автореферат диссертации по энергетике, 05.14.04, диссертация на тему:Повышение энергетической эффективности теплотехнологических установок на основе разработки и оптимизации регенеративных теплообменников

МОСКОВСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)_

Р Г Б ОД

г ' л I ( л - ' I.

На правах рукописи

КОРОТИН АЛЕКСАНДР НИКОЛАЕВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕПЛОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ УСТАНОВОК НА ОСНОВЕ РАЗРАБОТКИ И ОПТИМИЗАЦИИ РЕГЕНЕРАТИВНЫХ ТЕПЛООБМЕННИКОВ

Специальность 05.14.04—«Промышленная теплоэнергетика»

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва 1994

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

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Зеньковский А. Г.,

доктор технических наук, профессор Кривандин В. А.,

доктор технических наук, профессор Сидельков-ский Л. Н.

Ведущее предприяти е—АО «Стальироект».

За_щита диссертации состоится « <Л£. » 1994 г.

в ./■:£> час. . мин. на заседании специализированного совета Д. 053.16.12. Московского^ энергетического института (Технического университета). £ /**

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

105835, Москва, Красноказарменная ул., д. 14, МЭИ.

Ученому секретарю института, тел. 273-49-93

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке МЭИ.

Автореферат разослан «'-^.Х^» '. 1994 г.

Ученый секретарь специализированного совета Д. 053.16.12 доктор технических на\ профессор

СЕРГИЕВСКИЙ Э. Д.

ВВЕДЕНИЕ

актуальность, работы^ Промышленный теплотехнологический комплекс является одним из основных потребителей топливно-энергетических ресурсов СТЭР) страны. . Только олни высокотемпературные системы с основным технологическим звеном - промышленными печами, по уровню прямого потребления органического топлива конкурируют с производством электроэнергии на тепловых электрических станциях. На реализацию теплотехнологических процессов Сот низкотемпературного нагрева волы до высокотемпературной плавки металлов) непосредственно расходуется около 2-<3 органического топлива, более 1>3 вырабатываемой электрической энергии и более тепловой энергии. При этом теплотехнологическио установки СТШ работают с высокими удёльными расходами топлива и низким КПД. Одной из существенных причин подобного положения является несовершенство тепловых схем и большие потери тепла с отходящими газами ТТУ.

целью работы является проведение анализа качества энергоиспользования в теплотехнологических системах (TTC) Сна примодр машиностроительных И текстильных предприятий Ивановского промышленного теплотехнологического комплекса) с оценкой принципиально возможных масштабов энергосбережения за счет регенерации тепла Отходящих газов, разработка и оптимизация регенеративных теплообменников для действующих и вновь проектируемых ТТУ.

научная новизна работы заключается в следующем. ' I. Проведен комплексный энергетический анализ предприятий машиностроения и текстильной промышленности на примере заводов по выпуску текстильного оборудования, . автокранов. экскаваторов и меланжевого комбината на основе критериев оценки качества использования ГЭР в теплотехнологических системах.

2.Разработаны технические решения по интенсификации теплообмена в радиационных рекуператорах и конструкции регенеративных теплообменников, а также схемы теплоиспользования отходящих газов, обладающие новизной и обеспечивающие повышение эффективности использования топливно-энергетических ресурсов.

3. Составлены математические описания:

- сопряженного теплообмена в рекуператорах по объемной схеме с учетом переменности теплофизических свойств теплоносителей и

позволяющие рассчитывать . переходные процессы при Термически массивных разделительных стенках;

- сложного теплообмена, в перфорированных вторичных излучателях с учетом зависимости теплофизических свойств материала от температуры;

процессов тепломассообмена в насадке контактного теплообменника;

- теплообмена и гидродинамики пленки, стекающей по стенкам канала насадки, позволяющее установить влияние параметров пленки на аэродинамическое сопротивление контактного теплообменника;

- теплообмена в теплообменнике с двухступенчатым охлаждением конденсаторных участков тепловых труб, основанное на результатах проведенных экспериментальных исследований и известных критериальных зависимостях; '■'..■

теплообмена в ТТУ периодического и стационарного действия с регенеративным теплоиспользованием отходящих газов.

4.Разработаны алгоритмы оптимизации:

- рекуператоров для действующих ТТУ с элементарной тепловой схемой и ТТУ с внешним энергетическим использованием тепла отходящих газов с учетом срока службы рекуператора;

- ТТУ с регенеративным теплоиспользованием отходящих газов с учетом динамической взаимосвязи реактора и рекуператора по параметрам продуктов сгорания и воздуха;

- теплообменника с тепловыми трубами и контактного теплообменника для действующей низкотемпературной ТТУ. позволяющий выбирать оптимальный вариант из условия максимального годового экономического эффекта.

5. Разработаны структура модели и алгоритм поиска оптимальных схем ТТУ с регенеративным и внешним теплоиспользованием отходящих газов из условия минимума приведенных затрат.

6. Проведены экспериментальные исследования и промышленные испытания теплообменников и ЛГУ с регенеративным, теплоиспользованием. отходящих газов, на основании которых идентифицированы математические модели и получены регрессионные зависимости для. определения важных технических параметров контактного теплообменника и теплообменника с тепловыми трубами.

методика проведения исследовании. Задачи решались в русле традиционных энергосберегающих мероприятий, направленных на повышение степени утилизации отходящих газов и энергетической

модернизации теплообменного оборудования. Исследования сопровождались разработкой математических моделей. алгоритмов и программ расчета для ЭВМ. Установление регрессионных зависимостей и оптимизация проводились с использованием современных методов планирования и анализа эксперимента.

практическая Ценность работы заключается в следующем:

- исключительно большие резервы экономии ТЭР. выявленные • на примере машиностроительных заводов и текстильного комбината Ивановского промышленного теплотехнологического комплекса, стимулирует на проведение глубокого энергетического анализа ТЗБ предприятия аналогичного профиля;

- предложенные технические решения, защищенные авторскими свидетельствами, позволяют интенсифицировать теплообмен в известных конструкциях рекуперативных теплообменников и утилизировать тепло низкотемпературных отходящих газов, загрязненных механическими примесями;

- разработанные математические модели позволяют исследовать тепловую- работу регенеративных теплообменников на ЭВМ в условиях стационарного; режима работы,- а радиационных рекуператоров и при наличии переходных процессов;

- разработанные алгоритмы оптимизации могут быть использованы при проектировании ПУ с регенеративным и внешним теплоиспользо-

■ вани?м для предприятий аналогичного профиля;

- результаты промышленных испытания и рабочие чертежи опытного образца контактного теплообменника могут быть рекомендованы для широкого внедрения на предприятиях текстильной промышленности;

- разработанный проект установки для утилизации тепла высокотэм-ь, пературных газон можу| быть внедрен на действующих ТТУ. ^за

которыми нет практической возможности реализации глубокого регенеративного теплоиспользования. • реализация результатов рдесты. Разработаны конструкции эфг фективных теплообменников и схемы глубокого теплоиспользования отходящих газов, защищенных ?0 авторскими свидетельствами. По некоторым из них выполнены рабочие проекты: установка для глубокого использования тепла высокотемпературных газов С а.с. к 13339465. контактный теплообменник С а.с. м 14132513, теплообменник с тепловыми трубами (а.с. N13614543 и переданы для внедрения »—-кузнечных и термических цехах на Череповецкий металлургический комбинат. Ивановский завод "Автокран" и

Ивановский механический завод. По разработанным алгоритмам оптимизации спроектированы и внедрены рекуператоры для действующих печей, ТТУ с регенеративным теплоиспользованием отходящих газов на Ивановском заводе "Ивтекмаш". Ивановском заводе "Автокран" и контактный теплообменник на Кохомском, хлопчато-бумажном комбинате и Родниковском меланжевом комбинате. На основании приемочных испытаний опытного . образца контактного теплообменника, проведенных на Родниковском меланжевом комбинате, комиссией рекомендовано к постановке его на серийное производство.

• Разработанные алгоритмы оптимизации и результаты математического моделирования установок с комплексным теплоиспользованием отходящих газов использовались институтом "ВНИПИчерметзнергбочи-стка при проектировании • знерготехнологического агрегата для Западно-Сибирского металлургического комбината.

Суммарный экономический, эффект 01 внедрения результатов ра боты на стадии проектирования и в промышленность превышает 2 млн.руб.

