Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Выбор направлений исследований по снижению материалоемкости и экономии энергии в промышленных регазификаторах с твердотельным теплоносителем из алюминия 15
1.1 Анализ современного состояния систем промышленной регазификации сжиженного углеводородного газа 15
1.2 Анализ и разработка технических решений по повышению энергетической эффективности промышленных регазификаторов сжиженного углеводородного газа с искусственным испарением 26
1.3 Разработка технических решений по экономии электрической энергии в системах промышленной регазификации СУГ 32
1.4 Выбор направления дальнейших исследований 38
Выводы по главе 1 41
Глава 2. Разработка модели промышленного регазификатора сжиженного углеводородного газа с минимальной металлоемкостью 43
2.1 Актуальность применения системного подхода при создании модели промышленного регазификатора СУГ с минимальной металлоемкостью 43
2.2 Системный анализ и разработка модели ресурсосберегающего промышленного регазификатора СУГ с заданным уровнем требований 46
2.3 Экспериментальные исследования распределений температур в твердотельном промежуточном теплоносителе из алюминия электрического регазификатора СУГ 64
2.4 Разработка технических решений по снижению металлоемкости промышленных электрических регазификаторов СУГ 73
Выводы по главе 2 79
Глава 3. Моделирование процесса теплообмена в системе «трубчатые электронагреватели - испарительный змеевик СУГ» с цилиндрической полостью в центральной части алюминиевой заливки 81
3.1 Предпосылки к решению задачи теплообмена в системе «трубчатые электронагреватели - испарительный змеевик» через слой твердой алюминиевой заливки с цилиндрической полостью в ее центральной части 81
3.2 Разработка основных теоретических положений метода электротепловой аналогии применительно к задаче теплообмена между трубчатыми электронагревателями и испарительным змеевиком, расположенных в массиве из алюминия с цилиндрической полостью в его центральной части 86
3.3 Описание установки электротеплового моделирования. Методика проведения экспериментальных исследований и анализ полученных результатов 92
3.4 Выводы по главе 3 104
Глава 4. Обоснование и оптимизация промышленного регазификатора суг с цилиндрической полостью в центральной части твердотельного промежуточного теплоносителя из алюминия 105
4.1 Основные положения системного анализа при оптимизации электрических промышленных регазификаторов с твердотельным промежуточным теплоносителем при наличии цилиндрической полости в его центральной части 105
4.2 Разработка математической модели оптимизации систем регазификации с промежуточным теплоносителем 109
4.3 Обоснование и оптимизация электрического регазификатора с цилиндрической полостью в центральной части твердотельного теплоносителя из алюминия 130
Выводы по главе 4 141
Основные выводы 144
Литература 146
Приложения 165
- Анализ и разработка технических решений по повышению энергетической эффективности промышленных регазификаторов сжиженного углеводородного газа с искусственным испарением
- Системный анализ и разработка модели ресурсосберегающего промышленного регазификатора СУГ с заданным уровнем требований
- Разработка основных теоретических положений метода электротепловой аналогии применительно к задаче теплообмена между трубчатыми электронагревателями и испарительным змеевиком, расположенных в массиве из алюминия с цилиндрической полостью в его центральной части
- Разработка математической модели оптимизации систем регазификации с промежуточным теплоносителем
Введение к работе
Актуальность работы. При использовании сжиженного углеводородного газа (СУГ) с высоким содержанием бутановых фракций в системах резервуарного газоснабжения промышленных потребителей он, как правило, подвергается испарению в электрических регазификаторах с жидким и твердотельным промежуточным теплоносителем (ЦТ).
Использование электрической энергии в промышленных регазификаторах (ПР) малой и средней мощности, эксплуатируемых непосредственно на наружном воздухе, является в настоящее время наиболее экономичным. Экономический эффект, по сравнению с огневыми регазификаторами, подверженными отрыву пламени в атмосферных газогорелочных устройствах, достигается за счет высокой надежности эксплуатации, обеспечения высокой интенсивности теплообмена, меньших капиталовложений, затрат на обслуживание и ремонт. В то же время электрическая энергия по сравнению со сжиженным углеводородным газом, используемым в качестве топлива в огневых испарителях, является более ценным энергоносителем и характеризуется более высокой отпускной стоимостью. Кроме этого, СУГ даже с высоким содержанием бутановых фракций может быть частично регазифицирован в подземных резервуарах за счет природного тепла окружающего грунта. Однако в настоящее время тепловая энергия грунтового массива в ПР, работающих на СУГ с высоким содержанием бутановых фракций, никак не используется.
