автореферат диссертации по энергетике, 05.14.04, диссертация на тему:Повышение эффективности энергоиспользования в теплотехнологических установках на основе разработки и оптимизации энергосберегающего оборудования

На правах рукописи

/

ПРОНИН ВЛАДИМИР ЮРЬЕВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭНЕРГОИСПОЛЬЗОВАНИЯ В ТЕПЛОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ УСТАНОВКАХ НА ОСНОВЕ РАЗРАБОТКИ И ОПТИМИЗАЦИИ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩЕГО

ОБОРУДОВАНИЯ

Специальность 05.14.04 - «Промышленная теплоэнергетика»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Иваново 1998

Работа выполнена на кафедре теплофизики и энергетики высокотемпературных процессов Ивановского государственного энергетического университета. Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Коротин А.Н. Научный консультант :

кандидат технических наук, доцент Никишов В.Ф.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Кривапдин В.А. кандидат технических наук, доцент Масленников В.В.

Ведущее предприятие - АО «Стальпроект».

Защита диссертации состоится ^ июня 1998 г. в // час. мин. на заседании специализированного совета К.063.10.01 Ивановского государственного энергетического университета.

Отзывы в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью, просим направлять по адресу:

153003, г.Иваново, ул.Рабфаковская, 34, Ученый Совет ИГЭУ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИГЭУ.

/Г"

Автореферат разослан ^ 1998 г.

Ученый секретарь специализированного совета К.063.10.01

доктор технических н"""

профессор

ВВЕДЕНИЕ

АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ. Промышленный теплотехнологический комплекс шляется одним из основных потребителей топливно-энергетических ресурсов (ТЭР) страны. Только одни высокотемпературные системы с основным технологическим звеном - промышленными печами по уровню прямого пот-эебления органического топлива конкурируют с производством электроэнергии на тепловых электрических станциях. На реализацию теплотехно-тогических процессов (от низкотемпературного нагрева воды до высокотемпературной плавки металлов) непосредственно расходуется около 2/3 >рганического топлива, более 1/3 вырабатываемой электрической энергии I более 1/2 тепловой энергии. При этом теплотехнологические установки [ТТУ) работают с высокими удельными расходами топлива и низким КПД. )дной из существенных причин подобного положения является несовершенство тепловых схем ТТУ. Неэффективное использование ТЭР указывает на 1еобходимость глубокого энергетического анализа промышленных предприятий с последующей разработкой и внедрением мероприятий по энергосбережению.

Наивысший результат экономии топлива и повышения КПД может иметь 1есто при одновременном снижении отношения потерь теплоты через ограждения к теплопоглощению материала и наиболее полной регенерации теплоты отходящих из реактора газов. Однако, имеющий место в промышленности иирокий температурный диапазон и большое количество видов отходящих 'азов требует разработки и выбора оптимальных параметров разнообразного по конструкции и способу теплообмена утилизационного оборудования.

ЦЕЛЬЮ РАБОТЫ является разработка, теоретическое обоснование и фактическая проверка эффективности работы теплообменников и схем шешнего и комплексного теплоиспользования, обеспечивающих повышение »ффективности использования ТЭР для действующих и проектируемых ТТУ 1а базе:

■ проведения комплексного энергетического анализа промышленных предприятий с оценкой возможных масштабов энергосбережения за счет утилизации низко- и высокотемпературных отходящих газов;

■ математического моделирования разработанного оборудования;

■ внедрения предложенных технических решений по утилизации отходящих газов.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА работы:

1. Разработаны математические модели:

- модель процессов тепломассообмена в элементах ТТУ с комплексным теп лоиспользованием отходящих газов, позволяющую учесть динамическую вза имосвязь по режимным параметрам продуктов сгорания и вырабатываемы теплоносителям,

- модель процессов тепломассообмена в насадке контактного теплообмен ника.

2. Разработаны структура модели и алгоритм поиска оптимальны схем ТТУ, позволяющие выбрать оптимальный вариант из набора установо внешнего и комплексного теплоиспользования отходящих газов и их режим ных и конструктивных параметров.

3. Разработан алгоритм оптимизации теплообменников для действую щих ТТУ, позволяющий оптимизировать режимные и конструктивные парамет ры теплообменника.

4. Проведены экспериментальные исследования в промышленных уело виях, на основании которых определена адекватность математической мо дели и обоснована эффективность работы контактного теплообменника.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ. Прикладные результаты работы получены с ис пользованием методов планирования и анализа эксперимента и метода текнико-экономической оптимизации. При математическом моделировани процессов тепломасообмена используются зональный метод и метод конеч ных разностей.

