Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по разное
На правах рукописи
Тупоногов Владимир Геннадьевич ГИДРОДИНАМИКА ПУЗЫРЬКОВОГО ПСЕВДООЖИЖЕННОГО СЛОЯ В ТЕПЛОМАССООБМЕННЫХ УСТАНОВКАХ 01.04.14 - Теплофизика и теоретическая теплотехника
Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук
Екатеринбург - 2011
Работа выполнена на кафедре промышленной теплоэнергетики ФГАОУ ВПО Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н.Ельцина
Научный консультант: заслуженный деятель науки и техники РСФСР, доктор технических наук, Почетный профессор УГТУ-УПИ Баскаков Альберт Павлович
Официальные оппоненты: заслуженный деятель науки и техники РСФСР, доктор технических наук Рундыгин Юрий Александрович доктор технических наук, профессор Боковиков Борис Александрович доктор физико-математических наук, профессор Гапонцев Виталий Леонидович
Ведущая организация: Институт теплофизики Сибирского отделения Академии Наук РФ
Защита диссертации состоится 1 июля 2011 г. в 14-00 на заседании диссертационного совета Д 212.285.07 при ФГАОУ ВПО Уральский федеральный университет по адресу: г.Екатеринбург, ул. Софьи Ковалевской, 5, 8-й учебный корпус УрФУ, ауд. Т-703.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГАОУ ВПО УрФУ.
Ваши отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим направлять по адресу: 620002, г. Екатеринбург, К-2, ул. Мира, 19, ФГАОУ ВПО УрФУ, ученому секретарю совета. Телефон (343) 375-45-74, факс (343) 326- 4562, e-mail: lta_ugtu@mail.ru.
Автореферат разослан л____ 2011 г.
Ученый секретарь Диссертационного совета Аронсон К.Э.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Псевдоожиженные слои дисперсных материалов обладают свойством текучести, упрощающей организацию работу установок непрерывного действия с постоянной загрузкой и выгрузкой материала. Большая удельная поверхность частиц (около 30000 м2/м3 для частиц с диаметром 0,1мм) и интенсивное перемешивание пузырями мелкодисперсного материала обеспечивают высокий уровень теплоотдачи от погруженной поверхности к слою и от газа к частицам при практически изотермических условиях в объеме слоя. Псевдоожиженный слой находит применение в новых химикотехнологических процессах сжигания и газификации твердых топлив, получения водорода из твердых топлив и природного газа, в высокоточных процессах термообработки.
Недостаточные знания о происходящих в псевдоожиженном слое гидродинамических процессах и, как следствие, отсутствие теоретически обоснованных принципов и данных для расчета тепломассообмена, разработки технологических режимов и проектирования технических устройств затрудняют эффективное использование технологии псевдоожижения.
Расчеты тепломассообменных процессов в псевдоожиженном слое базируются на его гидродинамических моделях, поэтому для создания теоретических основ разработки и проектирования технологического оборудования требуются дальнейшие фундаментальные исследования гидродинамики в установках с псевдоожиженным слоем.
Работа выполнена в Уральском федеральном университете в соответствии с Координационным планом АН СССР по проблеме 1.9.1 Теплофизика и теплоэнергетика, раздел 1.9.1.2.5(5) Исследование гидродинамики и теплообмена в псевдоожиженном слое, комплексной научно-технической программой ГНТК и Минвуза РСФСР Человек и окружающая среда, раздел Исследование способов управления процессами тепло- и массообмена в дисперсных системах путем изменения гидродинамических режимов, (гос. рег.
01840005222). Часть исследований выполнялась в Кембриджском университете по заключению-рекомендации Национального комитета АН СССР по тепло- и массообмену (№11442-2115/4 от 29.01.86 г.), а также в Саррейском и Лондонском (Университетский колледж) университетах.
Цель работы: Экспериментальное и теоретическое выявление основных механизмов массопереноса и межфазного взаимодействия в пузырьковом псевдоожиженном слое и разработка на основе полученных данных методик расчета параметров технологических процессов и устройств, повышающих интенсивность тепломассообменных процессов в установках с псевдоожиженным слоем.
Поставлены и решены следующие задачи:
1. Разработаны конструкции экспериментальных установок и методика исследований случайных гидродинамических процессов в псевдоожиженном слое с использованием многоканальных цифровых информационноизмерительных систем.
2. Экспериментально изучены и проанализированы закономерности распространения волн давления в однородном и неоднородном псевдоожиженных слоях.
3. Выполнены экспериментальные исследования динамических характеристик пузырькового слоя в крупном аппарате и получены расчетные зависимости для их определения. Установлена переходная скорость псевдоожижения от пузырькового режима к турбулентному.
4. Определены и исследованы виды волн давления в пузырьковом псевдоожиженном слое и соответствующие им типы волн порозности и поверхностных волн.
5. Выявлены корреляционные зависимости процессов образования и движения пузырей в слое, колебаний давления и расходов газа во всей псевдоожиженной системе.
6. Установлен тип глобальных колебаний псевдоожиженного слоя и предложено математическое описание колебательного процесса.
7. Выполнены исследования и проведен теоретический анализ механизмов образования и разрушения застойных зон на газораспределительной решетке и просыпания частиц под решетку с учетом масштабного перехода от лабораторных установок к промышленным. Разработана методика расчета равномерных и беспровальных режимов псевдоожижения в аппаратах с псевдоожиженным слоем..
8. Выполнены экспериментальные исследования параметров истечения в псевдоожиженный слой вертикальных газовых струй. Разработана и экспериментально проверена методика расчета интенсивности истирания частиц в струйной зоне слоя.
9. По результатам исследований разработан ряд опытно- промышленных и промышленных образцов печей, котлов, газификатор твердого топлива и средств технологического контроля качества псевдоожижения.
Достоверность и обоснованность результатов основывается на применении в экспериментах цифровых измерительных систем, томографической и лазерной техники с проведением тестовых опытов; использовании программных пакетов с численными методами обработки информации и решения задач моделирования, анализе исследований других авторов и подтверждается положительной цитируемостью в научных публикациях.
Научная новизна заключается в разработке положений волновой гидродинамики в объеме псевдоожиженного слоя и на его границах, позволяющих управлять тепломассообменными процессами в промышленных установках.
Работа содержит полученных впервые экспериментальные и теоретические научных результаты:
- выполнены измерения скоростей волн давления при свободных колебаниях минимально ожиженного слоя и скорости распространения волн от локальных возмущений в слое;
- экспериментально определены параметры собственных упругих колебаний псевдоожиженного слоя в зависимости от плотности газа и частиц, порозности и высоты слоя;
- получены экспериментальные цифровые спектры с пиком основной частоты f0 и зависимости максимальной амплитуды колебаний давлений и расходов газа через газораспределительную решетку в псевдоожиженной автоколебательной системе;
- предложено определение переходной скорости псевдоожижения от пузырькового режима к турбулентному по максимуму амплитуды пульсаций давления в слое;
- выявлены закономерности механизма гравитационных автоколебаний пузырькового псевдоожиженного слоя и получено выражение для основной частоты колебаний слоя f0 ; показано дискретное изменение частоты при смене мод поперечных поверхностных волн;
- установлено разделение слоя на прирешеточную и пузырьковую зону слоя, происходящее при суперпозиции глобального и локальных видов волн давления;
выявлен разрывный тип автоколебаний слоя, определяющий синхронизацию динамических процессов в псевдоожиженной автоколебательной системе;
- разработана физико-математическая модель и получено ее решение для разрывных автоколебаний псевдоожиженного слоя;
- аналитически и экспериментально установлена причина образования застойных зон на газораспределительной решетке, связанная с локальным дополнительным сопротивления слоя; определены условия равномерного псевдоожижения в аппарате с многоэлементным газораспределителем;
- на основе корреляционного анализа колебаний давлений на решетке и в подрешеточном объеме получены расчетные зависимости параметров газораспределителя, исключающие провал частиц под решетку;
- разработана физическая модель истирания частиц в струйной зоне псевдоожиженного слоя и на ее основе разработана методика расчета интенсивности истирания, учитывающая массовый поток частиц в струе, прочностные свойства частиц и влияние диаметра отверстия в решетке.
Практическая значимость и реализация работы. Полученные результаты позволили сформировать физические представления о пузырьковом псевдоожиженном слоем как о релаксационной автоколебательной системе и разработать на их основе методики расчета режимных и технических параметров высокоинтенсивных тепломассообменнных процессов в установках с псевдоожиженным слоем.
Полученные данные и запатентованные решения использованы ОАО ВНИИ металлургической теплотехники, ЭПК УрФУ, УГМК-ХОЛДИНГ и другими организациями при создании высокоэффективных, экологически чистых технологий и установок для термической обработки железной руды и деталей машиностроения, котлов и газификаторов с псевдоожиженным слоем, средств технологического контроля качества псевдоожижения.
Отдельные положения и разделы работы включены в 5 монографий и справочное издание Handbook of Powder Technology, издательство Elsevier, 2007г. Материалы исследований используются в учебных курсах университетов.
На защиту выносятся:
1. Разработанные автором оригинальные методики исследования случайных динамических процессов псевдоожиженного слоя и их аппаратурное оформление.
2. Результаты экспериментальных исследования распространения волн давления в псевдоожиженном слое и их теоретическое описание.
3. Результаты экспериментальных исследований амплитудно-частотных характеристик режимов псевдоожижения.
4. Результаты экспериментальных исследований пространственных корреляционных связей колебаний давления, расходов газа и движения пузырей в аппарате с псевдоожиженным слоем.
5. Теоретическое обоснование глобального и локальных видов колебаний давления в слое и двухзонной структуры слоя.
6. Физико-математическая модель разрывных автоколебаний пузырькового псевдоожиженного слоя.
7. Зависимости для определения амплитуды и основной частоты колебаний в пузырьковом псевдоожиженном слое 8. Результаты экспериментальных исследований и теоретический анализ равномерности псевдоожижения, обратных потоков газа и частиц через решетку.
9. Разработанная автором методика расчета параметров газораспределительного устройства, обеспечивающего равномерное и беспровальное псевдоожижение.
10. Разработанная автором модель и результаты исследований интенсивности истирания частиц мелкодисперсного материала в струйной зоне псевдоожиженного слоя.
ичный вклад автора: постановка задач исследований, разработка методик экспериментов и конструкций экспериментальных установок; организация и проведение экспериментов; анализ и обобщение собственных и публикуемых экспериментальных данных; разработка теоретических моделей и вывод расчетных зависимостей; участие в разработке проектных решений промышленных и опытно-промышленных установок, участие в пусконаладочных работах и испытаниях оборудования, разработанного на основе результатов исследований автора.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на Всесоюзных, Всероссийских и Международных конференциях в УГТУ-УПИ, Екатеринбург, 1984,1986,1997,2003,2007; Всесоюзной конференции Энергетика высокотемпературных теплотехнологических процессов, Москва, 1982;
Всесоюзной конференции Проблемы энергетики теплотехнологии, Москва, 1983; V конференции по псевдоожижению, Эльсинор, Дания, 1986; Симпозиуме по истиранию и износу в технологии порошков, Утрехт, Голландия, 1992; VII конференции по псевдоожижению, Сидней, Австралия, 1992; VIII конференция по псевдоожижению, Турс, Франция, 1995; IV Минский международный форум Тепломассообмен ММФ-2000, Минск. 2000; III Европейской конференции по псевдоожижению, Тулуза, Франция, 2000; Общем годовом собрании Международного института тонких частиц IFPRI-2000, Гаага, Голландия, 2000; VII симпозиум по агломерации, Алби, Франция, 2000; XIII, XIV, XV, XVI Школах-семинарах молодых ученых и специалистов под рук. акад. РАН А.И.
