Введение к работе
Актуальность работы. Высокотемпературные теплотехнологические установки (ВТУ), основанные на плавильных процессах, характеризуются значительной энергоемкостью и низким уровнем полезного использования потребляемых энергоресурсов.
Причина невысоких значений показателей энергетической эффективности в ВТУ состоит в несовершенстве систем использования тепловых отходов. Плавильные установки характеризуются в основном большими значениями двух видов тепловых отходов – потерями с отходящими газами и потерями через ограждения в окружающую среду. Обособленное решение вопросов снижения данных видов отходов в действующих плавильных установках не даст значительного снижения энергопотребления. Для решения задачи повышения энергоэффективности плавильных ВТУ необходим комплексный подход для достижения глубокой регенерации всех видов энергетических отходов. В качестве методологии решения данной задачи может быть использована концепция интенсивного энергосбережения, которая подразумевает разработку перспективных моделей установок, потенциально обеспечивающих наибольшее приближение к теоретическому минимуму энергопотребления.
В данной диссертации автором разработана перспективная модель плавильной установки, исследование которой выполнено для стекловаренного процесса. Известны разработки различных энергосберегающих мероприятий для стекловаренных установок, при этом ряд исследователей выделяет как наиболее перспективное мероприятие – подогрев исходного технологического материала (стекольной шихты и стеклобоя). Исследуемая автором перспективная модель плавильной установки включает техническое решение, предложенное на кафедре ЭВТ ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ», – плавильную камеру с перфорированным слоем исходного материала (ПКПС), посредством которой обеспечиваются эффективный подогрев и плавление материала на основе регенерации тепловых отходов. Теоретические и экспериментальные исследования работы ПКПС проводились в ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ» И.И. Перелетовым, Ю.К. Ивановым, А.В. Пушкиным, а также С.К. Поповым. Эксперименты подтвердили возможность практической реализации плавильного процесса в перфорированном слое. Однако для его промышленного освоения необходимо дальнейшее развитие и расширение исследований.
Целью работы является разработка перспективной модели плавильной установки, в которой обеспечивается энергосберегающий эффект посредством регенерации тепловых отходов при использовании плавильной камеры с перфорированным слоем исходного материала.
Достижение намеченной цели предусматривает решение ряда научных задач:
– изучение влияния конструктивных и режимных параметров плавильной камеры с перфорированным слоем материала на показатели ее технологической (массовая доля расплава на выходе из ПКПС) и энергетической (коэффициент регенерации тепловых отходов) эффективности для выявления области значений указанных параметров, обеспечивающей наибольшую эффективность применения ПКПС;
– определение условий энергоэффективного применения ПКПС в тепловых схемах стекловаренных установок;
– обобщение результатов исследований и разработка методики выбора параметров тепловых схем с ПКПС, обеспечивающих энергосберегающий эффект;
– анализ экономической и экологической эффективности применения ПКПС в составе тепловых схем стекловаренных установок.
Научная новизна
-
Разработанная математическая модель ПКПС впервые по сравнению с аналогами позволяет:
учесть влияние турбулизированности газового потока на теплообмен в каналах перфорированного слоя материала;
исследовать неравномерность распределения газового потока по параллельно включенным каналам нагревательной зоны камеры.
-
Впервые установлена зависимость массовой доли расплава на выходе из ПКПС и коэффициента регенерации тепловых отходов от совокупности геометрических параметров каналов и режимных параметров камеры для условий стекловаренного процесса.
-
Впервые определена область значений структурных, режимных и конструктивных параметров стекловаренных установок, в которой обеспечивается наибольший энергосберегающий эффект на основе применения ПКПС.
-
Разработан алгоритм поддержания стабильной тепловой работы перфорированного слоя материала посредством локальных тепловых воздействий на опорное основание слоя.
Практическая значимость работы заключается в следующем:
1. Разработанная методика выбора параметров ПКПС для ее энергоэффективного применения может быть использована в проектно-конструкторских организациях для создания новой энергосберегающей техники в стекловаренных производствах.
2. Разработанная компьютерная реализация математической модели ПКПС может быть использована в научно-исследовательских организациях для энергетического совершенствования высокотемпературных технологических процессов, основанных на плавлении минеральных материалов.
3. Разработанные методики и алгоритмы проведения исследований, реализованные в данной работе для стекловаренных установок, могут быть применены для решения задачи энергосбережения в других теплотехнологических плавильных процессах и установках.
4. Научные и практические результаты работы используются в учебном процессе при подготовке бакалавров, специалистов и магистров по направлению «Теплоэнергетика и теплотехника», специальностям «Энергетика теплотехнологии», «Промышленная теплоэнергетика».
Достоверность и обоснованность полученных результатов обеспечиваются корректным использованием теории переноса теплоты и массы, а также удовлетворительными результатами сопоставления полученных в работе данных с результатами предшествующих исследований.
На защиту выносятся:
– уточненная математическая модель расчета показателей эффективности тепловой работы ПКПС заданной геометрии поперечного сечения слоя;
– результаты расчетного исследования влияния режимных и геометрических параметров слоя на показатели эффективности тепловой работы стекловаренной установки с ПКПС;
– рекомендации по использованию ПКПС для обеспечения устойчивой работы слоя и достижения наибольших значений показателей эффективности тепловой работы;
– результаты расчетного исследования тепловых схем стекловаренных установок с комплексной регенерацией тепловых отходов – теплоты отходящих газов и теплового потока через ограждение в окружающую среду, в том числе в зоне технологического охлаждения стекломассы;
– алгоритм поддержания стабильной тепловой работы перфорированного слоя материала посредством локальных тепловых воздействий на опорное основание слоя;
– результаты экономических расчетов, отражающих особенности денежных потоков при использовании стекловаренной установки, включающей ПКПС, а также экономическую целесообразность и предпочтительность ее применения по сравнению с существующими стекловаренными установками (на примере производства стекловолокна).
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были доложены на 14, 15, 16, 17 Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», Москва, 2008-2011 гг.; на 9-й Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и специалистов «Энергетики и металлурги – настоящему и будущему России», Магнитогорск, 2008 г.; на VII, VIII, XI Всероссийской научно-технической конференции «Естественные и инженерные науки – развитию регионов Сибири», Братск, 2008, 2009, 2012 гг.; на Всероссийской конференции с элементами научной школы для молодежи «Интеграция науки и образования как фактор опережающего развития системы профессионального образования», Москва, 2011 г.
Публикации. Основные научные положения и выводы диссертационной работы изложены в 14 опубликованных работах, в том числе в 4 публикациях в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, состоящего из 81 наименования, и приложений. Общий объём диссертации составляет 132 страницы, включая 37 рисунков, 17 таблиц и 3 приложения.