Наиболее совершенным в инженерной газовой практике является
электрический ПР, использующий в качестве промежуточного
теплоносителя заливку из алюминия, повышающую коэффициент
теплопередачи до 980 Вт/ м2 К и не требующий замены ПТ в течение всего срока службы, равного 25 лет. По сравнению с существующими аналогами -электрическими испарителями СУГ с жидким промежуточным теплоносителем на основе антифриза, подлежащего ежегодной замене,
удельные материало- и капиталоемкость электрических ПР с твердотельным ПТ в течение срока службы снижаются в 17 раз.
Вместе с тем, заливка промежуточного теплоносителя из алюминия, в отличие от жидкого ПТ, осуществляется на стадии изготовления, что значительно увеличивает затраты в транспортировку, погрузочно-разгрузочные операции и монтажные работы. Это особенно проявляется при транспорте готовых изделий на большие расстояния, что является характерным для испарителей СУГ, поскольку заводы-изготовители испарительной техники сосредоточены в центральных районах, а места их широкого применения - в периферийных районах России.
В этой связи, экономия материальных затрат и электрической энергии при использовании электрических ПР с твердотельным теплоносителем из алюминия является актуальной задачей, требующей своего разрешения.
Представленная работа выполнена в Саратовском государственном техническом университете на кафедре «Теплогазоснабжение, вентиляция и охрана воздушного бассейна» в период 2004 -^ 2007 гг. в рамках комплексных программ и планов ОАО «Гипрониигаз» и ОАО «Росгазификация», включая научно-производственную работу в период обучения в СГТУ в 2002 + 2006 гг. Результаты научной студенческой работы отмечены дипломами и грамотами Минобразования и науки РФ по итогам открытого конкурса 2002,2004,2006 годов на лучшую студенческую работу по естественным, техническим и гуманитарным наукам в вузах Российской Федерации.
Начиная с марта 2008 года, работа выполняется в рамках государственной федеральной программы «Старт» по договору с Фондом содействия развития малых форм предприятий в научно-технической сфере № 5733 Р/8284 по теме: «Разработка, освоение и изготовление ресурсоэнергосберегающего испарителя сжиженного газа с теплопередачей через слой твердотельного промежуточного теплоносителя» (заявка № 08-4-
H4-0105) и предусматривает конструирование, изготовление, испытание и внедрение опытно-промышленных образцов предлагаемой конструкции электрического ПР согласно разработанным патентам.
Цель работы - разработка и оптимизация энерго- и ресурсоэффективных ПР СУГ с твердотельным промежуточным теплоносителем из алюминия.
Задачи исследований. Поставленная цель реализуется путем решения ряда взаимосвязанных задач, среди которых к числу наиболее приоритетных относятся следующие:
1.Создание энергосберегающих электрических промышленных ПР и разработка аналитических зависимостей по определению экономии тепловой энергии.
2. Разработка системного алгоритма создания модели
ресурсосберегающего ПР СУГ.
3. Разработка новой конструкции ПР с минимальной металлоемкостью
твердотельного промежуточного теплоносителя из алюминия.
Электротепловое моделирование процессов теплообмена между трубчатыми электронагревателями (ТЭН) и испарительным трубопроводным змеевиком (ИТЗ) электрического ПР, заключенными в массив из алюминия при наличии полости в его центральной части.
Разработка математическай модели оптимизации геометрических параметров ПР с цилиндрической полостью в центральной части твердотельного ПТ.
Методы исследования и достоверность результатов: системный подход при разработке модели и конструкции ПР СУГ; электротепловое моделирование процессов теплообмена между нагревательным и испарительным элементами, заключенными в массив из алюминия; натурный эксперимент; системный анализ при оптимизации геометрических параметров твердотельного ПТ.
Достоверность результатов и выводов обеспечивается использованием современных методов системных и экспериментальных исследований в
промышленной теплоэнергетике. Адекватность моделей подтверждена результатами экспериментов на опытно-промышленном образце регазификатора СУГ.
