Размещено на http://www.allbest.ru/

Донбаська національна академія будівництва і архітектури

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

05.23.03 - вентиляція, освітлення та теплогазопостачання

Енергозберігаючі системи на основі абсорбційних термотрансформаторів

Максимова Наталя Анатоліївна

Макіївка 2007

Дисертацією є рукопис.

Роботу виконано в Донбаській національній академії будівництва і архітектури

Міністерства освіти і науки України на кафедрі теплотехніки, теплогазопостачання та вентиляції

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Губар Валентин Федорович, Донбаська національна академія будівництва і архітектури, завідувач кафедри теплотехніки, теплогазопостачання та вентиляції.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Кравцов Владлен Васильович, Донецький національний технічний університет, завідувач кафедри технічної теплофізики;

доктор технічних наук, професор Соколов Володимир Ілліч, Східноукраїнський національний університет ім. В.Даля (м. Луганськ), професор кафедри гідрогазодинаміки.

Провідна установа: Національний технічний університет “Харківський політехнічний інститут”, кафедра теплотехніки Міністерства освіти і науки України.

Захист відбудеться 5 квітня 2007 року о 10 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 12.085.01 Донбаської національної академії будівництва і архітектури за адресою: 86123, Донецька обл., м. Макіївка, вул. Державіна, 2, перший учбовий корпус, зала засідань.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Донбаської національної академії будівництва і архітектури (86123, Донецька обл., м. Макіївка, вул. Державіна, 2).

Автореферат розісланий 3 березня 2007 року.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, кандидат технічних наук, доцент М.М. Зайченко

1. Загальна характеристика роботи

абсорбційний перетворювач тепловіддача труба

Актуальність теми. Україна, як країна з потужним промисловим потенціалом і напруженою екологічною обстановкою, має у своєму розпорядженні велику кількість вторинних енергетичних ресурсів (ВЕР) у виді низькопотенційної теплоти, що відводиться від технологічних потоків у навколишнє середовище. Ця обставина зумовлює низьку ефективність використання паливних ресурсів, що у 4-6 разів менше, ніж у передових країнах Європи. Прийняті в техніці традиційні системи енергозабезпечення промислових підприємств і об'єктів житлово-комунального господарства, незважаючи на саме широке їхнє поширення, не відповідають сучасним вимогам у відношенні ефективності використання теплових енергетичних ресурсів і якості енергопостачання.

Одним з напрямів утилізації ВЕР є застосування абсорбційних бромістолітієвих перетворювачів теплоти (АБПТ) для трансформації теплоти на нижчий або вищий температурні рівні, а також для комплексного виробництва холоду і теплоти.

Вдосконалення абсорбційних перетворювачів теплоти відповідає завданням проведення енергозберігаючої політики і раціонального використання палива і енергії, а також здійснення природоохоронних заходів.

Теоретичні і експериментальні дослідження, направлені на створення абсорбційних перетворювачів теплоти з покращеними масогабаритними характеристиками, з більшою надійністю і довговічністю, для конкурентоспроможності із зарубіжними виробниками є актуальним і важливим науково-технічним завданням.

Реалізація цього завдання на основі інтенсифікації процесів тепломасопереносу в основних апаратах абсорбційних перетворювачів теплоти дозволить створити пристрої, конкурентоздатні з іншими типами термотрансформаторів і з кращими зарубіжними зразками. Актуальним напрямом інтенсифікації процесів тепломасообміну є використання розвинених поверхонь теплообміну.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана відповідно до Комплексної державної програми енергозбереження України, п.4 “Екологічно чиста енергетика і ресурсозберігаючі технології” “Концепції пріоритетних напрямів науки і техніки”, прийнятої постановою Кабінету Міністрів України від 22.06.1994 р. № 429; програмою “Донбас - 2020”, а також в межах держбюджетних НДР за завданням Міністерства освіти і науки України: “Створення теоретичних і технологічних способів розробки систем автономного теплопостачання” (№ 0103U000585) (2003 -2005 рр.), “Розробка і вдосконалення екологічних процесів утилізації теплоти і використання нетрадиційних джерел енергії” (№ 0102U002850) (2003 - 2004 рр.), “Розробка методів і способів підвищення енергетичної і екологічної ефективності джерел теплоти для локального і індивідуального теплопостачання”(№ 01060U002951) (2006 р.).

Метою дисертаційної роботи є підвищення теплової ефективності і зниження металовитрат енергозберігаючих систем, що включають абсорбційні бромістолітієві перетворювачі теплоти, засноване на моделюванні систем і інтенсифікації процесів теплообміну при кипінні водних розчинів броміду літію за рахунок використання в генераторах затопленого типу оребрених поверхонь теплообміну.

