Введение к работе
Актуальность работы. В современной отечественной и зарубежной практике энергоснабжения промышленных объектов (ПО), удаленных от опорных пунктов газоэнергоснабжения все более широкое применение находят децентрализованные системы энергоснабжения потребителей с использованием пропан-бутановых смесей сжиженного углеводородного газа (СУГ) на базе резервуарных установок
В общем балансе удаленных промышленных объектов значительное развитие получают предприятия по выпуску промышленной продукции, мини-цеха модульного типа по переработке сельскохозяйственной продукции, обработке и сушке древесины, производству строительных материалов и конструкций, животноводческие и зерноводческие фермерские хозяйства с энергопотреблением до 12000 МВт ч/год при величине расчетного расхода СУГ до 300 кг/ч
Применение СУГ в качестве основного или резервного энергоносителя для промышленных предприятий, а также для бытовых и хозяйственных нужд, в полной мере отвечает технологическим, экологическим и санитарно-гигиеническим требованиям, способствует улучшению качества выпускаемой продукции и снижению ее себестоимости Высокая степень диверсификации и автономности систем энергоснабжения на базе сжиженного газа, в сочетании с высоким потребительским эффектом, делают его наиболее предпочтительным для основного или резервного газоэнергоснабжения удаленных промышленных объектов
Значительное развитие в настоящее время для ряда промышленных предприятий, использующих в качестве основного первичного энергоносителя природный газообразный метан от трубопроводных систем газоснабжения, получает использование СУГ в качестве резервного топлива. Аварийное прекращение или недопоставки сетевого природного газа для отдельных предприятий приводят к невозможности возобновления технологического процесса или к значительным материальным ущербам Здесь в случаях с перебоями или недопоставками сетевого метана промышленные потребители переходят на резервное газоснабжение от резервуарных установок пропан-бутановых смесей
При использовании сжиженного углеводородного газа в качестве первичного энергоносителя в системах резервуарного газоснабжения он, как правило, подвергается испарению в промьшшенных регазификаторах с жидким промежуточным теплоносителем (ПТ) в условиях его естественной конвекции, устанавливаемых непосредственно на наружном воздухе с температурой до минус 40С и использующими в качестве жидкого ПТ специальные антифризы с добавками, предотвращающими коррозию и улучшающими теплообмен
Регазификация СУГ в существующих промышленных регазификаторах осуществляется в условиях низкой интенсивности теплообмена от жидкого промежуточного теплоносителя к испарительному устройству и характеризуется величиной коэффициента теплоотдачи в размере 500- 550 Вт/м2К
Отсутствие промышленных регазификаторов СУГ с высокой интенсивностью теплообмена от ПТ, а также отсутствие достоверных методов расчета высокоинтенсивных испарителей побуждают к разработке технических решений и моделированию процессов интенсивного теплообмена от промежуточного теплоносителя к испарительному устройству
Представленная работа выполнена в Саратовском государственном техническом университете на кафедре «Теплогазоснабжение и вентиляция» в период 1999-2007 гг, включая научно-производственную работу в период обучения в СГТУ в 1999-2004 гг Результаты научной студенческой работы отмечены дипломом Министерства образования по итогам открытого конкурса 2004 года на лучшую
студенческую работу по естественным, техническим и гуманитарным наукам в вузах Российской Федерации
Работа выполнена по планам грантов Министерства образования России за 1999-2000 г раздел С-098, направление 06, проектная разработка методов экономии природного газа при создании децентрализованных источников и систем энергоснабжения малых промышленных предприятий и населенных пунктов, а также в рамках планов ОАО «Росгазификация» за 2004-2006 годы
Цель работы - разработка и оптимизация промышленного регазификатора на основе моделирования теплообмена в твердотельном теплоносителе
Задачи исследований. Поставленная цель реализуется путем решения ряда взаимосвязанных задач, среди которых к числу наиболее приоритетных относятся следующие
1 Обоснование твердотельного промежуточного теплоносителя, конфигурации и
компоновки нагревательных элементов проточных регазификаторов СУГ
удаленных промышленных объектов
2 Создание новых технических решений по обеспечению высокой
интенсивности теплообмена промежуточного теплоносителя в промышленных
регазификаторах СУГ
3 Постановка задачи теплообмена нагревательных элементов с испарительным
устройством СУГ через слой твердотельного промежуточного теплоносителя
4 Проверка достоверности предложенных расчетных зависимостей по теплообмену
нагревательных элементов с испарительным устройством СУГ через слой
