автореферат диссертации по энергетике, 05.14.04, диссертация на тему:Разработка перспективной модели энергоэффективной плавильной установки на основе регенерации тепловых отходов

На правах рукописи

ТУГУЧЕВА ИРИНА АЛЕКСАНДРОВНА

РАЗРАБОТКА ПЕРСПЕКТИВНОЙ МОДЕЛИ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОЙ ПЛАВИЛЬНОЙ УСТАНОВКИ НА ОСНОВЕ РЕГЕНЕРАЦИИ ТЕПЛОВЫХ ОТХОДОВ

Специальность 05.14.04 - Промышленная теплоэнергетика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

- 8 НОЯ 2012

Москва-2012

005054856

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

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, доцент Попов Станислав Константинович

доктор технических наук, профессор Султангузин Ильдар Айдарович ОАО «Газпром промгаз», главный научный сотрудник НТЦ «Развитие ТЭК регионов»

Ведущая организация:

кандидат технических наук Крылов Андрей Николаевич ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс», менеджер

ООО Научно-технический центр «Промышленная энергетика»

Защита диссертации состоится «22» ноября 2012 г. в 17:00 в аудитории Г-406 на заседании диссертационного совета Д 212.157.10 при ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ» по адресу: Москва, Красноказарменная ул., д. 17.

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

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ».

Автореферат разослан «19» октября 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета к.т.н., доцент

Степанова Т. А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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

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

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

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

Достижение намеченной цели предусматривает решение ряда научных задач:

- изучение влияния конструктивных и режимных параметров плавильной камеры с перфорированным слоем материала на показатели ее технологической

(массовая доля расплава на выходе из ПКПС) и энергетической (коэффициент регенерации тепловых отходов) эффективности для выявления области значений указанных параметров, обеспечивающей наибольшую эффективность применения ПКПС;

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

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

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

Научная новизна

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

- учесть влияние турбулизированности газового потока на теплообмен в каналах перфорированного слоя материала;

- исследовать неравномерность распределения газового потока по параллельно включенным каналам нагревательной зоны камеры.

2. Впервые установлена зависимость массовой доли расплава на выходе из ПКПС и коэффициента регенерации тепловых отходов от совокупности геометрических параметров каналов и режимных параметров камеры для условий стекловаренного процесса.

3. Впервые определена область значений структурных, режимных и конструктивных параметров стекловаренных установок, в которой обеспечивается наибольший энергосберегающий эффект на основе применения ПКПС.

4. Разработан алгоритм поддержания стабильной тепловой работы перфорированного слоя материала посредством локальных тепловых воздействий на опорное основание слоя.

Практическая значимость работы заключается в следующем:

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

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

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

4. Научные и практические результаты работы используются в учебном

процессе при подготовке бакалавров, специалистов и магистров по »

I

направлению «Теплоэнергетика и теплотехника», специальностям «Энергетика теплотехнологии», «Промышленная теплоэнергетика».

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

На защиту выносятся:

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

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

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

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

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

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

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

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

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, состоящего из 98 наименований, и приложений. Общий объём диссертации составляет 143 страницы, включая 40 рисунков, 20 таблиц и 3 приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

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

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

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

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

22—BT0P0'1_главе приводятся результаты расчетов показателей

энергетической эффективности для существующих стекловаренных теплотехнологических установок (ТТУ) в производствах различных видов стекол: листового, тарного, сортового вида стекол и стекловолокна. Данные расчеты включают: уравнения материальных балансов для определения необходимого количества шихтового материала на тонну стекломассы; расчет тешювых схем идеализированной стекловаренной установки для определения

величины теоретического минимума удельного расхода топлива Ь°, кг/т (в килограммах условного топлива на тонну технологического продукта).

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

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

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

Исследование зависимости 6ВД =Ьид(тС1б) в схеме 2 в производстве

различных видов стекол показало, что с ростом величины Ьт для

различных технологических продуктов сближаются, стремясь к минимальной величине 59 кг/т при тст6= 1. Таким образом, впервые установлено, что теоретический минимум удельного расхода топлива для рассмотренных теплотехнологий независимо от вида технологического продукта составляет величину Ь° - 59 кг/т.

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

Таблица 1

Значения показателей энергетической эффективности действующих

Наименование показателя Листовое стекло Тарное стекло Сортовое стекло Стекловолокно

Энергоемкость технологии в ТТУ, кг/т 292 182 238 414

Коэффициент полезного использования энергии первичного топлива в ТТУ, % 19 28 23 14

"—j j-wjjioLcua iiuou^ji^nji joAjiiutnib, чш ь стекловарении имеются

значительные нереализуемые резервы энергосбережения.

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

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

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

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

средой; при тепловой обработке материала отсутствует четко выраженный фазовый переход из твердого состояния в жидкое, плавление происходит в т т

интервале температур ош^щш .

Математическая модель включает следующие уравнения: уравнение энергии

ду дх ^ дх уравнения сохранения массы для материала

1 3 \8TS д \д?

"Ъ * ) ду 1 ду) | 8z , dz,

+ S,

(1) (2)

и газа

постаI

Сгаз = ■ (3)

м

Здесь и далее Т -Т(х,у,г) - температура в точке {х,у, г);р,сг X -соответственно плотность, массовая удельная теплоемкость и теплопроводность в точке (х,у,г); рм— плотность материала; 5 -источниковый член (мощность источников теплоты в единице объема); Р— массовый расход материала (производительность камеры); массовый

расход газа, подаваемого в камеру;

8]= (4)

массовый расход газа через канал; плотность и скорость газа,

осредненные по объему у-го канала; Fj- площадь поперечного сечения у-го канала; м> = у>(х,у,2) - скорость в точке (х,у,г):

для газа в у-м канале; -м>и для материала; О для ограждения.

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

APj =

djj

(6)

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

Apj = const, j е [l, ncanal]. (7)

Здесь C,out - коэффициенты местного сопротивления;!, dj- длина и эквивалентный диаметр канала; коэффициент линейного сопротивления.

Система уравнений дополняется формулами для расчета коэффициента суммарной теплоотдачи от поверхности ограждения в 01фужающую среду.