ДОСТОВЕРНОСТЬ полученных в работе математических моделей провере на по результатам натурных исследований, проведенных на контактны теплообменниках, установленных на Родниковском меланжевом комбинате. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ работы заключается в следующем:

- показаны пути эффективного использования значительного потенциал низко- и высокотемпературных отходящих газов, выявленных при анализ ТЭБ машиностроительного завода и текстильного комбината Ивановског промышленного теплотехнологического комплекса;

- предложенное техническое решение, защищенное патентом РФ, позволяв интенсифицировать теплообмен в рабочем пространстве печи, глубоко ути лизировать тепло высокотемпературных отходящих газов и снизить выбро вредных газообразных примесей;

- разработанные алгоритмы оптимизации могут быть использованы при про ектировании ТТУ с регенеративным, внешним и комплексным теплоиспользо ванием для предприятий аналогичного профиля;

- результаты промышленных испытаний и рабочие чертежи опытного образц, контактного теплообменника рекомендованы для внедрения на предприятия;

текстильной промышленности;

- разработанный проект установки для внешнего теплоиспользования высокотемпературных газов может быть внедрен на действующих ТТУ, за которыми нет практической возможности или необходимости реализации глубокого регенеративного теплоиспользования.

РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ. Разработаны конструкция эффективного теплообменника и схемы глубокого теплоиспользования отходящих газов, одна из которых защищена патентом РФ. Выполнен рабочий проект установки внешнего теплоиспользования и передан для внедрения в кузнечных и термических цехах на Череповецкий металлургический комбинат. По разработанным алгоритмам оптимизации спроектирован и внедрен контактный теплообменник на Кохомском хлопчатобумажном комбинате и Родниковс-ком меланжевом комбинате. На основании приемочных испытаний опытного образца контактного теплообменника, проведенных на Родниковском меланжевом комбинате, комиссией рекомендована постановка его на серийное производство.

ОСНОВНЬЕ ПОЛОЖЕНИЯ. ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ:

- структура модели и алгоритм поиска оптимальных схем ТТУ с регенеративным, внешним и комплексным теплоиспользованием отходящих газов.

- математическая модель контактного теплообменника,

- результаты промышленных испытаний контактного теплообменника.

- математическая модель ТТУ с комплексным теплоиспользованием и снижением уровня вредных составляющих продуктов сгорания.

АПРОБАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на Международной научно-технической конференции "VII Бенардосовские чтения" (Иваново, 1994г.),на II международной научно-техническая конференции "Новые методы и средства экономии энергоресурсов и экологические проблемы энергетики" (Москва, 1995г.),на международной конференции "Экология и теплотехника -1996" (Днепропетровск, 1996 г.), на объединенном научном семинаре кафедры ТЭВП, ПТ, ТОТ ИГЭУ (Иваново,апрель 1998г.).

ПУБЛИКАЦИИ. По материалам диссертации опубликовано 7 печатных работ.

ОБЪЕМ И СТРУКТУРА РАБОТЫ. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 97 наименований л 14 стр. приложений. Изложена на 152 стр., содержит 13 таблиц, 34 рисунка.

- 6 -СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

ВО ВВЕДЕНИИ обоснована актуальность темы, определены объекты и( следования, раскрываются некоторые явные причины низкой энергетическс эффективности действующих ТТУ, сформулированы основные задачи работы методы их решения, представлена структура работы.

В ПЕРВОЙ ГЛАВЕ составлены топливно-энергетические балансы(ТЭ1 предприятий Ивановского промышленного теплотехнологического комплекс и выявлены основные виды и количество тепловых отходов.

Выполнен анализ ТЭБ с позиций интенсивного энергосбережения, кс торый позволил установить, что технологический КПД совокупности TTJ например, для завода по выпуску текстильного оборудования, находите на уровне 3,7%, а интегральный коэффициент полезного использования пер вичного топлива в теплотехнологической системе(TTC) производства ус ловного технологического продукта равен 2,8%. Более низкие показате! имеют предприятия текстильной промышленности.

Прогнозная оценка масштабов принципиально возможной экономии ТЗ показала, что потенциал технологического резерва интенсивного энергос бережения совокупности ТТУ машиностроительного завода превышае 5000 т.у.т./год, а для хлопко-красильного цеха меланжевого комбинат этот показатель достигает почти 7700 т.у. г./год.

Показано, что одной из причин низкой эффективности использовани ТЭР является то, что тепло низкотемпературных отходящих газов практи чески не используется. Регенерация тепла отходящих газов осуществляет ся на отдельных высокотемпературных печах в щелевых радиационных реку ператорах, обеспечивающих температуру подогрева воздуха не выше 150 0 при температуре отходящих газов за рекуператором 1000-1100 °С.

