Экологическая эффективность систем кондиционирования с сезонной аккумуляцией естественного холода Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

ОПЫТ ЭФФЕКТИВНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ РЕСУРСОВ ДАЛЬНЕГО ВОСТОКА

МОСКВА ИЗДАТЕЛЬСТВО «ГОРНАЯ КНИГА» 2014 л

УДК 620.9(094) (571.56/.6) Ш 94

Книга соответствует «Гигиеническим требованиям к изданиям книжным для взрослых» СанПиН 1.2.1253-03, утвержденным Главным государственным санитарным врачом России 30 марта 2003 г. (ОСТ 29.124—94). Санитарно-эпидемиологическое заключение Федеральной службы по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека № 77.99.60.953.Д.014367.12.13

Штым К.А., Дорогов Е.Ю., Соловьева Т.А., Головатый С.В., Лесных А.В., Упский В.А., Упский М.В., Цыбульская О.Н., Ксении' Т.В., Чириков А.Ю., Перфильев А.В., Буравлёв И.Ю., Юдаков А.А., Азарова Ю.А., Шлык Д.Х., Трухин И.С., Цой К.А., Чистяков С.В. , Гончаренко Ю.Б., Лесных Е.В., Журмилова И.А., Штым А. С., Калинин А. О., Фильчикова Ю.А., Тарасова Е.В., Потапова М.В., Богданович Г.А., Ткач Н.С., Еськин А.А., Захаров Г.А., Цыганкова К.В., Кобзарь А.В., Черненков В.П., Лихачев И.Д., Макаров Д.А., Ревенко Д.О.

Ш 94 Опыт эффективного использования энергетических ресурсов Дальнего Востока: Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). Отдельные статьи (специальный выпуск). — 2014. — № 12. — 168 с.— М.: издательство «Горная книга»

ISSN 0236-1493

Изложены результаты исследований и опыт рационального использования топливно-энергетических ресурсов, которыми располагает Дальний Восток России. Особенностью энергетических предприятий региона является физически изношенное и морально устаревшее котельное оборудование, для модернизации которого предлагается циклонно-вихревая технология сжигания топлива, позволяющая эффективно использовать различные его виды. Приоритет в топливной политике Дальнего Востока отдаётся сжиганию газа, что позволяет получить не только предельно возможные технико-экономические и экологические характеристики котельных установок, но и по новому взглянуть на комбинированную выработку теплоты и электрической энергии, используя современные установки когенерации. Уделено внимание вопросам экологии, которые возникают при организации энерготехнологических процессов и предложены технические решения по снижению вредных выбросов.

УДК 620.9(094) (571.56/.6)

ISSN 0236-1493 © Коллектив авторов, 2014

© Издательство «Горная книга», 2014 © Дизайн книги. Издательство «Горная книга», 2014

УДК 62-681

© К. А. Штым, 2014

КОТЕЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ С ТОПЛИВНО-РЕВЕРСИВНЫМИ ЦИКЛОННО-ВИХРЕВЫМИ ПРЕДТОПКАМИ

Рассмотрен опыт применения циклонно-вихревой технологии сжигания топлива, приведены данные исследований по внутритопочному теплообмену в котлах с различным видом топлива и с различной компоновкой ЦВП применительно к индивидуальной геометрии топок. Показаны возможности по реверсу газ-мазут, повышению производительности котлов с ЦВП за счет стадийного сжигания топлива и формирования высокотурбулизированного факела большой единичной в объеме топки. Представлены данные по применению ЦВП на угле при проектировании многотопливных котлов с совмещением различных способов сжигания угля, газа и жидкого топлива. Приведены данные по опытной эксплуатации пылеуголных ЦВП с различными способами подвода топлива на дальневосточных углях. Показаны перспективы дальнейшего внедрения ЦВП на предприятиях энергетики.

Ключевые слова: энергетические котлы, газовое топливо, теплота сгорания, удельный расход топлива, рациональное природопользование, коэффициент использования топлива.

Современная топливная политика в энергетике Дальнего Востока направлена на изменение баланса между видами органического топлива. Одна из причин, это начало активного освоения газовых месторождений и экспорт голубого топлива. Вторая причина в низкой эффективности производства тепловой и электрической энергии на имеющемся оборудовании, которое длительное время не приводилось в соответствие с современными требованиями по технико-экономическим и экологическим показателям. Известно, что внимание к инновационным технологиям в энергетике определяются в основном двумя факторами: топливной политикой и возможностью доводить научные исследования до практической реализации. Особенностью энергетики за последние два десятилетия является перевод котлов на сжигание газа, сокращение доли угля и стремление к полному исключению из топливного баланса производной нефтепереработки — дорогостоящего мазута. Поскольку перевод угольных и мазутных котлов на сжигание газа не представляет особых проблем, то и не

стимулируются исследования по совершенствованию процессов горения и теплообмена при сжигании газообразного топлива. При проектировании и реконструкции котлов с переводом на сжигание газа ведущими научно-исследовательскими организациями ВТИ ЦКТИ и МЭИ рекомендуются, а котельными заводами применяются стандартные горелочные устройства, а общая тепловая схема котла остается практически без изменений. При этом опыт подобных реконструкций проводимой с использованием циклон-но-вихревой технологии сотрудниками кафедры «Теплоэнергетики и теплотехники» ДВФУ показал имеющиеся возможности по повышению экономичности, производительности, надежности и экологичности энергетических и промышленных котлов различной мощности [1].

При реконструкции котлов с установкой циклонно-вихревых предтопков (ЦВП) на Охинской ТЭЦ, Якутской ТЭЦ и Хабаровской ТЭЦ, проводилось детальное сопоставление технико-экономических и экологических показателей на однотипных котлах, имеющих ЦВП и горелочные устройства. На практике подтверждено, что особенности циклонно-вихревого сжигания топлива позволяют успешно использовать его преимущества при модернизации котлов в диапазоне теплопроиз-водительности от 20 до 200 Гкал/ч. Опыт внедрения воздухо-охлаждаемых ЦВП показывает, что на всех без исключения котлах (более 70 единиц), получено улучшение технико-экономических показателей. Некоторые проекты реконструкции выполнены с приростом производительности котлов на 2530 % без изменения габаритов топки котла. Этому способствует перенос процесса смесеобразования и горения в объем ЦВП, а так же появляется возможность развития конвективных поверхностей нагрева котла за счет демонтажа воздухоподогревателей. Многолетний опыт эксплуатации модернизированных котлов и отзывы эксплуатационного персонала свидетельствуют о предпочтительности котлов с циклонными предтопками. Их преимущества особенно ощутимы при переходе котлов на сжигание резервного жидкого топлива, что случается из-за нарушений в системах газоснабжения, особенно в зимний период. Хорошо зарекомендовали себя топливно-реверсивные ЦВП при переводе 12 котлов в г. Владивостоке на сжигание газа в

2011 г. [2] Конструкция ЦВП позволяет переходить с одного вида топлива на другой без изменения параметров и мощности на котле. При этом имеется опыт работы одновременно на двух видах топлива с сохранением технико-экономических показателей, что является очень важным фактором при обеспечении стабильной выработки тепловой и электрической энергии, особенно в изолированных энергетических системах, таких например как в г. Оха о. Сахалин.

Необходимо отметить положительный опыт качественного изготовления предтопков и форсунок на хорошо оснащенной ре-монтно-производственной базе Дальэнерго и поставку двух котлов на ВТЭЦ-1 с Дорогобужского котельного завода в готовности для установки циклонных предтопков.

Общей особенностью всех реконструированных котлов является фронтальное или встречное расположение ЦВП. В основу расчетов ЦВП, выбора их числа, единичной мощности и компоновки заложены четыре характеристики, определяемые в проекте модернизации при номинальной нагрузке котла: теплонапряже-ние топочного объёма топки теплонапряжение характерного сечения топки отношение длины (в) топки к ширине (а) - в/а или отношение длины полутопки (в') к ширине (а) - в'/а, характеризующие развитие факела в топке.

Многочисленные исследования внутритопочного теплообмена показывают, что в топках котлов ядро факела и зона максимальных тепловых потоков практически совпадает с осью пред-топка, что объясняется устойчивостью вихревого ядра большой единичной мощности, а также полным выгоранием топлива в зоне с эффективного смесеобразования [3].

На рис. 1 и рис. 2 представлены гистограммы распределения объемной плотности тепловыделения топочного объёма qv и теплонапряжение сечения qf топки в зависимости от вида модернизированного котла. Минимальные значения qv<350 кВт/м3 имеют котлы, спроектированные для работы на твердом топливе с де-форсированными топками значительного объема. Максимальную объемную плотность тепловыделения имеет промышленный паровой котел ДЕ-25-24МЦ, с блочной горизонтальной модульной топкой туннельного типа, и пиковый водогрейный котел ПТВМ-30МЦ.

г" 556 6« -

53 - 511 -

341 4; а

249 302 г-г - -

17в 1вВ 2 42 г=[

ЧV' ч\\ч\\\\\ч

Рис. 1. Диаграмма зависимости объемного теплонапряжения топки от типа котла

Техническое решение по модернизации котла ПТВМ-40МЦ предусматривает увеличение мощности до 40 Гкал/ч и расширение топки за счет боковых экранов с целью уменьшения теплового воздействия на радиационные поверхности нагрева в зоне размещения ЦВП. В связи с этим расчетная форсировка топочного объёма и теплонапряжения сечения уменьшается на 6 % по сравнению с котлом ПТВМ-30МЦ.

Рис. 2. Диаграмма зависимости теплонапряжения сечения топки от типа котла

3,95

% <b % ° % ъ -Ъ -Ъ -Ь Ъ

Рис. 3. Диаграмма соотношения ширины и длины топки при развитии единичного факела

Группа модернизированных котлов B and W, КВТК-140, ЭЧМ-25/35, БКЗ-75 имеет значительный запас по форсировке топочного объема. Следует особо отметить большие резервы по те-плонапряжению на водогрейном котле КВТК-140. В случае фор-сировки характерного сечения этого котла на уровне ПТВМ-40, его тепловая мощность возрастет до 183 Гкал/ч при форсировке объемного теплонапряжения до 245 кВт/м3. Тепловая мощность котлов B and W может быть увеличена до 178 т/ч при форсировке объемного теплонапряжения до 270 кВт/м3. Анализ характеристик котла КВГМ-100 показывает, что принятое техническое решение перехода на умеренную форсировку котла и объема является оптимальным: котел имеет достаточно высокие значения qv и qf при хорошей пропорции характерного сечения в/а « 0,96.

Полученные данные свидетельствуют о принципиально различных условиях теплообмена в зависимости от характерных параметров общей компоновки промышленных котлов. Промышленные котлы КВГМ-20, ДЕ-25 имеют туннельные топки, где факел развивается в осевом направлении. По сравнению с П-образными котлами топки таких котлов являются условными аналогами подовой компоновки горелок. Для них характерны большие значения qv и qf. Для таких топок параметр высоты и ширины как 1:1 объясняется условиями транспортировки в собранном состоянии. Наиболее характерным здесь является котел

ДЕ-25, не достигающий в эксплуатации заявленной заводом номинальной производительности из за высокой форсировки топочного устройства. При такой геометрии топки необходим узкий и достаточно протяженный факел, который может быть получен с помощью ЦВП.

Из проведенного анализа следует, что оптимальная форси-ровка топочного объема модернизируемых котлов сотавляет 500 кВт/м3. Оптимальная форсировка характерного сечения не более qf= 3500 кВт/м2 и оптимальные геометрические соотношения сечения топки при установке одного ЦВП в/а = 1,5, при установке двух и более предтопков в'/а = 1,3.

Полученные данные применены при вертикальной компоновке двух предтопков на боковом экране топки модернизированного энергетического котла БКЗ-120-100ГМ, при горизонтальной компоновке четырех ЦВП вместо 20 горелок на водогрейном котле ПТВМ-180 Хабаровской ТЭЦ-3.

ЦВП для сжигания мазута и газа могут совмещаться со сжиганием твердого топлива на котлах малой мощности, в случаях нестабильной поставки топлива. На рис.4 представлена схема комбинированной топки котла [4], которая реализована на трех котлах ТС-35 Спасского цементного завода. Котлы могут сжигать жидкое топливо в ЦВП и уголь в низкотемпературном кипящем слое. Генерируемые ЦВП воздушные вихри, в качестве вторичного дутья, позволили на максимальных нагрузках предельно снижать потери от уноса твердого топлива. Двухступенчатая подача воздуха на сжигание топлива позволила добиться значительного снижения оксидов азота на обоих видах топлива.

первичны к воздух Рис. 4. Схема комбинированной топки

Рис.5. ЦВП с тангенциальным вводом угольной пыли: 1 — камера сгорания; 2 — подвод вторичного воздуха; 3 — подвод аэросмеси; 4 — подвод осевого воздуха; 5 — мазутная форсунка; 6 — регулятор крутки осевого воздуха; 7 — обмуровка; 8 — ввод аэросмеси в камеру сгорания

С учетом опыта конструирования и эксплуатации газомазутных предтопков, разработаны ЦВП с тангенциальной рис.5 и аксиальной рис.6 подачей твердого топлива. [5] ЦВП смонтированы на фронтовом экране котла «Бакбок-Вилькокс» Артемовской ТЭЦ (паропроизводительность котла - 120 т/ч). Для обеспечения надежного функционирования котла в период осенне-зимнего максимума нагрузок на боковых экранах топки установлены две вихревые горелки, рассчитанные на сжигание каменных углей Нерюнгринского и Липовецкого месторождений. Котел оборудован индивидуальной системой пы-леприготовления с промежуточным бункером и двумя мельницами ШБМ-250/390. Одна мельница обеспечивает работу основных пылеугольных горелок и двух муфелей, другая подготавливает топливо для циклонных предтопков. По оси предтопков установлены двухпоточные многсопловые центробежные мазутные форсунки.

На первом этапе пуско-наладочных работ в предтопки подавали черемховский каменные уголь, артемовский бурый уголь и смесь углей Артемовского, Смоляниновского и Липовецкого месторождений. Характеристики этих углей представлены в табл. 1 Фракционный состав угольно пыли (по остаткам на ситах с соответствующими ячейками) изменялся в пределах: Я90 = 9-23 %; К-200 = 0,5 -7 %.