Научная новизна работы: — предложены способ экономии
электрической энергии на нужды регазификации СУГ с высоким содержанием бутановых фракций путем испарения части жидкой фазы в подземном резервуаре за счет тепла окружающего грунта и аналитические зависимости по определению величины сэкономленной энергии;
создан алгоритм разработки модели и конструкции ПР с минимальной металлоемкостью, базирующийся на выявлении целевой функции воздействующих на нее параметров и задании ее минимального значения;
проведено обоснование целесообразности устройства полости в центральной части теплоносителя из алюминия, основанное на определении расстояния от трубчатых электронагревателей до боковой поверхности полости, при котором обеспечивается номинальный температурный режим их работы;
получены зависимости по расчету теплообмена между нагревательным и испарительным элементами, заключенными в массив из алюминия с цилиндрической полостью в его центральной части, полученные на основе метода электротепловой аналогии и позволяющие определять значения фактора формы и теплового потока в зависимости от конфигурации и геометрических параметров теплообменных элементов промышленного регазификатора СУГ;
- разработана математическая модель оптимизации геометрических
параметров электрического промышленного регазификатора СУГ при наличии
цилиндрической полости в центральной части твердотельного теплоносителя из
алюминия.
Основные положения, выносимые на защиту:
- способ экономии электрической энергии на нужды регазификации
СУГ с высоким содержанием бутановых фракций и аналитические
зависимости по определению величины сэкономленной энергии;
- алгоритм разработки модели и конструкции ПР с минимальной
металлоемкостью; — обоснование целесообразности устройства полости в
центральной части ПТ из алюминия;
зависимости по расчету теплообмена между нагревательным и испарительным элементами, заключенными в массив из алюминия с цилиндрической полостью в его центральной части;
математическая модель оптимизации геометрических параметров электрического ПР при наличии цилиндрической полости в центральной части твердотельного ПТ;
- результаты экспериментальных исследований, опытно — промышленных
испытаний и внедрения предлагаемой конструкции ПР.
Практическая ценность. 1. Предложенный алгоритм разработки
ресурсосберегающего ПР СУГ, защищенный свидетельством авторского права
№ 13356, отличается универсальностью и позволяет на основе выявления
целевых функций и задания им минимальных значений получать модели
сложных технических систем в различных областях прикладной науки и
техники. Применение метода позволяет свести к минимуму уровень риска
при реализации новых разработок в условиях их венчурного
финансирования. Метод апробирован при разработке технических систем и реализован в рамках государственной федеральной программы «Старт».
2. Разработанные технические решения по применению
энергосберегающих электрических ПР с испарением части жидкой фазы непосредственно в подземном резервуаре за счет использования природного тепла грунта позволяют обеспечить 39,2% среднегодовой экономии электрической энергии на регазификацию СУГ.
3. Предложенная конструкция ПР СУГ с минимальной металлоемкостью
твердотельного ПТ из алюминия защищена патентами № RU 73717 U1,
№ RU 63486 U1, 59773 Ш, № RU 55087 U1 и использовалась при
разработке: - стандарта СТО 03321549-003-2009 «Технические решения по
применению электрических промышленных регазификаторов сжиженного
углеводородного газа с цилиндрической полостью в твердотельном
промежуточном теплоносителе»/ ОАО «Росгазификация». Саратов, 2009. 36 с;
- комплекта технической документации на испаритель электрический с
твердотельным промежуточным теплоносителем ИЭПТ-04/ ООО «Наутех».
Саратов, 2009.
На базе предложенных изобретений разработан ПР, обеспечивающий, по сравнению с существующими аналогами, снижение материалоемкости на 37,5%.
