Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ существующих методов и способов предупреждения и устранения солевых отложений (ПУСО) в тепломассообменном оборудовании 9
1.1. Химический метод 9
1.2. Физический метод 13
1.3. Выводы 42
2. Анализ технических систем реализующих ультразвуковой метод ПУСО 43
2.1. Механизм предупреждения солевых отложений на рабочих поверхностях нагрева парового котла 43
2.2. Преобразователи энергии в ультразвуковые колебания и их характеристики 47
2.3. Возбудители магнитострикционных преобразователей 53
2.3.1. Генераторы синусоидальных колебаний заданной частоты 53
2.3.2. Генераторы импульсных колебаний заданной частоты с дискретным спектром 54
2.3.3. Генераторы импульсных колебаний заданной частоты с дискретным спектром и с нулевыми паузами
2.4. Выводы 61
3. Инженерный синтез импульсной магнитострикционной системы ПУСО заданной мощности на основе полупроводникового импульсного генератора 62
3.1. Энергетический анализ основных показателей силовой цепи "2
3.2. Анализ функциональных и схемотехнических особенностей систем управления полупроводникового ключа 64
3.3. Выбор системы управления полупроводникового ключа 68
3.4. Инженерная методика синтеза импульсной магнитострикционной системы 81
3.5. Выводы 91
4. Обобщение и экспериментальная оценка полученных результатов . 92
4.1. Определение типа волновода - концентратора и места его крепления . 92
4.2. Особенности монтажа и установки системы ПУСО 102
4.3. Методика выбора способа передачи импульсного воздействия через волновод 104
4.4. Методика экспериментов на модели котла ММЗ - 08/8 109
4.5. Результаты экспериментальных исследований 112
4.6. Расчёт экономической эффективности системы ПУСО 129
4.7. Выводы 135
Литература
- Физический метод
- Возбудители магнитострикционных преобразователей
- Анализ функциональных и схемотехнических особенностей систем управления полупроводникового ключа
- Особенности монтажа и установки системы ПУСО
Введение к работе
Паровые и водяные котлы, водоподогреватели и кормозапарники различных конструкций используются в технологических схемах тепловой обработки кормов, для обогрева производственных помещений, пастеризации молока, снабжения производственных цехов горячей водой, а избыточное тепло применяется также для обогрева теплиц и жилых домов. Обеспечение надежности, экономичности, безаварийности работы теплообменного оборудования, является важной научно-технической задачей, так как даже временная остановка котла или теплообменника и прекращение подачи теплой воды и корма, например, в родильные отделения животноводческих ферм, может привести к массовой гибели животных и серьезным экономическим затратам. При эксплуатации теплообменного оборудования одной из основных проблем является образование отложений (накипи) на рабочих поверхностях нагрева. Это приводит к существенным экономическим затратам из-за необходимости их периодической очистки и перерасходу топлива. В котельных с некачественной водо-подготовкой (или её полным отсутствием) толщина накипи достигает 4-6 мм, что приводит к перерасходу топлива до 16-20%. При этом происходит интенсивная коррозия теплопередающих поверхностей труб, коллекторов и барабанов.
Отложения в котельных установках низкого давления производительностью до 1 тонны пара/час и в теплообменниках, образуются в результате сложных физико-химических процессов, в которых участвуют не только на-кипеобразователи, в частности бикарбонаты Са (НС03)г, Mg (НС03) 2, Fe (НС03)г, сульфаты CaS04, MgS04, NaS04, нитриты NaNO^, KN03, силикаты NaSi03, Ca (HS1O3), хлориды СЬ, MgCl2, NaCl2, но и грубодисперсные вещества с размером частиц более 0,0001 мм, коллоидные частицы размером до 0,000001 мм и растворенные в воде газы кислорода (02), углекислоты газа (С02), и сероводорода (H2S). Природная вода представляет собой слабый раствор электролитов, диссоциированных на положительно заряженные ионы или катионы Са2+> Na2+, М&+, Fe2+, Н+ и др. и отрицательно заряженные ионы-анионы ОН-, НС 03., S042., и др. поэтому интенсивность образования отложений зависит не только от общего количества накипеобразующих солей, но и от преобладания тех или иных ионов. Так, если водородных ионов больше чем, гидроксильных, то реакция кислая, а если - меньше, то (щелочная, при равенстве концентрации водородных и гидроксидных ионов вода будет нейтральная.