твердотельного промежуточного теплоносителя в условиях натурных
экспериментов
5. Разработка экономико-математической модели оптимизации структуры и параметров трубных промьшшенных регазификаторов СУГ с твердотельным промежуточным теплоносителем
6 Обоснование варианта и оптимизация параметров промышленного регазификатора СУГ с твердотельным промежуточным теплоносителем
Методы исследования и достоверность результатов: системный подход при обосновании метода искусственной проточной регазификации СУГ, математическое моделирование процессов теплообмена между теплоносителем и сжиженным углеводородным газом в установках регазификации, метод электротепловой аналогии, натурный эксперимент
При проведении экспериментальных исследований максимальное расхождение результатов с теоретическими не превьґшает 27,6% с доверительной вероятностью 0,95
Научная новизна работы и основные положения, выносимые на защиту: 1 Научное обоснование новых технических решений по обеспечению
а) высокой интенсивности теплообмена в промышленных регазификаторах СУГ путем применения в качестве промежуточного теплоносителя отвердевшей заливки из алюминия с заплавленными в него трубчатыми нагревателями, расположенными на оптимальном расстоянии до испарительного трубопроводного змеевика, защищенных патентом № RU 59773U1,
б) температуры отвердевшей заливки из алюминия, предотвращающей полимеризацию непредельных углеводородных компонентов СУГ в промышленных регазификаторах, защищенных патентом № RU 63486U1
На базе предложенных изобретений разработаны и внедрены промышленные регазификаторы, обеспечивающие по сравнению с существующими аналогами, увеличение коэффициента теплопередачи от трубчатых нагревателей к испарительному змеевику СУГ в 2,6 раза.
2 Постановка задачи и математическое описание процесса теплообмена между нагревательным и испарительным устройствами в отвердевшей цилиндрической заливке из алюминия, учитывающих изменение конфигурации теплообменных элементов и геометрических параметров твердотельного ПТ
3 Расчетные зависимости по решению задачи теплообмена между
нагревательным и испарительным элементами в отвердевшей цилиндрической
заливке из алюминия, полученные на основе метода электротепловой аналогии и
позволяющие определять значения фактора формы теплообменного устройства и
теплового потока в зависимости от изменения конфигурации элементов и
геометрических параметров промышленного регазификатора СУГ
4 Экономико-математическая модель оптимизации промышленного
регазификатора СУГ с промежуточным теплоносителем, комплексно учитывающая
динамику изменения стоимости энергоресурса в течение срока службы и
позволяющая определять оптимальные значения геометрических параметров
5 Метод обоснования варианта электрического регазификатора СУГ
с твердотельным промежуточным теплоносителем, позволяющий учитывать
неопределенность экономической информации в условиях резкой динамики цеш
Практическая ценность. Разработанные теоретические
и практические положения обеспечивают научно обоснованное развитие промышленных систем проточной регазификации СУГ с промежуточным теплоносителем, путем реализации и внедрения алгоритма и программы теплового расчета проточных испарителей СУГ с промежуточным теплоносителем, комплексно учитывающих изменение конфигурации теплообменных элементов, конструктивных и геометрических параметров твердотельного ПТ, новых технических решений и разработок с высокой интенсивностью теплообмена от твердотельного ПТ к испарительному устройству при проточной регазификации СУГ, алгоритма и программы расчета по определению оптимальных геометрических и конструктивных параметров проточных испарителей СУГ с ПТ, рекомендаций по энергогазоснабжению промышленных потребителей от групповых резервуарных установок, оборудованных проточными испарителями с промежуточным теплоносителем, методических рекомендаций по обоснованию и оптимизации испарителей СУГ с ПТ для систем энергогазоснабжения промышленных предприятий
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на ежегодных научно-технических конференциях СГТУ (Саратов, 2004, 2005,2006,2007), Первой Всероссийской конференции молодых специалистов «Актуальные научно-технические проблемы совершенствования систем газораспределения и газопотребления» (Саратов, 2005 г), Всероссийской научно-практической конференции «Актуальные проблемы проектирования и строительства объектов АПК России (Саратов, 2007 г, ФГУП «НИИгипропромсельстрой»), Международной научно-практической конференции «Логистика и экономика ресурсосбережения и энергосбережения в промышленности» (Саратов, 2007 г, СГТУ)
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 9 печатных работ, в том числе 2 патента.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка использованной литературы из 178 наименований Общий объем диссертационной работы 169 страниц, включая 20 рисунков, 15 таблиц, 4 приложения.
