Теплопостачання на основі утилізації енергії охолодження обертових печей, яке регулюється

УДК 697.662.99

ТЕПЛОПОСТАЧАННЯ НА ОСНОВІ УТИЛІЗАЦІЇ ЕНЕРГІЇ ОХОЛОДЖЕННЯ ОБЕРТОВИХ ПЕЧЕЙ, ЯКЕ РЕГУЛЮЄТЬСЯ

Спеціальність : 05.23.03 - Вентиляція, освітлення та теплогазопостачання

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Харків - 2004

Дисертацією є рукопис

Роботу виконано в Одеській державній академії будівництва та архітектури Міністерства освіти і науки України

Офіційні опоненти:

- доктор технічних наук, професор Іродов В'ячеслав Федорович, Дніпропетровський національний університет МОН України, професор кафедри "Аерогідромеханіки";

- доктор технічних наук, професор Губинський Михайло Володимирович, Національна металургійна академія України, м. Дніпропетровськ, завідувач кафедри "Промислової теплоенергетики";

- доктор технічних наук, професор Малкін Едуард Семенович, Київський національний університет будівництва і архітектури МОН України, професор кафедри "Теплотехніки".

Провідна установа: Інститут технічної теплофізики Національної Академії Наук України, м.Київ

Захист відбудеться " 2 " червня 2004р. об 11 00 годині на засіданні спеціалізованої вченої Ради Д.64.056.03 у Харківському державному технічному університеті будівництва та архітектури за адресою: 61002, м. Харків, вул.Сумська,40.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Харківського державного технічного університету будівництва та архітектури за адресою 61002, м. Харків, вул.Сумська,40.

Автореферат розісланий " 28 " квітня 2004 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої Ради, проф. Колотило М.І.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

піч охолодження енергозберігаючий обпалювальний

Актуальність теми. Раціональне та науково-обґрунтоване використання вторинних енергоресурсів (ВЕР), великі резерви яких є в промисловості виробництва будівельних матеріалів в обпалювальних печах, дозволяє значно покращити енергоекономічні, екологічні і технологічні характеристики промислового та комунально-побутового теплопостачання. Проблема зниження витрат палива та підвищення ефективності утилізації теплоти зовнішнього охолодження обертових печей відомими способами є актуальною, бо більше половини наявної енергії у вигляді викидів розсіюється в атмосфері. Зокрема, в найбільш енергоємних печах виробництва в'яжучих та стінових матеріалів коефіцієнт використання палива в 2-3 рази менше, ніж в генераторах традиційного теплопостачання. Втрати теплоти в навколишнє середовище з бокової поверхні, в більшості не вкритих печей, досягає 6-7 кВт/м2. При цьому ефективність використання палива в таких агрегатах не перевищує 40% , а втрати теплоти з бокової поверхні досягають 10-30% його загальної витрати. Раціональне використання цього ресурсу може значно підвищити енергоекономічність промислового теплопостачання з відповідним зниженням забруднення навколишнього середовища. В умовах дефіциту та високої вартості теплової енергії в Україні виникає нагальна потреба пошуку та розробки нових концепцій, які забезпечать комплексне вирішення аналізованих задач.

З позиції теорії теплогідравлічних процесів відомі способи утилізації теплоти реалізують традиційні рішення теплопостачання одного - двох абонентів на основі засобів екрануючого і пасивного "канального" повітряного охолодження поверхні печі, які потребують додаткової інтенсифікації теплообміну в експлуатаційному регулюванні. З огляду на технологічно обумовлену періодичність експлуатації та наявність нештатних ситуацій у роботі теплових агрегатів, за яких не виключається можливість заморожування водяних контурів, а також складність стабілізації необхідних температурних режимів охолодження існуючими методами, аналізовані системи навіть на основі плоскотрубних водяних екранів мають дуже обмежене застосування. Це підтверджується інформацією про зниження об'ємів впровадження, про складності та припинення освоєння таких систем за останні десятиліття, як в нашій державі, так і за кордоном. Таким чином, розробка нової технології підвищення ефективності промислового теплопостачання на основі утилізації теплоти зовнішнього охолодження обертових обпалювальних печей є актуальною для раціонального використання та економії паливних ресурсів і покращення екологічної обстановки.

У зв'язку з викладеним виникає нагальна потреба в створенні нових підходів підвищення ефективності теплопостачання, які базуються на можливостях збалансованої утилізації енергії регульованого відбору теплоти в процесі стабілізації раціонального режиму охолодження печі. Ця ідея відкриває нові шляхи до практичної організації теплопостачання на більш досконалих способах регульованого охолодження обертових печей з локальним або центральним перетворенням енергії для високоефективного споживання теплоти. Реалізація теплопостачання з таким підходом є складною науково-технічною проблемою. Її вирішення потребує попереднього розв'язування ряду нових науково-технічних задач (пошуку способів та засобів раціональної генерації, відбору і споживання вторинної теплоти, шляхів збільшення об'ємів та ефективності її використання абонентськими системами), що забезпечує створення науково-технічної бази для практичної розробки високоефективного теплопостачання на основі утилізації енергії регульованого охолодження обертових печей. Вище викладене і визначає актуальність теми дослідження.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Результати теоретичних та експериментальних досліджень, а також відповідні методики розрахунку були використані та впроваджені в процесі виконання науково-дослідних робіт у рамках програми Міністерства будівництва УРСР з освоєння нової техніки: "Провести исследования, разработать и испытать в натуре систему утилизации теплоты при производстве керамзита" (д.р. №01860078868), 1987-1988р.р.; "Провести исследования системы утилизации теплоты для отопительных и технологических нужд завода" (д.р. №01890011209), 1989-1989р.р.

Дослідження були повязані з виконанням робіт з тематики координаційного плану НДР Міністерства освіти і науки України з 1995-1997рр. "Наукові проблеми енергозбереження шляхом діагностики, інтенсифікації теплотехнологій в енергетиці, промисловості та сільському господарстві" (пріоритетний напрямок №4 "Екологічно чиста енергетика і ресурсозберігаючі технології"): "Розробка теплоенергозберігаючих систем інтенсивного перетворення ВТЕР для будівельно-технологічного та комунально-побутового споживання"(д.р. №01940023246), 1995 р.; "Розробка теплоенергозбережуючих систем утилізації теплоти на основі струминної інтенсифікації теплообмінних процесів"(д.р. №0196U013796), 1996-1997р.р.