4. Предложенные научно-технические решения нашли практическое
применение при подготовке и чтении спецкурса «Системы хранения и
регазификации СУГ» для студентов и курса «Эксплуатация систем
газоснабжения» для магистрантов специальности ТГС СГТУ.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на двух Международных научно-практических конференциях «Энергоэффективность. Проблемы и решения» в рамках VIII и XI Российских энергетических форумов (Уфа, 2008 и 2009 г. г.); VIII конгрессе нефтегазопромышленников России (Уфа, 2009 г.); Международной научно-практической конференции «Логистика и экономика ресурсосбережения и энергосбережения в промышленности» (Саратов, 2007 г., СГТУ); Всероссийской научно-практической конференции «Актуальные проблемы проектирования и строительства объектов АПК России (Саратов, 2007 г., ФГУП «НИИгипропромсельстрой»); научно - технических советах ОАО «Гипрониигаз» (Саратов, 2006 и 2009 г. г.); ежегодных научно-технических конференциях СГТУ (Саратов, 2006- 2009 г. г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ, в том числе 4 в научном журнале, рекомендованном ВАК Минобразования и науки РФ, 1 свидетельство и 1 патент.
Анализ и разработка технических решений по повышению энергетической эффективности промышленных регазификаторов сжиженного углеводородного газа с искусственным испарением
В работах [59, 59, 61, 99] выявлено, что на интенсивность теплообмена при течении пропан - бутановых смесей в трубах существенное влияние оказывает диаметр испарительного трубопровода. Уменьшение диаметра при постоянном расходе (G=const) приводит к наступлению кольцевого режима течения при меньших значения величины паросодержания, и, как следствие, к увеличению среднеинтегрального коэффициента теплоотдачи.
Так, уменьшение диаметра при расходе G=100 кг/ч с 21 до 15 мм, приводит к наступлению кольцевого режима при паросодержании Хкол.нач=30 %, вместо 70 %.
В то же время, уменьшение диаметра при G=const приводит к возникновению колебаний давления (пульсаций). Колебания давления, при достижении их сверх максимально — допустимых величин, приводят к неустойчивым гидродинамическим режимам, вибрациям корпуса, снижению качества регулирования выходного давления, срабатыванию предохранительно-запорного клапана. Пульсация давления в испарительных установках приводят, в ряде случаев, к ослаблению и разгерметизации разъемных соединений. С целью обеспечения максимальной интенсивности теплообмена, при ограничении величины пульсаций давления разработано испарительное устройство (рис. 1.3), состоящее из двух участков разного диаметра с переходом участка меньшего диаметра dM в участок большего диаметра о б в месте, удаленном от места входа испарительного трубопровода меньшего диаметра на длину Lnep, при которой осредненная величина колебаний давления ±АР в испарительном трубопроводе и трубопроводе паровой фазы, становится равной величине максимально допустимых колебаний давления ±ДРМ-Д, не приводящей к срабатыванию предохранительно-запорного клапана [61]. Предложенное испарительное устройство защищено патентом №RU 55087 Ш. По результатам работы [61] была рассчитана величина среднеинтегрального коэффициента теплоотдачи двухступенчатого проточного трубного испарителя, равная а суг =1340 Вт/(м -К). В то же время, внешний коэффициент теплоотдачи от жидкого промежуточного теплоносителя к наружной поверхности трубного испарителя для используемого в настоящее время испарителя составляет всего ат=505 Вт/(м2-К) В этом случае, внешний коэффициент теплоотдачи от промежуточного теплоносителя к наружной поверхности трубного регазификатора в размере ат=505 Вт/м -К занимает основной удельный вес в величине коэффициента теплопередачи, определяемого, без учета теплопередачи через стенку испарительного трубопровода, по формуле [49]: что в относительных величинах составляет 73%. С целью повышения интенсивности внешнего теплообмена была разработана конструкция проточного трубного регазификатора (рис. 1.4), где в качестве промежуточного теплоносителя 1 используется отвердевшая заливка из алюминия [62,100, 109], а заплавленные в него трубчатые электронагреватели 2 равномерно расположены по окружности 4 диаметром Б, находящейся на расстоянии 5mjn до оси симметрии 5 испарительного трубопроводного змеевика 3 диаметром DHT3, при котором достигается максимально - возможная величина тепловой проводимости l/RnT. Так, тепловая проводимость при расстоянии между наружной поверхностью ТЭН и наружной поверхностью испарительного трубопровода в размере 5т;п = 0,0025м составляет 8928,57 Вт/м К, что в 16,8 раз выше по сравнению с жидким ПТ на основе диэтиленгликоля в условиях его естественной конвекции. В центральной части сосуда в отвердевшей заливке из алюминия расположен регулятор — термостат 