Выявлены недостатки известных работ по оптимизации ТТУ и выбор направлений использования ВЗР.

На основании материалов исследования ставятся задачи:

- разработки утилизирующих установок, обеспечивающих глубокое исполь зование высокотемпературных уходящих газов;

- разработки эффективных теплообменников для использования низкотемпе ратурных тепловых отходов;

- разработки алгоритмов выбора оптимальных тепловых схем ТТУ и оптими зации теплообменников для действующих ТТУ;

- реализации разработок в рабочих проектах с внедрением в промышлен ность.

ВО ВТОРОЙ ГЛАВЕ рассмотрены вопросы оптимизации ТТУ с регенера тивным, внешним и комплексным теплоиспользованием.

В практике решения задач оптимизации ТТУ в качестве критерия придается, как правило, стоимость технологического процесса, включающая t себя затраты на топливо, угар металла и прочие затраты, непосредственно направленные на обеспечение получения готового продукта, а изустные рекомендации по выбору рациональных схем ТТУ обычно основывайся на повышении эффективности использования топлива в печи, а не в Челом по предприятию.

Теплотехнический цех (кузнечный, термический и др.) потребляет сроме химической энергии топлива на печах и тепловую энергию в виде lapa, горячей воды или теплого воздуха для отопления. Известная поста-ювка не учитывает затраты на отопление, вентиляцию, горячее водоснабжение. Их относят к постоянным и побочным величинам, которые не влияют «посредственно на технологический процесс.

В настоящее время на большинстве предприятий для действующих пеней в первую очередь проектируются рекуператоры, а после их установки разрабатываются технические решения по более глубокой утилизации тепла продуктов сгорания. Правильнее было бы в начале проводить технико-экономический анализ ситуации на предприятии, а затем отдавать предпочтение тому или другому направлению использования ВЭР.

Кроме рекуператоров, печь может быть дополнена установками предварительной термообработки сырья, поступающего в реактор, установками, вырабатывающими энергию (встроенные газотурбинные установки, котлы-утилизаторы), и установками по использованию теплоты шлаков и других отходов или самих продуктов теплотехнологического процесса. Возможны устройства для использования теплоты, теряемой в окружающую среду и передаваемой в охлаждаемые элементы. Очевидно,в базе данных для проектанта должен быть подготовлен набор моделей установок-утилизаторов, отличающихся конструктивным оформлением и целевым назначением.

Теплотехнологическую установку нужно представить единой математической моделью, где модели печи и утилизационного оборудования связаны входными и выходными параметрами. Так, уходящие из печи газы (их количество, состав, температура) считаются входными параметрами для модели рекуператора и, наоборот, выходные параметры рекуператора (температура и расход воздуха) являются входными для модели печи.

В конкретных условиях цеха (завода) должна быть найдена схема ТТУ, обеспечивающая минимальную стоимость технологического процесса при типичных режимах работы печи и установок утилизации. Структура математической модели ТТУ с регенеративным, внешним и комплексным тепло-использованием представлена на рис.1.Входными параметрами надо считать производительность печи, стоимость энергии и сортов топлива, которыми

Входные параметры

1

Модель печи

Блок оптимизации

Е_[

Модели

установок теплоиспользования отходящих газов

экономия технологического топлива экономия энергетического топлива

Блок

ОПТИМИ'

зации

I

СО I

Генератор схем ТТУ

Блок оптимизации

Оптимизация параметров

Фильтр ограничений

Выходные схемы и параметры Рис.1. Структура математической модели ТТУ

располагает завод, а также возможное комбинирование использования отходов печи в пределах завода на других объектах. Центральным звеном поиска является генератор схем ТТУ, который перебирает все сочетания моделей печей и установок отходящих газов. В генераторе схем предусмотрена также перестановка утилизационного оборудования местами, что, естественно, увеличивает число вариантов. При каждом варианте рассчитывается минимум затрат на получение готового продукта путем варьирования режимных и конструктивных параметров каждой установки утилизации. Ограничением при варьировании можно, например, принять минимальную температуру продуктов горения,выбрасываемых в атмосферу, при которой нет коррозии и разрушения дымоотводящего тракта.

Алгоритм поиска оптимального варианта ТТУ с регенеративным, внешним и комплексным использованием тепла отходящих газов реализован в программе "Gen". Программа позволяет оптимизировать параметры конкретной тепловой схемы ТТУ с заданным типом утилизационной установки или выбрать оптимальную тепловую схему ТТУ из нескольких схем различных по компоновке и конструкции утилизационных аппаратов.

