Preview

Энергетика. Известия высших учебных заведений и энергетических объединений СНГ

Расширенный поиск

Опытно-теоретическое исследование аксиального распределения частиц твердой фазы в кипящем слое

https://doi.org/10.21122/1029-7448-2021-64-4-349-362

Полный текст:

Аннотация

В статье представлены результаты расчетных и экспериментальных исследований распределения модельного материала (пластмассовых сферических частиц размером 6 мм) по высоте лабораторного двумерного аппарата кипящего слоя периодического принципа действия. Для экспериментального определения распределения твердой фазы по высоте аппарата выполнены цифровые фотографии кипящего слоя, которые затем анализировались при помощи специально разработанного для этого алгоритма. Алгоритм подразумевал разбиение изображения по высоте на отдельные прямоугольные области, идентификацию частиц и подсчет их числа в каждой из указанных областей. Численные эксперименты выполнялись с использованием предложенной ранее одномерной ячеечной модели процесса псевдоожижения, построенной на основе математического аппарата теории счетных цепей Маркова с дискретным пространством и временем. Расчетная схема модели предполагает пространственную декомпозицию слоя по высоте на отдельные элементы малых конечных размеров. Таким образом, получаемые численно результаты в качественном отношении отвечают поставленному натурному эксперименту. Для обеспечения количественной достоверности расчетных прогнозов выполнена параметрическая идентификация модели с привлечением известных эмпирических зависимостей для расчета коэффициента сопротивления частиц и оценки коэффициента их макродиффузии. Сравнение результатов численных и натурных экспериментов позволило выделить наиболее продуктивные эмпирические соотношения, сочетающиеся с ячеечной схемой моделирования процесса. Полученная физико-математическая модель обладает высокой прогностической эффективностью и может использоваться для инженерных расчетов аппаратов с кипящим слоем, а также для постановки и решения задач оптимального управления технологическими процессами в этих аппаратах по различным целевым функциям.

Об авторах

А. B. Митрофанов
Ивановский государственный энергетический университет
Россия

Адрес для переписки: Митрофанов Андрей Васильевич – Ивановский государственный энергетический университет, ул. Рабфаковская, 34, 153003, г. Иваново, Российская Федерация. Тел.: +7 493 226-97-45 
and2mit@mail.ru



В. Е. Мизонов
Ивановский государственный энергетический университет
Россия

г. Иваново



Н. С. Шпейнова
Ивановский государственный энергетический университет
Россия

г. Иваново



С. В. Василевич
Белорусская государственная академия авиации
Беларусь

гМинск



Н. К. Касаткина
Ивановский государственный политехнический университет
Россия

г. Иваново



Список литературы

1. Корсак, Е. П. Формирование системы угроз энергетической безопасности Республики Беларусь // Энергетика. Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ. 2019. Т. 62, № 4. C. 388–398. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2019-62-4-388-398.

2. Фортов, В. Е. Состояние развития возобновляемых источников энергии в мире и в России / В. Е. Фортов, О. С. Попель // Теплоэнергетика. 2014. № 6. С. 4–13.

3. Добрего, К. В. Численное моделирование слоевого горения двухфазной системы «горючая жидкость – твердое топливо» / К. В. Добрего, И. А. Козначеев // Энергетика. Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ. 2019. Т. 62, № 3. С. 247–263. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2019-62-3-247-263.

4. Липов, Ю. М. Котельные установки и парогенераторы / Ю. М. Липов, Ю. М. Третьяков. М.: Ижевск: Регулярная и хаотическая динамика, 2003. 591 с.

5. Coal and Biomass Gasification. Recent Advances and Future Challenges / S. De [et al.]. Singapore: Springer, 2018. 521 p. https://doi.org/10.1007/978-981-10-7335-9.

6. Salganskii, E. A. Modeling Filtration Combustion of Pyrolyzing Solid Fuel / E. A. Salganskii, E. V. Polianchik, G. B. Manelis // Combustion, Explosion and Shock Waves. 2013. Vol. 49, Iss. 1. P. 38–52. https://doi.org/10.1134/s001050821301005x.

7. Литун, Д. С. Трехзонный инженерный метод теплового расчета топок с кипящим слоем на основе данных промышленных исследований распределения тепловыделения при сжигании биомассы / Д. С. Литун, Г. А. Рябов // Теплоэнергетика. 2016. № 2. С. 65–74.

8. Das, B. Modeling of Hydrodynamics in a Bubbling Fluidized-Bed Gasifier and Evaluation of the Inter-Phase Gas Exchange Rate under Different Operating Conditions / B. Das, A. Datta // Particuology. 2016. Vol. 25. P. 151–158. https://doi.org/10.1016/j.partic.2015.05.009.

9. Theoretical Study of Particulate Flows Formation in Circulating Fluidized Bed / V. Mizonov [et al.] // Recent Innovations in Chemical Engineering. 2018. Vol. 11, Nо 1. P. 20–28. https://doi.org/10.2174/2405520410666170620105102.

10. Gidaspow, D. Multiphase Flow and Fluidization: Continuum and Kinetic Theory Descriptions / D. Gidaspow. San Diego: Academic Press, 1994. 467 p. https://doi.org/10.1016/C2009-0-21244-X.

11. Multiscale 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)31002-2.

12. Review of Discrete Particle Modeling of Fluidized Beds / N. G. Deen [et al.] // Chemical Engineering Science. 2007. Vol. 62, Nо 1–2. P. 28–44.

