Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по техническим специальностям  

На правах рукописи

ТУГУЧЕВА ИРИНА АЛЕКСАНДРОВНА

РАЗРАБОТКА ПЕРСПЕКТИВНОЙ МОДЕЛИ

ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОЙ ПЛАВИЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

НА ОСНОВЕ РЕГЕНЕРАЦИИ ТЕПЛОВЫХ ОТХОДОВ

Специальность 05.14.04 - Промышленная теплоэнергетика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени

кандидата технических наук

Москва - 2012

Работа выполнена на кафедре Энергетики высокотемпературной технологии ФГБОУ ВПО НИУ МЭИ.

Научный руководитель:                 доктор технических наук, доцент

                                        Попов Станислав Константинович

Официальные оппоненты:                 доктор технических наук, профессор

Султангузин Ильдар Айдарович

ОАО Газпром промгаз,

  главный научный сотрудник 

  кандидат технических наук

  Крылов Андрей Николаевич

ЗАО КАДФЕМ Си-Ай-Эс,

менеджер

Ведущая организация:                         ООО Научно-технический центр

  Промышленная энергетика

Защита диссертации состоится л22 ноября 2012 г. в 17:00 в аудитории Г-406 на заседании диссертационного совета Д 212.157.10  при ФГБОУ ВПО НИУ МЭИ по адресу: Москва, Красноказарменная ул., д. 17.

Отзывы на автореферат в 2-х экземплярах, заверенные печатью организации, просим направлять по адресу: 111250, Москва, Красноказарменная ул., д.14, Ученый Совет ФГБОУ ВПО НИУ МЭИ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО НИУ МЭИ.

Автореферат разослан  л__ ____________ 2012 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета                                      

к.т.н., доцент  Степанова Т.А.        

ОБЩАЯ  ХАРАКТЕРИСТИКА  РАБОТЫ

Актуальность работы. Высокотемпературные теплотехнологические установки (ВТУ), основанные на плавильных процессах, характеризуются значительной энергоемкостью и низким уровнем полезного использования потребляемых энергоресурсов.

Причина невысоких значений показателей энергетической эффективности в ВТУ состоит в несовершенстве систем использования тепловых отходов. Плавильные установки характеризуются в основном большими значениями двух видов тепловых отходов - потерями с отходящими газами и потерями через ограждения в окружающую среду. Обособленное решение вопросов снижения данных видов отходов в действующих плавильных установках не даст значительного снижения энергопотребления. Для решения задачи повышения энергоэффективности плавильных ВТУ необходим комплексный подход для достижения глубокой регенерации всех видов энергетических отходов. В качестве методологии решения данной задачи может быть использована концепция интенсивного энергосбережения, которая подразумевает разработку перспективных моделей установок, потенциально обеспечивающих наибольшее приближение к теоретическому минимуму энергопотребления.

В данной диссертации автором разработана перспективная модель плавильной установки, исследование которой выполнено для стекловаренного процесса. Известны разработки различных энергосберегающих мероприятий для стекловаренных установок, при этом ряд исследователей выделяет как наиболее перспективное мероприятие - подогрев исходного технологического материала (стекольной шихты и стеклобоя). Исследуемая автором перспективная модель плавильной установки включает техническое решение, предложенное на кафедре ЭВТ ФГБОУ ВПО НИУ МЭИ, - плавильную камеру с перфорированным слоем исходного материала (ПКПС), посредством которой обеспечиваются эффективный подогрев и плавление материала на основе регенерации тепловых отходов. Теоретические и экспериментальные исследования работы ПКПС проводились в ФГБОУ ВПО НИУ МЭИ И.И. Перелетовым, Ю.К. Ивановым, А.В. Пушкиным, а также С.К. Поповым. Эксперименты подтвердили возможность практической реализации плавильного процесса в перфорированном слое. Однако для его промышленного освоения необходимо дальнейшее развитие и расширение исследований.

Целью работы является разработка перспективной модели плавильной установки, в которой обеспечивается энергосберегающий эффект посредством регенерации тепловых отходов при использовании плавильной камеры с перфорированным слоем исходного материала.

Достижение намеченной цели предусматривает решение ряда научных задач:

Ц изучение влияния конструктивных и режимных параметров плавильной камеры с перфорированным слоем материала на показатели ее технологической  (массовая доля расплава на выходе из ПКПС) и энергетической (коэффициент регенерации тепловых отходов) эффективности для выявления области значений указанных параметров, обеспечивающей наибольшую эффективность применения ПКПС;

Ц определение условий энергоэффективного применения ПКПС в тепловых схемах стекловаренных установок;

Ц  обобщение результатов исследований и разработка методики выбора параметров тепловых схем с ПКПС, обеспечивающих энергосберегающий эффект;

Ц анализ экономической и экологической эффективности применения ПКПС в составе тепловых схем стекловаренных установок.