Окремі задачі з теми дисертації знайшли вирішення також при виконанні на кафедрі опалення, вентиляції та охорони повітряного басейну ОДАБА держбюджетної теми "Совершенствование систем защиты окружающей среды и теплосбережения на предприятиях стройиндустрии" (д.р. № 018600083268), 1996-2000р.р.

Мета і задачі дослідження. Мета: теоретичне обґрунтування, розробка та впровадження енергозберігаючої технології теплопостачання на основі утилізації теплоти регульованого охолодження обертових обпалювальних печей.

Для досягнення поставленої мети необхідно було вирішити наступні задачі:

- визначення об'єму ВЕР, які відбираються для промислового теплопостачання, в залежності від режиму процесів теплопередачі печі та охолодження її поверхні;

обґрунтування методології та аналіз шляхів інтенсифікації теплообміну для створення системи "піч(теплоджерело)-укриття", як високоефективного генератора ВЕР;

дослідження комплексу процесів регульованої генерації теплоти в системі "теплоджерело-укриття", розробка раціональної структури та визначення теплотехнічних характеристик її елементів;

розвиток теоретичних положень створення технології рівномірного охолодження поверхні теплоджерела у прикладних задачах;

комплексний аналіз умов і синтез систем відбору теплоти, регенерації та споживання її в системах теплопостачання, у тому числі при невідповідності потужності потоків, температурних рівнів і режимів роботи структурних контурів;

розробка основних методичних положень, способів та систем високоефективного теплопостачання на основі використання ВЕР;

промислова апробація основних результатів роботи.

Об'єкт дослідження: технологічні процеси відбору та використання вторинних енергетичних ресурсів.

Предмет дослідження: системи та закономірності теплогідравлічних процесів в технології теплопостачання на основі використання вторинного енергоресурсу - теплоти охолодження печей.

Методи дослідження. В роботі використано комплексний метод дослідження, який включає: аналіз теоретичних та експериментальних робіт з науковим узагальненням; математичне моделювання та натурне дослідження; аналітичне вирішення; дослідно-промислову апробацію результатів роботи в умовах виробництва; статистичну обробку інформації з застосуванням чисельного дослідження. Метод дозволив шляхом розрахунків з використанням ЕОМ та співставленням з експериментальними даними отримати достовірну інформацію в устроях і системах щодо закономірностей аерогідродинамічних та теплових процесів. Це забезпечує можливість їх застосування в широкому діапазоні несталих умов роботи комплексів промислового теплопостачання.

Наукова новина одержаних результатів. Основний науковий результат роботи полягає в теоретичному обґрунтуванні та розробці нового підходу до вирішення важливої науково технічної проблеми створення енергозберігаючої технології теплопостачання на основі регульованого охолодження обертових печей.

Вперше на основі комплексного підходу обґрунтовано та сформульовано визначаючі принципи функціонального устрою системи "теплоджерело-укриття" для повітряноструминного відбору теплоти. Визначено якісний вплив конструктивних параметрів і теплогідравлічних характеристик пористих та перфорованих елементів на розподіл і теплообмін енергоносія в каналах устрою відбору теплоти.

Науково обґрунтовано та визначено технологічні напрямки конструювання генераторів ВЕР для печей характерних форм та розробки генераторів нових варіантів. Теоретичним та розрахунковим шляхом доведено доцільність створення високоефективних устроїв з струминно-розподільчим укриттям пористо-перфорованого типу для перспективних технологій.

3. На основі аналізу запропонованої моделі процесу руху повітря в теплогенераторі вперше виявлені способи рівномірного охолодження печі шляхом безперервного та ступеневого вирівнювання далекобійності витікаючих струменів. Теоретично визначено конструктивні та режимні варіанти їх реалізації. Отримали подальший розвиток наукові засади розробки раціональних рішень для запропонованих теплогенеруючих устроїв і систем охолодження.

4. Удосконалено аналітичне визначення впливу теплової потужності та продуктивності обертової печі, а також енергетичних характеристик систем теплоспоживання, на питому економію палива в результаті використання теплоти охолодження її поверхні. Отримали подальший розвиток наукові основи динамічної стабілізації регульованого охолодження печі для різних варіантів його організації з застосуванням розроблених генераторів ВЕР. Теоретично обґрунтовані та вдосконалені шляхи і засоби створення високоефективних узагальнених комплексів теплопостачання з структурних систем запропонованого типу.

5. Отримало подальший розвиток теоретичне обґрунтування практичного створення комплексів із спільним теплоносієм (так званих "монокомплексів") промислового теплопостачання на основі застосування прямоточної і регенеративно-змішувальної стабілізації охолодження печі. Аналітично обґрунтовано та експериментально визначено умови їх високоефективної роботи з різнорідними тепловими потоками. Для опалювально-вентиляційних систем визначено режимні умови забезпечення експлуатаційної потужності та потрібного повітрообміну в закритих приміщеннях. Встановлено залежність оцінки ступеня доцільного використання ВЕР.

6. Теоретично обґрунтовано умови створення комплексів з двома різними теплоносіями (так званих "бінарних комплексів") промислового теплопостачання рекуперативного типу різнофункціонального комунально-побутового призначення на основі енергії регульованого охолодження обертової печі. При цьому для гарячого водопостачання, водяного та повітряного опалення виявлені режими високоефективного функціонування систем. Аналітично визначені залежності для їх розрахунку за неадекватності рівня температури, теплової потужності та режиму експлуатації. Виявлено область доцільного застосування кожного з них.

7. Узагальнені закономірності впливу різних сполучень параметрів в багатофункціональних бінарних комплексах теплопостачання з додатковими теплогенераторами на коефіцієнт заміщення потужності систем опалення та ефективність використання ВЕР.