Очень существенен тот факт, что каждый миллиметр слоя накипи примерно на 2 % увеличивает расход топлива котельной. И, если слой в 5-6 мм является обычным явлением в котельных АПК, то устранение накипи позволяет в среднем сэкономить 10-12 % топлива, потребляемого котельной.
Ограниченные запасы жидкого топлива приводит к непрерывному росту цен на них как на мировом рынке, так и в России, что в свою очередь существенно увеличивает себестоимость сельскохозяйственной продукции. Таким образом, обеспечение безнакипного режима работы теплообменного оборудования - проблема актуальная решение ее позволит сэкономить большое количество топлива, уменьшить трудозатраты, обеспечить безаварийность работы и снизить стоимость сельхозпродукции.
Целью диссертационной работы является обоснование электротехнологических параметров и режимов импульсной магнитострикционной системы предупреждения и устранения солевых отложений (ПУСО) в котельных АПК.
Для достижения данной цели в работе решаются следующие задачи: -классифицируются методы, способы и системы ПУСО; -раскрывается механизм возникновения солевых отложений на рабочих поверхностях нагрева парового котла; -выполняется энергетический анализ основных показателей силовой цепи магнитострикционного преобразователя (МСП) электрических колебаний в механические;
7 -разрабатывается импульсный тиристорный генератор для магнитострикционного преобразователя заданной мощности; -разрабатывается инженерная методика синтеза импульсной магнитострикци-онной системы ПУСО для тепломассообменного оборудования котельных АПК.
Теоретические исследования базируются на методах математического анализа, теории рядов Фурье, дифференциальных уравнениях, функций комплексного переменного. Экспериментальные исследования базируются на методах математической статистики, теории планирования эксперимента и физического моделирования.
Научная новизна состоит в том, что выявлены закономерности, связывающие основные показатели импульсного магнитострикционного преобразователя (мощность, интенсивность, частота импульсов) с параметрами процесса накипеоб-разования, что позволяет разрабатывать конструкции наиболее эффективных установок предупреждения и устранения солевых отложений; получены функциональные зависимости, связывающие энергетические характеристики импульсного генератора с его частотной характеристикой, необходимые для определенья наиболее рационального режима работы установки; разработан поэтапный частотно-интервальный метод синтеза полупроводникового импульсного генератора заданной мощности системы ПУСО; обоснованы способ и устройства ультразвуковой обработки воды для котельных АПК, которые защищены патентами России 2214575, № 2231918, ( Прил.2, Прил.З).
Практическая ценность работы состоит в следующем: предложена инженерная методика синтеза импульсной магнитострикционной системы на основе разработанного частотно-интервального метода оценки выходной мощности; разработаны малочувствительные к внешним воздействиям схемные решения и рациональные режимы работы силовой цепи импульсного генератора и его системы управления, которые позволяют значительно уменьшить капитальные затраты и увеличить надежность импульсных систем ПУСО; предложена методика опреде-
8 ления наиболее рациональных мест крепления волноводных колебательных систем, которая применима практически во всех котлах низкого давления, используемых в котельных АПК. Опытные образцы разработанных импульсных генераторов магнитострикционных преобразователей эксплуатируются в котельных муниципального предприятия «Динские тепловые сети» Краснодарского края (Прил.5). Материалы исследований используются в учебном процессе Кубанского государственного аграрного университета.
На защиту выносятся следующие основные положения:
Обоснование механизма предупреждения солевых отложений в тепломас-сообменном оборудовании с использованием ультразвукового метода.
Энергетический анализ полупроводникового импульсного генератора для магнитострикционного преобразователя, применяемого для предупреждения и устранения солевых отложений.
Инженерная методика синтеза импульсной магнитострикционной системы ПУСО.
Результаты экспериментальных исследований и сформулированная методика построения системы ПУСО, как эффективная инвестиционная привлекательность предложенного технического решения.
Физический метод
Литература Анализ работ в рассматриваемой области позволил установить, что существует ряд изобретений и опытно-экспериментальных разработок выполненных на постоянных магнитах и с использованием сжатого воздуха.