Задачі дослідження:

- розробка концептуальних підходів створення енергозберігаючих систем із використанням абсорбційних термотрансформаторів;

- моделювання енергозберігаючих систем на базі абсорбційних термотрансформаторів;

- визначення чинників, що впливають на інтенсивність тепловіддачі при кипінні водних розчинів броміду літію;

- отримання нових емпіричних залежностей коефіцієнта тепловіддачі при кипінні водних розчинів броміду літію в об'ємі на гладкій і оребреній трубах від визначальних чинників;

- оцінка впливу вмісту інгібіторів корозії в розчині броміду літію на коефіцієнт тепловіддачі від труб;

- розробка методики розрахунку генератора затопленого типу з оребреними трубами;

- розробка рекомендацій з практичного використання отриманих результатів досліджень в промислових АБПТ і при проектуванні нових АБПТ.

Об'єкт дослідження - абсорбційні бромістолітієві термотрансформатори.

Предмет дослідження - процеси теплообміну при кипінні водного розчину броміду літію на поверхні труб, що знаходяться в об'ємі розчину.

Методи дослідження. Використані аналітичні й експериментальні методи, які базуються на законах технічної термодинаміки, фізичної хімії, тепломасообміну і фізичного моделювання. Процеси теплообміну в генераторі затопленого типу абсорбційного термотрансформатора із використанням гладких та оребрених труб вивчалися на експериментальній установці з використанням сучасних технологій. При виконанні експериментальних досліджень використовувалися методи математичного планування експериментів і статистичної обробки дослідних даних.

Обґрунтованість і вірогідність отриманих у дисертаційній роботі результатів підтверджується коректним використанням математичного апарату, а також експериментальними дослідженнями й досвідом експлуатації. Адекватність математичних моделей доведена експериментально, перевірка адекватності математичної моделі виконувалася за критерієм Фішера при довірчій ймовірності 0,95.

Наукова новизна отриманих результатів:

- обґрунтовані концептуальні підходи створення енергозберігаючих систем теплохладопостачання з використанням абсорбційних термотрансформаторів;

- на основі системного аналізу запропонована блочна модель енергозберігаючої установки з бромістолітієвими перетворювачами теплоти;

- одержані нові експериментальні дані, що характеризують інтенсивність тепловіддачі при кипінні водних розчинів броміду літію в об'ємі на гладких і оребрених трубах;

- оцінено вплив інгібіторів корозії в розчині броміду літію при його кипінні в об'ємі на коефіцієнт тепловіддачі від поверхні гладких і оребрених труб.

Практичне значення отриманих результатів:

- створено методику розрахунку генератора затопленого типу з оребреними трубами та методику теплового розрахунку дійсного циклу абсорбційного термотрансформатора;

розроблені рекомендаціі з проектування генераторів затопленого типу абсорбційних термотрансформаторів;

конструкція генератора затопленого типу абсорбційного термотансформатора з оребреними трубами впроваджена у ВАТ “Сніжнянськхіммаш” із сумарним економічним ефектом понад 179 тис.грн.

Особистий внесок здобувача. Наведені в дисертаційній роботі результати досліджень отримані здобувачем самостійно. Особистий внесок автора полягає в наступному:

- виконано теоретичний огляд процесу теплообміну при кипінні теплоносіїв у зануреному шарі рідини на оребрених поверхнях і у випадку плівкового плину по зовнішній поверхні труб;

- здійснено експериментальне дослідження тепловіддачі в бромістолітієвому перетворювачі теплоти затопленого типу і на основі математично оброблених результатів знайдені рівняння регресії для розрахунку коефіцієнтів тепловіддачі в залежності від тиску в апараті, концентрації броміду літію в розчині і щільності теплового потоку для гладких і оребрених труб;

- розроблені методики теплового розрахунку дійсного циклу абсорбційного перетворювача теплоти і розрахунку генератора затопленого типу.

Апробація роботи. Основні результати роботи повідомлені й обговорені на І Міжнародній науковій конференції "Охорона навколишнього середовища і раціональне використання природних ресурсів" (Донецький національний технічний університет, 2002 р.), на міжнародних науково-технічних конференціях: "Енергозбереження, безпека, екологія в промисловості і комунальній сфері" (м. Ялта, 2003 р.), "Екологія промислових регіонів" (м. Горлівка, 2004 р.), "Енергоефективність великого промислового району" (м. Донецьк, 2006 р.), "Сучасні конструкції і матеріали для промислового, цивільного і дорожнього будівництва" (м. Донецьк, 2006 р.), ІІ, ІІІ, ІV і V Міжнародних наукових конференціях студентів, аспірантів і молодих учених "Будівлі та споруди з використанням нових конструкцій та матеріалів" (ДонНАБА, м. Макіївка, 2003 - 2006 р.).

У повному обсязі результати і висновки дисертаційної роботи доповідалися на розширеному засіданні кафедри теплотехніки, теплогазопостачання та вентиляції ДонНАБА (2006 р.).

Публікації. За матеріалами дисертаційної роботи опубліковано 7 статей у наукових журналах і збірниках, із яких 1 робота опублікована без співавторів.

Структура й обсяг роботи. Дисертаційна робота містить вступ, шість розділів, висновки, список використаної літератури з 142 найменувань на 13 сторінках і два додатки на 12 сторінках. Загальний обсяг роботи - 140 сторінок основного тексту, 29 рисунків, 9 таблиць.

2. Основний зміст роботи

У вступі надано загальну характеристику, актуальність і новизну роботи, обґрунтовано вибір об'єкта і предмета досліджень, сформульовано мету й задачі досліджень.