Для решения системы использован численный метод контрольного объема.

При интегрировании уравнения энергии (1) по контрольному объему источниковый член уравнения, учитывающий теплопоглощение при плавлении,

рассматривается как составляющая конвективного члена. В итоге

конвективный тепловой поток бконв через грань контрольного объема площадью f представляется суммой

+ (8) где к - массовая доля расплавленного материала:

Т <ТтШ\

к =

1' Т>ТцчШ.

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

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

Исследованиями установлено, что массовый расход газа в периферийном канале £периф превышает аналогичную величину для центрального канала gц(.итp

в 1,26 раза: £псриф/,?цснтр= 1,26. Установленное существенное различие

массовых потоков £псриф и ^ЦС11тр является новым научным результатом, что

подтверждает целесообразность выполненной автором детализации математической модели ПКПС.

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

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

К = Ксг/(Рсм). (10)

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

В диапазоне IV =1,3+2,3 скорость газов в параллельно включенных каналах при выбранной геометрии слоя принимает значения м>г= 0,39+0,68 м/с, а значения числа Рейнольдса находятся в диапазоне Яе = 942+1642.

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

(П)

_сг/ 2

' Ргт+7,5/Ргх/ (Рг-Ргт%£рI)'

где 81 = <х/(рг™гсг) - число Стантона; а - коэффициент конвективной теплоотдачи от газов к материалу, Вт/(м2 К), Рг - плотность газа, кг/м3; С/ -коэффициент трения, определяемый в турбулизированных потоках по формуле

с,=с/0(1 + АТи), (12)

с/о= 0,0592Ле-0,2; параметр А= 4,8; Ргг= 0,38/Л- турбулентное число

Прандтля; Л = 0,83 Дж/(кг К) - газовая постоянная продуктов сгорания; Рг -число Прандтля для потока газов в интервале температур от 300 °С (на выходе из ПКПС) до 1500 °С (на входе в ПКПС).

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

60

50

40

30

20

10

а, Вт /(м2 К ) 4

* >

4 / , ■ ■

. ■' 2 г

/ 1 /

ж

1.2 1.4 1.6 1.8

Рис. 1. Зависимость коэффициента конвективной теплоотдачи в_каналах ПКПС от параметра IV: 1 - значения а, рассчитанные в программе 81аскЗО без учета

турбулизации потока газа; 2 -значения а с учетом турбулизации потока при Ти =

3 %; 3 - то же при Ти= 5 %;

4 - то же при Ти= 7 %

22 2.4

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

Анализ эффективности тепловой работы ПКПС основывался на оценке двух показателей:

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

- энергетической эффективности - Т1рег- коэффициента регенерации тепловых отходов

■М

рег ало+а,,л-ет(г0.с)' (13)

где бпп'би.м - тепловой поток с полупродуктом и исходным материалом;

бто^газ)' £?газ(7ос)- тепловой поток с газом на входе в камеру (при

температуре Ггаз) и при температуре окружающей среды Гос; £?изл- тепловой

поток излучением на нижнее сечение камеры от других зон реактора, в состав которого входит 1ЖПС.

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

Оценка влияния геометрии слоя на показатели тепловой работы ПКПС проводилась путем варьирования следующих геометрических характеристик: высоты слоя Я, высоты плавильной зоны Яго, относительной высоты

плавильной зоны Яго = Нт/Н, ширины Ьсапа1 и количества псапа1 газовых каналов.

Установлено, что с ростом высоты перфорированного слоя Я значения массовой доли расплава тр и коэффициента регенерации тепловых отходов

Лрег также возрастают. При этом с ростом высоты слоя Я возрастает и высота

плавильной зоны ПКПС, причем с увеличением ¡V скорость роста Яго также

увеличивается. В области ¥ > 3 величина Яш приближается к общей высоте

слоя Я, следовательно, Яга ->1. Это означает, что перфорированная часть

слоя полностью выплавляется, т.е. перфорированный слой перестает существовать.

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

Я» <0,4 (14)

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

W<W bound, (15)

где Wbound = 1,4.

Оценка влияния ширины газовых каналов Ьсапа1 и их количества псапа1 на коэффициент регенерации тепловых отходов и массовой доли расплава в основании слоя выявила сложный характер зависимости (рис. 2). При этом изменение толщин стен периферийной оболочки не оказывает существенного влияния на характер данных зависимостей. Анализ полученных результатов позволяет выявить область предпочтительного использования ПКПС для различных значений данных геометрических характеристик слоя, однако сложный характер зависимости нужно учитывать при выборе соотношений ширины и количества газовых каналов.

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

газовых каналов

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

Рис. 3. Варианты тепловых схем с ПКПС: т - топливо; ок - окислитель; им - исходный материал; го - газовые отходы; тп — технологический продукт; ТТР — теплотехнологический реактор; РПИМГО — регенеративный подогреватель исходного материала газовыми отходами; РПОго - регенеративный подогреватель окислителя газовыми отходами

Управление величиной ¡V, помимо изменения распределения потока газовых отходов между ПКПС и подогревателем окислителя (см. схему 2), возможно посредством варьирования двух факторов: к0г — доли кислорода в

окислителе и шстб - массовой доли стеклобоя в исходной шихте.

С целью определения зависимости IV = /{к02,тсгб) проведено расчетное исследование тепловой схемы 1, где в качестве ТТР рассмотрена действующая ванная стекловаренная печь производительностью 16 т/сутки с варочной частью длиной 8,44 м. Расчеты проведены для следующих диапазонов параметров: к0г е [0,210+0,995], т^ е [0+1]. Результаты расчетов показали,

что для действующей стекловаренной установки, реализованной по схеме 1, в рассматриваемом диапазоне варьируемых параметров условие (15) выполняется при приближении доли кислорода окислителя к граничному значению 0,995. Данные исследования проведены при неизменном уровне тепловых потерь в окружающую среду через ограждение варочной части стекловаренной установки. На основании того, что ПКПС включает не только нагревательную зону, но и зону плавления, то есть часть зоны основной тепловой обработки стекловаренной установки, было выдвинуто предположение, что применение ПКПС может привести к сокращению длины варочной части печи. Таким образом, с целью определения границы области эффективного применения ПКПС в составе тепловой схемы 1 исследована функция

^/(Ч'ёоД (16)

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

На основе проведенного расчетного исследования функции (16) выявлена

зависимость Q0й = ), обеспечивающая выполнение равенства IV = Жьоипс!

