Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние и перспективы решения проблем энергосбережения в России 23
1.1. Актуальность энерго- и ресурсосбережения 23
1.2. Состояние проблемы энергосбережения в Иркутской области .. 34
1.2.1. Общая характеристика промышленности 34
1.2.2. Топливно-энергетический комплекс (ТЭК) 36
1.2.3. Электроэнергетика 39
1.2.4. Лесопромышленный комплекс 41
1.3. Состояние разработок научных основ энергосбережения 44
1.3.1. Обзор возможностей расчета внешнего тепломассообмена 51
1.3.2. Обзор возможностей расчета внутреннего тепломассообмена 63
1.3.3. Влияние неравномерного тепломассообмена на продолжительность технологических процессов и энергосбережение 66
1.4. Постановка задачи исследования 75
Глава 2. Экспериментальные исследования энергетической эффективности промышленных установок для термообработки капиллярно-пористых материалов 78
2.1. Промышленные испытания сушилки для пиломатериалов 78
2.1.1. Исследование аэродинамической обстановки крупногабаритной сушильной машины 78
2.1.2. Тепловизионные обследования процессов сушки термически толстых материалов 81
2.2. Исследование газодинамики высокопроизводительной установки для термообработки длинномерных материалов 86
2.2.1. Исследование газодинамики сушильной машины и её элементов 87
2.2.2. Исследование кинетики сушки длинномерных материалов 89
Выводы по главе 91
Глава 3. Расчетные и экспериментальные исследования аэродинамических и тепломассообменных характеристик проточных час тей промышленных установок 92
3.1. Математическая модель расчета канальных течений сложной геометрии в 2-х, 3-х мерной постановке 93
3.1.1. Моделирование процессов течения и тепломассообмена с помощью вычислительного комплекса «PHOENICS».. 101
3.1.2. Экспериментальные исследования по оценке влияния направленных потоков инородной массы на динамиче ские характеристики течения 108
3.1.2.1. Описание экспериментального стенда 109
3.1.2.2. Методика проведения экспериментальных исследований, погрешности 113
3.1.2.3. Результаты лабораторных экспериментальных исследований 127
3.1.2.4. Обобщение экспериментальных данных 129
3.1.2.5. Учет в математической модели закономерностей течения и тепломассообмена при дополнительном воздействии направленных потоков легкой массы и степени турбулентности... 133
3.2. Математическая модель расчета течения и тепломассообмена с учетом осложняющих факторов 136
3.3. Численное моделирование с помощью вычислительного комплекса «PHOENICS» 138
3.3.1. Тарировочные расчеты с помощью вычислительного комплекса по данным лабораторных исследований 139
3.3.2. Численное моделирование с учетом осложняющих факторов на примере промышленной установки 141
3.4. Результаты численного моделирования «PHOENICS» течения и тепломассообмена различных теплотехнологических установок 142
3.4.1. Аэродинамические характеристики распределительных каналов в финских высокопроизводительных сушильных установках 143
3.4.2. Аэродинамика топочного пространства котлоагрегата Б-50-14 144
3.5. Аэродинамика малогабаритных камер для сушки материалов
неправильной формы 146
Выводы по главе 148
Глава 4. Расчетные и экспериментальные исследования внутреннего тепломассопереноса при термообработке капиллярно-пористых тел 150
4.1. Расчетная модель внутреннего тепломассопереноса 150
4.2. Экспериментальные исследования канальных течений при наличии осложняющих факторов (пористость, физические свойства испаряемых жидкостей) 154
4.2.1. Описание экспериментального стенда 154
4.2.2. Методика проведения эксперимента, погрешности 158
4.2.3. Результаты лабораторных исследований по влиянию пористости и физических свойств на коэффициенты тепло- и массопереноса 159
4.2.4. Обобщение экспериментальных данных 166
4.3. Экспериментальные исследования по определению влияния температурного фактора на вынос неоднородностей в пограничный слой 167
4.3.1. Описание экспериментального стенда 167
4.3.2. Методика проведения эксперимента, погрешности 169
4.3.3. Результаты лабораторных исследований по определению наличия неоднородностей в пограничном слое при испарении 172
4.3.4. Обобщение экспериментальных данных 177
4.4. Расчетная модель внутреннего тепломассопереноса с учетом универсальных граничных условий 178
4.5. Программа расчета внутреннего тепломассопереноса «Fields» с использованием универсальных граничных условий 180
4.5.1. Описание программного продукта 181
4.5.2. Проверка работоспособности программы 182
4.6. Тестирование программы 184
Выводы по главе 187
Глава 5. Численные исследования взаимосвязанного тепломассопереноса в промышленных установках 189
5.1. Результаты расчетных исследований конвективной сушки влажных материалов в крупногабаритных установках 189
5.1.1. Влияние внешнего динамического фактора на интенсивность процесса сушки 191
5.1.2. Влияние пространственной компоновки элементов тер-мообрабатываемых материалов на эффективность технологического процесса 194
5.2. Программное обеспечение для представления неравномерных полей физических величин сложной конфигурации 200
5.3. Результаты расчетных исследований внутреннего тепломассопереноса в капиллярно-пористых телах 206
5.3.1. Влияние внешнего температурного фактора на изменение внутренних полей температуры и влагосодержания капиллярно-пористых тел 207
5.3.2. Влияние внешнего динамического фактора на изменение продолжительности сушки капиллярно-пористых тел 212
5.3.3. Определение рациональных кондиционных параметров при термообработке капиллярно-пористых тел 215
Выводы по главе 225
Глава 6. Энергосбережение при рациональном энергопользовании за счет управления аэродинамической обстановкой в теплотехнологических установках 227
6.1. Энергосбережение при широкомасштабном производстве пи-лопродукции 227
