Введение к работе
Актуальность проблемы и ее связь с государственными программами. Экономия топливно-энергетических ресурсов представляет в настоящее время актуальную проблему, решение которой во многом определяет условия экономического развития страны и улучшения ее экологического состояния. О наличии значительных резервов в области повышения уровня энергетической эффективности отечественного промышленного производства свидетельствует то, что в нашей стране в расчете на единицу национального дохода расходуется первичных энергетических ресурсов в 2 раза больше чем в США, Японии и ряде других стран. Перспективным направлением экономии энергии в промышленности является использование теплового потенциала продуктов сгорания природного газа, образующихся в высокотемпературных технологических установках, например промышленных печах, для покрытия тепловых нагрузок средне- и низкотемпературных технологических установок, а также систем теплоснабжения, отопления, вентиляции, кондиционирования воздуха. Реализуется это посредством применения установок комплексного использования теплоты продуктов сгорания природного газа (УКИТ).
Значительный вклад в разработку научных основ УКИТ внесли научные коллективы Московского государственного университета нефти и газа им. И.М.Губкина, Московского государственного открытого университета, МЭИ (технический университет), Ростовского государственного строительного университета, Нижегородского государственного архитектурно-строительного университета и ряда других организаций, под руководством профессоров М.Б.Равича, Н.А.Семененко, А.Д.Ключникова, П.С.Колоб-кова, Е.Е. Новгородского, Б.В. Шанина и др.
Однако необходимо отметить, что многообразие технологических схем теплоиспользующих промышленных установок, особенности их эксплуатационных режимов, сложность физических явлений, сопровождающих работу УКИТ, затрудняют разработку их оптимизационных моделей.
Важными структурными составляющими УКИТ являются их аэродинамические системы (АС), предназначенные для транспортировки и изменения параметров транспортируемой газообразной среды. Общим признаком АС УКИТ является то, что реализация целевой функции системы осуществляется за счет энергии транспортируемой газообразной среды. К АС УКИТ относятся: тракт продуктов сгорания природного газа, сопряженные с данным трактом воздушные системы переноса теплоты, воздушные системы отопления и теплоснабжения, системы вентиляции и кондиционирования воздуха, системы сушки и др.
В связи со специфическими особенностями условий работы АС УКИТ использование традиционных решений по выбору их принципиальных схем. заимствованных из смежных областей техники, приводит в ряде случаев к перерасходу ресурсов и снижению уровня энергетической и экологической эффективности теплоутилизационной установки в целом. Поэтому
4 особую актуальность приобретает проблема оптимизации аэродинамических систем, которая в свою очередь может быть решена только при наличии достаточных результатов исследований процессов, сопровождающих их работу. Учитывая масштабность перспектив применения УКИТ в различных отраслях промышленности, можно заключить, что исследование и оптимизация АС УКИТ является научной проблемой, решение которой имеет важное народнохозяйственное значение.
Научной основой изучения процессов, протекающих в АС УКИТ, являются общепринятые теоретические положения в областях аэродинамики, термодинамики, тепломассопереноса, в разработку которых большой вклад внесли научные коллективы под руководством профессоров Л.ДЛандау, Н.Е.Кочина, Л.ГЛойцялского, С.С. Кутателадзе, М.А. Мнхеева, МП. Ву-каловича, И.И.Новикова, А.Д.Альтшуяя, И.П.Гинсбурга, Л.А.Вулиса, Н Л.Фабриканта и многих других.
Важнейший вклад в формирование научных основ аэродинамических систем тепловых и энергетических установок внесен профессором Л.А. Рихтером, создавшим научное направление, посвященное исследованию и оптимизации газовоздушных трактов тепловых электростанций.
Работа выполнялась в соответствии с программой МНТП «Архитектура и строительство» в рамках темы «Комплексное использование теплоты продуктов сгорания природного газа в системах жизнеобеспечения зданий и сооружений», научно-исследовательской работой по конкурсу грантов 1997-1998 гг. «Разработка теоретических основ проектирования комплексного использования газа», в соответствии с республиканской программой « Научно-методические проблемы строительства н привлечения инвестиций в целях укрепления материально-технической базы образования» по теме «Критические технологии энергоснабжения зданий и сооружений», программы научно-исследовательских работ, финансируемых из средств республиканского бюджета по единому заказу-наряду, а также тематических планов госбюджетных НИР Ростовской государственной академии архитектуры и искусства и Ростовского государственного строительного университета.