(рис. 4). Ниже указанной на рис. 46 границы ПКПС может быть эффективно использована в рамках схемы 1, выше границы — только в рамках схемы 2.

а) б)

Рис. 4. К определению области эффективной работы ПКПС в составе тепловых схем: 1 - зависимость Ж от £>ос при к0г = 0,210; 2 - то же при к0г = 0,300; 3 - то же при 0,400; 4 - то же при к0г = 0,600; 5 - то же при к0г = 0,800; 6 - то же при к02 = 0,955

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

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

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

В четвертой главе проведены расчеты экономических показателей действующей стекловаренной установки по производству стекловолокна, включающей подогреватель воздуха, идущего на горение (схема 1), и

перспективной стекловаренной установки с ПКПС, в которой осуществляется только подогрев исходного материала (схема 2).

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

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

Таблица 2

Значения показателей экономической эффективности стекловаренных _:_установок, работающих по схемам 1 и 2 _

Наименование показателя

Дисконтированный срок окупаемости, годы

Дисконтированные затраты (Зд), млн. руб.

Чистый дисконтированный доход (ЧДД), млн. руб.

Индекс доходности

Значение показателя

схема 1

5 лет 10 месяцев

426,43

28,31

1,45

схема 2

4 года 11 месяцев

409,54

40,32

1,99

400

300

200

100

Зд, ылн. руб.

\

\ 2

/

■ 1 ГО ды

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 И 12 а

ЧДД, млн. руб.

2 \ ...

1

1ГО цы

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 И 12 б

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

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

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

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

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

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

2. В результате расчетных исследований выявлены особенности тепловой работы ПКПС. Установлено наличие ограничений использования ПКПС по параметру W — отношению теплоемкостей расходов газа и материала. Данные ограничения влияют на выбор тепловой схемы, включающей ПКПС, при организации стекловаренного процесса. Выявлено, что' применение тепловой схемы плавильной установки, включающей в качестве подогревателя исходного материала плавильную камеру с перфорированным слоем материала исследуемой геометрии, эффективно, если выполняется условие Ш< 1,4. В случае невыполнения данного условия в тепловую схему плавильной установки необходимо вводить подогреватель компонентов горения.

3. Проведены разработка и исследование тепловых схем с глубокой комплексной регенерацией тепловых отходов, позволившие сформулировать рекомендации по рациональному выбору схем с целью достижения энергосберегающего эффекта. Результаты исследований обобщены в методике выбора параметров тепловых схем с ПКПС, обеспечивающих энергосберегающий эффект.

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

5. Выполнен анализ экономической целесообразности применения установок с ПКПС. Так, чистый дисконтированный доход (ЧДЦ), получаемый при производстве стекловолокна с использованием установки, включающей ПКПС, на 30 % превышает величину ЧДД для действующих стекловаренных установок. При этом суммарные дисконтированные затраты на строительство установки с ПКПС и ее эксплуатацию в течение 10 лет сокращаются на 4 % по сравнению с действующими установками.

6. Сформулированы экологические предпосылки использования ПКПС в плавильных установках, выражающиеся в снижении экологической нагрузки внедрением энергосберегающей установки, обеспечивающей комплексную регенерацию тепловых отходов и тем самым снижение теплового загрязнения окружающей среды. Установлено, что использование ПКПС в составе стекловаренной установки приводит к сокращению объема уходящих газов в 1,7 раз по сравнению с действующими установками. Тепловые потери через ограждение установки с плавильной камерой с перфорированным слоем материала могут быть уменьшены с величины 11 - 28 % в действующих стекловаренных установках вплоть до значений 1,2 % при проведении плавильного процесса только в объеме ПКПС.

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

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

.о

о - теоретическии минимум удельного расхода топлива в идеализированной стекловаренной установке (в пересчете на условное

топливо), кг/т; 6ВД - удельный расход условного топлива в идеализированной стекловаренной теплотехнологической установке, кг/т; тисхб - массовая доля стеклобоя в исходном технологическом материале; Уг- объемный расход газа, подаваемого в камеру, м3/с; Р - массовый расход материала (производительность камеры), кг/с; сг - удельная объемная теплоемкость газа, кДж/(м3К); см - удельная массовая теплоемкость материала, кДж/(кг К); РГ-отношение теплоемкостей расходов газа и материала; Ые - число Рейнольдса-

— число Стантона; и — коэффициент конвективной теплоотдачи от газов к материалу, Вт/(м2 К), рг - плотность газа, кг/м3; с^ - коэффициент трения;

Ргт- турбулентное число Прандтля; К - газовая постоянная продуктов сгорания, Дж/(кг К); Рг - число Прандтля; тр - массовая доля расплава на выходе из ПКПС; т|рег- коэффициент регенерации тепловых отходов; Qш, 0ИМ

- тепловой поток с полупродуктом и исходным материалом; >

бгаз(7газ)< бгаз(^ос)- тепловой поток с газом на входе в камеру (при температуре Ггаз) и при температуре окружающей среды Тос; £)тл- тепловой поток излучением на нижнее сечение камеры от других зон реактора, в состав которого входит ПКПС; к0г~ объемная доля кислорода в окислителе; IV,. -

скорость движения газов в каналах, м/с; и>м- скорость движения материала в ПКПС, м/с; С,оШ - коэффициенты местного сопротивления; Ь, й- длина и эквивалентный диаметр канала; вК01{В- конвективный тепловой поток через грань контрольного объема; ТтМ,ТцчШ - температурный диапазон плавления; £периф * ^цешр ~ массовый расход газа в периферийном и центральном каналах перфорированного слоя; х, у, г - декартовы координаты, м; Зд -дисконтированные затраты, млн. руб.; г - период времени, годы.