6.2. Энергосбережение при сушке материалов сложной геометрии
в малогабаритных сушильных установках 232
6.3. Энергосбережение при многотоннажном производстве термически толстых тел 239
6.4. Энергосбережение при совершенствовании аэродинамических характеристик топочных камер 243
Выводы по главе 250
Выводы 253
Список использованной литературы
- Состояние проблемы энергосбережения в Иркутской области
- Тепловизионные обследования процессов сушки термически толстых материалов
- Экспериментальные исследования по оценке влияния направленных потоков инородной массы на динамиче ские характеристики течения
- Результаты лабораторных исследований по влиянию пористости и физических свойств на коэффициенты тепло- и массопереноса
Введение к работе
Актуальность работы. Природные ресурсы являются источником любого вида энергии. После соответствующей обработки и преобразований они поступают в виде конечной энергии к различным потребителям, наиболее крупными из которых являются промышленные. Экономия первичных энергоресурсов в значительной мере зависит от экономии топлива на стадии ее потребления. При этом количество полезно использованной потребителем энергии может быть в несколько раз меньше, чем количество затраченной энергии первичного топлива [37]. В среднем доля полезно используемых в народном хозяйстве энергоресурсов не превышает 30% [92, 117, 167]. Высокий уровень энергозатрат и значительные потери энергии, которые характерны для большинства отраслей промышленности и народного хозяйства, предопределяют актуальность проведения энергосберегающей политики [11, 146, 192].
Большое значение в современной теплоэнергетике имеют процессы переноса энергии (тепла) и массы вещества, интенсификация которых в различных теплоэнергетических процессах неизбежна при постоянном переходе на более высокие режимные параметры.
Теория тепло- и массопереноса является научной основой многих теплоэнергетических процессов, включающая в себя комплекс научных знаний из различных областей. Как правило, перенос тепла и массы вещества осуществляются в неразрывной связи. Поэтому отдельные дифференциальные уравнения движения (Навье-Стокса), переноса тепла (Фурье-Кирхгофа), диффузии (Фика) преобразуются в систему дифференциальных взаимосвязанных уравнений переноса массы и энергии, решение которых представляет значительные математические трудности даже при использовании современной вычислительной техники. В некоторых частных случаях тепло- и массопереноса, например, в капиллярно-пористых телах эта система уравнений может быть решена до конца.
Движение теплоносителя и тепломассоперенос при парообразовании в капиллярах и капиллярных структурах осуществляются во многих областях современной техники. Обширный обзор экспериментальных данных, теплообмен при различных условиях подвода тепла, методики расчета и экспериментального изучения процессов парообразования, испарения и кипения в капиллярных и капиллярно-пористых структурах представлены в [123], а также в работах [25, 36, 81, 87, 113, 100, 183 и др.].
Подвод тепла конвекцией (и излучением) со стороны поверхности испарения типичен для устройств испарительного охлаждения в системах тепловой защиты и в процессах сушки. Процесс парообразования при сушке существенно отличается от процессов испарения и кипения в капиллярно-пористых структурах: это нестационарный процесс, при котором определяющими характеристиками являются неравномерные в пространстве и во времени поля изменяющихся физических величин; при практически полном удалении влаги необходимо учитывать все формы влаги с материалом; в связи со сложностью и многообразием процессов сушки при выполнении специальных опытных исследований определяются соответствующие эмпирические коэффициенты в уравнениях тепломассопереноса. Поэтому, хотя процессам сушки, непосредственно связанным с парообразованием в пористых структурах и изучению их закономерностей, посвящено большое количество работ, основное содержание которых отражено в работах [121, 123, 127-130, 183, 191], технико-экономические показатели отечественных сушильных машин, как правило, уступают зарубежным аналогам. Поэтому требуются дальнейшие исследования для разработки энергоэкономичных приемов интенсификации как существующих способов сушки, так и новых научно-обоснованных высокоэффективных способов сушки для действующих и проектируемых установок.
Проведение активной энергосберегающей политики, в том числе и в технологии такого широко распространенного и энергоемкого теплотехнического процесса как сушка, обуславливается неоправданным ростом энерго емкости единицы продукции. В целом по России только по девяти наиболее энергоемким отраслям промышленности расход топлива [296] на сушку составляет около 2%. Возможные масштабы экономии энергии при использовании сушильной техники во многих отраслях промышленности составляют десятки млн. т. условного топлива.
Последнее особенно актуально в обширных регионах за Уральским хребтом, например, только в регионах Восточной и Западной Сибири доля промышленной продукции, получаемой с использованием сушильной техники достигает 18-22%.
Разработка математических моделей неравномерного тепломассообмена в рабочих камерах аппаратов и элементах оборудования, к примеру, в поверхностных теплообменниках, в контактных тепломассообменных аппаратах, в сушильных установках с конвективным массоотводом при различных физических механизмах теплоподвода и т.д., позволяющих рассчитывать неравномерные в пространстве и во времени поля изменяющихся физических величин путем решения нелинейных дифференциальных уравнений переноса с однотипной структурой, является важной задачей при выявлении нового потенциала энерго- и ресурсосбережения в низкотемпературных теплотехно-логических процессах промышленной теплоэнергетики.