апробация результатов работы: Материалы диссертации докладывались на научно-технических конференциях и семинарах: Всесоюзная научно-техническая конференция по САПР с энергетике и электротехнике (ИвановоЛ980г.); Республиканская научно-техническая конференция С Днепропетровск,1981 г. У; Всесоюзная научно-Тех-хническая конференция. "Состояние и перспективы развития электротехнологии С Иваново Л985г.); Всесоюзное начно-техническое совещание (Баку,1985г. 3: Всесоюзная конференция "Ш Бенард'осовские чтения" С ИвановоЛ 987г. 3; 2 Всесоюзная конференция "Проблемы энергетики тепдотехнологии" С Москва.1987г.3; ' 6 Всесоюзная конференция "Радиационный теплообмен в технике и технологии" С Каунас,1987г.); Республиканская конференция "Теория и практика тепловой работы металлургических печей" С Днепропетровск Л 989г. 3; Всесоюзный'семинар "О коренном улучшении использования . топливно-энергетических ресурсов на предприятиях отрасли" (Москва.1988г.3; Z Всесоюзная конференция '•.Торкретирование и повышение стойкости металлургических ' агрегатов" С Липецк ,1988г .); Республиканская конференция "Повышение эффективности использования топливно-энергетических ресурсрв в Черной металлургии" С Днепропетровск , 1989г.3; Всесоюзная , научно-техническая конференция "Современное состояние, проблемы . энергетики и '■ теплотехнологии в

энергомашиностроении' С П'-чаноно.1989г. ) ; Всесоюзная конференция "Научные основы создания зпергосберегающей техники и технологии" С Москва, 1990г.), 3 Всесоюзная научная конвенция "Интенсивное энергосбережение в промышленной теилогехнологии" СМоскваЛЗДГ!-.).

публикации.. Основное содержание диссертации отражено в 18 статьях и 12 отчетах о НИР. По результатам работы получено 20 авторских свидетельств. За внедрение изобретения в промышленность автор отмечен знаком "Изобретатель СССР". Экспонаты, представленные на Всероссийской выставке в г.Томске, отмечены дипломом II степени. В конкурсе, проводимом Ивановским областным НТО, за представленные научно-технические разработки по экономии топлива и энергии было присуждено I место. По материалам диссертации издано б учебно-методических пособий общим объемом 18 печатных листов и сдано в издательство "Энергоатомиздат" учебное пособие "Математическое моделирование и оптимизация теплотехнологйческих установок и систем" в соавторстве с 3 авторами и объемом 12 печатных листов.

объем работы. Работа изложена на 314 стр.. содержит 212 стр. машинописного текста, 32 таблицы, 61 рисунок, список использованной литературы из 236 наименований.

С0ДЕРК4НИЕ РАБОТЫ . во введении определены объекты исследования, обоснован? актуальность проблемы, раскрываются некоторые явные причины низкой энергетической 3(|1фективности действующих ТТУ, сформулированы основные задачи работы и методы их решения.

в первой главе составлены ТЭБ предприятий Ивановского промшлёдаого теплотехнолргического комплекса и выявлены основные виды и количество тепловых отходов. Анализ ТЭБ с позиций интенсивного энергосбережения позволил установить. что технологический КПД совокупности ТТУ,' например для завода по выпуску текстильного оборудования, находится на уровне 3.7 '/,. а интегральный коэффициент полезного использования^ • первичного топлива в ПС производства условного технологического продукта 2.8 У,. Более низкие показатели имеют предприятия текстильной промышленности.

Прогнозная оценка масштабов принципиально возмэжной экономии ТЭР показала,'что" потенциал технологического резерва интенсивного энергосбережения совокупности ТТУ машиностроительного завода

превышает 5000 т.у.т./год, а для хлопко-красильного цеха меланжевого комбината этот показатель равен 7692 т.у. т./год.

Обоснована важность рассмотрения самостоятельной задачи повышения энергетической зффектиьности ТТУ на ' основе регенеративного теплоиспользования отходящих газов. Средняя доля "участия" в достижении принципиально возможной экономии топлива регенерации тепла отходящие газов по машиностроительным предприятиям составляет 50.3 'А, а по текстильному предприятию -40,1 '/,. Суммарный экономический эффект от регенеративного использования тепла отходящих газов, обследованных . машиностроительных предприятий, равен 4000 т.у.т.тод.

Установлено, что одной из причин низкой эффективности использования ТЭР является то. что тепло низкотемпературных-отходящих Гсоов на всех предприятиях практически не используется. Регенерация тепла отходящих газов осуществляется на отдельных высокотемпературных печах в щелевых радиационных рекуператорах, обеспечивающих температуру подогрева воздуха не выше 150°С при температуре отходящих газов за рекуператором 1000-1100 °С.

Показаны недостатки извест aux работ по оптимизации ТТУ, например, не учитывается динамическая «з^имосвизь реактора и рекуператора . по параметрам воздуха и отходящих газов, в большинстве случав применяются упрощенные математические модели регенеративных теплообменников и частные критерии оптимизации.

во второй главе разработаны, обладающие новизной, технические решения по интенсификации теплообмена в рекуператорах с применением перфорированных вторичных излучателей. Составлены математические модели классических конструкций рекуператоров, рассмотрен сложный теплообмен в перфорированных вторичных излучателях с учетом зависимости теплофизических свойств материала от'температуры. Предложена классификация рекуператоров по величине термического сопротивления разделительной стенки и разработаны расчетные схемы известных рекуператоров Срис.1). Математическое описание теплообмена в рекуператорах проводится на основе зонального метода и'Метода дискретного удовлетворения краевих условий. Рекуператор разбивается на н(2Ю поверхностных зон и к объемных ¿он пролуктов сгорания и воздуха. В пределах каждой зоны температура и те геофизические коэффициенты постоянны. Рекуператор замыкается пред- и зарекуператорными пространствами.

л/

г1 <}

Г1 1

тг~т

воздух продукты сгорания

4 $ * • '

' « • »

у,л 0 • / щ

• • « •

в л

]

<и

х

п а т

а)

1

^ лр1дук£ы ' сгорания

б) -

л/

г1 »

л

г1

* « * • / X

У /

" -А у V*. * Т у -

У ✓ У

У у щ « у

у /■ • . ^ У У

/■ / • * • У У

11111

воздух продукты сгорания

Г1'

Г1'

7Г~г

щлРн

ш

з:

-V

г

у

1 f ♦

продукта сгорания

г)

2

4

Сис. I. Расчетные схемы рекуператоров

При описании теплообмена в рекуператорах с большим термическим сопротивлением разделительной стенки С рис.1 в,г) записывается система 2д нелинейных уравнений сопряженного теплообмена для .¡-их поверхностных зон со стороны воздуха и продуктов сгорания

— [ Е { х 9ф( СР0 3 + £ « . х его о]

¿13

ч + а Г т СРО. 3-Т СР0 3 1

РЛ,' г ^ 1. г 1 Л ъ 1

-- [ Е А х 7<Ь его 3 + £ « х 7Г его 3 1 = К 1- пГ» > 1>г> 1 „.» * ' -I

С 23

= ч . + а Г т его 3 - Т со.я-0 3 1 >.1.» ». .1 I. " •' 1 1 1 1

Для радиационных рекуператоров С рис.1.в) система С1+2) дополняется уравнением баланса энергии .)-ой наружной стенки:

О =а.. ■ сТ, . - Т Г . (3)

Температура дымовых газов и воздуха в ^ом сечении определяются из уравнения теплового баланса зон:

v С . сТ . -Т з=о + а Гт -Т. сI ,роз] г ' ■ С43

г г,)-! г.; *г,) Г.1 I г-1 1 л

v с с Т Г з « «. Г Т сО.ГоЗ - Т 1 г +

» т,1 я,, я,¡-й > I 1 1 *•*•>

♦ а СТ - Т 3 К С5:>

1 , * » 2 , I . Г,]

Результирующее излучение .Ьой газовой зоны о и .1-ой

р. Г, I

поверхностной зоны определяются с учетом лучистого

взаимодействия их со смежными газовыми зонами I. с поверхностными зонами А и предрекуператорным пространством:

J -1 N

С! , = £ <2 V * + Г О V * +

> 1 С 63

N " • , • # \

о

>.'.' = ^ + СУЗ

+ 0 v . 1 я , - о

с n-J J Н^ С г

Результирушее излучение J-oй наружной стенки определится из выражения

м

а . = с а ж , р, , « . - о . с 83

р.).» »♦,' '-) ».Д <=,),»

Составленное математическое описание распространяется на щелевые и керамические рекуператоры с различными схемами движения теплоносителей. • -

Аналогичная система'уравнений записывается для радиационных рекуператоров с малым термическим сопротивлением СрисЛ.аЗ При этом принимается, что СГ.РоЗ = Т^СО.роЗ.

Система нелинейных уравнений (1+83 решается- относительно неизвестных температур Тг ) . Тв<} . Тв1#] . Т«^ методом итераций. При этом в каждой итерации уточняются значения степени черноты газа *г j . коэффициенты теплоотдачи конвекцией ( и . Поскольку .для определения неизвестных необходимо иметь значения температур последующих объемных зон и зон поверхностей, то величины их задаются в первом приближении. Решается система уравнений последовательно для каждого сечения, начиная с первого до выходного сечения. Полученные температуры сравниваются с первоначально'принятыми. Расчет повторяется до достижения наперед заданной точности.

