17/10. Сушилка,

кипящего слоя для термолабильных полидисперс-ных сыпучих материалов / Ю.Н. Агапов, А.В. Бараков, В.И. Лукъяненко, В.Г. Стогней; №

2004113491/22; заявл. 5.05.04; опубл. 27.03.05, Бюл. № 9. 3 с.

Воронежский государственный технический университет

ENERGY-SAVING HEAT-PROCESS INSTALLATIONS WITH CENTRIFUGAL

FLUIDIZED BED

Y.N. Agapov, A.V. Barakov, V.Y. Dubanin, N.N. Kozhukhov, D.A. Prutskikh

Designs of multipurpose heat-process installations with centrifugal fluidized bed - regenerative air heater, absorber, air cooler, dryer - are given

Key words: heat-mass exchange, checker filling, fluidized bed, energy-saving