еонтьева, Москва 2001, Рыбинск 2003, Калуга 2005, Санкт-Петербург 2007;
XXVI Сибирском теплофизическом семинаре, Новосибирск, 2002; III, IV,V Российских национальных конференциях по теплообмену, Москва, 2002, 2006, 2010; Второй Международной научно-практической конференции Современные энергосберегающие тепловые технологии (сушка и тепловые процессы) СЭТТ2005, Москва, 2005; Юбилейной научной общероссийской конференции Современные проблемы науки и образования, Москва, 2005; Пятой Российской научно-технической конференции Энергосбережение в городском хозяйстве, энергетике, промышленности, Ульяновск, 2006; VI Всероссийской конференции Горение твердого топлива, Новосибирск, 2006; Первой конференции по фильтрационному горению, Черноголовка, 2007.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 76 работ (из них относятся к изданиям, рекомендуемым ВАК для опубликования результатов докторских диссертаций), в том числе: 18 статей в журналах по списку ВАК, два авторских свидетельства и патент на изобретение.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы, состоящего из 3наименований, и приложений. Материал изложен на 366 страницах машинописного текста, содержит 115 рисунков и 16 таблиц.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность работы, приведены цель, новизна, практическая ценность и реализация результатов, сформулированы задачи исследований, представлены результаты работы, выносимые на защиту.
В первой главе рассматриваются наблюдаемые в аппаратах с псевдоожиженным слоем режимы псевдоожижения и исследуются закономерности распространения волн давления в псевдоожиженном слое.
При описании однородного, пузырькового и турбулентного режимов псевдоожижения используется классификация твердых частиц Гелдарта. Для каждого из режимов показаны особенности колебательных процессов, выражающиеся в интенсивности и виде колебаний гидравлического сопротивления и высоты слоя. Рассмотрены квазиупругие модели колебаний слоя, основанные на балансе сил тяжести и вязкого трения между газом и частицами [Тодес, Хиби, Верлуп], из которых следуют выражения для частоты колебаний гравитационно- маятникового типа: f ~ 1/ 2 (g / H )1/ 2. По результатам известных аналитических и экспериментальных исследований [Дэвидсон, Бородуля, Филипповский] показано, что режим регулярных автоколебаний, характеризующийся меньшей частотой по сравнению с колебаниями обычного пузырькового слоя, может возникать при сочетании крайне низкого сопротивления решетки (1-3% от Pb ) аппарата и большого подрешеточного объема (не менее чем на порядок превышающего объем слоя).
Приводятся данные о доминирующем влиянии периодических процессов извержения пузырей с поверхности придонного слоя на флуктуации восходящего потока в подъемном стояке аппаратов с циркулирующим псевдоожиженным слоем.
Распространение возмущений (изменений локальных параметров) в объеме слоя происходит в виде в виде динамических волн, которые можно разделить на медленные волны сплошности (пузыри) и имеющие большую скорость компрессионные волны (волны давления), реализуемые в слое в нескольких разновидностях. Процессы зарождения и распространения волн давления в псевдоожиженном слое являются основными элементами его гидродинамики, формирующими колебательный механизм, в котором к одним из главных параметров является скорость распространения волн давления.
Скорость волн давления в псевдоожиженном слое выражена через его параметры из общей зависимости для скорости звука в сплошной сжимаемой среде - c = p / при изотермических условиях и принятом в модели гомогенной среды допущении о незначительности относительного межфазного движения:
g c = c, (1) sb so [ (1 - ) + ] s g где c = RT - скорость звука в чистом газе.
so P, Па Для экспериментального определения 3скоростей звуковых волн в псевдоожиженном слое использовались 2два метода: метод стоячей волны при свободных колебаниях слоя и 1измерение скорости бегущей волны от локального возмущения в слое. В первом случае колебания слоя, находящегося на пределе ожижения, -1вызывались ударом дна установки о твердую горизонтальную поверхность, с -2, c 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,сообщением ему тем самым вертикального импульса. Возникающие Рис. 1. Колебания давления в слое после сообщения вертикального импульса колебания имеют устойчивую Hmf = 0,8 м; вермикулит, ds = 0.22 мм;
u = umf, D =0,03м.
периодичность с сильным затуханием, рис.1. Выражение для периода собственных колебаний слоя имеет вид:
[ (1 - ) + ] [s (1- ) + ] 4H s g g t = = 4H (2) n RTg c so g k [ (1 - )+ ] 4H s g C so g Рис. 2. Сравнение расчетных и экспериментальных значений периодов собственных колебаний однородного псевдоожиженного слоя. катализатор; -полимер; -кварцевый песок, ds=0,12мм; -кварцевый песок, ds=0,24мм; -стекло, ds=0,1мм; - вермикулит ; 1 Црасчет по формуле (2); D=0,03м.
Экспериментальные значения периода колебаний, полученные для шести видов материалов ( d = 70 240 мкм, = 384 2900 кг/м3) и трех видов s s ожижающих газов, достаточно хорошо совпадают с расчетными, рис.2 и 3.
Затухание колебаний слоя оценивались по величине безразмерного коэффициента демпфирования = t / 2. Для времени затухания колебаний n d получена аналитическая зависимость из уравнения свободных колебаний слоя, выражений энергии диссипации и изменения кинетической энергии частиц = 2g / u. Экспериментальные значения получались подбором экспонент d mf d E = ce- /d, огибающих кривую колебаний. Достаточно невысокие значения коэффициента демпфирования =0,10.3 для минимально ожиженного слоя частиц с ds = 50350 мкм, совпадающие с данными, полученными другими авторами при возбуждении колебаний одиночными газовыми импульсами, позволяют рассматривать слой как умеренно демпфированную колебательную систему.
Рис. 3. Зависимость периода собственных колебаний слоя в установке диаметром D =0,03м:
а) от высоты слоя при псевдоожижении воздухом - эксперимент, частицы катализатора;
1 - расчет по (2); 2 - по формуле Хиби, 3 - по формуле Верлупа и Хиртжеса;
б) от плотности частиц, псевдоожиженных воздухом, 1 - расчет по (2); в) от высоты при псевдоожижении различными газами, 1 - расчет по (2).
Во втором методе для получения бегущих волн давления очевидного происхождения были проведены эксперименты с разделением слоя на две части:
в верней части высокого слоя ( H = 1,6-1,8 м) размещалось воздушное сопло, создававшее выше себя крупные пузыри или поршни газа (неоднородный слой), а в зоне ниже сопла слой псевдоожижался близким к критическому расходом воздуха без пузырей, т.е. сохранялся однородный слой.
Возмущения от движения пузырей в верхней части слоя распространялись в нижнюю, где регистрировались датчиками давления, установленными с интервалом 150200 мм.
Скорость прохождения нисходящих волн давления определялась по сдвигу взаимных корреляционных функций, рассчитанных для разных пар датчиков, рис.4 и ее значения удовлетворительно соответствуют расчетными значениями по формуле (1) рис 5. Амплитуда колебаний давления при движении волны в Рис. 4.Взаимно корреляционная функция G6,1для датчиков давления, слое уменьшалась незначительно.
расположенных в однородной части Полученные нами данные были дополнены слоя ниже подачи струи из сопла на высоте hj=1,2 м; h1=0,05 м, h6=1,15 м;
последовавшими исследованиями других Hmf=1,6 м, авторов [Мусмарра, Бай, Клифт, Сшаф], создававших волны давления в слое инжекцией порции газа под решетку, в слой, либо в эластичную мембрану, а также импульсной компрессией поверхности слоя. Сравнение расчетной зависимости скорости волнового импульса (1) с нашими экспериментальными данными и данными последующих работ в интервале диаметров частиц от 0,04 до 0,39 мм и плотности частиц от 384 кг/мдо 2650 кг/м3, позволяет сделать вывод о применимости модели гомогенной сжимаемой псевдоожиженной среды для частиц групп А и В по классификации Гелдарта.
Рис.5. Результаты обработки корреляционных функций колебаний давления при подаче струи в верхнюю часть слоя: а) зависимость временного сдвига от расстояния между ds h датчиками, расположенными ниже ввода струи в слой: - катализатор, =0,07 мм, ds = hj = D = 0,045 м; - кварцевый песок, 0,24 мм, 1,6 м, 1,2 м; квадратная H = установка 0,12*0,12 м. б) расчётная по формуле (1) и экспериментальные (точки) значения ds = h скоростей волн давления, измеренные при различных ; кварцевый песок, 0,24 мм, hj = = H = 0,48, 1,8 м, 1,35 м, квадратная установка 0,12*0,12 м..
Рассмотрено влияние неравновесных состояний псевдоожиженной среды на скорость распространения волн давления. Изменение параметров движения фаз в высокочастотных (высокоскоростных) режимах псевдоожижения, например при виброожиженнии, носит характер неравновесных релаксационных процессов, параметры которых определяются частотой процесса и инерционными свойствами частиц. С использованием классификации Рыжкова динамических свойств дисперсных сред и режимов движения фаз по безразмерному частотному критерию v = показано, что скорость v распространения возмущений давления в псевдоожиженном слое совпадает с равновесной по формуле (1) для А, В и частично D групп частиц по классификации Гелдарта. В псевдоожиженных слоях с v >1,7 (фонтанирующие слои группы D, высокочастотное нестационарное псевдоожижение) наблюдается дисперсия волн и с увеличением скорости составляющих v волнового импульса превышают равновесные значения.
Вторая глава посвящена изучению гидродинамических характеристик автоколебательных процессов в установках с пузырьковым псевдоожиженным слоем, разработке и исследованию математической модели релаксационных автоколебаний слоя. С целью выявления основных гидродинамических закономерностей выполнялись измерения случайных процессов пульсаций давления в объеме слоя и подрешеточном пространстве, расходов газа через газораспределительные колпачки и движения пузырей от решетки к поверхности слоя. Исследования проводились в установках с размерами газораспределительных решеток до 1,2*0,6 м с использованием 127 канального информационно-измерительного комплекса при максимальной частоте программируемого опроса датчиков 133 Гц. В момент прорыва пузырем поверхности объем слоя уменьшается на величину объема пузыря, поэтому колебания поверхности слоя определяются параметрами выходящих пузырей.