8. Вперше запропоновано і розроблено нові схемні рішення бінарних багатофункціональних комплексів теплопостачання контактно-рекуперативного типу, отримані нові розрахункові залежності, що зумовлюють їх високоефективну роботу. Виявлено залежність мінімуму загальних витрат на спорудження комплексів від сполучення екологічних, економічних, кліматичних та теплотехнічних параметрів.

Практичне значення одержаних результатів. На базі виконаних наукових досліджень встановлено новий технологічний напрямок розробки високоефективних комплексів теплопостачання з застосуванням запропонованих генераторів ВЕР на основі вдосконаленого охолодження обертових печей. Розроблено методи розрахунків елементів і структурних систем, а також створено методики розробки комплексів теплопостачання відповідного призначення. Промислове впровадження результатів роботи забезпечує: підвищення ефективності відбору та використання теплоти охолодження печі системами теплопостачання; можливість створення комплексів теплопостачання потужністю 0,85-7,6 МВт; збільшення об'єму відбору теплоти з низькотемпературної поверхні печі, що дозволяє розширити масштаб та межі теплопостачання; зниження матеріалоємності систем відбору теплоти до 50-60% порівняно з відомими технічними рішеннями; зниження питомих витрат первинного палива печами не менш ніж на 8% на основі регульованого режиму охолодження печей ; підвищення надійності (довговічності) печі; підвищення ступеня екологічної ефективності комплексу внаслідок зниження хімічного та теплового забруднення навколишнього середовища, зумовленого скороченням питомих витрат палива.

Створені за результатами роботи комплекси впроваджені в промислове виробництво на Куліндоровському заводі залізобетонних виробів ВО "Одесзалізобетон" (1989р.), фактична економія витрат на паливо характеризується 441 тис. грн./рік; на заводі будівельних матеріалів ПБГ"Интострой"(2002р.) та Одеському керамзитовому заводі (1997р.).

Розробки впровадження схвалені науково-технічною радою Міністерства будівництва УРСР та рекомендовано для подальшого їх використання на інших заводах (1990р.).

Очікувана економія на паливо на підприємствах України становить 194 млн.грн/рік..

Матеріали розробки теплопостачання на основі використання повітряноструминного охолодження обертової печі були представлені за запитами 11 спеціалізооованих організацій України та Російської Федерації.

Результати роботи прийняті Державною інспекцією з енергозбереження для подальшого практичного використання на підприємствах Одеського регіону (дов. від 17.10.2003р.).

Основні теоретичні і практичні результати роботи апробовано промисловим виробництвом. Це підтверджує повну готовність створених комплексів до широкого впровадження на будівельно-технологічних підприємствах України.

Основні положення роботи використовуються в учбовому процесі кафедри "Опалення, вентиляції та охорони повітряного басейну" ОДАБА (дов. від 21.10.2003р.).

Особистий внесок здобувача. Основні ідеї, наукові й теоретичні положення в створенні технології, обладнання і структурних систем комплексів теплопостачання, а також практичні рекомендації, запропоновано і розроблено автором особисто. У дисертації узагальнено всі результати, які отримані при виконанні вищезазначених науково-дослідних робіт в період з 1987р. до нинішнього року, під його керівництвом. У роботах, надрукованих у співавторстві, автору належать: [1] постановка та шляхи вирішення задач і узагальнення результатів та висновки; [2, 3, 7] розробка схем і технічних рішень та аналітичне вирішення задач; [4-5, 8-10, 12-15, 19] постановка задач, з узагальненням [16] параметрів, розробка схем та фізичної моделі [11], аналітичні вирішення та висновки; [24, 27] розробка та обґрунтування систем і устроїв з формулюванням новини винаходів. Підготовка вихідних даних для практичної реалізації технології та проектування комплексів теплопостачання, а також організація виготовлення, впровадження та авторського супроводження розробок, здійснено автором особисто. Впровадження результатів роботи здійснювалось за сприяння спеціалістів вищезазначених промислових підприємств та ОДАБА, за що автор висловлює їм щиру вдячність.

Апробація дисертаційної роботи. Основні положення та результати дослідження докладались на науково-технічних конференціях ОДАБА 1988-2003 р.р.; на засіданні науково-технічної ради Міністерства будівництва УРСР, протокол №16 від 13.04.1990р., м.Київ; на розширених технічних радах ВО "Одесжелезобетон" та "Одесстрой", 1990р.; на республіканському семінарі "Моделирование и управление процессами деструкции композитных материалов", м.Одеса, 1988р.; на конференції "Охрана окружающей среды и рациональное использование ресурсов", ДНТП, НПІ, Новополоцьк, 1989р.; на науково-технічному семінарі "Современные способы очистки промышленных выбросов", ДНТП, НПІ, Новополоцьк, 1990р.; на семінарі "Улучшение экономических показателей тепловых агрегатов в металлургии и машиностроении", ДНТЗ, Пенза, 1991р.; на Міжнародній виставці-симпозіумі "Градостроительство, архитектура", м.Одеса, 1996р.; на 4-й Міжнародній науково-практичній конференції "Проблеми економії енергії", м.Львів, 2003р.; на 5-й Міжнародній науково-практичній конференції "Управління ефективним енерговикористанням", м.Одеса, 2003р.

Публікації. Основний положення дисертаційної роботи відображено в 27 друкованих працях, з яких 23 статті у науково-технічних журналах та збірниках наукових праць [1-23] і 15 патентах та авторських свідоцтвах, а також у 8 збірниках тез конференцій.

Об'єм роботи. Дисертація складається зі "Вступу", шести розділів "Основної частини", "Загальних висновків" та "Додатку". Вона викладена на 324 сторінках, з яких 271 сторінка тексту, 89 рисунків, 7 таблиць. Список використаних літературних джерел налічує 232 назви.

ОСНОВНА ЧАСТИНА

Перший розділ присвячено аналізу нинішнього стану проблеми теплопостачання та покращенню енергозбереження в будівельно-технологічному виробництві.