Научная новизна

1. Разработанная математическая модель ПКПС впервые по сравнению с аналогами позволяет:

• учесть влияние турбулизированности газового потока на теплообмен в каналах перфорированного слоя материала;
• исследовать неравномерность распределения газового потока по параллельно включенным каналам нагревательной зоны камеры.

2. Впервые установлена зависимость массовой доли расплава на выходе из ПКПС и коэффициента регенерации тепловых отходов от совокупности геометрических параметров каналов и режимных параметров камеры для условий стекловаренного процесса.
3. Впервые определена область значений структурных, режимных и конструктивных параметров стекловаренных установок, в которой обеспечивается наибольший энергосберегающий эффект на основе применения ПКПС.
4. Разработан алгоритм поддержания стабильной тепловой работы перфорированного слоя материала посредством локальных тепловых воздействий на опорное основание слоя.

Практическая значимость работы заключается в следующем:

1. Разработанная методика выбора параметров ПКПС для ее энергоэффективного применения может быть использована в проектно-конструкторских организациях для создания новой энергосберегающей техники в стекловаренных производствах.

2. Разработанная компьютерная реализация математической модели ПКПС может быть использована в научно-исследовательских организациях для энергетического совершенствования высокотемпературных технологических процессов, основанных на плавлении минеральных материалов.

3. Разработанные методики и алгоритмы проведения исследований, реализованные в данной работе для стекловаренных установок, могут быть применены для решения задачи энергосбережения в других теплотехнологических плавильных процессах и установках.

4. Научные и практические результаты работы используются в учебном процессе при подготовке бакалавров, специалистов и магистров по направлению Теплоэнергетика и теплотехника, специальностям Энергетика теплотехнологии, Промышленная теплоэнергетика.

Достоверность и обоснованность полученных результатов обеспечиваются корректным использованием теории переноса теплоты и массы, а также удовлетворительными результатами сопоставления полученных в работе данных с результатами предшествующих исследований.

На защиту выносятся:

Ц уточненная математическая модель расчета показателей эффективности тепловой работы ПКПС заданной геометрии поперечного сечения слоя;

Ц результаты расчетного исследования влияния режимных и геометрических параметров слоя на показатели эффективности тепловой работы стекловаренной установки с ПКПС;

Ц рекомендации по использованию ПКПС для обеспечения устойчивой работы слоя и достижения наибольших значений показателей эффективности тепловой работы;

Ц результаты расчетного исследования тепловых схем стекловаренных установок с комплексной регенерацией тепловых отходов - теплоты отходящих газов и теплового потока через ограждение в окружающую среду, в том числе в зоне технологического охлаждения стекломассы;

Ц алгоритм поддержания стабильной тепловой работы перфорированного слоя материала посредством локальных тепловых воздействий на опорное основание слоя;

Ц результаты экономических расчетов, отражающих особенности денежных потоков при использовании стекловаренной установки, включающей ПКПС, а также экономическую целесообразность и предпочтительность ее применения по сравнению с существующими стекловаренными установками (на примере производства стекловолокна).

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были  доложены на 14, 15, 16, 17 Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов Радиоэлектроника, электротехника и энергетика, Москва, 2008-2011 гг.; на 9-й Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и специалистов Энергетики и металлурги - настоящему и будущему России, Магнитогорск, 2008 г.; на VII, VIII, XI Всероссийской научно-технической конференции Естественные и инженерные науки - развитию регионов Сибири, Братск, 2008, 2009, 2012 гг.; на Всероссийской конференции с элементами научной школы для молодежи Интеграция науки и образования как фактор опережающего развития системы профессионального образования, Москва, 2011 г.

Публикации. Основные научные положения и выводы диссертационной работы изложены в 14 опубликованных работах, в том числе в 4 публикациях в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, состоящего из 81 наименования, и приложений. Общий объём диссертации составляет 132 страницы, включая 37 рисунков, 17 таблиц и 3 приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность исследований в области разработки энергосберегающих мероприятий, позволяющих достичь существенного снижения тепловых отходов в плавильных установках.  Указан метод решения задачи энергосбережения, заключающийся  в разработке и исследовании перспективной модели плавильной установки, включающей плавильную камеру с перфорированным слоем материала. Сформулированы цель исследования и основные научные задачи, показана научная новизна и практическая ценность работы.

В первой главе приведены результаты анализа направлений энергосбережения в установках по производству стекломассы. Мероприятие по подогреву исходного технологического материала выделено как перспективное. В главе изложены результаты патентного поиска конструктивных технических решений подогревателей шихтовых материалов за последние 35 лет в России и за рубежом. Впервые выполнена классификация массива собранной информации. В качестве определяющих признаков - системы координат - выбраны гранулометрический и компонентный состав исходного материала - шихты и стеклобоя (пять уровней), а также теплотехнические параметры: теплотехнический принцип организации процесса (семь уровней); вид теплоносителя, используемого для подогрева исходного материала (четыре уровня); тип подогревателя исходного материала как теплообменника (два уровня); характер  теплового  контакта  материала  с греющим теплоносителем (два уровня). Эта система координат может быть расширена как включением новых уровней использованных параметров, так и добавлением новых параметров.

