Гідродинаміка і тепломасообмін під час фільтраційного сушіння сировинних матеріалів виробництва шлакового гравію

Abstract

Дисертаційну роботу присвячено теоретичним та експериментальним дослідженням фільтраційного сушіння сировинних матеріалів виробництва шлакового гравію, зокрема, шлаку ТЕС, глини та сирцевих гранул. Отримано критеріальні рівняння для опису гідродинаміки фільтраційного сушіння на основі внутрішньої задачі гідродинаміки. На основі теоретичних та експериментальних досліджень тепломасообміну під час фільтраційного сушіння запропоновано критеріальні залежності у вигляді безрозмірних комплексів для визначення коефіцієнтів тепло- й масовіддачі. Встановлено аналогію між зовнішнім тепло- й масообміном. Досліджено зміну температури по висоті шару досліджених матеріалів, встановлено її вплив на інтенсивність сушіння. Запропоновано математичну модель для розрахунку коефіцієнта внутрішньої дифузії вологи з частинок сферичної форми в навколишнє середовище. На основі узагальнення експериментальних та теоретичних досліджень гідродинаміки, тепломасообміну, кінетики та динаміки фільтраційного сушіння розроблено принципову схему сушильної установки сировинних матеріалів виробництва шлакового гравію, методику її розрахунку та обґрунтовано раціональні параметри процесу. Основні результати роботи передані ТзОВ “Буддеталь” для впровадження у виробництво та в навчальний процес. Диссертационная работа посвящена теоретическим и экспериментальным исследованиям фильтрационной сушки сырьевых материалов производства шлакового гравия, в частности, шлака ТЭС, глины и сырцовых гранул. Получены критериальные уравнения для описания гидродинамики фильтрационной сушки на основе внутренней задачи гидродинамики. На основе теоретических и экспериментальных исследований тепломассообмена при фильтрационной сушке предложено критериальные зависимости в виде безразмерных комплексов для определения коэффициентов тепло- и массоотдачи. Установлено аналогию между внешним тепломассообменом. Исследовано изменение температуры по высоте слоя исследованных материалов, установлено ее влияние на интенсивность сушки. Предложена математическая модель для расчета коэффициента внутренней диффузии влаги из частиц сферической формы в окружающую среду, которая является справедливой в широких пределах температур теплового агента. На основе обобщения экспериментальных и теоретических исследований гидродинамики, тепломассообмена, кинетики и динамики фильтрационной сушки разработана принципиальная схема сушильной установки сырьевых материалов производства шлакового гравия, методика ее расчета и обоснованы рациональные параметры процесса. Основные результаты переданы ООО "Буддеталь" для внедрения в производство и в учебный процесс. The work deals with the critical analysis of literature data about drying methods of feedstock for slag gravel production. The disadvantages of reviewed methods are represented from the standpoint of energy costs for drying processes. The filtration drying of dispersed materials is analyzed as the most effective method. It is shown that the results obtained by various authors to predict the hydrodynamics, kinetics and heat-and-mass transfer of filtration drying relating to specific dispersed materials and it is impossible to use them to predict the filtration drying of feedstock for slag gravel production due to large errors between experimental data and values calculated according to the dependencies proposed in these studies. On the basis of literature data critical analysis the purpose and objectives of theoretical and experimental studies were determined. The choice of investigation object and objectives of rational use of ash-slag wastes as secondary crude for slag gravel production are grounded in the second section of the work. Following positions are also represented here: main physico-chemical characteristics of the raw materials, the scheme of experimental plant, procedures of main parameters determination concerning layer porous structure and averaging of particles size, investigations of hydrodynamics, heat-and-mass transfer and kinetics, as well as estimation of measuring errors. The third section deals with the results of experimental hydrodynamic investigations of gas flow filtration through the porous structure of raw materials for slag grave production. It is shown that hydraulic resistance of the materials is conditioned by viscous and inertial components. To generalize the experimental results the dimensionless complexes were used as the functional dependencies of Euler criterion Eu on Reynolds criterion Re. Such generalization method simplifies the use of obtained results while projecting new equipment and allows to consider the process technological parameters and plant geometrical sizes. To extend the application area of experimental results while project calculation of industrial-scale plants the coefficient of hydraulic friction was determined in explicit form. The calculated pressure losses are in a good agreement with experimental values and maximal relative error is no more than 11.4%, permissible for project calculations. The forth section represents the results of experimental investigations concerning external heat-and-mass transfer during filtration drying of feedstock for slag gravel production. The coefficients of heat-transfer from heat agent to the dry material were calculated according to convective heat transfer Newton law and the transfer from heat agent to moist material – according to heat transfer equation, where heat amount transferred to the material layer is spent for moisture evaporation. The experimental data were averaged by means of criteria and. Both equations are characterized by the same exponent near Reynolds number indicating the same effect of hydrodynamics on these coefficients. The change of heat agent temperature along the layer of dry and moist materials was investigated experimentally and theoretically. The fifth section is dedicated to the experimental kinetic investigations of filtration drying of feedstock for slag gravel production, in particular the effect of temperature t, filtration rate of heat agent 0 and height of material layer H on the kinetics of filtration drying of feedstock for slag gravel production. On the basis of obtained experimental data the graphical dependence of water content and filtration drying rate on water content of slag, clay and raw granules was plotted at different temperatures of heat agent. The kinetics of filtration drying of single raw granule in the second period was studied. The intradiffusion coefficient was determined based on the mathematical solution of intradiffusion differential equation. The dependence of intradiffusion coefficient on temperature was established within the determined limits of Reynolds number. The sixth section deals with the design of new equipment for filtration drying of feedstock for slag gravel production. On the basis of averaged theoretical and experimental data concerning hydrodynamics, heat-and-mass transfer and kinetics during filtration drying we developed and patented the schematic diagram of drying plant. The methodic for calculations of main construction sizes was worked out. The economic efficiency of filtration drying of feedstock for slag gravel production was calculated. The economic effect after the designed process implementation would be 311.712 kWh for slag, 1513.194 kWh for clay and 244.938 kWh for raw granules.