В-В

3

А-А

Н в

Рис. 6. ЦВП с аксиальным вводом угольной пыли: 1 — камера сгорания; 2 — тангенциальный ввод третичного воздуха; 3 — осевой ввод вторичного воздуха; 4 — ввод аэросмеси; 5 — мазутная форсунка; 6—камера предварительного смешения вторичного воздуха и аэросмеси; 7 — обмуровка; 8 — регулятор крутки вторичного воздуха

Таблица 1

Характеристики топлив примененных на циклонных предтопках

Марка топлива Характеристики топлива

Низшая теплота сгорания а:, МДж/кг Влажность рабочей массы % Зольность сухой массы А11, % Выход летучих веществ в пересчете на сухое беззольное состояние у" Влажность пыли % Температура начала деформации 11, оС

Черемуховский каменный уголь 19-22 9-12 15-24 46-52 3 1130

Артемовский бурый уголь 14 19,9 29,5 - 3 11101420

Смесь углей разных марок 12,813,1 17-21 31-32 49-55 5-13 -

Результаты пуско-наладочных работ показали принципиальную возможность сжигания разносортного твердого топлива в воздухоохлаждаемой циклонной камере с сухим шлакоудалени-ем. В ходе работ определены режимные параметры циклонных предтопков, позволяющие обеспечить устойчивое воспламенение твердого топлива без мазута при отсутствии шлакования. Детальные исследования представленные в различных источниках доказывают, что влиять на процессы горения и смесеобразования проще в ограниченном объеме, но для этого требуется знать в каких зонах происходят реакции связанные с образованием оксидов азота. Тогда перманентное воздействие водой, либо концентра-

цией кислорода позволяет достаточно эффективно добиться результатов без использования дорогостоящих систем рециркуляции дымовых газов и нестехиометрического горения с большим количеством горелок.

Исходя из выше сказанного можно сделать вывод о перспективности циклонно-вихревой технологии сжигания топлива не только на этапе модернизации существующего котельного парка, но и как инструмента для создания реверсных энергетических систем, использующих такие виды топлива как: уголь, мазут, газ и их производные с высокими технико-экономическими, экологическими показателями при условии надежной эксплуатации.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Штым, А.Н. Модернизация паровых и водогрейных котлов с установкой циклонных предтопков для сжигания мазута и газа./ А.Н. Штым, К.А. Штым - Энергетик.-2010. - №10. - С.25-28

2. Пат. 2443940 Российская Федерация, МПК7 F 23 С 1/8, F 23 С 7/02, F 23 С 5/32 Циклонный предтопок / А.Н. Штым, К.А. Штым. Владивосток. АННО Центр МКТ №2010138883/06 ; заявл. 21.09.2010 опубл. 27.02.2012, Бюл.№6 11 с.

3. Дорогое Е.Ю. Исследование теплообмена в топках котлов с циклонными предтопками ДВГТУ: дис. канд. техн. наук: Владивосток, 2000. -210 с.

4. Пат. 2239127 Российская Федерация, МПК7 F 23 C 1/02, 1/04, Устройство для одновременного или попеременного сжигания кускового с другим видом топлива / К.А. Штым, Д.Н. Балабин,В.И. Сухинин // Владивосток. АННО Центр МКТ №2003109351/06 ; заявл. 27.04.2003 опубл. 27.10.2004, Бюл.№30 10 с.

5. Пат. 2190154 Российская Федерация, МПК7 F 23 C 5/32, 1/10, Циклонный предтопок (варианты, угольный) / А.Н. Штым, К.А Штым,В.А. Рудницкий и др. // Владивосток. АННО Центр МКТ №2000126373/06 ; заявл. 19.10.2000 опубл. 27.09.2002, Бюл.№27 10 с.

КОРОТКО ОБ АВТОРЕ

Штым Константин Анатольевич — кандидат технических наук, профессор, ДВФУ, kot_18@mail.ru.

UDC 62-681

BOILERS WITH FUEL REVERSIBLE CYCLONE-VORTEX BURNERS

Shtym Konstantin Anatol'evich, candidate of technical Sciences, professor, Far Eastern Federal University, kot_18@mail.ru, Russia

The authors have studied practical use of cyclone-vortex technology of fuel combustion, have shown results of research of in-furnace heat exchange in boilers with different types of fuels and with different composition of cyclone vortex burners applied to individual geometry of furnaces. The authors also have shown opportunities to reverse gas-fuel oil, to increase productivity of CVB boilers due to stage fuel combustion and formation of high-turbulence torch of high single power in the furnace volume. The authors have demonstrated data of coal-fueled CVB application in design of multi-fuel furnaces with combination of different ways of coal, gas and liquid fuel combustion. They have provided data of experimental use of pulverized coal CVB with different ways of fuel inlets and use of Russian Far East coals. The authors have shown perspectives for further CVB implementation at the energy industry enterprises.

Key words: energetic boilers, gas fuel, combustion heat, condensation heat exchangers, specific fuel consumption, rational environmental management, fuel utilization coefficient.

REFERENCES

1. Shtym A.N., Shtym K.A. Modernizacija parovyh i vodogrejnyh kotlov s ustanovkoj ciklonnyh predtopkov dlja szhiganija mazuta i gaza (Modernization of steam and hot water boilers with installation of cyclone chambers for burning oil and gas), Jenergetik, 2010, No 10, pp.25-28.

2. Shtym A.N., Shtym K.A. Pat. 2443940RossijskajaFederacija, 27.02.2012.

3. Dorogov E.Ju. Issledovanie teploobmena v topkah kotlov s ciklonnymi predtopkam (Study of heat transfer in furnaces boilers with cyclone furnaces FESTU) DVGTU, kandidat's thesis, Vladivostok, 2000, 210 p.

4. Shtym K.A., Balabin D.N., Suhinin V.I. Pat. 2239127 Rossijskaja Federacija, 27.10.2004.

5. Shtym A.N., Shtym K.A, Rudnickij V.A. i dr. Pat. 2190154 Rossijskaja Federacija, 27.09.2002.

УДК 621.18 © К.А. Штым, Е.Ю. Дорогов, Т.А. Соловьева. 2014

ОСОБЕННОСТИ ТЕПЛООБМЕНА В ТОПКАХ КОТЛОВ С ВИХРЕВЫМИ ПРЕДТОПКАМИ

Практика модернизации паровых и водогрейных котельных установок при переводе их на циклонно-вихревой способ сжигания жидкого или газообразного топлива показала, что есть особенности теплообмена в топках котлов при установке одного или нескольких циклонных предтопков. Анализ известных исследований выявил противоречивость выводов авторов по влиянию предтопков на изменение параметров, поэтому при переводе различных типов котлов на циклонное сжигание мазута и газа авторами уделено внимание исследованию особенностей теплообмена в топках котлов и их сопоставлению с известными данными, а также рекомендациям к нормативному методу расчета топок котлов [1]. При модернизации котлов с установкой циклоно-вихревых предтопков возможно увеличение форсиров-ки топочного объёма, в пределах допустимой интенсивности теплового излучения факела. Для этих целей предложены рекомендации к тепловому расчету основанные на данных испытаний.

Ключевые слова: циклонно-вихревой предтопок, теплообмен, эффективность сжигания топлива, надежность, суммарное тепловосприятие, теп-лонапряжение топочного объема, эффективность котла.

В качестве объектов исследований внутритопочного теплообмена были выбраны водогрейные котлы ЭЧМ-25/35МЦ, КВГМ-100МЦ, ПТВМ-180МЦ, КВГМ-20МЦ, ПТВМ-30МЦ и паровые котлы ДКВР-20-13МЦ, ДЕ-25-24/380МЦ, БКЗ-120-100МЦ [2]. Выбор объектов исследований обоснован широким диапазоном изменения удельного теплового напряжения топки при различной компоновке предтопков на котле и возможностью применения нескольких компоновок циклонных предтопков на топочной камере при неизменной величине теплонапряжения топочного объема (ду). Кроме того рассматривалась возможность зондирования топочного объема для исследования условий теплообмена в соответствии с запросами предприятий для подтверждения надежности работы экранных поверхностей нагрева котлов.

В результате исследований измерены следующие параметры:

максимальная температура газов Тфт*х в зоне ядра факела; сред-

неинтегральная температура факела Тф на уровне циклонных предтопков; среднеинтегральная температура газов на выходе из

топочной камеры & т (для котлов ЭЧМ-25/35, ДВКР-20-13); максимальные падающие тепловые потоки.

Для проведения анализа построены поля температур факела Тф, падающего дпад и отраженного добр тепловых потоков, получен коэффициент тепловой эффективности экранов при различной компоновке и типоразмерах циклонных предтопков. Наиболее важной конечной характеристикой тепловой работы топки является суммарное тепловосприятие, которое определяет температуру газов на выходе из топки. На водогрейных котлах ЭЧМ-25/35МЦ измерения проводились в сечении перед ширмовыми поверхностями нагрева, размещенными в верхней части топочной камеры. Специально поставленными опытами определялась величина химического недожога в указанном сечении топки. Средние значения потери тепла от химического недожога Ц в выходном окне топки составило от 0,03 % до 0,22 %. По данным [1] для мазутных котлов Ц ограничивается значением < 0,5 %, это свидетельствует о том, что к указанному сечению полностью завершился процесс горения топлива.

Для всех нагрузок, имевших место в опытах, был выполнен расчет и представлено сопоставление температуры газов на выходе из топки & т, измеренной и расчетной для котлов ЭЧМ-25/35МЦ и ДКВР-20-13МЦ (рис. 1). Во всех случаях температура газов, измеренная на выходе из топки, существенно ниже рассчитанной по [1]. На котле ЭЧМ-25/35МЦ при изменении нагрузки от 25 до 45 МВт, разница измеренной и расчетной температур составила 127^200 градусов (рис. 1 а). На котле ЭЧМ-25/35МЦ в диапазоне нагрузок 29^52 МВт разница температур составила 180^224 градусов (рис. 1 б), и на паровом котле ДВКР-20-13МЦ при изменении нагрузки 11-17,4 МВт - 80-205 градусов (рис. 1 в). Выполненные расчеты & т не согласуются с экспериментальными данными потому, что в [1] не учтен опыт циклонно-вихревого способа сжигания топлива, при котором условия лучистого и конвективного теплообмена отличаются от условий теплообмена при традиционном горелочном способе сжигания мазута.

Существенное снижение температуры газов на выходе из топки, при переводе котлов на сжигание мазута в циклонных предтопках, свидетельствует об увеличении общей теплоотдачи в топочной камере (рис. 2). Можно полагать, что при более низком

а,", к

16«

390 ЭК 3<Й

(„, кЕшмЗ

а)

1®» ■ 500 или

ч- 1

сГ

им

а» зи ко ¿1,. иВт/мЭ

б)

* ^ -*—

X 4

9)

4№

кБт/мЗ

Рис. 1. Зависимости расчетной и измеренной температур на выходе из топки от объемного теплонапряжения топки: а - котла ЭЧМ 25/35 с одиночным наклонным предтопком; б - котла ЭЧМ 25/35 со встречными предтоп-ками; в - котла ДКВР-20-13 с одиночным прямым предтопком

I.Ob

0.1'j 0,9 0A1 0.» 0.7b 0.7 0.65

50 lOO 150 200 HO 300 350 ÍOO 450

qv, кВт/мЗ

Рис. 2. Зависимость объемного теплонапряжения топки от относительной температуры на выходе из топки

температурном уровне по сравнению с горелочным способом сжигания мазута, причиной повышения тепловой эффективности топки являются, как изменения эмиссионных свойств факела, так и высокая степень турбулентной диффузии газов, обуславливающей снижение термического сопротивления в непосредственной близости у экранов.

В результате экспериментальных исследований лучистого теплообмена в пристенном слое получены графические зависимости изменения интенсивности излучения факела по глубине топочной камеры при различных значениях относительной высоты hL/Hm. Найдены зависимости средней степени неизотермично-сти факела A q от теплонапряжения поперечного сечения топочной камеры [3].

Из-за высокой температуры факела при относительно низкой форсировке топочного объема, которая наблюдалась до модернизации котла ДКВР-20-13, происходил пережог экранных труб котла даже при незначительном ухудшении водно-химического режима.

Причинами снижения относительной максимальной температуры факела, при росте qv, (рис. 3) являются:

• холодный воздух, поступающий на горение в циклонный предтопок;

• двухстадийное сжигание мазута, растягивающее зону тепловыделения;

Эт '7ЭН"

♦ # * А * *

♦ ♦ * ** Ф * А. Л

■ ■ ■ а Ш т

■ D4M2S/3S№7

ЛДКВР 20-13

1

0,95 0.9 0.55 0.5 0.75 0.7

100

150

200

250 qv кВт/мЗ 300

Рис. 3. Зависимость объемного теплонапряжения топки от относительной максимальная температуры факела

• более интенсивный массообмен в топке, вызванный обширной зоной вихревой эжекции в центре факела;

• высокая степень турбулентности пристенных слоев газов.

Измеренная температура факела при встречной компоновке

предтопков ~ на 10% ниже, чем при одиночной компоновке пред-топка (при равных значениях избытка воздуха на выходе из топки а"Т). Данное различие объясняется более интенсивным массооб-меном в топке при встречном взаимодействии отдельных факелов (рис. 4).

Анализ построенных изорад падающих тепловых потоков на исследуемых котлах ЭЧМ-25/35 показал, что на малых нагрузках факел несколько отклоняется в сторону выходного окна под воздействием разрежения. При максимальной нагрузке 29 МВт ядро факела удалено от амбразуры предтопка на 2,8 калибра и располагается по оси предтопка.

1700

1500

1300

900

700

100

Тф.К

□ п 1 ——"*#

— в

150

200

250

кВт(мЗ

300

Рис. 4. График зависимости объемного теплонапряжения топки от средне-интегральной температуры факела

При работе одиночного предтопка на котле ЭЧМ-25/35МЦ № 6, мощностью 64 МВт и нагрузке котла 29 МВт максимальные падающие тепловые потоки составляют 196 кВт/м2, что на 88 кВт/м2 (40 %) ниже, чем при работе одиночного предтопка мощностью 29 МВт.

