Введение к работе
Актуальность работы. В связи с переходом к рыночным отношениям с 90-х годов прошлого столетия, в нашей стране произошли коренные изменения в отношениях к проблеме энергосбережения на всех уровнях хозяйственной деятельности. В настоящее время проблема энергосбережения является одной из приоритетных государственных задач, от решения которой во многом зависит успех экономического развития и подъема промышленности на основе инноваций, использования новых технологий и оборудования.
В промышленных технологиях в качестве греющего теплоносителя широко используется водяной пар. Вторичным энергоресурсом при этом является конденсат пара. Конденсат из пароиспользующих аппаратов удаляется через устанавливаемые за ними конденсатоотводчики, препятствующие проходу несконденсировавшегося (пролетного) пара и работающие в автоматическом режиме. Решение задач энергосбережения и совершенствования пароконденсатного хозяйства предприятий в значительной степени зависит от характеристик используемых конденсатоотводчиков.
Отечественной промышленностью конденсатоотводчики освоены недостаточно и эффективность их использования на практике пока невысока. Ни один из используемых в настоящее время типов конденсатоотводчиков, различающихся по принципу действия и по конструкции, не удовлетворяет полностью предъявляемым к ним требованиям. На многих предприятиях конденсатоотводчики часто демонтируются по причине их ненадежной работы и в этом случае из теплообменных аппаратов вместе с конденсатом выходит в больших количествах пролетный пар. Чаще всего на предприятиях применяют открытые системы сбора конденсата, в которых пролетный пар выпускается в атмосферу и его потери оцениваются в среднем по стране величиной 25% количества потребляемого пара.
Хотя мировая история использования конденсатоотводчиков насчитывает более 100 лет, но до настоящего времени не создано достаточно полной теоретической основы их работы, что обусловлено сложностью протекающих в них гидродинамических и неравновесных термодинамических процессов. Отсюда вытекает важность и актуальность решаемых в диссертации задач.
Целью диссертационной работы является повышение энергоэффективности использования технологического пара на основе разработки новых конденсатоотводчиков с улучшенными характеристиками.
В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:
разработка нового эффективного двухкамерного конденсатоотводчика с закрытым поплавком и инверсным клапанным узлом;
разработка новых эффективных конденсатоотводчиков поплавкового типа с разгруженными от действия давления клапанными узлами;
разработка нового эффективного конденсатоотводчика с дросселирующим элементом и аккумулирующим объемом;
экспериментальное исследование гидравлических характеристик нового конденсатоотводчика с дросселирующим элементом в виде набора шайб;
экспериментальное исследование пропускной способности инверсного клапанного узла;
разработка математических моделей и создание на их основе методик расчета предложенных новых конденсатоотводчиков;
промышленные испытания новых конденсатоотводчиков с дросселирующими элементами и поплавкового типа.
Научная новизна работы заключается в следующем:
получены новые экспериментальные данные по гидравлическому сопротивлению дросселирующих элементов и инверсных клапанных узлов конденсатоотводчиков при истечении недогретой и самовскипающей жидкости;
построены математические модели новых конденсатоотводчиков, включающие в себя связи между кинематическими параметрами изучаемых объектов, теоретические и новые, полученные автором, эмпирические соотношения для характеристик течения одно-и двухфазных (пар-жидкость) потоков в клапанных узлах;
разработаны методики и алгоритмы машинного расчета предложенных новых эффективных конденсатоотводчиков;
решена задача определения оптимальных конструктивных характеристик открытых снизу поплавков.
Практическая значимость работы заключается в создании новых конденсатоотводчиков (патенты № 111608 и № 2441182, решения о выдаче патентов по заявкам на изобретения № 2010145555/06, № 2011117470/06), отличающихся простотой конструкции, изготовления и эксплуатации, высокой функциональной эффективностью в широких интервалах изменения давления и расхода пропускаемого конденсата. Предложенные и исследованные конденсатоотводчики по показателю эффективности и своим технико-экономическим характеристикам превосходят имеющиеся аналоги. Они внедрены на многих промышленных предприятиях, где практически полностью исключили выход пролетного пара из паропотребляющего оборудования, за которым они установлены. В диссертации выполнен анализ экономической эффективности использования вторичного пара, образующегося из удаляемого конденсата, по внутренней схеме утилизации за счет сжатия пара. Даны рекомендации и предложены способы повышения эффективности использования водяного пара в некоторых отраслях промышленности.
Полученные в работе результаты могут быть использованы на предприятиях и объектах, где в качестве греющего теплоносителя используется глухой водяной пар. Помимо этого, исследованные конструкции конденсатоотводчиков найдут применение в качестве простых и эффективных фазоразделяющих устройств в целом ряде промышленных технологий и, в частности, при подготовке и переработке на промыслах углеводородных газов, в ректификационных установках химической, пищевой и других отраслей промышленности.