Для этого в блоке оптимизации применяются следующие виды критериев. При оптимизации режимов нагрева металла в реакторе в качестве критерия применяется стоимость операции нагрева металла

SH = (S, + S3JI + Syr + SaM) /G , (1)

где ST - затраты на топливо, руб/год; S3J1 - затраты на электроэнергию, руб/год; Syr - затраты, учитывающие угар металла, руб/год; SaM - затраты на амортизацию, руб/год; G - производительность реактора, т/год.

Оптимизация режимных и конструктивных параметров реактора ведется по минимуму приведенных затрат

Spnp= SH + Ен Кп , (2)

где Ен - нормативный коэффициент эффективности капитальных затрат;К„ -удельные капитальные затраты, руб/т.

Совместная оптимизация режимных и конструктивных параметров реактора и установок регенеративного и внешнего использования тепла уходящих газов проводится также по минимуму приведенных затрат, определяемых по формуле

snp"y +Sper + SyBI + EH (Kper + KyBT) , (3)

где Sper,SyBT- приведенные затраты на нагрев теплоносителя соответственно в установках регенеративного и внешнего теплоиспользования, руб/т; Крег, КуВт - удельные капитальные затраты соответственно на установки регенеративного и внешнего теплоиспользования, руб/т.

При оптимизации теплообменников, устанавливаемых с целью экономии энергии за действующими реакторами, при заданных параметрах отходящих

газов, объективным критерием является годовой экономический эффект Эг = ДВ Ст - Брер- Ен Крег, (4)

ИЛИ

Эг = ДВ Ср - БуВТ- Ен КуВТ, (5)

где ДВ - экономия источника энергии в реакторе за счет установки для внутреннего или внешнего теплоиспользования теплообменника,т/год; Ст-стоимость источника энергии.руб/т.

Задача оптимизации ТТУ с регенеративным и внешним теплоиспользо ванием отходящих газов запишется в виде

^пр'>еГ = Нкп, Рп • ^рег- Ррег> ^увт' Рувт^ = И1п . (6)

Решение поставленной задачи заключается в поиске минимума приведении; затрат и соответствующих ему оптимальных режимных Рп, РРег- рувт 1 конструктивных кп, крег, кувт параметров реактора, регенеративноп теплообменника и установки внешнего теплоиспользования. Установлена зависимости (6) осуществляется на математической модели ТТУ.

По разработанному алгоритму проведено сопоставление различны; схем теплоиспользования и рассмотрена наиболее распространенная задач; оптимизации теплообменников для действующих ТТУ с элементарной тепловой схемой. Задача оптимизации теплообменника для действующей ТТУ I элементарной тепловой схемой запишется в виде

Эг = Г(Ррег(увт)' ^рег(увт)) = ^ах ■ С.

В качестве критерия оптимизации в данном случае применяется годовой экономический эффект, определяемый по формулам (4),(5). Поиск оптимального варианта теплообменника заключается в выборе режимных 1 конструктивных параметров, соответствующих максимально возможному годовому эффекту, получаемому при его установке.

Поставленную задачу можно решить наиболее эффективно с применением современных методов планирования и анализа эксперимента. В планировании эксперимента функция цели (7) аппроксимируется полиномом

т т т

3 = Ь0+ I Ь^! + 2 3+ I ^ 1х12+ ... , (8)

1 = 1 1.3=1 ' 1=1

где X},х^ - факторы оптимизации или кодированные значения величин режимных и конструктивных параметров теплообменника; Ь0,Ьх,^ 3 - коэффициенты аппроксимации.

Значения коэффициентов аппроксимации находятся многофакторньа исследованием работы теплообменника на математической модели на ЭВМ. Максимуму функции (8) соответствуют оптимальные значения режимных и конструктивных параметров. Поиск оптимума осуществляется выполнение} следующей последовательности операций:

1. По варьируемым параметрам на математической модели определяются величины выходных режимных параметров теплоносителей, конструктивные размеры и аэродинамическое сопротивление теплообменника.

2. По выходным величинам подогреваемого теплоносителя, конструктивным параметрам и аэродинамическому сопротивлению теплообменника рассчитываются экономический эффект по формулам (4),(5).

3. По текущим значениям критерия оптимизации вычисляются коэффциенты аппроксимации функции (8).

4. Функция (8) исследуется на максимум и определяются оптимальные значения режимных и конструктивных параметров теплообменника.

Описанный алгоритм может быть применен для любого типа теплообменника для внешнего или регенеративного теплоиспользования. При этом в блоке расчета теплообменника должна быть размещена соответствующая математическая модель, а в блоке задания - значения соответствующих варьируемых параметров.