В основном все рассмотренные конструкции подогревателей стекольной шихты в промышленности технически не реализованы, и их промышленное освоение является задачей, успешное решение которой еще предстоит найти. Вместе с тем, жалюзийный подогреватель стеклобоя, разработанный немецкой фирмой Sorg, используется в промышленности с 1987 г. Подогрев стеклобоя осуществляется в организованном плотном фильтруемом слое до 400 оС. Газы охлаждаются с 500 оС до 200 оС.

В рамках данной классификации исследуемое техническое решение - плавильную камеру с перфорированным слоем технологического материала - можно охарактеризовать как регенеративный подогреватель с прямым контактом отходящих газов стекловаренной установки и материала (брикетированной шихты), работающий по принципу плотного слоя с регулярными искусственно созданными каналами для греющих газов.

Во второй главе приводятся результаты расчетов показателей энергетической эффективности для существующих стекловаренных теплотехнологических установок (ТТУ) в производствах различных видов стекол: листового, тарного, сортового вида стекол и стекловолокна. Данные расчеты включают: уравнения материальных балансов для определения необходимого количества шихтового материала на тонну стекломассы; расчет тепловых схем идеализированной стекловаренной установки для определения величины теоретического минимума удельного расхода топлива , кг/т (в килограммах условного топлива на тонну технологического продукта).

Для стекловаренных ТТУ с многокомпонентным исходным материалом проведено исследование возможностей и сопоставительный анализ вычислительных средств среды Mathcad для расчета удельных расходов компонентов технологического процесса.  На основе результатов исследования, выполненного для теплотехнологий производства различных видов стекол,  созданы новые программные продукты и выполнена доработка методики определения теоретического минимума энергоемкости производства полупродукта в плавильной ТТУ. Результаты исследования имеют практическое применение в учебном процессе студентами старших курсов, обучающимися по направлению Теплоэнергетика и теплотехника, специальности Энергетика теплотехнологии.

Для определения теоретического минимума расхода топлива в стекловаренных ТТУ при производстве различных видов стекол рассмотрены две тепловые схемы идеализированной плавильной ТТУ: схема 1 - с подогревом топлива и окислителя, схема 2 - с промежуточным теплоносителем. Схема 1 относится к группе тепловых схем с регенеративным использованием одного энергетического отхода - теплоты отходящих газов, схема 2 - к группе схем с регенеративным использованием двух энергетических отходов - теплоты отходящих газов и теплоты полупродукта (расплава стекломассы) в зоне технологически регламентированного охлаждения.

Результаты расчетов тепловых схем показали, что значения удельного расхода топлива в идеализированных стекловаренных ТТУ , кг/т, в диапазоне значений массовой доли стеклобоя от 0 до 1 в схеме 2 имеют меньшие значения по сравнению со схемой 1 для всех рассмотренных видов конечных продуктов. При этом разница между величинами удельного расхода топлива в этих схемах остается примерно постоянной и составляет для листового стекла 30 кг/т, для тарного стекла - 18 кг/т, для сортового стекла - 18 кг/т, для стекловолокна - 12 кг/т.  Таким образом, для дальнейшего поиска величины выбрана схема 2.

Исследование зависимости в схеме 2 в производстве различных видов стекол показало, что с ростом величины для различных технологических продуктов сближаются, стремясь к минимальной величине 59 кг/т при = 1. Таким образом, впервые установлено, что теоретический минимум удельного расхода топлива для рассмотренных теплотехнологий независимо от вида технологического продукта составляет  величину = 59 кг/т.

Значения показателей энергетической эффективности действующих технологий производства различных видов стекол представлены в табл. 1.

Таблица 1

Значения показателей энергетической эффективности действующих технологий производства различных видов стекол

Наименование показателя	истовое стекло	Тарное стекло	Сортовое стекло	Стекло-волокно
Энергоемкость технологии в ТТУ, кг/т	292	182	238	414
Коэффициент полезного использования энергии первичного топлива в ТТУ, %	19	28	23	14

Полученные результаты позволяют заключить, что в стекловарении имеются значительные нереализуемые резервы энергосбережения.

Третья глава посвящена разработке и исследованию перспективной модели плавильной установки с плавильной камерой с перфорированным слоем материала. В данной главе приводится описание принципиальной схемы плавильной камеры с перфорированным слоем материала, ее конструктивных и технологических особенностей.

Плавильная камера представляет собой шахту, по которой сверху вниз движется брикетированный материал в виде перфорированной насадки. Перфорированный слой состоит из периферийной оболочки и перегородок, создающих каналы для движения высокотемпературных газов, поступающих из варочной части стекловаренной установки. По высоте ПКПС можно выделить две зоны: нагревательную и плавильную. В пределах нагревательной зоны материал качественно сохраняет свою первоначальную геометрию: существуют газовые каналы, разделенные перегородками. В пределах плавильной зоны перегородки отсутствуют, имеется лишь периферийная оболочка.