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

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ

1. Попов С.К., Тугучева И.А. Оценка потенциала энергосбережения в технологии производства различных видов стекол / Промышленная энергетика. 2010 - №6. С. 5 - 7.

2. Попов С.К., Тугучева И.А. Условия эффективного применения плавильной камеры с перфорированным слоем материала / Вестник МЭИ. 2010-№2. С. 21-25.

3. Попов С.К., Тугучева И.А. Энергосбережение в стекловаренных печах посредством подогрева исходного материала / Энергосбережение и водоподготовка. 2011 - №6. С. 21-23.

4. Попов С.К., Ключников А.Д., Тугучева И.А. Математическое моделирование тепловой работы камеры с перфорированным слоем технологического материала / Промышленная энергетика. 2012 - №. 7. С. 32-35.

5. Тугучева И.А., Попов С.К. Анализ возможностей интенсивного энергосбережения в стекловаренных установках / РАДИОЭЛЕКТРОНИКА, ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭНЕРГЕТИКА // Четырнадцатая Междунар. науч,-техн. конф. студентов и аспирантов: Тез. докл. В 3-х т. - М.: Издательский дом МЭИ, 2008. Т. 2. С. 347.

6. Тугучева И.А., Попов С.К. Анализ потенциала интенсивного энергосбережения в стекловаренных печах и направлений его реализации / Энергетики и металлурги настоящему и будущему России: Материалы 9-й Всерос. науч.-практ. конф. студентов, аспирантов и специалистов / Под общ. ред. Б .К. Сеничкина. - Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ». 2008. С. 32 - 35.

7. Тугучева И.А., Попов С.К. Анализ эффективности энергосберегающих мероприятий в стекловаренных установках / РАДИОЭЛЕКТРОНИКА, ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭНЕРГЕТИКА: Пятнадцатая Междунар. науч.-техн.

конф. студентов и аспирантов: Тез. докл. В 3-х т. Т. 2. М.: Издательский дом МЭИ, 2009. С. 379-380.

8. Тугучева И.А., Попов С.К. Исследование эффективности работы плавильной камеры с перфорированным слоем материала / Естественные и инженерные науки - развитию регионов Сибири: Материалы VII (XXX) Всеросс. науч.-техн. конф., Братск, 20-24 апреля 2009 г. - Братск: ГОУВПО «БрГУ». - 2009. - С. 113-116.

9. Тугучева И.А., Попов С.К. Анализ тепловых схем стекловаренных установок с глубокой комплексной регенерацией тепловых отходов / РАДИОЭЛЕКТРОНИКА, ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭНЕРГЕТИКА: Шестнадцатая Междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов: Тез. докл. В 3-х т. Т. 2. М.: Издательский дом МЭИ, 2010. С. 399 - 400.

10. Тугучева И.А., Попов С.К. Разработка и анализ энергоэффективных тепловых схем стекловаренных установок / Естественные и инженерные науки - развитию регионов Сибири: материалы VIII (XXXI) Всероссийской научно-технической конференции. - Братск: ГОУВПО «БрГУ». - 2010. - С. 94 - 95.

11. Тугучева И.А., Попов С.К. Энергетическая, экономическая и экологическая эффективность плавильной камеры с перфорированным слоем / РАДИОЭЛЕКТРОНИКА, ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭНЕРГЕТИКА: Семнадцатая Междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов: Тез. докл. В 3-х т. Т. 2. М.: Издательский дом МЭИ, 2011. С. 482 - 483.

12. Тугучева И.А., Попов С.К. Оценка эффекта энергосбережения в стекловаренных установках при реализации мероприятий с глубокой комплексной регенерацией тепловых отходов / Электронная версия сборника докладов Всероссийской конференции с элементами научной школы для молодежи "Интеграция науки и образования как фактор опережающего развития системы профессионального образования" / МИТХТ им. М.В. Ломоносова. 2011. - С. 223 - 226. Режим доступа: http://www.he.ntf.ru/p51 aal .html

13. Попов С.К., Тугучева И.А.. Анализ тепловых схем стекловаренных установок с подогревом технологического материала // Естественные и инженерные науки - развитию регионов Сибири: Материалы XI (XXXIII) Всеросс. науч.-техн. конф. - Братск: Изд-во БрГУ, 2012. - С. 101.

14. Иванов Ю.К., Попов С.К., Тугучева И.А. Способ варки шихты и устройство для его осуществления. Патент на изобретение №2441850, опубл. 10.02.2012, БИ№ 4,2012, заявка №2010128974/03 (041131).

Подписано в печать 1 ХСД Г зак%ЬЬВ Тир. №0 д.л. А

Полиграфический центр ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ» Красноказарменная ул., д. 13

Список основных обозначений.

Введение.

Глава 1. ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ СНИЖЕНИЯ

ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЯ В ПЛАВИЛЬНЫХ УСТАНОВКАХ.

Выводы по главе 1.

Глава 2. ОЦЕНКА ПОТЕНЦИАЛА ИНТЕНСИВНОГО ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ В ПЛАВИЛЬНОЙ ТЕПЛОТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ УСТАНОВКЕ.

2.1. Энергоемкость технологии производства полупродукта в действующей плавильной ТТУ.

2.2. Теоретический минимум энергоемкости технологии производства полупродукта в ТТУ.

2.2.1. Расчет удельных расходов компонентов исходного материала.

2.2.2. Теоретический минимум видимого расхода топлива в плавильной установке.

2.3. Показатели энергоэффективности в плавильных ТТУ производства различных видов стекол.

Выводы по главе 2.

Глава 3. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ПЕРСПЕКТИВНОЙ

МОДЕЛИ ПЛАВИЛЬНОЙ УСТАНОВКИ С ПКПС - ПЛАВИЛЬНОЙ

КАМЕРОЙ С ПЕРФОРИРОВАННЫМ СЛОЕМ.

3.1. Принципиальная схема ПКПС.

3.2. Математическое моделирование ПКПС.

3.2.1. Концептуальная модель ПКПС.

3.2.2. Математическое описание и программная реализация.

