Зниження енерговитрат на транспортування водовугільного палива вдосконаленням процесів та режимів роботи гідротранспортних систем

Размещено на http://www.allbest.ru/

СХІДНОУКРАЇНСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ІМЕНІ ВОЛОДИМИРА ДАЛЯ

УДК 621.924.93

ЗНИЖЕННЯ ЕНЕРГОВИТРАТ НА ТРАНСПОРТУВАННЯ ВОДОВУГІЛЬНОГО ПАЛИВА ВДОСКОНАЛЕННЯМ ПРОЦЕСІВ ТА РЕЖИМІВ РОБОТИ ГІДРОТРАНСПОРТНИХ СИСТЕМ

Спеціальність 05.22.12 - промисловий транспорт

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

ШВОРНІКОВА ГАННА МИХАЙЛІВНА

Луганськ 2010

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Східноукраїнському національному університеті імені Володимира Даля Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор ЧЕРНЕЦЬКА Наталія Борисівна Східноукраїнський національний університет імені Володимира Даля, завідуюча кафедрою організації перевезень і управління на залізничному транспорті.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор, БЕРЕСТОВИЙ Анатолій Михайлович, Одеська Національна морська академія, Азовський морський інститут, завідувач кафедрою судоводіння і морських перевезень

кандидат технічних наук, доцент, СВІТЛИЙ Юрій Герасимович, Науково-виробниче об'єднання «Хаймек», директор з наукової роботи.

Захист відбудеться «9» вересня 2010 р. о 10⁰⁰ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д29.051.03 при Східноукраїнському національному університеті імені Володимира Даля за адресою: 91034, м. Луганськ, кв. Молодіжний, 20а, перший навчальний корпус, зал засідань.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля.

Автореферат розісланий «6» серпня 2010 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Ю.І. Осенін

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Вступ. В Україні, як і в багатьох інших країнах світу, гостро стоїть проблема дефіциту нафти і газу. Альтернативою цим джерелам енергії є водовугільне паливо (ВВП), яке отримують на основі тонкоподрібненого вугілля будь-яких марок, води і реагенту пластифікатора.

Переведення промислових котельних на ВВП не вимагає кардинального переобладнання газомазутних котлів і допускає подачу палива від виробника до споживача за допомогою промислового трубопровідного гідротранспорту.

Актуальність теми. Використання водовугільного палива в промисловості має ряд значних переваг: ВВП є екологічно чистим енергоносієм, в продуктах його згорання значно менше сажі, оксидів азоту і сірки у порівнянні з використанням вугілля; для приготування палива можна використовувати шлами і відходи вуглезбагачення; ВВП є економічним видом палива, воно має достатньо високу теплоту згоряння і дозволяє скоротити витрати на його транспортування за рахунок використання трубопровідного транспорту.

Розширення сфери використання водовугільного палива як ефективної вугільної технології викликає необхідність подальших досліджень, спрямованих на вдосконалення параметрів і засобів транспортування.

Найбільш значний вплив на процеси транспортування ВВП по трубопроводу робить концентрація вугільних часток, їх гранулометричний розподіл і фізико-хімічні властивості вихідного вугілля, що залежать від його ступеня метаморфізму. У зв'язку з цим актуальним є задача раціонального підбору концентрації і забезпечення гранулометричного складу, відповідного максимально можливій упаковці часток для кожної конкретної марки вугілля, оскільки невиконання цієї умови призводить до підвищення витрат на транспортування ВВП і збільшення часу простою на обслуговування промислової гідротранспортної системи (ПГТС).

Дослідження і уточнення закономірностей плину водовугільного палива в системах промислового гідротранспорту дозволить зменшити до необхідного рівня величину енергетичних витрат на транспортування на стадії приготування ВВП, що призведе до підвищення ефективності роботи ПГТС. Крім того, уточнення математичного описання механізму транспортування ВВП дозволить прогнозувати необхідні гідромеханічні параметри ПГТС на стадії її проектування.

Таким чином, тема досліджень є вельми актуальною.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами і темами.

Дослідження, виконані в даній дисертаційній роботі, є частиною госпдоговірних тем СНУ ім. В. Даля ДН-27-06 «Обґрунтування і розробка теоретичних основ створення енергоємного і екологічного седиментаційно-стабільного водовугільного палива» (2006 р., номер держ. реєстрації 0209U002228) і ДН-15-09 «Дослідження закономірностей приготування і транспортування водовугільного палива із сировини вітчизняного виробника» (2009 р., номер держ. реєстрації 0109U000075); держбюджетної теми за Державною науково-технічною програмою «Ресурс» КГН 20-07 «Прогнозування і підвищення ресурсу трубопровідної арматури промислового гідротранспорту твердих матеріалів» (2007 р., номер держ. реєстрації 0107U006878). Автор є одним з виконавців перерахованих робіт.