13. Ge, W. Meso-Scale Oriented Simulation Towards Virtual Process Engineering (VPE) – The EMMS Paradigm / W. Ge, W. Wang, N. Yang // Chemical Engineering Science. 2011. Vol. 66, Nо 19. P. 4426–4458. https://doi.org/10.1016/j.ces.2011.05.029.

14. Dai, 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.2015.10.031.

15. Application of the Theory of Markov Chains to Theoretical Study of Processes in a Circulating Fluidized Bed / A. Mitrofanov [et al.] // Particulate Science and Technology. 2019. Vol. 37, No 8. P. 1028–1033. https://doi.org/10.1080/02726351.2018.1525459.

16. 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/hm018020267.

17. Экспериментальное и расчетное исследования пиролиза биомассы в цилиндрическом реакторе / А. B. Митрофанов [и др.] // Энергетика. Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ. 2021. Т. 64, № 1. С. 51–64. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2021-64-1-51-64.

18. A 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/10.1080/02726351.2016.1243180.

19. 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.2005.05.019.

20. Бекман, И. Н. Высшая математика: математический аппарат диффузии / И. Н. Бекман. 2-е изд., испр. и доп. М.: Юрайт, 2017. 459 с.

21. Mikhailov, M. D. The Drag Coefficient of a Sphere: An Approximation Using Shanks Transform / M. D. Mikhailov, A. P. Silva Freire // Powder Technology. 2013. Vol. 237. P. 432–435. https://doi.org/10.1016/j.powtec.2012.12.033.

22. Stanly, R. Detailed Analysis of Recent Drag Models Using Multiple Cases of Monodisperse Fluidized Beds with Geldart-B and Geldart-D Particles / R. Stanly, G. Shoev // Chemical Engineering Science. 2018. Vol. 188, No 12. P. 132–149. https://doi.org/10.1016/j.ces.2018.05.030.

23. Evaluation of the Performance of the Drag Force Model in Predicting Droplet Evaporation for R134a Single Droplet and Spray Characteristics for R134a Flashing Spray / Z-F. Zhou [et al.] // Energies. 2019. Vol. 12, Iss. 24. P. 4618. https://doi.org/10.3390/en12244618.

24. Haider, A. Drag Coefficient and Terminal Velocity of Spherical and Non-Spherical Particles / A. Haider, O. Levenspiel // Powder Technology. 1989. Vol. 58, Nо 1. P. 63–70. https://doi.org/10.1016/0032-5910(89)80008-7.

25. Khan, A. R. The Resistance to Motion of a Solid Sphere in a Fluid / A. R. Khan, J. F. Richardson // Chemical Engineering Communications. 1987. Vol. 62, Nо 1–6. P. 135–150. https://doi. org/10.1080/00986448708912056.

26. Turton, R. A Short Note on the Drag Correlation for Spheres / R. Turton, O. Levenspiel // Powder Technology. 1986. Vol. 47, Nо 1. P. 83–86. https://doi.org/10.1016/0032-5910(86)80012-2.

27. Flemmer, R. L. C. On the Drag Coefficient of a Sphere / R. L. C. Flemmer, C. L. Banks // Powder Technology. 1986. Vol. 48, Nо 3. P. 217–221. https://doi.org/10.1016/0032-5910(86)80044-4.

28. Esin, A. Correlation of Axial Mixing of Solids in Fluidized Beds by a Dispersion Coefficient / A. Esin, M. Altun // Powder Technology. 1984. Vol. 39, Nо 2. P. 241–244. https://doi.org/10.1016/0032-5910(84)85041-x.

29. Diffusion of a Single Particle in a 3D Random Packing of Spheres / I. Ippolito [et al.] // European Physical Journal E. 2000. Vol. 3, Iss. 3. P. 227–236. https://doi.org/10.1007/pl00013679.

30. On the Apparent Particle Dispersion in Granular Media / Z. Qin [et al.] // Advanced Powder Technology. 2011. Vol. 22, No 6. P. 728–734 https://doi.org/10.1016/j.apt.2010.10.010.

31. Modeling of Particle Concentration Distribution in a Fluidized Bed by Means of the Theory of Markov Chains / V. Mizonov [et al.] // Particulate Science and Technology. 2014. Vol. 32, No 2. P. 171–78. https://doi.org/10.1080/02726351.2013.839016.

32. Расчетно-экспериментальное исследование распределения твердых частиц в аппарате с двухмерным псевдоожиженным слоем / А. В. Огурцов [и др.] // Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2009. Т. 52, № 11. С. 131–134.


Для цитирования:


Митрофанов А.B., Мизонов В.Е., Шпейнова Н.С., Василевич С.В., Касаткина Н.К. Опытно-теоретическое исследование аксиального распределения частиц твердой фазы в кипящем слое. Энергетика. Известия высших учебных заведений и энергетических объединений СНГ. 2021;64(4):349-362. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2021-64-4-349-362

For citation:


Mitrofanov A.V., Mizonov V.E., Shpeynova N.S., Vasilevich S.V., Kasatkina N.K. Experimental and Theoretical Study of the Axial Distribution of Solid Phase Particles in a Fluidized Bed. ENERGETIKA. Proceedings of CIS higher education institutions and power engineering associations. 2021;64(4):349-362. (In Russ.) https://doi.org/10.21122/1029-7448-2021-64-4-349-362

Просмотров: 27


Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 1029-7448 (Print)
ISSN 2414-0341 (Online)