В ТРЕТЬЕЙ ГЛАВЕ разработаны конструкции контактных теплообменников для использования теплоты отходящих газов низкотемпературных ТТУ.

В насадке контактного теплообменника имеет место теплообмен между двигающимися в одном направлении потоком парогазовой смеси, диспергированной струей жидкости и пленкой воды, стекающей по стенкам канала. Совместный тепло- и массообмен имеет сложный характер. Известные аналитические методы расчета и математические модели контактных аппаратов базируются на эмпирических соотношениях, полученных на экспериментальных стендах, опытно-промышленных и промышленных установках. Область их применения ограничена конструктивными особенностями элементов аппарата (исполнение насадки, форсунок и т.п.). Поскольку насадка рассматриваемого теплообменника не имеет аналогов, необходимо создание математической модели, отвечающей конструкции и условиям работы аппарата.

Для описания процессов тепломассообмена в насадке используется локальный метод. Каналы насадки разбиваются на бесконечно малые элементы высотой ей с эквивалентным диаметром <!э, схема одного из которых представлена на рис.2.

Система уравнений, входящая в состав математической модели, включает в себя уравнения теплового баланса, массоотдачи и теплообмена при охлаждении парогазовой смеси (ПГС).

Уравнение теплового баланса в контактном теплообменнике для элемента насадки складывается из следующих составляющих:

сШ0 + сШк = сШв . (9)

Физическая теплота (ПГС) определяется из выражения

Вода(Ов\Т7), ПГС(Ос\Тс\<Г)

ПН

\

7

о

<=-0-5»

<ш

о о о

канал насадки

диффузорное

|_пространство

поддиффузорное

^_пространство

и II

Вода(0;^\Т),' ПГС(Ос" ,ТС" ,сГ) Рис.2. Расчетная схема насадки контактного теплообменника

tз,uC

60

50

40

-о. / 0Г=2400 / 1 ,13/ч

оо )0м3/ч

- * „ 1200м3/ч

30

0 1 2 3 4 5 Ов, т/ч

Рис.3. Зависимость температуры воды ^ от расхода ее на орошение Ов при различных расходах парогазовой смеси Ог: • • - о - данные промышленных испытаний; —□ - результаты расчета на математической модели.

dQc = Gr cr [l + d]dtr. (10)

Теплота конденсации водяных паров из ПГС и охлаждения конденсата рас-штьшается по формуле

dQK = Gr dd hn - Gr dd cBtB . (11)

Теплота подогрева орошающей воды запишется как

dQg = GB св dtB. (12)

Система уравнений, описывающих процессы тепломассообмена в элементар-юм объеме канала насадки, запишется в следующем виде: ■ уравнение теплового баланса

Gr cr[l + djdtr + Gr(r + crtr- cB tB) dd =GB cB dtB , (13)

- уравнение теплообмена

Gr cr[l + djdtp =a (tr- tpP )dF , (14)

cr

- уравнение массопереноса

Gr dd = p (d - drp )dF . (15)

Вводя обобщенный коэффициент ac, учитывающий вклад массоотдачи в фоцесс теплообмена, запишем уравнение тепломассообмена

dQc + dQK = ac(tr - trp)dF . (16)

тде

_ (d - drp)

ac = a + p (r + crtr- cBtB) - . (17)

(fcp- tpp)

Система уравнений (13-16) решается методом итерации; в результате )асчета получаем значения температур ПГС tr, воды tB, влагосодержания 1 на выходе из теплообменника. Алгоритм решения задачи реализован в фограмме "Par".

Проверка адекватности математической модели проведена сопоставле-шем результатов математического эксперимента и промышленных испытаний контактного теплообменника. Расхождение данных(рис.3) находится в пределах 7%. Анализ зависимостей позволяет сделать вывод, что составления математическая модель пригодна для проведения инженерных расчетов.

В ЧЕТВЕРТОЙ ГЛАВЕ разработаны технические решения по интенсифика-(ии теплообмена в рабочем пространстве печи, глубокой утилизации и :нижению уровня вредных составляющих продуктов сгорания.

Предложена ТТУ с регенеративным и внешним теплоиспользованием, ¡ащищенная патентом РФ N 2034220. ТТУ включает в себя последовательно

включенные по продуктам сгорания печь безокислительного нагрева, радиационный рекуператор, испарительный теплообменник и теплообменник-конденсатор. Испарительный теплообменник соединен паропроводом с верхней рабочей зоной печи. Подача пара в печь снижает температуру факела и подавляет образование окислов азота. Наличие в ТТУ испарительного теплообменника и теплообменника-конденсатора обеспечивает глубокую утилизацию тепла продуктов сгорания и получение непосредственно в установке пара и конденсата как товарного продукта. Для исследования влияния режимных параметров на эффективность работы ТТУ составлена математическая модель, включающая в себя самостоятельные модули: печи, рекуператора, испарительного теплообменника и теплообменника-конденсатора.

