автореферат диссертации по энергетике, 05.14.04, диссертация на тему:Повышение энергоэкологической эффективности тепловых технологий за счет использования генераторов газопаровых теплоносителей

На правах рукописи

НИКИТИН Максим Николаевич

ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГОЭКОЛОГИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕПЛОВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ЗА СЧЕТ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ГЕНЕРАТОРОВ ГАЗОПАРОВЫХ ТЕПЛОНОСИТЕЛЕЙ

Специальность 05.14.04 - Промышленная теплоэнергетика

Автореферат

1 2 ДГІР 1Ш

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Саратов - 2012

005018650

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Самарский государственный технический университет»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Щелоков Анатолий Иванович

Официальные оппоненты: Седелкин Валентин Михайлович

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.», профессор кафедры «Машины и аппараты химических производств»

Удалов Владимир Павлович

кандидат технических наук, доцент, заместитель директора ГАУ «Агентство энергосбережения» Саратовской области

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Ульяновский государственный

технический университет»

Защита состоится «24» апреля 2012 г. в 1400 на заседании диссертационного совета Д 212.242.07 при ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.» по адресу: 410054, г. Саратов, ул. Политехническая, 77, ауд. 319 / 1.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.».

Автореферат размещен на сайте Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А. http://sstu.ru «23» марта 2012 г.

Автореферат разослан «23» марта 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

"¿^ ' Е.А. Ларин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Развитие систем децентрализованного теплоснабжения, а также автоматизированных индивидуальных теплогенераторов нового поколения для сжигания газового топлива является одним из приоритетных направлений энергетической стратегии России до 2030 года1.

Одним из важнейших направлений энергосбережения является снижение тепловых потерь при выработке энергии, ее транспорте и использовании. При этом большая доля тепловых потерь промышленных топливных теплогенерирующих установок приходится на потери с уходящими дымовыми газами (60-70%). Повышение эффективности использования топлива требует создания новых энергоэффективных технологий.

В настоящее время многокомпонентные теплоносители, в частности газопаровые смеси (ГПС), вырабатываются в теплогенераторах нового поколения и находят все больше областей применения в строительстве, сельском хозяйстве и на малых производственных объектах. При этом выработка ГПС, как правило, осуществляется в автономных теплогенераторах.

В диссертационной работе исследуется способ повышения энергоэффективности использования природного газа в низко- и среднетемпературных теплотехнологических процессах на основе применения многокомпонентных теплоносителей, вырабатываемых в генераторах ГПС.

Целью работы является повышение энергоэкологической эффективности тепловых технологий за счет использования генераторов газопаровых теплоносителей. Для достижения поставленной цели был сформулирован ряд задач:

1. Проведение сравнительного анализа теплофизических свойств элементарных компонентов, входящих в состав газопаровых теплоносителей.

2. Разработка математической модели выработки многокомпонентных теплоносителей и оценка адекватности разработанной математической модели.

3. Разработка экспериментальной модели теплогенератора и проведение экспериментальных исследований механизма выработки газопарового теплоносителя;

4. Разработка вариантов практической реализации результатов исследований.

5. Обоснование энергоэкологической эффективности генераторов газопаровых смесей по сравнению с паровыми котлами и парогенераторами.

1 Энергетическая стратегия России до 2030 года: утв. Распоряжением Правительства РФ от 13.11.2009 №1715-р.

6. Экономическое обоснование применения многокомпонентных теплоносителей в тепловых технологиях.

Научная новизна:

1. Разработана математическая модель процесса выработки ГПС применительно к предложенным конструкциям генераторов ГПС;

2. Выявлены оптимальные режимы выработки ГПС в результате экспериментальных исследований.

3. Обоснована эффективность использования ГПС для низко- и среднетемпературных теплотехнологических процессов (очистка поверхностей и емкостей от вязких жидкостей, термовлажностная обработка материалов, сушка, выпаривание и др.).

4. Произведено обоснование энергетической и экологической эффективности генераторов газопаровых теплоносителей.

5. Выполнена оценка экономической эффективности использования ГПС в низко- и среднетемпературных теплотехнологических процессах.

Достоверность результатов работы обеспечивается использованием аналитических методов, основанных на фундаментальных законах технической термодинамики и тепломассообмена, имеющих хорошую сходимость с результатами экспериментальных исследований, выполненных в ходе подготовки диссертационной работы.

Практическая значимость работы:

1. Разработаны и защищены патентами устройства генераторов ГПС.

2. Даны рекомендации по промышленному применению разработанных генераторов ГПС для низко- и среднетемпературных теплотехнологических процессов очистки поверхностей и емкостей от вязких жидкостей (мазут), поверхностного пропаривания сельскохозяйственных почв и дезинфекции специализированных помещений, а также процессов удаления загрязнений с поверхностей стен зданий.

3. Определены перспективные направления использования газопаровых теплоносителей в процессах размораживания сыпучих веществ (щебень, песок, шлам и др.), термовлажностной обработки древесины и железобетонных изделий, выпаривания и подогрева растворов, а также в процессах обезжиривания, подготовки изделий к покраске и ряда других теплотехнологических операций.

4. Полученные результаты могут быть использованы в учебном процессе технических вузов, ведущих подготовку бакалавров по направлению 140100 «Теплоэнергетика и теплотехника».

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Математическая модель процесса выработки ГПС применительно к предложенным конструкциям генераторов ГПС.

2. Оптимальные режимы выработки ГПС.

3. Обоснование эффективности использования ГПС для низко- и среднетемпературных теплотехнологических процессов (очистка поверхностен и емкостей от вязких жидкостей, термовлажностная обработка материалов, сушка, выпаривание и др.).

4. Обоснование энергетической и экологической эффективности генераторов газопаровых теплоносителей.