Перший розділ присвячено аналізу стану і перспектив розвитку систем теплохладопостачання з використанням вторинних енергоресурсів на основі абсорбційних термотрансформаторів.

У країні в останні роки намітилася тенденція, спрямована на розробку і використання інноваційних технологій комплексного використання вторинних енергоресурсів підприємств (Бараненко А.В., Губар В.Ф., Долинський А.А., Карп І.М., Кравцов В.В., Малкін Е.С., Марченко Г.С., Редько О.Ф., Соколов В.І.). Загальні найбільш сприятливі умови для створення комплексних систем теплохладоводопостачання з використанням ВЕР були сформульовані в роботах Беліченко Ю.П., Курильова Є.С.

Великі можливості в якості енергозберігаючої системи мають абсорбційні бромістолітієві перетворювачі теплоти (АБПТ), що знаходяться в складі схеми технологічного процесу. Такий термотрансформатор, що працює за оберненою схемою, може успішно застосовуватися для цілей опалення і гарячого водопостачання в холодний час року (Бараненко А.В., Богданов А.Ч., Кравцов В.В., Псахис Б.І., Шмуйлов Н.Г., М.Р. de Vіnaspre, M. Bourouіs, A. Coronas, G. Feurecker).

Широке поширення АБПТ пояснюється їх винятковими споживчими якостями, високою ефективністю, екологічною чистотою, безшумністю при роботі, простотою в обслуговуванні, тривалим терміном служби і повною автоматизацією. Для АБПТ не потрібно великої кількості електроенергії, як для парокомпресійних холодильних машин і теплових насосів, а в якості гріючого джерела використовується теплота відносно низького потенціалу, або безпосередньо продукти згоряння газоподібного або рідкого палива (Зборщиков Н.П., Биків А.В.).

АБПТ знаходять усе більш широке застосування в системах кондиціювання повітря. Основними країнами, що виробляють абсорбційну техніку, є США, Японія, Південна Корея, Німеччина, Швеція, Італія, Китай і Росія. Однак, у теперішній час відсутні широко застосовувані узагальнені техніко-економічні критерії, що дозволяють оцінити доцільність впровадження АБПТ для різних умов теплохладоводопостачання.

Оцінка ефективності енергозберігаючої системи повинна бути комплексною, зв'язувати між собою показники роботи підприємства, досліджуваного об'єкта і власне термотрансформатора, характеризувати їх за різними напрямками - з термодинамічної й економічної точок зору. Проведений аналіз літературних даних показав, що існуючі методи дозволяють оцінити роботу термотрансформаторів в інтервалі зміни параметрів, що відповідають роботі енергозберігаючих систем, але не враховують у повному обсязі їхнього зв'язку з досліджуваним об'єктом. Тому для комплексної оцінки ефективності застосування абсорбційних термотрансформаторів у системах енергозабезпечення доцільно використання методів термодинамічного аналізу, математичного і реального моделювання складних технічних систем як інтегрованого цілого.

Важливими елементами термотрансформаторів є абсорбери, випарники, генератори і конденсатори. Конструктивно вони представляють собою, як правило, горизонтальні кожухотрубні апарати, у яких процеси тепломасообміну організуються або в стікаючій по поверхні труб плівці рідини, або в апаратах затопленого типу в об'ємі рідини.

Умови протікання процесу кипіння своєрідні і складні. Кількісний зв'язок між коефіцієнтом тепловіддачі і факторами, від яких він залежить, установлюється дослідним шляхом. Для того, щоб можна було поширити отримані результати на інші умови, їх узагальнюють, застосовуючи різні методи. Є багато узагальнених рівнянь, запропонованих різними авторами для розрахунку коефіцієнта тепловіддачі при кипінні. Найбільш послідовними, обґрунтованими і розповсюдженими є рівняння подібності, запропоновані Кутателадзе С.С., Кружиліним Г.Н., Лабунцовим Д.А.

При дослідженні кипіння водних розчинів броміду літію у великому об'ємі Бочагов В.Н., Бурдуков А.П., Дорохов А.Р. виявили два режими кипіння: вільна конвекція при q=2...14 кВт/м2 і розвинене булькове кипіння при q>14 кВт/м2. Авторами передбачається наявність функціональної залежності коефіцієнта тепловіддачі від щільності теплового потоку, щільності зрошення, зовнішнього діаметра зрошуваних труб і масової частки броміду літію в розчині.

Узагальнюючи проведений аналіз літературних даних, представляється можливим прийти до висновку, що техніко-економічні показники АБПТ можуть бути поліпшені за рахунок інтенсифікації процесів тепломасообміну в апаратах і збільшення термінів їхньої служби. Підсумки аналізу наукових досягнень і публікацій, винаходів, нормативних і методичних документів з досліджуваної проблеми свідчать про те, що в умовах активного пошуку резервів економії паливно-енергетичних ресурсів і поліпшення екологічної обстановки перспективним напрямком рішення цієї науково-технічної задачі є розробка і використання розвинених теплообмінних поверхонь в апаратах АБПТ і, зокрема в генераторі затопленого типу. Однак даних по кипінню водних розчинів броміду літію у великому об'ємі на гладких горизонтальних трубах недостатньо, а існуючі результати часто суттєво розходяться між собою. Дані по кипінню водних розчинів броміду літію на оребрених трубах в існуючій літературі відсутні.