Мета і завдання досліджень. Метою роботи є зниження енерговитрат на транспортування водовугільного палива шляхом вдосконалення процесів і режимів роботи промислових гідротранспортних систем на основі забезпечення раціональних композицій та реологічних характеристик ВВП.

Для досягнення поставленої мети були поставлені і вирішені наступні завдання:

1. Аналіз існуючих технологічних схем приготування і транспортування водовугільного палива в системах промислового гідротранспорту.

2. Уточнення реологічної моделі неньютонівських рідин, урахуванням особливостей плину водовугільного палива при різних величинах швидкості зсуву.

3. Удосконалення математичної моделі плину неньютонівських рідин, що дозволяє визначити гідравлічні параметри транспортування ВВП в системах промислового гідротранспорту з урахуванням його реологічних характеристик і фізико-хімічних властивостей вихідного вугілля.

4. Експериментальні дослідження закономірностей зміни гідравлічних параметрів плину ВВП і енерговитрат на його транспортування від основних факторів впливу.

5. Дослідження і розробка рекомендацій по забезпеченню концентрації і гранулометричного складу вугілля, що забезпечують задані реологічні та енергетичні характеристики ВВП.

6. Розробка технічних рішень, спрямованих на підвищення ефективності гідравлічного транспорту водовугільного палива.

Об'єкт дослідження. Процеси транспортування водовугільного палива в системах промислового гідротранспорту.

Предмет досліджень. Закономірності зміни енергетичних витрат на транспортування водовугільного палива залежно від якості вихідної сировини і реологічних характеристик.

Методи дослідження. Використаний математичний апарат диференціального і інтегрального числення для удосконалення математичної моделі плину ВВП, методи математичної фізики, класичні рівняння гідродинаміки, математичний апарат теорії пружності, теорії пластичності, теорії деформацій, чисельні методи вирішення рівнянь вищих порядків, сучасні методи математичного планування експериментальних досліджень і статистичної обробки результатів експериментів, а також теорія гідродинамічної подібності при моделюванні процесу плину водовугільного палива в лабораторних умовах.

Достовірність і обґрунтованість наукових положень, висновків і рекомендацій обумовлена адекватністю математичних моделей, що базуються на фундаментальних положеннях класичних наукових дисциплін і підтверджуються стандартними процедурами перевірки результатів досліджень на всіх етапах роботи та задовільною збіжністю теоретичних і експериментальних результатів.

Наукова новизна:

1. Уточнена реологічна модель неньютонівських рідин урахуванням 3-х реологічних параметрів, а саме, напруження зсуву, градієнта швидкості зсуву і в'язкості, що дозволяє визначити реологічні характеристики ВВП незалежно від виду закону, що описує його фізико-механічні властивості.

2. На підставі запропонованої реологічної моделі вдосконалена математична модель плину неньютонівських рідин, яка враховує швидкісні режими транспортування і реологічні характеристики ВВП, що дозволяє визначити їх вплив на основні гідравлічні параметри транспортування палива в промислових ГТС.

3. Вперше встановлені експериментальні залежності комплексного впливу концентрації, гранулометричного складу, зольності вихідного вугілля і швидкості плину на гідравлічні параметри транспортування палива, що дозволило визначити закономірності впливу вищезгаданих факторів на енергетичні витрати при транспортуванні ВВП.

Практичне значення отриманих результатів. Розроблені рекомендації по підвищенню ефективності транспортування водовугільного палива за рахунок забезпечення заданих реологічних характеристик. Запропоновано методику визначення енергетичних витрат на транспортування водовугільного палива, що дозволяє розрахувати діаметр трубопроводу, середню швидкість транспортування для забезпечення заданої продуктивності гідротранспортної системи та питомі витрати напору, а також методику вибору насосного обладнання.

Використання запропонованих методик дозволяє зменшити енерговитрати на транспортування ВВП, збільшити міжремонтні терміни насосного обладнання, зменшити кількість аварійних зупинок, подовжити час безупинної роботи ПГТС з 15 до 18 годин на добу та зменшити енергетичні витрати на транспортування на 7,3%.

Матеріали дисертаційних досліджень і розроблені заходи щодо підвищення ефективності транспортування водовугільного палива прийняті для практичного використання на підприємствах ЗАТ ГЗФ «Луганська», ВАТ ГЗФ «Білореченська» і науково-дослідних інститутах НВО НДПКІ «Вуглемеханізація» при розрахунку систем гідротранспорту.