При решении задач конвективного тепломассообмена в жидкости значительную роль сыграли методы математического моделирования, разработанные научной школой Д.Б. Сполдинга. Такие методы математического моделирования для исследования вариантов повышения энергоэффективности теплотехнологического оборудования до сих пор систематически не разрабатывались. Один из возможных подходов к решению этой актуальной проблемы описан в данной работе.
Научные основы по вопросам энергосбережения заложены в работах Ключникова А.Д., Ахмедова Р.Б., Доброхотова В.И., Макарова А.А., Мелен-тьева Л.А. и др. В вопросы развития теоретических основ по интенсификации процессов сушки внесли значительный вклад А.В.Лыков, Кришер О., Михайлов Ю.А., Гинзбург А.С., Красников В.В., Куц П.С. и др.
Среди работ, посвященных энергосбережению и энергетической оптимизации в процессах сушки, следует отметить работы Б.И. Леончика [41, 125], О.Л. Данилова [42, 47, 208], А.А. Долинского [55, 56], СИ. Коновальце-ва [95, 96, 97, 99, 101, 207] и др. В них, в частности, отмечается, что значительный потенциал заложен в методах интенсивного энерго- и ресурсосбережения, одним из аспектов которых является возможность управления неравномерностью тепломассообмена в теплотехнологических установках.
Математические модели и алгоритмы расчета тепломассообменных теплотехнологических аппаратов, учитывающие неравномерность кинетики процессов, позволяют решать задачи различной степени сложности - выполнять поверочный и конструктивный расчет, параметрическую оптимизацию по минимуму энерго- и ресурсоемкости при проектировании нового и при энергодиагностике действующего оборудования.
Реальная кинетика процессов при использовании наиболее широко распространенных методов расчета зачастую игнорируется. Не рассчитываются многомерные неравномерные поля изменяющихся физических величин, рассчитываются только их усредненные значения. Расчеты выполняются на основе эмпирических обобщений, причем в эмпирические формулы, равносильные заданию зависимости энергетических затрат от исходных параметров, уже заложен негативный эффект неравномерности.
Так, например, в многочисленных процессах сушки произвольных материалов, где кинетика процессов переноса сильно зависит от свойств твердых рабочих сред, наибольшими возможностями в исследовании нестационарных полей влагосодержания и температуры обладает математическая модель, базирующаяся на системе нелинейных дифференциальных уравнений для внутреннего влаго- и теплопереноса при сушке влажных тел [127, 180].
Использование подобной модели в вычислительном эксперименте является перспективным, т.к. в условиях непрерывного изменения входных ус ловий в сушилке (различные виды пород, изменение структуры, начального влагосодержания и т.д.) только расчет на ЭВМ позволяет контролировать состояние материала на выходе из сушильной камеры и управлять процессом сушки по заданным в первую очередь критериям качества сушильного материала. Однако, использование в широких диапазонах изменения характеристик материала отмеченной выше системы уравнений затруднено отсутствием кинетических коэффициентов.
Не учитываются не только реальные свойства конкретного материала, но и факторы, влияющие на массоперенос, такие как характерный размер пор, пористость материала, снижение действительной движущей силы внешнего массопереноса за счет изменения поверхностного влагосодержания и интенсивности испарения.
Интенсивное развитие современной теплоэнергетики, предопределяет и создание высокофорсированных промышленных теплоэнергетических установок, новых систем тепло- и энергосберегающей технологии, что практически невозможно без всестороннего изучения физики процессов тепло- и массообмена и разработки методов расчета локальных характеристик этих процессов. В частности, в многочисленных конвективных сушильных установках процессы гидродинамики и теплообмена осложняются целым рядом внешних факторов, которые необходимо учитывать при расчетах: меняющийся по длине режим течения энергоносителя (ламинарный, переходный, турбулентный); начальная степень турбулентности на входе в проточные части установок, большой уровень температурных напоров; наличие на рабочих поверхностях источников вещества и массы, а также продольных компонент скорости (движение поверхности, направленный вдув) и т.д.
Для расчета рациональных и новых режимов работы подобных установок, управления интенсивностью теплообмена в условиях неизотермических течений с переменной плотностью вещества, необходимо иметь методику расчета трения и тепломассообмена в турбулентных неизотермических пограничных слоях при испарении жидкостей. Поперечный поток пара, анало гичный вдуву инородного газа с различной степенью интенсивности, будет оказывать значительное влияние на характеристики пограничного слоя и протекающие в нем процессы [68, 69, 211, 303].
Целью работы является: экспериментальное и теоретическое исследования внешнего и внутреннего тепломассопереноса при целенаправленном изменении аэродинамической обстановки в энергоемких теплотехно-логических установках, разработка научно-обоснованных энерго- и ресурсосберегающих технических и технологических решений при термовлаж-ностной обработке дискретных капиллярно-пористых коллоидных материалов.
Для достижения указанной цели поставлен и решен ряд научно-технических задач, в том числе:
1. Создание лабораторного стенда и экспериментальное изучение особенностей испарения жидкостей с различными физическими свойствами из капиллярно-пористых тел при изменении их пористости с целью последующего учета возникающих физических явлений в математической модели сопряженного тепло- и массообмена.
2. Расчетно-экспериментальное исследование течения и внешнего тепло-и массообмена при ориентированной подаче инородного газа с переменной интенсивностью, углом вдува и степенью турбулентности для уточнения математической модели сушки.
3. Расширение возможностей использования физически обоснованной математической модели внутреннего тепломассопереноса в термически толстых влажных материалах для исследования и непрерывного расчета кинетики и динамики в 1-м и П-м периодах сушки в условиях неравномерных полей параметров сушки.