Для радиационно-конвективных рекуператоров С рис.1 б) система уравнений лучисто-конвективного теплообмена запишется в виде: - для газового слоя

V ССГ -Т .2=4 .+ а СТ -Т э С 9) для ряда труб:

Ч . = _ « .СТ . - Т .5 + « .СТ - Т .3 сю)

V.*,! г.а г , I т,] ш , J »,.1 »,)

Температура подогрева воздуха в )-ом ряду определяется из уравнения теплового баланса:

V с ст - Т з « о. сТ -Т . > Г1ТУ

* » , .1 * » • СП)

Потоки результирующего излучения .1-ых поверхностных зон и объемных зон определяются аналогично радиационным рекуператорам.

Система нелинейных уравнений С9+11) для )-го сечения решается относительно неизвестных температур Т^ . Т.^, Т8 , методом итерации.

Описанные алгоритмы реализованы в программах на ЭВМ.

Процесс переноса тепла в перфорированном вторичном излучателе мо«но лредстаэить теплопроводностью через стенку экрана- и теплообменом между твердым телом и газом, двигающимся через его ^отверстия. Дифференциальное уравнение для изотропного пористого тела запишется в виде

а с1Т ¿т

— хстэ ---егагср — = О С12)

dx Ох 1 1 (1х

г$е зг - удельный расход теплоносителя;

С СТ) - теплоемкость теплоносителя.

Г

Гранячныз условия для поверхности излучателя со стороны входа теплоносителя с заданной температурой Т имеет вид

q = G С CT -T 3 t q

г Г Г Г 'г>

С133

где чл - результирующий тепловой поток излучением.

.Граничными условиями со стороны выхода теплоносителя принимается теплообмен поверхности излучателя с окружающей средой В С12) вводится температурная функция'Кирхгофа через соотношение аф

- = хс Т> С14)

dT

В результате несложных преобразований' получим решение уравнения CI2) в следующем виде

/г х 2 г т

Т ---+ / Г— I + — q С1-ех*3 + вф С15)

р / lp J Рв 1г " J

Выражение С15) позволяет определить интересуилую нас температуру а любой' точке излучателя.

Теоретически и экспериментально показано положительное алияни© установки перфорированных вторичных излучателей на эффективность работы рекуператора.

Проведена проверка адекватности математических моделей доставлением с результатами экспериментальных исследований и 1ромышленных испытаний рекуператоров.

в третьей главе разработаны, обладающие новизной, конструк-ши контактных теплообменников и теплообменников с двухступенча-гым охлаждением тепловых труб для использования тепла отходящих •азов низкотемпературных ТТУ и сточной воды технологических линий екстильных предприятий.

В насадке контактного теплообменника имеет место теплообмен «ежду двигающимися в одном направлении потоком парогазовой смеси; тспергированной струи жидкости и пленки воды, стекающей по :тенкам канала. Совместный тепло- и массообмен имеет сложный :арактер. Известные аналитические методы расчета и математические юдели контактных аппаратов базируются на эмпирических ■.оотношениях, полученных на экспериментальных стендах, опытнопро-пшленных и промышленных установках. Область их применения ограничена конструктивными особенностями элементов аппарата

(исполнение насадки, форсунки и т.п.). Поскольку насадка рассматриваемого теплообменника не имеет аналогов, необходимо создание математической модели, отвечающей конструкции и условиям работы аппарата.

Ввиду сложности рассматриваемых процессов тепломассообмена, решаем две самостоятельные задачи. . Оценку влияния пленки. на аэродинамическое сопротивление насадки проводим на математической модели, в которой упрощенно' учитывается теплообмен пленки и потока ПГС. А математическое описание процессов тепломассообмена в насадке осуществляется без учета теплообмена между пленкой и потоком ПГС. ' .

Через вертикальную стенку С рис. 2) в поток ПГС вводится вода, стекающая по стенке вниз. Размеры пленки и поле скоростей в пленке определяются углом ввода воды, условиями динамического и теплового взаимодействия пленки со стенкой канала и потоком ПГС. Определим гидродинамические характеристики пленки. Решаем задачу а приближении теории пограничного слоя при следующих допущениях: ввод воды осуществляется равномерно по высоте стенки; режим движения пленки ламинарный; отсутствует массообмен между пленкой и потоком ПГС; отрыва пленки на участке ь не происходит; потоки жидкости и ПГС стационарны; жидкость несжимаема и ее свойства постоянны.

Для плоского пристенного стационарного пограничного слоя: - уравнение движения по оси * ■

х х ■■ I ЛР V ___ ; V - » о - —------(16)

V

ду р Лх

ПО ОСИ У

ач вч

У

V . I ар

V--+ -----------------(17)

ж 9х у а»

уравнение неразрывности

ЭЧ ¿V

х ц

--- —-—

дх ву

(18)

О

Рис. 2. Расчетная схема канала насадки Вода ПГС

I I I

м г

Вода ПГС

Рис. 3. Расчетная схема нася'дки контактного ..теплообменник*

Граничные условия имеют вил

у - о v = и = ш 51п а

* * ,П9)

v = о> = о соэ а V V

V « « чх = и С 20)

В результате математических преобразований и соответствующего интегрирования уравнений, получено изменение толщины пленки по высоте канала

ы г ** 2

>11 и - и> и - а 6 + V у- - - и х у

I. V х V

Ах I- " ^ » 6 3

8 г* , гг 4 4. 3

- —~ —- х + - х - - (*> у ЗС - —у X 6 -

15 <5 З*1 3 * 5

лц ( \ . , 2 , ■ 2 3 2 ,

--I - и <5 + - 6/3 -» - и 6 + - г * 6 1

а* 1 3 5 3 х 10 1

^и •> / г 4 2

116 \ / I С1 + " + - I* 6~> + - V А й +

а* ■ л г I - 3 3

" - , 3 ' , I . л

(?ьг + -г А * +--г * С 21)

тп ^ <5 -1

5 10 5 <5

Запишем уравнение энергии для стационарной пленки'жидкости;, стекающей по вертикальной стенке, с учетом следующих допущений: пренебрегаем диссипацией, из-за малого ее.вклада в величину изменения внутренней энергии пленки, и- теплопроводностью- вдоль Пленки, давление в поперечном сечении постоянно

от аТ а аТ «Р

V .——+ V —3 ¿.— ^ — + Ух— С22)

гьс ' ду а у

Грэничные условия

V О ТС*.О) =

у = б

»V

= О

С 23)

С 24)

«ТС ж, а) аV

« СТ - Т1.

V *Г

С 25)

Провеля математические преобразования с учетом граничных условий С 23+25) получим

чТ,

Ах

и Г ¿6 2

--[и т + - 0 Т <5

[о, 3 м

3 ^ г

- о? 6 + - - х аТ

Зх х 40 х "

3 а Т А аТ^> Т Г ^ 3 о Г

. . ы 'их 3 " 'о '

<5". -

Юх

Зх 40 к

10 х

лр г 1 *

--I- Т <5

<)* 3 и

3 г

а т.

а Т <5 с1 Т 01 Ч

Юх. 10Х

с!» I

х К б +■ - <?>

40 х ' 10*.

3 а V * 6 и

------

20 х

Г „ч

5* ) + ^

3 г*

20' х

Т <5

С

У , /»' г

+ —— х* + — &

2 3

««V Т„)

6 > С *>

3 2 а 0 ¿>

- а ^ л +• -

40 Юх

И СТ - Т 3

у 4 ди

)

а и 6 х

6У

С 26)

Уравнение теплового баланса ллч парогазового потока

е 0 э> ■ —— . » о, СТ -Т., ) 2 " С* б) С27)

ПГС ПГС ПГС ^ « о »»•

x

Из него получим

аТ с< Т - П 2 лС 1-6)

V V и акв

—— > -- 128)

ах о с у ' ' '

пгс пгс пгс

Система дифференциальных уравнений C2I.26.28) решена численным методом по неявной схеме.

Описанная математическая модель реализована в программе на ЭВМ. которая позволяет определить расход воды на образование пленки, соответствующей минимальному значению перепада давления по высоте канала.

Для описания процессов тепломассообмена в насадке используется локальный, метод. Каналы насадки разбиваются на бесконечно малые элементы высотой ¿ь с эквивалентным диаметром о , схема одного из которых представлена на рис.3.

Система дифференциальных уравнений, входящих в состав математической модели, включает в себя уравнения теплового баланса, массоотдачи и тепломассообмена со стороны парогазовой смеси.