Особистий внесок здобувача. Особисто автором в рамках даної роботи здійснено наступне:

- виконані дослідження реологічних характеристик водовугільного палива залежно від гранулометричного складу твердого компоненту, концентрації, типу і кількості хімічних добавок [1, 2, 3, 6, 14];

- уточнено реологічну модель неньютонівських рідин, що містить зсувну деформацію, напруження зсуву і що визначає вплив цих величин на реологічні і седиментаційних характеристики водовугільного палива [5, 8, 13];

- вдосконалено математичну модель процесів транспортування водовугільного палива в системах промислового гідротранспорту, що заснована на аналізі впливу реологічних характеристик і швидкісних режимів транспортування на енергетичні витрати [7];

- визначено питомі втрати напору в трубопроводах залежно від концентрації, гранулометричного складу вугілля, його зольності і швидкості транспортування ВВП [5, 15];

- доповнені методики і розроблені рекомендації щодо вибору раціональних композицій ВВП, діаметрів трубопроводів та типу і кількості насосів для забезпечення необхідної продуктивності промислових гідротранспортних систем [4, 9, 10, 11, 12].

Апробація результатів дисертації. Результати досліджень доповідались і схвалені на: міжнародних науково-практичних конференціях «Гидроаеромеханіка в інженерній практиці» (м. Луганськ, 2007 р.), «Motorization and power industry in agricultur» (м. Люблін (Польща), 2008, 2009 р.), «Рухомий склад та спеціальна техніка транспорту» (м. Харків, 2008, 2009 р.), «Политранспортные системы» (м. Новосибірськ, 2009 р.), «Сучасні досягнення в науці і освіті» (м. Тель-Авів (Ізраїль), 2009р.), «Інноваційні технології на залізничному транспорті» (м. Красний Лиман, 2010 р.) науково-технічних конференціях професорсько-викладацького складу СНУ ім. В. Даля (2007 - 2010 р.).

Публікації. Основний зміст дисертації опублікований в 15 роботах, з яких 1 монографія, 8 статей у збірниках наукових робіт, які входять до переліку ВАК України, тези 3 доповідей на міжнародних конференціях, 3 патенти України на корисну модель. Бібліографічний список опублікованих робіт представлений у кінці автореферату.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків. Загальний обсяг дисертації 191 сторінка, з яких 153 сторінки основного тексту, робота містить 40 рисунків на 18 повних сторінках, 17 таблиць за текстом, список використаних джерел з 111 найменувань на 12 сторінках, 1 додаток на 7 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

транспортування паливо гідравлічний водовугільний

У вступі обґрунтована актуальність дисертаційної роботи, сформульовані напрями, мета і завдання досліджень, визначено об'єкт і предмет досліджень, викладено наукову новизну, практичне значення, особистий внесок здобувача і реалізація отриманих результатів роботи.

У першому розділі проведено аналіз існуючих схем приготування, зберігання і транспортування водовугільного палива.

ВВП можна використовувати в газомазутних котлах вуглезбагачувальних фабрик, металургійних заводів і підприємств хімічної промисловості без їх кардинального переобладнання та транспортувати від пункту приготування до пункту споживання за допомогою промислових гідротранспортних систем.

Водовугільне паливо є дисперсною системою, що складається з тонкоподрібненого вугілля, води і реагента-пластифікатора. Отримують ВВП з вугілля, антрацитів, вуглевмісних відходів і вугільних шламів. ВВП має всі технологічні властивості рідкого палива: транспортується в залізничних та автоцистернах, трубопроводами та в наливних судах, зберігається в резервуарах, зберігає свої властивості при тривалому зберіганні і транспортуванні, при цьому воно вибухо- та пожежобезпечне.

Гідравлічні параметри транспортування, реологічні та енергетичні характеристики водовугільного палива безпосередньо залежать від концентрації твердого компоненту в суспензії і його гранулометричного розподілу. Величина концентрації залежить від щільності упакування часток, максимальне значення якої досягається шляхом змішування двох, трьох і більше класів крупності твердого компоненту за відсутності в суміші проміжних класів. З урахуванням необхідної для спалювання в топках котлоагрегатів крупності часток вугілля 0…280 мкм прийнятий гранулометричний склад водовугільної суспензії, що містить частки розміром від 0…40 мкм і 100…280 мкм, при мінімальній наявності класу 40…100 мкм.

Водовугільне паливо залежно від природи твердої фази, виду і кількості хімічних реагентів, що вводяться, концентрації і розміру часток твердого компоненту може проявляти властивості бінгамовських пластиків, псевдопластичних і навіть тиксотропних рідин.

Основним чинником, що характеризує ефективність транспортування ВВП, є питомі втрати напору, які визначають енергетичні витрати на переміщення палива при достатній енергоємності.

Питаннями транспортування водовугільного палива займалися такі вчені як Берестовий А.М., Білецький В.С., Брагін Б.Ф., Власов Ю.Ф., Кріль С.І., Круть О.А., Мурко В.І., Світлий Ю.Г., Смолдирєв А.Є., Урьєв Н.Б., Чернецька Н.Б., Юфін А.П., Carniani E., Ercolani D. та ін.

Таким чином, аналіз попередніх досліджень процесів транспортування водовугільного палива дозволив визначити мету і завдання даного дослідження, які сформульовані вище.

У другому розділі на підставі аналізу раніше встановлених реологічних законів неньютонівських рідин була уточнена реологічна модель для водовугільного палива.