Вследствие этого наблюдается примерное равенство амплитуд максимальных колебаний давления и среднеквадратичных отклонений в объеме слоя и на p газораспределительной решетке. Размах (двойная амплитуда) максимальных пульсаций давления, определенный по графикам плотности распределения, почти линейно увеличивается как с ростом скорости ожижения, так и с увеличением высоты слоя, достигая значений, сравнимых с сопротивлением всего слоя b gH, рис. 6.
На основании обработки данных по максимальным амплитудам колебаний на газораспределительной решетке для интервала изменения безразмерного комплекса 10-3 < (u - umf ) /(gHmf )< 0,25, получена степенная зависимость вида:
0. mf (u - umf )A= 1.5. (3) Pb Pb Рис. 6. Зависимости экстремальных амплитуд колебаний давления от безразмерной скорости псевдоожижения; а) - = 0,75% б) - = 2,4%; установка с решеткой 1,2*0,6 м Демпфирование амплитуды волн давления, проходящих из слоя в подрешеточную камеру, возрастает с увеличением сопротивления решетки.
Поэтому при W > 2 амплитуда колебаний давления в камере под решеткой с ростом скорости остается постоянной ( =2,4%) или может уменьшаться ( =0,75%). Из анализа экспериментальных данных следует, что основным звеном в феноменологии происхождения и распространения крупномасштабных флуктуаций давления в аппарате с псевдоожиженным слоем являются гидродинамические процессы, связанные с выходом пузырей на поверхность слоя. При высоких скоростях ожижения (W > 5-6) крупные пузыри теряют гидродинамическую устойчивость и разрушаются, а псевдоожиженный слой приобретает вихревую структуру, при этом амплитуда пульсаций давления (и среднеквадратичное отклонение) начинают уменьшаться. Скорость, соответствующую максимуму амплитуд пульсаций давления uc было предложено считать переходной скоростью псевдоожижения от пузырькового режима к турбулентному. Значения uc для частиц группы B, в том числе полученные другими авторами, наиболее точно описываются зависимостью Rec= 0,633Ar0,467 [Накаджима]. Анализ имеющихся экспериментальных значений uc, сгруппированных по 15 узким интервалам числа Ar не выявил определенной зависимости переходной скорости от диаметра аппарата D в рассматриваемых диапазонах параметров D =0,05 1,6 м; Ar = 0,72 12,4 *104.
Выходящие на поверхность крупные пузыри порождают волны давления большой амплитуды, которые могут быть замерены во всех точках аппарата с псевдоожиженным слоем и имеют для него глобальный характер. Поэтому доминирующий пик этой моды f сохраняется на всех частотных спектрах колебаний давления и расхода газа через колпачки, независимо от положения точки замера в аппарате, рис.7, а его положение соответствует наиболее вероятному значению частоты выхода крупных пузырей из слоя, зависящей от высоты слоя H. Увеличение сопротивления решетки в аппарате 1,2*0,6 м примерно шесть раз (уменьшение живого сечения с 2,4% до 0,75%) и увеличение скорости псевдоожижения (при H =0,5 и 0,8 м) не приводит к изменению значения основной частоты колебаний f. Наряду с глобальными колебаниями с частотой f в слое обнаруживаются два вида локальных колебаний, первые из которых создаются возмущениями по траектории подъема пузыря, а вторые, более слабые, образуются в виде локальных компрессионных волн при истечении струй и образовании пузырей в прирешеточной зоне.
Подъем крупных пузырей вызывает колебательные движения всей текучей массы слоя, поэтому частоту f можно считать основной модой колебательного механизма псевдоожиженной системы. При расчете частоты f колебания слоя рассматриваются как колебания жидкости в ограниченном стенками сосуда объеме. В качестве аналогии приняты свободные колебания жидкости по U - образному контуру (подъем материала слоя в зоне всплытия пузыря и одновременное нисходящее движение материала в соседней зоне без пузыря), для которых частота колебаний давления S*10-5, S*10-5, Па2*с Па2*с 1,б) а) 2,H=0,5 м H=0,5 м h=0 м h=0,4 м 0,1,0,W=3,W=3,0,0,W=2,W=2,W=1,W=1,fo fo f, Гц f, Гц 0 4 6 0 2 4 6 Рис. 7. Спектральные плотности пульсаций давления на газораспределительной решетке и у поверхности слоя: а) на решетке, h = 0 м; б) у поверхности слоя, h = 0,4м; H = 0,5м, = 2,4%.
внутри контура определяется выражением:
1 g f =, (4) HВ тоже время повторяющееся изменение формы поверхности слоя пузырями превращается в движение бегущих между стенками аппарата волн верхней границы слоя, результатом сложения которых являются стоячие поперечные волны на поверхности. Частотный спектр для волн на поверхности жидкости рассматривается в известных методиках:
fnm = gknmth(knmH ), (5) 2 где knm - волновое число, равное для прямоугольного сосуда с размерами сторон L и B : knm = (n / B)2 + (m / L)2, и для цилиндрического сосуда с диаметром D : kn = n / D ; m, n = 0,1,2Е.- число полуволн.
Происхождение поверхностных волн подчинено механизму движения пузырей и взаимосвязано с ним, поэтому зависимость основной частоты колебаний f от высоты слоя H соответствует формуле (4). При данной высоте слоя в аппарате H частота f реализуется в виде наиболее мощной и близкой к ней моды из спектра (5). На рис.8 вместе с нашими данными приведены частоты мод колебаний давления в аппарате с D =0,8 м, полученных в исследованиях [Сшаф и др.], где при некоторых высотах слоя число мод достигало 4. Дискретный характер смены мод колебаний (5) объясняет полученные в экспериментальных исследованиях разных авторах скачкообразные изменения частоты колебаний.
Рис. 8. Зависимость частоты мод поверхностных волн от высоты слоя:
- расчет по зависимости (4); - расчетные моды (5);
установка 0,12*0,12 м; высота датчиков давления в слое: - 0,05 м, - 0,25 м, - 0,5 м, - 0,75 м, - 1,15 м, - 1,34 м, - 1,75 м, песок, =0,24 мм;
dS - расчетные моды и экспериментальные данные - [Сшаф], D =0,8 м, =0,39 мм.
dS В исследованиях процессов формирования и движения пузырей методами корреляционного анализа колебаний давления, расходов газа и порозности (регистрация движения пузырей фотодатчиками) выявлены основные автоколебательные свойства системы и релаксационный (разрывный) характер процессов. Период автоколебаний слоя состоит из двух фаз. В первой длительной фазе T происходит накопление газа в слое, подъем пузыря к поверхности и увеличение высоты слоя, при этом аэродинамическое сопротивление слоя уменьшается, а расход газа через поверхность близок к критическому. В течение второй, в 4-5 раз более короткой фазы T, происходит выход пузыря из слоя, от лобовой точки до кормовой части с разовым выбросом из слоя содержащегося в нем газа, примерно равного расходу газа, поступившему в образующийся в это время следующий пузырь у решетки. Сопротивление слоя во второй фазе быстро возрастает. Формирование крупных пузырей для последующего подъема к поверхности происходит на определенном уровне от газораспределительной решетки h, составляющей высоту прирешеточной зоны, в которой g наблюдаются вихревые структуры с образованием газовых каналов и цепочек мелких пузырей. Выше этого уровня находится зона подъема пузырей - пузырьковая зона с высотой (расстояние до поверхности) - h. Разделение слоя b по высоте на две зоны, имеющие разные структуры, подтверждается значениями взаимных корреляционных функций колебаний давления. В пределах прирешеточной зоны пульсации давления происходят практически синхронно по высоте, поскольку образованы интерференцией глобальных волн с частотой f и слабых локальных компрессионных волн, образующихся при коалесценсии пузырей. Поэтому взаимные корреляционные функции в этой зоне имеют высокие максимальные значения 0,9-0,95 и незначительные временные сдвиги = 0,01-0,015с, соответствующие звуковым скоростям 40-45м/с. В верхней же пузырьковой зоне колебания давления происходят в результате сложения все той же глобальной волны и медленной бегущей волны, создаваемой поднимающимся пузырем (первый вид локальных волн). Взаимные корреляционные функции, полученные для датчиков давления, один из которых закреплен в прирешеточной зоне, а второй перемещается вверх по пузырьковой зоне, показывают более низкие максимальные коэффициенты корреляции 0,45 0,6 и нарастающий временной сдвиг, соответствующий скорости подъема пузыря 0,5-0,7 м/с. Колебания давления в любых двух точках по высоте пузырьковой зоны когерентны и позволяют получить зависимость стационарного фазового сдвига колебаний от расстояния между ними.
На рис.9 показаны временные сдвиги функций, переведенные в фазовые сдвиги колебаний в радианах, для слоев с высотой от 0,2 до 0,8 м. В пределах прирешеточной зоны сдвиги близки к нулю, поэтому экспериментальные точки лежат на одной вертикали. В пузырьковой зоне для каждой точки замера на высоте h показан фазовый сдвиг в радианах, поэтому кривые, соединяющие экспериментальные точки, имеют синусоидальный вид. Прямая, соединяющая высоты, с которых начинаются фазовые сдвиги, аппроксимирует зависимость высоты прирешеточной зоны от высоты слоя h (H ). Высота g пузырьковой зоны является одним из основных параметров, от которого fзависит частота колебаний. При искусственном изменении высоты пузырьковой зоны hb = Hmf - hj (посредством подачи струи газа с образованием пузырей в минимально ожиженный слой из сопла через боковую стенку установки на изменяемой высоте от решетки hj ), аппроксимирующая экспериментальные точки зависимость f0(Hmf - hj ) практически совпадает с зависимостью f0 (H ).
Рис.9.Зависимость высота прирешеточной зоны слоя зоны слоя hg от высоты слоя H0 и распределение фазового сдвига колебаний в верхней пузырьковой зоне; установка 0,12*0,12 м, u =0,2м/с, песок, ds =0,24 мм.
В промышленных установках с большим размером газораспределительной решетки образуется несколько распределенных по площади слоя трактов подъема пузырей, характеризуемые горизонтальным полем корреляций.
Данные по горизонтальной корреляции, полученные в аппарате с 18 колпачками на решетке 1,2*0,6м, при высотах слоя H = 0,30,8 м и числах псевдоожижения W = 1,33,8 подтверждают двухзонную вертикальную структуру слоя. В прирешеточной зоне с высокой порозностью пульсации давления достаточно синхронны, коэффициент корреляции пульсаций давления k для двух точек p1, pгоризонтального сечения слоя в нижней зоне достигает значений 0,50,9. В то время как в верней части слоя, где пульсации давления в большей степени зависят от прохождения пузырей около точки замера, максимальные значения взаимных корреляционных функций не превышают значений 0,2-0,3.