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

+ сю* = ± сю С 29)

д 1 •

Физическая теплота парогазовой смеси определяется из выражения

. С

{П «

I 4 ■--у I сИ, СЗО)

С ^ г

г

Теплота конденсации водяных паров из ПГС и охлаждения конденсата рассчитывается по формуле

аа* » в ау ь в а« с '(ь + ) ' СЭП

1 Г11.Г в я я

Теплота подогрева орошающей воды запишется в следующем виде

. ао , е' С (32)

■ я • »

Система дифференциальных уравнений, описывающих процессы тепломассообмена в элементарном объеме канала насадки высотой аь и эквивалентным диаметром ^ запишется в следующем виде: -уравнение теплового баланса

С

Я и и

' в с (I + — V ) с». + в Сг + С I -С С ) ¿1» =

. Ср г г " г • - ■ С 33)

= в с

■ ■ а

- уравнение теплообмена . -

С 3 в ан

п ^ я

е С С I + - у ) л = » (а - 1- ) X--С34)

С ° г гр 1? я ы

г г. » г

- уравнение массопереноса

огс)у = /зо(у - dFí С35)

- уравнение тепломассообмена

сюс + ас?1 = а СГ - I ) ар. С36,

1 1 сн г гр нас

Система уравнений С 33+36) решается методом итерации. Алгоритм решения задачи реализован в программе на ЭВМ.

. Для адаптации математической модели проведены промышленные испытания контактного теплообменника. В результате испытаний получены регрессионные зависимости для определения теплопроиз-водительности, аэродинамического сопротивления и. температуры

подогрева воды от расходов воды и ПГС.

О = 97.4 + 23,6* - 83*2- 34« * + 17.8*? + 30.1** С37)

ЛР = 45.2 + 1.6«,+ 4.17*,- 17.5**,,+ 9.27** - 14,21** (33)

Т, » 51.9 + 4* + 0,5*г- 9,5**.,+ 4.5%*- 0.24** С39)

Основным элементом теплообменника с двухступенчатым охлаждением является тепловая труба, которая представляет собой герметичный сосуд, заполненный рабочей жидкостью, являющейся теплопередавщей средой. Для обеспечения работы тепловой трубы необходимо,, чтобы температура кипения промежуточного

теплоносителя была ниже температуры утилизируемой среды. В каждом конкретном случае разность этих температур будет различной из-за ограничений в выборе типа рабочей жидкости. Если температура утилизируемой среды значительно выше, то пары теплоносителя будут находиться под давлением и будут конденсироваться при соответствующей температуре, которая нам неизвестна. Значение температуры в зоне конденсации определяет величину температуры стенки тепловой трубы со стороны подогреваемого теплоносителя, которая является одним из основных • факторов, влияющих на поверхность нагрева теплообменника.

Ввиду сложности описания процессов тепломассообмена, одновременно протекающих околр и внутри тепловой трубы, проведены экспериментальные исследования на физической модели. В результате экспериментов подтверждена эффективность предложенной конструкции теплообменника и получена регрессионная зависимость для определения температуры стенки трубы в зоне конденсации в следующем виде; '

Тст» 30,44+3.22*, -1, 16% -0. 2* +1.24** -0.43** (40)

На основании известных критериальных зависимостей процессов тепломассообмена при продольном и поперечном обтекании труб теплоносителем и формулы (40) построена математическая модель и разработан алгоритм расчета теплообменника с тепловыми трубами.

в четвертой главе рассмотрены структура модели (рис.4) и задачи оптимизации ТТУ с регенеративным использованием тепла отходящих газов. Модель ТТУ включает в себя модели реактора, регенеративного теплообменника (Р-Т) и установки внешнего теплоиспользования (УВр. Присутствие модели УВТ необходимо, например, для решения задач оптимизации регенеративного теплоиспользования отходящих газов в действующих ТТУ. оборудованных УВТ или. когда РТ не может обеспечить глубокой регенерации, например, всвязи с ограниченными возможностями производственных площадей.

Отдельные модели имеют самостоятельные блоки оптимизации, позволяющие решать локальные задачи в зависимости от полноты их постановки так. например, может решаться задача оптимизации реактора изолированно от РТ, выбор оптимальных РТ для действующих реакторов, совместная оптимизация реактора и РГ и др. В

Модель регенеративного теплообмен

ника

I I

I

Блок оптимизации регенеративного теплообменника

Модель уста- Блок

новки внеш- оптимиза-

него тепло- ции 1 ГУ с

использова- >ВТ

ния

Генератор схем ГТУ

Блок задания параметров

Фильтр. ограничений

Рис. 4.

Структура модели поиска оптимальной тепловой схемы ТТУ

зависимости от вида задачи в блоках оптимизации должна применяться соответствующие критерии и методы поиска экстремума.

В блоке задания факторов оптимизации осуществляется варьирование конструктивных и режимных параметров реакторов и установок для использования тепла отходящих газов.

В фильтре ограничений могут быть наложены ограничения • на режимные и конструктивные параметры, ' например, на величину температуры продуктов горения, выбрасываемых в атмосферу, при которой нет коррозии и разрушения дымового тракта.

Центральным звеном поиска является генератор тепловых схем ТТУ, который перебирает все сочетания моделей реакторов -.и установок теплоиспользования, подлежащих сравнению.

Алгоритм поиска оптимального варианта ТТУ с регенеративным использованием тепла отходящих газов реализован в программе на ЭВМ. Программа позволяет оптимизировать параметры конкретной тепловой схемы ТТУ с заданным типом регенеративной установки, или выбирать оптимальную тепловую схёму ТТУ из нескольких схем различных по компоновке и конструкциям утилизационных аппаратов.

Для этого в блоке оптимизации применяются следующие виды критериев.

При оптимизации режимов нагрева металла в реакторе в качестве критерия применяется себестоимость нагрева металла

з (Б + Б ■+ Б + э б С4П

итэлуг ам

где затраты на топливо, руб^год; затраты на

электроэнергию, руб-тод; затраты, учитывающие угар металла, рубтод; б - затраты на амортизацию, руб-тод; о - производитель ность реактора, Т'Тод. .

Оптимизация режимных и конструктивных параметров реактора ведется по минимуму приведенных затрат

зр = Б + Е К С 421

пр НЛП

где Еп- нормативный коэффициент эффективности капитальных затрат; Кп- удельные капитальные затраты, руб^т.

Совместная оптимизация режимных и конструктивных параметров реактора и установок регенеративного использования тепла уходящих

газов проводится также по минимуму приведенных затрат, определяемых по формуле

sp,r = sp + s + Е К (43)

,пр Пр Р*Г Р*Г рвГ

где sp.r- себестоимость нагрева теплоносителя в регенеративной установке, руб^т; г- нормативный коэффициент эффективности

капитальных затрат; Кр.г- удельные капитальные затраты на регенеративную установку, руб^т.

При рптимизации теплообменников для действующих реакторов, при заданных входных параметрах отходящих газов, объективным критерием является годовой экономический эффект

Э = ДВ С -s - - Е К (44)

Г Т Р • ^ р • Г р • Г

где лВ - экономия источника энергии в реакторе за счет установки регенеративного теплообменника;

Ст - стоимость источника энергии.

Задача оптимизации ТТУ с регенеративным теплоиспользованием отходящих газов запишется в следующем виде

Sp*r = £(А,Р,А , Р ) - mtn . (45)

пр Р Р рт' рт

Решение поставленной задачи заключается в поиске минимума приведенных затрат vt соответствующих ому оптимальных режимных параметров Рр. РРт и конструктивных параметров Арт реактора и регенеративного теплообменника. Установление зависимости (45) осуществляется на математической модели ТТУ. Ввиду многообразия 'тепловых схем ТТУ, выше рассмотрим наиболее распространенные задачи ' оптимизации: теплообменников для действующих ТТУ с элементарной, тепловой схемой, реакторов и регенеративных теплообменников на стадии проектирования., рекуператоров для действующей ТТУ с внешним энергетическим' использованием тепла отходящих газов.

Задача оптимизации теплообменника для действующей ТТУ с элементарной тепловой схемой запишется в виде

Эг = ИР

С 46)

В качестве критерия оптимизации в данном случае применяется годовой экономический эффект, определяемый по формуле С44). Поиск оптимального варианта теплообменника заключается в выборе режимных и 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 С44) аппроксимируется полиномом -

где -факторы оптимизации или кодированные значения

величин режимных и конструктивных параметров теплообменника:

- коэффициенты аппроксимации. Значения коэффициентов аппроксимации находятся многофакторным исследованием работы теплообменника на математической модели на ЭВМ. .Максимуму функции С.47) соответствуют оптимальные значения режимных и конструктивных параметров. Поиск оптимума осуществляется выполнением 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 рассчитывается экономический эффект по формуле С 44);

3. По текущим значения критерия оптимизации вычисляются коэффициенты аппроксимации функции С47);

4. Функция С47) исследуется на максимум и определяются оптимальные значения режимных и конструктивных параметров теплооб-

'Описанный алгорим реализован в программе на ЭВМ и может быть применен для любого типа теплообменника. При этом в блоке расчета теплообменника должна быть размещена соответствующая

Э =

т

С 47)

менника.