Відомі класифікації неньютонівських рідин побудовані на емпіричних рівняннях, що повязують в'язкість і швидкість деформації. Реологічна модель повинна містити не більше трьох незалежних реологічних параметрів. Відоме узагальнення реологічних моделей складається з елементу Кельвіна, послідовно поєднаного з елементом Максвелла. Достоїнством такої моделі є молекулярна інтерпретація в'язкопружних властивостей, коли деформація складається з миттєвої пружної деформації незворотної в'язкої течії та пружної деформації, що запізнюється. Найбільше число параметрів в цих рівняннях має реологічна модель Рейнера-Філіппова. Згідно з якісним уявленням про молекулярний механізм миттєвої пружної деформації, вона виникає завдяки навантаженню і витягуванню первинних валентних зв'язків, а незворотна в'язка течія виникає внаслідок відносного ковзання молекулярних ланцюгів.

На підставі зроблених висновків та припущень реологічну модель неньютонівської рідини доцільно записати у вигляді

, (1)

де - комплексні числа;

і - нормальні і зсувні компоненти напруження і деформацій відповідно.

Функція (1) зберігає консерватизм кутів, форму прямих і кіл, а також взаємну однозначну відповідність, тобто забезпечує конформне відображення кругів Мора.

Компоненти вектора повної деформації для довільно орієнтованого майданчика визначаються підстановкою і в рівняння (1).

Тоді отримаємо

, (2)

де .

Запропонована реологічна модель покладена в основу математичного моделювання плину водовугільного палива в системах промислового гідротранспорту, що дозволяє встановити зв'язок між рівняннями Навьє-Стокса і реологічними параметрами робочої суспензії.

Стосовно випадку плину неньютонівської рідини в круглих трубах, після оцінки відповідних членів і відкидання членів другого порядку малості, отримаємо

; (3)

; (4)

; (5)

. (6)

де - подовжня вісь труби;

- радіус, що відлічується від осі труби;

і - складові швидкості вздовж осі і по радіусу труби.

. (7)

Величина визначається сумою швидкостей деформації в різних напрямах

. (8)

У разі, коли запропонована реологічна модель приймає вигляд степеневого реологічного закону Освальда де Віля вираз для розподілу швидкостей по потоку запишеться у вигляді

, (9)

, (10)

де - середня швидкість рідини в трубі;

- відносний радіус труби;

- індекс потоку;

- коефіцієнт консистентності.

Зв'язок між перепадом тиску і об'ємною витратою наступний:

, (11)

де - довжина трубопроводу.

Ефективний коефіцієнт гідравлічних опорів визначається з виразу

, (12)

. (13)

У разі, коли водовугільне паливо підкоряється реологічному закону в'язкопластичної рідини із рівняння (9) розподіл швидкостей в зоні зсувного режиму

, (14)

Де ;

- безрозмірний радіус стрижньової зони течії;

- число Ілюшина.

Швидкість стрижньової зони течії

. (15)

Тоді з урахуванням (10) середня швидкість плину ВВП по трубопроводу

. (16)

Після інтегрування (16) отримаємо вираз для визначення перепаду тиску

, (17)

де

.

Ефективний коефіцієнт гідравлічного опору визначається виразом

, (18)

Де - число Рейнольдса в'язкопластичної рідини;

- визначається з виразу (17).

При несталому режимі плину як міра кінетичної енергії потоку використовується усереднена по потоку енергія

, (19)

Величина, усереднена по перетину і витраті потоку буде записана у вигляді

. (20)

Величина є тертям, усередненим по витраті.

Для опису плину степеневої рідини в круглих трубах часто використовується ефективне число Рейнольдса, яке визначається з виразу

, (21)

де ефективна в'язкість

(22)

Критичне значення ефективного коефіцієнта гідравлічного опору розраховується за формулою

. (23)

З урахуванням (21)-(23) критичне значення швидкості, при якій відбувається перехід із ламінарного режиму у турбулентний, визначається співвідношенням

. (23)

Ефективний коефіцієнт гідравлічного опору представимо у вигляді

, (23)

де - критерій Хедстрема.

Для в'язкопластичної рідини так само як і для степеневої, дійсний коефіцієнт гідравлічного опору визначається із співвідношення , де - узагальнене число Рейнольдса.

З представлених виразів можна визначити критичні параметри транспортування водовугільного палива (), що може проявляти як псевдопластичні так і в'язкопластичні властивості.

При сталому турбулентному режимі плину водовугільного палива, вирази для середньої швидкості потоку і коефіцієнта гідравлічного опору набувають вигляду:

псевдопластична рідина

;

;

в'язкопластична рідина

;

.

Одним з основних параметрів, що характеризують властивості початкового продукту і що впливають на в'язкість приготованого водовугільного палива, є зольність (). Значення зольності є різним для кожної конкретної марки вугілля, тому стосовно впливу зольності на реологію ВВП було виконано певний обсяг спеціальних досліджень.