Снижение падающих тепловых потоков при возрастании мощности вызвано более «размытым» ядром факела, который генерирует крупный предтопок. Ядро факела удалено от выходной амбразуры на 2,8 калибра предтопка при нагрузке 28 МВт, и ~ на 3 калибра при нагрузках 37 и 45 МВт.

При работе котла ЭЧМ-25/35МЦ на двух предтопках на нагрузке 29 МВт максимальные падающие тепловые потоки составляют 227 кВт/м2, что на 51 кВт/м2 (23 %) меньше, чем при работе одиночного предтопка. Ядро факела располагается в центре топки по оси предтопка. При нагрузке 45 МВт максимальные падающие тепловые потоки составляют 366 кВт/м2.

Распределение падающих тепловых потоков по ширине топочной камеры для котельных агрегатов с различными способами сжигания мазута представлено на рис. 5. Сопоставление показывает, что падающие тепловые потоки в топках котлов, оснащенных циклонными предтопками, на 100-300 кВт/м2 (22-56 %) ниже, чем в топках котлов, оснащенных горелками.

Чпвд. Вт/м2 1 I I I 1- ДКВР-20-13 горелки 2 - ДЕ-25-14 Горелки 3-ДЕ-16-14 горелки 4-СУ МП ЦКТИ 5-ДКВР-20-13 ЦП ЦМКТ

/ г-

2 ,-3

N \

V 4

' "-е 5

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0.0 1

МЛ.

Рис. 5. График распределения qпад по ширине экранов топочных камер: (1, 2, 3) - оснащенныгх вихревыми горелками; (4, 5) - циклонными предтопками

Снижение падающих тепловых потоков происходит потому, что в топках с циклонными предтопками при более полном объемном заполнении ее факелом и увеличении среднеинтегральной температуры, максимальная температура факела значительно меньше, чем в топках с горелками, имеющими большую неравномерность тепловосприятия, вызванную наличием явно выраженного ядра горения с максимумом температуры.

При циклонно-вихревом сжигании мазута равномерное объемное распределение факела, заполняющего топочную камеру, снижает величину максимальных падающих тепловых потоков и сглаживает неравномерность распределения тепловых нагрузок по ширине экранных поверхностей. Коэффициент неравномерности тепловосприятия по ширине экрана определяется отношением maX и чем выше этот коэффициент, тем ниже тепловая разума

вертка экранов, и выше надежность работы котла. Для котлов с горелками эта величина находится в пределах 0,54-0,59, а для котлов с циклонными предтопками ~ 0,64-0,79.

Для котлов, оснащенных горелками, максимальное значение коэффициента равномерности тепловосприятия по высоте топки алок

= чосп достигает величины 1,4, а для котлов с циклонными

qcp

i еосп

предтопками максимальное значение пв составляет 1,2, что свидетельствует о большей равномерности тепловосприятия по высоте топочной камеры в котлах с циклонными предтопками (рис. 6).

По величинам падающих qHiW и отраженных qQ6p тепловых потоков определен коэффициент тепловой эффективности экранов у. При работе котла на одном предтопке его максимальное значение составляло 0,8-0,75, при среднем значении у по топке равном 0,55. При работе котла с двумя предтопками ymax = 0,67-0,6 при такой же средней величине у по топке, который превышает на 7 % уср, рассчитанный по [1].

Величины максимальной интенсивности теплового излучения факела в зависимости от объемной плотности тепловыделения для различных котлов с циклонными предтопками и вихре -выми горелками представлены на рис. 7.

Рис. 6. График зависимости коэффициента п по [1] от высоты топки: (1) циклонными предтопками; (2) расчетной

(.; и , кВт/м2

КВ-ГМ-20([ cijkvii.il) КН I М 5(Хгцнм1ь. 1

ПК^ТСгсрелэи) Ж

----- ПК-38<горслки) предел лая допустимая ТСПЯОВОГО ИЮТЧЯМЯ

А О □ □

ТП-87(гор*яхн) " Л о о < о о +

д л С О пОп } О А О ° + -и

° ° + ф

о

300 400

зюркатмыкч- прстяьтк

500 600

л . кВт/мя

□дкв^омц к.-яV: ч'ч:: йачмймц ^"зчмт^мц ОЭЧМ71МЦ +твм.1йомц

Рис. 7. Зависимость интенсивности теплового излучения факела от объемной плотности тепловыделения в топках котлов с циклонными предтоп-ками и горелками

На котлах с циклонными предтопками с ростом удельной объемной плотности тепловыделения от 94 кВт/м3 до 440 кВт/м3 максимальные значения интенсивности излучения факела возрастают от 80 кВт/м2 до 518 кВт/м2. Горизонтальной пунктирной линией на рис.7 показана предельная допустимая величина интенсивности теплового излучения для мазутных открытых и полуоткрытых топок по [1]. Превышение этой величины недопустимо по условиям надежности работы, металла труб экранов топки. Вертикальной пунктирной линией ограничена предельная форсировка топочного объема, рекомендуемая в [1] при проектировании мазутных топок из условия полного выгорания топлива при прямоточном и вихревом развитии факела. Таким образом, увеличение производительности котла при традиционной горелочной организации сжигания топлива предусматривает увеличение размеров топки для обеспечения его выгорания.

При модернизации котлов с установкой циклонных предтопков возможно увеличение форсировки топочного объема, в пределах допустимой интенсивности теплового излучения факела. Проведенные нами модернизации паровых и водогрейных котлов обеспечили увеличение их производительности на 10-15%, с повышением экономичности на 5-7% и надежности работы выраженной в увеличении срока службы поверхностей нагрева на 5-7 лет.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Тепловой расчет котлов. (Нормативный метод). Издание 3-е, переработанное и дополненное. Издательство НПО ЦКТИ, СПб, 1998. - 256 с. с ил.

2. Штым А.Н., Штым КА., Дорогов ЕЮ. Котельные установки с циклонными предтопками//Владивосток. Издат. дом Дальневост. федерал. ун-т. 2012. 421 с.

3. Дорогов ЕЮ. Исследование теплообмена в топках котлов с циклонными предтопками ДВГТУ: дис. канд. техн. наук/. Ю. Дорогов. - Владивосток, 2000. - 210 с.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Штым Константин Анатольевич — кандидат технических наук, профессор, kot_18@mail.ru,

Дорогов Евгений Юрьевич — кандидат технических наук, доцент, руководитель образовательных программ,, evgen69.69@mail.ru

Соловьёва Татьяна Алексеевна — старший преподаватель, mtasta@mail.ru, Дальневосточный федеральный университет.

UDC 621.18

SPECIAL FEATURES OF HEAT EXCHANGE IN BOILER FURNACES WITH CYCLONE SWIRL FURNACES

Shtym Konstantin Anatol'evich, Far Eastern Federal University, professor, candidate of technical Sciences, Russia,

Dorogov Evgenij Yur'evich, Far Eastern Federal University, assistant professor, candidate of technical Sciences, director of educational programs, Russia, Soloveva Tatiana Alekseevna, Far Eastern Federal University, instructor, Russia.

Practice of modernization of steam and water heating boilers with their transfer to cyclone vortex combustion of liquid and gaseous fuel has shown that heat exchange is different in boiler furnaces where one or several cyclone burners are installed. Analysis of researches available has shown contradictory conclusions of their authors as to influence of burners upon change of parameters; therefore, while transfer of different types of boilers to cyclone combustion of fuel oil and gas, the authors pay attention to research of heat exchange peculiarities in the boiler furnaces and their comparison to available data, as well as to recommendations for normative calculation method of boiler furnaces [1]. During modernization of boilers with installation of cyclone vortex burners, it is possible to increase forcing of furnace volume, within the limits of allowable intensity of torch thermal emission. For these purposes, recommendations are given as to thermal calculations based on test data.

Keywords: cyclone vortex burner , heat exchange , efficiency of combustion, heat stress of furnace volume, reliability, the total heat exchange, heat stress of furnace volume, efficiency of boiler.

REFERENCES

1. Teplovoj raschet kotlov (Thermal design of boilers). (Normativnyj metod). Izdanie 3e, pererabotannoe i dopolnennoe. Izdatel'stvo NPO CKTI, SPb, 1998, 256 p.

2. Shtym A.N., Shtym K.A., Dorogov E.Ju. Kotel'nye ustanovki s ciklonnymi predtop-kami (Boilers with cyclone furnaces)//Vladivostok. Izdat. dom Dal'nevost. federal. un-t, 2012, 421 p.

3. Dorogov E.Ju. Issledovanie teploobmena v topkah kotlov s ciklonnymi predtopkami DVGTU (Study of heat exchange in boilers with cyclone furnaces FESTU), Kandidat's thesis, Vladivostok, 2000, 210 p.

УДК 621.182 © К.А. Штым, С.В. Головатый, А.В. Лесных, 2014

ИССЛЕДОВАНИЕ АЭРОДИНАМИКИ В ТОПКЕ КОТЛА С ЦИКЛОННО-ВИХРЕВЫМИ ПРЕДТОПКАМИ

Рассмотрена эффективность работы котлов с циклонно-вихревыми пред-топками при встречной компоновке, односторонней и с наклоном предтоп-ка. Разработана математическая модель при одиночном варианте компоновки предтопка. Проведен анализ горения и распределения тепловых потоков в топке котла.

Ключевые слова: топочные процессы, котельные установки, математическое моделирование, топка, горение газообразного топлива.

Задачи моделирования сводятся к определению эффективности распределения тепловых потоков в топке котла при различных компоновках циклонно-вихревых предтопков.

Предварительные исследования, проведенные на аэродинамической изотермической модели показывают, что компоновка и направление вращения принципиально влияют на эффективность работы котла.

На рис. 1 представлены вектора скоростей и поля давления при встречной компоновке, односторонней и с наклоном предтопка.

Для повышения эффективности котла с одним предтопком пришлось применить ряд мероприятий улучшающих аэродинамику факела в топке (с наклоном предтопка на 8 - 12 градусов) и эффективность теплообмена с размещением ширмы поверхностей на выходе из топки.

Данные технические решения реализованы на котлах ЭЧМ 25-35.

В результате теплотехнических испытаний выявлено, что наилучшими показателями обладают котлы со встречной компоновкой циклонно-вихревых предтопков.

Измерение тепловых потоков показало, что существуют зоны повышенной теплонапряженностью и зоны пониженной теп-лонапряженности, снижающие эффективность общего радиационного теплообмена.

Рис. 1. Векторы скоростей и поля давлений

Математическая модель, разработанная для котла с одним предтопком, позволяет оценить работу котла с циклонно-вихревыми предтопками и выявить возможные решения по совершенствованию аэродинамики и теплообмена при наихудшем варианте компоновке котла.

Моделирование процессов вихревого горения газа выполнено на основе твердотельной модели котла с предтопком. Расчет производился в программе Fluent, предназначенной для моделирования течения жидкостей и газов с учетом турбулентности, теплообмена и химических реакций. Создание математической модели выполнено в четыре этапа: построение твердотельной модели; генерация сетки на основе твердотельной модели; указание граничных условий и параметров решателя; расчет. Твердотельная модель строится на основе чертежей реальной установки, с небольшими изменениями, позволяющими избавиться от очень острых углов, поскольку это затрудняет построение качественной сетки и влияет на количество ячеек. Система подвода газа, строится и рассчитывается отдельно в виду сложности ее геометрии и

с целью значительно уменьшить количество ячеек сетки. Моделирование в программе Fluent производилось с использованием многогранной сетки, полученной путем преобразования тетра-эдерной сетки, сгенерированной на основе твердотельной модели. Выбор тетраэдерной сетки обусловлен сложностью геометрии модели, а преобразование в многогранную позволяет в несколько раз уменьшить количество ячеек сетки и ускорить расчет. Для моделирования в данной программе необходимо соблюсти критерии качества сетки и ее плотность в местах больших градиентов параметров, которые можно определить на основе тестовых расчетов [2]. Значительные градиенты скоростей и турбулентности, требующие уплотнения сетки, расположены в зонах подвода газа и области интенсивного горения внутри котла. Программа Fluent содержит широкий набор моделей для решения различных задач, поэтому необходим выбор наиболее подходящих для решения данной задачи моделей, а также правильное задание граничных условий и параметров расчета. В нашем случае турбулентный перенос описывается RNG k - е моделью, выбор которой обусловлен наибольшей устойчивостью по сравнению с k - е моделью и моделью напряжений Рейнольдса требующей больших вычислительных ресурсов [3]. Расчет горения производился с использованием модели «Species Transport», позволяющей моделировать смешивание и транспортировку химических веществ путем решения уравнений сохранения, учитывающих процессы конвекции, диффузии и химические реакции по каждому компоненту.

При сравнении данных эксперимента приведенных на рис. 1 с результатами математического моделирования распределение поля статического давления рис. 2 можно сделать вывод о том, что математическая модель коррелируется с натурными данными.

Формирование зоны пониженного статического давления начинается вдоль оси циклонно-вихревого предтопка в области квазитвердого вращении. За пережимом камеры статическое давление постепенно приближается к статическому давлению в топочной камере.

На рис. 3 показано поле динамических давлений, на котором отчетливо видно четыре сформированные зоны эжекции по оси факела. Первая зона расположена непосредственно за завихрителем,

Рис. 2. Поле статических давлений в сечении топки котла с предтопком

Динамическое давление

|3.20е+03

э.мисэ

2в8е*03 2 72^03 2 56еЮЗ 2 40е«33 2 24е*03

2 08е*03 1 92е№3 1 79е»03 1.60»» 03 1 4ае*03 1.23е+03 1 12е*03 9.60еЮ2

еоое*ог

16.40&+02 4 80е*02

3 20е*02 1. б0е+02 1.08е-01

[РаЗ

я Ж / \

Рис. 3. Поле динамических давлений в сечении топки котла с предтопком

вторая находится во второй трети камеры сгорания предтопка, третья за пережимом, а четвертая формируется в топке котла за ядром факела. Наличие зон эжекции обеспечивает сток продуктов сгорания в зоны с пониженным давлением.

Вследствие наличия сложной аэродинамической структуры факела полученного в циклонно-вихревом предтопке, обеспечивается хорошее смесеобразование, частичное сгорание топлива в предтопке и последующее его догорание в топочном объеме котла.