Исследования тепловой работы ПКПС проводились с помощью программного продукта Stack 3D, разработанного профессором каф. ЭВТ С.К. Поповым. Заложенная в программу математическая модель была дополнена автором рядом уравнений, позволив тем самым отказаться от некоторых изначальных допущений и приблизиться к более адекватному отображению тепло- и массопереноса в ПКПС средствами математического моделирования.

При моделирования тепловой работы камеры в программе Stack 3D принимались следующие допущения: вектор скорости газа в любой точке канала имеет только вертикальную y-компоненту; слой обрабатываемого материала перемещается равномерно и без трения по внутренней поверхности ограждения; скорость движения материала во всех его точках одинакова; рассматривается установившееся тепловое состояние камеры; процесс теплопереноса в массе теплоизолирующих стенок (ограждения) камеры рассматривается как процесс трехмерной стационарной теплопроводности; в потоках материала и газа наблюдается трехмерная теплопроводность и одномерный конвективный теплоперенос; между слоем материала и ограждением - идеальный тепловой контакт; наружная поверхность ограждения участвует в свободно-конвективном  теплообмене с окружающей средой; при тепловой обработке материала отсутствует четко выраженный фазовый переход из твердого состояния в жидкое, плавление происходит в интервале температур .

Математическая модель включает следующие уравнения:

уравнение энергии

,

(1)

уравнения сохранения массы для материала

(2)

и газа

.

(3)

Здесь  и далее - температура в точке ;,,   Ц соответственно плотность, массовая удельная теплоемкость и теплопроводность в точке ; - плотность материала; - источниковый член (мощность источников теплоты в единице объема); - массовый расход материала (производительность камеры); - массовый расход газа, подаваемого в камеру;

-

(4)

массовый расход газа через Цй канал; - плотность и скорость газа, осредненные по объему -го канала; - площадь поперечного сечения -го канала; - скорость в точке :

(5)

В систему автором включена группа уравнений, позволяющих установить распределение массового расхода газа по каналам ПКПС. В эту группу входит уравнение для расчета сопротивления -го газового канала

(6)

и условие идентичности сопротивлений каналов, вытекающее из условия их параллельного включения,

.

(7)

Здесь ,   - коэффициенты местного сопротивления;Ц длина и эквивалентный диаметр канала; - коэффициент линейного сопротивления.

Система уравнений дополняется формулами для расчета коэффициента суммарной теплоотдачи от поверхности ограждения  в окружающую среду.

Для решения системы использован численный метод контрольного объема.

При интегрировании уравнения энергии (1) по контрольному объему источниковый член уравнения, учитывающий теплопоглощение при плавлении, рассматривается как составляющая конвективного члена. В итоге конвективный тепловой поток через грань контрольного объема площадью представляется суммой

,

(8)

где  - массовая доля расплавленного материала:

(9)

Уточнение математической модели, проведенное автором, состояло в отказе от некоторых допущений, принятых ранее. Одним из таких допущений было, что массовый расход газового потока распределяется равномерно по параллельно включенным каналам перфорированного слоя.

Математическое описание ПКПС было пополнено автором уравнениями (3, 4,6,7). На этой основе разработана новая версия математической модели ПКПС, более приближенная к реальной картине процесса.

Исследованиями установлено, что массовый расход газа в периферийном канале превышает аналогичную величину для центрального канала в 1,26 раза: /= 1,26. Установленное существенное различие массовых потоков и является новым научным результатом, что подтверждает целесообразность выполненной автором детализации математической модели ПКПС.

Для дальнейшего уточнения математической модели тепловой работы ПКПС автором проведено исследование влияния турбулизации потока газов на конвективный коэффициент теплоотдачи в параллельно включенных каналах.

Исследования проводились для нескольких значений величины  - отношения теплоемкости объемного расхода газа к теплоемкости массового расхода материала, - оказывающей, как показали результаты, существенное влияние на тепловую работу ПКПС

.

(10)

Здесь Ц объемный расход газа, подаваемого в камеру, м3/с; - удельная объемная теплоемкость газа, кДж/(м3К); - удельная массовая теплоемкость материала, кДж/(кг К).

В диапазоне =1,32,3 скорость газов в параллельно включенных каналах при выбранной геометрии слоя принимает значения = 0,390,68 м/с, а значения числа Рейнольдса находятся в диапазоне = 9421642.

Для расчета коэффициента конвективной теплоотдачи в газовом канале использована система уравнений для условий существования квазитурбулентного пограничного слоя

,

(11)

где - число Стантона; - коэффициент конвективной теплоотдачи от газов к материалу, Вт/(м2 К), - плотность газа, кг/м3; - коэффициент трения, определяемый в турбулизированных потоках по формуле

,

(12)

; параметр = 4,8; = 0,38/Ц турбулентное число Прандтля; = 0,83 Дж/(кг К) - газовая постоянная продуктов сгорания; - число Прандтля для потока газов в интервале температур от 300 оС (на выходе из ПКПС) до 1500 оС (на входе в ПКПС).