На основі аналітичного вивчення літературних і патентних джерел визначене коло невирішених питань, сформульовано задачі і напрямки досліджень.

У другому розділі для вирішення поставлених у дисертації задач з метою проведення експериментальних досліджень процесів тепломасообміну при кипінні водного розчину броміду літію було створено дослідну установку (рис. 1), яка відповідає наступним вимогам:

- об'єднання генератора і конденсатора в одному корпусі;

- можливість виміру температур теплоносія і сумарної тепловіддачі від стінок труб;

- безперервний контроль тиску кипіння розчину бромістого літію.

Тиск кипіння контролювався зразковим вакуумметром ВО 7 класу точності 0,4 і ртутним дифманометром 8, похибка якого не перевищує 10 Па. Барометричний тиск визначали барометром БР-52.

Температуру стінки, розчину і газової фази вимірювали за допомогою методики температурного моніторингу, що базується на використанні датчиків ДS 1921 виробництва Dallas Semiconductor . Цей метод, вимірюючи температуру з точністю 0,5 0С, дозволяє надійно зафіксувати зміни температури будь-якого числа об'єктів у часі і зв'язати події, що відбуваються на різних об'єктах, між собою.

Методичне забезпечення виконаних досліджень ґрунтується на керівних нормативних документах України.

У дослідах з визначення коефіцієнта тепловіддачі при кипінні водного розчину бромістого літію використовувалися гладкі й оребрені труби, виготовлені з мідно-нікелевого сплаву марки МНЖ Мц 30-1-1.



Рис. 1 Схема експериментальної установки для дослідження процесів теплообміну при кипінні водного розчину бромістого літію: 1 - корпус стенду; 2 - конденсатор; 3 - відбійник; 4 - електронагрівач; 5- генератор; 6 - експериментальна труба; 7 - вакуумний насос; 8 - дифманометр; 9 - витратомір; 10 - температурні датчики ДS 1921 для виміру температури води на вході і виході з конденсатора; 11 - капілярні трубки для установки датчиків температур у рідинний і паровий простір; 12 - вакуумметр; 13 - автотрансформатор РНО-250-10; 14 - ваттметр; 15 - вольтметр; 16 - амперметр; 17 - оглядові вікна, 18 - сильфоний вентиль

Результати експериментів оброблялись на ПЕОМ методами математичної статистики з довірчою ймовірністю 0,95. Значимість коефіцієнтів рівняння регресії і довірчий інтервал визначались за допомогою критерію Стьюдента, адекватність математичних моделей перевірялась за допомогою критерію Фішера.

У третьому розділі приведено концептуальні підходи створення енергозберігаючих систем з використанням абсорбційних термотрансформаторів. З огляду на встановлену в розділі 1 відсутність узагальнюючої класифікації абсорбційних термотрансформаторів у системах теплохладопостачання, вони в розробленій нами схемі поділені на класи, що включають холодильні машини, теплові насоси і комбіновані системи. Схема розробленої класифікації сприяє розкриттю зв'язків між об'єктами на основі принципів, визначених умовами енергозбереження.

Рішення концептуальних підходів ефективного використання абсорбційних термотрансформаторів в системах енергозбереження повинне базуватися на наступних принципах: розробка схеми енергозберігаючої системи, моделювання енергозберігаючих систем з абсорбційними термотрансформаторами, вибір базового термотрансформатора, аналіз циклів для умов енергозберігаючих систем цілорічної і сезонної дії, визначення напрямків модифікацій енергозберігаючих систем, оцінка ефективності енергозберігаючих систем.

З метою обґрунтування принципу використання абсорбційних термотрансформаторів при створенні енергозберігаючих систем застосована методологія системного аналізу для розкриття механізму взаємодії різних елементів установки і виявлення її нових якостей. Системний аналіз припускає побудову узагальненої моделі, що відображає зв'язки елементів технічної системи. При проведенні системного аналізу встановлено, що енергозберігаюча система складається із зв'язаних складними зв'язками і взаємодіючих між собою елементів і являє собою не просте підсумовування, а особливе їх з'єднання , що додає по всій системі в цілому нові якості. Визначення принципів системного підходу до дослідження енергозберігаючої технології дозволило перейти до етапу визначення виду моделювання, що враховує її особливості. При рішенні задач про використання абсорбційних термотрансформаторів і теплових насосів у системах енергозбереження було використано математичне і реальне моделювання.

Відповідно до поставленої задачі оцінки ефективності використання абсорбційних термотрансформаторів у складі енергозберігаючих систем обраний вид моделювання представляється наступним чином. Моделювання енергозберігаючої системи є схоатичним, статистичним, дискретно-безперевним.