При работе предтопка только с тангенциальным вводом газа наблюдаются повышенные тепловые напряжения на расстоянии около одного метра от пережима, ядро факела имеет сложную геометрическую форму рис. 4. После прохождения максимума тепловых напряжений и, соответственно, максимальных температурных полей транспорт горючих веществ продолжается в трех основных направлениях рис. 5. Около 45% веществ увлекается закрученным потоком воздуха рис. 6 в зону разрежения, которая смещается к выходу из топочной камеры, остальные продукты сгорания циркулируют в нижнюю часть котла и частично возвращаются в зону активного горения рис. 7.

гн

* н

Рис. 4. Ядро факела

Рис. 5. Поле температур в сечении котла

Рис. 6. Вектора скоростей в сечении котла

Рис. 7. Распределение горючих веществ в структуре факела

Наименьшие тепловые напряжения наблюдаются на боковом экране топки, на котором установлен предтопок. В данном случае активное заполнение всего объема топки факелом составляет около 30%.

Котлы, оснащенные циклонно-вихревыми предтопками, работают эффективнее и экологичнее заводских аналогов, оснащенных большим числом горелочных устройств. Повышение эффективности достигается за счет возможности получения концентрированного факела в единичном устройстве большой мощности и ухода от стехиометрического сжигания которое сложно контролировать. За счет высокой турбулизации потока обеспечивается эффективное смесеобразование и выгорание топлива. Так же снижаются удельные затраты электроэнергии на дутье за счет установки одного дутьевого вентилятора вместо нескольких. В процессе режимно-наладочных испытаний котлов с циклонно-вихревыми предтопками удалось достичь КПД 96,4% при избытке воздуха в уходящих газах 1,05, без следов СО и концентрацией оксидов азота NOx не превышающей 90 мг/м3. Испытания аналогичных котельных агрегатов показали эффективность ниже на 47% с худшими экологическими показателями.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Штым А.Н., Штым К.А. Модернизация паровых и водогрейных котлов с установкой циклонных предтопков для сжигания мазута и газа // Энергетик. 2010. № 10. С. 25-28.

2. Патанкар С.В. Численные методы решения задач теплообмена и динамики жидкости / под ред. В.Д. Виленского. М.: Энерго-атомиздат, 1984. - 152 с. Пер. с англ.

3. БеловИ.А., Исаев С.А. Моделирование турбулентных течений // СПб.: Балт. гос. техн. ун-т, 2001. - 108 с.

4. Головатый С.В., Штым К.А., Лесных А.В. Моделирование горения газа в циклонно-вихревом предтопке / Научное обозрение. №6 . - 56-61 с.

5. Magnussen B.F., Hjertager B.H. On mathematical models of turbulent combustion with special emphasis on soot formation and combustion. In 16th Symp. (Int'l.) on Combustion. The Combustion Institute. 1976.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Штым Константин Анатольевич — кандидат технических наук, профессор, ДВФУ, kot_18@mail.ru,

Головатый Сергей Викторович — младший научный сотрудник Международной лаборатория горения и энергетики, sergey.golovatyy@gmail.com, Лесных Андрей Викторович — старший преподаватель, lesnykhav@mail.ru, Дальневосточный федеральный университет.

UDC 621.182

AERODYNAMICS IN THE BOILER FURNACE WITH A CYCLONE AND VORTEX PRE-FURNACE

Shtym Konstantin Anatol'evich, Far Eastern Federal University, professor, candidate of technical Sciences, Russia,

Golovatiy Sergey Viktorovich, Far Eastern Federal University, junior researcher, Russia, Lesnykh Andrey Viktorovich, Far Eastern Federal University, instructor, Russia.

The efficiency of the boilers with cyclone and vortex pre-furnaces at the counter layout, one-sided and inclined pre-furnaces. A mathematical model for a single version of the layout of the pre-furnaces. The analysis of combustion and heat flux distribution in the boiler furnace.

Key words: combustion processes, boiler systems, mathematical modeling, furnace, burning gaseous fuels

REFERENCES

1. Shtym A.N., Shtym K.A. Modernizacija parovyh i vodogrejnyh kotlov s ustanovkoj ciklonnyh predtopkov dlja szhiganija mazuta i gaza (Modernization of steam and hot water boilers with the installation of the cyclone pre-furnace for Oil & Gas fired), Jenergetik, 2010, No 10, pp. 25-28.

2. Patankar S.V. Chislennye metody reshenija zadach teploobmena i dinamiki zhidkosti (Numerical methods for solving problems of heat transfer and fluid dynamics), pod red. V.D. Vilenskogo, Moscow, Jenergo-atomizdat, 1984, 152 p.

3. Belov I.A., Isaev S.A. Modelirovanie turbulentnyh techenij (Modeling of turbulent flows), SPb.: Balt. gos. tehn. un-t, 2001, 108 p.

4. Golovatyj S.V., Shtym K.A., Lesnyh A.V. Modelirovanie gorenija gaza v ciklonno-vihrevom predtopke (Modeling gas burning in a cyclone-vortex primary furnace), Nauchnoe obozrenie, No 6, pp. 56-61.

5. Magnussen B.F., Hjertager B.H. On mathematical models of turbulent combustion with special emphasis on soot formation and combustion. In 16th Symp (On mathematical models of turbulent combustion with special emphasis on soot formation and combustion. In 16th Symp). (Int'l.) on Combustion. The Combustion Institute, 1976.

УДК 621.18.01

© В.А. Упский, К.А. Штым, М.В. Упский. 2014

ИССЛЕДОВАНИЯ И ОПЫТ ПРИМЕНЕНИЯ МНОГОСОПЛОВЫХ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ ФОРСУНОК

Рассмотрены проблемы сжигания жидкого топлива с использованием центробежных форсунок и предложены способы их решения. Приведены технические решения по созданию конструкций многосопловых форсунок различного назначения. Рассмотрены результаты стендовых исследований и промышленных испытаний форсунок.

Ключевые слова: центробежная форсунка, распыливание топлива, циклонный предтопок, жидкостный факел.

В большой и малой (коммунальной и промышленной энергетике) одним их основных узлов для распыливания жидкого топлива является паромеханическая форсунка различных модификаций. Необходимость экономии энергоресурсов во всех отраслях заставляет оценить возможность исключения затрат на выработку пара для использования в паромеханических форсунках. Нормативная доля пара на распыливание мазута в паромеханических форсунках составляет около пяти процентов по массовому расходу. Анализ технологических систем термообработки на предприятиях химической технологии (обжига и сушки вырабатываемого материала) показывает, что эта доля может достигать величины пятидесяти процентов и более. Альтернативой может служить использование центробежных механических форсунок, основным недостатком которых является поддержание сравнительно высокого давления мазута перед форсункой (2 - 2.5 МПа) и температуры не ниже 120 град. С. Вторым недостатком классических центробежных форсунок является существенная неравномерность концентрации капель распыливаемой жидкости (плотности орошения q (г/(мм2-сек)), которая является минимальной в при-осевой части факела.

Многолетние исследования многосопловых форсунок, начатые на кафедре ТОТ в Дальневосточном политехническом институте в начале семидесятых годов прошлого века и продолженные в плоть до настоящего времени, показали возможность

создания и успешной эксплуатации форсунок иного типа - центробежных многосопловых форсунок, факел которых является результатом сложения расположенных особым образом в пространстве и имеющих свои характерные характеристики единичные факелы. Достоинствами подобных форсунок являются меньшие давления топлива перед форсунками (1 -1,4 Мпа) и меньшая рабочая температура топлива (около 105 град. С). Отдельным вопросом является их использование в большой энергетике, где единичная производительность форсунки по мазуту достигала 9 т/час. Развитию этого направления способствовала большая работа по созданию и внедрению типорядакотлоагрега-тов с циклоннымипредтопками [1]. Необходимость реализации вышеуказанных достоинств многосопловых форсунок в малой энергетике потребовала перехода в область гораздо меньших производительностей и размеров проточной части. Возникали вопросы о работоспособности и надежности работы форсунок с диаметрами сопел около одного миллиметра.

В процессе наладки первых циклонных предтопков ДВПИ на Дальзаводе, наибольшие затруднения были вызваны наличием коксообразования на стенках камеры, так как первоначально для распыливания топлива применялись механические форсунки с диаметрами сопел от 1,2 до 3 мм в количестве от 8 до 20 шт, вводимые через аксиальные и тангенциальные каналы. Для устранения коксообразования были опробованы различные конструкции головок струйных форсунок однако, при малых и больших (до 32 МВт/м2) форсировкахпродолжадось коксование ее стенок камеры. В дальнейшем распыливание мазута осуществлялось механическими центробежными форсунками (рис. 1).

Для высоковязких мазутов марки М-100 и М-200 безостановочный режим работы котла был

0

Рис. 1. Составные элементы одно-сопловойтрехзаходной центробежной механической форсунки

гарантирован только при установке многосопловых форсунок.

Расходные характеристики многосопловых форсунок позволяют обеспечивать при незначительном изменении перепада давления довольно большое изменение расхода, т. е. получается

более чувствительная и удобная расходная характеристика при качественном регулировании. Внешний вид одной из первых 19-ти сопловой форсунки с диаметром шнеков-завихрителей 8 мм представлен на рис. 2.

Несомненным достоинством многосопловых форсунок, сопоставимых по габаритам с обычными, является обеспечение мелкодисперсного распыла при больших расходах и незначительных перепадах давления, что достигается увеличением числа сопел и уменьшением их диаметра.

Особенностью многосопловых форсунок является получение необходимого угла распыливания факела и плотности орошения по его сечениям, за счет изменения взаимного расположения сопел и формы головки (рис. 3).

В процессе полупромышленных испытаний выяснилось, что определенное значение имеет расстояние, на которое выступает головка форсунки за плоскость завихрителя первичного воздуха.

Задачами исследований при разработке многосопловых форсунок были следующие: нахождение связи расходных характеристик форсунок с их основны- Рис. 2. Внешний вид двухпоточной ми геометрическими параметра- многосопловой центробежной фор-ми - числом шнеков, диаметром сунки шнеков, диаметром сопел и др., особенностями конструкции; определение вида диаграммы плотности орошения по сечениям факела жидкости при различных давлениях, углах расположения сопел, их количестве, взаимном расположении и количестве потоков (каналов), по которым подается жидкость; выявление дисперсного состава жидкостного факела при всех вышеперечисленных факторах.

Был создан типоряд многосопловых центробежных форсунок. Основ- нымипредтопками

Рис. 3. Внешний вид головки 19-ти сопловой форсунки для котла КВГМ-100 с циклон-

ной особенностью многосопловой форсунки является формирование результирующего факела распыливаемой жидкости из многих (от 3 до 21) единичных факелов (рис. 4).

При проведении исследований форсунок и их обобщении в первую очередь находилась связь давления распыливаемой жидкости с ее расходом (расходная характеристика. Далее, с использованием специальных ловушек - мерных кругов, находились диаграммы плотности орошения. На рис. 5 представлена диаграмма изменения плотности орошения q (расхода жидкости через единицу площади живого сечения жидкос-ного факела) для единичного факела центробежной форсунки с шнековым завихрителем при давлении 10 кг/см2.

Рис. 4. Вид факела распыливаемой жидкости многосопловой центробежной форсунки

0,02

0,015

0,01

г——— 0,005~ 0 ———т

-1 -0,8 -0,6 -0,4 -0,2 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

ЯЖ0

Рис. 5. Изменение плотности орошения форсунки qс одним шнековым завихрителем по сечению факела

Здесь и далее расстояние от оси факела выражено в виде относительного радиуса ЯЯ0, где Я - расстояние от оси капле-уловителя до оси текущего кольца, в м., Я0 - радиус оси самого дальнего кольца каплеуловителя, в м.

Как видно из рис. 5, наблюдается явно выраженная неравномерность плотности орошения жидкости по сечению, характерная для всех односопловых центробежных форсунок. С помощью

нескольких шнековых завихрителей можно формировать факел форсунки с различным углом раскрытия. Нами исследован и внедрен типорядмногосопловых форсунок с диапазоном расходов от 80 кг/ч до 10 т/ч, углом раскрытия от 15о до 160о и различным распределением плотности орошения жидкости по сечению факела. На рис. 6 представлена зависимость изменения плотности орошения факела двухпоточной форсунки при изменении расхода через центральный шнековый завихритель и постоянном расходе в периферийном канале. Давление в периферийном канале постоянно и равно 10 кг/см2.

Возможности управления факелом при подаче топлива через два канала и получение факела жидкости с заданными характеристиками достаточно обширны. Одно из предположений при создании многосопловых форсунок было предположение о возможном взаимодействии капель в факеле, которое может привести к дополнительному дроблению капель. Проведенный анализ полученных позднее диаграмм плотности орошения форсунок приводит к выводу об аддитивности (простому сложению) единичных факелов форсунок, что позволяет прогнозировать состав факела и вводить эти данные в расчеты выгорания топлива в обьеме циклонного предтопка.

Исследования моделей и головных образцов форсунок производились на трех водяных стендах, которые располагались непосредственно в котельных цехах. Финальные исследования, связанные с более точными измерениями производились на стенде полупромышленном стенде, расположенном в лаборатории кафедры.

ПлОТНОСТ[^>[1<|>рошен|1я

1 -0.8 -0.6 -0,4 -0,2 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

—■— Рцентр=2кг/с м2 —♦— Рцен тр =3кг/см2 —±— Рцентр=4кг7см2

—х— Рцентр=6кг/с м2 —о— Рцен тр=8кг/см2 —•— Рцентр=10кг/см2

Рис. 6. Изменение плотности орошения q по сечению факела при различном давлении Р в центральном канале двухпоточнойшестисопловой форсунки

При исследовании форсунок самым трудоемким является определение дисперсного состава факела распыливаемой жидкости. Нами производилось улавливание капель на покрытые специальным слоем Рис. 7. Общий вид капель на стекла (предметные стекла). Опре-предметном стекле делялись диаметры капель и ана-

лиз влияния на них геометрических и режимных факторов. На рис. 7. приведен вид предметного стекла с уловленными каплями и калибровочной нитью диаметром 5 мкм.