6 с функцией поддержания температуры ПТ ниже температуры полимеризации непредельных компонентов СУГ и подачи сигнала на отключение трубчатых нагревателей 2 при достижении температуры ПТ до значения температуры tnojl= 70 С (патент № RU 63486 [63]). В центральной части отвердевшей заливки 1 из алюминия также заключен термопредохранитель 7 с функцией отключения подачи электроэнергии к трубчатым электронагревателям при повышении температуры ПТ выше температуры tn0J1 = 70 С. Температура промежуточного теплоносителя 1, при этом, поддерживается до значения температуры tnoJ]= 70 С с помощью регулятора - термостата 6 промежуточного теплоносителя 1. При неисправности регулятора — термостата 6 промежуточного теплоносителя 1, заключающейся в не отключении подачи электроэнергии к трубчатым нагревателям 2, дальнейшем повышении температур промежуточного теплоносителя 1 выше значения температуры tn0Jl= 70 С, термопредохранитель 7 осуществляет отключение подачи электроэнергии к трубчатым нагревателям 2 без возможности повторного автоматического включения подачи электроэнергии к ним до момента выявления и устранения причин неисправности регулятора - термостата 6 обслуживающим персоналом. Предложенные технические решения, защищены патентом № RU 59773U1 [62] Проведенные испытания образцов отливок показали, что при расстоянии Smin = 25мм обеспечиваются оптимальные условия кристаллизации, остывающего алюминиевого расплава, с плотной структурой металла, без образования пустот, трещин, с требуемой адгезией расплава к поверхности ТЭН и испарительного трубопроводного змеевика [50]. В результате достигается требуемая прочность, срок службы, сопротивление теплоотдаче в период эксплуатации и обеспечивается минимальная металлоемкость алюминиевой заливки.
Системный анализ и разработка модели ресурсосберегающего промышленного регазификатора СУГ с заданным уровнем требований
Анализ технических характеристик электрических испарителей СУГ с твердотельным промежуточным теплоносителем из алюминия, условий их транспортирования, монтажа и эксплуатации показывает, что такие регазификаторы имеют ряд недостатков. Основной их недостаток заключается в необходимости заливки алюминия уже на стадии изготовления, в отличие от испарителей с жидким промежуточным теплоносителем, которые заполняются антифризом непосредственно перед началом эксплуатации. Это увеличивает затраты на погрузочно-разгрузочные операции, монтажные работы на месте эксплуатации и значительно увеличивает транспортные расходы. Это особенно проявляется при транспорте готовых изделий на большие расстояния, что является характерным для испарителей СУГ, поскольку заводы-изготовители испарительной техники сосредоточены в центральных районах, а места их широкого применения в окраинных районах России. В этом случае транспортные расходы становятся соизмеримыми со стоимостью испарителей.
В этой связи, задачей данного раздела является снижение материалоемкости и капитальных вложений в электрические испарители с твердотельным промежуточным теплоносителем из алюминия в резервуарных установках СУГ с искусственным испарением. Для решения поставленной задачи предлагается метод создания новых устройств с заданными показателями, базирующийся на основных положениях системного подхода. Предпосылки создания предлагаемого метода и его суть заключаются в следующем.
Существующие подходы при создании новых технических решений и изобретений [72] базируются на анализе недостатков известных аналогов, прототипов, характеризуются узостью рамок, однобоким подходом, когда совершенствуются только основные характеристики существующих устройств или устраняются наиболее значительные на данный момент недостатки известных аналогов. В результате улучшение одних узлов, параметров, характеристик приводит зачастую к ухудшению других. При таком подходе не затрагиваются те стороны и характеристики устройства, которые относятся к другим разделам науки и техники. Например, при анализе и разработке мероприятий по повышению паропроизводительности подземных резервуаров СУГ, оснащенных промышленными регазификаторами не обращается внимание на совершенствование строительной части, автоматики, защиты от коррозии, не затрагиваются вопросы повышения надежности, пожаро-, взрыво и экологической безопасности, не изучаются свойства и особенности внешних систем. Такой подход в значительной степени тормозит создание моделей и конструкций, отличающихся высокими потребительскими качествами, а также всесторонне учитывающих все многообразие характеристик, состояний и особенностей. В целом такое положение приводит к сдерживанию темпов научно-технического прогресса. Проведенный обзор показал, что в настоящее время для создания новых моделей и технических решений используется несколько методов.