математическая^ модель, а в блоке задания - значения соответствующих варьируемых параметров.

Учитывая непосредственную динамическую взаимосвязь рекуператоров с реактором ТТУ и работу его в условиях высоких температур отходящих газов, отдельно рассмотрены некоторые особенности их оптимизации.

Годовые приведенные затраты включают в себя амортизационные отчисления на установку рекуператора, стоимость текущих ремонтов, стоимость дополнительной электроэнергии. Амортизационные отчисления для каждого конкретного оборудования определяются сроком его службы. Известно, что срок службы рекуператора зависит от качества его обслуживания и изготовления, материала, температуры стенки и состава продуктов сгорания. Общепринятой методики определения срока службы рекуператора в литературе нет. Если рекуператор качественно' смонтирован и , правильно эксплуатируется, то срок службы в основном определяется окалино-стойкостью металла.

Тогда с учетом известных рекомендаций по расчету угара срок службы рекуператора определится по формуле :

(<5 - <5 ) Р

С т с т. п н

С, е*Р ССТ )

3 4 С Т

(48)

Значения коэффициентов С, и С4 , характеризующих условия окисления, определены на экспериментальной установке в условиях максимально приближенных к реальному режиму работы рекуператора.

Режим нагрева металла в " печи определяется температурой продуктов сгорания, которая зависит от' расхода топлива и физического тепла, вносимого с воздухом. Температура подогрева воздуха Т связана с поверхностью нагрева рекуператора и ограничивается температурой продуктов сгорания, максимально возможной температурой стенки и допустимой скоростью движения воздуха-в рекуператоре. Повышение Тв снижает расход топлива, интенсифицирует горение, повышает эффективную температуру продуктов сгорания, но и в то же время увеличивает затраты на эксплуатацию печи за счет амортизационных отчислений на установку рекуператора и увеличения расхода электроэнергии на подачу воздуха в рекуператор.

Из этого следует, что оптимизация печи должна проводиться с учетом динамической взаимосвязи с рекуператором по параметрам воздуха и отходящих газов..

Рассмотрим примеры алгоритмов оптимизации ТТУ с регенеративным теплоиспользованием и . ТТУ с комплексным теплоиспользованием отходящих газов.

В первом случае известны: конечная температура поверхности нагрева металла Тг . температура воздуха на входе в рекуператор, производительность печи и размер нагреваемых заготовок. Варьируемыми параметрами в ходе оптимизации являются конструктивные параметры печи и рекуператора.

ТТУ с комплексным теплоиспользованием включает в себя пятизонную методическую печь и котел-утилизатор типа ПКК. Для повышения температуры подогрева воздуха в габаритах подъемного газохода котла-утилизатора устанавливается радиаиионно-конвектив-ный рекуператор, работающий совместно с конвективным рекуператором котла-утилизатора.

Расходы топлива в двух последних зонах печи выбираются из условия обеспечения выходных параметров нагрева металла Тж и ДТк. В предыдущих зонах, кроме методической, расходы топлива могут варьироваться.

Радиадаонно-конвективный рекуператор устанавливается в существующий газоход котла-утилизатора, габариты которого строго определены. Тогда за факторы оптимизации принимаются расходы топлива С температуры продуктов сгорания) в отапливаемых зонах печи, продольный, поперечный таги расположения и диаметр труб рекуператора.

Зависимость С 45) устанавливается исследованием тепловой работы ТТУ на математической модели на ЭВМ.

Модель ТТУ с регенеративным теплоиспользованием включает в себя модель печи и модель рекуператора. В камерной печи периодического действия сопряженный теплообмен в системе газ-кладка-металл описывается системой:

х _

I? 1ЧЯ 1 М

r

к л

[Ja 'Хп^.р ].

V*»CFo<*. Р - <V-,„[ Tr(F0.) - T„CI. ]

\

*" r 9 m „

~ LnF,6" -„F.W.nCO«. P -

С 50)

-О [T CO, Fo J - T 1

"«PL «л Xn.f 01С p J

С 51)

Конечная температура нагрева металла определится из выражения:

q

г,/г

п "к

TCI. Го,) = ти ♦ Е Fo;"' (52)

п" t

Расход топлива на печь определится из теплового баланса

S..J + « V«iF°i)p» с53>

Аналогичная система уравнений записывается для камерной печи непрерывного действия при условии qp tit= 0. Решением системы '(49+52) находятся неизвестные коэффициенты Бп и температура

продуктов сгорания, которую необходимо поддерживать в рабочем пространстве печи, чтобы обеспечить нагрев металла до KI.fo^). Расход топлива на печь определяется из уравнения теплового баланса.

Алгоритм оптимизации ТТУ с регенеративным теплоиспользова-нием заключается в выполнении следующей' последовательности операций:

1. Задаются в первом приближении значения факторов оптимизации и температура подогрева воздуха в рекуператоре Т^'СРор. Определяются конструктивные размеры печи.

2. Определяется емкость печи и время нагрева металла.

3. Решается система уравнений С 49+52) и определяется расход топлива на печь.

4.. На математической модели рекуператора определяется температура подогрева воздуха и максимальная температура стенки Т .

5. Полученная Т^'С^ор сравнивается с первоначально заданной Т",1' С Гор. расчет повторяется до получения необходимой точности.

6. Рассчитывается угар металла в печи.

7. Определяется аэродинамическое сопротивление и срок службы рекуператора.

8. Рассчитывается величина критерия оптимизации.

9. .Осуществляется поиск минимума критерия оптимизации по методу Гаусса-Зейделя. При этом последовательно варьируются конструктивные размеры печи и рекуператора.

Математическая модель ТТУ с комплексным теплоиспользованием включает . в себя 3 блока: модель методической печи, модель радиационно-конвективного. рекуператора и модель котла-утилизатора. Модель котла-утилизатора составлена согласно нормативного метода. Математическая модель методической печи строится на основании метода ЛУКУ, аналогично печи периодического действия при чр 1(1= 0.

В процессе оптимизации последовательно варьируется факторы оптимизации и рассчитываются все режимные параметры ПУ. Для этого:

1. Решением системы уравнений, описывающих теплообмен в печи, определяются температуры продуктов сгорания и расход топлива по зонам с учетом предварительно заданной Iе,1'.

2. По температуре Т , расходу продуктов сгорания и предварительно заданной температуре воздуха Т^*' на выходе из конвективного воздухоподогревателя рассчитываются Т^1' у температура уходящих газов за ралиашонно-конвективным рекуператором Тух. Сравнивается Т1,1' и Т*," . расчет повторяется до установления принятой точности.

3. Определяется паропроизводительность котла-утилизатора оп# по входным параметрам Тух и ^ и предварительно заданным температурам продуктов сгорания за утилизирующими поверхностями.

По и принятым параметрам пара вычисляется'количество тепла, которое необходимо передать в пароперегревателе и испарительных поверхностях и определяются новые значения температур продуктов сгорания за поверхностями нагрева котла-утилизатора.

Полученные температуры сравниваются с первоначально заданными. Расчет повторяется до достижения принятой точности.

4. Определяется Т1,*' и поверхность нагрева конвективного воздухоподогревателя. Сравнивается и Т^*1 . Повторяется расчет радиационно-конвективного рекуператора и котла-утилизатора до получения заданной точности.

5. Определяются аэродинамические сопротивления радиаиионно-конвективного рекуператора и котла-утилизатора и рассчитывается величина критерия оптимизации.

6. Осуществляется поиск минимума критерия оптимизации.

• Описанные алгоритмы реализованы в программе на ЭВМ.

Алгоритм оптимизации ТТУ с регенеративным теплоиспользова-нием преобразован для исследования температурного режима рекуператора, установленного га печь» периодического действия. На конкретном примере установлено, что несмотря на снижение температуры продуктов сгорания в период выдержки; температура стенки рекуператора возрастает и превышает допустимую на 140 °С. Для обеспечения надежности работы рекуператора по достижении номинальной температуры, через него пропускается дополнительное количество воздуха и температура стенки поддерживается постоянной. Хотя температура подогрева воздуха снижается на 150 °С и расход топлива *к концу выдержки увеличивается на 7 '/., температурный режим рекуператора обеспечивает бесперебойную работу ТТУ. Таким образом, разработанный алгоритм позволяет исслейовать тепловую работу ТТУ с иел(зю обеспечения надежности ее эксплуатации.

В реальных условиях температура продуктов сгорания перед рекуператором в большинстве случаев отличается от температуры продуктов сгорания в рабочем пространстве печи за счет потерь тепла через кладку дымоходов и подсосов холодного воздуха. Температура воздуха перед горелками не равна температуре воздуха на выходе из рекуператора, из-за потерь тепла в подводящих трубопроводах.