Результаты исследования используются в Саратовском ГТУ имени Гагарина Ю.А. при чтении учебных дисциплин «Теоретические основы энерго-и ресурсосбережения в химической технологии» и «Способы и средства энерго-и ресурсосбережения в химической промышленности» для студентов 4-го и 5-го курсов специальности МАХП, организации научно-исследовательской работы аспирантов и студентов, в дипломном проектировании.
На защиту выносятся:
разработанные конструкции новых конденсатоотводчиков (патенты № 111608, № 2441182 и решения о выдаче патентов по заявкам на изобретения № 2010145555/06, № 2011117470/06) с дросселирующим элементом и аккумулирующим объемом, и поплавкового типа;
результаты экспериментального исследования гидравлических характеристик нового конденсатоотводчика с дросселирующим элементом в виде набора шайб при истечении охлажденного и самоиспаряющегося конденсата;
результаты экспериментального исследования пропускной способности инверсного клапанного узла при истечении охлажденного и самоиспаряющегося конденсата;
математические модели и методики расчета новых конденсатоотводчиков с дросселирующими элементами в виде слоя твердых частиц и набора шайб, с закрытым и открытым сверху или снизу поплавками и инверсным клапанным узлом, а также с уравновешенным клапанным узлом;
результаты расчетного анализа характеристик новых конденсатоотводчиков;
результаты промышленных испытаний новых конденсатоотводчиков с дросселирующими элементами и поплавкового типа;
результаты сравнительного технико-экономического анализа предложенных новых конденсатоотводчиков и известных аналогов;
рекомендации по повышению эффективности использования водяного пара в отраслях промышленности, по использованию вторичного пара путем его сжатия струйным или винтовым компрессорами.
Достоверность результатов и выводов диссертационной работы обосновывается использованием фундаментальных закономерностей механики, технической термодинамики и теплопередачи. Разработанные математические модели и методики расчета прошли проверку на адекватность путем сравнения результатов расчетов с опытными данными других авторов и с данными, получеными путем прямых измерений на изготовленных в натуральную величину образцах конденсатоотводчиков, установленных за действующим пароиспользующим промышленным оборудованием.
Апробация работы.Основные положения диссертации были доложены и обсуждены на: Третьей Российской научно-технической конференции «Энергосбережение в городском хозяйстве, энергетике, промышленности» (Ульяновск, апрель 2001); Международной научно-технической конференции «Энергосбережение в теплоэнергетических системах» (Вологда, апрель 2001); Международной конференции «Технические, экономические и экологические проблемы энергосбережения» (Саратов, октябрь 2001); Международной научно-технической конференции «Моделирование, оптимизация и интенсификация производственных процессов и систем» (Вологда, октябрь 2001); Первой международной научно-практической конференции «Современные энергосберегающие тепловые технологии (сушка и термовлажностная обработка материалов) СЭТТ – 2002» (Москва, сентябрь 2002); Международном научно-техническом семинаре «Актуальные проблемы сушки и термовлажностной обработки материалов» (Воронеж, май 2010); VII школе-семинаре молодых ученых и специалистов акад. РАН В.Е. Алемасова «Проблемы тепломассобмена и гидродинамики в энергомашиностроении» (Казань, сентябрь 2010); Седьмой Международной теплофизической школе «Теплофизические исследования и измерения в энергосбережении, при контроле, управлении и улучшении качества продукции, процессов и услуг» (Тамбов, сентябрь 2010); Пятой Международной школе-семинаре молодых ученых и специалистов «Энергосбережение – теория и практика» (Москва, октябрь 2010); Международной научной конференции «Современные научно-технические проблемы теплоэнергетики и пути их решения» (Саратов, октябрь 2010); Четвертой международной научно-практической конференции «Современные энергосберегающие тепловые технологии (сушка и термовлажностная обработка материалов) СЭТТ – 2011» (Москва, сентябрь 2011); образцы разработанных новых конденсатоотводчиков экспонировались на 12-й специализированной выставке с международным участием «Энергетика. Энергоэффективность.2010» в г. Саратове (получен диплом выставки) и на Шестом Саратовском салоне изобретений, инноваций и инвестиций в 2011 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 18 печатных работ, в том числе 4 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, получено два патента РФ на изобретение № 111608 и полезную модель № 2441182.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, библиографии из 123 наименований, из них 19 зарубежных работ, изложена на 161 странице, содержит 70 рисунков, 4 таблицы, 9 приложений. Общий объем работы составляет 185 страниц.