Аналіз теоретичних і експериментальних досліджень (П.С.Колобков, Б.М.Лобаєв, А.Є.Єринов, Є.Є.Новгородський, Л.Т.Воробейчиков, І.З.Аронов, Л.Г.Семенюк і ін.), а також передового вітчизняного та зарубіжного досвіду практичного вирішення задач раціонального відбору і споживання вторинної теплоти з рухомих і стаціонарних поверхонь свідчить, що теплопостачання на основі утилізації енергії зовнішнього охолодження обертових печей, як засіб вирішення актуальної проблеми економії палива, на цей час не має задовільного розв'язку.

Відомі технічні рішення з використання теплоти обертової печі, незначна частина з яких реалізована в промисловості, передбачують варіанти локального теплопостачання одного - двох абонентів без комплексного урахування можливостей регульованої генерації вторинної теплоти для підвищення енергоекономічності теплопостачання.

Результати патентно-ліцензійного пошуку засобів і технічних рішень раціональної структури укриття теплоджерел, теорія і практика їх конструювання, свідчать, що до цього часу вони мають традиційно цільове призначення, переважно як локалізуючих засобів. З позицій енергозбереження ними не достатньо враховуються рівень розвитку, можливості та умови реалізації нових засобів інтенсифікації теплообміну для більш ефективного відбору та використання теплоти абонентськими системами. Очевидна доцільність зниження теплостоків у навколишнє середовище, а також розширення можливостей їх споживання системами різного призначення. При цьому робота всіх генеруючих систем "теплоджерело-укриття" базується на "пасивному" проходженні теплоносія вздовж каналу без організації регульованого малозатратного відбору теплоти з охолоджуваної поверхні, а також на екрануючих властивостях елементів з шаром традиційної ізоляції.

Результати дослідження ефективності теплообміну в радіаційно-конвективних системах між суміжними поверхнями циліндричної обертової печі та концентричним нерухомим екраном без штучного повітряного охолодження за реальних теплотехнічних та геометричних характеристик показали, що в кільцевому зазорі, згідно із значеннями критерія Тейлора (Та=2102-2,64103), наявним є ламінарний режим руху теплоносія з макровихорами. За результатами аналізу питомого теплового потоку для джерел з температурою поверхні до 300 оС встановлено, що для типового ряду за діаметрами обертових печей без штучної інтенсифікації теплообміну, конвективна складова визначається, перш за все, температурним рівнем охолоджуваної поверхні, не перевершуючи 17 % в загальному потоці. Вона мало залежить від співвідношення діаметрів печі та екрану і менш суттєво - від середньої температури поверхні екрану, яка визначається реальним діапазоном (50-90) оС зміни розрахункових температур теплоносія в абонентських системах. Швидкість обертання печі в діапазоні 0,033-0,066 1/с збільшує потужність конвективного потоку в межах 30 %. Для зазначених умов потужність радіаційного теплового потоку не перевищує 3000 Вт/м2, яка є явно заниженою відносно аналогічних значень за середньорічним природним охолодженням. Сумарно це розкриває першопричину випадків перегрівання поверхні печей обпалення в системах без додаткової інтенсифікації теплообміну, які мали місце в перших варіантах охолодження агрегатів в такому виконанні.

При всій багаточисельності однотипних рішень теплопостачання на основі водотрубних елементів (СРСР, Румунія) перевагу мають системи нагріванням води в плоскотрубних екранах (Німеччина, Англія), як в збільшенні загальної поверхні екранування, так і в зниженні гідравлічного опору зі зменшенням матеріалоємності та складності устрою. Системи з плоскотрубними екранами, як показали результати розрахунково-теоретичного аналізу та підтвердила практика їх застосування, повинні бути доповнені засобами штучної інтенсифікації теплообміну, переважно повітряного охолодження поверхні. Разом з тим виконані за такою схемою системи навіть з удосконаленими плоскотрубними екранами ще більше ускладнюються, що приводить до практичної непридатності запропонованих рішень на цій основі. Крім того, враховуючи технологічно обумовлену періодичність експлуатації та нештатні ситуації в роботі теплових агрегатів, не виключається можливість замороження водяних контурів. Наявним є складність експлуатаційного регулювання для забезпечення необхідного режиму охолодження. Тому зазначені системи мають досить обмежене застосування, що підтверджується припиненням їх впровадження за останні десятиріччя, як в нашій державі, так і за кордоном.

Відомі системи теплопостачання на основі поперечного і повздовжнього повітряного охолодження поверхні печей, а також інші, на цей час теж недосконалі, як за нерівномірності охолодження та значних енергозатрат, так і через відсутність надійних засобів стабілізації теплообмінних процесів на поверхні теплоджерела. Вони характеризуються також обмеженим використанням вторинної теплоти за недосконалості функціонального взаємозв'язку з абонентськими системами. Заслуговують уваги системи утилізації теплоти повітряного охолодження печей, які знайшли широке застосування в інших галузях промисловості. Зокрема, системи з подвійними стінками для охолодження сипучих матеріалів та рідин, а також твердих поверхонь. Особливими з останніх є системи та практичні розробки для інтенсивного повітряного охолодження за результатами дослідження вітчизняних і закордонних вчених (ІТТФ, Інститут газу НАНУ, МВТУ, КАІ) в елементах газових турбін, конструкцій літаючих апаратів, струминних рекуператорів та інших. Результати аналізу численних теоретичних та експериментальних досліджень теплогідравлічних закономірностей струминних потоків в обмежених умовах свідчать про можливість створення нових засобів генерації ВЕР для підвищення енергоекономічності теплопостачання. Встановлено також необхідність подальшого вирішення задач забезпечення поздовжньої рівномірності охолодження поверхні за несталих режимів роботи печей та параметрів навколишнього середовища.

Аналіз відомих систем "теплоджерело-укриття" засвідчив, що для досягнення високоефективного охолодження печей при створенні теплопостачання, нові рішення повинні компактно поєднувати в собі можливості раціонального підведення, розподілу теплоносія, а також рівномірного теплообміну на поверхні з локальним або центральним перетворенням відібраної теплоти безпосередньо біля джерела ВЕР.

