Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата
технических наук по специальности 05.14.06 – техническая
теплофизика и промышленная теплоэнергетика. Национальный
университет пищевых технологий. - Киев, 2009.
В диссертации проведен анализ подсистем термостабилизации биогазовых установок, в которых теплообмен осуществляется в условиях свободной и вынужденной конвекции. Проанализированы теплотехнологические основы процесса биоконверсии, свойства сред используемых как сырьё в БГУ, определены факторы, влияющие на процессы теплообмена и гидродинамики в элементах систем биоконверсии. Выполнен анализ существующих критериальных зависимостей для расчета коэффициентов теплоотдачи в условиях свободной и вынужденной конвекции и зависимостей для определения теплофизических свойств органических многокомпонентных смесей (субстратов).
Проведенные численные эксперименты позволили разработать предложения по определению теплофизических свойств субстратов крупного рогатого скота (КРС) и свиней в диапазоне влагосодержаний и температур характерных для систем биоконверсии. Экспериментально определены коэффициенты теплоотдачи от змеевиковой поверхности, от вертикальной цилиндрической стенки к субстратам КРС, свиней, помету курей, растительной смеси в условиях свободной конвекции, с периодическим перемешиванием, с беспрерывным перемешиванием. Установлено, что интенсивность теплообмена от трубчатой поверхности и от вертикальной цилиндрической поверхности к органическим смесям существенно меньше чем к воде. Результаты экспериментальных исследований показали, что закономерности теплообмена в органических смесях отвечают известным механизмам и закономерностям теплообмена однокомпонентных однофазных жидко-стей в условиях свободной конвекции.
Установлена возможность применения известных критериальных зависимостей для оценки интенсивности теплообмена субстрата КРС в круглых трубах и кольцевых каналах, в большом объеме при продольном внешнем омывании змеевиковой теплообменной поверхности смесью.
Впервые, с учетом методов теории подобия, предложен оригинальный экспериментально-расчетный метод (ЭРМ) определения интенсивности теплообмена в многокомпонентных средах с ограниченной информацией об их теплофизических свойствах, в рамках которого обоснована конструкция и размеры базовой экспериментальной установки (БЭУ). При этом экспериментально и численными исследованиями применительно к БЭУ установлено: в вертикальной цилиндрической емкости теплоотдача в условиях свободной конвекции от воды к металлической стенке и от стенки к субстратам разной природы подчиняются закономерностям теплообмена в большом объеме; коэффициенты теплоотдачи, полученные экспериментально в нестационарных условиях теплообмена, имеют допустимое расхождение с рассчитанными по известным критериальным зависимостям в квазистационарных условиях теплообмена значениями коэффициентов; оценочные расчеты толщины теплового пограничного слоя, а также экспериментальные из-мерения поля температур в емкостях позволили для определения коэффициента теплоотдачи измерять температуру лишь в двух характерных точках, что очень важно в экспериментах с неустановившимися процессами.
Согласование экспериментальных результатов теплообмена в субстратах разной природы (свободная и вынужденная конвекция) с результатами, которые получены с применением ЭРМ, показало: правомерность гипотез, допущений, оценок, которые положены в основу ЭРМ; реструктуризация критериальных уравнений в рамках одного режима теплообмена и операции согласно алгоритму ЭРМ не приводят к потери ценных свойств теории подобия.
Проведено обоснование применения экспериментально-расчетного метода в конструктивном расчете и численном эксперименте утилизатора теплоты отработанной смеси в системе биогазовой установки. Установлено, что расхождение между значениями поверхностей теплообмена, рассчитанных по традиционной и предложенной в работе методике, находится в допустимых пределах для тепло-технических расчетов. Результаты численного эксперимента, полученные с использованием ЭРМ и традиционными методами, практически совпали, что подтверждает целесообразность использования ЭРМ.
Использование разработанных методов определения интенсивности тепло-обмена в многокомпонентных органических средах позволило синтезировать схему биогазовой установки, в которой существенно увеличивается выход товарного биогаза за счет утилизации теплоты отработавшей смеси.
Ключевые слова: теплообмен, гидродинамика, система термостабилизации, биоконверсия, биогаз, критериальные зависимости, экспериментально-расчетный метод, теплоутилизация, органическая смесь.