5. Оценка экономической эффективности использования ГПС в низко- и среднетемпературных теплотехнологических процессах.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на научных семинарах кафедры «Промышленная теплоэнергетика» ФГБОУ ВПО «Самарский государственный технический университет» (Самара, 2008-2011); Международной научной конференции «XIII International conference on electrical machines, drives and power systems» (Bulgaria, Varna, 2011); Международных научно-практических конференциях «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, 2010-2011); Международной научной конференции «Современные научно-технические проблемы теплоэнергетики и пути их решения» (Саратов, 2010); International scientific conference «Modem directions of theoretical and applied researches '2010» (Odessa, 2010); IV Международной научно-практической конференции «Энергетика и энергоэффективные технологии» (Липецк, 2010); Международной научно-практической конференции «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Томск, 2011), а также других научных мероприятиях различного уровня.

Основные результаты работы демонстрировались на Международной выставке SIIF-2011 (Сеул, Корея, 2011); XVI и XVII Международных специализированных выставках «Энергетика» (Самара, • 2010-2011); Международной специализированной выставке «Энергоэффективность и ресурсосбережение - 2010» (Москва, 2010); Межрегиональной специализированной выставке «Энергетика» (Волгоград, 2010), а также других специализированных выставках различного уровня. Научные результаты были отмечены дипломами и другими знаками общественного признания.

Публикации. Основные положения и результаты работы изложены в 5 печатных изданиях, в том числе в 3 журналах по Перечню ВАК РФ. Получены два патента РФ на изобретения.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения с основными выводами, списка использованных источников из 118 наименований и 5 приложений. Диссертация изложена на 200 страницах, содержит 29 рисунков и 22 таблицы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, освещены методологическая и теоретическая основы исследования, показаны научная новизна и практическая значимость, обоснована целесообразность

проведения научного исследования способов повышения энергоэкологической эффективности низко- и среднетемпературных тепловых технологий за счет использования генераторов газопаровых теплоносителей.

Первая глава «Состояние вопроса и перспективы повышения энергоэффективности низко- и среднетемпературных процессов тепловых технологий» посвящена обзору по теме диссертации и предварительному анализу рассматриваемого вопроса.

Рассмотрен вопрос роли природного газа в среднетемпературных тепловых технологиях и показана рентабельность использования газового топлива для ряда производств. Анализ современного состояния энергоснабжения низко- и среднетемпературных теплотехнологических процессов выявил недостаток широких исследований в области применения многокомпонентных энергоносителей в качестве средств повышения энергоэффективности теплотехнических систем.

Представлен сравнительный анализ теплоносителей, применяемых в промышленном производстве, сельском хозяйстве и других сферах деятельности [6, И]. Анализ проводился по основным термодинамическим параметрам теплоносителей (теплосодержанию, температуре и давлению), а также по степени полезного использования (максимальной теплоотдаче при прочих равных условиях) и стоимости выработки и транспортировки.

В результате сравнительного анализа было сделано заключение об уникальности термодинамических параметров газопаровых теплоносителей (смесей продуктов сгорания газового топлива и водяного пара).

Газопаровые смеси (ГПС) могут вырабатываться с температурой до 800 °С при атмосферном давлении. При этом энтальпия теплоносителя практически не зависит от его температуры, поскольку затрачиваемая на испарение впрыскиваемой воды теплота может полезно использоваться при последующей конденсации в теплообменниках.

Кроме того, методика выработки ГПС позволяет осуществлять безынерционное регулирование термодинамических параметров теплоносителей (температура, энтальпия, влагосодержание и др.) в режиме периодического действия (выработка теплоносителя по мере необходимости).

Газопаровые смеси являются гомогенными, т.е. все их компоненты находятся в равновесном газообразном состоянии и обладают свойствами идеальных газов. В гомогенных системах химический состав и физические свойства одинаковы во всем занимаемом объеме.

О, = к • Р • АТ -» ц = ~ ^конденсации)-

Из уравнения теплопередачи (1) следует, что интенсификация конвективного теплообмена в поверхностных теплообменниках при использовании газопаровых смесей возможна по нескольким направлениям: 1. Увеличение температурного напора.

2. Изменение теплофизических свойств теплоносителя (гв,Яг,А, йт).

Насыщенный водяной пар при смешении с высокотемпературными продуктами сгорания находится в перегретом состоянии при атмосферном давлении. Таким образом, увеличение температуры газопарового теплоносителя может осуществляться без изменения требований к трубопроводам и арматуре, в то время как рост температуры насыщенного водяного пара, вырабатываемого в котлах, сопровождается существенным увеличением давления и со значительной инерцией (смена режима работы котла).

Развитие поверхности теплообмена в большинстве случаев является экстенсивным и не оперативным методом интенсификации теплообмена.

Теплофизические свойства газопаровых смесей в т.ч. такие параметры, как коэффициент теплопроводности и критерий Прандтля, зависят от температуры смеси, которая в свою очередь зависит от количества впрыскиваемой воды. Другими словами, в зависимости от доли водяных паров в смеси, термодинамические параметры ГПС занимают промежуточное положение между продуктами сгорания и водяным паром (рис. 1, 2).

-......С01 -----Н20 — -------------- -ПС Т''С

Рас. 1. Зависимость теплопроводности газообразных сред от температуры

Приведены особенности выработки различных видов теплоносителей и отмечено их влияние на себестоимость последних. Сформулированз цель и задачи научного исследования. Изложены основные области применения многокомпонентных газопаровых смесей.

Критерий Првндтля

0 6 .........<

0 100 2СО 300 400 ......COZ — Н20

Рис. 2. Зависимость критерия Прандтля газообразных сред от температуры

Вторая глава «Математическое описание процесса выработки газопаровых теплоносителей» посвящена математическому описанию выработки газопаровых смесей (ГПС).