Аналіз способів стабілізації потрібного теплового режиму печей за несталих умов їх охолодження, в т.ч. внаслідок стирання товщини футерівки, показав, що робота відомих систем "теплоджерело-укриття" базується на відхиленні локальних значень температури теплоносія або поверхні відносно граничного її значення без врахування ефективності повздовжнього охолодження агрегату. Задача удосконалення відомих та розробки нових способів стабілізації теплового режиму печей не має задовільного рішення на цей час.

Таким чином, недосконалою є існуюча методологічна основа теоретичної розробки, аналітичного обґрунтування та інженерного розрахунку функціонально взаємозв'язаних систем раціональної генерації ВЕР та промислового теплопостачання за неадекватності температурних рівнів, режимів та співвідношення потужностей генерованої і спожитої теплоти для досягнення оптимальної економії первинного палива.

За результатами аналізу загальнотехнічних характеристик та подальшого розвитку способів теплопостачання на основі утилізації енергії охолодження обертових печей сформульовано мету і задачі дослідження.

У другому разділі викладені методологія роботи та результати дослідження по створенню системи "теплоджерело-укриття", як високоефективного генератора ВЕР з поліпшеними теплогідравлічними характеристиками для охолодження печі та промислового теплопостачання.

Відому математичну модель за дослідженнями Є.Й.Ходорова для умов квазістаціонарного теплообміну газового потоку, матеріалу, що пересипається, та футерівки печі було доповнено. Система, що включає рівняння відповідних теплових потоків та проміжків часу взаємодії матеріалу з газовим потоком і футерівкою, доповнена залежністю зміни теплової потужності газової складової та клінкеру на розмір теплостоків через зовнішню поверхню визначеної ділянки печі. Залежність теплового потоку на внутрішній поверхні футерівки виражено через коефіцієнт ефективного теплообміну, який є об'єктом теплотехнологічного дослідження якості клінкеру. Використання рішення основного рівняння теплопровідності для зазначених умов дозволило отримати залежність визначення середньої температури зовнішньої поверхні відповідної зони циліндричної обертової печі від температури газового потоку, питомого теплового потоку та ефективного коефіцієнта теплообміну на внутрішній поверхні футерівки за відомих конструктивних розмірів і теплотехнічних характеристик матеріалів обпалювального агрегату. Доступні експериментальні дані добре узгоджуються з результатами розрахунків за встановленою залежністю.

Дослідженням з узагальненням кліматичних умов для України та найбільш характерних регіонів СНД встановлено, що середньомісячні значення теплових потоків з невкритої поверхні для мінімальних діаметрів типового ряду обпалювальних печей в навколишнє середовище досягають 7100 Вт/м2 з нерівномірністю до 24 % впродовж року. Встановлені екстремальні умови природного охолодження печі в серпні і лютому з відповідною можливістю перегріву та переохолодження її поверхні, а середньомісячні умови у квітні та жовтні запропоновано приймати за розрахункові.

В основу структурно-функціонального устрою системи "теплоджерело-укриття" були закладені принципи організації інтенсивного охолодження та відбору теплоти з поверхні печі у регульованому режимі, а також універсальність застосування базової структури з мінімальною її матеріалоємністю для теплоджерел різних габаритів і форм бокової поверхні. Зазначені принципи зумовили необхідність визначення та обґрунтування технічних напрямків конструювання генераторів ВЕР нового напрямку. На цій основі з застосуванням способів струминної інтенсифікації теплообміну запропоновано конструктивно-технологічну структуру укриття охолоджуваної поверхні. Вона базується на комплексному використанні позитивних теплогідравлічних властивостей суцільних, пористих і перфорованих елементів для забезпечення рівномірного розподілу та повітряноструминної дії теплоносія на поверхні охолодження з наступним одностороннім видаленням відпрацьованих потоків. Для визначення доречності застосування проникаючих елементів в системі "теплоджерело-укриття" з цього напрямку стало необхідним провести аналітичне дослідження теплових властивостей пористих структур на їх теплообмінні характеристики в умовах протинаправленого розповсюдження теплових потоків і охолоджуючого середовища.

Результати теоретичного дослідження транспіраційного охолодження матеріалу з одностороннім нагріванням для зазначених умов дозволили встановити закономірність зміни температури теплоносія і каркасу пористого елементу за його товщиною. Отримані залежності виявили якісну зміну температури каркасу і охолоджуючого середовища. Результати дозволили спрогнозувати висновок, що застосування пористих елементів в конструкції укриття теплоджерела позитивно характеризуються не тільки як засіб раціонального транспортування та організації необхідного розподілу теплоносія на поверхні. Співставлення потужності теплового потоку, який проходить крізь товщу пористого елемента з рухомим середовищем порівняно з його значенням в нерухомому стані, дозволило визначити ефективність термічного опору пористої структури в умовах транспіраційного теплообміну. Оцінено сумісний вплив теплопровідності, товщини пористого каркасу і питомих витрат охолоджуючого середовища на багаторазове, n, підвищення термічного опору елементів з проникаючою пористістю в конструкції генератора згідно з співвідношенням

(1)

де - корені, які визначаються за залежністю (умовні позначки див. на с. 28)

(2)

З аналізу стала очевидною доцільність застосування каркасу з пористих елементів з низькою теплопровідністю та можливості повного виключення теплових стоків в навколишнє середовище за їх товщиною 0,05-0,1 м. Тому за отриманими результатами раціональним на рівні перспективних технологій запропоновано застосування аналітично обґрунтованого устрою укриття рулонного типу, структура якого з необхідною пористістю трансформується в перфорований елемент раціональної конструкції.