4. Настройка и адаптация вычислительного комплекса PHOENICS для решения задач исследования и проектирования рабочих камер тепло-технологических установок с целью воздействия конструктивными приемами на неравномерность тепломассообмена для снижения нера циональных энергетических затрат.
5. Разработка программного обеспечения для численных исследований нестационарных полей движущих сил во влажных материалах при сопряженном тепломассопереносе в условиях неравномерного распределения параметров сушки по сечению сушильной камеры.
6. Расчетно-экспериментальное изучение процессов движения и тепломассообмена для разработки рекомендаций по повышению эффективности крупногабаритного теплотехнологического оборудования.
7. Уточнение, дополнение и апробация методики теплотехнического расчета конвективных сушильных установок для сушки дискретных материалов с учетом влияния поперечного потока инородной массы на распределение динамических и тепловых полей и дополнительного стока тепла в пограничном слое.
8. Научное обоснование и разработка оригинальных конструктивных решений промышленных аппаратов и их элементов, обеспечивающих улучшение теплотехнических и технологических показателей. Научная новизна
1. Экспериментально установлено влияние пористости П, температуры t и вида растворов на интенсивность испарения при конвективной сушке дискретных капиллярно-пористых коллоидных тел и получены зависимости, необходимые для реализации математической модели взаимного тепломассопереноса. В зоне испарения выявлены оптические неоднородности, проведена оценка их размеров и числа в объеме перетяжки лазерного пучка.
2. Исследованы процессы ориентированной подачи инородного газа при варьировании интенсивности подачи, углов вдува и различной степени турбулентности на осредненные и пульсационные характеристики турбулентного изотермического бинарного пограничного слоя. Установлено активное влияние слабых вдувов (с интенсивностью до 0,6 %) на оттеснение скоростных и концентрационных полей и турбулентных пульсационных составляющих потоков во внешнюю область пограничного слоя, учет которых необходим при испарении водных и неводных жидкостей в паровоздушную среду.
Уточнена методика расчета течения и тепломассообмена в каналах и рабочих камерах теплотехнологических установок с конвективным теплоподводом, процессы в которых осложнены наличием инородных потоков массы (при различной степени турбулентности набегающего потока) с поверхностей капиллярно-пористых материалов.
3. Развита и дополнена физически обоснованная модель и расширены возможности использования системы уравнений взаимосвязанного те-пломассопереноса при сушке дискретных термически толстых капиллярно-пористых тел, позволяющих рассчитывать и исследовать кинетику и динамику сушки, протекающих как в 1-м, так и во П-м периодах сушки, за счет учета изменения поверхностного влагосодержания и интенсивности испарения на действительную движущую силу внешнего массопереноса.
4. Создано программное обеспечение для расчета нестационарных полей движущих сил процесса обезвоживания дискретных материалов в условиях неравномерного тепло- и массообмена и проведены численные исследования локальных и интегральных характеристик динамики и кинетики сушки, результаты которых позволили:
- установить качественное и количественное влияние неравномерных профилей потоков тепла на профиль конечного влагосодержания сушимого материала, объяснить причины возникновения технологического брака и перерасхода энергии, предложить способы рационального деформирования профилей параметров сушильного агента;
- обосновать новый подход к управлению совместным тепло- и мас-сообменом при конвективной сушке капиллярно-пористых коллоидных материалов, методологической основой которого служит ис пользование в качестве регулируемых параметров профилей скорости и температуры сушильного агента; — выявить возможности снижения энерго- и материалоемкости промышленных установок за счет интенсификации процессов тепло- и массообмена при реконструкции отдельных элементов теплотехнического оборудования.
5. Изучены процессы движения и совместного тепло- и массообмена в перекрестноточных сушилках для сушки дискретных материалов. Получены новые расчетные и экспериментальные данные, необходимые для реализации энерго- и ресурсосбережения. Разработаны новые формы конструкций газоподводящих, газораспределительных и газонаправляющих устройств в рабочих камерах теплотехнологических аппаратов, позволяющие снизить непроизводительный расход энергоресурсов, брак, внеплановые остановки на текущий ремонт.
6. Разработаны и реализованы новые способы повышения энергетической эффективности теплотехнических и теплотехнологических установок (котлоагрегатов, крупногабаритных конвективных сушильных установок для термообработки толстых и тонких капиллярно-пористых материалов, сопловых направляющих аппаратов, газораспределительных устройств и др.), защищенных авторскими свидетельствами и патентами Российской Федерации на изобретения.
Автор защищает:
1. Качественные и количественные изменения, включая учет структурных характеристик скелета сушимых материалов, в физической модели и системе дифференциальных уравнений взаимосвязанного тепломассоперено-са, описывающих непрерывную сушку материалов термически толстых материалов в 1-м и П-м периодах.
2. Результаты экспериментальных исследований по влиянию: пористости материалов и физических свойств испаряемых жидкостей на интенсивность испарения; инородного потока массы и его направленности на рас пределение динамических, тепловых и концентрационных профилей и их рабочие характеристики; количественные показатели при дополнительном стоке тепла в пограничном слое при испарении.
3. Комплексный метод расчета внутреннего и внешнего тепломассообмена на базе вычислительного комплекса PHOENICS и оригинального программного продукта для расчета кинетики и динамики внутреннего тепломассообмена капиллярно-пористых тел с использованием универсальных граничных условий.