Примеры диаграмм дисперсного состава для малорасходных многосопловых форсунок приведены на рис. 8. Величина Я представляет собой относительное количество капель (в %), размеры которых превышают данное значение диаметра

Разработанные авторами образцы многосопловых форсунок для сжигания мазута успешно применяются на котлоагрегатах с циклонными предтопкамиВладивостокской ТЭЦ-1, ТЦ «Северная», ТЦ «2 речка», Хабаровской ТЭЦ-2 и многих энергетических Приморского края, Якутии, Сахалина и т.д.

Необходимость реализации вышеуказанных достоинств многосопловых форсунок в малой энергетике потребовала перехода в область гораздо меньших производительностей и размеров проточной

100 50 80 70 60 50 # 40 ей 30 20 10 О

(11, мкм

Рис. 8. Дисперсный состав факела многосопловой форсунки при различных значениях выходного диаметра единичного соплай и расстоянии Н от головки форсунки до плоскости расположения предметных стекол

О 100 200 300 400 500

части. Возникали вопросы о работоспособности и надежности работы форсунок с диаметрами сопел около одного миллиметра. Первые работы касались создания растопочных форсунок малой производительности для котлоагрегатов. В частности, были спроектированы, изготовлены и исследованы семисопловые форсунки для котлов БКЗ-75. Основным единичным элементом являлся шнековый завихритель диаметром 8 мм. Стендовые исследования расходных характеристик и диаграмм плотности орошения потребовали создания целого типоряда подобных форсунок для выбора наиболее подходящих по характеристикам для конкретных энергоустановок. В частности, на рис. 9. представлены характеристика одной из первых семисопловых форсунок - изменение плотности орошения для различных сечений факела жидкости.

Поскольку диапазон расходов и размер факела распыливае-мой жидкости у малорасходных форсунок существенно меньше по сравнению сранее исследуемымипомимо стендов для исследования форсунок в диапазоне расходов 0,6 - 10 т/час, пришлось создать стенд для исследования малорасходных форсунок.

По заявке одного из горнохимических предприятий Приморского края были разработаны и испытаны шести-и трех-сопловыемалорасходные форсунки для вращающейся сушильной печи цеха бората кальция. Они являются самыми малорасходными из всего типорядамногосопловых форсунок, созданных за все годы. Внешний вид работающей шестисопловой форсунки с углом раскрытия факела 60 градусов представлен на рис. 10.

Измерение плотности орошения

¡:5х4.

-*-ч1[ср>-[Х=0,533) -о-ч1[срНХ=0,284) -»-ч1[срНХ=0,786)

0 035 \

/ Л

О ч

///■

03

-9-

-0,8 -0,6 -0,4 -0,2 0 0,2 0,4 0,6 Относительный радиус мерного сосуда, ГОРЮ

Рис. 9. Изменение плотности орошения семисопловой форсунки с диаметрами сопел 1 мм и диаметрами шнеков-завихрителей 6,5 мм

Рис. 10. Общий вид факела шестисопло-вой форсунки

Помимо отмеченных выше работ по исследованию многосопловых форсунок, производилась оценка температурных условий работы головки форсунки с точки зрения возможного коксования вне и внутри при ее работе и при остановке котла и нахождения форсунки в условиях излучения стенок циклонного предтопка. Полученные температурные графики подтвержда-ютгарантированную надежность работы подобных форсунок.

Результаты проведенных исследований использовались для совершенствования и уточнения методик расчета. Можно отметить удовлетворительную сходимость фактической и расчетной зависимостей потери давления в многосопловых форсунках от расхода распыливаемой жидкости. Расчетная формула использовалась на основании предположения, что у центробежной форсунки наступает автомодельный режим течения. При этом режиме течения, как показывает опыт, производительность форсунки не зависит от вязкости топлива, а угол распыливания у вершины факела при дальнейшем увеличении давления Рвх остается постоянным. Число Ей имеет у разных форсунок разные значения, хотя в пределах одной форсунки эти значения остаются постоянными.

Обработка результатов многочисленных аэродинамических исследований моделей циклонно-вихревых камер позволила использовать этот подход зависимости Ей от Яе также для обобщения накопленного материала по расходным характеристикам многосопловых центробежных форсунок. Диапазон количества сопел исследованных форсунок — от 1 до 21, диаметров шнеков — от 5 до 16 мм и диаметров выходных сопел — от 0,9 до 6,5 мм. У всех форсунок данного типа различной производительности при их проектировании соблюдалось геометрическое подобие шнеков (рис. 11), угла наклона канала по отношению к оси шнека и конической вихревой камеры. Ширина и высота канала шнека равны. Распыливаемая жидкость - вода. Кинематический коэффициент вязкости воды V определялся с учетом температуры в каждом конкретном опыте.

Рис. 11. Шнек-завихритель многосопловой форсунки

Для каждой форсунки определялась расходная характеристика единичного завихрителя и по ней находилась зависимость Ей от Яе в виде:

Яе - число Рейнольдса,

Ей = а • Яе ,

где Ей - число Эйлера, Ей = АР2

Р-с

с • d

Яе =-; АР - потеря давления в форсунке, АР=Р1-Р2, Па; р —

V

плотность жидкости, кг/м3; с - скорость на входе (выходе) в шнек, с =-, м/с; G - массовый секундный расход, кг/с; Е -

р-Е

площадь живого сечения каналов шнека, Е =

п-й2 4

м

й - эквива-

лентный диаметр суммарного живого сечения каналов шнека, м.

На рис. 12 показаны некоторые зависимости для форсунок различных по размерам и производительности. Наблюдаются явно выраженные области автомодельности для форсунок средней и большой производительности. Кодовое обозначение каждой форсунки следующее: имя форсунки/число сопел/диаметр шнека, мм/диаметр отверстиясопла, мм.

Наибольший интерес представляет связь числа Эйлера с наиболее характерными геометрическими характеристиками форсунки. В данном случае, как и для циклонно-вихревых камер, этим параметром оказался безразмерный диаметрсопла йбезр=йсопла/йшнека. На рис. 13 показаны зависимости среднего для конкретной форсунки числа Ей от йбезр для большинства конструкций исследованных форсунок.

¿г ■> лп/6/5х5/С,9 □ ёок1/12/8Л,6

л 63/18/10/2,3

< геу23/19/10/3,3

Л X

С ЮООО 20000 ЗОЭОО 40С00 50000 60000

Рис. 12. Зависимость числа Эйлера от числа Рейнольдса для многосопловых форсунок

Ей 70 ■

60 ■

50 ■

40 ■

30 ■

20 ■

10 ■

0 ■

0

Рис. 13. Влияние безразмерного диаметра сопла на число Ей

Полученное уравнение регрессии может быть введено в методику расчета подобных многосопловых форсунок.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Штым А.Н., Пинькевич В.В. Исследование циклонного предтопка с комбинированным вводом воздуха при сжигании мазута. - В кн. Теплоэнергетика. Труды ДВПИ, т. 90. Владивосток, 1974.

2. Штым А.Н., Штым К.А. Модернизация паровых и водогрейных котлов с установкой циклонных предтопков для сжигания мазута и газа. Энергетик № 10, 2010, с. 25—28.

3. Штым А.Н., Штым К.А., Дорогов Е.Ю. Котельные установки с циклон-нымипредтопками//Владивосток. Издат. дом Дальневост. федерал. ун-т. 2012. — 421 с.

4. Упский В.А., Упский М.В., Штым К.А. Исследование и внедрение многосопловых центробежных форсунок. Сб. — С.111-112.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Упский Василий Анатольевич — кандидат технических наук, доцент, upsky@mail.primorye.ru,

Штым Константин Анатольевич — кандидат технических наук, профессор, kot_18@mail.ru,

Упский Михаил Васильевич — старший преподаватель, kaftot@mail.ru, Дальневосточный федеральный университет.

UDC 621.18.01

STUDY AND PRACTICAL EXPERIENCE OF MULTIPLE-HOLE ATOMIZED SPRAY INJECTORS

Upskiy Vasiliy Anatol'evich, Far Eastern Federal University, assistant professor, candidate of technical Sciences, Russia,

Shtym Konstantin Anatol'evich, Far Eastern Federal University, professor, candidate of technical Sciences, Russia,

Upskiy Mikhail Vasil'evich, Far Eastern Federal University, instructor, Russia.

Problems in connection with liquid fuel combustion using atomized spray injectors were reviewed and methods for their solution were offered. Engineering solutions on the construction of various purpose multi-hole injectors were attached. Test bed results and production tests of injectors were reviewed.

Key words: atomized spray injector, fuel injection, cyclone burner, liquid flame

REFERENCES

1. Shtym A.N., Pin'kevich V.V. Issledovanie ciklonnogo predtopka s kombinirovannym vvodom vozduha pri szhiganii mazuta (Investigation of the cyclone furnace extension combined input air from the combustion of fuel oil). V kn. Teplojenergetika. Trudy DVPI, V. 90, Vladivostok, 1974.

2. Shtym A.N., Shtym K.A. Modernizacija parovyh i vodogrejnyh kotlov s ustanovkoj cik-lonnyh predtopkov dlja szhiganija mazuta i gaza (Modernization of steam and hot water boilers with the installation of the cyclone furnace extensions for burning oil and gas), Jenergetik, No 10, 2010, pp. 25—28.

3. Shtym A.N., Shtym K.A., Dorogov E.Ju. Kotel'nye ustanovki s ciklonnymipredtopkami (Boilers with cyclone furnaces), Vladivostok Izdat. dom Dal'nevost. federal. un-t, 2012, 421 p.

4. Upskij V.A., Upskij M.V., Shtym K.A. Issledovanie i vnedrenie mnogosoplovyh cen-trobezhnyh forsunok (Research and implementation of the set-gosoplovyh centrifugal atomizers). Sb, pp. 111-112.

УДК 621.18.01

© В.А.Упский, М.В.Упский, 2014

ЦИКЛОННОЕ ТЕРМООБЕЗВРЕЖИВАНИЕ ЗАГРЯЗНЕННЫХ ВОД

Рассмотрены проблемы утилизации загрязненных вод энергетических и промышленных предприятий и предложены технические решения для снижения экологических последствий от загрязненных вод. Рассмотрена принципиальная схема циклонного термообезвреживания, конструкции многосопловых комбинированных форсунок и опыт их внедрения. Приведены основные результаты исследований систем циклонного термообезвреживания и их основных элементов - двухпоточных многосопловых центробежных форсунок.

Ключевые слова: циклонный предтопок, циклонное термообезвреживание, многосопловая центробежная форсунка, загрязненная вода и вредные выбросы.

Наличие нефтепродуктов в сточных водах промышленных котельных и иных промышленных объектов, которые образуются в виде конденсата отстоя в мазутных баках (подтоварные воды), грунтовых вод, ранее загрязненных мазутом, стоков при ремонтных работах и авариях, утечек мазута, а также, разогрева паром цистерн при сливе мазута, может достигать величины до 7—10%. Образование водяных линз в слое мазута может привести к нарушению процесса горения в котлах, неустойчивости и, в крайнем случае, обрыву факела. Наличие нефтеловушки позволяет лишь частично решить проблему.

С целью гарантированного предотвращения попадания нефтепродуктов в сточные воды такую загрязненную воду необходимо ввести в топочное пространство, изъяв ее, таким образом, из оборота. Подобные технические решения представлялись в различных вариантах, например, перемешивая воду с топливом с помощью диспергаторов. Появление воды в топочном объеме при определенных соотношениях расхода воды и общего суммарного расхода водотопливной смеси Ж, может ко всему прочему привести к уменьшению выбросов некоторых составляющих продуктов сгорания, например окислов азота [1,2].

Располагая большим опытом исследований, проектирования и внедрения на теплоэнергетических объектах циклонных пред-

топков различной производительности, сотрудниками кафедры «Теплоэнергетики и теплотехники» ДВФУ было сделано предложение осуществить раздельную подачу топлива и загрязненной жидкости с помощью типового элемента циклонного предтопка - многосопловой центробежной форсунки [3, 5]. Впоследствии была предложена односопловая (по топливу) комбинированная центробежная форсунка для случая малых расходов топлива и воды (малая энергетика, промышленные технологические установки) [4].

Раздельная подача мазута и замазученной воды с помощью соответствующей комбинированной форсунки и эффективного их сжигания дают возможность помимо удаления загрязняющих компонент получить уменьшение выбросов оксидов азота в дымовых газах. Это происходит за счет снижения температуры факела в приосевой области циклонного предтопка при впрыске в нее обезвреживаемой воды. У данной форсунки имеет место периферийный (топливный канал) и центральный канал, по которому подается обезвреживаемая жидкая среда. Распыливание осуществляется через соответствующие сопла со шнековыми за-вихрителями.

Системы циклонного обезвреживания (ЦТО) были спроектированы и исследованы на котлоагрегатах БКЗ-75, КВГМ-100 и КВГМ-20 трех котельных Приморского края. Принципиальная схемы ЦТО, реализованной в качестве типовой (котельная № 3 ОАО Порт Восточный») приведена на рис. 2.

В состав схемы входят комбинированная форсунка 1, модернизированный центробежный насос 2, расходомер замазученной воды 3,подогреватель замазученной воды 4, сетчатый фильтр 5, переливная труба 6, регулирующие вентили и задвижки 7, 8, 8а, 9,10 и 11 и манометры 12 и 13.

На рис. 3 представлено фото жидкостного факела при работе 12 сопловой комбинированной форсунки данной системы циклонного термообезвреживания. Давление в каналах в данном случае менее 100 кПа, чтобы была возможность наблюдать оба факела одновременно.

Рис. 1. Вид раздельной подачи топлива и воды в циклонный предтопок

Рис. 2. Принципиальная схема системы ЦТО

Форсунки различных систем ЦТО отличались расходом топлива (от 1 до 6 т/час), расходом впрыскиваемой воды (от 0,1 до 1,5 т/час), количеством сопел (от 6 до 21), диаметрами шнеков-завихрителей (от 8 до 16 мм), углами раскрытия факелов (от 60 до 160 градусов) и т.д. Условия эксплуатации систем оптимизировались по ходу испытаний и представлялись в виде дополнительного оптимального параметра

На рис. 5, 7 и 9 представлено результаты изучения влияния доли впрыска замазученной воды на изменение относительной доли компонент, находящихся в газах по отношению к работе без впрыска (приведенных к аух= 1,4).