Результаты решения представленной системы уравнений для исследуемого диапазона представлены на рис. 1.

Полученные зависимости показывают существенное влияние степени турбулентности потока на коэффициент конвективной теплоотдачи, что необходимо учитывать при моделировании рассматриваемой плавильной камеры.

Анализ эффективности тепловой работы ПКПС основывался на оценке двух показателей:

Ц технологической эффективности  - - массовой доли расплава на выходе из ПКПС;

Ц энергетической эффективности - Ц коэффициента регенерации тепловых отходов

,

(13)

где - тепловой поток с полупродуктом и исходным материалом; - тепловой поток с газом на входе в камеру (при температуре ) и при температуре окружающей среды ; - тепловой поток излучением на нижнее сечение камеры от других зон реактора, в состав которого входит ПКПС.

Проведена оценка влияния режимных и геометрических параметров ПКПС на показатели технологической и энергетической эффективности. Одним из исследуемых режимных параметров являлось отношение теплоемкостей расходов газа к материалу , определяемое уравнением (10). Исследования показали, что с увеличением растет показатель технологической эффективности тепловой работы ПКПС, однако вследствие увеличения расхода газа и скорости его движения в каналах (при неизменных геометрических условиях) наблюдается снижение коэффициента регенерации . Второй важный режимный параметр ПКПС - массовый расход материала (производительность камеры) . При увеличении производительности установки с ПКПС при прочих равных условиях величина массовой доли расплава в нижнем сечении слоя снижается (что можно объяснить уменьшением времени пребывания материала в ПКПС), величина же энергетической эффективности тепловой работы плавильной камеры с перфорированным слоем материала слабо зависит от данного режимного параметра.

Оценка влияния геометрии слоя на показатели тепловой работы ПКПС проводилась путем варьирования следующих геометрических характеристик: высоты слоя , высоты плавильной зоны , относительной высоты плавильной зоны = , ширины и количества газовых каналов.

Установлено, что с ростом высоты перфорированного слоя значения массовой доли расплава и коэффициента регенерации тепловых отходов также возрастают. При этом с ростом высоты слоя возрастает и высота плавильной зоны ПКПС, причем с увеличением скорость роста также увеличивается. В области > 3  величина приближается к общей высоте слоя , следовательно, 1. Это означает, что перфорированная часть слоя полностью выплавляется, т.е. перфорированный слой перестает существовать.

Эффективность тепловой работы ПКПС базируется на рациональном сочетании радиационного теплообмена (в плавильной зоне) и конвективного теплообмена (в газовых каналах нагревательной зоны). Необходимо, чтобы нагревательная зона занимала значительную долю общей высоты слоя, не менее 60%. В этом случае = 0,4, а условие

< 0,4

(14)

следует рассматривать как необходимое условие эффективной тепловой работы перфорированного слоя, причем данное условие не зависит от параметров обрабатываемого технологического сырья.  Таким образом, выявлено наличие ограничения области использования ПКПС по параметру в соответствии с (14)

,

(15)

где = 1,4.

Оценка влияния ширины газовых каналов и их количества на коэффициент регенерации тепловых отходов и массовой доли расплава в основании слоя выявила сложный характер зависимости (рис. 2). При этом изменение толщин стен периферийной оболочки не оказывает существенного влияния на характер данных зависимостей. Анализ полученных результатов позволяет выявить область предпочтительного использования ПКПС для различных значений данных геометрических характеристик слоя, однако сложный характер зависимости нужно учитывать при выборе соотношений ширины и количества газовых каналов.

Рис. 2. Коэффициент регенерации тепловых отходов (а) и массовая доля расплава в основании слоя (б) для разных соотношений ширины и количества газовых каналов

В результате установленного ограничения области применения перфорированного слоя по параметру можно предложить два вида тепловых схем плавильных установок с ПКПС (рис. 3). Схема 1 применяется в случае, когда весь поток газовых отходов направляется в ПКПС, выполняющий роль подогревателя исходного материала  и при этом условие (15) не нарушается. Если же применение схемы 1 приводит к нарушению условия (15), то следует перейти к схеме 2. Отметим, что предпочтительной является схема 1, т.к. по сравнению с ней схема 2 более сложна для реализации и эксплуатации.

Рис. 3. Варианты тепловых схем с ПКПС:

т - топливо; ок - окислитель; им - исходный материал; го - газовые отходы; тп - технологический продукт; ТТР - теплотехнологический реактор; РПИМго - регенеративный подогреватель исходного материала газовыми отходами;  РПОго - регенеративный подогреватель окислителя газовыми отходами

Управление величиной , помимо изменения распределения потока газовых отходов между ПКПС и подогревателем окислителя (см. схему 2), возможно посредством варьирования двух факторов: - доли кислорода в окислителе и - массовой доли стеклобоя в исходной шихте.