4. Результаты численных исследований нового метода энерго- и ресурсосбережения — кинетической оптимизации применительно к сушке термически толстых капиллярно-пористых дискретных материалов.
5. Результаты промышленных исследований температурных полей и тепловых потоков дискретных материалов в крупногабаритных сушильных установках для сушки пиломатериалов, полученных тепловизионным методом и скорректированных с учетом влияния процессов испарения на погрешность расшифровки тепловизионных изображений.
6. Предложенные научно-обоснованные и апробированные рекомендации по интенсификации процессов сушки и сокращению энергозатрат на действующих сушильных установках, по выбору геометрических размеров и форм распределительных устройств рабочих камер теплотехнологических установок и др.
Практическая значимость результатов работы. На основе теоретических, экспериментальных и опытно-промышленных исследований:
- разработан программный продукт для теплотехнических расчетов и численных исследований сопряженного тепло- и массообмена в условиях неравномерности полей плотности потоков массы и тепла по поперечному сечению камер теплотехнологического оборудования, позволяющий повысить точность определения конструктивных размеров установок, оценивать вероятность локального ухудшения характеристик обрабатываемых материалов;
- созданы новые и модернизированы существующие конструкции газо распределительных сопловых устройств сушилок финской фирмы «Рауте» для сушки шпона, позволившие управлять интенсивностью сушки в диапазоне 12 - 16% от номинала;
- уточнена методика расчета течения и тепломассообмена в рабочих камерах и каналах крупногабаритных теплотехнологических установок, в которых процессы конвективного энергоподвода при различной степени турбулентности основного энергоносителя осложнены направленным инородным вдувом потока меньшей плотности с малой интенсивностью. Экспериментальные данные и скорректированная методика расчета могут быть использованы при анализе, модернизации, а также разработке и проектировании крупногабаритного теплотехнологического оборудования и сушилок;
- усовершенствованы системы распределения газообразного энергоносителя для крупногабаритных сушилок финской фирмы «Валмет», установленных на ОАО «ЦКК» в г. Братске и на ОАО «Усть-Илимский ЛПК», а также итальянских сушильных камер фирмы «Copcal», расположенных на «Братском ЗСИ», позволившие за счет снижения неравномерности конвективного энергоподвода уменьшить практически вдвое величину технологического брака кондиционной продукции;
- повышена надежность работы и снижены непроизводительные затраты при определении рациональных характеристик узла подачи заднего дутья и расходных параметров горелочных устройств котлоагрегатов Б-50-14, установленных на центральной котельной Братского алюминиевого завода;
- выполнена и внедрена работа по использованию низкопотенциального тепла центральных бытовых цехов металлургического предприятия для сушки специальных материалов сложной формы в ограниченном временном интервале при рациональном управлении аэродинамической обстановкой в рабочей камере.
Автор выражает глубокую признательность своему научному консуль танту, профессору, д. т. н. О. Л. Данилову за терпение, ценные советы и огромную помощь при выполнении работы. Автор также выражает благо дарность профессору, д.т.н. Ю. М. Павлову, к.т.н., доценту Горяеву А.Б., д.т.н., профессору Э.Д. Сергиевскому за постоянную моральную поддержку на протяжении всего времени подготовки диссертационной работы и всему коллективу кафедры ТМПУ МЭИ (ТУ) за конструктивные замечания и советы по теме диссертации.
Публикации. Основные научные положения, выводы и рекомендации диссертации содержатся в 147 опубликованных работах, в том числе в авторском свидетельстве и 2 патентах, десяти учебных пособиях (четыре с грифом УМО), одиннадцати в реферируемых изданиях по списку ВАК, в более 120 научных работах в материалах: международных, всесоюзных, всероссийских и республиканских симпозиумов, конференций и семинаров; межвузовских сборников; центральных изданий; зарубежных журналов и сборников.
Объем и структура работы. Материал диссертации изложен на 297 страницах машинописного текста. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, выводов, списка литературы, насчитывающего 319 наименований, приложений и содержит 96 рисунков и 17 таблиц.
Состояние проблемы энергосбережения в Иркутской области
В Иркутской области современная промышленность сложилась под воздействием двух определяющих факторов [161]: наличием дешевой энергии (гидроэнергия и уголь); обеспеченностью лесными и минеральными ресурсами.
Основу промышленности области составляют топливно-энергетический, лесопромышленный и нефтехимический комплексы, а также металлургия (прежде всего, цветная) и машиностроение. Удельный вес их в общем объеме производимой промышленной продукции превышает 87% (рис. 1.1).
Уровень промышленного производства в Иркутской области за годы реформ (1990-1998гг.) снизился более чем в 2 раза. В 1999 г. во многих отраслях промышленности падение производства приостановилось, а в некоторых начался рост.
Существенные изменения в структуре промышленности произошли с 1990 года. Резко уменьшился удельный вес в общем объеме производимой продукции таких отраслей как легкая промышленность (с 4% в 1990г. до 0,3% в 1998г.), машиностроение (с 16 до 8%), промышленность стройматериалов (с 4 до 1,9%), нефтепереработка (с 13 до 7%), лесопромышленный комплекс (с 24 до 18%). В то же время возросла доля электроэнергетики (с 6 до 23%), цветной металлургии (с 13 до 19%) и угольной промышленности (с 2 до 6%). И это не смотря на то, что производство электроэнергии и добыча угля в этот период существенно сократились.
Доля расходов на топливо и энергию в затратах в целом по промышленности равна 21,8 % (табл. 1.5). Наибольший удельный вес этих расходов в структуре затрат имеет место в электроэнергетике (36%), цветной металлургии (30%), нефтепереработке (29%) и химическом комплексе (25%).