Система ЦТО, спроектированная и исследованная на котлоагрегате БКЗ-75 Владивостокской ТЭЦ-1, была одной из первых, реализованных на действующем оборудовании. Котлоагрегат имел два встречно расположенных циклонных предтопка, установленных на боковых стенках. На каж-

дом из предтопков установлена двухпоточная 12-ти сопловая форсунка с 12 шнеками-завихрителями диаметром 8 мм (поз.6, рис. 4). Центральное сопло для распыливания воды имело один шнек диаметром 16 мм (поз. 7).

В конструкцию входят также головка 1 с фиксирующей диафрагмой 2,стакан 8,прокладки 5 и 9,накидная гайка 3 и корпус 4.

На рис. 5 представлены результаты испытаний, проведенных на паровом котлоагрегате БКЗ-75. Как следует из графика, при всех нагрузках котлоагрегата в исследованном диапазоне доли впрыска Ж, имеет место снижение содержания окислов азота.

На каждом из предтопков установлена двухпоточная 20-ти сопловая форсунка (рис. 6) со шнеками-завихрителями диаметром 8 мм. Центральное сопло для распыливания воды имело один шнек диаметром 16 мм.

Как следует из рис. 7, картина изменения выбросов окислов азота не столь однозначна, наблюдается наибольшее снижение выбросов при Ж = 0,15 - 0,2.

5

б

Рис. 4. Конструкция многосопловой форсунки котлоагрегата БКЗ-75

ш*

I

0.95 0,9 0,35 0,Я 0,75 0,7 0,65 0,6

О 5 10 15 20 25 30 35 40

■Л^ %

Рис. 5. Изменение относительного выброса МОх от доли впрыска при работе

Полупромышленные испытания системы ЦТО ОАО «Восточный Порт», в составе которой находился водогрейный котлоагрегат КВГМ-20, в силу объективных причин, проводились при нагрузках меньше номинальной (около 50%). На котлоагрегате установлен один циклонный предтопок с комбинированной 12 сопловой форсункой, рассчитанной на номинальную нагрузку. Внешний вид форсунки представлен на рис. 8. Двенадцать шнеков - завихрителей по топливному каналу располагались под разными углами к оси форсунки и имели диаметр 8 мм, по водяному (центральному) имелся один шнек диаметром 12 мм.

1,04 1,02 I

0,98 0,96 0,94 0,92 0,9

0 5 10 15 20 25 30 35 40 %

Рис. 7. Изменение относительного выброса МОх от доли впрыска при работе на котле КВГМ-100

* X

*

■ 63 т/ч а •

* 70 г/ч

* 80 т/ч • •

на котле БКЗ-75

Рис. 6. Многосопловая форсунка котла КВГМ-100

■ 4

•

ч.ч 2 [ре "юн.'Ц ЬфЫ и.<и а -

Д5Г шла *

■ « Гиш/Ч. 1 ИрСГДПИЕЖ

• » Гклч ч. 1 цре ПИК* Л

- - -

Результаты испытаний при нагрузке 8,5 Гкал/час представлены на рис. 9. В процессе проведения опытов по измерению состава уходящих дымовых газов была возможность измерить содержание большего количества компонент. Для увеличения достоверности измерений производился независимый контроль со стороны Службы экологии ОАО «Восточный Порт». Как следует из графиков, наибольшее снижение от впрыска воды наблюдается для окиси углерода СО, далее, для окислов азота NOx. Изменения двуокиси серы и углерода малы. Доля изменения коэффициента полезного действия котла также практически неизменна.

Рис. 8. Вид многосопловой форсунки котлоагрегата КВГМ-20

12 1,1 1.0 0.9

0.« ■

0,7

0.6

0.5

0.4

03

X

I ■ г

1 н ш 9

X

■

10

30 У/ц %

А КПД

■ ЫОх Ш02 ХСО ♦ С02

50

Рис. 9. Влияние доли впрыска Щ замазученной воды на различные экологические показатели и относительное изменение КПД котлоагрегата КВГМ-20

Максимальное загрязнение, т.е. содержание нефтепродуктов в обезвреживаемой замазученной воде при испытаниях ЦТО ОАО «Восточный Порт» составляло 4247 мг/л, минеральных частиц — 674 мг/л. В процессе испытаний была возможность обеспечить максимально возможное значение доли впрыска (около 50%), с целью моделирования аварийной ситуации. Это аналогично значительному обводнению подаваемого топлива при «захвате» водяной линзы в мазутном баке. Как следствие, в типовых

условиях эксплуатации за этим следует срыв и погасание факела. Несмотря на то, что количество подаваемой воды в нашем опыте равнялось количеству подаваемого топлива, погасание факела отсутствовало, хотя сама структура факела была неоднородной, с видимыми жгутообразными зонами. Этот режим можно рассматривать как режим обезвреживания максимального количества за-мазученной воды с сопутствующим ухудшением экологических характеристик котлоагрегата.

К основным результатам всех испытаний можно отнести следующее:

1. Имеется возможность полного удаления нефтесодержа-щих компонент за счет их выгорания. Вода в парообразном состояние удаляется с уходящими газами.

2. Регулирование расхода мазута и замазученной воды производятся независимо друг от друга, без контроля результатов смешения (в отличие от систем, включающих дозирование и дальнейшее диспергирование).

3. Возможно обеспечения пиковых режимов системы ЦТО, без срыва факела.

4. При соотношениях расхода замазученной воды и мазута получено снижение окислов азота на 15-25%.

5. Повышение доли впрыска более 35-40% уменьшает степень подавления выброса вредностей и приводит к росту выбросов.

6. В диапазоне доли впрыска от 0 до 30% КПД котла не изменяется, что, видимо, связано с наличием парового ядра в факеле и перестройкой факела в топочном объеме (в частности, увеличение угла раскрытия факела и уменьшение его длины).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Воликов А. Н. Уничтожение замазученных вод отопительных котельных путем сжигания в виде водомазутных эмульсий./ Промышленная энергетика -1997. — № 7. - С. 10 - 14.

2. Исаев В.В. Снижение выбросов оксидов азота от котельных установок путем ввода влаги в зону горения./ Промышленная энергетика. - 1998. — № 5. -С. 32 - 35.

3. Штым А.Н., Упский В.А. Способ снижения концентрации оксидов азота в отходящих дымовых газах при сжигании углеводородного топлива и форсунка для осуществления способа. Патент на изобретение № 2173815 от 27 октября 1999 г.

4. Штым А.Н., Упский В.А., Упский М.В. Комбинированная форсунка. Свидетельство на полезную модель № 22220 от 13 декабря 2001 г.

5. Штым А.Н., Упский В.А., Упский М.В. Исследование и применение многосопловых центробежных форсунок на котлах с циклонными предтопками. Теплоэнергетика и энергосбережение/под. Ред А.Н. Штыма; Дальневост. федерал. ун-т. -Владивосток: Изд-во Дальневост. федерал. ун-та, 2011. С. 75-89.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Упский Василий Анатольевич — кандидат технических наук, доцент, upsky@mail.primorye.ru,

Упский Михаил Васильевич — старший преподаватель, kaftot@mail.ru, Дальневосточный федеральный университет.

UDC 621.18.01

STUDY OF CYCLONE THERMAL DETOXIFICATION OF POLLUTED WATERS

Upskiy Vasiliy Anatol'evich, Far Eastern Federal University, assistant professor, candidate of technical Sciences, Russia,

Upskiy Mikhail Vasil'evich, Far Eastern Federal University, instructor, Russia.

Problems in connection with utilizing polluted waters of power and industrial enterprises were reviewed and engineering solutions were offered to reduce the ecological con-sequences caused by polluted waters. Principal scheme of cyclone thermal detoxification was reviewed, the construction and experience of multihole atomized spray injectors were analyzed.

Basis results of the study of cyclone thermal detoxification systems and their core elements (double-flow atomized spray injectors) were listed.

Key words: cyclone burner, cyclone thermal detoxification, multihole atomized spray injector, polluted water and noxious wastes.

REFERENCES

1. Volikov A. N. Unichtozhenie zamazuchennyh vod otopitel'nyh kotel'nyh putem szhi-ganija v vide vodomazutnyh jemul'sij (Elimination of oily water of heating plants by combustion in the form of diesel oil emulsions)/ Promyshlennaja jenergetika, 1997, No 7, pp. 10 - 14.

2. Isaev V.V. Snizhenie vybrosov oksidov azota ot kotel'nyh ustanovok putem vvoda vlagi v zonu gorenija (Reduction of nitrogen oxide emissions from heating plants by moisturizing the combustion zone)/ Promyshlennaja jenergetika, 1998, No 5, pp. 32 - 35.

3. Shtym A.N., Upskij V.A. Sposob snizhenija koncentracii oksidov azota v othodjashhih dymovyh gazah pri szhiganii uglevodorodnogo topliva i forsunka dlja osushhestvlenija sposoba. Patent na izobretenie № 2173815 ot 27 oktjabrja 1999 g.

4. Shtym A.N., Upskij V.A., Upskij M.V. Kombinirovannaja forsunka. Svidetel'stvo na poleznuju model' № 22220 ot 13 dekabrja 2001 g.

5. Shtym A.N., Upskij V.A., Upskij M.V. Issledovanie i primenenie mnogosoplovyh cen-trobezhnyh forsunok na kotlah s ciklonnymi predtopkami (Study and practical experience of multiple-hole atomized spray injectors in boilers with cyclone burners). Teplojenergetika i jenergos-berezhenie/pod. Red A.N. Shtyma; Dal'nevost. federal. un-t. Vladivostok: Izd-vo Dal'nevost. federal. un-ta, 2011, pp. 75-89.

УДК 66.022 © О.Н. Цыбульская, Т.В. Ксеник, А.Ю. Чириков,

А.В. Перфильев, И.Ю. Буравлёв, А.А. Юдаков, Ю.А. Азарова, Д.Х. Шлык, И.С. Трухин, 2014

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ОБЕЗВРЕЖИВАНИЯ И УТИЛИЗАЦИИ ОТРАБОТАННЫХ ЭЛЕКТРОЛИТОВ ХРОМИРОВАНИЯ*

Приведены результаты работ по нейтрализации электролитов хромирования гальванического производства одного из предприятий Приморского края. Установлен химический состав электролитов. Показано, что концентрация хрома в них может достигать 55 г/л и более. Предложена схема комплексной переработки гальванических отходов, позволяющая получить обезвоженный гальваношлам с последующим его алюминотер-мическим восстановлением. В результате реализации алюминотермиче-ской реакции возможно получение продуктов, безопасных для окружающей природной среды и пригодных к дальнейшему использованию. Исследование химического состава восстановленного металла показало, что в результате алюминотермического восстановления образуется сплав, пригодный к дальнейшему использованию в металлургии. Результаты изучения свойств алюминотермического шлака позволяют прогнозировать его дальнейшее использование в качестве абразивного материала, так как по химическому составу шлак аналогичен абразивам, используемым в пескоструйных установках.

Ключевые слова: алюминотермия, алюминотермическое восстановление, гальванические отходы, гальваношлам, электролит хромирования.

Все гальванические производства образуют жидкие отходы и стоки, содержащие вредные примеси тяжёлых металлов, неорганических кислот и щелочей, поверхностно-активных веществ и других высокотоксичных соединений. Реагентное обезвреживание сточных вод - это самый распространенный способ очистки стоков, который позволяет их нейтрализовать и обесцветить, а

* Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации, по постановлению П218, договор № 02.025.31.0035-225 от 12 февраля 2013г. Между Открытым акционерным обществом «Дальневосточный завод «Звезда» и Министерством образования и науки Российской Федерации.

также перевести тяжелые металлы в нерастворимую гидроокис-ную форму. Образующиеся в результате иловые осадки или галь-ваношламы подлежат сбору, обезвоживанию и утилизации, так как являются особенно агрессивными и токсичными отходами гальванического производства.

К наиболее трудно нейтрализуемым относятся растворы, образующиеся в технологическом цикле в процессах электролитического хромирования. Высокие концентрации соединений Cr(VI) и коррозионная активность этих кислотных растворов затрудняет их хранение и транспортировку для дальнейшей переработки.

Целью настоящей работы являлась отработка технологии реагентной очистки сточных вод гальванического производства ОАО «Дальневосточный завод «Звезда»», содержащих хром, и утилизации отработанных электролитов хромирования, находящихся на хранении на территории завода, а также исследование возможности применения метода алюминотермической обработки обезвоженного осадка (гальваношлама), образующегося в результате реагентной очистки.

В качестве объекта исследования использовались реальные жидкие и твердые отходы гальванического производства, а именно отработанные электролиты хромирования и обезвоженный гальваношлам, полученный в результате их нейтрализации.

Определение концентрации металлов в пробах электролита проводилось методом атомно-абсорбционного анализа на атом-но-абсорбционном спектрофотометре Thermo Solaar M. Series (США). С целью определения концентрации истинно растворенных соединений металлов перед анализом пробы фильтровали через микрофильтр Millipore Millex-GN (Nylon 0,2 цт). Содержание химических элементов (металлов) в пробах отработанного электролита по результатам проведенных анализов составило: Cr - 55238 мг/л; Cd - 7,89 мг/л; Sr - 20,12 мг/л; Fe - 664,92 мг/л; Ni -2,35 мг/л; Mg - 592,7 мг/л; Zn - 498,2 мг/л; Cu - 4049 мг/л.

Для полноты осаждения хрома и получения пригодного для дальнейшей алюминотермической обработки осадка первоначально отрабатывалась технология реагентной обработки электролита хромирования, описанная в источнике [1]. Были опреде-

лены оптимальные для восстановления и осаждения хрома соотношения реагентов, осуществлялся контроль рН и остаточного содержания хрома в растворе после реагентной обработки электролита.