На рис. 1 представлений апроксимований графік залежності ефективної в'язкості ВВП від зольності вихідного продукту, а на рис. 2 - графік залежності дотичного напруження зсуву від градієнта швидкості зсуву. Між представленими на рисунках графіками існує відповідність по складу суспензії.

1 - при ; 2 - при ; 3 - апроксимаційна залежність.

Рис. 1 Вплив зольності на ефективну в'язкість ВВП

1 - 5 С⁰, 2 - 10 С⁰, 3 - 15 С⁰, 4 - 20 С⁰

Рис. 2 Залежність дотичного напруження у ВВП, виготовленому з вугілля марки «Д,Г» з концентрацією 65% від градієнта швидкості зсуву при різній температурі

З урахуванням того, що і провівши графічне диференціювання графіків, представлених на рис. 2. отримаємо залежність для питомих втрат напору по довжині трубопроводу від зольності вихідного продукту

.

У остаточному вигляді втрати напору під час плину водовугільного палива визначаються з виразу

,

,

одним з визначальних чинників при цьому є в'язкість ВВП, що залежить від концентрації вугілля, його гранулометричного складу і зольності.

У третьому розділі представлені експериментальні стенди, методики проведення експериментальних досліджень і розрахунок помилок експерименту. Всі дослідження проводилися в лабораторних умовах на спеціально виготовлених стендових установках.

Спроектована і виготовлена експериментальна установка для дослідження гідравлічних параметрів і енергетичних витрат на транспортування водовугільного палива. Розроблені методики для виконання експериментальних досліджень.

Адекватність моделі оцінюється за допомогою F-критерия (критерію Фішера)

де -дисперсія адекватності.

,

де

- число коефіцієнтів рівняння регресії.

Табличне значення критерія Фішера склало .

Для підтвердження адекватності математичної моделі проведений чотирьохфакторний експеримент, планом якого є матриця Рафалеса-Ламарка. Особливістю плану Ламарка є розрахунок рівняння квадрики на ортогональному плануванні рівновіддалених вузлів і 0.

Після аналізу отриманих результатів і оцінки значущості коефіцієнтів, рівняння регресії для обраного плану у кодованих параметрах має вигляд:

.

Представлені експериментальні дані зміни питомих втрат напору від концентрації вугілля, його гранулометричного розподілу, швидкості транспортування ВВП і зольності вихідного матеріалу у вигляді поверхонь відгуку, побудованих за рівнянням регресії (рис. 3).

Максимальна помилка результатів вимірювання питомих втрат напору у паралельних дослідах не перевищила 7,6% при довірчій вірогідності .

Отримані дані свідчать про те, що:

- залежно від концентрації вугільних частинок питомі втрати напору в трубопроводі збільшуються за лінійним законом пропорційно зростанню концентрації;

- характер зміни питомих втрат напору від гранулометричного розподілу часток носить квадратичний характер і досягає мінімального значення при ;

- залежно від швидкості потоку питомі втрати напору змінюються за квадратичним законом і досягають відносної стабілізації при швидкості транспортування ;

- зміни втрат напору в трубопроводі залежно від зольності вихідного вугілля носить складний характер і досягають мінімуму в інтервалі її значень від 17% до 18%.

а) б)

Рис. 3 Поверхні відгуку: а) при змінних и , ; б) при змінних и ,

Виконання досліджень, результати яких викладені в розділах 2 і 3, дозволили визначити закономірності зміни питомих втрат напору при транспортуванні водовугільного палива від концентрації вугілля, його гранулометричного складу, зольності і швидкості плину. Порівняння отриманих теоретичних і експериментальних даних, свідчить про те, що запропоновані математичні моделі достатньо точно описують процеси, що відбуваються в потоці ВВП під час плину трубопроводом. Розбіжність між теоретичними та експериментальними даними не перевищує 9,2 %.

Таким чином, запропоновані математичні моделі адекватно описують закономірності зміни втрат напору водовугільного палива, що характеризують енергетичні витрати на його транспортування, і можуть бути використані при розрахунку промислових гідротранспортних систем, призначених для перекачування ВВП від місця приготування до місця споживання.

У четвертому розділі доповнено методику визначення енерговитрат на транспортування водовугільного палива в системах промислового гідротранспорту, яка на стадії приготування суспензії дозволяє визначити втрати напору по довжині трубопроводу, необхідний діаметр трубопроводу і раціональні швидкісні режими транспортування для забезпечення необхідної продуктивності ПГТС. Ця методика реалізована у вигляді блок-схеми і комп'ютерної програми розрахунку.

Запропонована також методика вибору насосного обладнання промислових гідротранспортних систем, що працюють на висококонцентрованих суспензіях, яка заснована на використанні законів подібності турбомашин і дозволяє вибрати насосне обладнання для забезпечення необхідної продуктивності ПГТС з найменшими енергетичними витратами.

