energyЭнергетика. Известия высших учебных заведений и энергетических объединений СНГENERGETIKA. Proceedings of CIS higher education institutions and power engineering associations1029-74482414-0341BNTU10.21122/1029-7448-2023-66-6-524-535energy-2332Research ArticleТЕПЛОЭНЕРГЕТИКАНEAT POWER ENGINEERINGРасчетно-экспериментальное исследование локальных характеристик процесса псевдоожижения топливных гранулComputational and Experimental Study of Local Characteristics of the Fluidization Process of Fuel PelletsКармановА. Е.KarmanovA. E.

Павлодар

Pavlodar

МитрофановА. В.MitrofanovA. V.

Павлодар

Pavlodar

ПриходькоЕ. В.PrikhodkoE. V.

Павлодар

Pavlodar

ВасилевичС. В.VasilevichS. V.

Адрес для переписки:Василевич Сергей Владимирович -Белорусская государственная академия авиации,ул. Уборевича, 77,220096, г. Минск, Республика Беларусь/Тел.: +375 17 249-97-65svasilevich@yandex.ru

Address for correspondence:Vasilevich Siarhei V. - Belarusian State Academy of Aviation,77, Uborevich str.,220096, Minsk, Republic of Belarus.Tel.: +375 17 249-97-65svasilevich@yandex.ru

 

svasilevich@yandex.ruШпейноваН. С.ShpeynovaN. S.

Иваново

Ivanovo

Торайгыров университетКазахстанToraighyrov UniversityKazakhstanБелорусская государственная академия авиацииБеларусьBelarusian State Academy of AviationBelarusИвановский государственный энергетический университетРоссияIvanovo State Power Engineering UniversityRussian Federation202308122023666524535Copyright © Карманов А.Е., Митрофанов А.В., Приходько Е.В., Василевич С.В., Шпейнова Н.С., 20232023Карманов А.Е., Митрофанов А.В., Приходько Е.В., Василевич С.В., Шпейнова Н.С.Karmanov A.E., Mitrofanov A.V., Prikhodko E.V., Vasilevich S.V., Shpeynova N.S.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://energy.bntu.by/jour/article/view/2332

В настоящее время наблюдается тенденция к диверсификации генерации тепловой и электрической энергии и к совершенствованию твердотопливных технологий. Указанные тенденции актуализируют поиск математических инструментов для описания и прогнозирования работы аппаратов с псевдоожиженным слоем дисперсных топливных материалов. Однако, поскольку механика гетерогенных сред (и дисперсных сред, в частности) в известной мере находится в стадии становления в отношении математических основ моделирования, прогнозирование работы аппаратуры часто затруднительно. В частности, низкое качество математического обеспечения не позволяет прогнозировать поля концентраций и скоростей фаз псевдоожиженного слоя, хотя эти знания служат первоосновой для расчета тепло- и массообменных и химических процессов. В настоящей работе выполнено расчетное и экспериментальное исследование локальных гидромеханических характеристик монодисперсного псевдоожиженного слоя. В качестве основы моделирования используется математический аппарат теории цепей Маркова. Задачи решаются в одномерной постановке, подразумевающей разбиение слоя по высоте на ячейки малых, но конечных размеров. Распределения фаз слоя описываются векторами состояний, эволюцию которых контролируют матрицы переходных вероятностей. Элементы этих матриц были поставлены в соответствие физическим параметрам процессов. Верификация модели выполнена путем сопоставления расчетных прогнозов с данными проведенного в рамках исследования натурного эксперимента, направленного на измерение локальных скоростей газовой фазы внутри псевдоожиженного слоя. Данные эксперимента с хорошей для инженерных расчетов точностью были описаны предложенной физико-математической моделью, что позволяет рассматривать ее как достоверную научную основу компьютерного метода расчета котлоагрегатов, использующих технику псевдоожижения.