--Л[._ Во время движения в потоке

' "-<9 ~В0ДА дымовых газов капля жидкости

X а' —тс

окружена слоем насыщенных водяных паров. Вблизи капли по сферической поверхности с диаметром с1г устанавливается поверхность испарения. В поверхность испарения из капли диффундируют пары жидкости, а из внешнего объема продукты сгорания (рис. 3).

Скорость испарения капли впрыскиваемой воды определяется

¥ ' Fdx = ~p{ccp<;Ts - Гв) + r]dV, (2)

Время полного испарения капли г находится в прямой зависимости от ее начальной температуры Т$. Это определяет режимные параметры работы генератора ГПС. Определение времени испарения капли по выражению (2)

8

500 600 70О 800 900 1000 N2 - —воздух -ПС т- 'с

L - . АJyjhsA - f>

ncL . . _ Г' -......' \

\. - <4f-V__~PA£.

-i 3Ai>

o.

Рис. 3. Схема испарения капли воды в потоке продуктов сгорания

по уравнению теплового баланса:

сопряжено с трудностями определения теплового потока щ, поступающего из потока продуктов сгорания к поверхности капли.

В связи с этим количество тепла, получаемое движущейся каплей от продуктов сгорания, определяется по конвективной составляющей теплообмена. В этом случае тепловой поток, воспринимаемый каплей, равен

Тгпс-Т, Т5-Тв . (3)

Произведено математическое моделирование процесса формирования газопарового теплоносителя в разработанном теплогенераторе. Начальные условия определены в соответствии с условиями экспериментальных исследований.

Система уравнений описывает термодинамику процесса формирования газопаровых смесей на основе фундаментальных уравнений сохранения энергии и массы, а также описывает динамику процесса формирования газопаровых смесей на основе фундаментальных уравнений движения.

Математическая модель представляет собой систему уравнений, описывающую основные теплофизические процессы, протекающие в системе:

1. Уравнение неразрывности для газовой фазы:

, ¿1'г _ г- г Р А а Дг-СТГГ;;-Тд) р

V аГ - А 77 = Ч» * •71 • ^сД-Т.О).//*- (4)

2. Уравнение теплосодержания:

япс ■ Ч-ПС■■ ^ = Яг - ^^ (5)

3. Уравнение состояния ГПС:

1 ЙРгп: , 1 ¿Ггп: « глотах / г л п Л'ы-Дг(Тгг:-Т,) .,..

--Г~ +--Г— = А я-,гЛ п(«5п. х) - Л - д--—;-(3£п. (6)

Ргпс ¿X ГТГС А* ч>,|Л ¡г+СриЛ-Т^Ж 0

4. Уравнения спектра формирования капель:

¿X Рж-И/гпе-Л-£3 '

¿<Г _ 2ЫрхгРдПЬ %-Я ^

¿х м/гпс '

5. Уравнение изменения диаметра капель за счет испарения:

= . г МЦ-ЛгСГпс-Г,? (9)

6 ах " (г+грЛ-Тэд^)^'

6. Уравнение изменения осевой скорости капель:

^ = -1.5^,00^1-^). (Ю)

с*х рм£ ' 2 х- М/г/

7. Уравнение изменения радиальной скорости капель:

(11)

<1х у 2 Н^ 4 '

Разработанная математическая модель дает детальное представление о процессе формирования газопаровых смесей в различных условиях. В зависимости от задаваемых начальных условий полученный массив зависимостей описывает любой частный случай газопаровых смесей. Математическая модель характеризуется быстрой сходимостью: средняя

погрешность в пределах 5% уже во втором приближении после грубых оценочных расчетов (линейный градиент температуры смеси).

Третья глава «Моделирование процесса выработки газопаровых теплоносителей» посвящена численному решению разработанной математической модели выработки газопаровых смесей (ГПС).

Для упрощения расчета на ЭВМ представленная во II главе система дифференциальных уравнений была замещена системой полиномов с помощью программного продукта GNU Octave. После указания граничных условий, соответствующих условиям проведения экспериментальных исследований, был произведен расчет системы полиномов с помощью программного продукта Mathematica.

Математическая модель образования газопаровых смесей (ГПС) рассчитывается в несколько приближений для учета нелинейности распределения температур в потоке. Температура газопаровой смеси в сечении ^определялась следующим образом:

Тгпс =_<?г-С„- срж Та-Тж1 +г+Срн2оТл__2

СГПС Zf¡02 CpR02 + ZN2'CPN2+ ZH20 + Zи <pHzO +C» fpH2o'

где Q,t - тепловая мощность горелочного устройства, кВт; G^, G¡-nc - расходы впрыскиваемой воды и получаемой ГПС соответственно, кг/с; Та - адиабатическая температура, °С; Тж1 - температура впрыскиваемой воды (в точке впрыска), °С.

Определение температуры смеси по выражению (12) предполагает собственный цикл итераций, поскольку оно содержит зависимые члены (изобарные теплоемкости (ср, кДж/кг°С), объемные доли компонентов (Z, м3/м3)). Изначально значения этих зависимых параметров определяются для условно принятой температуры получаемой смеси (Та). В последующих итерациях зависимые параметры определяются для среднеарифметического значения начальной температуры смеси (Та) и конечной температуры смеси по предыдущей итерации (Tj-ucn.j). После достижения 2% расхождения температур (Дт) по последним двум итерациям (Трпск-; 11 Trncu-i) цикл завершается и принимается Тгпс = ТГГПС п_1.