У результаті проведеного системного аналізу встановлено, що енергозберігаюча система може бути представлена у вигляді моделі, що відображає її зовнішній та внутрішній зміст і зв'язки, що служать теоретичним обґрунтуванням можливості використання абсорбційних термотрансформаторів при створенні відповідних енергозберігаючих систем.

Четвертий розділ присвячений аналізу процесів теплообміну в основних апаратах АБПТ, в яких тепломасообмінна поверхня представляє горизонтальный пучок труб. У відповідності зі схемою класифікації АБПТ у залежності від характеру апаратів процеси тепломасообміну організуються або в стікаючій по поверхні труб плівці рідини в генераторах зрошувального типу, або в апаратах затопленого типу в об'ємі рідини. Ця обставина визначила необхідність теоретичного аналізу як характеристик плівкового руху рідини і теплообміну при цьому, так і в пінному шарі. З огляду на малу довжину пробігу плівки на горизонтальних трубах представляеться можливим описувати гідродинамічні й обмінні процеси в тонких плівках на горизонтальному циліндрі рівняннями для ділянки стабілізації вертикальних плівок, що отримані на основі рішення диференціального рівняння руху плівки рідини по зовнішній поверхні ділянки стабілізації вертикальної циліндричної стінки.

Формула для безрозмірного значення вісьової швидкості рідини у вільній поверхні має вигляд:

, (1)

где Re - число Рейнольдсу, - безрозмірна координата по висоті, - безрозмірна товщина плівки, - безрозмірна швидкість рідини, - безрозмірна початкова швидкість рідини.

Середню товщину плівки рекомендується визначати з рівняння Нусельта:

, (2)

яке дає найбільш задовільні результати розрахунків аж до критичного значення чисел Рейнольдса, що відповідають переходові до турбулентного режиму стікання.

У плівковому генераторі величина недовипаровування різних водосольових розчинів приблизно в 2 рази менше величини недовипарювання тих же розчинів в генераторі затопленого типу при однакових умовах, що пояснюється відсутністю в плівкових генераторах стовпа розчину в міжтрубному просторі, а також більш інтенсивним характером процесів тепломасообміну при кипінні розчинів, що відбувається по усій висоті трубного пучка апарату. Однак, незважаючи на ряд істотних переваг генератора зрошувального типу в промислових АБПТ частіше використовують генератори затопленого типу. Це зв'язано, по-перше, з тим, що в генераторі зрошувального типу, для того щоб забезпечити необхідну щільність зрошення трубного пучка апарату, часто вводять рециркуляцію міцного розчину, що приводить до зниження температурного напору в генераторі і до додаткової витрати електроенергії на привід насоса; по-друге, корозійна активність розчину бромиду літію на межі розділу фаз пар-рідина вище, ніж у рідкій фазі.

В п'ятому розділі наведено результати досліджень тепловіддачі в бромістолітієвому перетворювачі теплоти зотопленого типу.

Для вивчення впливу на інтенсивність тепловіддачі варійованих параметрів у генераторі й конденсаторі бромістолітієвого перетворювача теплоти затопленого типу був використаний планований багатофакторний експеримент. В якості плану експерименту бул обраний ортогональний план другого порядку.

Аналіз літературних джерел і результати попередніх досліджень дозволили обрати значення основних факторів, що впливають на інтенсивність тепловіддачі від трубок до розчину в бромістолітієвих апаратах, які наведені в табл.1.

Таблиця 1 Значення факторів, що впливають на коефіцієнт тепловіддачі

№ п/п	Фактори	Тип труби
		гладка	оребрена
1	Концентрація бромиду літію в розчині,	0,5…0,6	0,5…0,65
2	Щільність теплового потоку, віднесена до повної зовнішньої поверхні труби, q, кВт/м2	2…20	5…25
3	Тиск насичених пар, р, кПа	9,8…24,2	9,8…24,6

Кореляційний аналіз результатів багатофакторного експерименту дозволив одержати математичну модель коефіцієнта тепловіддачі:

- для гладких труб

(3)

з коефіцієнтом детермінації, що дорівнює 94,9 % при кореляційному відношенні R=0,974;

- для оребрених труб

(4)

з коефіцієнтом детермінації, що дорівнює 93,3 % при кореляційному відношенні R=0,966.

Незалежно від геометричних характеристик температурної поверхні збільшення концентрації броміда літію при постійних інших факторах у зв'язку зі зміною теплофізичних властивостей розчину приводить до зменшення коефіцієнта тепловіддачі, а збільшення тиску нассичених пар - до збільшення коефіцієнта тепловіддачі. Інтенсивність тепловіддачі на оребрених трубах вище в середньому на 28…30 %, ніж при кипінні на гладких трубах. Це пояснюється впливом двох факторів. По-перше, оребрення поверхні дозволяє зменшити термічний опір тепловіддачі. По-друге, при кипінні на оребреній поверхні створюються більш сприятливі умови для утворення зародків, що забезпечують виникнення і ріст парових пузирів. При наявності мінімального числа центрів паротворення поліпшуються умови поширення процесу кипіння на всю оребрену поверхню, внаслідок захоплення парової фази сусідніми западинами.