3.2.2.1. Система уравнений.

3.2.2.2. Условия однозначности.

3.2.2.3. Метод решения и программная реализация.

3.3. Исследование дополнительных возможностей математической модели.

3.3.1. Исследование неравномерности распределения газового потока по параллельно включенным каналам.

3.3.2. Исследование влияния турбулизации потока газов в параллельно включенных каналах на коэффициент теплоотдачи.

3.4. Исследование тепловой работы ПКПС.

3.4.1 Влияние режимных параметров на тепловую работу ПКПС.

3.4.2 Влияние геометрических параметров на тепловую работу ПКПС.

3.5. Условия энергоэффективного применения ПКПС в составе тепловой схемы плавильной установки.

3.6. Анализ термомеханических характеристик слоя.

Алгоритм определения скорости движения материала в ПКПС.

3.7. Тепловые схемы плавильных установок с глубокой комплексной регенерацией тепловых отходов.

3.8. Обеспечение эксплуатационной надежности тепловой работы ПКПС. 89 Выводы по главе 3.

Глава 4. ОЦЕНКА ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЦЕЛЕСООБРАЗНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ УСТАНОВКИ С ПКПС. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ

РАБОТЫ УСТАНОВКИ С ПКПС.

4.1 Расчет экономических показателей установки с ПКПС.

4.2 Оценка экологичности работы установки с ПКПС.

Выводы по главе 4.

Высокотемпературные теплотехнологические установки (ВТУ), реализующие процессы получения конечной продукции с изменением фазового состояния исходного материала плавлением, характеризуются значительным энергопотреблением. Так, для современных стекловаренных установок расход топлива на тонну конечной продукции составляет 118—414 кг у.т/т [1^4], коэффициенты полезного действия существующих установок по производству стекла находятся в диапазоне значений 20-55% [1-4]. Расчетные исследования показывают, что потенциал энергосбережения в стекольном производстве чрезвычайно высок, например, в производстве стекловолокна его величина достигает значения 409 кг у.т/т [5]. Эксергетическая эффективность производства стекла из первичных исходных материалов составляет всего 0,8 % [6].

Низкий уровень значений показателей энергетической эффективности работы плавильных установок доказывает актуальность исследований в области разработки мероприятий, реализация которых способна привести к существенному снижению энергопотребления. Кроме того, плавильные установки характеризуются масштабным негативным влиянием на окружающую среду. Они оказывают значительное тепловое воздействие -например, величина тепловых потерь в окружающую среду через ограждения в стекловаренных установках достигает 11-28 % в расходной части теплового баланса [1-4]. Негативное влияние на окружающую среду усугубляется выбросами в атмосферу газов топочного и технологического процессов, которые могут содержать вредные соединения, образующиеся при разложении компонентов исходных материалов и при горении топлива, а также частицы уноса материалов. Данное обстоятельство приводит к повышению капитальных затрат на устройства, позволяющие снизить негативное влияние на окружающую среду.

Таким образом, повышение эффективности работы плавильных ВТУ является комплексной задачей. Ее решение возможно на базе концепции интенсивного энергосбережения [7], которая диктует необходимость разработки принципиально новых технических решений, обеспечивающих глубокую комплексную регенерацию всех энергетических отходов и экологическую чистоту технологического процесса.

Поиск новых технических решений проблемы энергосбережения подразумевает разработку перспективных моделей установок, потенциально обеспечивающих наибольшее приближение к теоретическому минимуму энергопотребления. В данной диссертации разработана перспективная модель плавильной установки, включающей плавильную камеру с перфорированным слоем технологического материала (ПКПС), при этом исследование перспективной модели выполнено для стекловаренного процесса.

В качестве методов исследования и разработки перспективной модели плавильной установки использованы: теоретический анализ тепловых и теплотехнических схем высокотемпературных установок, математическое моделирование процессов нагрева и плавления перфорированного слоя, метод контрольного объема для численного решения задачи кондуктивно-конвективного переноса; разработка и многофакторное расчетное исследование математической модели ПКПС.

Таким образом, цель данной работы можно сформулировать как разработка перспективной модели плавильной установки, в которой обеспечивается энергосберегающий эффект посредством регенерации тепловых отходов при использовании плавильной камеры с перфорированным слоем исходного материала.

Достижение намеченной цели предусматривает решение ряда научных задач:

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

2) определение условий энергоэффективного применения ПКПС в тепловых схемах стекловаренных установок;

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

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

Научная новизна работы:

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

- учесть влияние турбулизированности газового потока на теплообмен в каналах перфорированного слоя материала;

- исследовать неравномерность распределения газового потока по параллельно включенным каналам нагревательной зоны камеры.

2. Впервые установлена зависимость массовой доли расплава на выходе из ПКПС и коэффициента регенерации тепловых отходов от совокупности геометрических параметров каналов и режимных параметров камеры для условий стекловаренного процесса.

3. Впервые определена область значений структурных, режимных и конструктивных параметров стекловаренных установок, в которой обеспечивается наибольший энергосберегающий эффект на основе применения ПКПС.

4. Разработан алгоритм поддержания стабильной тепловой работы перфорированного слоя материала посредством локальных тепловых воздействий на опорное основание слоя.

Практическая значимость работы заключается в следующем:

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

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

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

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

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

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были доложены на 14, 15, 16, 17 Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», Москва, 2008-2011 гг.; на 9-й Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и специалистов «Энергетики и металлурги - настоящему и будущему России», Магнитогорск, 2008 г.; на VII, VIII, XI Всероссийской научно-технической конференции «Естественные и инженерные науки - развитию регионов

Сибири», Братск, 2008, 2009, 2012 гг.; на Всероссийской конференции с элементами научной школы для молодежи «Интеграция науки и образования как фактор опережающего развития системы профессионального образования», Москва, 2011 г.

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

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, состоящего из 98 наименований, и приложений. Общий объём диссертации составляет 141 страница, включая 40 рисунков, 20 таблиц и 3 приложения.