С учетом этого проведена адаптация математической модели путем введения коэффициентов, учитывающих потери тепла в дымоходе

к , через изоляцию рекуператора и трубопроводов кт и за счет подсосов холодного воздуха .

Исследовано влияние расположения рекуператора на оптимальные параметры ТТУ. В результате получено, что с удалением рекуператора от печи увеличиваются приведенные затраты, снижается температура подогрева воздуха й изменяются величины оптимальных параметров ТТУ. Это указывает на необходимость проведения совместной оптимизации печи и рекуператора с учетом конструктивной компоновки.

Проведено исследование тепловой работы ТТУ с регенеративным теплоиспользованием на огневой модели. Проверка соответствия математической модели ТТУ результатам эксперимента проводилась по тепловому потоку на металл и температуре подогрева воздуха. Расхождение результатов математического • и физического экспериментов не превышает 10 'А.

в пятой главе показано применение полученных результатов лля решения практических задач экономии топлива и энергии.

Для глубокого использования тепла высокотемпературных газов после радиационных рекуператоров, нагревательных и термических печей разработана установка внешнего теплоиспользования по А. С. n 1333946. Рабочие чертежи установки выполнены по заказу Череповецкого металлургического комбината для нагревательных печей кузнечно-прессового цеха и Ивановского механического завода для печей кузнечно-термического цеха. Суммарный экономический эффект от внедрения превышает I млн.рубтод.

Для утилизации тепла парогазовых смесей и низкотемпературных отходящих газов разработаны три типоразмера контактных теплообменников по A.C. n I4I325I.

Лля использования тепла сточных вод, воды из системы охлаждения элементов печей, конденсата и др. разработаны два типа теплообменников с тепловыми трубами по A.C. к I361454.

Рабочие чертежи теплообменников переданы для внедрения на Череповецкий металлургический комбинат и Ивановский меланжевый комбинат с общим экономическим эффектом 400 тыс. руб-тод.

Предложенный метод. оптимизации регенеративных теплообменников для действующих ТТУ применен к определению оптимальных конструктивных параметров при - проектировании рекуператоров для нагревательных и термических печей Ивановского завода автокранов и контактного теплообменника для сушильного

оборудования Родниковского меланжевого ' и Кохомского хлопчатобумажного комбинатов с ожидаемым экономическим эффектом 116.7 тыс.руб^год. Рекуператор внедрен на нагревательных печах с экономическим эффектом 2,1 тыс. руб-тод. Экономический эффект от внедрения контактного теплообменника составляет 30,7 тыс.руб-тод.

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

Построены графические зависимости величин оптимальных конструктивных параметров рекуператоров для действующей ТТУ с элементарной тепловой схемой от ее производительности.

Алгоритм оптимизации ТТУ с регенеративным теплоиспользова-нием отходящих газов применен при проектировании ТТУ для заводов Ивтекмаш и Ивторфмаш. Эффект оптимизации составил 18,0 тыс.руб^год.

Для нагревательных печей производительностью в пределах от 400 до 800 кг^ч простроены графические зависимости оптимальных конструктивных параметров печи и рекуператора от производительности печи, использование которых повышает качество и снижает трудоемкость проектирования.

Разработанные алгоритмы оптимизации использованы институтом ВНИПИчерметзнергоочистка при проектировании энерго.зхнологиче-ского агрегата для Западно-Сибирского металлургического завода с ожидаемым экономическим эффектом 824 тыс. руб^год.

ВЫВОДЫ

Повышение энергетической - эффективности ТТУ на основе регенерации тепла отходящих газов -. одна из актуальных задач энергосбережения в промышленном теплотехнологическом комплексе.

В результате анализа ТЭБ машиностроительных и текстильных предприятий. исходя из комплекса возможных энергосберегающих мероприятий, намечены пути решения указанной задачи на базе разработки й модернизации утилизационного оборудования, а также оптимизации режимных и конструктивных параметров ТТУ и ее элементов на математических моделях на ЭВМ.

Основные результаты работы заключаются в следующем.

I. Составлены ТЭБ предприятий Ивановского промышленного теплотехнологического комплекса и выявлены основные виды и

количество тепловых отходов. В результате анализа ТЭБ предприятий с позиций интенсивного энергосбережения установлено. что технологический КПД совокупности ТТУ. например, для завода по выпуску текстильного оборудования находится на уровне 3,7 '/.. а интегральный коэффициент' полезного использования первичного топлива в TTC производства условного технологического продукта 2,8 '/..

Прогнозная оценка масштабов принципиально возможной экономии ТЭР показывает, что потенциал технологического резерва интенсивного энергосбережения совокупности ТТУ машиностроительного завода превышает 5000 т.у.т.тод. а для хлопко-красильного цеха меланжевого комбината этот показатель равен 7692 т.»у. т. -год.

Обоснована важность рассмотрения самостоятельной задачи повышения энергетической . эффективности ТТУ на основе регенеративного теплоиспользования отходящих газов. Суммарный экономический эффект от данного мероприятия на обследованных машиностроительных предприятиях равен 4000 т. у. т.''год. а средняя доля его "участия" в достижении принципиально возможной экономии топлива по машиностроительному предприятию составляет 50,3 %. по текстильному К01*«5инату - 40.1 'Л.

Одной из причин низкой эффективности использования ТЭР является то, что тепло низкотемпературных отходящих газов на всех предприятиях практически не используется. Регенерация тепла отходящих газов осуществляется на отдельных высокотемпературных ТТУ в щелевых радиационных рекуператорах, обеспечивающих температуру подогрева воздуха не- выше 150 °С при температуре отходящих газов за рекуператором 1000-1100 °С.

Установки комплексного теплоиспользования отходящих газов на всех предприятиях отсутствует..

Анализ известных работ по оптимизации ТТУ показывает, что большинство из них решают локальные задачи по частным критериям оптимальности без учета динамической взаимосвязи реактора и регенеративного устройства по параметрам теплоносителей. Наиболее общие постановки задач оптимизации ТТУ требуют разработки математических моделей реакторов и регенеративных устройств с последующей реализацией алгоритма поиска оптимального варианта на ЭВМ.

2, Разработаны, обладающие новизной, технические решения по интенсификации теплообмена в радиационных одно- и

двухходовых рекуператорах, позволяющих повышать температуру подогрева воздуха.

Известные конструкции рекуператоров классифицированы по величине термического сопротивления разделительной стенки и разработаны их расчетные схемы. Составлены математические описания сопряженного теплообмена в рекуператорах по объемной схеме с учетом переменности теплофиэических • свойств теплоносителей и при наличии переходных процессов при термически массивных разделительных стенках.

Приведены примеры практической . реализации результатов математического моделирования. В частности показано, что даже в металлических рекуператорах длительность переходного процесса, достигающая 20 У. от времени работы печи, обуславливает необходимость дополнительной подачи топлива в этот период до 15 % от номинального для обеспечения заданной температуры в рабочем пространстве печи. Сопоставительным анализом сплошных и перфорированных вторичных излучателей установлено, что температура отходящих газов при использовании перфорированных излучателей снижается на 40 '/,. Положительное влияние предложенных технических решений на эффективность работы радиационных рекуператоров подтверждено экспериментальными исследованиями на лабораторном стенде.

Адекватность составленных математических моделей проверена сопоставлением с результатами экспериментальных исследований и промышленных испытаний рекуператоров.

3. Разработаны эффективные, обладающие новизной, конструкции теплообменников для регенерации тбпла отходящих газов из низкотемпературных ТТУ й сточной воды технологических линий текстильных предприятий. Отличительной особенностью, предложенных технических решений, является возможность установки теплообменников на отработанных теплоносителях. загрязненных механическими примесями.

Составлено математическое описание процессов тепломассообмена в насадке контактного теплообменника. Разработан и реализован в программе на ЗВМ алгоритм расчета контактного теплообменника.

Составлено математическое описание теплообмена и гидродинамики пленки, стекающей по стенкам канала насадки контактного теплообменника. Разработан и реализован в программе на ЗВМ алгоритм расчета теплообмена и гидродинамики пленки.

позволяющий определять расход воды на образование пленки, соответствующий минимальному аэродинамическому сопротивлению контакт ного теплообменника.

Составлена математическая модель теплообменника с тепловыми трубами, основанная на результатах проведенных экспериментальных исследований и известных критериальных зависимостях. Разработан и реализован в программе на ЭВМ алгоритм расчета теплообменника с тепловыми трубами.

Проведены экспериментальные исследования на лабораторном стенде и показана эффективность работы теплообменника с тепловыми трубами. .

Проведены промышленные испытания опытного образца контактного теплообменника, которые подтвердили эффективность его работы в реальных условиях. По результатам испытаний установлена регрессионные зависимости . основных технических показателей теплообменника С температура подогрева воды, аэродинамическое сопротивление, теплопроизводительность) от расходов подогреваемой воды и паровоздушной смеси.