Объемная доля компонента ГПС определяется с учетом поправок на температурное расширение:

Ту+273

7 = _Í_Ш_

* 1/ , .. Тг + 273 Т[7+273 ' V1-1/

Vro2+vN2+VH2O ■ -J^- +v

B результате численного расчета было установлено, что доля (от объема получаемой ГПС) впрыскиваемой воды определяет температуру газопаровой смеси (обратная зависимость) и не может превышать предельного значения (11 кг воды на 1 нм3 сжигаемого газа). В случае увеличения доли впрыскиваемой воды сверх предельного значения будет образовываться неиспаряемый остаток.

Предложен способ построения диаграмм энтальпий газопаровых смесей в расчете на 1 кг сухих дымовых газов и на 1 нм3 сжигаемого топлива (рис. 4) 10

[2]. Диаграммы наглядно показывают достижимый диапазон параметров: температура, энтальпия и влагосодержание.

-15 -1В 51 84 57 60

-1-!-

38-

1 69 М.М 15.« И>.72

Рис. 4. Диаграмма энтальпий ГПС на 1 нмстехиометрически сжигаемого топлива: СН4 = 98.72%; С2Н6 = 0.12%; С02 = 0.14%; Ы2 = 1.00%

Максимальное влагосодержание йтах при впрыске воды определяется из баланса:

0.141 +

. - К

^ДГ 2030С Кух. ДГТгпс

^пара Тщс ~ ^впр. воды

'■нго Тгпс

(14)

^пара Тгпс

Четвертая глава «Описание экспериментальной установки и методов исследования» посвящена описанию экспериментальных исследований.

Разработана конструкция генератора газопаровых смесей, которая была реализована в виде экспериментальной установки. На опытной модели теплогенератора {рис. 5) были проведены четыре серии экспериментальных исследований в условиях различных режимных параметров. Полученные экспериментальные данные подтвердили адекватность разработанной математической модели.

Рис. 5. Схема модели генератора ГПС: 1 - устройство впрыска; 2 - охлаждающий корпус камеры сгорания; 3 - камера сгорания; 4 ~ накопительный бак; 5 - камера смешения; 6 - распиливающая форсунка; 7 - горелочный блок; 8 - водяной насос

В каждой серии опытов проводится исследование ряда опытных режимов экспериментальной установки с итерационным изменением переменного параметра (фактора) в принятом диапазоне. В процессе экспериментальных

исследований использовались

следующие факторы, определяющие основные серии опытов с переменными параметрами установки:

I. Температура впрыскиваемой воды: 10+60°С {рис. 6).

II. Расход впрыскиваемой воды: 0.04-^0.71 л/мин.

III. Мощность горелочного устройства: 2-^4 кВт.

IV. Положение точки впрыска: -0.02...+0.01 м.

На основании проведенных исследований установлено, что предварительный подогрев впрыскиваемой воды позволяет значительно повысить производительность теплогенератора при прочих равных условиях. Увеличение расхода впрыскиваемой воды сверх расчетного, равно как и снижение тепловой мощности горелочного устройства, приводит к образованию не испаряемого излишка воды. Для стабильной работы теплогенератора при температуре холодной воды 10°С и тепловой мощности горелочного устройства 4 кВт максимальный расход впрыскиваемой воды не должен превышать 0.00128 кг/с.

Адекватность матема-

тической модели определяется путем оценки отклонения значений, предсказанных

математической моделью, от экспериментальных, а именно заключается в вычислении критерия Фишера, который определяется как отношение дисперсии адекватности

математической модели к дисперсии воспроизводимости экспериментальных данных:

(15)

По результатам каждой серии опытов создавалась гистограмма (рис. 6) и выстраивалась аппроксимирующая кривая,

определяемая полиномом.

Для обеспечения

максимальной эффективности работы генераторов газопаровых расчету конструктивных размеров камер сгорания и смешения.

Тепловое напряжение камеры сгорания находится в зависимости от тепловой мощности горелочного устройства. Параметр определяет необходимый объем камеры сгорания для обеспечения полного сжигания топлива без завышения ее металлоемкости.

Калибр камеры смешения зависит от термодинамических и динамических характеристик смешиваемых потоков воды и дымовых газов, а также параметрами газопаровой смеси. Калибр камеры смешения позволяет определить необходимую длину камеры смешения при заданном диаметре.

Пятая глава «Разработка методов практической реализации результатов исследований» посвящена обзору областей применения результатов исследования и оценки эффективности внедрения предложенной технологии.

Газопаровые смеси и соответствующие теплогенераторы могут использоваться в теплотехнологических процессах ряда производств и сельского хозяйства. Паровая очистка поверхностей и емкостей от вязких жидкостей (мазут, масла и др.) и дезинфекции сельскохозяйственных помещений с помощью ГПС вместо водяного пара из котла или парогенератора значительно экономичнее за счет отсутствия расхода химически очищенной воды и высокого КПД. Отсутствие поверхности теплообмена в генераторах ГПС позволяет использовать водопроводную

т.°с

Рис. 7. Распределение температур по оси теплогенератора (ТвоДы = 10°С)

смесей разработаны рекомендации по

воду, а также обеспечивает КПД порядка 99.5% даже в условиях невозврата конденсата. В то же время КПД паровых котлов и парогенераторов достигает паспортных значений 90-^95% только при условии возврата конденсата на подпитку.

Автономные генераторы газопаровых смесей позволяют осуществлять высокоэффективную термическую обработку сельскохозяйственных угодий при размещении теплогенератора на колесной паре.

ГПС также могут использоваться для разморозки сыпучих материалов (песок, щебень, шлам и др.) в зимний период.

Термовлажностная обработка древесины газопаровыми смесями оказывается более эффективной по сравнению с обработкой дымовыми газами за счет исключения потерь при разбавлении воздухом, а использование водяного пара сопряжено с существенными эксплуатационными затратами.

Пропаривание железобетонных изделий газопаровыми смесями вместо водяного пара не только характеризуется малыми текущими затратами, но и возможно без строительства паровой котельной.