Подавляющая часть (87%) в суммарном по промышленности объеме затрат на топливо и энергию приходится на пять отраслей: электроэнергетику, цветную металлургию, нефтепереработку, химический и лесопромышленный комплексы. При этом на электроэнергетику и цветную металлургию приходится 54,5%.
Регион является крупным производителем и потребителем топлива и энергии. ТЭК области формируется тремя основными отраслями: электроэнергетикой, нефтепереработкой и угольной промышленностью. По объему производимой продукции в отраслях ТЭК превалирует электроэнергетика (65,1%). Вклад нефтепереработки и угольной промышленности примерно одинаков и равен соответственно 18,6 и 16,1%).
Иркутская область по удельным (на душу населения) показателям производства и потребления многих видов ТЭР в несколько раз превосходит средние значения по Российской Федерации (табл. 1.6).
Принципиальными особенностями топливно-энергетического баланса (ТЭБ) области, определяющими условия энергоснабжения и эффективность энергопотребления в регионе, являются следующие.
1. Обеспеченность собственными энергоресурсами. В Иркутской области сосредоточено более 3,8 % запасов угля, около 1,5 % газа, 1 % нефти и 8 % гидропотенциала России. Это один из немногих регионов России, который имеет в достатке собственные топливно-энергетические ресурсы всех видов.
2. Значительная доля угля в структуре внутреннего потребления первичных ТЭР. С 1990 г. по 2005 г. доля угля в приходной части ТЭБа области несколько снизилась - с 54,8% до 48,4%. Большое потребление угля в регионе, в том числе у мелких потребителей, обуславливает низкую эффективность использования ТЭР и порождает серьезные экологические проблемы.
3. Низкое качество добываемых углей. Низкое качество местных углей ограничивает эффективность их применения, ведет к усложнению схем топливоснабжения мелких и удаленных потребителей и увеличению транспорт ных расходов, является причиной усложнения и удорожания мероприятий по повышению эффективности использования угля у потребителей, особенно мелких.
4. Недостаточное внимание к использованию природного газа. По этой причине в настоящее время в регионе нет условий для применения новейших высокоэффективных и достаточно дешевых технологий как у производителей, так и у потребителей энергии.
5. Наличие дешевой энергии. По ряду объективных причин местный уголь и электроэнергия ГЭС в настоящее время в области стоят достаточно дешево. Имеются веские основания полагать, что такое положение сохранится и в будущем. Следствиями являются: а) ослабление стимулов для энергосбережения; б) усиление стимулов для развития энергоемких производств.
6. Большая доля гидроэнергии в структуре приходной части ТЭБа. Несмотря на достаточно стабильную выработку электроэнергии ГЭС, доля гидроэнергии в структуре приходной части ТЭБа имеет тенденцию к возрастанию - с 20,3% в 1990 г. до 31,4% в 2005 г. (табл. 1.7, 1.8), что является следствием сокращения потребления органических топлив. Это обеспечивает возможность поддержания в регионе самых низких в Российской Федерации тарифов на электроэнергию.
Тепловизионные обследования процессов сушки термически толстых материалов
Инфракрасное сканирование играет важную роль в техническом обслуживании промышленного оборудования. Изображения, полученные в невидимом человеческому глазу тепловом диапазоне, позволяют без соприкосновения с объектом получить полную информацию о распределении температуры по поверхности объекта, что позволяет выявить температурные аномалии, нередко предшествующие отказам техники.
Тепловые методы контроля оборудования позволяют производить его диагностику в процессе эксплуатации, не требуя отключения оборудования на время диагностики, использования трудоемких измерений температуры и тепловых выделений.
Современные приборы для инфракрасного обследования обладают широкими возможностями для отслеживания тепловой информации в реальном времени, что существенно повышает оперативность контроля. Кроме того, современный инфракрасный прибор обязательно имеет устройство для запоминания полученных тепловых изображений с целью их последующей обработки в лабораторных условиях. Это позволяет проследить долговременные тенденции поведения оборудования и выявить возможные неисправности задолго до их возникновения.
При энергоаудите крупного лесопромышленного комплекса и деревообрабатывающего завода [245] использовался ИК-сканер «Аврора». Линейный сканер является оптико-электронным устройством. В основе его работы лежит принцип преобразования потока инфракрасного излучения от объекта, принимаемого чувствительным элементом, в электрический сигнал, пропорциональный тепловой спектральной мощности потока излучения.
Некоторые технические характеристики: спектральный диапазон измерений, мкм - 3-5; температурное разрешение (при t = 30 С), С - 0,5; диапазон измеряемых температур, С - от -20 до +200; погрешность измерения температуры, С - 1; мгновенный угол зрения, мрад - 5; угол сектора сканирования, град. - 40.