Процессы колебаний давления в прирешеточной зоне определяют гидродинамику работы газораспределительного устройства. В таблице приведены коэффициенты корреляции давлений в точках 1 и 2 на решетке (расстояние между точками 0,8 м), расходов газа в колпачках и давления в подрешеточной камере. Доминирующее влияние оказывают колебания глобального типа, поэтому колебания расхода газа через колпачки происходят в противофазе с колебаниями давления над решеткой и под ней. Локальные колебания на решетке, особенно при малых высотах слоя, обусловливают некоррелированную работу удаленных колпачков. Вследствие этого наблюдается высокая корреляция колебаний разницы давлений на решетке P1 и давления в подрешеточной камере P (где присутствуют только колебания глобального типа wb fс частотой ) с расходом в колпачке 14, расположенном около точки замера давления P1 на решетке (GPwb -P1,PP14 = 0,82) и отсутствие ее для удаленного колпачка 4 (GP,PP4 = 0,05), табл. 1.
-Pwb Таблица Значения взаимной корреляционной функции Gi, j для точек замера давления при =в газоподводящей системе установки 1,2*0,6 м. = 2,6% ; W = 2,6; H = 0,3 м.
i j P1 Pwb - P1 Pwb 1 - 0,Давление на решетке в точке1 - PПерепад давления на измерителе расхода газа -0,55 0,82 -0,через колпачок № 14 (около точки 1) - PДавление в подрешеточной камере- Pwb 0,86 - Давление на решетке в точке 2( на расстоянии 0,62 - 0,0,8 м от точки 1) - PПерепад давления на измерителе расхода газа -0,15 0,05 -0,через колпачок № 4(около точки 2 ) - PИз обобщения полученных экспериментальных данных и результатов исследований других авторов сформировано феноменологическое представление о релаксационном механизме автоколебаний в установке с псевдоожиженным слоем, в котором устойчивые квазипериодические колебания слоя с частотой f0 являются результатом самонастройки нелинейной системы пропускать сверхкритический объем газа в пузырях. При этом синхронизация отклонений системы от равновесного положения (высоты слоя, перепада давления в слое) с действием обратной связи на входящий в слой поток газа, а также синхронизация различных видов колебаний давления происходят в результате образования стоячих волн плотной фазы на поверхности слоя и зоны формирования пузырей с определенной высотой над решеткой hg.
В разделе моделирование автоколебаний пузырькового псевдоожиженного слоя показано, что в проведенных разными авторами исследованиях рассматриваются линейные приближения решения уравнений колебаний псевдоожиженного слоя, не отражающие достаточной мере поведение автоколебательной системы. В ряде работ фактически исследуются вынужденные колебания, поскольку для описания колебаний слоя используются внешние периодические возмущения на его границах. Выполненные нами моделирования перехода однородного псевдоожиженного слоя в режим автоколебаний по модели Тодеса показали, что в случае сохранения гомогенной структуры слоя колебания слоя не поддерживаются и затухают из-за преобладания силы вязкого трения над конкурирующей с ней силой тяжести в фазе нисходящего движения частиц, поскольку относительная скорость частиц в ней получается сложением модулей абсолютных скоростей частиц и газа. Для моделирования реальных автоколебаний выбран слой с поршневым режимом пузырькового псевдоожижения, который можно рассматривать как одну из зон с трактом подъема пузырей в аппарате с большой площадью газораспределительной решетки. В узком аппарате крупные пузыри (газовые поршни) занимают большую часть сечения слоя, оставляя для просыпания частиц кольцевой зазор переменного сечения около стенок, рис.10.
Образование пузырей заканчивается на границе прирешеточной и пузырьковой зон (на расстоянии hb от поверхности), выше этого уровня в слое находится, как правило, только один крупный пузырь. Полный период колебаний поверхности T делится на две фазы. В первой, продолжительной фазе - T1, пузырь медленно поднимается внутри слоя от места образования до касания поверхности лобовой точкой. За время первой фазы 1 = T1 пузырь проходит расстояние hb - L со скоростью uA, высота слоя при этом возрастает со скоростью US от Hmin до уровня немного ниже H.
S max Вторая фаза начинается в момент раскрытия пузыря = 0 и превращения его в каверну на поверхности слоя глубиной L. Стенки каверны, образованные прослойкой частиц вокруг пузыря, сначала по инерции движутся вверх до полной остановки поверхности прослойки на высоте H, а затем ссыпаются S max вниз с абсолютной скоростью - US :
US = uA -U / 2 - 2g, (6) B где UB - скорость пузыря относительно частиц.
Рис.10. Цикл колебаний поверхности слоя и подъема пузырей:
а) 1 = 0 - начало первой фазы для пузыря n ; б) 2 = 0 - начало 2 фазы для пузыря n ;
в) момент второй фазы при выходе пузыря n из слоя и движении кольцевой поверхности слоя вниз; г) = T (1 = 0) - начало первой фазы для пузыря n +В конце второй фазы, когда поверхность прослойки сравнивается с дном каверны, высота поверхности слоя равна Hmin. Затем цикл колебаний повторяется. В аппаратах больших размеров механизм релаксационной модели процесса остается таким же, с той лишь разницей, что для непристенных пузырей прослойка материала вокруг пузыря становится шире (зависит от расстояния между трактами подъема пузырей) образуя гребни (пучности) поверхностных волн, которые при дефлюидизации рушатся на ожиженную массу слоя.
Из уравнения сохранения импульса для одномерного слоя и уравнения Эргуна для движущегося слоя получены уравнения движения поверхности слоя и перепада давления в слое для первой фазы колебаний :
d H1(1) AC1H1(1) 2uH1(1) dH1(1) = - + d12 (H1(1) - C1)2 H1(1) - C1 d1 BH1(1) 2uH1(1) dH1(1) 2uH1(1) dH1(1) + - - - 2g, (7) (H1(1) - C1) H1(1) - C1 d1 H1(1) - C1 d AC12 2uH1(1) dH1(1) P1(1) = - + (H1(1) 2 - C1)2 H1(1) - C1 d1 BC1 2uH1(1) dH1(1) 2uH1(1) dH1(1) + - - S H1(1) (8) 2(H1(1) - C1) H1(1) - C1 d1 H1(1) - C1 d1 и для второй фазы колебаний:
d H ( ) AC2 H ( ) 2uH ( ) dH ( ) 2 2 2 2 2 2 2 = - d (H ( ) - C2 )2H ( ) - C2 d + 2 2 2 2 2 BH ( ) 2uH ( ) dH ( ) 2uH ( ) dH ( ) 2 2 2 2 2 2 2 2 2 + - H ( ) - C2 - d + (H ( ) - C2 )H ( ) - C2 d 2 2 2 2 2 2 2 2U Cmf ( 2gL -U ) B B + - 2g, (9) U Hmf C2 1+ B 2 H - h mf AC22 2uH2 ( ) dH ( ) 2 2 P2 ( ) = - + (2H2 ( ) - C2 )2 H ( ) - C2 d 2 2 2 BC2 2uH2 ( ) dH2 ( ) 2uH2 ( ) dH2 ( ) 2 2 2 + - * - * 2H2 ( ) - C2 H ( ) - C2 d H2 ( ) - C2 d 2 2 2 2 sU Cmf ( 2gL - U ) B B 1 U B 2 * S H ( ) + +, (10) 2 H - h H mf mf 150g 1,75 g где A = ; B = ;C1 = Hmf (1- ) ;C2 = (Hmf - h)(1- ) ;
mf mf ds s 2sds h(z) = 0,35( 2Dz -0,35D/ 2).
Полученные по уравнениям (6)-(10) зависимости колебаний высот и порозности слоя, рис.11, фазовая диаграмма колебаний поверхностей, рис.соответствуют автоколебаниям системы накопительного типа с разрывным видом колебательных процессов.
Рис.11. Изменение высоты (а) и средней порозности слоя (б) за период колебаний:
=1,6 м, =0,09 м/с, =0,211 м/с, =0,448, =2650 кг/м3, =240 мкм, =0,12м.
u D H U S d mf mf mf S Расчет высот на рисунке (а): фаза 1 - уравнение (7), кольцевой поверхности всего слоя - уравнение (6), поверхности ожиженного слоя - уравнение (9).
Модель релаксационных автоколебаний слоя, вместе с методами нахождения основной частоты, позволяет рассчитывать амплитуды флуктуаций высоты и гидравлического сопротивления псевдоожиженного слоя в промышленных аппаратах в зависимости от их размеров, скорости псевдоожижения и свойств материала.
В третьей главе на основе результатов исследований гидродинамики неоднородного (пузырькового) псевдоожижения изучены вопросы надежности работы газораспределительных устройств и определены условия беспровальной работы газораспределителя и равномерного псевдоожижения дисперсного материала по площади решетки.
Рис. 12. Фазовая диаграмма колебаний поверхности ожиженного слоя (пунктирная линия) и поверхности прослойки вокруг пузыря (сплошная линия). Первая фаза: 0 -1, поверхность слоя; Вторая фаза: 1 -1 - 2 - 0, поверхность ожиженного слоя; 1 - 2 - 0, поверхность прослойки вокруг пузыря.
Газораспределительное устройство является основным и наиболее ответственным конструктивным узлом установки с псевдоожиженным слоем.
Надежность его работы определяет надежность работы всего аппарата и заключается в выполнении двух основных функций - исключение провала псевдоожижаемого материала в подрешеточную камеру и равномерное распределение по площади решетки ввода газа в слой.
Как было показано (глава 2) в установках с большой площадью газораспределительной решетки мгновенное поле давлений на ней в отдельные моменты времени может быть существенно неравномерным, а колебания в удаленных друг от друга зонах в целом слабо коррелированны.
Выравнивание давления по площади решетки происходит, согласно данных главы 1, с относительно невысокой скоростью волн, порядка 10 м/с.
Соответствующее этой скорости время релаксации в десятые-сотые доли секунды определяют величину фазового сдвига колебаний давления в удаленных друг от друга зонах на решетке. В то же время в подрешеточной камере, где скорость волн давления около 300 м/с, давление пульсирует практически синхронно по всему объему камеры с усредненной по всем поступающим из слоя возмущениям демпфированной амплитудой. Вследствие сказанного пульсирующие мгновенные расходы газа через отдельные газораспределительные элементы решетки оказываются сдвинутыми фазе.
Экспериментально показано, что в колпачках, находящихся на расстоянии около метра, колебания расхода газа могут быть противофазными. Противофазные колебания локальных перепадов давлений на решетке, в свою очередь, могут приводить к совпадению в определенные интервалы времени максимальных локальных давлений над решеткой и минимальных давлений под ней, что также показано прямыми измерениями пульсаций давлений в установке с размером колпачковой решетки 1,2*0,6 м. При совпадении экстремальных амплитуд пульсаций давление под решеткой становится меньше локального давления над ней (экстремальные пики на осциллограмме давлений накладываются друг на друга), что вызывает обратные потоки газа и частиц в подрешеточную камеру через колпачки, оказавшиеся в зоне отрицательных перепадов на решетке -Pg.
Разница средних давлений в подрешеточной камере Pwb и на решетке Pравняется сопротивлению решетки при рабочей скорости ожижения Pg.
Поэтому для исключения обратных потоков газа с провалом частиц псевдоожижаемого материала под решетку, при возникновении локальных отрицательных перепадах давления на ней, необходимо выбирать сопротивление max max решетки больше суммы максимальных амплитуд A0 + Awb.