Известен метод «мозгового штурма», предложенный А. Осборном [60, 70] в 1942- 1944 годах и основанный на высказывании идей группой специалистов, собравшихся вместе, по обозначенной задаче в течение строго отведенного непродолжительного промежутка времени. Затем отбираются наиболее эффективные идеи для решения поставленной задачи. Метод базируется на «коллективном эффекте мышления», зачастую на уровне подсознания, и может использоваться совместно с другими методами.
В 1940 — 1950 годах получил распространение метод «эвристических приемов» [17,51,60], базирующийся на использовании фондов, состоящих из описаний известных способов для решения научно - технических задач. В [70] собран фонд из описаний 180 «эвристических приемов», т.е., способов решения творческих инженерных задач, полученных различными изобретателями, разделенных на 12 групп по различным направлениям, например 1 группа - преобразование формы, а последняя 12 группа -повышение технологичности. При этом, для каждого эвристического приема приводится 2-3 примера решения инженерных задач. Достоинство метода - повышение возможности получения улучшенного технического решения, недостаток - отсутствие гарантии его нахождения.
При разработке новых устройств получил широкое распространение функционально- стоимостной анализ [70], при проведении которого сначала выявляют функции нового устройства, оценивают стоимость их выполнения, исключают функции с чрезмерными затратами, определяют оптимальные значения функциональных (эксплуатационных) параметров, реализуют результаты работы. Целесообразность проведения такого анализа обусловливается тем, что потребителя в конечном итоге интересуют не устройства, как таковые, а экономическая эффективность выполняемых ими функций.
Функционально- стоимостной анализ не может применяться как самостоятельный метод разработки новых устройств, а является составной частью другого метода, например морфологического, направленного на создание новой техники.
Наиболее широко используемым в настоящее время, является морфологический метод, предложенный Ф. Цвикке [60] в 30-х годах XX века, когда в интересующем устройстве выделяется группа основных признаков. Затем для каждого признака выбираются альтернативные варианты его исполнения. Например, для испарителя СУГ в качестве признаков выбираем: материалы промежуточного теплоносителя и его физические свойства, коэффициент теплопередачи от ТЭНов к СУГ, коэффициент теплоотдачи от ТЭНов к промежуточному теплоносителю, коэффициент теплоотдачи от внутренней поверхности ИТЗ к СУГ. Комбинируя их между собой можно получить ряд решений, представляющих практический интерес [2,17]. В развитие метода разработаны морфологические таблицы признаков и фонды физико - технических эффектов с возможностью автоматического поиска технических решений [70].
Недостатками морфологического метода является отсутствие методических приемов: по выявлению всего комплекса факторов, улучшающих или ухудшающих признаки устройства; по математическому описанию целей разработки; по определению уровня требований; по разработке алгоритма достижения поставленного уровня требований.
Разработка основных теоретических положений метода электротепловой аналогии применительно к задаче теплообмена между трубчатыми электронагревателями и испарительным змеевиком, расположенных в массиве из алюминия с цилиндрической полостью в его центральной части
Выбор целевой функции, дающей математическое описание цели разработки, при сохранении постоянной паропроизводителъности При выборе следует руководствоваться тем, что целевая функция должна обеспечивать полное математическое описание цели разработки для выбранного объекта.