Модуль расчета двухзонной печи безокислительного нагрева металла включает в себя математическое описание теплообмена и тепловой баланс печи. Вследствие того, что наибольший практический интерес представляет, прежде всего, тепловое взаимодействие между зонами печи, происходящее при изменении параметров продуктов горения в зоне дожигания, основное внимание при математическом моделировании уделено теплопередаче через промежуточный свод.

Дифференциальное уравнение теплопроводности для свода печи аг а <гг

с(Т)- = -Х(Т)--(18)

ат аг <зг Краевые условия имеют вид: для зоны нагрева

атн

ИТ) - - (Ь , (19)

аг

для зоны дожигания

атд

Ш) — = д2 (20)

аг

Плотности тепловых потоков при лучисто-конвективном нагреве равны

qi = ^(Т! - Т„) + М^4 - Тн4) , (21)

(¡2 = - Тд> + б2(Т24 - Тд4) . (22)

Температура продуктов сгорания в зоне дожигания Т2 определяется из теплового баланса зоны

В(0„ + 0в2 + 0ух1) = Осзг 0КЛ2 + В(0ух2 + 0П) . (23)

Значение 0ух1 определяется из теплового баланса зоны нагрева

В(0рн - 0„ + Ов!) + 0сВ1 = 0„ + 0КЛ1 + В0ух1

(24)

Система уравнений (18-20) решается методом конечных разностей. Математическое описание теплообмена в рекуператоре строится на основе зонального метода. Для 1-той расчетной зоны записывается система уравнений

(аг.1<Тг,1-Тр,1> + бИТг.!4 - Тр,14))Гр.1= Чг сг.1(Тг.1-Тг.1-1),(25)

«В. 1 (Тр, 1"ТВ. 1 >Гр. 1 Св (Тв> 1-Тв. ) , б^Тг,!4 - Тр.!4) + аг,1(тг.1-тр.1) = - Тв>1)

(26)

1 ~ »р.1 ' "г чг.И'г.Г'рд' = ~ • (27)

Система нелинейных уравнений решается относительно неизвестных величин Тг> 1, Тв, 1, Тр ! методом итераций.

Модуль расчета испарителя включает в себя систему уравнений: теплообмена для каждой газовой зоны

Угсгс1Тг = а(Тг - Тст>о1Г1 , (28)

теплообмена при нагреве конденсата

Спск(Тк-Ти) -- (Тг-Ти) ,

1/а+ 1 +1/а„ теплообмена при испарении конденсата

ЙГИ (Тг-Ти)

1/а+ 1 +1/Ои

теплообмена при перегреве пара

СПСР(ТП-ТИ) =

(Тг-т„)

(29)

(30)

(31)

1/а+ ^ +1/<Хп

Система уравнений (27)-(30) решается относительно неизвестных температур газов Тг и пара Тп.

Модуль расчета конденсатора включает в себя уравнения: теплового баланса

(30,. + сКЗк = сШв , (32)

где физическая теплота парогазовой смеси определится выражением

йОс = Сгсг(1+сп/сг <1МТГ , теплота конденсации водяных паров рассчитьшается как

(33)

сз<ак = сгсм(г + сп(тг - тк)), теплота подогрева воды запишется как

ЙОе = вд св С1ТВ . Уравнение теплообмена для парогазовой смеси имеет вид:

(34)

сг сг (1+сп/сгс1)(1тг = а(тг-тгр)сзг . (36)

Уравнение теплообмена для охлаждающей воды запишется как

&

Бв сБ ЙТВ = - (Гг-Тв) . (37)

1/а +1/аБ+'Х

Система уравнений (32 - 37) решается методом итерации относительно не известных Тг, Тк, Св.

Алгоритм расчета ТТУ сводится к выполнению следующей последова тельности операций:

1. Устанавливается расход добавляемого пара Сп и рассчитывается соста продуктов горения.

2. Задается температура воздуха после рекуператора Тв и температур газов Т1 в зоне нагрева.

3. В первом приближении задается температура свода Тсв.

4. Вычичляются значения статей теплового баланса для зоны нагрева и из уравнения (24) определяется расход топлива на печь В.