С целью определения значений параметров скорости псевдоожижения, при которых обратных потоков газа через решетку происходить не будет, составлена max max функция F = A0 + Awb - Pg, зависящая от 4 безразмерных комплексов mf Pb b umf Pl,,,W и имеющая вид:
mf Pg Pb Pb 0,mf 2 Pb b umf F = 1,5 (W -1)0,84 1+ -W.
mf 2 - Pb Pg W Pl Pb -1 -1 +1 mf Pb Pg W Функция рассматривается в области определения W 1. При заданных mf Pb b umf Pl значениях переменных,, она имеет интервал значений чисел mf Pg Pb Pb псевдоожижения W1,2, на котором F > 0 и в пределах которого возможны обратные потоки газа и частиц в газораспределительные элементы решетки. Вне интервала W1,2, где F 0, появление обратных потоков невозможно.
В зависимости от продолжительности промежутка времени , в течение которого давление в данной зоне на решетке P0 больше давления Pwb под ней, твердые частицы, увлекаемые обратным потоком газа, могут успеть проскочить всю длину внутреннего канала в колпачке L0 и попасть в подрешеточную камеру, либо длина пробега частиц внутри канала не превысит его длину и частицы будут вынесены обратно в слой после смены направления потока газа в колпачке.
В случаях, когда кратковременные проскоки частиц в колпачок не нарушают его работу, в целях экономии энергии на сжатие газа можно не увеличивать сопротивление решетки и считать такой режим работы газораспределителя приемлемым. Однако при этом необходимо оценивать глубину проникновения частиц внутрь колпачка l для сравнения ее с длиной отверстий в колпачке L0.
Для определения глубины проскока l получено выражение для переменной скорости обратного потока газа в отверстии колпачка в течение времени его существования = / :
2P u( ) = [1- cos( )], g Lo - угловая частота периодического процесса совпадения экстремальных где пиков давления на решетке P0 = P sin( ) и под ней Pwb = -P sin( ), а mf Pb b umf Pl максимальная разница совпадающих пиков 2 P = F(,, ). Сила mf Pg Pb Pb взаимодействия газового потока с увлекаемыми внутрь колпачка частицами дисперсного материала выражена через стоксовский коэффициент аэродинамического сопротивления и получена зависимость для глубины проскока частиц:
2 l = 36P ( - 4) /(s gd L0 ).
Величина угловой частоты определяется интервалом времени :
= /. Из анализа осциллограмм колебаний давления над и под решеткой следует, что длительность интервала времени наложения пиков давления может доходить до 0,1T, при которой угловая частота имеет величину =10f. Тогда при основной частоте колебаний f0 = 13 Гц минимальное значение угловой частоты находится в интервале = (1030) рад/с. На рис. приведен пример расчетных значений l по (3) в этом интервале частот в зависимости от амплитуды максимальной разницы давлений над и под решеткой P, из которого следует, что частицы будут просыпаться через колпачок с длиной отверстия Lo =0,1 м при < 24 и при P > 300 Па.
Рис.13. Зависимость глубины проникновения частиц в колпачок l от амплитуды P ds = 0,418 мм, s = 4000 кг/м3, L0 =0.1м При экспериментальных исследованиях неравномерности псевдоожижения в аппарате с 18 колпачковой решеткой размером 1,2*0,6м на кривой псевдоожижения Pwb (W ) была обнаружена последовательность пиков давления, каждый из которых соответствовал вступлению в работу очередного колпачка (или нескольких колпачков) при достижении расхода через него, достаточного для псевдоожижения зоны слоя, обслуживаемого данным колпачком. В случаях локального уплотнения слоя псевдоожижения над всеми колпачками не удавалось достичь даже при высоких скоростях газа, в результате чего на участках решетки с неработающими колпачками оставались стационарные застойные зоны. В экспериментах были получены распределения расходов газа по всем колпачкам установки, величины пиков давления в подрешеточной камере в зависимости от высоты слоя, скорости псевдоожижения с изменением анизотропных свойств слоя уплотнением или увлажнением отдельных его участков. При помощи фотосъемки через прозрачное дно установки с двумя колпачками исследовались процессы зарождения и истечения газовых струй из отверстий колпачков. В результате анализа полученных результатов было установлено, что образование застойных связано с анизотропными свойствами слоя, заключающимися в неравномерной проницаемости слоя по площади аппарата из-за разной степени проявлении межчастичных сил (когезии, трения).
Вследствие стесненной фильтрации газа через неожиженный материал вокруг колпачка максимальное сопротивление слоя в застойных зонах превышает mf сопротивление псевдоожиженного слоя на величину Pdz, равную замеряемому в экспериментах пику давления. Модель истечения газа из отверстия с радиусом ro на решетке с живым сечение исследовалась автором совместно с Н.Ф.Филипповским и было получено выражения для максимального дополнительного сопротивления застойной зоны mf mf Pdz = 0,5 * s gro (1 - 4 /3 + 71/ 2 /3) /.
Из равенства потерь давления при прохода газа через аппарат на участках с ожиженным слоем и застойной зоной получены зависимость давления в mf подрешеточной камере с учетом сопротивления Pdz и количества не вступивших в работу n колпачков из N, имеющихся на решетке:
mf mf mf Pg n{((N - n)2(s (1- )gH + Pdz ) + 2Pg NnW )2 + max Pwb,n = Nn (N - n)2 mf 2 mf 2 4Pg (N - 2Nn)(Pg N W + s (1- )gH(N - n)2)}1/ 2 - n(N - n)2( (1- )gH + s mf 2Pg (N - 2Nn) mf mf Pdz ) - 2Pg Nn2W + s(1- )gH, и зависимость для числа псевдоожижения при n неработающих колпачках:
n + (N - n)(1+ )1/ Wn = N max mf 2 где =( Pwb,n - Pb ) / Pgmf -1= s gro(1- 4 / 3 + 71/ 2 / 3) /( gumf ). Число полного g (равномерного) псевдоожижения WG вычисляется при n =0. На рис.14. показано сравнение расчетных и экспериментальных значений Wn, полученных в установке с 18 колпачками.
Из полученных расчетных зависимостей следует, что для приведения слоя в полностью псевдоожиженное состояние в некоторых случаях требуются скорости WG в два-три раза превышающие рабочие, причем наибольшее относительное увеличение расхода требуется для вступления в работу последнего колпачка. В тоже время для снижения скорости Wn на 25% в Рис.14. Расчетные и экспериментальные mf значения Wn. H0 = 0,25 м, Pg = 0,3 кПа, аппарате с секционированным корунд ds =0.4 мм, цифры у кривых - подрешеточным объемом значения n.
необходимо увеличить число секций на порядок. Поэтому в качестве наиболее оптимального предложен способ первоначального посекционного псевдоожижения, при котором в случае подачи воздуха от центробежной воздуходувки достаточно иметь две-три секции в аппарате.
Сопротивление газораспределительной решетки, при котором достигается равномерное и беспровальное псевдоожижения материала, согласно полученным экспериментальным данным и расчетным соотношениям, следует выбирать не менее 0,25-0,3 от сопротивления слоя.
Четвертая глава содержит результаты теоретических и экспериментальных исследований истечения струи из отверстия газораспределительной решетки и истирания мелкодисперсного материала в пульсирующих струйных факелах прирешеточной зоны псевдоожиженного слоя. Рассмотренные процессы истирания в промышленных процессах термообработки, перемешивания, классификации, грануляции, крекинга нефти, газификации и сжигании топлив происходят в основном в результате взаимодействий между частицами и в большинстве случаев является нежелательными, поскольку приводят к возрастанию уноса материала и ухудшению качества продукта. Наибольшая k интенсивность истирания твердых частиц Aj ~ uo наблюдается в струйной прирешеточной зоне слоя, где инжектированные в струю частицы разгоняются до наиболее высоких скоростей и ударяются в пульсирующий свод струи.
Причем показатель степени k скорости истечения из отверстия uo по данным исследований разных авторов изменяется в интервале от 1 до 5,8.
С целью определения интенсивности истирания частиц в струйной зоне слоя разработана расчетная модель для частиц с диаметром d = 100- 3000 мкм, в s которой учитываются физические свойства частиц и выполняются вычисления скоростей и количества частиц при соударениях.
Осесимметричная струя, вытекающая из отверстия в газораспределительной решетке с радиусом ro, геометрически представляется в виде расширяющегося вдоль вертикальной оси x конуса с текущим радиусом b = ro + x tan (безразмерным радиусом = y /b ) при половинном угле раскрытия , рис. 15.
Пунктирной линией на рисунке показана толщина пограничного слоя струи b(1 - ), в пределах которого концентрация частиц < принята mf постоянной. Струя истекает в минимально ожиженный слой при скорости псевдоожижения u = umf и концентрации частиц в слое . Боковой поток газа mf в струю складывается из газа, фильтрующегося между частицами боковой поверхности струи - wgl и газа, находящегося в межчастичных объемах агрегатов частиц, инжектируемых в струю - wslmf. Профили скоростей газа u и j частиц v в горизонтальных сечениях основного участка струи приняты по j распределению Шлихтинга:
1, u = u (1-1,5)2, v = v (1 - )2, (11) j jm j jm где u и v - скорости газа и частиц на оси струи.
jm jm В расчетной модели для частиц решается система уравнений, включающая уравнения балансов массы для потока газа Wg и для потока частиц Ws, сохранения импульса для потока газа M и частиц M, сохранения импульса g s отдельно для потока частиц M, записанные по модели Донси и Массимиллы ля s элемента вертикальной изотермической струи высотой dx, рис.15.
Процедура вычислений дает решение системы в виде зависимостей u (x), v (x), (x), и wsl jm jm jm на основном участке струи, с последующим расчетом профилей скоростей газа и частиц в горизонтальных сечениях струи по формулам (11).
В наибольшей степени истиранию при соударениях с частицами купола струи подвержен поток инжектированных частиц Ws :
Ws = b2s j 2d, j v величина которого на высоте струи x рис.15. Геометрия вертикальной струи в псевдоожиженном слое определяется выражением:
2 3,5 Ws (x) = 2(ro + x tan )2sv (x)[0,163 - ( - (x))(0,5 - 2 /3,5 + /5].
jm j j j Используемый в расчетах угол раскрытия струи определялся для каждого из исследуемых материалов (соль NaCl, алюминосиликатный катализатор FCC, древесный уголь, известняк) экспериментально методом томографии круглой струи, истекающей в минимально ожиженный слой, рис. 16.
Рис.16. Схематичное (а) и томографическое (б) изображения струи в псевдоожиженном слое, d0 umf u, =1 мм, =, H0 = 0,2м =125 м/с.
uПолученные зависимости максимальной скорости на оси струи vjm (uo ) и массового расхода частиц в струе WS (uo ), рис.17, аппроксимировались степенными зависимостями:
n m v ~ u0, Ws ~ uo (12) j для определения показателей степеней n и m. Степень истирания (повреждения) при столкновениях отдельной частицы данного типа материала Aij зависит и от ее формы и прочностных свойств, поэтому Aij также можно выразить соотношением Aij ~ vlj. Подставляя в него v из (12) имеем:
j nl Aij ~ uo где l - показатель степени, зависящий от прочностных свойств частиц.