. Currently, there is a tendency to diversify the generation of heat and electricity and to improve solid fuel technologies. These trends actualize the search for mathematical tools for describing and predicting the operation of apparatuses with a fluidized bed of dispersed fuel materials. However, since the mechanics of heterogeneous media (and dispersed media in particular) is to a certain extent in its infancy in relation to the mathematical foundations of modeling, it is often difficult to predict the operation of equipment. In particular, the poor quality of mathematical basis does not allow predicting the fields of concentrations and velocities of the phases of the fluidized bed, although this knowledge serves as the fundamental basis for calculating heat and mass transfer and chemical processes. In the present work, a computational and experimental study of the local hydromechanical characteristics of a monodisperse fluidized bed has been carried out. The mathematical apparatus of the theory of Markov chains was used as a basis for modeling. The tasks were solved in a one-dimensional formulation, which implied the division of the bed in height into cells of small but finite sizes. Fluidized bed phase distributions were described by state vectors whose evolution was controlled by transition probability matrices. The elements of these matrices were matched to the physical parameters of the processes. The model was verified by comparing the calculated predictions with the data of a full-scale experiment conducted as part of the study, aimed at measuring the local velocities of the gas phase inside the fluidized bed. The experimental data with a good accuracy for engineering calculations were described by the proposed model, which makes it possible to consider it as a reliable scientific basis for the computer method for calculating installations using the fluidization technique.