Устройства для возбуждения механических могут быть использованы для предупреждения образования отложений в теплообменной аппаратуре [57]. Наиболее типичное устройство включает воздуховод, выполненный в виде вертикального цилиндра, внутри волновода расположен элемент, в нижней части воздуховода врезан патрубок для подачи сжатого воздуха, а в верхней части сечение воздуховода перекрыто крышкой с отверстием для выхода воздуха. В торцевой нижней части установлен волновод. Внутри патрубка размещен поршень из ферромагнитного материала и кольцевые ферритбарие-вые магниты, а также штуцер для подвода сжатого воздуха. Устройство нашло применение в теплоэнергетике электростанций, однако для теплообменной аппаратуры предприятий АПК оно практически неприемлемо по экономическим соображениям.
Более экономичная усовершенствованная конструкция представлена в работе [58]. Она отличается тем, что имеет магнит для удержания ударного элемента, прикрепленный к верхнему торцу корпуса. Последовательно соединены трубопровод, дроссельный элемент и емкость. Причем второй патрубок подвода воздуха расположен в верхней части корпуса и связан с трубопроводом, а нижний патрубок связан с емкостью, при этом радиальные отверстия для отвода сжатого воздуха расположены на расстоянии не менее одного диаметра шарика от нижнего торца магнита.
Наиболее приемлемой конструкцией для паровых котлов низкого давления и другой тешюобменной аппаратуры, включая кормозапарники разработан пневмопульсатор [59]. Он содержит корпус, внутри которого расположены ферритбариевые постоянные магниты либо обмотка для получения постоянного магнитного поля. В нижней части устройства имеется камера, содержащая штуцер для подачи сжатого воздуха через отверстие в корпусе. Верхняя часть камеры с отверстием для сброса сжатого воздуха соединена с нижней камерой посредством воздуховода, образующего подводящий канал, выполненный из фторопласта и имеющий также отверстия для выхода сжатого воздуха. Воздуховод перекрыт ферромагнитным ударным элементом, который удерживается в статистическом положении постоянными магнитами с большей коэрцитивной силой. К крышке верхней камеры жестко прикреплен электросваркой волновод, который вторым концом приваривается к металлоконструкции теплообменного аппарата. Рабочее давление воздуха (2...5)х105 н/м2 для работы пневмопульсатора, расход не более 0,2 м3/мин. Режим работы пневмопульсатора периодический, он включается на (5...10) мин. через каждые (8... 12) часов работы теплообменного оборудования.
Из конструкций устройств для решения рассматриваемых задач известен вибратор, содержащий вибрирующий элемент, установленный на упругих опорах и возбудитель колебаний в виде четкого числа постоянных магнитов.
Они жестко укреплены на вращающейся оси, отличающийся от известных конструкций тем, что вибрирующий элемент выполнен в виде сердечника с обмоткой, установленного соотношения с неподвижным сердечником, обмотки которого соединены с регулируемым источником постоянного тока [60]. Такая конструкция позволяет оперативно регулировать амплитуду колебаний, что существенно расширяет границы использования в различных технологических процессах. Следует отметить, что предположенные техническое решение оказалось не совсем приемлемым для решения задач с теплообменным оборудованием предприятий АПК по ряду причин, прежде всего невысокой надежностью и значительным расходом электроэнергии, что в сложившихся условиях последних лет является важным фактором.
В тех случаях, когда по условиям работы или экономическим соображениям котельная не имеет сжатого воздуха возможно применение электрических вибровозбудителей, которые как показывает анализ литературных источников, часто используются для решения рассматриваемых задач.
Известно устройство, которое выполнено в виде закрепленного на металлоконструкции при помощи волновода цилиндрического корпуса с внутренней беговой дорожкой обкатываемой дебалансом, вала, привода, установленного на оси корпуса и жестко закрепленного на приводном валу водила, выполненного в виде стержня с элементом для точечного контакта с дебалансом [61].
При вращении приводного вала водило через элемент контакта взаимодействует с дебалансом, который обегает дорожку в корпусе при этом создаются значительные центробежные силы. Регулируя напряжение питания электромотора привода, изменяют частоту вращения, а следовательно частоту и амплитуду вибрации в широких пределах. Устройство позволяет получить сложный спектр частот при использование нескольких дебалансов, для каждого из которых устанавливается свое водило. Несмотря на простоту техни 17 ческого решения, устройство обладает невысокой надежностью т.к. при скоростном движении шарика точечный контакт разрушается, а следовательно разрушается и водило, что приводит к разрушению устройства в целом.
