Введение к работе
Актуальность работы. При,решении задач эффективного энергообеспечения и в частности таких энергоемких процессов, как получение пара и горячей воды, наиболее перспективным является создание новых энергоэкономных электрифицированных установок универсального типа.
Пар и горячая вода широко используются в разнообразных процессах первичной обработки молока, промывки и дезинфекции молочного и другого оборудования, кориоприготовлении, на санитарно-гигиенические цели, а также в линиях и цехах по переработке сельскохозяйственной продукции.
В настоящее время для этих целей в основном используются паровые и водонагревательные установки мощностью свыше 200 кВт. Однако применение таких установок малоэффективно и экономически нецелесообразно особенно на небольших фермах КРС и цехах по переработке сельскохозяйственной продукции, получающих в последнее время наибольшее распространение. На таких объектах для приготовления воды и особенно пара требуются установки значительно меньшей мощности главным образом до 100 кВт. Парогенераторы такой мощности - электрические и топливные в сельскохозяйственном производствг фактически отсутствуют, а потребность в них достаточно велика.
Проведенный в настоящей работе анализ энергоносителей и суточных графиков потребления пара и горячей воды на типовых молочных фермах и свинарниках показали возможность и целесообразность применения электротепловой установки комбинированного типа (электропароводонаг-ревателя), способной вырабатывать пар и горячую воду в одном устройстве. Это позволяет существенно повысить коэффициент ее загрузки, снизить энергозатраты, металлоемкость и капитальные вложения по сравнению с установками раздельного получения пара и горячей воды. Достижение и реализация этих показателей в разрабатываемой электропароводонаг-ревательной установке является решением актуальной задачи, связанной с проблемой энергоресурсосбережения.
Работа выполнена в соответствии с заданиями Федеральной целевой программы "Магдиностроение для АПК России" на 1994-1998гг., Федеральной целевой программы стабилизации и развития инженерно-технической сферы АПК России на 2000-2006 гг. (Техника для продовольствия России), тематического плана НИР ВИЭСХ в рамках фундаментальных и приоритетных прикладных исследований Россельхозакадемии на 1994-2000гг. Электро-пароводонагреватель включен в Федеральный регистр технологий производства продукции животноводства (Ж-АТ-03. Технологический отраслевой адаптер "Теплоснабжение животноводческих и птицеводческих предприятий").
- Цель работы. Разработка комбинированной электропароводонагрева-
тельной установки для животноводческих ферм и других производств, обеспечивающей выработку пара и горячей воды в одном агрегате, способствующей повышению эффективности использования материальных и энергетических ресурсов.
Задачи исследований. В соответствии с указанной целью в работе поставлены следующие задачи:
-
Исследовать основные закономерности и графики потребления пара и горячей воды, а также режимы работы электропароводонагревательной установки на типовых животноводческих фермах. Разработать методику расчета и выбора оптимального технологического режима работы установки с применением современных средств ЭВМ.
-
Обосновать основные энергетические, теплотехнические и конструктивные параметры электропароводонагревательной установки с выбором типораз-мерного ряда.
-
Разработать функциональную, технологическую, конструктивную, электрическую схемы установки и ее экспериментальный обріазец.
-
Исследовать физические модели процессов теплообмена в каждом рабочем органе установки и дать их математические описания с целью оценки и повышения эффективности теплообмена, выбора электрических и конструктивных параметров электронагревателей.
-
Разработать исходные требования на выбранный типоразмерный ряд элек-тропароводонагревательных установок.
-
Дать технико-экономическую оценку разрабатываемой установки и провести производственную проверку результатов исследований.
Объект исследований. Объектом исследований является комбинированная электропароводонагревательная установка элементного типа, используемая для нагрева воды и получения пара.
Методика исследований. Поставленные задачи решены путем проведения теоретических и экспериментальных исследований. В работе использованы положения теории теплопередачи, электротехники, электротехнологии, электрических измерений, математические методы планирования эксперимента, теории вероятности, физического моделирования, математической обработки опытных данных и современного компьютерного программирования (Visual Basic, MathCAD, Maple V, AutoCAD).