Основные возможности сканера: снятие термопрофилей в режиме реального времени с возможностью записи в память прибора; получение полной тепловой картины объекта с записью в память и последующим анализом на компьютере; одновременное отображение на экране видимого и ИК-изображений для более точного определения дефектов; построение изотерм, спотметры, изменение палитр изображений; экспорт информации в любые графические редакторы под управлением операционной системы Microsoft Windows, генерация отчетов в виде HTML-файлов. Работа с ИК-сканером велась в одном из двух основных режимов: оперативном и в режиме получения тепловых изображений. На ЛДЗ ОАО «ЦКК» экспериментальные исследования проводились для температурных режимов работы конвективных сушилок непрерывного действия фирмы «Валмет» [244]. С помощью тепловизионного оборудования выполнены фотографические съемки и сканирование распределения температурного профиля в штабеле сразу после выгрузки из сушильной камеры (рис. 2.3а). Отмечается более высокий фон температур в нижней части штабеля, что, очевидно, связанно с более значительным энергоподводом в этой части штабеля. Последнее свидетельствует о неравномерном поле скоростей, а значит и температур в узле распределения параметров сушки по высоте камеры. Также были выполнены контрольные замеры конечного влагосодер-жания с интервалом 0,7 м по длине пиломатериала и 0,4 м по высоте передней и задней частей штабеля, которые подтверждают данные тепловизионного обследования готовой продукции.
Замеры конечного влагосодержания выполнены с интервалом 0,7 м по длине пиломатериала и 0,4 м по высоте, как со стороны подачи сушильного агента, так и со стороны выхода агента сушки из штабеля с толщиной доски 25 мм.
Распределение температурного профиля в штабеле после выгрузки из сушильной камеры: а) - фронтальная часть (сечение pl-pl, рЗ-рЗ); б) торцевая часть (сечение р 1 -р 1, р4-р4). По результатам замеров были построены графики распределения конечного влагосодержания сок по длине пиломатериала в зависимости от высоты штабеля и распределения конечного влагосодержания по высоте пиломатериала с учетом разброса измеренных значений по длине штабеля (рис. 2.4, 2.5, каждая точка - усредненное значение из пяти точек по длине).
При проведении исследований ориентировочно штабель по длине был разделен на три зоны: 1) 0 + 1,7 м; 2) 1,7 + 4,3 м; 3) 4,3 6 м (соответственно - левая, центральная, правая стороны штабеля). Из графика (рис. 2.4) следует, что изменение шк по длине пиломатериала со стороны подачи сушильного агента находится в пределах: 1) 14,8+16,8 %; 2) 16,2+16,8 %; 3) 16,8-12,4 %. Со стороны выхода сушильного агента из штабеля значения о)к изменяются в пределах: 1) 12,0+13,8 %; 2) 13,8+12,3 %; 3) 12,3+11,0%. Средние значения конечного влагосодержания с учетом опытных данных, полученных во фрон тальной и задней частях штабеля, составили: 1) 13,4- 14,8 %; 2) 14,8- 14,3 %; 3) 14,3+11,8%.
Экспериментальные исследования по оценке влияния направленных потоков инородной массы на динамиче ские характеристики течения
При математическом описании процессов в сложных тепло- и аэродинамических условиях необходимы определяющие соотношения для выбранных моделей турбулентности, которые могут быть получены, в частности, экспериментально на специальных лабораторных установках для выбранной сложной задачи исследования.
Выполнение необходимого объема опытных измерений требует большой методической подготовки, т.е. разработки способов измерения требуе 109 мых величин, создания конструкций и изучения характеристик применяемых зондов, изучения особенностей используемой аппаратуры, влияния собственного шума аппаратуры и т.д.
В данном параграфе представлено краткое описание специально разработанной аэродинамической установки для исследования неоднородных и неизотермических турбулентных течений. Конструкция установки позволяла варьировать такими величинами, как величина продольного градиента давления, уровень турбулентности на входе в канал, температура нижней стенки канала и др., интенсивность однородного и инородного вдува. Также дано описание процесса измерений осредненных и пульсационных составляющих скорости, температуры и концентрации. Проведена оценка погрешностей измерений, выполнены квалификационные исследования характеристик аэродинамической установки.
Описание экспериментального стенда
Экспериментальные исследования структуры бинарного турбулентного и неизотермического пограничных слоев проводились на аэродинамической установке открытого типа, схема которой приведена на рис. 3.2.
Через пылезащитный фильтр 6 и гибкий участок 7, уменьшающий механические вибрации, поток воздуха поступает в ресивер 8. Далее воздух проходит участок подготовки потока, состоящий из хонейкомба 9, сеток 11 и решеток 10 с различным числом отверстий переменного диаметра для регулирования степени турбулентности основного потока. Сетки выполнены из нержавеющей проволоки диаметром 0,25 мм с размерами ячейки 0,4x0,4 мм". Хонейкомб собран из медных трубок диаметром 2 мм, длиной 22 мм и толщиной стенки 0,1 мм. Основной поток подавался вентиляторами 5 марки ДВ-1КМ, производительность которых варьировалась за счет изменения выходного напряжения на двигателях вентиляторов с помощью выпрямителя ВУ-70Б. Скорость набегающего потока варьировалась от 2 до 35 м/с.
Рабочий участок аэродинамической установки прямоугольного сечения 60x100 мм и длиной 620 мм имеет две боковые съемные стенки из оргстекла толщиной 10 мм. На одной из их на расстоянии 45 мм от уровня нижней пластины расположены 10 отверстий для отбора статического давления в различных сечениях канала (рис. 3.3). Конструкция отверстий [282] позволяет свести к минимуму погрешности измерения вследствие отрыва течения, искривления течения на отверстиях. В соответствии с рекомендациями работы [281] с помощью профильного сопла, обеспечивающего шестикратное под-жатие, осуществлялся плавный переход от участка подготовки потока к рабочему участку. С помощью регулировочных винтов на верхней гибкой пластине 11 можно менять геометрию канала и, следовательно, продольный градиент давления.