С целью определения зависимости  = проведено расчетное исследование тепловой схемы 1, где в качестве ТТР рассмотрена действующая ванная стекловаренная печь производительностью 16 т/сутки с варочной частью длиной 8,44 м. Расчеты проведены для следующих диапазонов параметров: - [0,2100,995], - [01]. Результаты расчетов показали, что для действующей стекловаренной установки, реализованной по схеме 1, в рассматриваемом диапазоне варьируемых параметров условие (15) не выполняется. Данные исследования проведены при неизменном уровне тепловых потерь в окружающую среду через ограждение варочной части стекловаренной установки.

На основании того, что ПКПС включает не только нагревательную зону, но и зону плавления, то есть часть зоны основной тепловой обработки стекловаренной установки, было выдвинуто предположение, что применение ПКПС может привести к сокращению длины варочной части печи. Таким образом, с целью определения границы области эффективного применения ПКПС в составе тепловой схемы 1 исследована функция

,

(16)

где - безразмерный параметр, определяемый как отношение теплопотерь через ограждение печи теплопроводностью в окружающую среду в случае уменьшения длины варочной части печи, к аналогичной величине для исходного варианта. Диапазон варьирования длины печи составлял от 8,44 м до нижнего предела 0 м (плавильный процесс протекает только в объеме ПКПС).

На основе проведенного расчетного исследования функции (16) выявлена зависимость , обеспечивающая выполнение равенства (рис. 4). Ниже указанной на рис. 4б границы ПКПС может быть эффективно использована в рамках схемы 1, выше границы - только в рамках схемы 2.

В третьей главе также представлены исследования в области разработки тепловых схем с глубокой комплексной регенерацией тепловых отходов (в том числе тепловых потерь в окружающую среду при технологически регламентированном охлаждении расплава в студочной зоне стекловаренной печи), позволившие сформулировать рекомендации по рациональному выбору схем с целью достижения энергосберегающего эффекта.

Сформулирован алгоритм определения скорости движения материала в плавильной камере с перфорированным слоем. Данный алгоритм связывает результаты расчетных исследований с экспериментальными и позволяет определить действительную скорость движения материала в ПКПС в зависимости от высоты слоя и параметра и, таким образом, приблизиться в дальнейших исследованиях к более реальной модели объекта.

Рис.4. К определению области эффективной работы ПКПС в составе тепловых схем:

1 - зависимость от при = 0,21; 2 - то же при = 0,995

Проведена оценка эксплуатационной надежности тепловой работы ПКПС. Разработан и защищен патентом на изобретение алгоритм поддержания стабильной тепловой работы перфорированного слоя материала посредством локальных тепловых воздействий на опорное основание слоя.

В четвертой главе проведены расчеты экономических показателей действующей стекловаренной установки по производству стекловолокна, включающей подогреватель воздуха, идущего на горение (схема 1), и перспективной стекловаренной установки с ПКПС, в которой осуществляется только подогрев исходного материала (схема 2).

При расчете экономических показателей рассматриваемых тепловых схем важным вопросом являлась оценка затрат на подготовку исходной шихты и  формование слоя. Согласно литературным источникам в существующей схеме производства стекловолокна энергозатраты на подготовку шихтовых материалов составляют примерно 8 % от затрат топлива в стекловаренной печи. При оценке энергозатрат в схеме 2 принималось, что формование перфорированного слоя осуществляется методом экструзии. Была проведена оценка энергопотребления экструдеров, применяемых в производстве строительного кирпича. Исследования показали, что даже при использовании экструдера, характеризующегося самым большим энергопотреблением (0,49 кг/т), энергозатраты на подготовку шихтовых материалов с учетом затрат на формование увеличатся всего на 2 %. Следовательно, использование брикетированной шихты незначительно повышает энергозатраты на подготовку исходного материала.

Значения экономических показателей для схем 1 и 2 приведены в табл. 2 и на рис. 5.

Таблица 2

Значения показателей экономической эффективности стекловаренных установок, работающих по схемам 1 и 2

Наименование показателя	Значение показателя
	схема 1	схема 2
Дисконтированный срок окупаемости, годы	5 лет 10 месяцев	4 года 11 месяцев
Дисконтированные затраты  (), млн. руб.	426,43	409,54
Чистый дисконтированный доход (ЧДД), млн. руб.	28,31	40,32
Индекс доходности	1,45	1,99

Рис. 5. Графики значений дисконтированных затрат (а) и чистого дисконтированного дохода (б) по годам расчетного периода нарастающим итогом: 1 - для тепловой схемы 1; 2 - для тепловой схемы 2.

Из полученных результатов следует, что по всем показателям экономической эффективности в каждом году расчетного периода и за весь период в целом тепловая схема стекловаренной установки с ПКПС является экономически более привлекательной для инвесторов по сравнению с действующей стекловаренной установкой; использование установки с ПКПС экономически целесообразно.