Основная идея, положенная в основу работы над диссертацией, состоит в исследовании энергетических и технико-экономических характеристик рабочих процессов АС УКИТ и определении (на основе результатов исследований) оптимальных принципиальных схем и конструктивных решений систем.
Цель работы заключается в разработке и реализации методов повышения энергетической эффективности аэродинамических систем установок комплексного использования теплоты сгорания природного газа и оптимизации их принципиальных схем и конструктивных решений.
Основные задачи исследования:
-
изучить явления, связанные с взаимопревращениями тепловой и механической энергии потока в аэродинамических системах и разработать метод исследования их энергетической эффективности;
-
исследовать технико-экономические характеристики теплонзолиро-
5 ванных и нетеплонзолированных линий связи и разработать методику их оптимизации, учитывающую современные экономические реалии и динамичные изменения в ценовой политике;
-
исследовать энергетические и аэродинамические характеристики аэродинамических сетей, содержащих теплообменники, при их работе в нестационарном тепловом режиме;
-
исследовать параметры работы нагнетателя в аэродинамической системе с нестационарным тепловым режимом, разработать соответствующие математические модели и методику определения оптимального взаимного расположения теплообменников и нагнетателя в системах с нестационарным тепловым режимом;
-
разработать метод исследования совместной работы нагнетателей в аэродинамических сетях при различных плотностях транспортируемой среды во входных патрубках нагнетателей;
-
исследовать задачу согласования режимов работы источника тепловых ресурсов УКИТ и ее дымососа при наличии в установке аэродинамической системы с нестационарным тепловым режимом.
Научная новизна состоит в развитии научных положений и разработке методов исследований аэродинамических и энергетических характеристик АС УКИТ, что конкретизируется следующим:
-
разработан метод исследования энергетической эффективности аэродинамических систем, основанный на отображении процессов изменения параметров транспортируемой среды в элементах аэродинамической системы в координатных осях объемный расход (V) - полное давление^,,) и анализе характера изменений механической мощности потока при его движении по элементам системы;
-
в результате исследования физической сущности явлений, сопровождающих работу аэродинамической системы, содержащей теплообменники, установлено, что ее рабочий процесс сопровождается тфмодинамическими взаимопревращениями тепловой и механической энергии потока;
-
впервые доказано, что аэродинамическая система, содержащая теплообменники, может работать в двух режимах - теплового двигателя, осуществляя тфмодинамическое преобразование части теплового потока, подводимого к транспортируемой среде, в механическую энфгию потока; теплового насоса, осуществляя тфмодинамическое преобразование части механической энфгии потока в тепловую энфгию. Установлено, что наибольшая энергетическая эффективность аэродинамической системы соответствует ее работе в режиме теплового двигателя;
-
установлены зависимости, определяющие параметры работы нагнетателя в аэродинамической сети при нестационарном режиме работы теплообменников, разработаны соответствующие математические модели;
-
разработан метод наложения Р-О характфистик, позволяющий определять параметры совместной работы нагнетателей в сети с нестационарным тепловым режимом при различной плотности транспортируемой фе-ды в их входных патрубках;
-
получены условия оптимальности результатов аэродинамического и
тепло-аэродинамического расчета разветвленных линий связи с круглой и прямоугольной формаами поперечного сечения, на основе которых разработана методика оптимизации линий связи, адаптированная к динамичным изменениям в ценовой политике; 7) определены энергосберегающие схемотехнические решения систем воздушного отопления, сопряженных с трактом продуктов сгорания
УКИТ.
Автор защищает совокупность положений, установленных закономерностей и результатов, разработанные на их основе методы и методики повышения энергетической эффективности аэродинамических систем установок комплексного использования теплоты продуктов сгорания природного газа, оптимизации их принципиальных схем и конструктивных решений.