Выводы по главе 4

1. На основе расчетной оценки показана экономическая целесообразность применения плавильной камеры с перфорированным слоем материала. По всем рассчитанным показателям установка с ПКПС характеризуется большей инвестиционной привлекательностью по сравнению с действующими стекловаренными установками.

2. Проведенный сопоставительный анализ влияния, оказываемого на окружающую среду теплотехнологическими системами производства стекловолокна, позволяет заключить, что плавильная установка с ПКПС потенциально более экологична по сравнению с действующими плавильными установками, использующими только регенеративный подогрев окислителя. Данный вывод может быть справедлив и для других теплотехнологических систем, основанных на плавлении минеральных материалов.

111

Заключение

По работе можно сделать следующие основные выводы:

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

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

2. В результате расчетных исследований выявлены особенности тепловой работы ПКПС. Установлено наличие ограничений использования ПКПС по параметру IV - отношению теплоемкостей расходов газа и материала. Данные ограничения влияют на выбор тепловой схемы, включающей ПКПС, при организации стекловаренного процесса. Выявлено, что применение тепловой схемы плавильной установки, включающей в качестве подогревателя исходного материала плавильную камеру с перфорированным слоем материала исследуемой геометрии, эффективно, если выполняется условие Ж< 1,4. В случае невыполнения данного условия в тепловую схему плавильной установки необходимо вводить подогреватель компонентов горения.

3. Проведены разработка и исследование тепловых схем с глубокой комплексной регенерацией тепловых отходов, позволившие сформулировать рекомендации по рациональному выбору схем с целью достижения энергосберегающего эффекта. Результаты исследований обобщены в методике выбора параметров тепловых схем с ПКПС, обеспечивающих энергосберегающий эффект.

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

5. Выполнен анализ экономической целесообразности применения установок с ПКПС. Так, чистый дисконтированный доход (ЧДД), получаемый при производстве стекловолокна с использованием установки, включающей ПКПС, на 30 % превышает величину ЧДД для действующих стекловаренных установок. При этом суммарные дисконтированные затраты на строительство установки с ПКПС и ее эксплуатацию в течение 10 лет сокращаются на 4 % по сравнению с действующими установками.

6. Сформулированы экологические предпосылки использования ПКПС в плавильных установках, выражающиеся в снижении экологической нагрузки внедрением энергосберегающей установки, обеспечивающей комплексную регенерацию тепловых отходов и тем самым снижение теплового загрязнения окружающей среды. Установлено, что использование ПКПС в составе стекловаренной установки приводит к сокращению объема уходящих газов в 1,7 раз по сравнению с действующими установками. Тепловые потери через ограждение установки с плавильной камерой с перфорированным слоем материала могут быть уменьшены с величины 1128 % в действующих стекловаренных установках вплоть до значений 1,2 % при проведении плавильного процесса только в объеме ПКПС.

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

1. Beerkens R., Muysendberg H. Comparative study on energy-saving technologies for glass furnaces // Glastech. Ber. (Glastechnische Berichte). 1992. Vol. 65. No. 8. P. 216 224.

2. Beerkens R., van der Schaaf I. Advanced Heating Techniques for Glass Melting // Technische Universiteit Eindhoven. Eindhoven, 5th March 2002.-43 p.

3. TCF Technology for Oxi-Fuel Glassmelting / H. Kobayashi, K.T. Wu, G.B. Tuson, F. Dumoulin, H.P. Kiewall // American Ceramic Society Bulletin. -2005.-V. 84,-№2.-P. 14-19.

4. Попов C.K. Потенциал энергосбережения в стекловаренных печах // Промышленная энергетика. 2008. - №6. - С. 34-38.

5. Эксергетические расчеты технических систем: Справ, пособие / Бродянский В.М., Верхивкер Г.П., Карчев Я.Я. и др.: Под ред. Долинского А.А., Бродянского В.М. АН УССР. Ин-т технической теплофизики. Киев: Наук, думка, 1991. - 360 с.

6. Ключников А.Д. Концепция интенсивного энергосбережения как база формирования энергосберегающих и экологически безопасных моделей теплотехнологических систем будущего // Вестник МЭИ. 1996. №1. С. 33-36.

7. Barton J.L. Innovation in glass melting // Glass Technology. 1993. Vol. 34. No. 5. P. 170-177.

8. Glass melting technology // Sorg / GlassE/ 10.08 / V2.2. Режим доступа: http://www.sorg.de/en/download/brochures.htm.

9. Справочник по наилучшим доступным техническим методамиспользования энергоресурсов в стекольной промышленности: Производство сортового и тарного стекла // РОО «Эколайн». 2005. -30 с. - Режим доступа:http://www. 14000.ru/projects/glass/BATinEnergyuse.pdf

10. Матвеев Г.М., Миронов В.В., Раскина Э.М., Тарасевич К.Е. Энергосбережение при варке стекла. // Стекло и керамика. 1998. - № 11.-С. 10-11.

11. Минько Н.И., Зайцев Ю.С., Зайцева Н.Н., Билинский Р.Л., Шершнев Ю.М. Испарительное охлаждение стекловаренных печей (обзор) // Стекло и керамика. 2000. -№6.-С.З-5.

12. Гущин С.Н., Кутьин В.Б., Боднар П.Н. Совершенствование тепловой работы стекловаренных печей. // Стекло и керамика. 2000. - № 6. -С. 6-8.

13. Шередека В.В., Криворучко П.А., Полохливец Э.К, Киян В.И., Аткарская А.Б. Энергосберегающие технологии производства стекла. // Стекло и керамика. 2001. - № 2. - С. 32.

14. Видуна Я., Инскип Я. Использование кислородно-топливных горелок для стекловаренных печей. // Стекло и керамика. 2005. - № 3. - С. 29 -32.

15. Болдырев Р.А., Ушмайкин Э.Р., Желтов В.Г. Эффективность предварительного подогрева стекольной шихты (обзор) // Стекло и керамика. 1989. - №10. - С. 8 - 9.

16. Patent USA 4425147. Preheating glass batch / Charles M. Hohman et al. / Owens-Corning Fiberglass Corporation. Jan. 10, 1984.