Рис.17. Изменение массового расхода частиц в струе от скорости струи для разных ds диаметров отверстия при постоянном размере частиц =0,418 мм (а) и для разных диаметров do частиц при постоянном диаметре отверстия =3 мм (б).
m Умножая на поток частиц в струе Ws ~ uo получаем выражение, с точностью до коэффициента пропорциональности определяющего общую интенсивность истирания частиц в струйной зоне слоя:
k Aj ~ Ws Aij ~ uo, где k = m + nl.
Значения прочностного индекса l данного вида материала определялись по специальной методике с ударом частиц о неподвижную пластину в конце разгонного трека. При многократном повторении опыта за среднюю интенсивность истирания испытуемого материала Aij принималась относительная потеря массы начальными материнскими частицами.
В табл.2 приведены результаты вычислений для частиц соли NaCl c ds = 0,418мм (прочностной индекс l =2,6), где расчетное значение k = 4,( do = 1 мм) удовлетворительно согласуется с полученным ранее при тех же условиях экспериментальным значением k = 5,1.
Таблица Расчетные значения степенных индексов зависимостей массового потока, скорости частиц и интенсивности истирания от скорости истечения газовой струи в псевдоожиженный слой частиц соли NaCl 1 мм 3 мм 5 мм Диаметр отверстия, do Индекс скорости частиц, n 1,44 1,68 1,1,2 0,87 1,Индекс потока частиц, m Суммарный индекс скорости истечения, k = m + 2,6 n 4,95 5,24 5,Аналогично влиянию скорости истечения исследовалось влияние диаметра отверстия истечения струи do на интенсивность истирания с введением q степенных соотношений v ~ dop, Ws /Wgo ~ do и получением соотношения:
j h Aj /Wgo ~ do, (13) где h = pl + q, а поток частиц Ws нормализован расходом газа через отверстие Wgo для придания автомодельности вычислениям при изменении расхода газа через отверстие с изменением его диаметра. Выполненные расчеты показали близкие к линейным зависимости (13) интенсивности истирания от диаметра отверстия (h = 1,04 для соли NaCl, h = 0,83 для катализатора FCC), удовлетворительно соответствующие экспериментальным данным.
Поскольку интенсивность истирания дисперсного материала зависит не только от свойств частиц, но и от скорости истечения газа из отверстий решетки и от их диаметра, в каждом конкретном случае появляется задача минимизировать интенсивность истирания, как функцию двух переменных uo и k h do вида Aj = Cuo do. Наименьшее истирание дает идеальный газораспределитель типа пористой плиты, так как обеспечивается равномерно распределенный ввод газа в слой (меньшие uo ) через бесконечно большое количество мелких отверстий (меньшие do ). На практике для газораспределителей с сосредоточенным подводом газа (колпачковые или сопловые решетки) выбор uo (или ) и do чаще всего нужно сделать при постоянном расходе газа через решетку и в этом случае истирание также будет меньшим при большем живом сечении и меньшем диаметре отверстия. Живое сечение решетки является одним из основных конструктивных параметров аппарата и его изменение существенно влияет на гидродинамику слоя и выполнение проводимых в нем технологических процессов. Однако, зависимость интенсивности истирания от скорости истечения гораздо сильнее, чем зависимость от диаметра отверстий (полученные значения k в несколько раз больше значений h ), поэтому даже незначительные увеличения живого сечения могут давать заметные эффекты снижения истирания материала.
В пятой главе приведены примеры использования результатов исследований при расчетах процессов в печах, газификаторах и котлах с псевдоожиженным слоем и в разработке технических решений отдельных узлов установок.
Разработана методика поверочного расчета газораспределителя промышленного аппарата и содержащая расчетные диаграммы, построенные в диапазонах изменения параметров псевдоожиженного слоя и дисперсного материала :umf = 0,03 0,4 м/с ( ds = 50 3000мкм, s = 250 4500 кг/м3); H0 = 0,2 1 м; W = 1 15; Pg / Pb = 0,2 0,4 (Pgmf / Pb =0,001 0,2); Pl / Pb = 1,5 и 3. Методика содержит два согласованных итерационных цикла вычислений и позволяет рассчитывать параметры работы газораспределителя, обеспечивающие при рабочей скорости газа беспровальные и равномерные режимы псевдоожижения.
С использованием данной методики совместно с ВНИИМТ разработаны режимные параметры и газораспределитель печи кипящего слоя для обжига лисаковской железной руды, производительностью 1 млн. тонн в год с площадью решетки 60 м2 и охладителя концентрата с кипящим слоем.
Экспериментально проверена величина дополнительного сопротивления слоя mf руды в застойной зоне Pdz при различных условиях. Выбраны живое сечение решетки, диаметр струйных отверстий в колпачках, обеспечивающие равномерное и беспровальное псевдоожижение руды. В конструкции газораспределителя применен боковой способ подвода газа на уровне газораспределительных колпачков для предотвращения образования застойных зон у стен аппарата, защищенный авторским свидетельством.
Приведены технические характеристики печи УТТЛ 1-01 для охлаждения турбинных лопаток, разработанной и изготовленной по заказу ОАО Завод турбинных лопаток г. С. Петербург. Подрешеточное пространство печи секционировано на три камеры, для равномерного посекционного ожижения слоя повышенным расходом газа при запуске установки.
Разработанная методика использовалась при выборе параметров газораспределительных решеток топки водогрейного котла мощностью 1МВт с низкотемпературным псевдоожиженным слоем и камеры охлаждения котла с циркуляционным псевдоожиженным слоем мощность 12 МВт для котельной УГТУ-УПИ.
Разработаны и испытаны конструкции устройств технологического контроля качества псевдоожижения, внедренные в ЭПК УГТУ-УПИ для проведения пуско-наладочных работ на установках с псевдоожиженным слоем.
Разработана и запатентована усовершенствованная конструкция двухзонного автотермического газогенератора с псевдоожиженным слоем для газификации твердых топлив. В газогенераторе используется псевдоожиженный слой высотой около 1м, состоящий из частиц инертного материала и топлива. Для улучшения массообмена пузырей вторичного воздуха с продуктами газификации на трубах подачи вторичного воздуха выше уровня формирования пузырей устанавливаются тормозящие козырьки. Полученное в работе выражение для частоты прохода крупных пузырей использовано для расчета коэффициента массообмена между пузырем и сплошной фазой при определении доли выхода полезных продуктов, соответствующей максимальной тепловой мощности получаемого газа при воздушной и паровой газификациях ирша-бородинских углей. Рассмотрена работа газогенератора в цикле газопоршневой мини-ТЭ - на ирша-бородинском угле. На примере паровой газификации кузнецких углей показано использование газогенератора для получения синтез-газа в производстве метанола.
В заключении сформулированы основные результаты и выводы по работе:
1. На основании термодинамической модели гомогенной псевдоожиженной среды получено выражение для скорости волн давления в псевдоожиженном слое. Выполнены прямые измерения скоростей волн при свободных колебаниях минимально ожиженного слоя и бегущих волн от локальных возмущений в слое методом расчета корреляционных функций. Проанализированы и экспериментально проверены полученные зависимости скорости волн и периода собственных колебаний слоя от плотностей газа и частиц, порозности и высоты слоя.
2. Теоретически оценены и экспериментально получены время затухания и безразмерный коэффициент демпфирования свободных колебаний минимально ожиженного слоя, классифицирующие псевдоожиженные слои частиц групп А и В как умеренно демпфированные колебательные системы. Экспериментально показано распространение слабозатухающих бегущих волн давления от поверхности слоя к газораспределительной решетке, создаваемых колебаниями поверхности при выходе из слоя пузырей.
3. Полученные экспериментальные данные по скорости распространения и степени затухания звуковых волн в псевдоожиженном слое частиц групп А и В показывают преобладание в механизме распространения волн гидродинамического взаимодействия частиц через газовую фазу. Установлено соответствие псевдогомогенной модели двухфазной среды и равновесной скорости распространения волн давления для групп частиц А, В, и частично D в условиях стационарного пседоожиженного слоя. Показана граница перехода в область диспергирующих волн по частотному критерию v.
4. В аппарате промышленных размеров, оборудованном многоканальным автоматизированным измерительным комплексом, выполнены детальные многоточечные измерения пульсаций давления и расходов газа в различных зонах слоя, элементах газораспределительного устройства и газоподводящей камере аппарата во всем диапазоне скоростей пузырькового псевдоожиженного слоя. Посредством методов статистического анализа случайных процессов и обработкой больших массивов первичных измерений получены зависимости амплитудно-частотных и корреляционных характеристик и функций от параметров псевдоожижения.
5. Установлены зависимости максимальных амплитуд колебаний давления в объеме слоя от размера выходящих из него пузырей, получена эмпирическая формула для определения амплитуд колебаний давления в слое. Предложено определение переходной скорости псевдоожижения от пузырькового режима к турбулентному по максимуму амплитуды (среднеквадратичного отклонения) пульсаций давления в слое, подтвержденное исследованиями других авторов.
Получены высокоточные цифровые спектры колебаний параметров слоя в аппаратах с площадью решетки до 0,72 м2, позволяющие определять основную частоту колебаний f0. Выявлены и исследованы глобальный механизм гравитационных колебаний слоя, проявляющийся в выходе крупных пузырей на поверхность с частотой f0, и два вида локальных колебаний давления, определяемые траекторией подъема пузырей и процессами их формирования в нижней части слоя. Предложены модели колебаний слоя по аналогии с колебаниями жидкости в сосуде. Исследован механизм образования стоячих поперечных волн на поверхности слоя, вызываемых гравитационными колебаниями массы отдельных зон слоя, связанных между собой по типу гидравлического маятника. Получена формула для расчета основной частоты гравитационных колебаний слоя f0, получившая экспериментальное подтверждение в исследованиях разных авторов. Теоретически и экспериментально показано дискретное изменение частоты f0 при разных высотах слоя, соответствующее смене мод поверхностных волн.
6. Посредством комплексного пространственного корреляционного анализа колебаний давлений и расходов газа в аппаратах с горизонтальным размером слоя до 1,2 м и высотой слоя до 2м исследованы закономерности самонастройки автоколебательной псевдоожиженной системы пропускать избыточный расход газа порциями в пузырях с частотой f0. Установлено, что в результате суперпозиции волн давления глобального вида и локальных видов волн псевдоожиженный слой разбивается на нижнюю прирешеточную зону колебаний по типу стоячей волны с высокой степенью корреляции (Gij = 0,80,9) и находящуюся над ней зону подъема пузырей со скоростью 0,4-0,9 м/с и средним уровнем корреляции (Gij = 0,40,5). Псевдоожиженные слои в аппаратах с большой площадью газораспределительной решетки разбиваются на ряд параллельных зон подъема пузырей, количество и расположение которых соответствует форме поверхностной волны при данной геометрии слоя и определяет фазовые сдвиги колебаний давления по площади газораспределительной решетки и расхода газа через ее элементы.