В четвертой главе также проведен сопоставительный анализ влияния, оказываемого на окружающую среду теплотехнологическими установками в системе производства стекловолокна, работающими по схеме 1 и схеме 2. Данный анализ показал, что установка, включающая ПКПС, характеризуется значительно меньшим тепловым воздействием на окружающую среду,  меньшими выбросами вредных веществ, а также меньшей запыленностью газовых отходов. Таким образом, можно сделать вывод, что установка с ПКПС потенциально более экологична по сравнению с действующими плавильными установками, использующими только регенеративный подогрев окислителя.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Выполнено расширение математической модели ПКПС, приблизившее модель к реальному объекту. По сравнению с аналогами модель включает в себя учет влияния турбулизированности газового потока на теплообмен в каналах перфорированного слоя и учет неравномерности распределения газового потока по параллельно включенным каналам нагревательной зоны камеры.

Исследованиями установлено, что турбулизированность потока приводит к повышению значения коэффициента конвективной теплоотдачи в каналах ПКПС на 10%, а массовый расход газа в периферийном канале превышает аналогичную величину для центрального канала в 1,26 раза.

2. В результате расчетных исследований выявлены особенности тепловой работы ПКПС. Установлено  наличие ограничений использования ПКПС по параметру Ц  отношению теплоемкостей расходов газа и материала. Данные ограничения влияют на выбор тепловой схемы, включающей ПКПС, при организации стекловаренного процесса. Выявлено, что применение тепловой схемы плавильной установки, включающей в качестве подогревателя исходного материала плавильную камеру с перфорированным слоем материала исследуемой геометрии, эффективно, если выполняется условие < 1,4. В случае невыполнения данного условия в тепловую схему плавильной установки необходимо вводить подогреватель компонентов горения.
3. Проведены разработка и исследование тепловых схем с глубокой комплексной регенерацией тепловых отходов, позволившие сформулировать рекомендации по рациональному выбору схем с целью достижения энергосберегающего эффекта. Результаты исследований обобщены в методике выбора параметров тепловых схем с ПКПС, обеспечивающих энергосберегающий эффект.
4. Проведена оценка эксплуатационной надежности ПКПС. Разработан и защищен патентом на изобретение алгоритм поддержания стабильной тепловой работы перфорированного слоя материала посредством локальных тепловых воздействий на опорное основание слоя.
5. Выполнен анализ экономической целесообразности применения установок с ПКПС. Так, чистый дисконтированный доход (ЧДД), получаемый при производстве стекловолокна с использованием установки, включающей ПКПС, на 30 % превышает величину ЧДД для действующих стекловаренных установок. При этом суммарные дисконтированные затраты на строительство установки с ПКПС и ее эксплуатацию в течение 10 лет сокращаются на 4 % по сравнению с действующими установками.
6. Сформулированы экологические предпосылки использования ПКПС в плавильных установках, выражающиеся в снижении экологической нагрузки внедрением энергосберегающей установки, обеспечивающей комплексную регенерацию тепловых отходов и тем самым снижение теплового загрязнения окружающей среды. Установлено, что использование ПКПС в составе стекловаренной установки приводит к сокращению объема уходящих газов в 1,7 раз по сравнению с действующими установками. Тепловые потери через ограждение установки с плавильной камерой с перфорированным слоем материала могут быть уменьшены с величины 11 - 28 % в действующих стекловаренных установках вплоть до значений 1,2 % при проведении плавильного процесса только в объеме ПКПС.
7. Разработанные алгоритмы проведения исследований, методики и программные продукты, реализованные в данной работе для стекловаренных установок, могут быть применены для решения задачи энергосбережения в других теплотехнологических плавильных процессах и установках.

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

Ц теоретический минимум удельного расхода топлива в идеализированной стекловаренной установке (в пересчете на условное топливо), кг/т; - удельный расход условного топлива в идеализированной стекловаренной теплотехнологической установке, кг/т; - массовая доля стеклобоя в исходном технологическом материале; Ц объемный расход газа, подаваемого в камеру, м3/с; Ц массовый расход материала (производительность камеры), кг/с; - удельная объемная теплоемкость газа, кДж/(м3К);  - удельная массовая теплоемкость материала, кДж/(кг К); - отношение теплоемкостей расходов газа и материала; Ц  число Рейнольдса; - число Стантона; - коэффициент конвективной теплоотдачи от газов к материалу, Вт/(м2 К), - плотность газа, кг/м3; - коэффициент трения; - турбулентное число Прандтля; - газовая постоянная продуктов сгорания, Дж/(кг К); - число Прандтля; - массовая доля расплава на выходе из ПКПС; - коэффициент регенерации тепловых отходов; - тепловой поток с полупродуктом и исходным материалом; - тепловой поток с газом на входе в камеру (при температуре ) и при температуре окружающей среды ; - тепловой поток излучением на нижнее сечение камеры от других зон реактора, в состав которого входит ПКПС; - объемная доля кислорода в окислителе; - скорость движения газов в каналах, м/с; - скорость движения материала в ПКПС, м/с; , - коэффициенты местного сопротивления; - длина и эквивалентный диаметр канала; Ц  конвективный тепловой поток  через грань контрольного объема; - температурный диапазон плавления; , - массовый расход газа в периферийном и центральном каналах перфорированного слоя; x, y, z - декартовы координаты, м; - дисконтированные затраты, млн. руб.; - период времени, годы.