псевдоожиженный слойтвердое топливотеория цепей Марковавектор состоянияпереходная матрицаскорость витания частицыfluidized bedsolid fuelMarkov chain theorystate vectortransition matrixparticle settling velocityReferencesКорсак, Е. П. Формирование системы угроз энергетической безопасности Республики Беларусь / Е. П. Корсак // Энергетика. Изв. высш. учеб.заведений и энерг. объединений СНГ. 2019. Т. 62, № 4. C. 388–398. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2019-62-4-388-398Korsak E. P. Formation of the System of Threats to Energy Security of the Republic of Belarus. Enеrgеtika. Enеrgеtika. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii i Energeticheskikh Ob’edinenii SNG = Energetika. Proceedings of CIS Higher Education Institutions and Power Engineering Associations, 62 (4), 388–398 (in Russian). https://doi.org/10.21122/1029-7448-2019-62-4-388-398Фортов, В. Е. Состояние развития возобновляемых источников энергии в мире и в России / В. Е. Фортов, О. С. Попель // Теплоэнергетика. 2014. № 6. С. 4–13.Fortov V. E., Popel’ O. S. (2014) The Current Status of the Development of Renewable Energy Sources Worldwide and in Russia. Thermal Engineering, 61 (6), 389–398. https://doi.org/10.1134/S0040601514060020Пехота, А. Н. Исследование термоаналитическими методами энергетических свойств брикетированного многокомпонентного топлива / А. Н. Пехота, С. А. Филатов // Энергетика. Изв. высш. учеб.заведений и энерг. объединений СНГ. 2022. Т. 65, № 2. С. 143–155. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2022-65-2-143-155Pekhota A. N., Filatov S. A. (2022) Investigation of Energy Properties of Briquetated Multicomponent Fuel by Thermo-Analytical Methods. Enеrgеtika. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii i Energeticheskikh Ob’edinenii SNG = Energetika. Proceedings of CIS Higher Education Institutions and Power Engineering Associations, 65 (2), 143–155 (in Russian). https://doi.org/10.21122/1029-7448-2022-65-2-143-155Computational modeling of pollutants in furnaces of pulverized coal boilers of the republic of Kazakhstan / A. Askarova, A. Georgiev, S. Bolegenova, M. Beketayeva, V. Maximov, S. Bolegenova // Energy. 2022, Vol. 258, Article. 124826. https://doi.org/10.1016/j.energy.2022.124826Askarova A., Georgiev A., Bolegenova S., Beketayeva M., Maximov V., Bolegenova S. (2022) Computational Modeling of Pollutants in Furnaces of Pulverized Coal Boilers of the Republic of Kazakhstan. Energy, 258, 124826. https://doi.org/10.1016/j.energy.2022.124826.Oka, S. N. Fluidized Bed Combustion / S. N. Oka. NY, Basel, CRC Press, 2003. 599 p. https://doi.org/10.1201/9781420028454Oka S. N. (2003) Fluidized Bed Combustion. NY, Basel, CRC Press. 599. https://doi.org/10.1201/9781420028454Sarkar, D. K. Thermal Power Plant: Design and Operation / D. K. Sarkar. Elsevier Inc. 2015. 588 p. https://doi.org/10.1016/C2014-0-00536-9Sarkar D. K. (2015) Thermal Power Plant: Design and Operation. Elsevier Inc. 588. https://doi.org/10.1016/C2014-0-00536-9Coal and Biomass Gasification. Recent Advances and Future Challenges / Editors: S. De, V. S. Moholkar, A. K. Agarwal, B. Thallada. Singapore: Springer Nature, 2018. 521 p. https://doi.org/10.1007/978-981-10-7335-9De S., Moholkar V. S., Agarwal A. K., Thallada B. (eds.) (2018) Coal and Biomass Gasification. Recent Advances and Future Challenges. Singapore, Springer Nature. 521. https://doi.org/10.1007/978-981-10-7335-9.Новый справочник химика и технолога. Процессы и аппараты химических технологий. Ч. I. / под ред. Г. М. Островского. СПб.: АНО НПО «Профессионал», 2004. 848 с.Ostrovskii G. M. (ed.) (2004) The New Handbook of Chemist and Technologist. Processes and Devices of Chemical Technologies. Part I. St. Petersburg, Professional Publ. 848 (in Russian).Расчеты аппаратов кипящего слоя: справочник / под ред. И. П. Мухленова, Б. С. Сажина, В. Ф. Фролова. Л.: Химия, 1986. 352 с.Mukhlenov I. P., Sazhin B. S., Frolov V. F. (eds.) (1986) Calculation of Fluidized Bed Devices. Leningrad, Khimiya Publ. 352 (in Russian).Kunii, D. Fluidization Engineering / D. Kunii, O. Levenspiel. 2nd ed. Butterworth-Heinemann. 1991. 498 p. https://doi.org/10.1016/C2009-0-24190-0Kunii D., Levenspiel O. (1991) Fluidization Engineering. 2nd ed. Butterworth-Heinemann. 498. https://doi.org/10.1016/C2009-0-24190-0Филиппов, А. И. О диффузии под воздействием звука / А. И. Филиппов, К. А. Филиппов // Акустический журнал. 1999. Т. 45, № 3. С. 414–417.Filippov A. I., Filippov K. A. (1999) On Diffusion under the Influence of Sound. Akusticheskij Zhurnal, 45 (3), 414–417 (in Russian).Полигормонический трансциллятор бегущей волны / А. И. Филиппов [и др.] // Известия высших учебных заведений. Физика. 2013. Т. 56, № 2. С. 39–44.Filippov, A.I., Mukhametzyanov, E.V., Leont’ev, A.I. Sadriev A.F. Polyharmonic transcillator of a running wave. Russian Physics Journal. Vol. 56, 155–161 (2013). https://doi.org/10.1007/s11182-013-0011-yMultiscale Modeling of Gas-Fluidized Beds / M. A. van der Hoef [et al.] // Advances in Chemical Engineering. 2006. Vol. 31. P. 65–149. https://doi.org/10.1016/S0065-2377(06)31002-2van der Hoef M. A., Ye M., van Sint Annaland M., Andrews A. T., Sundaresan S., Kuipers J.A.M. (2006) Multiscale Modeling of Gas-Fluidized Beds. Advances in Chemical Engineering, 65–149. https://doi.org/10.1016/S0065-2377(06)31002-2Review of Discrete Particle Modeling of Fluidized Beds / N. G. Deen [et al.] // Chemical Engineering Science. 