5. Из (23)вычисляется температура газов в зоне дожигания Тг и считает ся соответствующая ей степень черноты в зависимости от расхода пар

6. По уравнениям (18-20) рассчитывается температурное поле свода. Есл расчетная температура Тсв отличается от заданной в п.З, производит ся повтор п.п.4-6 при уточненной Тсв до достижения заданной точное ти расчета.

7. По уравнениям (25-27) производится расчет рекуператора. Если рас четная температура подогрева воздуха Тв не соответствует заданной п.2, производится повтор п.п.3-7 при уточненной ТБ до достижени заданной точности расчета.

8. В первом приближении задается температура конденсата Тк.

9. Производится расчет испарительного (28-31) и конденсаторного(32-37 теплообменников. В случае расхождения расчетной Тк и заданной в п. производится повтор п.9 при вновь заданной Тк до достижения задан ной точности расчета.

В результате расчета получаем значения режимных параметров ТТУ зависимости от расхода добавленного пара.

Описанный алгоритм реализован в программе "ВаЬ".

Анализ результатов исследований (рис.4-5), проведенных на ЭВМ позволяет сделать следующие выводы. Подача пара в зону дожигания при водит к значительному росту степени черноты продуктов сгорания и в т же время снижает их температуру. Однако, величины плотности тепловог потока и расхода топлива остаются практически постоянными до количест

0,1 0,2 С„,кг/м3

Рис.4.Зависимость расхода топлива В и плотности теплового потока q от количества пара, подаваемого в зону дожигания

0 0,1 0,2 Оп,кг/м3

Рис.5. Зависимость температуры Тпги степени черноты в продуктов горения от количества пара, подаваемого в зону дожигания

ва добавляемого пара, равного 50 т/и3 . В этом же интервале положительное влияние подача пара оказывает и на работу рекуператора, где температура подогрева воздуха имеет максимальные значения.

Исходя из этого, для конкретной ТТУ может быть определено оптимальное количество добавляемого пара, при котором обеспечивается заданная производительность без значительного увеличения расхода топлива и поддерживается необходимая температура в зоне дожигания для подавления процессов образования окислов азота.

Необходимо также отметить, что для рассмотренного примера схема ТТУ по водяному пару является замкнутой. Водяного пара, содержащегося в продуктах сгорания и конденсирующегося в теплообменнике-конденсаторе, достаточно для действия ТТУ в требуемом режиме.

В ПЯТОЙ ГЛАВЕ показано применение полученных результатов для решения практических задач экономии топлива и энергии.

Для глубокого использования теплоты высокотемпературных газон после радиационных рекуператоров, нагревательных и термических печей разработана установка внешнего теплоиспользования. Рабочие чертежи установки выполнены по заказу Череповецкого металлургического комбината для нагревательных печей кузнечных и термических цехов.

Для утилизации теплоты паровоздушной смеси после сушильного оборудования с помощью алгоритма оптимизации разработан опытный образе!: контактного теплообменника, который внедрен на Родниковском меланжевок и Кохомском хлопчатобумажном комбинатах.

На опытном образце контактного теплообменника проведены промышленные испытания, которые показали эффективность его работы и позволили подтвердить адекватность математической модели.

На основании приемочных испытаний опытного образца контактного теплообменника, проведенных на Родниковском меланжевом комбинате, комиссией рекомендована постановка его на серийное производство.

ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Составлены ТЭБ машиностроительного и текстильного предприятий Ивановского промышленного теплотехнологического комплекса и выявлень основные виды и количество тепловых отходов. В результате анализа ТЭЕ предприятий с позиций интенсивного энергосбережения установлено, чтс технологический КПД совокупности ТТУ, например, для завода по выпуску текстильного оборудования, находится на уровне 3.7%, а интегральны* коэффициент полезного использования первичного топлива в TTC производства условного технологического продукта равен 2,85?.

Одной из причин низкой эффективности использования ТЭР является :о, что тепло низкотемпературных отходящих газов на всех предприятиях фактически не используется.Регенерация тепла отходящих газов осущест-шяется на отдельных высокотемпературных ТТУ в щелевых радиационных юкуператорах, обеспечивающих температуру подогрева воздуха не выше L50 °С при температуре отходящих газов за рекуператором 1000-1100 °С, Остановки комплексного теплоиспользования отходящих газов отсутствуют.

2. Анализ известных работ по оптимизации ТТУ показывает, что юльшинство из них решают локальные задачи по частным критериям оптимальности без учета динамической взаимосвязи реактора и установок теп-поиспользования по параметрам теплоносителей.

Разработана структура модели и алгоритм поиска оптимальных тепловых схем ТТУ с различными компоновками регенеративных теплообменников л установок внешнего и комплексного теплоиспользования отходящих газов, позволяющая учесть взаимосвязь реактора и теплоутилизаторов.