7. В целом анализ зависимостей амплитудно-частотных характеристик и корреляционных соотношений колебаний параметров псевдоожиженной системы позволяют отнести ее к системе автоколебательного типа, в которой происходит самовозбуждение и сохранение колебаний с доминирующей основной частотой f0 и пространственная синхронизация колебаний поверхности слоя, давления, расхода газа через решетку, процессов образования и движения крупных пузырей.
Показаны и изучены релаксационные (разрывные) особенности колебательных процессов в пузырьковом псевдоожиженном слое, проявляющиеся в разделении периода колебаний на длительную фазу падения сопротивления слоя и короткую фазу его роста (соответствующих фазам увеличения и падения высоты слоя), характерным для автоколебаний накопительного вида.
8. Разработана и исследована физико-математическая модель разрывных автоколебаний для поршневого режима, основанная на исследованных закономерностях гидродинамики пузырькового псевдоожиженного слоя.
Рассчитаны изменения высоты, средней порозности и гидравлического сопротивления слоя по двум фазам периода колебаний.
9. На основании экспериментально полученных пространственных корреляционных соотношений колебаний давлений в элементах газораспределительного устройства показана возможность обратных потоков газа через него при совпадении противофаз давлений на решетке и в подрешеточной камере, приводящих к провалу мелкодисперсного материала через решетку. С использованием экспериментальных данных по амплитудночастотным характеристикам колебаний получены расчетные зависимости для определения глубины проникновения частиц материала в отверстия газораспределителя и условий исключения провала частиц в подрешеточное пространство.
10. Выполнены экспериментальные исследования причин неравномерности псевдоожижения в аппаратах с большой площадью газораспределительной решетки, показывающие, что неравномерность распределения расходов газа по колпачкам решетки формируется в процессе начального псевдоожижения из-за анизотропных свойств слоя и приводит к образованию в нем стационарных застойных зон. Для преодоления сил когезии (адгезии) частиц в застойных зонах и увеличение расхода газа через них до критического значения требуется повышение давления (до пика давления) в подрешеточной камере, достигаемое за счет больших расходов газа через уже ожиженные участки слоя.
11. Разработана и экспериментально проверена в аппаратах разных размеров физическая модель перехода застойных участков слоя в псевдоожиженное состояние и получено выражение для скорости равномерного псевдоожижения, учитывающая когезионные свойства мелкодисперсного материала и обеспечивающая вступление в работу всех колпачков газораспределителя.
Выработаны рекомендации по выбору сопротивления решетки, количества газораспределительных колпачков и секций подрешеточного объема.
12. По результатам исследований разных авторов показана основная роль струйной зоны над газораспределительной решеткой в процессах истирания частиц псевдоожиженного слоя. Выявлено влияние на интенсивность истирания количества частиц, инжектируемых в струю. Выполнены томографические исследования угла раскрытия струи для различных материалов На основании модифицированной модели истечения в слой турбулентной газовой струи разработана и экспериментально проверена методика расчета интенсивности истирания частиц в струйной зоне слоя с расчетом скоростей и потока частиц в струе. Получена зависимость интенсивности истирания частиц от прочности частиц, скорости и диаметра отверстия истечения струи. Показано, что снижение уровня истирания происходит при увеличении живого сечения газораспределительной решетки и уменьшении диаметра отверстий в ней.
13. На основании проведенных исследований разработаны методики расчета технологических параметров тепломассообменных процессов в промышленных установках, использованные при разработке печей, газогенераторов, и котлов с псевдоожиженным слоем. Разработаны устройства контроля качества псевдоожижения. Технические решения разработанных технологических установок и устройств защищены двумя авторскими свидетельствами и одним патентом.
Основные публикации по теме диссертации:
Газогенераторные технологии в энергетике. Монография / Зайцев А.В., Рыжков А.Ф., Силин В.Е. и др; под ред. Рыжкова А.Ф. Екатеринбург: Сократ, 2010. 611 с.
Дубинин А.М., Тупоногов В.Г., Черепанова Е.В. Раздел 9.7: Двухзонный газогенератор с кипящим слоем для угольной мини-ТЭЦ.
Статьи и труды конференций:
1. Baskakov A.P., Tuponogov V.G., Philippovsky N.F. Uniformity of fluidization on a multi - orifice gas distributor //The Canadian Journal of Chemical Engineering, 1985, vol. 63, № 6- p.p. 886-890.
2. Баскаков А.П., Филипповский Н.Ф., Тупоногов В.Г. Условия полного псевдоожижения мелкодисперсного материала на решетке с колпачковым газораспределителем // Химическое и нефтяное машиностроение, 1985, №11.
С. 22-24.
3. Baskakov A.P., Tuponogov V.G., Philippovsky N.F. A study of pressure fluctuations in a bubbling fluidized bed //Poweder Technolgy, 1986, vol. 45, №2.
Р. 113-117.
4. Баскаков А.П., Филипповский Н.Ф., Тупоногов В.Г., Мудреченко А.В.
Исследование условий провала псевдoожижаемого материала через газораспределительную решетку // Теоретические основы химической технологии.1987. т. ХХI, №5. С. 649-653.
5. Roy R., Davidson J.F., Tuponogov V.G. The velocity of sound in fluidized beds //Chemical Engineering Science, 1990,vol.45, № 11. Р. 3233-3245.
6. Ghadiri M., Cleaver J.A.S., Tuponogov V.G. and Werther J. Attrition of FCC powder in the jetting region of fluidized bed //Powder Technology.1994. vol.80. Р.
175-180.
7. Cleaver J.A.S., Ghadiri M., Tuponogov V.G., Yates J.G. and Cheesman D.J.
Mesurement of jet angles in fluidized beds // Powder Technology.1995. vol. 85.
Р.221-226.
8. Тупоногов В.Г., Филиппов Д.В., Рыжков А.Ф. Проблемы сжигания низкосортного топлива и выбора газораспределителя в аппаратах с кипящим слоем // Вестник УГТУ-УПИ, Екатеринбург: Издательство УГТУ-УПИ, № 8. 2003.С.67-72.
9. Дубинин А.М., Тупоногов В.Г., Филиппов Д.В., Рыжков А.Ф., Костюнин В.В. Расчетное определение параметров процесса воздушной газификации угля в кипящем слое // Вестник УГТУ-УПИ. Екатеринбург: Издательство УГТУ-УПИ. №3. 2004.С. 21-23.
10. Тупоногов В.Г., Рыжков А.Ф., Баскаков А.П., Родненко Д.А. Волны давления и порозности в псевдоожиженном слое// Вестник УГТУ-УПИ.
Екатеринбург: Издательство УГТУ ЦУПИ. №3. 2004.С. 24-30.
11. Тупоногов В.Г., Баскаков А.П., Рыжков А.Ф., Родненко Д.А.
Определение скоростей быстрых и медленных волн в псевдоожиженном слое методом корреляционного анализа // Вестник УГТУ-УПИ.- Екатеринбург: Издательство УГТУЧУПИ. 2005. №4(56).С. 30-35.
12. Дубинин А.М., Тупоногов В.Г., Филиппов Д.В. Оптимизация параметров воздушной газификации угля в газогенераторе с кипящим слоем // Известия вузов. Проблемы энергетики. 2007. № 7-8.С. 3-9.
13. Баскаков А.П., Дубинин А.М., Тупоногов В.Г., Филиппов Д.В. О механизме паровой газификации угля // Промышленная энергетика. 2008.
№4. С. 40-42.
14. Дубинин А.М., Тупоногов В.Г., Филиппов Д.В. Оптимизация процесса газификации угля в кипящем слое // Энергосбережение и водоподготовка.
2008. № 4(54). С. 60-62.
15. Тупоногов В.Г., Рыжков А.Ф., Филиппов Д.В. Исследование истирания дисперсного материала в аппаратах к псевдоожиженным слоем // Промышленная энергетика. 2008. № 12. С. 47-49.
16. Тупоногов В.Г., Рыжков А.Ф., Баскаков А.П., Обожин О.А.
Релаксационные автоколебания псевдоожиженного слоя // Теплофизика и аэромеханика. 2008.т.15. №4. С. 643-657.
17. Дубинин А.М., Тупоногов В.Г., Филиппов Д.В. Определение максимальной производительности газогенератора с автотермичным кипящим слоем // Теплоэнергетика. 2009. № 5. С. 59-63.
18. Дубинин А.М., Черепанова Е.В, Тупоногов В.Г., Обожин О.А. Мини-Тэц на базе обращенного газогенератора // Теплоэнергетика. 2010. № 6. С. 29-32.
19. Тупоногов В.Г., Шувалов В.Ю., Кузнецова О.М. О методике исследования неравномерности псевдоожижения в прирешеточной зоне кипящего слоя.// Деп.
В ГОСИНТИ - рег. № Д-36-80, Депон. рукописи, 1980, №8.
20. Тупоногов В.Г., Данильченко В.А., Гальперин Л.Г., Грицук С.А.
Автоматизированное измерение расхода газа в газораспределительных колпачках установки с кипящим слоем.// Деп. в ЦНИИТЭИприборостроения- рег. №1684, 1981 г., Депон. рукописи, 1982, № 2.
21. Баскаков А.П., Тупоногов В.Г., Филипповский Н.Ф. Статистическое исследование колебаний расхода газа в колпачках аппарата с кипящим слоем // ИФЖ, 1982, т.43, № 3- с. 357-360.
22. Тупоногов В.Г., Филипповский Н.Ф., Грицук С.А. Анализ условий равномерного псевдоожижения на колпачковой газораспределительной решетке.//Деп. в НИИЭинформэнергомаш- рег. № 122 ЭМ-Д82, Депон. рукописи, 1982, №8.
23. Баскаков А.П., Тупоногов В.Г., Петровская В.П. Применение мини-ЭВМ для исследования гидродинамики кипящего слоя в большом аппарате. // Доклады конференции Энергетика высокотемпературных теплотехнологических процессов, посвященной 50-летию МЭИ. М.: Издательство МЭИ, 1982.С. 83-96.
24. Баскаков А.П., Тупоногов В.Г., Филипповский Н.Ф. Механизм пульсаций давления в неоднородном кипящем слое // ИФЖ, 1983, т. 45, №3. С. 423-426.
25. Баскаков А.П., Тупоногов В.Г., Филипповский Н.Ф. Исследование пульсаций давления и равномерности газораспределения в аппаратах с кипящим слоем // Тезисы докладов Всесоюзной конференции Проблемы энергетики теплотехнологии. М: Издательство МЭИ, 1983. С.26. Филипповский Н.Ф., Баскаков А.П., Тупоногов В.Г. Условия равномерного псевдоожижения в аппарате с колпачковым газораспределителем // ИФЖ, 1984, т.46, №1. - с.118-124.