В качестве целевой функции выбрана величина металлоемкости в твердотельный теплоноситель регазификатора СУГ в зависимости от основных геометрических параметров цилиндрической отливки из алюминия. Критерием экстремальности целевой функции является минимум металлоемкости в твердотельный теплоноситель промышленного регазификатора 5.Выявление геометрических параметров, оказывающих влияние на целевую функцию. Получение зависимости металлоемкости от геометрических параметров. Выявление и анализ геометрических параметров осуществляется совместно с составлением выражений целевой функции М2. для отдельных элементов прототипа ПР, рассматриваемого в пункте 3. Геометрические параметры, влияющие на целевую функцию (величину металлоемкости), показаны на рис. 2.3. К ним относятся: Сз - толщина слоя алюминия, в свету, от верха испарительного змеевика до верха алюминиевой отливки, м; b2 — толщина слоя алюминия, в свету по нормали, от низа испарительного змеевика до основания алюминиевой отливки , м; 82 - толщина кольцевого слоя алюминия, в свету, между корпусом и змеевиком, м; 52 - толщина слоя алюминия, в свету, между витками змеевика, м; 80. - толщина слоя алюминия в свету по нормали от боковой поверхности трубчатого электронагревательного элемента до центра алюминиевой отливки, м; 53 - толщина слоя алюминия в свету по нормали между боковой поверхностью испарительного змеевика и боковой поверхностью трубчатого электронагревательного элемента, м; Здесь толщина слоя алюминия, в свету, от верха испарительного змеевика до верха алюминиевой отливки (С3) принимается по техническим условиям изготовления, постоянной и равной максимальной глубине восьми резьбовых отверстий. В указанные резьбовые отверстия расчетной глубиной, равной Сз = 25 мм, вворачиваются болты для крепления взрывонепроницаемого колпака, предназначенного для размещения в нем соединений ТЭНов, термопредохранителей, термодатчиков с обвязочными проводами, приборами управления и силовым кабелем. Толщина слоя алюминия, в свету по нормали, от низа испарительного змеевика до основания алюминиевой отливки принимается постоянной и равной Ь2 = 50мм, т.е., равной расчетной глубине, на которую заплавляются резьбовые шпильки для крепления опор регазификатора. Слой алюминия толщиной 8з предназначен для подведения теплового потока ко всей поверхности испарительного змеевика. Согласно [62], чем меньше величина S3, тем будет меньше величина металловложений в указанный кольцевой слой алюминия (рис. 2.3) и тем будет больше величина теплового потока к поверхности змеевика 1 и как следствие будет больше величина паропроизводительности. Здесь, при минимальной толщине д3 достигается минимальная величина металловложений и максимальная величина теплового потока к поверхности змеевика, т.е., достигается поставленная цель. Поэтому, величина д3 не является независимыми переменным параметром. Слои алюминия толщинами Ъг, S2, до предназначены для подведения теплового потока к различным частям поверхности змеевика 1. При этом, с одной стороны, чем меньше величины 52, S2, 50, тем будет меньше величина металловложений в указанный кольцевой слой алюминия (рис. 2.3). С другой стороны, чем меньше толщина 52, тем будет меньше величина теплового потока к поверхности змеевика 1 и как следствие снижается величина паропроизводительности. Здесь, при минимальной толщинах 52, S2, 50, достигаются минимальные величины металловложений и минимальные величины теплового потока к поверхности змеевика. Отсюда видно, что поставленная цель не достигается. Исходя из этого, величины 52, S2, 5о оказывают противоречивое влияние на целевую функцию и являются независимыми переменными. Таким образом: — геометрические параметры Сз, Ьг, 5з являются заданными и не относятся к независимым параметрам; — геометрические параметры 82, S2, 5о являются независимыми переменными параметрами и не относятся к заранее заданным величинам. Выявим аналитическую зависимость металлоемкости в твердотельный теплоноситель из алюминия ПР в зависимости от выбранных геометрических параметров 82, S2, 80. Критерием экстремальности целевой функции является минимум металлоемкости в твердотельный теплоноситель промышленного регазификатора.
Разработка математической модели оптимизации систем регазификации с промежуточным теплоносителем
Промежуточный теплоноситель нагревается трубчатыми электрическими нагревателями суммарной мощностью 12,5 кВт. Для уменьшения тепловых потерь боковая и торцевые поверхности корпуса промышленного регазификатора изолируются слоем ваты из базальтового волокна. В процессе экспериментальных исследований измерялись следующие параметры: - давление и температура газа в расходном резервуаре, а также на входе и выходе промышленного регазификатора; - продолжительность эксперимента и расход газа; - количество электроэнергии, подводимой к электронагревателям; температуры на стыке боковой поверхности трубчатой оболочки ТЭНов и отливки из алюминия; - температуры в продольном и поперечном сечениях алюминиевой отливки. Давление газа в резервуаре, на входе и выходе промышленного регазификатора определялось при помощи датчика-преобразователя давления АИР-20. Относительная погрешность измерений прибора составляет 0,2%. Расход газа во время опытов сохранялся постоянным в размере 32 кг/ч и контролировалось по газовому счетчику РГ-40. Давление перед счетчиком поддерживалось 300 даПа. Относительная погрешность измерений расхода составляет 1%. Электрическая мощность, подведенная к нагревателю, проверялась с помощью ваттметра и дополнительно контролировалась путем измерения тока и напряжения.