Перемещение датчиков по нормали к поверхности в канале осуществлялось координатным устройством 13, выполненным на базе микрометрического винта с ценой деления 0,01 мм. Катетометром КМ-6 с погрешностью 0,005 мм проводилось измерение расстояния между двумя датчиками, а также между стенкой и датчиком.
На нижней стенке рабочего канала расположен узел крепления пористых пластин 18 с распределительным устройством 19, схема которого аналогична узлу, описанного в работе [286]. При экспериментальных исследованиях вдуваемый воздух нагнетался четырьмя последовательно включенными вентиляторами 14 марки ДВ-201, производительность которых также регулировалась выпрямителем ВУ-70Б. Инородный газ подавался от батареи баллонов 17 через систему фильтров и ресивер 15. Далее вдуваемый компонент подавался в рабочий участок установки, проходя последовательно регулировочный вентиль, ротаметр 16 и теплообменник-электронагреватель 20, тепловая мощность которого при необходимости регулировалась автотрансформатором 21.
Результаты лабораторных исследований по влиянию пористости и физических свойств на коэффициенты тепло- и массопереноса
Квалификационные исследования характеристик аэродинамической установки и экспериментальной методики измерений выполняются для исследования характеристик аэродинамической установки, экспериментальных моделей и анализа результатов предварительных измерений для проверки их достоверности.
Большое значение для получения достоверных данных при исследовании течения на проницаемых поверхностях имеют характеристики пористых , пластин, такие как постоянство угла вдува по всей поверхности пластины, шероховатость поверхности, равномерность проницаемости пластины. Детальное исследование [31, 89, 286] перечисленных характеристик пористых пластин, аналоги которых использованы и в данной работе, показало возможность получения с достаточной точностью экспериментальных результатов.
Измерения гидродинамических и тепловых характеристик турбулентного пограничного слоя проводилось на обогреваемой медной пластине, которая устанавливалась в нижней части рабочего канала аэродинамической установки. На гладкой пластине в условиях развивающегося турбулентного неизотермического пограничного слоя проведены квалификационные исследования, сопоставляемые с данными других авторов [20, 72, ПО, 158, 170, 279,300,307,316].
При минимальном расстоянии чувствительного элемента датчика от поверхности порядка 35-=-55 мкм опытные измерения выполнены с перемен 128 ным шагом в 40-7-55 точках по толщине пограничного слоя. Профили осредненных и пульсационных составляющих скорости и температуры получены для Ш-го сечения канала (см. рис. 3.3) при нулевом градиенте давления по длине рабочего участка (рис. 3.11). Пульсационные характеристики также удовлетворительно согласуются с данными работ других авторов [187, 307], а профили осредненных скорости и температуры могут быть описаны степенным законом U/Ue =(y/ )nH(Tw )/(TW e) = (y/ T)n , где n = l/7 - показатель степени. Проведены измерения в развитии течения по длине канала (рис. 3.3, сечения I, II, III), анализ которых позволил сделать вывод об авто-модельности в исследуемом канале. Отмечается соответствие профилей скорости и температуры и в универсальных координатах. 0,2 0,4 0,6 0,8 1 У
Профили осредненных и пульсационных составляющих скорости на гладкой пластине. Сплошная линия - данные работ [Klebanoff P.S., Blom J. - 300, 307].
Профили скорости и температуры измерялись на расстоянии 15 мм слева и справа от центральной оси канала в исследуемом сечении III. Полученные профили в пределах точности эксперимента совпадают, а толщина пограничного слоя не меняется, что говорит о двумерности течения в области центральной части канала не уже 30 мм.
Квалификационные исследования были проведены для турбулентного течения в канале на пористых поверхностях при направленном однородном вдуве газа. Профили осредненной и пульсационных составляющих скорости
129 при вдувах под углами а=15 и 165 [212, 268] также достаточно хорошо согласуются с данными работы [67], полученными для тех же углов вдува и близкой интенсивности.
Таким образом, в рамках поставленных задач на основании квалификационных исследований можно сделать вывод, что характеристики аэродинамической установки и экспериментальных моделей, а также методика измерений позволяют получать достоверные экспериментальные данные.
Обобщение экспериментальных данных.
Осредненные характеристики и структура неоднородного турбулентного пограничного слоя в канале с проницаемой стенкой при ориентированном вдуве инородного легкого газа представлены при условиях: число Рейнольд-са ReL = 3,6-10 , степень турбулентности на входе в рабочий канал Tu = 0,6-Я 2,4 %, скорость основного воздушного потока TJ0 =11 м/с. При исследовании бинарного пограничного слоя после профильного сопла на расстоянии /0 = 100 мм на нижней поверхности по ширине канала устанавливался турбу-лизатор из проволоки диаметром 0,35 мм. Безградиентный режим течения (dP/dx = 0) поддерживался с помощью гибкой верхней стенки канала для всех опытов.
Вдув газа через проницаемые участки конструкций является одним из наиболее эффективных способов воздействия на характеристики пристенного течения. Результаты исследований гидродинамики при направленном вдуве [65, 66, 67, 70, 93], свидетельствуют о том, что вдув под углом 90 занимает промежуточное положение по степени воздействия на структуру турбулентного пограничного слоя между вдувами навстречу потоку (Z 90) и по потоку (Z 90). Причём чем больше отличается угол вдува от угла Z = 90, тем отличие проявляется сильнее. Поэтому экспериментальные исследования характеристик турбулентного пограничного слоя проводились при вдувах инородного газа по нормали к поверхности, а также под углами /.— 15 и Z. — 165, сильно отличающимися от 90 .