Досліджено вплив конструктивних параметрів в системі коаксіальних циліндрів "теплоджерело-укриття" та радіаційних характеристик структурних елементів генератора ВЕР на результуючий променевий потік. Аналітично оцінена ефективність променевого теплообміну в залежності від конструктивних параметрів і селективних властивостей зазначеної системи. Встановлено, що зміна зазору між джерелом та екранним елементом (відносно раціонального розміру за теплогідравлічних умов) може розглядатися як шлях конструктивного малозначимого зниження потужності променевого потоку. Таке рішення може бути раціональним лише для системи з значним ступенем чорноти внутрішньої поверхні. Співвідношення діаметрів поверхонь системи відчутне тільки для укриття з саме таким ступенем чорноти. Також визначено взаємозв'язок кутового коефіцієнта опромінення перфорованого елемента з конструктивними параметрами суміжних екранів, , що дозволяє знаходити результуючий променевий потік на внутрішню поверхню кожуха генератора. Прийнято до уваги, що будь-який ступінь перфорації, знижуючи екрануючу ефективність, функціонально необхідний для організації процесу повітряноструминного охолодження. Це привело до висновку про доцільність застосування в конструкціях укриття таких рішень, які, виключаючи погіршення екрануючих можливостей, були б засобами регулювання інтенсифікації процесу теплообміну на охолоджуваній поверхні.

Виходячи з запропонованих принципів функціонально-структурного устрою системи "теплоджерело-укриття", результатів аналітичного дослідження теплових характеристик проникаючих та перфорованих елементів і суцільних екранів, розроблено варіантні рішення систем струминної генерації теплоти в процесі охолодження джерел циліндричної, рис.1, конічної та комбінованої форм зовнішньої поверхні. На базі цього запропоновано також перспективні теплоутилізаційні конструкції обладнання з підвищеними теплоенергозберігаючими та функціональними властивостями (циклонів, зонтів, бортових відсмоктувачів), а також різноманітні системи струминного охолодження теплоджерел з плоскою поверхнею.

На основі запропонованої моделі процесів повітряноструминного охолодження циліндричної поверхні з використанням необхідних рівнянь теплообміну і витрат теплоносія, визначені умови забезпечення подовжньої рівномірності теплообміну шляхом вирівнювання далекобійності витікаючих струменів в потоці, що зносюється в напівкільцевих каналах. У результаті цього встановлено варіанти забезпечення рівномірності теплообміну при концентричному розташуванні циліндричного теплоджерела і перфорованого елемента з закономірністю лінійного збільшення діаметрів отворів в напрямку видалення відпрацьованих потоків. У разі ексцентричного розташування зазначеного елемента відносно теплоджерела з відповідною зміною зазору між ними визначена закономірність сталої перфорації. Розроблено комбіноване застосування вищезазначених варіантів.

В системі охолодження циліндричних великорозмірних печей, які до того ж мають свій ексцентриситет, виготовлення перфорованого елемента зі змінними діаметрами за довжиною розподільчого каналу технічно складно. Тому на основі запропонованого принципу допустимої нерівномірності охолодження поверхні відносно середнього значення, визначена технологія ступеневого секціювання перфорованих елементів з сталою геометрією перфорації в кожній секції. Загальна кількість секційних елементів,, визначається залежністю

(3)

Визначено також ширину кожної cекції, діаметри отворів та встановлено відповідні залежності для знаходження далекобійності струменів, які детально приведені в роботі. Це склало технологічну основу розрахунково-конструктивної методики розробки повітряноструминних високоефективних генераторів ВЕР. Достовірність розробленої методики конструювання струминно-канальної системи для забезпечення рівномірного за довжиною теплообміну підтверджується співставленням результатів розрахунків з узагальненими даними експериментальних досліджень такого типу систем охолодження Є.П.Дибана, О.І.Мазура, Ченса та ін.

За результатами проведених досліджень сформульовані основні засади технології розробки перспективних систем охолодження поверхні джерел ВЕР різних конфігурацій та габаритів з елементами в рулонному або секційному виді з проникаючих структур. Вони забезпечують потрібну геометрію струминних потоків перфорованими елементами в процесі регульованого охолодження поверхні печі.

Третій розділ. Викладено результати дослідження впливу конструктивних параметрів генератора ВЕР на характер розподілу повітря та втрати тиску в спарених його каналах (зовнішнього розподільного та внутрішнього збірного) для характерних напівкільцевих елементів укриття циліндричних теплоджерел. Необхідним стало попереднє вирішення відповідних задач для одинарних каналів за методологією В.Н.Талієва. Було встановлено закономірність зміни ширини каналу, що забезпечує повздовжню рівномірність розподілу повітря. Для виділеного об'єму між двома суміжними радіальними перерізами на нескінченно малому відрізку дуги кругової стінки було прийнято, що зміна кінетичної енергії виділеного об'єму дорівнює роботі прикладених до нього зовнішніх сил. Умовою рівномірного витікання повітря є сталість перепаду статичного тиску в будь-якому перерізі повітропроводу. Тому вважалося, що сумарна робота сил статичного тиску на боковини розглянутого об'єму дорівнює нулю.

При визначенні зміни ширини клиновидного каналу за його довжиною після переходу до безрозмірних величин складено диференційне рівняння другого порядку, яке вирішувалось за методом Рунге-Кутта для різних радіусів та перерізів каналу з відомою початковою швидкістю руху повітря. Співставлення результатів розрахунку зміни відносної ширини каналу за його довжиною порівняно з прямолінійним вказує на її значне зростання зі зменшенням радіусу каналу та малу залежність її від початкової швидкості повітря в межах 5-15 м/с.

За результатами досліджень встановлені залежності для визначення конструктивних параметрів та розрахунку тиску в спарених напівкільцевих каналах характерних форм і конструкцій генератора ВЕР для циліндричних теплоджерел.

Для спарених напівкільцевих каналів з постійною шириною із заглушеними протилежними боковинами, а також для спарених клиновидного розподільчого каналу зі збірним постійної ширини було вирішено аналогічні задачі. Це зумовило необхідність попереднього визначення закономірності зміни ширини клиновидного каналу, а також загальних втрат тиску. Дослідження було виконано з урахуванням нерівномірності коефіцієнта втрат за його довжиною на основі результатів І.Є. Ідельчика, Л.М. Дудінцева, В.І. Ханжонкова та ін. Втрати тиску в розподільчому каналі визначаються за залежністю

Ррзд =((sind)2+(cosd)2)1/2 (4)

де р=0,067 рзд()1/4(Voво)7/4+)5/4(1-)7/4/.

Інтеграли вираховують у кожному конкретному випадку приблизними методами.