На основі отриманих експериментальних даних було розроблено рекомендації щодо раціонального складу ВВП. Встановлено, що найменше значення питомих втрат напору для водовугільного палива, приготованого з вугілля марки «Г» із зольністю , забезпечується при об'ємній концентрації , швидкості і вмісті дрібної фракції розміром 0…40 мкм 30% (що відповідає ).

Використання запропонованих методик та рекомендацій для розрахунку існуючої гідротранспортної системи з діаметром трубопроводу 80 мм, що працює на ВВП, виготовленому з вугілля марки «Г» зольністю 16,5%, дозволило отримати зменшення витрат енергії при транспортуванні на 7,3%.

Запропоновано методику для розрахунку економічного ефекту від впровадження результатів дисертаційної роботи, що дозволяє визначити витрати на обслуговування промислової ПГТС.

ВИСНОВКИ

В результаті виконаних досліджень була вирішена актуальна науково-технічна задача, що полягає у зниженні енерговитрат на транспортування водовугільного палива у промислових гідротранспортних системах.

Уточнено закономірності реологічних та гідродинамічних характеристик внутрішньої течії неньютонівських рідин, в основному висококонцентрованих водовугільних суспензій, що дозволяють визначити енергетичні параметри їх транспортування в промислових трубопроводах.

1. Проведений аналіз процесів транспортування водовугільного палива в системах промислового гідротранспорту показав, що на реологічні характеристики і гідравлічні параметри плину ВВП найбільше впливають наступні чинники: якість вихідної сировини, зокрема зольність, концентрація твердого компоненту в суспензії, його гранулометричний склад, тип і кількість хімічних домішок, температурні і швидкісні режими. Отримані раніше залежності, що визначають енергетичні витрати на транспортування, базуються на класичних законах гідродинаміки і не враховують комплексний вплив вищезгаданих чинників і фізико-механічних властивостей ВВП.

2. Отримано уточнену реологічну модель неньютонівських рідин, яка враховує особливості плину палива, що дозволяє визначити напруження зсуву і в'язкість ВВП при різних значеннях швидкості зсуву.

3. Складена вдосконалена математична модель плину неньютонівських рідин, створена на основі рівнянь Навьє-Стокса, рівняння нерозривності і отриманої реологічної моделі. Запропонована математична модель враховує незалежні реологічні параметри суспензії, що залежать від концентрації, гранулометричного складу і зольності вугілля, а також швидкісних режимів транспортування водовугільного палива.

4. Величина питомих втрат напору при гідравлічному транспорті водовугільного палива з об'ємною концентрацією вугілля від 40 до 60% зумовлена формою просторової структури суспензії, що характеризується значенням в'язкості, концентрації і гранулометричним складом.

5. Виконані експериментальні дослідження процесів транспортування водовугільного палива з використанням розробленого відповідно до критеріїв гідродинамічної подібності лабораторного стенду довели, що основними чинниками впливу на енергетичні витрати при транспортуванні є: концентрація, гранулометричний склад вугілля, його зольність і середня швидкість плину ВВП. Розроблена методика експериментальних досліджень, що забезпечує отримання достовірних даних про зміну питомих втрат напору. Розбіжність між теоретичними і експериментальними даними не перевищила 9,2% при довірчій вірогідності .

6. Експериментальні дослідження показали, що питомі втрати напору збільшуються із збільшенням концентрації вугільних часток. Залежно від параметра гранулометричного розподілу, втрати напору змінюються за квадратичним законом і досягають мінімуму при . Мінімум втрат напору спостерігається при поєднанні вказаного значення параметра із значеннями швидкості транспортування і зольності вугілля в межах від .

7. Запропоновано методику вибору насосного обладнання, що заснована на використанні законів подібності турбомашин, а також методику визначення гідравлічних параметрів плину водовугільного палива, що характеризують енергетичні витрати на транспортування залежно від реологічних особливостей ВВП і середньої швидкості руху по трубопроводу, що також дозволяє визначити діаметр трубопроводу, необхідний для забезпечення заданої продуктивності ПГТС.

8. Розроблено рекомендації щодо забезпечення раціонального складу та реологічних характеристик водовугільного палива з урахуванням марки вихідного вугілля.

9. Використання запропонованих у роботі методик та розроблених рекомендацій дозволяє зменшити енергетичні витрати при транспортуванні водовугільного палива на 7,3%.

10. Запропоновані методики були реалізовані на підприємствах ЗАТ ГЗФ «Луганська», ВАТ ГЗФ «Білореченська» і науково-дослідних інститутах НВО НДПКІ «Вуглемеханізація». Економічний ефект від впровадження результатів роботи станом на 2009 рік склав 92 тис. 600 грн.