В диссертации проведен анализ подсистем термостабилизации биогазовых установок, в которых теплообмен осуществляется в условиях свободной и вынужденной конвекции. Проанализированы теплотехнологические основы процесса биоконверсии, свойства сред используемых как сырьё в БГУ, определены факторы, влияющие на процессы теплообмена и гидродинамики в элементах систем биоконверсии. Выполнен анализ существующих критериальных зависимостей для расчета коэффициентов теплоотдачи в условиях свободной и вынужденной конвекции и зависимостей для определения теплофизических свойств органических многокомпонентных смесей (субстратов).
Проведенные численные эксперименты позволили разработать предложения по определению теплофизических свойств субстратов крупного рогатого скота (КРС) и свиней в диапазоне влагосодержаний и температур характерных для систем биоконверсии. Экспериментально определены коэффициенты теплоотдачи от змеевиковой поверхности, от вертикальной цилиндрической стенки к субстратам КРС, свиней, помету курей, растительной смеси в условиях свободной конвекции, с периодическим перемешиванием, с беспрерывным перемешиванием. Установлено, что интенсивность теплообмена от трубчатой поверхности и от вертикальной цилиндрической поверхности к органическим смесям существенно меньше чем к воде. Результаты экспериментальных исследований показали, что закономерности теплообмена в органических смесях отвечают известным механизмам и закономерностям теплообмена однокомпонентных однофазных жидко-стей в условиях свободной конвекции.
Установлена возможность применения известных критериальных зависимостей для оценки интенсивности теплообмена субстрата КРС в круглых трубах и кольцевых каналах, в большом объеме при продольном внешнем омывании змеевиковой теплообменной поверхности смесью.
Впервые, с учетом методов теории подобия, предложен оригинальный экспериментально-расчетный метод (ЭРМ) определения интенсивности теплообмена в многокомпонентных средах с ограниченной информацией об их теплофизических свойствах, в рамках которого обоснована конструкция и размеры базовой экспериментальной установки (БЭУ). При этом экспериментально и численными исследованиями применительно к БЭУ установлено: в вертикальной цилиндрической емкости теплоотдача в условиях свободной конвекции от воды к металлической стенке и от стенки к субстратам разной природы подчиняются закономерностям теплообмена в большом объеме; коэффициенты теплоотдачи, полученные экспериментально в нестационарных условиях теплообмена, имеют допустимое расхождение с рассчитанными по известным критериальным зависимостям в квазистационарных условиях теплообмена значениями коэффициентов; оценочные расчеты толщины теплового пограничного слоя, а также экспериментальные из-мерения поля температур в емкостях позволили для определения коэффициента теплоотдачи измерять температуру лишь в двух характерных точках, что очень важно в экспериментах с неустановившимися процессами.
Согласование экспериментальных результатов теплообмена в субстратах разной природы (свободная и вынужденная конвекция) с результатами, которые получены с применением ЭРМ, показало: правомерность гипотез, допущений, оценок, которые положены в основу ЭРМ; реструктуризация критериальных уравнений в рамках одного режима теплообмена и операции согласно алгоритму ЭРМ не приводят к потери ценных свойств теории подобия.
Проведено обоснование применения экспериментально-расчетного метода в конструктивном расчете и численном эксперименте утилизатора теплоты отработанной смеси в системе биогазовой установки. Установлено, что расхождение между значениями поверхностей теплообмена, рассчитанных по традиционной и предложенной в работе методике, находится в допустимых пределах для тепло-технических расчетов. Результаты численного эксперимента, полученные с использованием ЭРМ и традиционными методами, практически совпали, что подтверждает целесообразность использования ЭРМ.
Использование разработанных методов определения интенсивности тепло-обмена в многокомпонентных органических средах позволило синтезировать схему биогазовой установки, в которой существенно увеличивается выход товарного биогаза за счет утилизации теплоты отработавшей смеси.
Ключевые слова: теплообмен, гидродинамика, система термостабилизации, биоконверсия, биогаз, критериальные зависимости, экспериментально-расчетный метод, теплоутилизация, органическая смесь.