Сокращения: ВТУ - высокотемпературная теплотехнологическая установка; ПКПС - плавильная камера с перфорированным слоем технологического материала; ТТУ - теплотехнологическая установка; ЧДД - чистый дисконтированный доход, млн. руб.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ

1. Попов С.К., Тугучева И.А. Оценка потенциала энергосбережения в технологии производства различных видов стекол / Промышленная энергетика. 2010 Ц №6. С. 5 Ц 7.
2. Попов С.К., Тугучева И.А. Условия эффективного применения плавильной камеры с перфорированным слоем материала / Вестник МЭИ. 2010 Ц №2. С. 21 Ц 25.
3. Попов С.К., Тугучева И.А. Энергосбережение в стекловаренных печах посредством подогрева исходного материала / Энергосбережение и водоподготовка. 2011 Ц №6. С. 21Ц23.
4. Попов С.К., Ключников А.Д., Тугучева И.А. Математическое моделирование тепловой работы камеры с перфорированным слоем технологического материала / Промышленная энергетика. 2012 Ц №. 7. С. 33 Ц 36.
5. Тугучева И.А., Попов С.К. Анализ возможностей интенсивного энергосбережения в стекловаренных установках / РАДИОЭЛЕКТРОНИКА, ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭНЕРГЕТИКА // Четырнадцатая Междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов: Тез. докл. В 3-х т. -  М.: Издательский дом МЭИ, 2008. Т. 2. С. 347.
6. Тугучева И.А., Попов С.К. Анализ потенциала интенсивного энергосбережения в стекловаренных печах и направлений его реализации / Энергетики и металлурги настоящему и будущему России: Материалы 9-й Всерос. науч.-практ. конф. студентов, аспирантов и специалистов / Под общ. ред. Б.К. Сеничкина. - Магнитогорск: ГОУ ВПО МГТУ. 2008. С. 32 - 35.
7. Тугучева И.А., Попов С.К. Анализ эффективности энергосберегающих мероприятий в стекловаренных установках / РАДИОЭЛЕКТРОНИКА, ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭНЕРГЕТИКА: Пятнадцатая Междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов: Тез. докл. В 3-х т. Т. 2. М.: Издательский дом МЭИ, 2009. С. 379 - 380.
8. Тугучева И.А., Попов С.К. Исследование эффективности работы плавильной камеры с перфорированным слоем материала / Естественные и инженерные науки - развитию регионов Сибири: Материалы VII (XXX) Всеросс. науч.-техн. конф., Братск, 20Ц24 апреля 2009 г. - Братск: ГОУВПО БрГУ. - 2009. - С. 113Ц116.
9. Тугучева И.А., Попов С.К. Анализ тепловых схем стекловаренных установок с глубокой комплексной регенерацией тепловых отходов / РАДИОЭЛЕКТРОНИКА, ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭНЕРГЕТИКА: Шестнадцатая Междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов: Тез. докл. В 3-х т. Т. 2. М.: Издательский дом МЭИ, 2010. С. 399 - 400.
10. Тугучева И.А., Попов С.К. Разработка и анализ энергоэффективных тепловых схем стекловаренных установок / Естественные и инженерные науки - развитию регионов Сибири: материалы VIII (XXXI) Всероссийской научно-технической конференции. - Братск: ГОУВПО БрГУ. - 2010. - С. 94 - 95.
11. Тугучева И.А., Попов С.К. Энергетическая, экономическая и экологическая эффективность плавильной камеры с перфорированным слоем /  РАДИОЭЛЕКТРОНИКА, ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭНЕРГЕТИКА: Семнадцатая Междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов: Тез. докл. В 3-х т. Т. 2. М.: Издательский дом МЭИ, 2011. С. 482 - 483.
12. Тугучева И.А., Попов С.К. Оценка эффекта энергосбережения в стекловаренных установках при реализации мероприятий с глубокой комплексной регенерацией тепловых отходов / Электронная версия сборника докладов Всероссийской конференции с элементами научной школы для молодежи УИнтеграция науки и образования как фактор опережающего развития системы профессионального образованияФ / МИТХТ им. М.В. Ломоносова. 2011. - С. 223 - 226. Режим доступа:
13. Попов С.К., Тугучева И.А.. Анализ тепловых схем стекловаренных установок с подогревом технологического материала // Естественные и инженерные науки - развитию регионов Сибири: Материалы XI (XXXIII) Всеросс. науч.-техн. конф. - Братск: Изд-во БрГУ, 2012. - С. 101.
14. Иванов Ю.К., Попов С.К., Тугучева И.А. Способ варки шихты и устройство для его осуществления. Патент на изобретение №2441850, опубл. 10.02.2012, аБИ № 4, 2012, заявка №2010128974/03 (041131).

Подписано в печать  Зак.  Тир.  П.л.

Полиграфический центр ФГБОУ ВПО лНИУ МЭИ

Красноказарменная ул., д. 13

Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по техническим специальностям