Реагентную обработку осуществляли в следующей последовательности:

восстановление Сг до Сг по реакции:

2 H 2CrO4 + 3^2 SO3 + 3Н^04 = ^^^ + 3Ка2804 + 5Н20;

3+

- осаждение Сг в виде гидроксида по реакции: Ог2 (SO4 )3 + 6№0Н = 3Ка2804 + 2Сг(0Н)з|

В качестве реагента-восстановителя использовали 10%-й водный раствор сульфита натрия Ка2803. Сульфит натрия растворяли в воде при интенсивном перемешивании и дозировали в виде раствора в пропорции 3,64 мг Ка2803 на 1 мг Сг6+. Для достижения наибольшей скорости реакции и полноты ее прохождения необходимо подкисление раствора. С этой целью использовали 10%-й водный раствор Н2804, который дозировали до достижения рН 2,5-3. После чего производили выдержку в течение 60 минут. После восстановления хрома до трехвалентного осуществляли подщелачивание 10%-м раствором №0Н до величины рН 10, при этом гидроксид хрома образовывал оседающие фракции с гидравлической крупностью до 0,1-0,2 мм/с и менее. Для ускорения процесса осаждения какой-либо коагулянт не использовался.

Анализ проб раствора, полученного после реагентной обработки электролита, на содержание хрома показал соответствие полученных результатов нормам допустимых сбросов, установленных для ОАО «Дальневосточный завод «Звезда»».

В результате реагентной обработки был получен концентрированный жидкий осадок (суспензия), представляющий многокомпонентную, полидисперсную систему. Обезвоживание суспензии производили методом её сгущения при естественном осаждении твердых частиц, находящихся во взвешенном состоянии. При начальной концентрации хрома в электролите 55238 мг/л объем осадка составил 40% от объема раствора.

Подготовка обезвоженного гальваношлама к реакции алю-минотермического восстановления заключалась в удалении сво-

бодной и связанной воды с образованием оксидов, что достигается операцией термоподготовки. Для определения режима термоподготовки были выполнены термогравиметрические исследования по специально разработанной методике.

Для наработки проб обезвоженного гальванического шлама суспензия с остаточной влажностью 85-90% упаривалась при температуре 180-240 °С при атмосферном давлении до образования пастообразного осадка, после чего производилась прокалка при температуре 600-700 °С. Просушенный гальванический шлам измельчался и усреднялся.

Рентгенофазовый анализ отобранных образцов шлама на автоматическом рентгеновском дифрактометре D8 Advance (Cu Ka-излучение) показал фазовые изменения, происходящие при различных температурах в процессе операции термоподготовки. А именно, с ростом температуры и времени выдержки пробы уменьшается число различных фаз и увеличивается количество оксидов, пригодных к алюминотермическому восстановлению и извлечению восстановленных металлов.

Известно, что алюминотермия - это процесс получения металлов и сплавов посредством восстановления оксидов металлов алюминием. Для осуществления алюминотермической реакции из порошкообразных материалов готовится шихта, которая засыпается в тигель и поджигается с помощью запальной смеси. Процесс протекает с большой скоростью, без подвода тепла извне, образующиеся металл и шлак хорошо разделяются [2]. В настоящей работе алюминотермическая реакция осуществлялась в аппарате для металлотермического восстановления галь-ваношламов [3].

С целью разработки рекомендаций о последующем применении продуктов реакции, полученных в результате алюминотер-мической утилизации гальваношламов, были выполнены исследования химического состава восстановленного металла и алю-минотермического шлака.

Элементный анализ восстановленного металла, проведенный на стационарном энергодисперсионном флуоресцентном рентгеновском спектрометре EDX-800 HS (табл. 1 и 2), позволяет утверждать, что в результате алюминотермического восстановления образуется сплав, пригодный к дальнейшему использованию в металлургии.

Таблица 1

Элементный состав металлического слитка

Элемент Fe Al еь Mn Si S № Mo

Содержание, % 77,699 13,498 3,918 2,748 0,924 0,695 0,402 0,095 0,021

Таблица 2

Химический состав шлака

Соеди нение Al2Oз Fe2Oз, Fe Si Mn еь S Ba Zn Sr №

Содержание, % 78,639 10,722 6,698 1,199 0,802 0,730 0,666 0,392 0,098 0,041 0,012

Результаты исследования фазового состава шлака приведены на рис. 1.

Элементный анализ и анализ фазового состава шлака свидетельствует, что основным компонентом шлака является Л120з -корунд. Второй весомый компонент шлака - оксид железа Бе203 и элементарное железо. Хром, марганец и другие металлы присутствуют в шлаке в небольших количествах. Это происходит по причине того, что в связи с незначительным временем нахождения шлака в жидкой фазе, восстановленные металлы не успевают стечь в нижнюю часть тигля и соединиться со слитком, а остаются в остывшем шлаке, внедренные в его структуру в виде мельчайших капель.

Результаты изучения свойств полученного шлака позволяют прогнозировать его дальнейшее использование в качестве абразивного материала на предприятии «ДВЗ «Звезда»», так как по химическому составу полученный алюминотермический шлак аналогичен абразивам, используемым в пескоструйных и гидроабразивных установках, применяющихся на данном предприятии.

Таким образом, опробованная технологическая схема утилизации отработанных хромсодержащих электролитов (рис. 2) позволяет получить обезвоженный гальваношлам и провести его последующее алюминотермическое восстановление.

1/1,

90 »о 70 60 50 4030 2010-

н А|.°.

М ГсЯ, ® Рс

я I

го зо

40 50

20,град

Рис. 1. Фазовая рентгенограмма шлака

70 80

Продукция, ири|Ч1ДПЧЯ ДЛИ ДЙЛЬНСИИВД о использования в производств?

Отработанный электролит хпомнпоианнн

¡.Реагентная обработка с получением осадка

2.Сгущенне осадка о получением гальвано шлам а

З.Обезвожнвание гальвано! и лам а

4.Термоподготовка обезвоженного гальвано иглама

5.Алюминотермическая обработка гальваношлама

Рис. 2. Технологическая схема утилизации хромсодержащих электролитов

В результате реализации алюминотермической реакции возможно получение продуктов, безопасных для окружающей природной среды и пригодных к дальнейшему использованию в промышленном производстве.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Виноградов С.С. Экологически безопасное гальваническое производство. - М.: ПИП «Глобус», 1998. - 302 с.

2. Плинер Ю.Л., Игнатенко Г.Ф. Восстановление окислов металлов алюминием. - М.: Металлургия, 1967. - 248 с.

3. Юдаков А.А., Чириков А.Ю., Рева В.П. Пат. РФ 2419659, С22В5/04, Е27В17/00 Аппарат для металлотермического восстановления шламов гальванических производств / Институт химии ДВО РАН, ООО «НПО Эколог»; заявл. 31.05.2010, опубл. 27.05.2011.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Цыбульская Оксана Николаевна — кандидат технических наук, старший научный сотрудник, ont55@mai1.ru, Институт химии Дальневосточного отделения РАН, Дальневосточный федеральный университет,

Ксеник Татьяна Витальевна — научный сотрудник, tksenik2609@mai1.ru, Институт химии Дальневосточного отделения РАН,

Чириков Александр Юрьевич — вед. инженер-технолог, a1rchirikov@gmai1.com, Институт химии Дальневосточного отделения РАН,

Перфильев Александр Владимирович — кандидат химических наук, научный сотрудник, a.v.perfi1ev@mai1.ru, Институт химии Дальневосточного отделения РАН, Дальневосточный федеральный университет,

Буравлёв Игорь Юрьевич — кандидат химических наук, мл. научный сотрудник, burav1ev_igor@yahoo.com, Институт химии Дальневосточного отделения РАН, Дальневосточный федеральный университет,

Юдаков Александр Алексеевич — доктор технических наук, зам. директора по научной работе и инновациям, etcih@mai1.ru, Институт химии Дальневосточного отделения РАН, Дальневосточный федеральный университет,

Азарова Юлия Александровна — мл. научный сотрудник, azarova.87@mai1.ru, Институт химии Дальневосточного отделения РАН,

Шлык Дарья Хамитовна — мл. научный сотрудник, daria79@1ist.ru, Институт химии Дальневосточного отделения РАН,

Трухин Иван Сергеевич — аспирант, truhin.ivan.91@gmai1.com, Институт химии Дальневосточного отделения РАН.

UDC 66.022

PRACTICAL APPLICATION OF THE DISPOSAL AND RECYCLING TECHNOLOGY OF GALVANIC PRODUCTION WASTES

Tsybulskaya Oxana Nikolaevna, candidate tehnicheskih doctrine, starshij nauchnyj sotrudnik, ont55@mail.ru Institut himii Put'nevostochnogo otdelenija of the WOUND, Put'nevostochnyj federal'nyj varsity, Russia,

Ksenik Tatiana Vitalievna, nauchnyj sotrudnik, tksenik2609@mail.ru Institut himii Put'nevostochnogo otdelenija WOUNDS, Russia,

Chirikov Aleksandr Yurievich, sciences. inzhener-technologist, alrchirikov@gmail.com Institut himii Put'nevostochnogo otdelenija WOUNDS, Russia,

Perfilev Aleksandr Vladimirovich, candidate himicheskih doctrine, nauchnyj sotrudnik, a.v.perfilev@mail.ru Institut himii Put'nevostochnogo otdelenija of the WOUND, Put'nevostochnyj federal'nyj varsity, Russia,

Buravlev Igor Yurevich, candidate himicheskih doctrine, jr. nauchnyj sotrudnik, bu-ravlev_igor@yahoo.com Institut himii Put'nevostochnogo otdelenija of the WOUND, Put'nevostochnyj federal'nyj varsity, Russia,

Yudakov Aleksandr Alexeevich, doctor of tehnicheskih doctrine, zam. direktora after nauchnoj rabote i innovacijam, etcih@mail.ru Institut himii Put'nevostochnogo otdelenija of the WOUND, Put'nevostochnyj federal'nyj varsity, Russia, Azarova Yulia Aleksandrovna, ml. nauchnyj sotrudnik, azarova.87@mail.ru Institut himii Put'nevostochnogo otdelenija WOUNDS, Russia,

Shlyk Daria Hamitovna, ml. nauchnyj sotrudnik, daria79@list.ru Institut himii Put'nevostochnogo otdelenija WOUNDS, Russia,

Trukhin Ivan Sergeevich, aspirant, truhin.ivan.91@gmail.com Institut himii Put'nevostochnogo otdelenija WOUNDS, Russia.

The paper presents the results of studies on chromium plating electrolytes neutralize electroplating one of the enterprises of Primorsky Krai. The chemical composition of the electrolyte is established. It is shown that the concentration of chromium can get up to 55 g/L or more. The scheme of complex processing of electroplating wastes allowing to get dehydrated sludge followed his aluminothermic reduction is presented. As a result of the aluminothermic reaction is possible to obtain products that are safe for the environment and are suitable for further use. Investigation of the chemical composition of the reduced metal showed that the resulting alloy formed by aluminothermic reduction, suitable for further use in industry. The properties study of aluminothermal slag allow to predict its further use as an abrasive material such as chemical composition is similar to slag abrasives used in blasting equipment.

Key words: aluminothermy, aluminothermic reduction, galvanic wastes, galvanic sludge, chromium-plating electrolyte.

REFERENCES

1. Vinogradov S.S. Jekologicheski bezopasnoe gal'vanicheskoe proizvodstvo (Environmentally safe galvanic production). Moscow: PIP «Globus», 1998, 302 p.

2. Pliner Ju.L., Ignatenko G.F. Vosstanovlenie okislov metallov aljuminiem (The reduction of metal oxides using aluminum). Moscow: Metallurgija, 1967, 248 p.

3. Judakov A.A., Chirikov A.Ju., Reva V.P. Pat. RF 2419659, C22B5/04, F27B17/00 Apparat dlja metallotermicheskogo vosstanovlenija shlamov gal'vanicheskih proizvodstv / Institut himii DVO RAN, OOO «NPO Jekolog»; zajavl. 31.05.2010, opubl. 27.05.2011.

УДК 62-681

© К. А. Цой, 2014

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СКРЫТОЙ ТЕПЛОТЫ ПАРООБРАЗОВАНИЯ ПРОДУКТОВ СГОРАНИЯ ЗА КОТЛОМ КВГМ-100-150МЦ ВЛАДИВОСТОКСКОЙ ТЭЦ-1

Обоснована актуальность внедрения технологии низктотемпературной утилизации скрытой теплоты парообразования водяных паров, содержащихся в продуктах сгорания за котельными агрегатами. Представлены сведения о технико-экономических показателях работы котлов КВГМ-100-150МЦ, установленных на ряде теплоисточников Дальневосточного федерального округа. Выполнен расчёт согласно утверждённым методикам расчёта контактных экономайзеров-утилизаторов. Выполнен расчёт экономической обоснованности внедрения данной технологии. Ключевые слова: энергетические котлы, газовое топливо, теплота сгорания, конденсационные теплообменники, удельный расход топлива, рациональное природопользование, коэффициент использования топлива.

Основная доля вырабатываемой тепловой энергии на территории нашей страны приходится на ТЭС, где одним из традиционных вариантов выработки тепловой энергии является использование пара от теплофикационных отборов турбин, либо от паровых коллекторов собственных нужд ТЭС.

Для погашения дефицита тепловой энергии, возникающего в результате снижения электрической нагрузки, традиционно применяются водогрейные (в т.ч. пиковые) котлы мощностью 20-200 МВт. Как правило, данные котлы представлены отечественным котельным машиностроением — Дорогобужским котельным заводом (ныне ОАО «Дорогобужкотломаш») и Барнаульским котельным заводом (ныне ОАО «Сибэнергомаш»). И одним из самых используемых в отечественном (а также ряда стран СНГ) являются котлы марки КВГМ, производства ОАО «Дорогобужкот-ломаш» различных типоразмеров.

В 1987 году был разработан и внедрён проект модернизации котельных агрегатов КВГМ-100-150 предусматривающий замену горелок РГМГ-30 на два циклонных предтопка мощностью 62 МВт каждый (собственная разработка «Центра МКТ»), установ-

ленных встречно на боковых экранах топки, а также наращивание конвективной поверхности нагрева дополнительным пакетом и применение пневмоимпульсной очистки конвективных поверхностей нагрева. При этом предполагалось увеличить максимальную теплопроизводительность на 20 % и улучшить технико-экономические и экологические показатели.