Анализ энергетической и экологической эффективности генераторов ГПС показывает экономию по сравнению с паровыми котлами и парогенераторами за счет снижения расхода топлива (на 25%) и абсолютной массы дымовых газов (на 25%), а также за счет отсутствия расхода химически очищенной воды и малой металлоемкости (350 кг).

Проведено экономическое обоснование инвестиционного проекта внедрения газопаровых смесей в теплотехнологическую схему на производственном объекте. Для определения рентабельности использования предлагаемых теплогенераторов проводится сопоставление себестоимостей выработки 1 тонны водяного пара котлом и 1 тонны ГПС теплогенератором (таблица).

Показатели коммерческой эффективности проекта

№ п/п Показатель Усл. обозн. Единица измерения Водяной пар (а=1539р/т) ГПС (с1=833р/т)

Для нормы дисконта Ен = 10%

1 Простой срок окупаемости То, п год 5.5 3.1

2 Чистый доход чд тыс, руб. 1823.0 1045.0

3 Внутренняя норма доходности внд % 19.7 45.9

4 Рентабельность инвестиций Р„ % 79.9 205.3

5 Чистый дисконтированный доход чдд тыс. руб. 1071.0 727.0

6 Дисконтер, срок окупаемости Ток д год 6.2 3.3

Для нормы дисконта Ен = 15%

1 Простой срок окупаемости Ток Л год 5.5 3.1

2 Чистый доход чд тыс. руб. 1823.0 1045.0

3 Внутренняя норма доходности внд % 19.7 45.9

4 Рентабельность инвестиций р„ % 17.1 101.9

5 Чистый дисконтированный доход чдд тыс. руб. 213.0 364.0

6 Дисконтир. срок окупаемости Токд год 9.0 3.8

выводы

1.Проведенный анализ теплофизических свойств газообразных теплоносителей (водяного пара, продуктов сгорания, воздуха, углекислоты и азота) показал, что использование их смесей позволяет интенсифицировать теплообмен в различных технологических процессах за счет изменения количественного и качественного состава смеси (^0,0259-^0,0757 Вт/м-°С, Л=0,77-Ю,94, Н=36^42 МДж/нм2, й(=1,59-г16,8 кг/нм2- в диапазоне 7=100^800 °С).

2. Разработана математическая модель процесса выработки газопаровых смесей, которая представлена системой уравнений, описывающей термодинамику (основные термодинамические параметры) и динамику (скоростные характеристики) процесса на основе фундаментальных уравнений сохранения энергии и массы, а также уравнений движения. Адекватность модели подтверждена экспериментальными данными.

3. Экспериментальные исследования показали, что увеличение температуры впрыскиваемой воды (10-г60°С) приводит к росту термодинамических. параметров теплоносителя; увеличение расхода впрыскиваемой воды (0.04-^0.7 л/мин), равно как и снижение мощности горелки (24-4 кВт) приводит к снижению производительности теплогенератора и образованию неиспаряющегося излишка воды (до 0.01083 кг/с); смещение точки впрыска вдоль оси генератора ГПС (-2...+1 см) не оказывает существенного влияния на механизм формирования смеси, поскольку теплогенератор не является струйным аппаратом.

4. Для интенсификации теплотехнологических процессов в промышленности (размораживание сыпучих материалов, сушка, выпаривание растворов, термовлажностная обработка древесины и железобетонных изделий) и в сельском хозяйстве (пропаривание грунта и дезинфекция помещений) предложен способ использования многокомпонентных газопаровых теплоносителей, вырабатываемых на базе продуктов полного сгорания газового топлива и водяного пара, получаемого при впрыске воды в поток продуктов сгорания. Технические решения защищены тремя патентами Российской Федерации.

5. Критериальное обоснование энергетической эффективности генераторов газопаровых теплоносителей показывает, что помимо высокого энергетического КПД теплотехнологических процессов за счет снижения расхода топлива и температуры уходящих газов, генераторы ГПС характеризуются меньшей массой и отсутствием расхода химически очищенной воды.

6. Экономический анализ эффективности выработки газопаровых смесей подтверждает перспективность их использования в различных отраслях экономики за счет гибкого режима производства тепловой энергии и снижения тепловых потерь при выработке и транспорте, а также за счет снижения эксплуатационных и капитальных затрат. При себестоимости производства водяного пара в котле Б = 1184 р/т и ГПС в теплогенераторе Б = 641 р/т дисконтированные сроки окупаемости составят 9 и 3.8 года соответственно.

Основные результаты работы опубликованы в научных трудах: Журналы из Перечня ВАК РФ

1. Никитин М. Н. Влияние направленного впрыска воды в теплогенераторе на давление получаемой парогазовой смеси / М. Н. Никитин // Промышленная энергетика. 2010. № 6. С. 42-46.

2. Никитин М. Н. Диаграммы энтальпий парогазовой смеси / М. Н. Никитин, А. И. Щелоков II Вестник Самарского государственного технического университета. Сер. Технические науки. 2011. № 1(29). С. 227-232.

3. Никитин М. Н. Использование парогазовой смеси при сжигании топлива / М. Н. Никитин// Промышленная энергетика. 2010. № 12. С. 37-42.

Патенты

4. Пат. 2396485 РФ, МПК F22B 1/26. Парогенератор / М. Н. Никитин, А. И. Щелоков; заявл. 03.03.09.; опубл. 10.08.10., Бюл. № 22. 5 с.

5. Пат. 2411411 РФ, МПК F23C 9/00. Способ сжигания топлива / М. Н. Никитин; заявл. 11.08.09.; опубл. 10.02.11., Бюл. № 4. 8 с.

