Повышение энергоэкологической эффективности тепловых технологий за счет использования генераторов газопаровых теплоносителей

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 низкои 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 установкиа 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 низкои 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 низкои 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 низкои 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 низкои 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 низкои 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 140 100 «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 низкои 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, 20 082 011) — 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, 20 102 011) — 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 и 22 таблицы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения с основными выводами, списка использованных источников из 118 наименований и 5 приложений.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

И ВЫВОДЫ.

По проблеме повышения энергоэффективности тепловых технологий за счет использования многокомпонентных теплоносителей были проведены теоретические и экспериментальные исследования. Они показали, что разработанный способ повышения энергоэффективности теплотехнологических процессов и устройство для его осуществления имеет высокие показатели энергоэффективности и конструктивно проще существующих мировых аналогов [100, 102, 105, 115].

Предложена математическая модель, описывающая процесс формирования газопаровых смесей. Расчет математической модели позволяет получать данные о термодинамических параметрах любого частного случая газопаровых смесей в каждом сечении, а также о динамике движения капель в потоке дымовых газов.

Разработана экспериментальная модель генератора ГПС. Экспериментальные данные, полученные в результате экспериментальных исследований подтвердили адекватность разработанной математической модели. Достоверность эмпирических данных проверялась в соответствии с общепринятой методикой [1].

В ходе проведения исследований были также разработаны и запатентованы:

• Способ сжигания топлива [73];

• Устройство для повышения энергоэффективности генератора газопаровых смесей [23].

В результате проведенных теоретических и экспериментальных исследований, носящих как фундаментальный, так и прикладной характер, были сделаны следующие 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 (ср = 0.0259 0.0757 Вт/м ¦ °С, Рг = 0.77.

0.94, Н = 36 + 42 МДж/нм3, d = 1.59 + 16.8 кг/нм3 — в диапазоне Т = 100 -г- 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+60°С) приводит к росту термодинамических параметров теплоносителяувеличение расхода впрыскиваемой воды (0.04+0.7 л/мин), равно как и снижение мощности горелки (2+4 кВт), приводит к снижению производительности теплогенератора и образованию неиспаряющегося излишка воды (до 0.1 083 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 (очистка поверхностей и емкостей от вязких жидкостей, размораживание сыпучих материалов, сушка, выпаривание растворов, термовлажностная обработка древесины и железобетонных изделий) и в сельском хозяйстве (пропариваиие 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 РФ.

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 8 = 1184 р/т и ГПС в теплогенераторе 8 = 641 р/т, дисконтированные сроки окупаемости составят 9.0 и 3.8 года соответственно.