ОСНОВНІ ПУБЛІКАЦІЇ ПО ТЕМІ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Рациональный выбор оборудования и проектирование промышленных гидротранспортных систем: монография / [Рисухин Л.И., Чернецкая Н.Б., Коваленко А.А., Шворникова А.М., Капустин Д.А.]. Луганск: изд-во ВНУ им. В. Даля, 2010. 92 с.

2. Чернецкая Н.Б. Исследование реологических характеристик водоугольного топлива, созданного на основе углей Донбасса / Н.Б. Чернецкая, А.М. Шворникова, Е.А. Варакута, Н.И. Брагин // Вісник Східноукраїнського національного університету ім. В. Даля. 2007. № 3(109) ч. 2. С. 213.

3. Чернецкая Н.Б. Исследование седиментационной стабильности водоугольных суспензий / Н.Б. Чернецкая, А.М. Шворникова, А.В. Кущенко // Вісник Інженерної академії України: зб. наук. праць. К.: 2007. Вип. 2-3. С. 101-104.

4. Чернецька Н.Б. Аналіз вибору насосу для перекачування висококонцентрованих водовугільних суспензій / Н.Б. Чернецька, Г.М. Шворнікова // Вісник Інженерної академії України: зб. наук. праць. К.: 2008. Вип. 2. С. 189-192.

5. Чернецька Н.Б. Определение параметров реологических моделей водоугольного топлива / Н.Б. Чернецкая, А.М. Шворникова // Рухомий склад та спеціальна техніка залізничного транспорту: збірник наукових праць. Х., 2008. Вип. 96. С. 83-88.

6. Шворнікова Г.М. Дослідження закономірностей впливу властивостей вихідного вугілля на реологічні характеристики водовугільного палива / Г.М. Шворникова., Н.Б. Чернецька, О.В. Кущенко // Вісник Східноукраїнського нац. ун-ту ім. В. Даля. 2009. №2(132). С. 447 - 451.

7. Шворнікова Г.М. Математична модель плину водовугільного палива у промислових гідротранспортних системах / Г.М. Шворнікова // Вісник Східноукраїнського нац. ун-ту ім. В. Даля. 2010. №1(143). С. 254 - 259.

8. Коваленко А.А. Расчет вязкости водоугольного топлива / А.А. Коваленко, Л.И. Рисухин, А.М. Шворникова, Е.С. Гусенцова // Вісник Східноукраїнського нац. ун-ту ім. В. Даля. Науковий журнал - електронне наукове фахове видання. 2009. № 3Е.

9. Чернецька, Н.Б. Стенд для дослідження реологічних характеристик водовугільного палива / Н.Б. Чернецька, О.В. Кущенко, Є.О. Варакута, Г.М. Шворнікова // Рухомий склад та спеціальна техніка залізничного транспорту: збірник наукових праць. Х., 2009. Вип. 107. С. 52-56.

10. Пат. Україна, МПК F17D 1/14. Система підготовки водовугільного палива до транспортування / Коваленко А.О., Чернецька Н.Б., Шворникова Г.М., Варакута Є.О., Брагін М.І.; заявник та патентовласник Східноукраїнський національний університет імені Володимира Даля. №25361; заявл. 05.03.07; опубл. 10.08.07, Бюл. №12.

11. Пат. Україна, МПК F17D 1/14. Система підготовки водовугільного палива до транспортування / Коваленко А.О., Чернецька Н.Б., Шворникова Г.М., Варакута Є.О., Брагін М.І., Гусєнцова Є.С.; заявник та патентовласник Східноукраїнський національний університет імені Володимира Даля. №30330; заявл. 15.10.07; опубл. 25.02.08, Бюл. №4.

12. Пат. Україна, МПК F17D 1/00. Система підготовки водовугільного палива до транспортування / Коваленко А.О., Чернецька Н.Б., Шворникова Г.М., Варакута Є.О., Гусєнцова Є.С.; заявник та патентовласник Східноукраїнський національний університет імені Володимира Даля. №33464; заявл. 11.02.08; опубл. 25.06.08, Бюл. №12.

13. Шворникова А.М. Исследование влияния зольности исходного угля на реологические характеристики водоугольного топлива/ А.М. Шворникова, Н.Б. Чернецкая, О.В. Кущенко, Е.А. Варакута // Политранспортные системы: VI Всерос. науч.-техн. конф., 21-23 апреля 2009 г.: тезисы докл. Ч.2. Новосибирск, 2009. С. 362-366.

14. Cherneckaya Natalia. Ecological aspects of transportation and application of water coal fuel / Natalia Cherneckaya, Anna Shvornikova, Inna Ovsepyan // Современные достижения в науке и образовании: III междунар. науч. конф., 16-23 сент. 2009 г.: тезисы докл. Тель-Авив (Израиль), 2009. С. 75-78 (англ.).

15. Cherneckaya Natalia. Mixing of water-coal fuel compositions with rational rheological and energy performances on a basis of Donbass coal-field / Natalia Cherneckaya, Anna Shvornikova // Motrol. Motorization and power industry in agriculture. Lublin, 2008. volume 10A. P. 18-24.

