Направления исследований гидродинамических нагревателей

Размещено на http://www.allbest.ru/

Направления исследований гидродинамических нагревателей

А.А. Калинин

В Республике Казахстан созданы необходимые законодательные и экономические условия [1, 2] для обеспечения энергосбережения средствами модернизации действующих энергетических технологий, систем их комплексной автоматизации и информатизации, а также путем разработки новых эффективных технологий нетрадиционной энергетики.

В одном из множества возможных направлений нетрадиционной энергетики физические процессы, активированные внешними источниками (например, электроприводом), позволяют извлечь внутреннюю энергию из жидких сред для получения тепловой энергии. Это направление связано с конструированием, исследованием и изготовлением гидродинамических нагревателей (ГДН), в которых внутренняя энергия извлекается из жидкой среды в процессе активации с помощью механического воздействия.

Коллективом кафедры АПП разработан испытательный стенд СГДН-05, предназначенный для реализации экспериментов с физическими образцами ГДН с целью исследования механизмов высвобождения внутренней энергии рабочей жидкости при ее вихревом движении, совмещенном с непрерывными процессами гидродинамической и акустической кавитации, и получения адекватной математической модели, функционально связывающей теплопроизводительность ГДН со свойствами рабочей жидкости, количественными и качественными параметрами конструктивных узлов ГДН и электропривода.

НИР «Стендовые исследования режимов гидродинамических нагревателей и разработка методики расчета параметров их конструктивных узлов для промышленных технологий, использующих низкопотенциальное тепло» по Договору № 04.02.01 (заказчик - ТОО «Темир мен Мыс») выполнялась по гранту от АО «Национальный инновационный фонд» на проект «Разработка и создание серии экологически чистых и безопасных гидродинамических нагревателей жидких сред для теплосиловых установок различных отраслей промышленности РК». В процессе исследований энергетических характеристик ГДН экспериментальной серии, впервые проведенных как на территории Республики Казахстан, так и в пределах СНГ, установлены два физических явления, проходящие в рабочей жидкости ГДН: теплопроизводительность нагреватель преобразование энергия

1) существует диссипация энергии при движении жидкости в трубном реакторе;

2) возможно выделение избыточного тепла за счет фазового перехода рабочей жидкости из свободного состояния в жидкокристаллическое при механоактивации.

Был достигнут коэффициент преобразования энергии, равный 1,5, и установлено, что совершенствование конструкции кавитатора ГДН позволяет получить коэффициент преобразования энергии до 3,5.

Исследования, проведенные на экспериментальной технологической установке ГДН с реактором трубного типа, позволяют утверждать существование возможности создания на базе ГДН технологических установок, обеспечивающих эффективные преобразования механической (электрической) энергии в тепловую. Обоснование и поиск закономерностей, существующих в подобных установках, являются областью исследований научной специальности 05.09.10 «Электротехнология» [3]:

- разработка электрической части и технологических процессов и установок, использующих преобразование электрической энергии в другие виды энергии непосредственно в обрабатываемом веществе;

- конструирование и исследование высокоэффективного электрооборудования: реакторов, установок индукционного, резистивного, электродугового и радиационного нагрева;

- электроснабжение и источники питания электротехнологических установок и комплексов, управление, автоматизация и компьютеризация электротехнологических комплексов;

- экономические аспекты электротехнологических процессов, установок и комплексов;

- энергетические характеристики электрических разрядов в газах, жидкости, твердых диэлектриках и полупроводниковых материалах.

С учетом достигнутых результатов и в соответствии с паспортом специальности 05.09.10 «Электротехнология» сформулирована тема научной работы: «Выбор оптимальных параметров гидродинамических нагревателей с трубным реактором, преобразующих электрическую энергию в тепловую».

Цель работы - установление закономерностей конструкции гидродинамических нагревателей с реактором трубного типа, обеспечивающих максимум теплопроизводительности и коэффициента преобразования энергии при возбуждении рабочей жидкости ГДН средствами автоматизированного электропривода.