Також на умови теплообміну при кипінні на оребреній поверхні впливають більш сильні збурювання межового шару, внесені сформованими, зростаючими й відривними паровими пузирями в порівнянні з умовами кипіння на гладкій поверхні.

Внаслідок збільшення значень коефіцієнтів тепловіддачі процес кипіння на оребреній поверхні відбувається при менших температурних напорах, ніж на гладкій.

У шостому розділі обґрунтовано необхідність розробки методик теплового розрахунку дійсного циклу АБПТ і розрахунку генератора затопленого типу. Показана єфективність застосування ребристих поверхонь теплообміну в генераторах затопленого типу.

Для здійснення розрахунку дійсного циклу АБПТ необхідно мати вихідну інформацію про призначення АБПТ, його продуктивність, характер зміни температур зовнішніх джерел і їх вид, специфіку технологічних процесів виробництв, що повинні обслуговувати АБПТ, а також про можливе конструктивне виконання основних апаратів машин. На основі цього попередньо приймаються величини необоротних витрат в апаратах. По прийнятим різницям температур в апаратах визначаються вища температура розчину наприкінці процесу кипіння в генераторі, нижча температура наприкінці процесу абсорбції в абсорбері; тиск конденсації пара в конденсаторі, кипіння розчину в генераторі, кипіння робочої речовини у випарнику і абсорбції його пари в абсорбері; по прийнятій різниці температур у теплообмінниках визначаються температури міцного і слабого розчинів на виході з апаратів.

Розробка методики розрахунку генератора затопленого типу базується на розрахунку циклу АБПТ і математичної моделі коефіцієнта тепловіддачі, представленої у розділі 5. У результаті розрахунку генератора визначаються його конструкційні розміри, необхідні для проектування апарату, і металовитрати.

Оцінка ефективності застосування ребристих поверхонь теплообміну замість гладких виконана за результатами розрахунків генераторів затопленого типу з використанням розроблених методик. Розрахунки виконані для генераторів, у яких теплопередавальні поверхні виготовлені з мідно-нікелевого сплаву марки МНЖ Мц 30-1-1.

При однакових значеннях теплопродуктивності Qр, температури гарячої води на вході в генератор Тр1 і на виході з нього Тр2, і температурного напору в апараті значення коефіцієнтів теплопередачі кг в генераторі з оребреними трубами вище приблизно в 1,3…1,35 раза, ніж з гладкими трубами. Таке збільшення коефіцієнта теплопередачі пояснюється тим, що при використанні оребрених труб створюються більш сприятливі умови процесу кипіння, внаслідок чого збільшується коефіцієнт тепловіддачі з боку розчину, котрий значно нижче коефіцієнта тепловіддачі з боку гріючої води, і як наслідок збільшується щільність теплового потоку в генераторі.

Збільшення значень коефіцієнтів теплопередачі генератора зумовлює зменшення розрахункової площі поверхні теплообміну при постійному значенні Qр. Зменшення розрахункової поверхні теплообміну Fвн приводить до зменшення кількості труб і маси трубного пучка генератора в 1,7…2,0 рази, при цьому скорочується на 30-35 % кількість водного розчину броміду літію, що заправляється в розчинні апарати АБПТ.

При заміні в генераторах АБПТ гладких труб на ребристі в зв'язку з інтенсифікацією процесів з боку бромістолітієвого розчину отриманий економічний ефект, зумовлений зменшенням металмісткості апаратів за рахунок зниження площі теплообміну і зменшення витрати бромістолітієвого розчину.

Результати досліджень використані на ВАТ “Сніжнянськхіммаш” при виготовлені генераторів затопленого типу для абсорбційних перетворювачів теплоти продуктивністю 600, 1000 и 1500 кВт. Річний економічний ефект від впровадження запропонованих технічних рішень за рахунок зменшення в апаратах витрати труб з мідно-нікелевих сплавів при інтенсифікації тепломасообмінних процесів склав близько 179 тис. грн.

Висновки

1. Для підвищення ефективності роботи енергозберігаючих систем, заснованих на використовуванні абсорбційних бромістолітієвих перетворювачів теплоти, розроблено системний підхід розкриттю механізму виявлення нових якостей, що складають установку апаратів затопленого типу, за рахунок використання в них оребрених поверхонь нагріву, що дозволяє:

? підвищити коефіцієнт тепловіддачі зі сторони бромістого літію;

? знизити металовитрати на виготовлення генераторів у 1,3 рази;

? знизити витрати бромістолітієвого розчину на 35 %.

2. Розроблено класифікацію абсорбційних термотрансформаторів, яка сприяє розкриттю зв'язків між об'єктами на основі принципів, визначених умовами енергозбереження, і є доцільною для створення перспективних енергозберігаючих систем на базі запропонованої блокової моделі.

3. Експериментальними дослідженнями теплообміну при кипінні в об'ємі водного розчину броміду літію встановлено, що при однакових значеннях щільності теплового потоку, тиску насичених пар і концентрації розчину теплообмін при використанні оребреної поверхні з боку розчину протікає на 28…30 % інтенсивніше, ніж при використанні гладкої поверхні труб.

4. Встановлено, що інгібіторна композиція, що захищає при кипінні поверхню теплообміну, не впливає на коефіцієнт тепловіддачі.