2007. Vol. 62. P. 28–44. https://doi.org/10.1016/j.ces.2006.08.014Deen N. G., van Sint Annaland M., van der Hoef M. A., Kuipers J.A.M. (2007) Review of Discrete Particle Modeling of Fluidized Beds. Chemical Engineering Science, 62 (1–2), 28–44. https://doi.org/10.1016/j.ces.2006.08.014Meso-Scale Oriented Simulation Towards Virtual Process Engineering (VPE) – The EMMS Paradigm / W. Ge [et al.] // Chemical Engineering Science. 2011. Vol. 66. P. 4426–4458. https://doi.org/10.1016/j.ces.2011.05.029Ge W., Wang W., Yang N., Li J., Kwauk M., Chen F. [et al.] (2011) Meso-Scale Oriented Simulation Towards Virtual Process Engineering (VPE) – The EMMS Paradigm. Chemical Engineering Science, 66, 4426–4458. https://doi.org/10.1016/j.ces.2011.05.029Dai, Q. Influence of Meso-Scale Structures on Drag in Gas-Solid Fluidized Beds / Q. Dai, C. Chen, H. Qi // Powder Technology. 2016. Vol. 288. P. 87–95. https://doi.org/10.1016/j.powtec.2015.10.031Dai Q., Chen C., Qi H. (2016) Influence of Meso-Scale Structures on Drag in Gas-Solid Fluidized Beds. Powder Technology, 288, 87–95. https://doi.org/10.1016/j.powtec.2015.10.031Бобков, С. П. Моделирование основных процессов переноса с использованием клеточных автоматов / С. П. Бобков // Известия высших учебных заведений. Серия: Химия и химическая технология. 2009. Т. 52, № 3. С. 109–114.Bobkov S. P. (2009) Simulation of Basic Transfer Processes Using Cellular Automata. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii Khimiya i Khimicheskaya Tekhnologiya = ChemChemTech, 52 (3), 109–114 (in Russian).Berthiaux, H. Application of the Theory of Markov Chains to Model Different Processes in Particle Technology / H. Berthiaux, V. Mizonov, V. Zhukov // Powder Technology. 2005. Vol. 157, Nо 1–3. P. 128–137. https://doi.org/10.1016/j.powtec.2005.05.019Berthiaux H., Mizonov V., Zhukov V. Application of the Theory of Markov Chains to Model Different Processes in Particle Technology. Powder Technology, 157 (1–3), 128–137. https://doi.org/10.1016/j.powtec.2005.05.019.Theoretical and Experimental Study of Particulate Solids Drying in Circulating Fluidized Bed / A. Mitrofanov [et al.] // Journal of Heat and Mass Transfer. 2019. Vol. 18, No 2. P. 267–276. https://doi.org/10.17654/hm018020267Mitrofanov A., Mizonov V., Shuina E., Kasatkina N., Shpeynova N. (2019) Theoretical and Experimental Study of Particulate Solids Drying in Circulating Fluidized Bed. Journal of Heat and Mass Transfer, 18 (2), 267–276. https://doi.org/10.17654/hm018020267A Markov Chain Model to Describe Fluidization of Particles with Time-Varying Properties / A. V. Mitrofanov [et al.] // Particulate Science and Technology. 2018. Vol. 36, No 2. P. 244–253. https://doi.org/10.1080/02726351.2016.1243180Mitrofanov A. V., Mizonov V. E., Tannous K., Ovchinnikov L. N. (2018) A Markov Chain Model to Describe Fluidization of Particles with Time-Varying Properties. Particulate Science and Technology, 36 (2), 244–253. https://doi.org/10.1080/02726351.2016.1243180Экспериментальное и расчетное исследования пиролиза биомассы в цилиндрическом реакторе / А. B. Митрофанов [и др.] // Энергетика. Известия высших учебных заведений и энергетических объединений СНГ. 2021; 64 (1), 51–64. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2021-64-1-51-64Mitrofanov A. V., Mizonov V. E., Vasilevich S. V., Malko M. V. (2021) Experiments and Computational Research of Biomass Pyrolysis in a Cylindrical Reactor. Enеrgеtika. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii i Energeticheskikh Ob’edinenii SNG = Energetika. Proceedings of CIS Higher Education Institutions and Power Engineering Associations, 64 (1), 51–64. (In Russian). https://doi.org/10.21122/1029-7448-2021-64-1-51-64Khan, A. R. The Resistance to Motion of a Solid Sphere in a Fluid / A. R. Khan, J. F. Richardson // Chem. Eng. Commun. 1987. Vol. 62. Р. 135–150. https://doi.org/10.1080/00986448708912056Khan A. R., Richardson J. F. (1987) The Resistance to Motion of a Solid Sphere in a Fluid. Chemical Engineering Communication, 62, 135–150. https://doi.org/10.1080/00986448708912056Dehling, H. G. Stochastic models for transport in a fluidized bed / H. G. Dehling, A.C. Hoffmann, H. W. Stuut // SIAM J. Appl. Math. 1999. Vol. 60. P. 337–358. https://doi.org/10.1137/s0036139996306316Dehling H. G., Hoffmann A. C., Stuut H. W. (1999) Stochastic models for transport in a fluidized bed. SIAM Journal on Applied Mathematics, 60 (1), 337–358. https://doi.org/10.1137/s0036139996306316Esin, A. Correlation of axial mixing of solids in fluidized beds by a dispersion coefficient / A. Esin, M. Altun // Powder technology. 1984. Vol. 39. P. 241–244. https://doi.org/10.1016/0032-5910(84)85041-xEsin A., Altun M. (1984) Correlation of Axial Mixing of Solids in Fluidized Beds by a Dispersion Coefficient. Powder Technology, 39 (2), 241–244. https://doi.org/10.1016/0032-5910(84)85041-xАлиев, Г. М.-А. Техника пылеулавливания и очистки промышленных газов / Г. М.-А. Алиев М.: Металлургия. 1986. 544 с.Aliyev G. M.-A. (1986) Technique of Dust Collection and Purification of Industrial Gases. Moscow, Metallurgiya Publ. 544 (in Russian).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.