Научная новизна работы. Обоснованы и разработаны функционально-технологическая и конструктивная схемы электропароводонагревательной установки, новизна которых защищена патентом РФ №2147101. Разработаны методика, алгоритм и программа для персонального компьютера по выбору оптимальных технологических режимов работы электропароводонагревательной установки для различных типов потребителей. Разработаны физические модели процессов теплообмена для каждого рабочего органа установки и даны их математические описания (математические модели) с целью определения и повышения эффективности теплообмена, условий работы и
выбора параметров электронагревателей. Разработана и апробирована методика расчета энергетических, теплотехнических и конструктивных параметров электропароводонагревателей элементного типа.
Обоснованы предложения по интенсификации процессов теплообмена в электропароводонагревательной установке, реализация которых позволяет снизить энергозатраты, массогабаритные показатели, повысить КПД установки до 98%, в 1,3...1,5 раза увеличить удельную электрическую и тепловую нагрузку на нагревательные элементы (заявка на изобретение № 2000! 18110/06 приоритет от 11.07.2000г).
Получены аналитические зависимости, в частности коэффициента теплоотдачи, как функции удельной поверхностной мощности блока электронагревателей в режиме пузырькового кипения воды в большом объеме, отражающие работу установки.
Практическая значимость.
Практическую значимость имеют:
конструктивно-технологическая и электрическая схемы установки;
программа расчета оптимального режима работы электропароводонагревательной установки по выработке пара и горячей воды для различных типов потребителей;
методика расчета энергетических, теплотехнических и конструктивных параметров электропароводонагревателей;
обоснованные режимные, энергетические и конструктивные параметры комбинированной электроустановки;
разработанные и утвержденные Минсельхозом России исходные требования на установленный типоразмерный ряд электропароводонагревателей мощностью 25, 36, 45,70 и 100 кВт.
Приведенные результаты исследований позволяют проектировать и создавать ресурсосберегающие электропароводонагревательные установки элементного типа всего типоразмерного ряда.
Внедрение работы. По результатам проведенных исследований разработаны и утверждены Минсельхозом РФ исходные требования на установленный типоразмернЕ.гй ряд электропароводонагревателей мощностью 25, 36, 45, 70 и 100 кВт.
Электропароводонагревательная установка успешно прошла государственные приемочные испытания на Подольской государственной МИС и была рекомендована к производству (Протокол № 09-20-96).
На молочных фермах, молокозаводах, линиях по переработке сельскохозяйственной продукции проведены хозяйственные испытания электропароводонагревателей, разработанных ВИЭСХом и изготовленных на ПК "Шатурское РТП Сельхозснаб".
На ПК "Шатурское РТП Сельхозснаб" освоено серийное производство электропароводонагревательной установки ЭПВ-30 (ТУ 4744-001-00496219-96). Электропароводонагреватель награжден медалями ВВЦ.
Апробация работы. Результаты исследований по теме диссертации доложены, обсуждены и одобрены на международной научно-технической конференции "Энергосбережение в сельском, хозяйстве" г.Москва (1998г.), научно-методической конференции "Современные энергосберегающие технологии и оборудование" г. Москва (1999г.), 3-й международной научно-технической^ конференции "Технологии, технические средства для животноводства в XXI веке и проблемы качества продукции" г.Москва-Подольск (2000г), 2-й международной научно-технической конференции "Энергосбережение в сельском хозяйстве" г.Москва (2000г). Исходные требования на типоразмерный ряд'электропароводонагревателей одобрены на секции Ученого совета ВИЭСХ и утверждены Минсельхозом России. Публикация в международном журнале' "Промышленная теплотехника" №4,2000г.
На защиту выносятся:
- целесообразность и эффективность использования комбинированной
электропароводонагревательной установки для производства пара и горячей
воды в одном агрегате;
функционально-технологическая схема электрической пароводона-гревательной установки, состоящая из предварительного нагревателя воды, пароводонагревателя и пароперегревателя;
методика выбора оптимального режима работы1 электропароводонагревательной установки по выработке пара и нагреву воды для различных типов потребителей с использованием современных средств ЭВМ;
- основные положения методики расчета и обоснования энергетических,
теплотехнических и конструктивных параметров электропароводонагревателя
и его рабочих органов;' '
- физические модели процессов теплообмена и их математические опи
сания, а также аналитическая зависимость коэффициента теплоотдачи от
удельной поверхностной мощности блока электронагревателей при кипении
воды.
Публикация результатов работы. Материалы диссертации отражены в 9 печатных работах и 1 патенте.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, списка литературы и приложений. Ее содержание изложено на 173 страницах, иллюстрировано 42 рисунками, включает 30 таблиц, список литературы из 142 наименований и 14 приложений на 44 станицах.