В других изданиях (наиболее значимые)

6. Никитин М. Н. Зависимость термодинамических характеристик смесей теплоносителей от их состава I М. Н. Никитин // Альманах современной науки и образования. 2009. № 11(30). С. 64-68.

7. Никитин М. Н. Направленный впрыск в теплогенераторах / М. Н. Никитин // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: тез. докл. Междунар. науч.-техн. конф. М.: РИО МЭИ, 2010. С. 484-485.

8. Никитин М. Н. Парогазовая микротурбина / М. Н. Никитин, А. И. Щелоков // Thirteenth international conference on electrical machines, drives and power systems: пез. докл. Междунар. науч.-техн. конф. Болгария, Варна: Изд-во ТУ Варна, 2011. С. 248251.

9. Никитин М. Н. Повышение энергоэффективности промышленного оборудования в отрасли машиностроения па основе многокомпонентных энергоносителей / М. Н. Никитин // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: тез. докл. Междунар. науч.-техн. конф. Томск: РИОТПУ, 2011. С. 124-127.

10. Никитин М. Н. Рециркуляция при сжигании топлива / М. Н. Никитин // Современные научно-технические проблемы теплоэнергетики: тез. докл. Междунар. науч.-техн. конф. Саратов: СГТУ, 2011. С. 257-259.

11. Никитин М. Н. Сравнение характеристик теплоносителей / М. Н. Никитин // Альманах современной науки и образования. 2009. К» 6(25). С. 135-137.

12. Никитин М. Н. Recirculating of burned fuel / M. H. Никитин // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: тез. докл. Междунар. науч.-техн. конф. М.: РИО МЭИ, 2010. С. 544-546.

Подписано в печать 20.03.12 Формат 60x84 1/16

Бум. офсет. Усл. печ. л. 1,0 Уч.-изд. л. 1,0

Тираж 100 экз. Заказ 37 Бесплатно

Саратовский государственный технический университет

410054, Саратов, Политехническая ул., 77 Отпечатано в Издательстве СГТУ. 410054, Саратов, Политехническая ул., 77 Тел.: 24-95-70; 99-87-39, e-mail: izdat@sstu.ru

61 12-5/3537

САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

НИКИТИН МАКСИМ НИКОЛАЕВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГОЭКОЛОГИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕПЛОВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ЗА СЧЕТ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ГЕНЕРАТОРОВ ГАЗОПАРОВЫХ ТЕПЛОНОСИТЕЛЕЙ

Специальность 05.14.04 - Промышленная теплоэнергетика

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

Подпись соискателя доктор технических наук,

профессор Щелоков А.И.

Самара 2012

СОДЕРЖАНИЕ

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ..................................................................................5

ВВЕДЕНИЕ..................................................................................................................7

ГЛАВА I. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПЕРСПЕКТИВЫ ПОВЫШЕНИЯ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ НИЗКО- И СРЕДНЕТЕМПЕРАТУРНЫХ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛОВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ.........................................................14

1.1. Роль природного газа в низко- и среднетемпературных тепловых технологиях................................................................................................................14

1.2. Современное состояние теплоэнергоснабжения низко- и среднетемпературных теплотехнологических процессов....................................20

1.3. Сравнительный анализ теплофизических свойств теплоносителей.............24

1.4. Постановка целей и задач исследования.........................................................38

Выводы по главе I.....................................................................................................39

ГЛАВА II. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ПРОЦЕССА ВЫРАБОТКИ ГАЗОПАРОВЫХ ТЕПЛОНОСИТЕЛЕЙ................................................................41

2.1. Постановка задачи.............................................................................................41

2.2. Начальные условия............................................................................................45

2.3. Система уравнений выработки газопарового потока.....................................47

2.3.1. Уравнение неразрывности для газовой фазы...............................................47

2.3.2. Уравнение теплосодержания.........................................................................49

2.3.3. Уравнение состояния ГПС.............................................................................50

2.3.4. Уравнение спектра формирования капель...................................................51

2.3.5. Уравнение изменения диаметра капель за счет испарения........................53

2.3.6. Уравнение изменения осевой скорости капель............................................54

2.3.7. Уравнение изменения радиальной скорости капель...................................55

2.3.8. Система уравнений математической модели...............................................56

Выводы по главе II....................................................................................................57

ГЛАВА III. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ВЫРАБОТКИ ГАЗОПАРОВЫХ ТЕПЛОНОСИТЕЛЕЙ...............................................................................................58

3.1. Адаптация математической модели для расчета на ЭВМ.............................58

3.2. Учет нелинейности градиента температурного поля потока........................61

3.3. Результаты математического моделирования.................................................64

3.3.1. Первое приближение......................................................................................64

3.3.2. Второе приближение......................................................................................71

3.4. Построение диаграмм энтальпий газопаровых смесей..................................76

3.4.1. H-d диаграмма для газопаровой смеси на 1 кг сухих дымовых газов.......77

о

3.4.2. H-d диаграмма для газопаровой смеси на 1 нм природного газа.............80

Выводы по главе III...................................................................................................82

Глава IV. ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ И МЕТОДОВ ИССЛЕДОВАНИЯ....................................................................................................83

4.1. Описание экспериментальной установки........................................................83

4.2. Измерительные приборы...................................................................................88

Цифровой термометр Leybold Didactic GmbH.......................................................88

Технический манометр ТМ......................................................................................89

Тепловизор MoblR М4..............................................................................................90

4.3. Экспериментальные исследования формирования газопарового теплоносителя............................................................................................................91

4.3.1. Исследование влияния температуры впрыскиваемой воды.......................92

4.3.2. Исследование влияния расхода впрыскиваемой воды................................93

4.3.3. Исследование влияния мощности газогорел очного устройства................93

4.3.4. Исследование влияния положения точки впрыска......................................93

4.4. Обработка экспериментальных данных и их анализ......................................94