Более высокую надежность в работе имеет противонакипное устройство [62], отличающееся тем, что с целью повышения надежности приводной вал снабжен изолирующей вставкой, при этом приводной вал и корпус подключены к источнику регулируемого постоянного тока. Такое конструктивное решение позволяет компенсировать возникающие термотоки, вследствие чего обеспечивается повышение износостойкости трущихся деталей, а следовательно и надежности конструкции в целом.
Возбудители магнитострикционных преобразователей
Для возбуждения МСП в диапазоне частот 3-100 кГц, могут использоваться генераторы синусоидальных колебаний заданной частоты. Обычно эти генераторы выполняются по простым схемам емкостной или индуктивной «трехточ-ки» с усилителями мощности, с воздушным принудительным или водяным охлаждением, как, например, - УЗГ- 04 с выходной мощностью 0,4 кВт или УГ-32 с выходной мощностью 0,1 кВт или УГ-41 с выходной мощностью 0,03 кВт. Для стабилизации тока в катушке МСП для таких генераторов требуется введение отрицательной обратной связи по выходному току, что наглядно показано на рис.2.2. [74]. Недостатком данных устройств является сложность, низкий КПД (не более 40%) и значительные массогабаритные показатели. Поэтому для систем ПУСО предприятий АПК такие генераторы не подходят. Таким же недостатком обладают и генераторы синусоидальных колебаний, предлагаемые различными производителями [74,75,77], поскольку в выходном каскаде они применяют трансформаторы, сильно искажающие частотную характеристику системы в целом и создающие значительные дополнительные потери энергии и соответственно удорожание системы в целом.
Данный тип генераторов используется главным образом для экспериментальных работ с магнитострикционными излучателями [ 74 ]
Генераторы импульсных колебаний заданной частоты с дискретным спектром без нулевых пауз
Генераторы импульсных колебаний более эффективны при работе с МСП, поскольку их КПД высок и приближается к 80-90 %. Функциональная схема таких генераторов приведена на рис.2.3.
Ее основу составляет задающий генератор импульсов заданной частоты и возможна установка модулирующего генератора низких частот 10-100 Гц, изменяющего амплитуду импульса с целью расширения спектрального воздействия на озвучиваемый материал. Форма импульсных колебаний таких генераторов может быть как без нулевой паузы (меандр) рис.2.4, так и с нулевой паузой рис.2.5. Рассмотрим генератор без нулевой паузы. Если частота колебаний совпадает с собственной частотой МСП, то остальные гармоники меандра как функции времени f(t)-— А(Ц sinarfH—sin3urfH—sin5cot+... , л \ 3 5 ) особенно третья, амплитуда которой всего в три раз меньше основной, создают значительный высокочастотный токовый шум для магнитострикционного материала, что в конечном итоге приводит к относительно высоким потерям энергии на гистерезис и вихревые токи. Поэтому наиболее рационально использовать импульсные колебания с нулевой паузой, рис.2.5. . Генераторы импульсных колебаний заданной частоты с дискретным спектром и с нулевыми паузами. Форма импульсных колебаний таких генераторов представлена на рис.2.5.
Поскольку, выбирая длительность паузы, можно устранить ту или иную гармонику, например, третью, как самую мощную при угле а задержки импульса на 30 э л,граду сов, то таким образом значительно повышается КПД и эффективность устройства. На рис.2.6. показаны функциональные схемы генераторов импульсных колебаний с нулевой паузой, которые обычно строятся на базе накопителя, либо- без накопителя энергии. На таком принципе построены ультразвуковые устройства предотвращения образования новых и разрушения старых карбонат ных отложений типа УЗУ «Акустик», «Эффект» и «Зевсоник» (информация получена из рекламных буклетов НПП «Кольцо» и НПП «Камелия»).
Особенностью генераторов на базе накопителей энергии является то, что приходится использовать в виде разрядного ключа высоковольтные разрядные электронные приборы, которые являются дефицитными элементами и обладают невысокой надежностью в условиях эксплуатации систем ПУСО.