17. Patent USA 3953190. Pellet preheating and volatile recycling structure for glass making furnace / Karl H. Lange / Pullman Incorporated. U.S. CI. 65/335. Apr. 27, 1976.

18. Patent USA 5399181. Method and apparatus for preheating charging material having organic contaminants for glass melting furnaces / Helmut Sorg / Beteiligungen Sorg GmbH & Co. / U.S. CI. 65/27. Mar. 21, 1995.

19. Patent USA 4728352. Glass batch feed arrangement with directional adjustability / Henry C. Goode et al. / PPG Industries, Inc. / U.S. CI. 65/27. Mar. 1, 1988.

20. Patent USA 5578102. Method for batch preheating and pollution abatement in glass manufacture / Jeffery C. Alexander / Edmeston AB, Sweden / U.S. CI. 65/27. Nov. 26, 1996.

21. Patent USA 4374660. Fluidized bed glass preheater / Ravinder K. Skhuja et al. / Thermo Electron Corporation / U.S. CI. 65/335. Feb. 22, 1983.

22. Patent USA 4797092. Cullet preheater / Helmut Pieper / Nikolaus Sorg GmbH & Co. Kg / U.S. CI. 432/95. Jan. 10, 1989.

23. Patent USA 4604121. Method of preheating glass batch / Demarest Jr. et al. / PPG Industries, Inc. / U.S. CI. 65/27. Aug. 5, 1986.

24. Patent USA 5125943. Combined batch and cullet preheater with separation and remixing / William E. Cole / Gas Researh Institute / U.S. CI. 65/27. Jun. 30, 1992.

25. Patent USA 4323384. Preheater for compacted vitrifiable material / George Meunier / Isover Saint-Gobain / U.S. CI. 65/335. Apr. 6, 1982.

26. Patent USA 4696690. Method and device for preheating raw materials for glass production, particularly a cullet mixture / Helmut Roloff / Himly, Holscher GmbH & Co / U.S. CI. 65/27. Sep. 29, 1987.

27. Patent USA 5342427. Apparatus for cullet preheating and polluting emission reduction in the glass manufacturing process / Jeffery C. Alexander / Edmeston AB / U.S. CI. 65/27. Aug. 30, 1994.

28. Patent USA 5556443. Method for cullet preheating and pollution emission reduction in the glass manufacturing process / Jeffery C. Alexander / Edmeston AB / U.S. CI. 65/27. Sep. 17, 1996.

29. Patent USA 5954851. Method for preheating glass batch / Seiji Sakae / U.S. CI. 65/134.6. Sep. 21, 1999.

30. Patent USA 6615612. Electrostatic batch preheater and method of using the same / Jeffery C. Alexander / U.S. CI. 65/27. Sep. 9, 2003.

31. Patent USA 4875919. Direct contact raining bed counterflow cullet preheater and method for using / Robert DeSaro, Edward F. Doyle, Christofer I. Metcalfe, Kaith D. Patch / Gas Research Institute / U.S. CI. 65/27. Oct. 24, 1989.

32. Патент ГДР №260918, МКИ С03И1/00. 1989.

33. Попов С.К., Тугучева И.А. Энергосбережение в стекловаренных печах посредством подогрева исходного материала / Энергосбережение и водоподготовка. 2011 №6. С. 21-23.

34. Перелетов И. И., Пушкин А. В., Иванов Ю. К. Плавильная печь с предельно высоким энерго- и материалосберегающим эффектом: Аналитич. обзор / ВНИИЭСМ. М., 1991. - Вып. 2. - 42 с.

35. Пат. 2272794 РФ. Плавильная печь с шахтной предкамерой / Ю.К. Иванов, С.К. Попов, А.К. Шамшин (РФ); МЭИ (ТУ) (РФ). Заяв. № 2004116805; Опубл. 27.03.06. Бюл. № 9. Приоритет 03.06.04 (РФ).

36. Пушкин A.B. Разработка и исследование высокоэффективной плавильной камеры на основе комбинации теплотехнических принципов перфорированного слоя и излучающего ударного факела: Автореф. дис. . канд. техн. наук. М., 1987. - 20 с.

37. Попов С.К., Иванов Ю.К. Плавильная камера с перфорированным слоем технологического материала. // Стекло и керамика. 2005. - № 12.-С. 37—40.

38. Данилов О.Л. Энергосбережение в энергетике и технологиях. Учебное пособие. 4.1 / Под ред. А. Б. Гаряева М.: Изд-во МЭИ, 2003.

39. Ключников А.Д. Теплотехническая оптимизация топливных печей. -М.: Энергия, 1974.

40. Попов С.К. Разработка методологии решения задач интенсивного энергосбережения в высокотемпературных теплотехнологиях: Автореф. дисс. . докт. техн. наук. М., 2009. - 40 с.

41. Попов С.К., Ипполитов В.А. Решение задач высокотемпературной теплотехнологии в среде MathCAD. M.: Издательский дом МЭИ,2009.

42. Справочник по производству стекла. Под ред. И.И. Китайгородского и С.И. Сильвестровича. -М.: Госстройиздат, 1963.

43. Лешина В.А. Сырьевые материалы и шихта в производстве стекла. Учебное пособие. Ч. 1, 2 Владимир: Владим. гос. ун-т, 2004.

44. Левченко П.В. Расчеты печей и сушил силикатной промышленности. -М.: Высшая школа, 1968.

45. Кирьянов Д.В. Mathcad 12 СПб.: БХВ-Петербург, 2005.

46. Попов С.К. Разработка и расчет тепловых схем термодинамически идеальных установок. Теория и алгоритмы. М.: Изд-во МЭИ, 2005.

47. Тугучева И.А. Оценка потенциала энергосбережения в технологиипроизводства различных видов стекол / С.К. Попов, И.А. Тугучева // Промышленная энергетика. 2010. - № 6. - С. 5-7.

48. Иванов Ю.К. Выбор технологии уплотнения шихты и формования перфорированного слоя / Ю.К. Иванов, С.К. Попов, А.К. Шамшин // Стекло и керамика. 2006. - № 6. - С. 3-5.