4.4.1. Методика обработки экспериментальных данных......................................94

4.4.2. Результаты экспериментов.............................................................................97

4.5. Анализ адекватности математической модели.............................................105

4.6. Рекомендации по расчету конструктивных размеров генератора газопаровых теплоносителей.................................................................................107

4.6.1. Определение необходимого напора дутьевого вентилятора....................107

4.6.2. Определение скорости потоков воды и дымовых газов...........................110

4.6.3. Определение калибра камеры испарения...................................................112

Выводы по главе IV................................................................................................113

Глава V. РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ПРАКТИЧЕСКОЙ РЕАЛИЗАЦИИ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ.....................................................................115

5.1. Области применения газопаровых смесей....................................................115

5.2. Исследование способов интенсификации теплообмена в генераторе газопаровых смесей.................................................................................................128

5.3. Обоснование энергетической эффективности генераторов газопаровых теплоносителей........................................................................................................129

5.4. Обоснование экологической эффективности генераторов газопаровых теплоносителей........................................................................................................132

5.5. Экономическое обоснование использования многокомпонентных теплоносителей в тепловых технологиях.............................................................133

5.5.1. Капитальные затраты....................................................................................133

5.5.2. Эксплуатационные затраты.........................................................................135

5.5.3. Себестоимость теплоносителя.....................................................................138

5.5.4. Обоснование средней доходной ставки от реализации теплоносителя ..138

5.5.5. Анализ коммерческой эффективности инвестиционного проекта..........138

Выводы по главе V..................................................................................................142

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ................................................................................143

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ.............................................146

ПРИЛОЖЕНИЯ.......................................................................................................153

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

а — коэффициент теплопередачи,

авзд - коэффициент расхода воздуха на горение, нм3/нм3;

ост - коэффициент температуропроводности, м2/ч;

So max- максимальный начальный размер капли, м;

X - коэффициент теплопроводности, Вт/(м-°С);

срж ~ теплоемкость жидкости на выходе из форсунки, кДж/кг-°С;

cR02'cN2'cH20'cB03fl - теплоемкости трехатомных газов, азота, водяных

-3 л

паров и воздуха соответственно,

кДж/(м • С);

GrBC, Gnrc - расходы газовоздушной и газопаровой смесей

3 3

соответственно, м /(нм природного газа);

GBo3fl>Gnapa - расходы подмешиваемого воздуха и водяного пара (или впрыскиваемой воды) для получения смесей с температурами Тгвс и Тпгс

3 3

соответственно, м /(нм природного газа);

Gnapa " Рпара ~ расход подаваемой воды, кг/(нм3 природного газа); ЯдГ, Ягвс, ЯГПс - энтальпии дымовых газов, газовоздушной и газопаровой смесей соответственно, кДж/кг;

О П

К - коэффициент теплопередачи,

Вт/м • С;

п(8о, х) - спектр размеров капель на расстоянии х от точки впрыска; Qrnc охл > Qrnc конд _ теплосъем при охлаждении и конденсации ГПС,

о

кДж/(нм природного газа);

(?гпс> ^гвс ~ теплосъем при использовании газопаровых и газовоздушных смесей соответственно, кДж/(нм природного газа);

ri - теплота парообразования жидкости в плоскости впрыска, Дж/кг;

гводы _ теплота парообразования, кДж/кг;

Та- адиабатическая температура испарения, °С;

Гад - адиабатическая температура горения, °С;

ТВозд' ТВОды _ температура соответственно подаваемых воздуха и воды, °С; ТдГ' Тгвс, Тпгс - температуры получаемых смесей: дымовых газов, газовоздушной и газопаровой смесей соответственно, °С;

ТЖ1 - температура жидкости на выходе из форсунки, °С; Уко2> ^н2о ~ объемы трехатомных газов, азота и водяных паров соответственно, %;

\\/г1 - скорость газового потока в плоскости впрыска, м/с;

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы

Развитие систем децентрализованного теплоснабжения технологических

объектов, а также автоматизированных индивидуальных теплогенераторов нового поколения для сжигания газового топлива является одним из приоритетных направлений энергетической стратегии России до 2030 года [98].

Одним из важнейших направлений энергосбережения является снижение тепловых потерь при выработке энергии, ее транспорте и использовании. При этом большая доля тепловых потерь промышленных топливных теплогенерирующих установок приходится на потери с уходящими дымовыми газами (60-70%). Повышение эффективности использования топлива требует создания новых энергоэффективных технологий.

В настоящее время многокомпонентные теплоносители, в частности газопаровые смеси (ГПС), вырабатываются в теплогенераторах нового поколения и находят все больше областей применения в строительстве, сельском хозяйстве и на малых производственных объектах. При этом выработка ГПС, как правило, осуществляется в автономных теплогенераторах.

В диссертационной работе исследуется способ повышения энергоэффективности использования природного газа в низко- и среднетемпературных теплотехнологических процессах на основе применения многокомпонентных теплоносителей, вырабатываемых в генераторах газопаровых смесей.

Объект исследований

Объектом исследований является процесс формирования газопаровых

многокомпонентных теплоносителей, вырабатывающихся на основе продуктов полного сгорания природного газа, в которые впрыскивается распыленная,

подогретая вода, получаемая при охлаждении камеры сгорания установки; а также анализ областей применения газопаровых смесей в качестве теплоносителя.