4. Разработана структура модели и алгоритм поиска оптимальных тепловых ' схем ТТУ с различными компановками регенеративных теплообменников, дополненных при необходимости установками внешнего теплоиспользования отходящих газов.

Сформулирована постановка наиболее распространенных локальных задач оптимизации теплообменников для действующих Т1У с элементарной тепловой схемой, ПУ с регенеративным : теплоиспольэованием отходящих газов на стадии проектирования и рекуператоров для действующих ПУ с внешним энергетическим использованием тепла отходящих газов.

Составлены математические модели ТТУ периодического и стационарного действия с регенеративным, а также внешним, теплоиспольэованием отходящих газов. Математическая модель "ПУ с регенеративным теплоиспольэованием адаптирована и адекватность ее проверена сопоставлением с результатами экспериментальных исследований на огневом стенде.

На математической модели ТТУ периодического действия исследована работа рекуператора с точки зрения надежности, установлено. что. несмотря на снижение температуры отходящих газов в период выдержки, температура стенки рекуператора значительно возрастает и может превышать допустимую на 140 °С и более.

Разработаны алгоритмы оптимизации теплообменников ■ для действующих 117 с элементарной тепловой схемой и для ТТУ с внешним энергетическим теплоиспользованием отходящих газов, позволяющие выбирать оптимальные варианты из условия максимального годового экономического эффекта. Причем, в отличие от. известных работ, оптимизация рекуператоров для подогрева воздуха проводится с учетом срока их службы.

Разработан алгоритм оптимизации режимных и конструктивных параметров ТТУ -с регенеративным теплоиспользованием отходящих газов, позволяющий выбирать оптимальный вариант из условия минимума приведенных затрат. В отличие от известных работ, оптимизация проводится с учетом динамической взаимосвязи печи и рекуператора по параметрам воздуха, отходящих газов и их взаимной компановки.

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

- разработаны конструкции эффективных теплообменников и схемы глубокого, использования тепла высокотемпературных газов.

защищенных 20 авторскими свидетельствами. По некоторым из них выпо-лнены рабочие проекты: установка для глубокого использования тепла высокотемпературных отходящих газов С А.С. н!333946), контактный теплообменник С А.С. N1413251), теплообменник с тепловыми трубами С-А. С. N1361454). которые переданы для внедрения в кузнечных и термических цехах на Череповецкий металлургический комбинат. Ивановский завод автокранов. Ивановский механический завод и • в отделочных цехах Кохомского хлопчатобумажного комбината и Родниковского меланжевого комбината;

по разработанным алгоритмам оптимизации спроектированы и внедрены рекуператоры для действующих печей и ТТУ С печь-рекуператор) на заводе "Ивтекмаш", Ивановском заводе "Автокран" и заводе "ИвторФмаш";

разработанные алгоритмы оптимизации и результаты математического моделирования рекуператоров переданы институту ВМИПИчормет-знергоочистка для проектирования 1ТУ (печь-рекуператор-котел -утилизатор) для Западно-Сибирского металлургического комбината.

Суммарный экономический эффект от внедрения результатов работы на стадии проектирования и в промышленность превышает 2 млн. руб.

Основное содержание диссертации изложено в следующих публикациях:

1. Коротин А.Н. .Бровкин Л.А..Азбукин С.Н. Моделирование тепловой работы трубчатых воздухоподогревателей//Сб. тр. ин-та ВНИПИчер-метэнергоочистка. -М. : МеталлургияЛ 978. -С. 47-51

2. Коротин А. Н. Определение оптимальных конструктивных параметров при проектировании рекуператоров//Автоматизированное проектирование в энергетике и электротехнике:Межвуз.сб./Иван.энерг. ин-т.-Иваново.1977.-С. 16-18

3. Коротин А. Н. Автоматизированное проектирование радиационных рекуператоров: Учебн. пособие/Иван. Энерг. ин-т.-Иваново:Иван, гос; ун-т,1977.-80с.

4. Бровкин Л. А.. Кйротин А. Н.. Азбукин С. Н. Оптимизация тепловой работы рекуператоров промышленных печей//Тезисы докл. Республ. науч.-техн. конф. Интенсификация процессов в металлургической теплотехнике.-Новокузнецк,1976.-С. 49-50 .

5. Коротин А.Н..Соколов А. К. К оптимальному проектированию комплекса печь-рекуператор//Автоматизированное проектирование в энергетике и электротехнике: Межвуз, сб./Иван, энерг. ин-т. -Иваново. 1976. -С. 21-25

6. Коротин А. Н..Бровкин Л.А. Оптимизация режимных и конструктивных параметров комплекса печь-рекуператор//Изв. вузов. Черная металлургия.-1980.-N3.-С. 146-149

7. Коротин А.Н. .Крылова Л.С. .Чернов К.В. Пакеты прикладных программ для автоматизированного проектирования камерных нагревательных печей//Всесоюз. научн.техн. конф. Иван, энерг. ин-т: Тез. докл.-ИвановоЛ981.-С.21-22

8. Коротин А. Н. .Панасенко А. И. Исследование тепловой работы комплекса печь лериодичебкого действия-рекуператор//Республ.науч. техн. конф. : Тез. докл. -Днепропетровск Л981. -С. 60

9. Коротин А.Н. .Каширский А.Г. .Рудницкий Я. Н. Оптимизация режимных и конструктивных параметров энерготехнологического агрегатам/Математическое и физическое моделирование тепломассообмена в установках промышленной теплоэнергетики: Межвуз. сб. /Иван, энерг.ин-т.1981. -С. 71-74

10. A.c. Н868£70, С СССР), Воздухоподогреватель 'Бровкин Л. А. .Коротки А. Н. "Бюл. изобр. -1981. -Ю6

11. A.c. N890026. С СССР). Рекуператор 'Коротин А. Н. .Калязин Ю. В. . Бровкин Л. А: и др. "Бюл. изобр. -1981. -М46

12. A.c. N985596. С СССР). Рекуператор 'Коготин А.Н. .Калязин Ю. В. . Бровкин Л. А. и др. "Бюл, изобр. -1982. -N48

13. Коротин А.Н. .Титов В.И. .Хренов В.В. Исследование переходных процессов в радиационных рекуператорах"Математическое моделирование процессов тепломассообмена в установках промышленной теплотехники: Межвуз. сб. 'Иван, энерг.ин-т.-Иваново,1983.-С. 73-76

14. Математическое моделирование и оптимизация промышленных печей' Бровкин Л. А..Крылова Л. С. .Коротич А. Н. и др. "Учебн. пособие. Иваново.1984.-89с.

15. Бровкин 'Л. А. , Коротин А. Н. .Дмитриева H.A. Использование ВЗР промпредприятий"Тезисы Всесою. конф. Состояние и перспективы развития электротехнологии. ИвановоЛ 985.-С.65

16. Коротин А. к, Ерофеев Е. В. Моделирование теплообмена в радиационных рекуператорах'-'Сб. Математическое и Физическое моделирование процессов э теплотехнологиечских установках; Межвуз. сб. -'Иван, энерг,ин-т. -Иваново .1985. -С. 29-33

17. Бр.овкин Л. А. .Коротин А. Н. . Лукьянов В. П. Разработка и исследование новых типов утилизационных устаноиок"Тезисы Всесоюз. науч. -техн.совещания. Баку. 1985. -С. 103

18. Коротин А. Н. .Смоленинов А. Ю. чизическое моделирование рекуператоров для промышленных печей"Математическое и физическое

."моделирование процессов в теплотехнике: Межвуз. сб.''Иван, энерг. ин-т.-Иваново.-С.81-05

19. Коротин А. Н. . Зотов С. Г. Моделирование тепловой работы низкотемпературных теплообменников"Математическое и физическое

'. моделирование процессов1 в теплотехнике: Межвуз. сб.'Иван, энерг. ин-т.-Иваново.1986. -С. 85-90

20. Бровкин Л. А. .Коротин А.'Н. .Чернов К. В. Вторичные энергетические и сырьевые ресурсы и их использование:Учеб. пособие.-Иваново:Иван, госуд.ун-т.1985. -94с. ,

21. Бровкин Л. А. .Коротин, А. К.,'Дмитриева H.A. Выбор путей и показателей экономии энергии для предприятий с развитой теплотех-, нологией"Энергосбережение в традиционных и новых безотходных

высокотемпературных теплотехнологических системах:Сб.науч. трудов/Моск.знерг.ин-т.-1988. -MI05. -С. 33-37

22. Коротин А. Н. . Смирнов A.M. .Ерофеев A.A. Расчет теплообмена в регенеративных теплообменниках//Тез.докл. Всесобз. конф. Ш Бе-нардосовские чтенения.-Иваново.1987. С.35-36

