Расчетно-экспериментальное исследование локальных характеристик процесса псевдоожижения топливных гранул

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.

1. Корсак, 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/10.21122/1029-7448-2019-62-4-388-398

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. Пехота, 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/10.21122/1029-7448-2022-65-2-143-155

4. Computational 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.2022.124826

5. Oka, S. N. Fluidized Bed Combustion / S. N. Oka. NY, Basel, CRC Press, 2003. 599 p. https://doi.org/10.1201/9781420028454

6. Sarkar, D. K. Thermal Power Plant: Design and Operation / D. K. Sarkar. Elsevier Inc. 2015. 588 p. https://doi.org/10.1016/C2014-0-00536-9

7. Coal 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/10.1007/978-981-10-7335-9

8. Новый справочник химика и технолога. Процессы и аппараты химических технологий. Ч. I. / под ред. Г. М. Островского. СПб.: АНО НПО «Профессионал», 2004. 848 с.

9. Расчеты аппаратов кипящего слоя: справочник / под ред. И. П. Мухленова, Б. С. Сажина, В. Ф. Фролова. Л.: Химия, 1986. 352 с.

10. Kunii, D. Fluidization Engineering / D. Kunii, O. Levenspiel. 2nd ed. Butterworth-Heinemann. 1991. 498 p. https://doi.org/10.1016/C2009-0-24190-0

11. Филиппов, А. И. О диффузии под воздействием звука / А. И. Филиппов, К. А. Филиппов // Акустический журнал. 1999. Т. 45, № 3. С. 414–417.

12. Полигормонический трансциллятор бегущей волны / А. И. Филиппов [и др.] // Известия высших учебных заведений. Физика. 2013. Т. 56, № 2. С. 39–44.

13. 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

14. Review 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.2006.08.014

15. Meso-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.2011.05.029

16. 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

17. Бобков, 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.

18. 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

19. 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

20. 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

21. Экспериментальное 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/10.21122/1029-7448-2021-64-1-51-64

22. Khan, 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/10.1080/00986448708912056

23. Dehling, 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/s0036139996306316

24. Esin, 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-x

25. Алиев, Г. М.-А. Техника пылеулавливания и очистки промышленных газов / Г. М.-А. Алиев М.: Металлургия. 1986. 544 с.