49. Патент на полезную модель № 73330 РФ, МПК С03В 3/00, F27B 1/00. Устройство формования шихты в рабочей шахтной предкамере печи с перфорированным слоем (варианты) / Ю.К. Иванов, С.К. Попов, А.К. Шамшин (РФ) / Опубл. 20.05.08. Бюл. № 14.

50. Свид. о гос. per. программы для ЭВМ № 2008610418 «Расчет плавильной камеры с перфорированным слоем материала» / С.К. Попов // Зарег. в Реестре программ для ЭВМ 23.01.08.

51. Попов С.К. Разработка и исследование математической модели плавильной камеры с перфорированным слоем // Вестник МЭИ. 2008. - № 2. - С. 20-25.

52. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел A.C. Теплопередача / Учебник для вузов. М.: Энергия, 1975. - 488 с.

53. Крылов А.Н. Моделирование процессов в регенеративном подогревателе технологического материала / А.Н. Крылов, С.К. Попов, Э.Д. Сергиевский // Промышленная энергетика. 2006. - № 5. - С. 42 -44.

54. Дыбан Е.П., Эпик Э.Я. Тепломассообмен и гидродинамика турбулизированных потоков. Киев: Наукова думка, 1985.

55. Теплопередача: Учебник для вузов / В.П. Исаченко, В.А. Осипова, A.C. Сукомел. 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергоиздат, 1981.-416е., ил.

56. Попов С.К., Тугучева И.А. Условия эффективного применения плавильной камеры с перфорированным слоем материала // Вестник МЭИ. 2010. - № 2. - С. 21-25.

57. Чугунков В.И., Попов С.К. Измерение степени турбулентности в КЦК. Труды МЭИ, 1976, вып. 267.

58. Резников А.Б., Устименко В.П., Вышенский В.В., Курмангалиев М.Р. Теплотехнические основы циклонных топочных и технологических процессов Изд-во «Наука», 1974. - 374 с.

59. Попов С.К., Ключников А. Тугучева И.А. Математическое моделирование тепловой работы камеры с перфорированным слоем технологического материала \ Промышленная энергетика. 2012 №. 7. С. 32-35.

60. ГОСТ 30559-98 «Глинозем неметаллургический. Технические условия» от 1 июля 2000 г. Интернет-ресурс: http://gost.ruscable.ru/cgi-bin/catalog/catalog.cgi?i=8668&l=

61. Волженский A.B. Миниральные вещества / Издание 4-е, переработанное и дополненное Стройиздат. - 1986. - Интнрнет-ресурс http://www.bibliotekar.ru/spravochnik-72/35.htm

62. Интернет-ресурс: http://www.edudic.ru/hie/2409/

63. Интернет-ресурс: http://www.splitplus.by/index.pl?act=PRODUCT&id= 16

64. Хоанг Хак Хоанг. Исследование сложного теплообмена в трубах Фильда и их использование в энергосберегающей схеме стекловаренной установки: Автореферат дисс. канд. техн. наук. М., 2010.-40 стр.

65. Котлы-утилизаторы и энерготехнологические агрегаты / А.П. Воинов, В.А. Зайцев, Л.И. Куперман, Л.И. Сидельковский; Под ред. Л.Н. Сидельковского. М.: Энергоатомиздат, 1989. - 272 е.: ил.

66. Сазанов Б.В., Ситас В.И. Теплотехнические системы промышленных предприятий: Учеб. пособие для вузов. М.: Энергоатомиздат, 1990. -304 е.: ил.

67. Иванов Ю.К., Попов С.К., Тугучева И.А. Способ варки шихты и устройство для его осуществления. Патент на изобретение №2441850, опубл. 10.02.2012, БИ№4, 2012, заявка №2010128974/03 (041131)

68. Финансово-экономическое обоснование технических решений при дипломном проектировании в промышленной теплоэнергетике.

69. Методическое пособие по курсу «экономика отрасли и организация предприятия» / А.Н. Златопольский, Е.И. Калинина, Е.М. Табачный, Ю.В. Троянкин, Т.Ф. Басова М.: Издательство МЭИ, 1998. - 48 с.

70. Троянкин Ю.В. Проектирование и эксплуатация высокотемпературных теплотехнологических установок: Учебное пособие для студентов вузов. М.: Издательство МЭИ, 2002. - 324 е.: ил.

71. Интернет-ресурс http://ogneypor.ru

72. Интернет-ресурс http://www.ormet.ru

73. Интернет-ресурс http://rna.gpns.ru

74. Промышленная теплоэнергетика и теплотехника: Справочник / Под общ. ред. В.А. Григорьева, В.М. Зорина 2-е изд., перераб. - М.: Энергоатомиздат, 1991. - 588 е.: ил. - (Теплоэнергетика и теплотехника; Кн. 4).

75. Лаптев В.И. Электротермические агрегаты для варки стекла. М.: Легпромбытиздат, 1985.

76. Интернет-ресурс http://www.kontinental.ru

77. Интернет-ресурс http://www.teh-stroy.ru

78. Интернет-ресурс http://www.bpks.ru

79. Интернет-ресурс www.yarkamen.stroyvitrina.ru

80. Интернет-ресурс http://www.ugtehcom.jr2.ru/

81. Beerkens R., Muysendberg Н. Comparative Study on Energy-Saving Technologies for Glass Furnaces // Glastech. Ber. 1992. - V. 65. -№ 8. -P. 216-224.

82. Интернет-ресурс http://www.gazprom.ru

83. ГОСТ 530-2007. Кирпич и камень керамические. Общие технические условия.

84. Интернет-ресурс http://www.ct-line.ru

85. Интернет-ресурс http://www.newtariffs.ru

86. Закон Российской Федерации от 03.12.2011 г. № 379-ФЭ «О внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации по вопросам установления тарифов страховых взносов в государственные внебюджетные фонды».

87. Интернет-ресурс http://www.info-torg.ru

88. Чехов О.С., Назаров В.И., Калыгин В.Г. Вопросы экологии в стекольном производстве. М.: Легпромбытиздат, 1990. - 144 е.: ил.