Разработаны алгоритмы оптимизации теплообменников для действующих ГТУ с традиционной тепловой схемой и для ТТУ с внешним и комплексным энергетическим использованием отходящих газов, позволяющие выбирать оптимальные варианты из условия максимального экономического эффекта.

3. Разработана обладающая новизной конструкция теплообменника для регенерации теплоты отходящих газов из низкотемпературных ТТУ, отличительной особенностью которой является возможность работы на запыленных теплоносителях.

Составлено математическое описание процессов тепломассообмена в насадке контактного теплообменника, алгоритм расчета разработан и реализован в программе на ЭВМ.

Проведены испытания опытного образца контактного теплообменника, которые подтвердили эффективность его работы в промышленных условиях и адекватность разработанной математической модели.

4. Проведенный комплекс экспериментальных и теоретических исследований реализован при совершенствовании методов расчета, проектирования и эксплуатации ТТУ в следующих направлениях:

- разработаны конструкции эффективных теплообменников и схем глубокого использования тепла высокотемпературных газов, одна из них защищена патентом РФ.

- выполнены рабочие проекты установки для глубокого использования тепла высокотемпературных отходящих газов и контактного теплообменника, которые переданы для внедрения в кузнечных и термических цехах на Череповецкий металлургический комбинат и в отделочных цехах Кохомс-кого хлопчатобумажного и Родниковского меланжевого комбинатов.

Условные обозначения: Gr,GB-массовый расход сухих газов и орошающей воды,кг/с; сп,сг,св теплоемкость пара, сухих газов и орошающей воды, Дж/(кг К); hn,r - эн тальпия пара и теплота парообразования,дж/кг; trp,6rp - температура,0 и влагосодержание ПГС,кг/кг при состоянии насыщения; а - коэффициен теплообмена,Вт/м2К, 0 - коэффициент массообмена, кг/м2с; б - приведен ный коэффициент теплообмена излучением,Вт/м2К4; \ - термическое сопрс тивление поверхности раздела фаз,м2К/Вт; X - коэффициент теплопровод ности, Вт/(м К); ТН,ТД - температура поверхности свода в зонах нагрев и дожигания,К; Fn - площадь поверхностей теплообмена,м2; QpH,QH,Qyx Qn, - соответственно низшая рабочая теплота сгорания топлива, тепло недожогом, тепло с уходящими газами, тепло добавляемого пара.Дж/м3 QM,QCB,Qyx,QKJI - соответственно тепло на нагрев металла, тепло, пере даваемое через свод, тепло с уходящими газами, потери через кладку, Дж индекс 1 относится к зоне нагрева, индекс 2 - к зоне дожигания.

Основное содержание диссертации отражено в следующих работах:

1.Коротин А.Н..Пронин В.Ю..Никишов В.Ф.Безокислительный нагрев стали глубокой утилизацией и снижением вредных составляющих дымовых га зов // Труды междунар.конфер."Экология и теплотехника-1996".-Днепро петровск.- 1996,- С.193.

2.Коротин А.Н..Пронин В.Ю..Никишов В.Ф. Оптимизация режимных и коне труктивных параметров контактного теплообменника//Промышленная энер гетика.-N6.-1996,- С.30-31.

3.Коротин А.Н..Пронин В.Ю.,Никишов В.Ф. Энергетический анализ направ лений теплоиспользования в теплотехнологических установках //Тезис докладов междунар.науч.-техн.конф."VII Бенардосовские чтения".-Ива ново.- 1994,- С.19.

4.Выбор оптимального направления использования вторичных энергоресур сов на промышленных предприятиях / А.Н.Коротин,В.Ф.Никишов,В.Ю.Про нин, А.М.Смирнов // Изв.вузов.Черная металлургия.-1994.-N3.-С.68-70

5.Оптимизация энергопотребления теплотехнологического цеха промышлен ного предприятия / А.Н.Коротин. В.Ф.Никишов, В.Ю.Пронин, A.M.Смирно //Кокс и химия.-1992.-N7.-С. 32-33.

6.Патент РФ N 2034220 Теплотехнологическая установка / А.Н.Коротин В.Ю.Пронин, В.Ф.Никишов и др. / Опубл. в БИ N12.-1995.

7.Средства экономии энергоресурсов и решение некоторых экологически проблем на текстильных предприятиях / А.Н.Коротин, В.Ф.Никишов В.Ю.Пронин и др. // Тезисы докладов второй междунар. науч.-техн КОНф.-М.-1995,- С.242.