Практическая ценность работы состоит в экономии топливно-энергетических ресурсов при сжигании природного газа в промышленных теплоиспользующих установках, улучшении их экологических характеристик, снижении потребления электроэнергии нагнетателями и уменьшении затрат на устройство и эксплуатацию систем, вследствие развития методик исследований АС УКИТ и оптимизации их принципиальных схем и конструктивных решений.
Реализация результатов диссертационной работы.
Результаты диссертационной работы реализованы в «Рекомендациях по применению утилизаторов теплоты воздуха, удаляемого местной и общеобменной вентиляцией, и теплоты дымовых газов на промышленных предприятиях отрасли строительного и дорожного машиностроения», а также при разработке установок комплексного использования теплоты продуктов сгорания природного газа на ряде предприятий по производству строительных материалов, в машиностроительной и химической отраслях промышленности, в частности на Ростовском химзаводе, Донецком экскаваторном заводе, Батайском заводе строительных материалов.
Методология работы. Исследования выполнены в рамках общей концепции рационального использования теплоты продуктов сгорания природного газа в промышленности, разработанной научной школой профессора М.Б. Равича, и концепции оптимизации газовоздушньгх трактов, разработанной профессором Л.А. Рихтером. В основу исследований положены общепринятые теоретические положения в областях аэродинамики, термодинамики, теплообмена, тепломассопереноса, в разработку которых большой вклад внесли научные коллективы под руководством профессоров Л.Д. Ландау, С.С. Кутателадзе, Н.Е. Кочина, Л.Г. Лойцянского, М.А. Ми-хеева, М.П. Вукаловича, И.И. Новикова, А.Д. Альтшуля, И.П. Гинсбурга, Л.А. Вулиса, Н.Я. Фабриканта и многих других. Точные и приближенные решения получены на основе современных математических методов.
Достоверность основных положений, выводов и рекомендаций гарантирована их достаточной обоснованностью, правомерностью принятых допущении и обеспечена:
В получением аналитических решений задач с их последовательным усложнением и сопоставлением полученных решений между собой, а также с известными выводами других исследователей для упрощенных случаев;
и сопоставлением результатов, полученных аналитическими и экспериментальными методами;
0 отсутствием противоречий между полученными результатами и общепринятыми теоретическими представлениями;
П результатами экспериментальных исследований, выполненных в лабораторных и натурных условиях.
Обсуждение работы. Материалы работы доложены на: Первом Всероссийском симпозиуме по прикладной и промышленной математике (г. Сочи, 2000), международном научно-практическом семинаре «Actual problem of building» (г. Керетаро, Мексика, 1998 г.), научном семинаре Московского государственного открытого университета (1999 г.), научно-практическом семинаре Российского государственного университета нефти и газа им. И.М.Губкина (1999 г.), международном научно-практическом семинаре «Актуальные проблемы строительства» (г. Ростов и/Д,1999 г.), международных научно-практических конференциях Ростовского государственного строительного университета (г. Ростов н/Д, 1997 - 2000 гг.), международной научно-практической конференции «Рациональное использование электроэнергии в строительстве и на транспорте» (г. Ростов н/Д, 2000 г.), научно-практических конференциях Ростовского инженерно-строительного института (г. Ростов н/Д 1985-1992) и Ростовской государственной академии строительства (г. Ростов н/Д, 1994-19% гг.), мевдународных научно-практических конференциях Ростовского государственного архитектурного института (г. Ростов н/Д, 1998-2000 гг.), научно-практическом семинаре «Безопасность, экология, энергосбережение» (Гизель-Дере, 1999 г.), научно-технических советах Донецкого экскаваторного завода, Батайского завода строительных материалов, Ростовского химического завода и др.
Публикации. Основное содержание диссертационной работы изложено в монографин и 51 научной публикации, в том числе получено 3 авторских свидетельства на изобретения.
Структура и объем работы Диссертация состоит из введения, шести разделов, заключения, списка литературы и приложений. Результаты исследований представлены на 248 страницах основного текста, включают 66 рисунков, 15 таблиц, библиографию из 175 наименований.