Залежність для знаходження втрат тиску в збірному каналі має вигляд

Рсб=0,375сбV Vo(+)(1/2+4/4)1/2/ (5)

При проходженні повітря через загальну перфоровану стінку між суміжними каналами втрати тиску визначаються за формулою

Рщ = рздV2((d)2+(d)2)1/2/2 (6)

де =(1/2+0,026Vо(1-)/V)2; - коефіцієнт місцевого опору при проходженні повітря в кінці каналу.

За розрахунками втрати тиску в таких каналах для печі радіусом 3 м знаходяться в межах 160-250 Па. Результати розробки забезпечують рівномірність розподілу та струминну дію потоків за довжиною охолоджуваної поверхні обпалювальних печей. Достовірність отриманих залежностей для характерних форм полуциліндричних каналів в укриттях підтверджується можливістю переходу до тих же результатів при безкінцевому збільшенні радіусу, що отримані на основі раніше відомих залежностей для прямолінійних каналів.

У четвертому розділі викладено шляхи ефективного використання теплоти охолодження печей, умов синтезу систем відбору, перетворення та споживання теплоти, розробки засобів стабілізації раціонального охолодження агрегатів для створення на цій основі високоефективних комплексів теплопостачання.

Проаналізовано теплові схеми та умови виробництва основних видів будівельних матеріалів у печі обпалення за рекомендованою методологією МЕІ (м. Москва) з регенеративним та зовнішнім теплоспоживанням і розробками ХІБІ (м.Харків). На цій основі автором встановлено вплив одиничної теплової потужності та продуктивності обертової печі, а також енергетичних характеристик систем теплоспоживання на питому економію палива, в результаті використання теплоти охолодження її поверхні в наступному вигляді

(7)

Розглянуто спрощену математичну модель системи, яка характеризує енергетичний взаємозв'язок процесів генерації, перетворення та споживання енергії в узагальнених комплексах. Вона базується на аналітичних залежностях зміни основних показників функціонування систем від найбільш суттєвого фактора - температури. В результаті встановлено, що раціональний синтез теплових схем енергетичної взаємодії цих систем є складною багаторівневою екстремальною задачею визначення оптимального управління, вирішення якої може проводитися, наприклад, на основі дискретного принципу максимуму за відомих значень зміни загальних затрат структурних систем.

На основі аналізу відомих систем відбору та споживання теплоти, розробленої технології створення конструктивних варіантів генератора ВЕР з регульованою інтенсифікацією охолодження поверхні, а також результатів пошукових досліджень засобів утилізації теплоти і економії палива, сформульовані умови запропонованих варіантів стабілізації раціонального охолодження печі та принципи створення комплексних систем. Функціонально вони забезпечують подачу, розподіл та регулювання струминної дії охолоджуючого середовища на поверхню теплоджерела, а також відведення, перетворення та передачу теплоти для ефективного споживання відповідними системами. Вони бувають регенеративного та абонентського призначення у вигляді узагальнених комплексів теплопостачання. В залежності від комбінації спільного чи двох різних теплоносіїв у контурах відбору та споживання теплоти комплекси є моно - та бінарного типу.

Концептуальною основою стабілізації раціонального теплообміну на поверхні джерела в системі "теплоджерело-укриття" зі змінними перепадом температур і витратою теплоносія є створення регульованого режиму інтенсифікації зовнішнього теплообміну в прямоточному процесі охолодження поверхні. При цьому відбір необхідного теплового потоку здійснюється рівномірно за змінних температурних перепадів і витрат теплоносія в умовах несталості його початкової температури як незалежної. За неоднакових перепадів температур теплоносія (кінцевої на виході та початкової на вході в генератор) змінна інтенсивність стабілізуючого теплообміну досягається за адекватної зміни витрат та струминної дії теплоносія. Це забезпечує сталість його середньої температури на всьому діапазоні мінливості температури навколишнього повітря. Стабілізація теплообміну за цим засобом реалізується в процесі прямоточно-струминного охолодження поверхні джерела, що зумовлює загальну структуру відповідних комплексів теплопостачання, рис.2.1. Проведене дослідження виявило принципову можливість вдосконалення відомих систем повітряного охолодження печей згідно з запропонованим засобом з традиційними "канальними" укриттями.

В умовах несталості метеорологічних факторів та зносу футерівки це можливо як відповідною зміною ширини каналу, так і витрат охолоджуючого середовища, а також в процесі суміщення цих параметрів. Закономірність зміни кінцевої температури теплоносія від зовнішньої температури зумовлює необхідну ефективність теплообміну, в зв'язку з чим вона визначається за залежністю , 0С. При цьому для стабілізації тепло-обміну на раціональному рівні природного охолодження поверхні підтримується сталість середньої температури теплоносія між початковим та кінцевим її значенням .

Аналізом робочих процесів запропонованих монокомплексів промислового теплопостачання однофункціонального комунально-побутового призначення з прямоточною генерацією ВЕР, рис.2.2., встановлено закономірність змінного співвідношення теплоносія після генератора та зовнішнього повітря для забезпечення експлуатаційної потужності опалювально-вентиляційних систем. Отримані залежності та встановлені закономірності стали основою для розрахунково-технологічної розробки комплексів такого типу і створення відповідних засобів автоматики для експлуатаційного регулювання. Також встановлено, що чим більша частина розрахункового опалювально-вентиляційного навантаження забезпечується утилізаційним комплексом, тим більше теплоти Фвыб вимушено може виходити в навколишнє середовище і тим менша її кількість Фд додатково необхідна від традиційного, в більшості паливного, джерела теплопостачання. Беручи до уваги, що питомі замикаючі витрати на теплоту від традиційного джерела теплопостачання (ТЕЦ, РК) і теплоутилізаційного комплексу суттєво відрізняються один від другого, встановлена залежність оптимального заміщення опалювально-вентиляційного навантаження вторинною теплотою . Виявлено, що без суттєвих погрішностей для всієї території України слід вважати залежним в основному від співвідношення , при значенні якого більш 30, перевищує 80%.