23. Коротин А. Н. .Дмитриева H.A. .Ерофеев A.B. Интенсификация теплообмена в радиационных рекуператорах/''Тез. докл. Всесоюз. конф. Ш Бенардосовские чтения.-Иваново.1987.-С. 36-37

24. A.c. нЦ 60183, С СССР). Воздухоподогреватель /Бровкин Л. А. .Коротин А. Н. /-Опубл. в Б. И.-I985.-N2I

25. A.c. N1268888, С СССР). Воздухоподогреватель /Бровкин Л. А. .Коротин А. Н.//Опубл. в Б.М. -I986-N4I

26. A.c. N1267113, С СССР). Рекуператор /Коротин А.Н. .Бровкин Л.А.. Калязин Ю. В. //Опубл. в Б. И. -1986. -N40

27. A.c. N1323823, С СССР). Рекуператор /Коротин А. Н. .Бровкин Л. А., Дмитриева H.A./-Опубл. в Б. И.-1987.-N26

28. A.c. N1288450.ССССР).Воздухоподогреватель /Бровкин Л. А. .Коротин А. Н. .Дмитриева Н. А. и др. //Опубл. в Б. И. -1987. -N5

29. A.c. hi413251.(СССР).Контактный теплообменник /Бровкин Л.А., Коротин А. Н.. Лукьянов В. П. и др. //Опубл. в Б. И. -198Э. -N28

30. A.c. NI413379,ССССР).Контактный теплообменник /Бровкин Л.А., Коротин А. Н. .Лукьянов В.П. и др. //Опубл. в Б. И.-1988.-N28

31. A.c. N1361454, С СССР). Теплообменник /Бровкин Л. А.. Коротин. А.Н. .Лукьянов В.Н. и др.//Опубл. в Б.И.-1987.-N47

32: А.с. N1333946.С СССР). Установка для утилизации тепла горячих газов/Бровкин Л. А. .Коротин А. Н.,Бровкин Ю. Л. //Опубл. в Б. И.-1987. -N32

33. Бровкин Л. А. .Коротин А. Н..Горбунов В. А. Теплотехнология нагрева стали с глубокой ■ утилизацией и снижением вредных составляющих дымовых газов//Тезисы докл. 2-й Всесоюз;науч. конф. Проблемы энергетики теплотехнологии. Москва. 1987.-С. 20

34. A.c. NI46054I. С СССР). Воздухоподогреватель /Коротин А.Н. .Бровкин Л. А. .Никинюв В.Ф. и др.//Опубл. в Б. И. -1989.-и7

35. Коротин А.Н. .Лукьянов В.П. .Смирнов A.M. Повышение эффективности использования иизкопотенциальных ВЭР теплотехнологических установок//Тез. докл. 2-й Всесоюз. науч. техн. конф. [проблемы

энергетики теплотехнологии.-Москва.1987.-С. 98 -

36. Бровкин Л.А. .Коротин А.Н.-.Дмитриева H.A. Расчет сложного теплообмена в перфорированных экранах//« Всесоюз.конф.Радиаци-

онный теплообмен в технике и технологии: Тезисы докл.-Каунас, 1987.-С. 126-127

37. Коротин А. Н. .Бровкин Ю. JI. .Лукьянов В.П. Установка для глубокой утилизации тепла высокотемпературных гаэов//Теория и практика тепловой работы металлургических печей:Тез. докл. Республ.конф.-Днепропетровск.1988.-С.61

38. Коротин А. Н. .Никишов В. Ф. .Дмитриева H.A. Интенсификация теплообмена в радиационных ' рекуператорах//Теория и практика тепловой работы металлургических печей: Тез. докл. Республ. конф. -Днепропетровск.1908.-С.62

39. Коротин А. Н. .Бровкин Л. А. Совершенствование технических решений по использованию низкотемпературных вторичных энергоресур-сов//0 коренном улучшении использования топливоэнергетических ресурсов на предприятиях отрасли: Тез. докл. Всесоюз. семинара. -Москва,1988.-С. 52-53

40. Коротин А. Н. . Никишов В. Ф. .Дмитриева Н. А. Применение перфорированных ограждений для интенсификации лучистого теплообмена// Торктерирование и повышение стойкости металлургических агрегатов: Тез. докл. 2-ой Всесоюз. конф.-Липецк. 1988.-С. 91

41. KopotHH А. Н. .Дмитриева H.A. .Никишов В. Ф. Повышение эффективности использования топливноэнергетических ресурсов в-черной металлургии: ТеЭ. докл. Республ. конф. -Днепропетровск.1989. -С. 91

42. Коротин А. Н. .Бровкин Л. А. .Лукьянов В.П. К выбору направлений использования; ВЭР//ГЬвышение эффективности использования топ-ливноэнергети.ческих ресурсов в черной металлургии: Тез. Республ. коНф. - Днепропетровск,1989. -С.112

43. Коротин А.Н. .Бровкин, Л.А. .Лукьянов В.П. К выбору направления использования ВЭР//Лром. энергетика.-1988. -м 10.-С. 5-6

44. . Моделирование и оптимизация .контактного теплообменника /Коротин А. Н. .Бровкин Л. А. и др. /•'Тезисы докл. Всесоюз. науч. -техн.конф. "Современное, состояние, проблемы энергетики и технологии в энергостроении".-Иваново,1989.-С.61

45. A.c. N1539452.С СССР). Установка для утилизации тепла горячих газов /Бровкин Л. А. .Коротин А.Н. .бровкин Е Л. и др.//Опубл. в Б. И. -1990. -N4 .

46. A.c. MI550287.ССССР).Рйгёнеративный теплообменник' /Коротин А. Н. . Бровкин Л А.. Лукьянов В. П. //Опубл. в Б. И. -1990. N10

47. А. с. Hl 553816. С СССР). Теплообменник /Бровкин Л. А. .Коротин А.Н.. Лукьянов В. П. и др.//Опубл. в Б. И. -1990. Н12

48. A.c. N1618987. С СССР). Теплообменник /Коротин А. Н. .Бровкин Л. А., Лукьянов В. П. и др. //Опубл: в Б. И.-1991.-Hl

49. Бровкин Л. А. .Коротин А, Н.. Дмитриева H.A. Повышение утилизирующей способности радиационных рекуператоров//Изв. вузов. Энергетика.-1989.-Nil.-С. 105-107

50. А. с. Hl 695121. С СССР). Теплообменник /Бровкин Л. А. .Коротин А.Н.. Лукьянов В. П. и др. //Опубл. в Б. И. -N44

51. Выбор оптимальной схемы использования ВЭР/Коротин А.Н. .Бровкин Л. А.. Лукьянов В. П. и др.//Научные основы создания энергосберегающей техники и технологии:Тез.докл. Всесоюз. науч.конф. -Москва.1990.-С.21-22

52. Бровкин Л. А. .Коротин А.Н. Утилизация тепла паровоздушной смеси//Текстил. промышл.-1990.-N7.-С. 72-73

53. К использованию вторичных энергетических ресурсов на предприятиях с единым источником топливоснабжения/Ко'ротин А.Н. .Бровкин Л.А..Лукьянов В.П. и др.//Изв.вузов.Энергетика.-1990.-«3.-С. 98-101

54. Коротин А.Н..Никишов В.Ф. .Смирнов В.М. Оптимизация энергопотребления теплотехнологических цехов промышленных предприятий //Интенсивное энергосбережение в промышленной теплотехнологии: Тез. докл. 3-й Всесоюз. конф. -Москва, 1991. -С. 90

55. Математическое моделирование контактного аппарата с пониженным аэродинамическим сопротивлением/ Коротин А.Н. .Чернов К.В,-. Никишов В.Ф. и др.//Изв. вузов. Энергетика.-1991.-NIÖ.-С. 59-63

56. Контактный теплообменник для утилизации тепла парогазовой смеси после технологического оборудования/Коротин А. Н.,Бровкин Л.А., Лукьянов В. П. и др.//Пром. энергетика.-1991. нб.-С. 10-11

57. A.c. N1733851,С СССР). Рекуперативный теплообменник /Коротин А.Н. .Бровкин Л. А. .Дмитриева Н. А. й др. //Опубл. в Б.И. -1992. N18

58. А.с.N1788415,С СССР). Теплотехническая установка/Коротин А.Н., • Никишов В.Ф. .Лукьянов В. ;П. и др.//Опубл. в Б.И.-1993.-N2

59. Коротин А. Н. .Никишов г В. Ф. .Смирнов A.M. Оптимизация энергопотребления теплотехнологического цеха промышленного предприятия //Кокс и химия. -1992. -и?. -С. 32-33

60. Выбор оптимального направления использования вторичных энергоресурсов на промышленных предприятиях/Коротин А.Н. .Никишов В.Ф, Смирнов A.M. и др.//Изв.вузов.Черная металлургия. -1994.-"3. -С. 68-70