Цель работы

Целью настоящей работы является повышение энергоэкологической эффективности тепловых технологий за счет использования газопаровых теплоносителей, вырабатываемых в генераторах газопаровых теплоносителей. Для достижения поставленной цели был сформулирован ряд задач:

1. Проведение сравнительного анализа теплофизических свойств элементарных компонентов, входящих в состав газопаровых теплоносителей;

2. Разработка математической модели выработки многокомпонентных теплоносителей и оценка адекватности разработанной математической модели;

3. Разработка экспериментальной модели теплогенератора и проведение экспериментальных исследований механизма выработки газопарового теплоносителя;

4. Разработка вариантов практической реализации результатов исследований;

5. Критериальное обоснование энергоэкологической эффективности генераторов газопаровых смесей по сравнению с паровыми котлами и парогенераторами;

6. Экономическое обоснование применения многокомпонентных теплоносителей в тепловых технологиях.

Научная новизна исследования

Поставленная цель достигается теоретическими и экспериментальными

исследованиями процесса выработки ГПС. Принципиальной новизной характеризуются следующие результаты:

1. Разработана математическая модель процесса выработки ГПС применительно к предложенным конструкциям генераторов ГПС;

2. Выявлены оптимальные режимы выработки ГПС в результате экспериментальных исследований;

3. Обоснована эффективность использования ГПС для низко- и среднетемпературных теплотехнологических процессов (очистка поверхностей и емкостей от вязких жидкостей, термовлажностная обработка материалов, сушка, выпаривание и др.);

4. Произведено обоснование энергетической и экологической эффективности генераторов газопаровых теплоносителей;

5. Выполнена оценка экономической эффективности использования ГПС в низко- и среднетемпературных теплотехнологических процессах.

Достоверность результатов

Достоверность результатов и выводов диссертационной работы

обеспечивается использованием аналитических методов, основанных на фундаментальных законах технической термодинамики и тепломассообмена, имеющих хорошую сходимость с результатами экспериментальных исследований, выполненных в ходе подготовки диссертационной работы.

Личный вклад автора

Анализ накопленных знаний и современного уровня развития техники в

области выработки и полезного использования многокомпонентных теплоносителей, был выявлен потенциал их дальнейшего исследования. Личный вклад автора заключается в следующем:

1. Разработана математическая модель процесса выработки ГПС применительно к предложенным конструкциям генераторов ГПС;

2. Выявлены оптимальные режимы выработки ГПС в результате экспериментальных исследований;

3. Обоснована эффективность использования ГПС для низко- и среднетемпературных теплотехнологических процессов (очистка поверхностей и емкостей от вязких жидкостей, термовлажностная обработка материалов, сушка, выпаривание и др.);

4. Произведено обоснование энергетической и экологической эффективности предложенных конструкций генераторов газопаровых теплоносителей;

5. Выполнена оценка экономической эффективности использования ГПС в низко- и среднетемпературных теплотехнологических процессах;

6. По результатам исследований разработаны и защищены патентами устройства генераторов газопаровых смесей, даны рекомендации по их промышленному применению.

Практическая значимость работы

1. Разработаны и защищены патентами устройства генераторов ГПС.

2. Даны рекомендации по промышленному применению разработанных генераторов ГПС для низко- и среднетемпературных теплотехнологических процессов очистки поверхностей и емкостей от вязких жидкостей (мазут), поверхностного пропаривания сельскохозяйственных почв и дезинфекции специализированных помещений, а также процессов удаления загрязнений с поверхностей стен зданий.

3. Определены перспективные направления использования газопаровых теплоносителей в процессах размораживания сыпучих веществ (щебень, песок, шлам и др.), термовлажностной обработки древесины и

железобетонных изделий, выпаривания и подогрева растворов, а также в процессах обезжиривания, подготовки изделий к покраске и ряда других теплотехнологических операций.

4. Полученные результаты могут быть использованы в учебном процессе технических ВУЗов, ведущих подготовку бакалавров по направлению 140100 «Теплоэнергетика и теплотехника».

Газопаровые смеси, как частный случай многокомпонентных теплоносителей, имеют два основных направления использования. Во-первых, ГПС могут выступать в качестве дешевой альтернативы водяному пару, как конечному продукту. Во-вторых, ГПС могут выступать в качестве многокомпонентного теплоносителя для повышения эффективности низко- и среднетемпературных теплотехнологических систем.

Апробация результатов исследования

На основе полученной математической модели процесса формирования

ГПС была разработан опытный образец генератора газопаровых смесей, на котором были проведены экспериментальные исследования, показавшие состоятельность предлагаемого способа получения комбинированного теплоносителя и подтвердили адекватность разработанной математической модели процесса генерации ГПС.

Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на научных семинарах кафедры «Промышленная теплоэнергетика» ФГБОУ ВПО «Самарский государственный технический университет» (Самара, 20082011); Международной научной конференции «XIII International conference on electrical machines, drives and power systems» (Bulgaria, Varna, 2011); Международных научно-практических конференциях «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, 2010-2011); Международной научной конференции «Современные научно-технические проблемы теплоэнергетики и

пути их решения» (Саратов, 2010); International scientific conference «Modem directions of theoretical and applied researches '2010» (Odessa, 2010); IV Международной научно-практической конференции «Энергетика и энергоэффективные технологии» (Липецк, 2010), а также других научных мероприятиях различного уровня.

Основные результаты работы также демонстрировались на Международной выставке SIIF-2011 (Сеул, Корея, 2011); XVI и XVII Международных специализированных выставках «Энергетика» (Самара, 20102011); Международной специализированной выставке «Энергоэффективность и ресурсосбережение - 2010» (Москва, 2010); Межрегиональной специализированной выставке «Энергетика» (Волгоград, 2010), а также других специализированных выставках различного уровня. Научные результаты были отмечены дипломами выставок и другими знаками общественного признания.

Основные положения и результаты работы изложены в более 20 печатных изданиях, в том числе в 3 журналах из Перечня ВАК. Получено два патента РФ на изобретения и 1 патент РФ на полезную модель.

Краткое описание структуры диссертационной работы

Диссертация изложена на 200 страницах, содержит 29 рисунков �