АНОТАЦІЯ

Шворнікова Г.М. Зниження енерговитрат на транспортування водовугільного палива вдосконаленням процесів та режимів роботи гідротранспортних систем. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.22.12 - Промисловий транспорт. Східноукраїнський національний університет імені Володимира Даля, Луганськ, 2010.

Виконані теоретичні та експериментальні дослідження процесів транспортування водовугільного палива з метою зниження енерговитрат.

Уточнена реологічна модель неньютонівських рідин, що дозволяє визначити реологічні характеристики водовугільного палива.

Вдосконалена математична модель плину неньютонівських рідин, що враховує реологічні характеристики водовугільного палива і швидкісні режими транспортування.

Виконані експериментальні дослідження щодо визначення реологічних характеристик і закономірностей зміни питомих втрат напору.

На основі отриманих даних підтверджено адекватність математичної моделі процесів транспортування, уточнені і доповнені методики визначення енергетичних витрат на транспортування водовугільного палива, геометричних параметрів трубопроводу, вибору насосного обладнання.

Достовірність отриманих в роботі результатів підтверджена практичним впровадженням на підприємствах ЗАТ ГЗФ «Луганська», ВАТ ГЗФ «Білореченська» і науково-дослідних інститутах НВО НДПКІ «Вуглемеханізація».

Ключові слова: суспензія, реологічні характеристики, гідравлічні параметри, питомі втрати напору, енергетичні витрати, концентрація, зольність, швидкість транспортування, гранулометричний склад.

АННОТАЦИЯ

Шворникова А.М. Снижение энергозатрат на транспортировку водоугольного топлива совершенствованием процессов и режимов работы гидротранспортных систем. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.22.12 - Промышленный транспорт. Восточноукраинский национальный университет имени Владимира Даля, Луганск, 2010.

Выполнены теоретические и экспериментальные исследования процессов транспортирования водоугольного топлива с целью снижения энергетических затрат и повышения эффективности работы промышленных гидротранспортных систем.

Выполнены исследования особенностей реологического поведения водоугольного топлива, в результате чего определены основные факторы влияния на исследуемый процесс и диапазоны их изменения.

Уточнена реологическая модель неньютоновских жидкостей, включающая компоненты нормальных и угловых деформаций, позволяющая определить реологические характеристики водоугольного топлива независимо от вида реологического закона.

Усовершенствована математическая модель течения неньютоновских жидкостей, основанная на уравнениях Навье-Стокса и неразрывности, учитывающая реологические характеристики водоугольного топлива и скоростные режимы транспортирования.

Разработан стенд и методика экспериментальных исследований, порядок обработки опытных данных. Выполнены экспериментальные исследования по определению реологических характеристик и закономерностей изменения удельных потерь напора в зависимости от основных факторов влияния.

На основе полученных данных подтверждена адекватность математической модели процессов течения, уточнены и дополнены методики определения энергетических затрат на транспортирование водоугольного топлива, геометрических параметров трубопровода, выбора типа и количества насосного оборудования. Приведен расчет годового экономического эффекта от внедрения результатов диссертационной работы.

Достоверность полученных в работе результатов подтверждена практическим внедрением на предприятиях ЗАО ГОФ «Луганская», ОАО ГОФ «Белореченская», научно-исследовательских институтах ГОАО НИИПКИ «Углемеханизация».

Ключевые слова: суспензия, реологические характеристики, гидравлические параметры, удельные потери напора, энергетические затраты, концентрация, зольность, скорость транспортирования, гранулометрический состав.

SUMMARY

Shvornikova A.M. Decrease of energy consumption of water coal fuel transportation by perfection of processes and operating modes of hydrotransport systems

Thesis for scientific degree of Candidate of Technical Science on a specialty 05.22.12 - Industrial Transport. East Ukrainian National Dall's University, Lugansk, 2010.

The theoretical and experimental investigations of water coal fuel transportation processes for the purpose of energy consumption are performed.

Rheological model of non-Newton liquids is amend, it allowed to define rheological characteristics of water coal fuel.

The mathematical model of non-Newton liquids flow, considering rheological characteristics of water coal fuel and high-speed modes of transportation is improved.

Experimental researches of rheological characteristics and pressure specific losses are executed.

On the basis of the received data adequacy of mathematical model is confirmed, techniques of definition of power expenses for transportation of water coal fuel, geometrical parameters of the pipeline, a choice of the pump equipment are specified and added.

Reliability of the results that received in thesis are confirmed by practical introduction on corporation «Belorechenskaya», corporation «Luganskaya» and research organization «Uglemehanization».

Keywords: suspension, rheological characteristics, hydraulic parametres, specific losses of a pressure, power consumption, concentration, ash, speed of transportation, granulometric structure.

Размещено на Allbest.ru

...