Теплопостачання на основі стабілізуючого охолодження теплоджерел засобом сталих перепадів температур та витрат охолоджуючого середовища має значно більші можливості. Його суть обумовлюється створенням регульованої рівномірної дії струминного потоку на поверхню охолодження забезпеченням сталих початкової та кінцевої температури і витрат теплоносія ((tг-tн)=соnst, Gп=соnst).

Сталість початкової температури теплоносія, рис.2.3, досягається змішувальною або рекуперативною регенерацією частини теплоти відпрацьованого потоку, а за необхідності забезпечується доохолодженням первинного теплоносія від зовнішнього джерела. Основою регенеративно-змішувального засобу стабілізації охолодження поверхні є режимне забезпечення сумісно з зовнішнім потоком повітря сталої початкової та кінцевої температури і її перепаду та загальних витрат теплоносія, який при регульованій інтенсивності охолодження поверхні дозволяє досягти необхідної ефективності повітряноструминного теплообміну. Порівняно з прямоточними ці системи вигідно відрізняються не тільки умовами стабілізації процесів охолодження в оптимальному режимі по всій довжині поверхні печі, але й можливістю повного виключення "сезонної" нерівномірності зазначених процесів в напрямку видалення відпрацьованих потоків. Такі рішення додатково дозволяють добувати теплоту з навколишнього повітря при його доохолодженні, наприклад, в теплий період року, з метою попереднього нагрівання води для гарячого водопостачання. Запропонована технологія реалізується в відповідних монокомплексах промислового теплопостачання на основі генерації ВЕР з рециркуляційно-змішуючою стабілізацією процесів охолодження печей. Проаналізовані умови функціонального взаємозв'язку режимних параметрів для забезпечення високоефективної роботи структурних систем з різнорідними тепловими потоками. На основі цього встановлено, що в процесі експлуатаційного регулювання опалювально-вентиляційних систем відбір теплоти для сезонного технологічного використання визначається співвідношенням теплових потоків, ступенем відповідності режимів вироблення і споживання теплоти, при чому завжди ефективність енергозбереження зростає для комунально-побутових сезонних абонентів зі зниженням температури навколишнього середовища та за наявності стабільного теплоспоживання.

Для опалювально-вентиляційних систем встановлена закономірність зміни співвідношення зовнішньої та регенеративної частин теплоносія для забезпечення їх експлуатаційної потужності. Дослідженням взаємозв'язку режимних параметрів рециркуляційно-змішуючих монокомплексів встановлено узагальнену залежність між змінною кількістю охолоджуючого середовища та мінімально необхідною витратою теплоносія для забезпечення експлуатаційної потужності опалювально-вентиляційних систем з розбавленням шкідливостей у закритих приміщеннях до їх нормативної концентрації, що ілюструється графіками на рис.3.

П'ятий розділ присвячено розробці бінарних комплексів теплопостачання на основі генерації ВЕР з охолодженням обертової печі, що регулюється. У технологіях створення монокомплексів певні складності вносять енерго- і матеріальні витрати через розгалуженість мереж регенеративно-змішуючих систем, віддаленість та обмеження їх використання за санітарно-гігієнічної придатності повітря з обмеженням рівня його температури і вмісту шкідливостей. Крім того, використання теплоти нагрітого повітря зустрічає відомі складнощі не тільки через енергозатратне його транспортування, але і внаслідок невирішених задач її використання за багатоваріантних умов невідповідності потужності теплових потоків, витрат теплоносія за часом і температурного потенціалу теплоти, яка відбирається для систем споживання. Тому практичне застосування монокомплексів за наявності великих об'ємів теплоти до цього часу обмежується відносно вузьким колом абонентських систем, переважно технологічної сушки, дуття для горіння та повітряного опалення.

Ці недоліки виключаються з застосуванням бінарних комплексів, рис.4, в яких регенерація теплових потоків здійснюється також шляхом використання вторинного енергоносія. Для більш ефективного застосування первинного теплоносія стає можливим його попереднє охолодження з використанням теплоти навколишнього повітря. Крім змішуючого та рекуперативного, можливе застосування контактного і контактно-рекуперативного теплообміну між середовищами. Це відкриває універсальність широкого використання теплоти охолодження печей в теплотехнологічних процесах основного виробництва.

Рис 1. Залежність між кількістю теплоносія за умов опалення та мінімально необхідним його значенням для вентиляції від температури зовнішнього повітря

За результатами дослідження розроблені бінарні комплекси промислового теплопостачання підвищеної ефективності енергозбереження однофункціонального комунально-побутового призначення. Для гарячого водопостачання з рекуперативним нагріванням води, рис.4.1, встановлено залежності необхідного ступеня інтенсифікації процесів термостабілізуючого охолодження поверхні, питомих витрат охолоджуючого середовища та можливого співвідношення первинного і вторинного теплоносіїв у схемах із замкнутим контуром охолоджуючого повітря.

Для водяного опалення визначені умови сумісної роботи та основи розрахунку систем при безперервному та дискретному їх функціонуванні, рис.4.2. Зокрема, для акумуляції необхідної кількості теплоти при дискретному режимі роботи агрегату з наступними вихідними днями на підприємстві потрібний об'єм води в баках-акумуляторах з дотриманням стратифікації визначається за залежністю

Доцільна структура системи передбачує значне зниження об'єму бака-акумулятора шляхом обґрунтованого вибору температур абонентського теплоносія з мінімізацією загальних затрат.

Для повітряного опалення з періодичним циклом генерації теплоти при нерівномірному її споживанні опалювально-вентиляційними системами, рис.4.3, встановлено взаємозв'язок розрахункових параметрів комплексу з тепловими характеристиками будівель. Він визначає оптимальні умови сумісної роботи структурних систем. Також встановлено, що потужність акумулятора слід приймати з таким розрахунком, щоб внутрішня температура повітря в приміщенні досягала допустимого мінімального рівня тільки в кінці неробочого періоду підприємства, а чергове опалення від бака-акумулятора реалізовувалось одночасно з закінченням роботи агрегату, не чекаючи зниження температури внутрішнього повітря до нормованого мінімального значення.