27. Baskakov A.P., Tuponogov V.G., Philippovsky N.F. Uniformity of fluidization on a multi - orifice gas distributor // Proceedings of the Fight Engineering Foundation Conference on Fluidization, Engineering Foundation, New-York, 1986.Р. 55-63.
28. Баскаков А.П., Филипповский Н.Ф., Тупоногов В.Г., Мудреченко А.В.
Исследование синхронности пульсаций давления в аппаратах с кипящим слоем // ИФЖ, 1988, т.55, №1.С. 97-102.
29. Ghadiri M., Cleaver J.A.S. and Tuponogov V.G. Modeling attrition rates in jetting region of fluidized bed.- Proc. Symposium of attrition and wear in powder technology, Utrecht, Netherlands, 1992.Р. 79-88.
30. Ghadiri M., Cleaver J.A.S. and Tuponogov V.G. Influence of distributor orifice size on attrition in jetting region of fluidized beds // Proceedings VIIIth International Symposium on Fluidization, Tours, France, Engineering Foundation, 1995. P. 799 806.
31. Tупоногов В.Г., Грицук С.А., Шадири М., Кливэ Д. Моделирование интенсивности истирантия твердых частиц в струйной зоне псевдоожиженного слоя.// Сб. докладов Всероссийской конференции Подготовка кадров и экологические проблемы энергетики, Екатеринбург, 1997.C. 123-124.
32. Рыжков А.Ф., Микула В.А., Тупоногов В.Г., Лумми А.П. Динамическое псевдоожижение и теплообмен в дисперсных системах // Доклады IV Минского международного форума Тепломассообмен ММФ-2000, том 6, Тепломассобмен в дисперсных системах, ИТМО, Минск, 2000. C.151-160.
33. Ryzhkov A.F., Tuponogov V.G., Putrik B.A. Fluctuations and waves in powder and granular fluidized beds.- Proceedings of the III European Conference on Fluidization, Toulouse, Frace, 2000.Р. 153-163.
34. Tuponogov V.G., Ryzhkov A.F., Chehlov E.A. Propagation of pressure fluctuations in fluidized bed. - Proceedings of the Annual General Meeting of International Fine Particle Research Institute - IFPRI-2000, Den Haag, Netherlands, 2000- paper 62.
35. Тупоногов В.Г., Рыжков А.Ф., Грицук С.А.,Чехлов Е.А. Колебания и волны в высоком псевдоожиженном слое.// Эффективная энергетика 2000, Сборник научных трудов,УГУ-УПИ, Екатеринбург, 2000.С.132.
36. Ryzhkov A.F., Tuponogov V.G.,Chehlov E.A. Hydrodynamic of agglomeration process in fluidized bed. - Proceedings of the 7th International symposium on agglomeration, Albi, France, 2000. - poster 31.
37. Рыжков А.Ф., Тупоногов В.Г., Чехлов Е.А. Колебания и волны в пылевидных и зернистых псевдоожиженных слоях. - Труды XIII школы - семинара молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И.Леонтьева Физические основы экспериментального и математического моделирования процессов газодинамики и тепломасообмена в энергетических установках. М.:
издательство МЭИ, 2001. С.120-126.
38. Тупоногов В.Г., Рыжков А.Ф., Фаренбрух О.Е. О волновой природе гидродинамики кипящего слоя // XXVI Сибирский теплофизический семинар.
Тезисы докладов. Новосибирск, Издательство Института теплофизики им С.С.
Кутателадзе, 2002.С.237-238.
39. Тупоногов В.Г., Рыжков А.Ф., Фаренбрух О.Е. О механизме колебаний давления в псевдоожиженном слое.- Труды третьей Российской национальной конференции по теплообмену. Т. 5. Двухфазные течения. М.: Издательство МЭИ, 2002.С.319-322.
40. Филиппов Д.В., Тупоногов В.Г., Рыжков А.Ф. Проблемы сжигания низкосортного топлива и выбора газораспределителя в аппаратах с кипящим слоем. -Труды XIV школы семинара молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И.Леонтъева Проблемы газодинамики и тепломассобмена в энергетических установках, т. 2.М.: Издательство МЭИ, 2003.С.426-0429.
41. Тупоногов В.Г., Родненко Д.А. Определение скоростей бегущих волн в неоднородном и однородно-неоднородном псевдоожиженном слое.//Проблемы газодинамики и тепломассобмена в энергетических установках. Труды XV школы-семинара молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И.Леонтьева. Т 1- М.: Издательство МЭИ, 2005.С.281-284.
42. А.М.Дубинин, В.Г.Тупоногов, Д.В.Филиппов. Оптимизация параметров газогенератора с кипящим слоем для бескислородной газификации угля.// Вторая Международная научно-практическая конференция современные энергосберегающие тепловые технологии (сушка и тепловые процессы) СЭТТ2005).Труды конференции. Т. 2.-М.: Издательство ВИМ,2005.С.148-151.
43. А.М.Дубинин, В.Г.Тупоногов, Е.В.Ляхов. Генератор эндотермических атмосфер с самообогревом // Вторая Международная научно-практическая конференция современные энергосберегающие тепловые технологии (сушка и тепловые процессы) СЭТТ-2005).Труды конференции. том 2.-М.: Издательство ВИМ,2005.С.167-169.
44. Дубинин А.М. Оптимизация параметров паровой конверсии природного газа в реакторе с самообогревом /А.М.Дубинин, Д.В.Филиппов, В.Г.Тупоногов, Е.В.Ляхов // Свободная конвекция. Тепломассобмен при химических превращениях: тр. Четвертой Российской национальной конференции по теплообмену(23-27 октября) М.: Издательство МЭИ, 2006. т.3. С. 231-234.
45. Тупоногов В.Г. Моделирование колебаний псевдоожиженного слоя / В.Г.Тупоногов, А.Ф.Рыжков, А.П. Баскаков, О.А.Обожин, А.М.Дубинин //Дисперсные потоки и пористые среды. Интенсификация теплообмена:
тр.Четвертой Российской национальной конференции по теплообмену(23-октября) М.: Издательство МЭИ, 2006. т.6.С.133-136.
46. Дубинин А.М. Оптимизация параметров газогенератора к кипящим слоем для воздушной газификации угля /А.М.Дубинин, Д.В.Филиппов, В.Г. Тупоногов, Е.В.Ляхов // Дисперсные потоки и пористые среды. Интенсификация теплообмена: тр.Четвертой Российской национальной конференции по теплообмену(23-27 октября) М.: Издательство МЭИ, 2006. т.6. С.64-67.
47. Дубинин А.М. Оптимизация процессов газификации в газогенераторах с кипящим слоем А.М. Дубинин, Д.В.Филиппов, В.Г. Тупоногов, Е.В.Ляхов //Труды.VI Всероссийской конференции Горение твердого топлива.8-ноября, Новосибирск, ИТ СО РАН, 2006.С. 47-51.
48. Тупоногов В.Г., Рыжков А.Ф., Глушкова О.Н. Моделирование разрывных колебаний поверхности псевдоожиженного слоя. // Проблемы газодинамики и тепломассобмена в энергетических установках. Труды XVI школы-семинара молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И.Леонтьева. 21-25 мая 2007 г., Санкт-Петербург. В 2 томах - М.:
Издательский дом МЭИ, 2007.т. 1.С.281-284.
49. Тупоногов В.Г., Рыжков А.Ф., Рыков Н.Н. Колебательные процессы и горение топлив в псевдоожиженном слое //Сб.тезисов докладов Первой конференции по фильтрационному горению. 21-24 мая 2007 г., Черноголовка.
Инст. Физ. Хим. РАН.С. 44.
50. Тупоногов В.Г., Рыжков А.Ф., Баскаков А.П., Обожин О.А. Автоколебания слоя мелкодисперсного материала в поршневом режиме псевдоожижения. // Актуальные проблемы энергетики материалы III международной научнопрактической конференции, Екатеринбург, 23-25 ноября 2007 г. - Екатеринбург:
изд-во ИРА УТК, 2007.С. 151-154.
51. Тупоногов В.Г., Иконников И.С.. Просыпание частиц мелкодисперсного материала через газораспределительную решетку в аппаратах с псевдоожиженным слоем // Теплофизика и теплоэнергетика. Магнитогорск :
МаГУ, 2010. С. 70-73.
52. Тупоногов В.Г., Баскаков А.П., Иконников И.С. Релаксационные автоколебания поверхности псевдоожиженного слоя. //Труды Пятой Российской национальной конференции по теплообмену. М.: Издательский дом МЭИ, 2010.
т.6.С.239-241.
Авторские свидетельства патенты :
1. Баскаков А.П., Карелин В.Г., Тупоногов В.Г., Грицук С.А., Малинин Ю.Г.
Аппарат кипящего слоя для термической обработки зернистого материала А.С.
№1015221 СССР //Б.И., 1983, №16. С.4.
2. Баскаков А.П., Тупоногов В.Г. Грицук С.А., Тверякова Г.А. Устройство для обнаружения застойных зон в псевдоожиженном слое. А.С. №1105784 СССР // Б.И., 1984, № 28. С.12.
3. Тупоногов В.Г., Дубинин А.М., Штуца Р.С., Грицук С.А., Финк А.В.
Газогенератор с кипящим слоем для газификации твердых топлив. Патент № 2341551 РФ // Бюл. №35. 2008. С.23.
ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ A- амплитуда колебаний; Aj - интенсивность истирания;csb - скорость волн давления в псевдоожиженном слое; D - диаметр установки; d - диаметр; f, f0 - частота колебаний, основная частота колебаний;Gi, j - взаимная корреляционная функция; H - высота слоя; H20, HS - высота ожиженного слоя в начале второй фазы колебаний, высота всего слоя во второй фазе колебаний (высота прослойки); h - высота над газораспределительной решеткой; L - высота газового поршня (пузыря); N, n - число колпачков, число неработающих колпачков; P - давление; Pb,Pg,Pdz - гидравлические сопротивления слоя, решетки и застойной зоны; Si ( f ) - спектральная плотность;T -абсолютная температура, период колебаний, длительность фазы колебаний; tn - период собственных колебаний слоя;u - скорость газа;uA - абсолютная скорость пузыря ; Ub - скорость пузыря в неподвижном слое;US - абсолютная скорость поверхности;v - скорость частиц;WG -число равномерного псевдоожижения;Wg,WS - поток газа, поток частиц в струе; x, y, z - координаты; - порозность; - живое сечение решетки; - показатель адиабаты;-коэффициент динамической вязкости; - плотность; - коэффициент гидравлического сопротивления решетки; - g время; - интервал времени, время сдвига взаимной корреляционной функции; - угловая частота;
Безразмерные числа: Ar = gd (s - g )/(2g ) - Архимеда; Re = ud / g - Рейнольдса; W = u /umf - псевдоожижения.
Индексы: 0- неподвижный слой, начальный момент времени, отверстие в решетке; b - слой; g - газ, газораспределительная решетка; j - струя; s - твердые частицы, поверхность слоя; mf - критическая скорость псевдоожижения; wb- подрешеточная камера; 1 и 2 - первая и вторая фаза колебаний слоя.