Идея работы. При активации ГДН средствами автоматизированного электропривода возможно получение избыточной энергии из внутренней энергии жидких веществ и полей, что позволяет создавать технологические установки для отопления бытовых и административных зданий.

Методика выполнения работы. Была разработана технологическая схема и изготовлен стенд для изучения энергетических характеристик ГДН жидких сред; разработана автоматизированная система научных исследований (АСНИ) ГДН; разработана система автоматического управления электроприводами стенда; разработана методика многофакторных экспериментов для изучения механизма выделения внутренней энергии из жидкой среды в помощью механического силового поля, создаваемого насосным агрегатом; выполнено многофакторное стендовое исследование теплопроизводительности и коэффициента преобразования энергии экспериментальной серии ГДН из девяти экземпляров, геометрические параметры которых отвечают матрице планирования экстремальных экспериментов; разработаны критерии подобия для серии ГДН с реактором трубного типа и основные этапы проектирования ГДН для теплопотребляющих систем промышленных технологий; разработаны технико-экономические условия применения ГДН в промышленности; разработаны основные положения для технических условий на проектирование и изготовление опытного образца ГДН.

Особенностью выполненных исследований является высокоточная система автоматического контроля и АСНИ ГДН на базе SCADA-системы Genesis32.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

- из жидкого вещества любой природы с помощью внешних силовых воздействий в ГДН может быть извлечена внутренняя энергия;

- конструктивная и технологическая схема ГДН и опытный стенд для изучения энергетических характеристик ГДН жидких сред с автоматизированной системой научных исследований ГДН, системой автоматического управления электроприводами стенда позволяют выявить закономерности преобразования электрической (механической) энергии в тепловую;

- оптимальные параметры ГДН, обеспечивающие максимум теплопроизводительности и коэффициента преобразования энергии, могут быть найдены на основе многофакторного эксперимента в условиях автоматизированного стенда.

Основные результаты исследований:

- методика выбора критериев подобия для ГДН с реактором трубного типа;

- проект автоматизированного стенда;

- конструктивные и технические решения по созданию экспериментальной технологической системы на основе ГДН;

- технико-экономические условия применения ГДН в промышленности.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:

1) легитимностью измерений физических величин, определяющих изучаемые процессы извлечения внутренней энергии жидкой среды при ее вихревом движении в трубном реакторе. Легитимность созданной авторизированной системы научных исследований обеспечена аттестацией этой системы в соответствии с набором действующих нормативных требований к средствам измерений;

2) попаданием искомого экстремума теплопроизводительности ГДН в экстремальную область работы используемого насосного агрегата стенда, что свидетельствует о высокой разрешающей способности принятой матрицы планирования экспериментов на латинских квадратах, а также используемой методики вероятностно-детерминированного планирования экспериментов.

Научная новизна полученных результатов заключается:

- в методах экспериментальных исследований энергетических характеристик ГДН с электроприводом на автоматизированном стенде;

- методике определения оптимальных геометрических параметров, обеспечивающая максимум теплопроизводительности и коэффициента преобразования энергии ГДН;

- математических зависимостях, устанавливающих взаимосвязи теплопроизводительности и коэффициента преобразования энергии с конструктивно-эксплутационными параметрами ГДН с реактором трубного типа.

Практическая значимость полученных результатов заключается:

- в установлении области рационального применения энергетических систем на основе ГДН;

- создании экспериментальной технологической установки на основе ГДН;

- разработке технических условий на проектирование и изготовление опытных образцов ГДН.

Список литературы

1. Закон Республики Казахстан от 9 июля 2004 года № 588-II. Об электроэнергетике (по состоянию на 29.12.2008 г.) http://www.korem.kz/files/zakon.doc

2. Проект Закона Республики Казахстан «Об энергосбережении» по состоянию на 21 июля 2008 г. http://www.memr.gov.kz/doc/Proekt_zakona_21.doc

3. Брейдо И.В., Сагитов П.И., Фешин Б.Н. Классификационные признаки систем управления электротехническими комплексами и системами // Тр. ун-та. Вып. 1. Караганда: КарГТУ, 2002. С. 55-57.

Размещено на Allbest.ru