5. Вперше отримані з використанням методики планування експериментів емпіричні залежності, що дозволяють робити розрахунки коефіцієнта тепловіддачі при кипінні в об'ємі водного розчину броміду літію для гладких і оребрених труб у залежності від щільності теплового потоку, тиску насичених пар і концентрації розчину із шириною довірчого інтервалу ±13,9 Вт/м2К для середніх значень коефіцієнта тепловіддачі в межах 1200…1350 Вт/м2К.

6. Розроблено і використовується у виробництві і навчальному процесі “Методика розрахунку генераторів затопленого типу абсорбційних бромістолітієвих термотрансформаторів”.

7. Результати досліджень використані на ВАТ “Сніжнянськхіммаш” при виготовленні генераторів затопленого типу для абсорбційних перетворювачів теплоти продуктивністю 600, 1000 і 1500 кВт. Економічний ефект від впровадження запропонованих технічних рішень за рахунок зменшення в апаратах труб з металонікелевих сплавів при інтенсифікації процесів теплообміну склав близько 179 тис. грн. на рік.

Основні положення дисертації опубліковані в наступних роботах

1. Губарь В.Ф., Максимова Н.А. Моделирование энергосберегающих систем, включающих термотрансформаторы // “Східно-Європейський журнал передових технологій”. - Вип. 6/2 (18). - Харків, 2005. - С.137-139.

Здобувачем запропонована модель функціонування енергозберігаючої системи, побудована по блочному принципу.

2. Губарь В.Ф., Максимова Н.А., Удовиченко З.В. Характеристики пленочного течения жидкости по наружной поверхности вертикальных труб // Збірник наукових праць Луганського національного аграрного університету. Серія: “Технічні науки” № 55/78, 2005. - С.104-110.

Здобувачем виконано теоретичний аналіз характеристик плівкового руху рідини і теплообміну в стікаючій по поверхні труб плівці рідини та в пінному шарі

3. Максимова Н.А. Теплоотдача в бромистолитиевом преобразователе теплоты затопленного типа с использованием оребренных поверхностей теплообмена // Вісник Донбаської національної академії будівництва і архітектури. “Інженерні системи та техногенна безпека в будівництві”. Вип.. 2006-2(58).- Макіївка, 2006. - С.40-45.

Здобувачем наведені результати експериментальних досліджень залежності коефіцієнту тепловіддачі від визначаючих факторів в бромістолітієвому перетворювачі теплоти затопленого типу із використанням гладких та ребристих труб.

4. Губарь В.Ф., Кричевский А.П., Максимова Н.А. Особенности работы градирен с полихлорвиниловыми оросителями // Вісник Донбаської державної академії будівництва і архітектури. “Інженерні системи та техногенна безпека в будівництві”. Вип. 2004-4(46).- Макіївка, 2004. - С.110-112.

Здобувачем проведен аналіз теплової роботи градирень при установці поліхлорвінілових зрошувачів.

5. Губарь В.Ф., Максимова Н.А., Грачева В.С. Особенности теплообмена на внутренней поверхности газоходов // Вісник Донбаської державної академії будівництва і архітектури. “Інженерні системи та техногенна безпека в будівництві”. Вип. 2003-4(41).- Макіївка, 2003. - С.23-25.

Здобувачем виконано аналіз процесів теплообміну між рухомими газами та стінкою труби.

Список робіт, що додатково відображають результати досліджень:

6. Лавданский А.М., Максимова Н.А., Качан В.Н. Аналитический расчет слоя пены при расчете пенных пылеуловителей // Вісник Донбаської державної академії будівництва і архітектури. “Будівлі та споруди із застосуванням нових конструкцій та матеріалів”. Вип. 2002-3(34). Матеріали 28 міжнародної наукової конференції студентів, аспірантів і молодих вчених. - Макіївка, 2002. - С.71-73.

Здобувачеві належить формула для визначення висоти шару піни.

7. Лавданский А.М., Максимова Н.А., Качан В.Н. Влияние диффузионных сил на эффективность пылеулавливания в пенных аппаратах // Вісник Донбаської державної академії будівництва і архітектури. Вип. 2001-3(28). - Матеріали 27 наукової конференції студентів. - Макіївка, 2001. - С.104-106.

Здобувачем розглянуто вплив теплової дифузії на ефективність пиловловлювання в пінних газоочисниках.

Анотація

Максимова Н.А. Енергозберігаючі системи на основі абсорбційних термотрансформаторів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.03. - вентиляція, освітлення та теплогазопостачання. Донбаська національна академія будівництва і архітектури. Макіївка, 2007.

Сформульовано теоретичні положення відносно теплообміну в основних апаратах абсорбційних бромістолітієвих перетворювачів теплоти з використанням гладких і оребрених поверхонь нагріву. Отримано емпіричні залежності, що дозволяють робити розрахунки коефіцієнта тепловіддачі при кипінні в об'ємі водного розчину броміду літію для гладких і оребрених труб у залежності від щільності теплового потоку, тиску насичених пар і концентрації розчину.