Температура стыка наружной поверхности стенки нагревательного элемента и алюминиевой отливки, а также температуры в различных точках алюминиевой отливке измерялись кабельными термоэлектрическими преобразователями ТП 0198/1, изготовленными по ГОСТ6616 -94 и ТУ 4211-013-13282997-04 с диапозоном измерения от минус 40 до 1000 С, проградуированными научно-производственным предприятием «Элемер», г. Москва.
Термоэлектрические преобразователи конструктивно выполнены как хромель-алюмелевые темроэлектроды 1 и 2 диаметром 0,27 мм с изолированным спаем 3 на конце, заключенные в гибкую герметичную оболочку 4, диаметром 1,2 мм, длиной 400 мм из легированной стали марки 12Х18Н10Т, внутренний объем которой заполнен специальной песчаной пылью 5 (рис. 2.7). Тепловая инерция преобразователей ТП 0198/1 не превышает 1с.
Установка для замера температур стыков поверхности трубчатой оболочки нагревательных элементов и алюминиевой отливки состоит из двенадцати термоэлектрических преобразователей ТП 0198, т.е., по четыре в каждом из вертикальных сечений I и II. В каждом из сечений термопреобразователи располагались по периметру трубчатой оболочки ТЭНов в четырех точках, через каждые 90 (фрагмент «А» рис. 2.6).
Рабочие спаи «а» термоэлектрических преобразователей ТП (фрагмент «А» рис. 2.6) размещались в предварительно подготовленные продольные канавки «5 на наружной трубчатой поверхности оболочки «s» электронагревательных элементов и припаивались высоко - температурным припоем «і» марки «Алармет-21» с температурой плавления 830С.
Для исключения погрешности измерений за счет оттока тепла от рабочих спаев термопар «а», их отводящие проводники, на участке длиной 20 мм, располагались вдоль трубчатой оболочки «s» по линиям постоянной температуры, а затем поворачивали на 90 в сторону боковой поверхности отливки, как показано на фрагменте «А» рисунка 2.6.
В целях обеспечения надежного контакта рабочих спаев «а» и наружной трубчатой поверхности оболочки «s» (фрагмент «А» рис. 2.6) припой «і» подбирался из условия, что его температура плавления (830С) должна быть выше температуры плавления алюминия (670С), в целях соблюдения технологии изготовления опытного образца и получения достоверных экспериментальных результатов.
Установка для замера температур в радиальном направлении 5 (рис.2.8) алюминиевой отливки 3, начиная от наружной поверхности трубчатой оболочки ТЭНов 1 и до ее центра 2, позволяет производить измерения через каждые 2,0 мм на участке 20 мм от оболочки 1, через каждые 6,0 мм на участке длиной от 20 до 40 мм и через каждые 20,0 мм на участке длиной от 40 до 180 мм от поверхности ТЭНов. Указанная установка включает в себя двадцать термоэлектрических преобразователей 4 (марки ТП 0198) в каждом из вертикальных сечений I и II. Для исключения погрешности измерений за счет оттока тепла от рабочих спаев термопар, их отводящие проводники, на участке длиной 20 мм, располагались параллельно вертикальной оси ТЭНов по линиям постоянной температуры, а затем поворачивали на 90 в сторону боковой поверхности отливки.
Электрические сигналы постоянного тока, поступающие от термоэлектрических преобразователей ТП 0198, замерялись и преобразовывались в значения температур с помощью восьми многоканальных микропроцессорных приборов ТМ-5122, выпускаемых научно-производственным предприятием «Элемер», г. Москва. Управление приборами ТМ-5122 осуществлялось по программе через последовательный интерфейс с помощью переносного персонального компьютера, типа ноутбук марки Aspire 5101 AWLMi, на базе процессора AMD Turion Processor 64 МК36.