Анализ функциональных и схемотехнических особенностей систем управления полупроводникового ключа
Основные принципиальные электрические схемы силовых цепей генераторов импульсных колебаний заданной частоты с нулевыми паузами на базе тиристор ных ключей VS без накопителя энергии.
На рис.З.За, показана наиболее простая из всех схем на базе одного тиристора. Бесспорное достоинство такой схемы - простота конструкции и надежность в работе. Серьезным недостатком такой схемы является постоянная составляющая тока, потребляемого из сети, которая приводит к насыщению магнитных систем не только МСП, но силовых питающих трансформаторов. В виду очевидности недостатка такая схема не нашла применения на практике.
Некоторые изобретатели и рационализаторы усовершенствовали данную схему применяя конденсатор в силовой цепи (рис.3.3 б), устраняя тем самым постоянную составляющую тока. На такую схему получена авторское свидетельство профессором Потапенко И.А. в 1986 году, но несмотря на это на аналогичные схемы до сих пор подаются заявки на изобретения, например, изобретатель из Омска Бургунов Е.В. на Интернет-сайте «Перспективные технологии новые разработки», указывает на подачу такой заявки в комитет по делам изобретений от 27.11.2003г. Недостатком данной схемы является наличие силового конденсатора, довольно дорогого устройства, и блокирующего резистора R6, в котором происходит рассеяние значительного количества энергии, снижающей КПД системы. К тому же наличие в силовой цепи конденсатора приводит к возникновению резонансных явлений по цепи индуктивность МСП - индуктивность силового трансформатора и естественно снижает эффективность работы МСП на номинальной частоте. Проведенные нами исследования на математической модели подтвердили эти опасения с резонансными частотами, и мы также считаем, что такую схему нельзя применять в эффективных производственных системах ПУ-СО.
Наиболее эффективной схемой разрешающей указанные выше противоречия по постоянной составляющей и по резонансным частотам является схема по рис.3.3, в на базе биполярного тиристорного ключа. В этом случае картина графика напряжения на МСП соответствует рис.3.1 и на резонансной частоте МСП удается получить максимальный эффект путем выбора угла управления тири-сторным ключом а, что показано выше. Но недостатком данной схемы является наличие двух тиристоров, что усложняет конструкцию системы импульсно-фазового управления (СИФУ) ими, в связи с подключением управляющих электродов на разноименные потенциалы относительно общей точки. Такое услож нение СИФУ для производственных условий является серьезным недостатком, поскольку возникает проблема изоляции, а значит и надежности.
Нами предложена силовая схема, устраняющая и этот недостаток [96] (рис.3.3, г). Роль биполярного ключа в нем выполняет диодный мост с одним тиристором в диагонали постоянного тока. Для этой схемы характерно простота СИФУ, некоторым конструкционным недостатком этой схемы является наличие четырех диодов. Но поскольку диод являются сравнительно простым, надежным и недорогим элементом электротехники, данный недостаток является незначительным. Поэтому нами предлагается выполнение силовой схемы наиболее эффективного для производства и практики импульсного генератора системы ПУ-СО именно на базе такой схемы. Режимы ее функционирования можно продемонстрировать следующими осциллограммами (см.рис.3.4)
В как в положительную так и отрицательную сторону полярности, при условии, что действующее значение тока 1А (с погрешность не более 7,5 %), угол управления равен 172 эл.град., измеренная по электродинамическому ваттметру типа Д307 активная мощность составила величину 10 Вт ( с погрешностью не более 15 %). На рис.3.4,6 показан аналогичный график, но при токе ЗА, амплитуде напряжения 25,0 В, активной мощности - 35 Вт , угле управления равном 162 эл.град., что с погрешностью 2 % соответствует расчетному значению.
На рис.3.4,в показан график импульсов напряжения на выходе электромагнитного датчика механических колебаний, прикрепленного к стальному листу озвучиваемой поверхности площадью 1 м2, выполняющему роль элемента тепло-массообменной аппаратуры физической модели, с помощью которой удается проверить основные аналитические зависимости и коэффициенты параметрического согласования. В частности, по величине амплитуды импульса 90 мВ и по коэффициенту преобразования данного датчика определяется амплитуда колебаний стенки в конкретном месте - 6 мкм, а по длительности этого импульса - скорость колебаний - 0,035 м/с.