Теоретичне обґрунтування використання принципу абсорбційних термотрансформаторів в енергозберігаючих системах виконано на основі системного аналізу для розкриття механізму взаємодії різних елементів установки і виявлення нових її якостей. У результаті системного анализу встановлена можливість побудови узагальненої моделі енергозберігаючої системи.

Розроблено методики теплового розрахунку дійсного циклу АБПТ і генератора затопленого типу.

Встановлено, що інгібіторна композиція, що захищає при кипінні теплообмінну поверхню, не впливає на коефіцієнт тепловіддачі.

Результати досліджень впроваджені у виробництво з річним економічним ефектом близько 179 тис. грн. на рік.

Ключові слова: абсорбційний термотрансформатор, енергозберігаюча система, генератор, розчин броміду літію, поверхня теплообміну, оребрення, коефіцієнт тепловіддачі.

Аннотация

Максимова Н.А. Энергосберегающие системы на основе абсорбционных термотрансформаторов. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.03. - вентиляция, освещение и теплогазоснабжение. Донбасская национальная академия строительства и архитектуры. Макеевка, 2007.

Диссертация посвящена решению проблемы создания энергосберегающих систем с использованием абсорбционных термотрансформаторов. Сформулированы теоретические положения относительно теплообмена в основных аппаратах абсорбционных бромистолитиевых преобразователей теплоты с использованием гладких и оребренных поверхностей нагрева. Комплексными исследованиями, проведенными в соответствии с теорией планирования экспериментов, получены эмпирические зависимости, позволяющие производить расчеты коэффициента теплоотдачи при кипении в объеме водного раствора бромида лития для гладких и оребренных труб в зависимости от плотности теплового потока, давления насыщенных паров и концентрации раствора. Экспериментальными исследованиями теплообмена при кипении в объеме водного раствора бромида лития установлено, что теплообмен при использовании оребренных поверхностей со стороны раствора протекает на 20…25% интенсивнее, чем при использовании гладкой поверхности труб.

Теоретическое обоснование использования принципа абсорбционных термотрансформаторов в энергосберегающих системах выполнено на основе системного анализа для раскрытия механизма взаимодействия различных элементов установки и выявления новых ее качеств. В результате системного анализа установлена возможность построения обобщенной модели энергосберегающей системы.

Установлено, что независимо от геометрических характеристик температурной поверхности увеличение концентрации бромида лития при постоянных прочих факторах в связи с изменением теплофизических свойств раствора приводит к уменьшению коэффициента теплоотдачи, а увеличение давления насыщенных паров - к увеличению коэффициента теплоотдачи. Для оребренных труб это влияние более существенно.

Интенсификация теплоотдачи при кипении на оребренных трубах способствует уменьшению величины недовыпаривания из раствора бромида лития, что приводит к повышению термодинамической эффективности абсорбционных бромистолитиевых преобразователей теплоты.

На основании данных, касающихся зависимости коэффициента теплоотдачи от определяющих параметров разработаны методика тепловых расчетов действительного цикла АБПТ и методика расчета генератора затопленного типа.

Установлено, что ингибиторная композиция, защищающая при кипении теплообменную поверхность, не оказывает влияние на коэффициент теплоотдачи.

Результаты исследований внедрены на ОАО “Снежнянскхиммаш” при изготовлении генераторов затопленного типа для абсорбционных преобразователей теплоты производительностью 600, 1000 и 1500 кВт. Экономический эффект от внедрения предложенных технических решений за счет уменьшения в аппаратах труб из металлоникелевых сплавов при интенсификации тепломассообменных процессов составил около 179 тыс. грн. в год.

Ключевые слова: абсорбционный термотрансформатор, энергосберегающая система, генератор, раствор бромида лития, поверхность теплообмена, оребрение, коэффициент теплоотдачи.

Abstract

Maximova N.A. Energy-saving systems on basis of absorption thermotransformers. - The manuscript.

Thesis for a candidate of engineering sciences degree on speciality 05.23.03. - ventilation, illumination and heat-gas supply. Donbass National Academy of Civil Engineering and Architecture, Makeyevka, 2007.

Theoretical statements concerning heat exchange in primary apparatus of absorption thermotransformers with using smooth and finned heating surfaces are formulated. Empirical dependences which allow making calculations of heat-transfer coefficient by boiling in volume of lithium bromide aqueous solution for plain and finned tubes depending on heat-flow rate, saturated vapor pressure and solution are obtained.

Theoretical ground of using absorption thermotransformers in energy-saving systems on basis of systems analysis for exposing interaction mechanism of different elements of plant and exposure of its new qualities is carry out. As a result of systems analysis the possibility construction of generalized model of energy-saving systems is established.

Thermal design procedures of actual cycle and submerged generator of absorption thermotransformers are developed. The inhibitory composition which protects heat-exchange surface when boiling does not influence on heat-transfer coefficient.

The results of research are inculcated in production with annual economic effect about 179 thousand hrivnas.

Key words: absorption thermotransformer, energy-saving system, generator, lithium bromide aqueous solution, heat-exchange surface, ribbing, heat-transfer coefficient.

Размещено на Allbest.ru

...