Особенности монтажа и установки системы ПУСО
Импульсный электрический генератор устанавливается непосредственно в котельной, на расстоянии порядка 10..Л 5 м. от теплообменной аппаратуры к которой крепятся магнитострикционные колебательные системы. Генератор монтируется на специальном кронштейне закрепленном на стене, место установки выбирается так, чтобы генератор не нагревался от котла до температуры выше 60С. Подвод сети к генератору осуществляется проводом сечением не менее 1 мм2 в стальных трубах диаметром 12 ... 15 мм. Колебательной системы привариваются к наружным стенкам теплообменных аппаратов электросваркой в местах, определенных для каждого типа котла или те-плообменного аппарата с целью максимальной передачи импульсных колебаний непосредственно к рабочим поверхностям нагрева.
Монтаж электропроводки от генератора к вибраторам (МСП) ведется в стальных трубах (диаметр 12 ... 15 мм) медным проводом сечением не менее 2,5 мм . Места соединения проводов тщательно спаиваются во избежании потерь при их возможном окислении.
Корпус генератора и стальные трубы, в которых проложены провода должны быть надежно закреплены и подключены к общей шине заземления котельной. Противонакипная установка включается в работу с момента пуска теплообменной аппаратуры и работает в течении всего цикла работы котла.
Установка выключается в случае остановки котла на срок более 3 суток, причем после полного остывания котла. При обеспечении безнакипного режима работы котла количество продувок необходимо увеличить на 2 раза по сравнению с работой котла (котлов) необорудованных таким аппаратом.
Противонакипную систему, по нашему мнению, необходимо устанавливать на заранее очищенный или новый котел или иное теплообменное оборудование для обеспечения максимального экономического эффекта.
В случае установки разработанной противопожарной аппаратуры на теплообменное оборудование бывшее в длительной эксплуатации необходимо периодически проводить профилактическую остановку для удаления отложений и шлака возникающих в процессе эксплуатации.
Остановку котла на промывку необходимо проводить в следующем порядке: дать котлу остыть до t 30 С; открыть люки; по мере спуска воды через дренаж промыть поверхность котла горячей водой из шланга под давлением 0,5... 1 атм; после промывки через грязевые люки очистить внутреннюю поверхность от кусков старой отслоившейся накипи.
При эксплуатации представленной разработки, как правило, использование других видов внутрикотловой обработки, включая и магнитную не вызывается необходимостью, однако в некоторых случаях при высокой жесткости питательной воды более 25 мгэкв/кг она допускается. Это особенно акту ально для предприятий промышленного и сельскохозяйственного назначения размещенных в районах граничащих с морской акваторией. Методика выбора способа передачи импульсных воздействий через волновод.
Для выявления наиболее эффективного способа передачи импульсных колебаний в паровые котлы низкого давления и другую массообменную аппаратуру была применена методика описания в работе [ 89 ].
На паровых котлах типа ВГД 28/8 и ММЗ 08/8 на высоте 0,25 м. от уровня грязевого кольца были вырезаны два отверстия диаметром 52 мм и к ним приварены двух двухдюймовые патрубки с фланцами.
К фланцу 2 крепилась волноводная колебательная система, состоящая из полуволнового цилиндрического волновода 4 с выступом для крепления и припаянного к торцу волновода магнитострикционного пакета с обмоткой 5. К нерабочей поверхности пакета была приклеена пористая резина 6, что по зволило повысить КПД излучения. Колебательная система заключена в за щитный кожух 7. Фланец 2 соединялся (электросварка) непосредственно с металлоконструкцией котла 1 и болтами крепился с внешним кожухом вол новодной системы. В качестве уплотнителя на фланцевом соединении ис пользовалась красномедная шина 3 толщиной d=3 мм. Такое конструктивное исполнение позволяло предавать импульсные колебания не только в водное пространство котла, но и на его металлоконструкцию. Общая жесткость пи тательной воды составляла 2.8 мг. экв/кг при щелочности 3 мг экв/кг и сухим остатком 1500-1800 мг экв/кг. Измерения показали, что изме нение этих величин во время проведения экспериментов не превышала 10%. Импульсный генератор нагружался на две ВКС как на котле ММЗ 08/8 так и ВГД 28/8.
Похожие диссертации на Параметры и режимы импульсной магнитострикционной системы предупреждения и устранения солевых отложений в котельных АПК