По разработанной «Центром МКТ» конструкторской документации на модернизацию котельных агрегатов КВГМ-100-150 за период с 1988 по 2000 годы модернизировано девять котлов КВГМ-100-150. На всех котлах применены проекты модернизации, предусматривающие различные объемы реконструкции, как котла, так и котельно-вспомогательного оборудования применительно к новой технологии. Со времени реконструкции, Центром «МКТ» неоднократно проводились теплотехнические испытания котельных агрегатов КВГМ-100МЦ, результаты которых сведены в табл.1.

Представленные технико-экономические показатели отражают сравнительно высокую технологическую эффективность использования топлива. И так как основным видом топлива для данных котельных агрегатах для сжигания является природный газ, предлагается внедрение технологии низкотемпературной утилизации скрытой теплоты парообразования водяных паров, образующихся при сжигании природного газа [1,2].

Таблица 1

Объект Ст. № ко тла Год испытаний Нагрузка, МВт Температура уходящих газов, оС Концентрация NOx, мг/м3 КПД бр., %

Владивостокская ТЦ «Северная» № 1 2011 118.16 117.8 - 94.4

№ 2 2011 107.69 179 - 91.74

№ 3 2011 111.07 156 - 94.1

№ 4 2011 95.95 138 - 92.1

Хабаровск ТЭЦ-2 № 8 2009 107.93 135.0 127.6 90.82

№ 9 2009 109.79 129.0 133.9 91.5

Владивостокская ТЭЦ-1 № 5 2012 111.04 210.0 341.7 89.68

№ 6 2012 101.65 140.5 60.0 91.4

Для анализа возможностей повышения эффективности сжигания природного газа указанным методом, выбран ныне эксплуатирующийся котельный агрегат КВГМ-100-150МЦ, ст.№ 6 ВТЭЦ-1.

Технические показатели работы котельного агрегата, по результатам теплотехнических режимных испытаний, сведены в табл. 2.

Расчёт КПД для данного котельного агрегата выполнен по низшей теплоте сгорания топлива, то есть без учёта скрытой теплоты парообразования водяных паров, образующихся при сжигании углеводородов, а также содержащихся в воздухе водяных паров.

Низшая теплота сгорания природного газа составляет днр = 8408 ккст / кг.

Теоретические объемы расходов воздуха и газов определены согласно [4] и приведённому составу топлива: СН4 = 91.766%, С2Н6 = 4.805%, С3Н8 =1.715%, С4Н10 = 0.963%, С5Н12 = 0.288%, Ы2 = 0.102 % , С02 = 0.361 % .

Таблица 2

№ Режимные параметры Обозначение Размерность Режимы

1 Теплопроизводительность Ок Гкал/ч 35 45 60 80 100

2 Расход воды через котел Вв. т/ч 1250

3 Температура воды на входе 1в.вх. оС 63

4 Температура воды на выходе 1в.вых. оС 91 99 111 127 143

5 Избыток воздуха в уходящих газах ^ух 1,62 1,54 1,45 1,36 1,30

6 Температура уходящих газов 1ух оС 89 99 114 134 153

7 Расход топлива Вк нм3/ч 4501 5782 7702 10259 12814

8 КПД котла КПД % 92,49 92,57 92,66 92,75 92,82

т

Согласно уравнению состояния, РУ = — ЯТ , масса водяноМ

го пара в составе уходящих газов, рассчитывается по формуле (1)

РУ Д но

тн2о = Мнго , 2 /час (1)

где Мн°° = 0.018 кг/моль , газовая постоянная

3

Я = 0.0821 х 10-з м^ГМ .

моль х К

Значения давления и температуры в данном расчёте соответствуют нормальным условиям (н.у.)

Расчетные потери тепловой энергии с теплотой водяных паров, а также значения фактического КПД котельного агрегата приведены в табл. 3, учтена теплота парообразования воды, которая составляет гн°° = 539 ккал/кг . Таким образом, в среднем,

снижение КПД котельного агрегата, работающего без конденсации водяных паров, составляет в среднем 12.9 — 13.2%.

Коэффициент использования полезной теплоты топлива может быть рассчитан как отношение фактической мощности котла к его максимальной тепловой мощности с учётом теплоты конденсации водяных паров, и фактически равен КПД при расчёте по высшей теплоте сгорания топлива. В зависимости от расчётного режима, коэффициент использования полезной теплоты топлива составляет 88.3 — 88.56 %.

Для оценки возможности использования скрытой теплоты парообразования водяных паров, приведён расчёт поверхностного конденсационного теплообменника (далее - КТ) для анализируемого котла КВГМ-100МЦ по методике, приведённой в [1, 2].

Расчётные расходы газа приняты в размере 50% от общего расхода газа. Оставшаяся половина уходящих газов направляется в байпасный газоход, для последующего смешения с охлаждёнными газами, с целью исключения образования конденсата в дымовой трубе [7, 8]..

Для выполнения расчёта необходимо предварительно задаться конечной температурой уходящих газов, = 47 °С.

Таблица 3

№ Режимные параметры Размерность Режимы

1 Теплопроизводительность Гкал/ч 35 45 60 80 100

2 КПД котла без учёта теплоты водяных паров % 92,487 92,56 92,65 92,74 92,818

3 Расход топлива куб.нм/ч 4500,8 5781 7701 10258 12813

4 Избыток воздуха в уходящих газах 1,625 1,539 1,446 1,359 1,295

5 Удельный объем воздуха, необх. для горения куб.м/ куб.м 10,350

6 Удельный объем водяных паров при аН=1 куб.м/ куб.м 2,280

7 Удельный объем водяных паров при а1£ куб.м/ куб.м 2,384 2,370 2,354 2,340 2,329

8 Расход водяных паров при н.у. куб.м/ч 10730 13701 18132 24003 29845

9 Массовый расход водяных паров кг/ч 8617,5 11003 14561 19277 23968

10 Потери теплоты с уходящими водяными парами Гкал/ч 4,645 5,931 7,849 10,39 12,919

11 Максимальная мощность с конденсацией Гкал/ч 39,645 50,93 67,84 90,39 112,91

12 Снижение КПД за счёт потерь с водяными парами % 13,271 13,18 13,08 12,98 12,919

13 Потери теплоты в окружающую среду % 1,160

14 Потери теплоты с уходящими газами % 6,353 6,274 6,183 6,092 6,022

15 Коэффициент использования полезной теплоты топлива % 88,28 88,35 88,43 88,50 88,56

Таблица 4

№ Режимные параметры Размерность Режимы

1 Теплопроизводи-тельность Гкал/ч 35 45 60 80 100

2 Плотность дымовых газов 1,251 1,249 1,246 1,244 1,242

3 Избыток воздуха в уходящих газах 1,62 1,54 1,45 1,36 1,30

4 Расход топлива куб.нм/ч 4501 5782 7702 10259 12814

5 Температура уходящих газов на входе в КТ оС 89 99 114 134 153

6 Температура уходящих газов на выходе из КТ оС 47 47 47 47 47

7 Объемный расход дымовых газов при н.у. (50%) куб.нм/ч 40633 49630,2 62413,6 78511,25 93823,95

8 Объемный расход на входе в КТ (50%) куб.м/ч 53884 67614,1 88424,1 116923,3 146406,61

9 Массовый расход дымовых газов кг/ч 50830,1 61983,72 77797,30 97661,25 116513,50

10 Влагосодержание воздуха г/кг с.г. 2,484 2,484 2,484 2,484 2,484

11 Влагосодержание газов на входе кг/кг с.г. 0,086 0,090 0,096 0,103 0,108

12 Влагосодержание газов на выходе кг/кг с.г. 0,072 0,072 0,072 0,072 0,072

13 Теплоемкость водяных паров на входе кДж/кг*град 1,410 1,411 1,414 1,419 1,422

14 Теплоемкость водяных паров на выходе кДж/кг*град 1,404 1,404 1,404 1,404 1,404

15 Энтальпия газов на входе в КТ кДж/кг 312,56 336,44 369,09 408,75 445,44

16 Энтальпия газов на выходе из КТ кДж/кг 231,19 231,01 230,80 230,57 230,39

17 Теплопроизводи-тельность КТ МДж/ч 4135,89 6534,91 10759,02 17401,79 25056,23

Гкал/ч 0,99 1,56 2,57 4,16 5,99

Окончание табл. 4

№ Режимные параметры Размерность Режимы

18 Максимальная мощность с конденсацией Гкал/ч 39,645 50,931 67,849 90,390 112,919

19 Суммарная тепловая энергия от котла Гкал/ч 35,99 46,56 62,57 84,16 105,99

20 Коэффициент использования полезной теплоты топлива 90,78 91,42 92,23 93,11 93,87

Суммарная теплопроизводительность котельного агрегата с КТ определяется по [5, 6] по формуле (2), кДж/ч

О = О + О «ч

где Ок, кДж/ч - фактическая тепловая мощность котельного агрегата.

Результаты расчётов сведены в табл. 4.

Коэффициент использования полезной теплоты топлива схемы с применением КТ рассчитывается как отношение суммарной теплопроизводительности котельного агрегата с КТ к его максимальной тепловой мощности с учётом теплоты конденсации водяных паров. В зависимости от расчётного режима, коэффициент использования полезной теплоты топлива составляет 90.78 — 93.87 %, что в среднем на 3.84% выше, чем для схем без конденсации водяных паров.

Выполнен расчёт удельных расходов условного топлива с применением КТ представлен на рис. 1.

В среднем, за счёт внедрения технологии утилизации тепловой энергии, удельный расход условного топлива снижается в среднем на 6.4 кг у.т./Гкал.

В табл. 5 приведена выработка тепловой энергии от котлов КВГМ-100 ст.№ 5 и № 6 в 2013 году, также приведена перспектива экономии природного газа помесячно.

При выработке тепловой энергии Владивостокской ТЭЦ-1 за 2013 год в количестве 342 344.5 Гкал, внедрение данной технологии позволило бы снизить потребность в топливе на 2 191.0 т у .т., или на 2 631.7 тыс.нм3 природного газа.

156 1

? 151

^ 150

* 140

5 14£

о 147 а:

0 14(.

£ 145

1 14-1 а> 143 О.

Рис. 1. Зависимость удельного расхода топлива от нагрузки котельного агрегата

При стоимости природного газа в размере 4 480.08 руб/тыс. нм3, экономическая эффективность внедрения составляла бы 11.8 млн.руб. только за 2013 год. С учётом повышения средневзвешенного тарифа на природный газ на 150-170% к 2017 году, вопрос эффективности использования природного газа ставится всё более актуальным.

В целях разработки конструктивных решений предлагаемой технологии, в первую очередь необходимо изучить процессы те-пломассопереноса при конденсации водяных паров в смеси не-конденсируемых газов. Также недостаточно изучены зависимости коэффициента теплопередачи в зависимости от скорости движения газовой среды, от плотности орошения и пр.

Для изучения поставленных вопросов предлагается проведение экспериментальных исследований на специально разработанной установке. Схема установки приведены на рис. 2.

Подключение экспериментальной установки к существующему газоходу за котлом осуществляется патрубком (а). Отвод дымовых газов - патрубком (б). Установка состоит из теплообменника (поз. 1), дымососа (поз. 2), измерительных труб (поз. 3, а, 3, б), ванны для сбора конденсата (поз. 4), отключающих заслонок (поз. 5, а, 5, б), а также сливной воронки (поз. 6).

Таблица 5

январь февраль март апрель май октябрь ноябрь декабрь

КВГМ- 100 №5 42 609 11 897 30 587 33 404 - 8 200 20 870 24 150

КВГМ- 100 №6 42 624 49 354 16 604 5 514 5 491 - 16 610 34 430

Перспектива экономии топлива, т.у.т. 545,49 392,00 302,02 249,07 35,14 52,480 239,87 374,91

Перспектива экономии топлива, нм3 природного газа 655,213 470,856 362,772 299,175 42,21 63,036 288,12 450,32

Перспектива экономии топлива, млн руб 2,935 2,109 1,625 1,340 0,189 0,282 1,291 2,017

5 а

Установка предназначена для решения следующих задач:

• детальное исследование «зоны конденсации» — измерение изменений скоростей и температур уходящих газов в области конденсации водяных паров в уходящих газах;

• определение оптимальной скорости уходящих газов для наиболее эффективного прохождения теплообменных процессов;

• определение оптимальной компоновки поверхностей нагрева в теплообменнике-охладителе уходящих газов;

• определение изменения объемного расхода уходящих газов до и после конденсации находящихся в них водяных паров;

• оценка влияния избыточного давления (или глубины разрежения) уходящих газов на температуру «точки росы»;

• сбор конденсата для последующего изучения его компонентного состава и разработки предложений по его полезному использованию.

Таким образом, проведение исследований на предлагаемой установке позволит собрать исходные данные для анализа и последующего выявления основных закономерностей теплообмена при конденсации паров из смеси неконденсируемых газов. Полученные данные позволят провести опытно-конструкторские работы по опытному промышленному образцу теплообменника для рассчитываемого котла КВГМ-100-150МЦ.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Кудинов А.А. Энергосбережение в теплогенерирующих установках. - Ульяновск: УлГТУ, 2000. — 139 с.

2. Аронов И.З. Контактные газовые экономайзеры. Киев: Техника, 1964. — 172 с.

3. Данилов О. Л. Использование вторичных энергетических ресурсов/ О. Л. Данилов, В .А. Мунц. - Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2008. - 154 с.

4. Тепловой расчёт котлов (Нормативный метод). Изд.3, переработанное и дополненное. НПО ЦКТИ, СПб.

5. Левушкина Ю.В., Орлов М.Е., Шарапов В.И. Снижение потерь теплоты с уходящими газами теплогенерирующих установок // Энергосбережение в городском хозяйстве, энергетике, промышленности: материалы Четвёртой рос. науч. — техн. конф. Ульяновск, 2003. С. 121-127.

6. Фиалко Н.М., Гомон В.И., Навродская Р.А., Прокопов В.Г., Пресич Г. А. Особенности методики расчёта поверхностных теплоутилизаторов конденсационного типа // Промышленная теплоэнергетика. 2000. Т. 22, № 2. С. 49-53.

7. Тепловой расчет и выбор конструктивных материалов при проектировании конденсационного теплообменника, тезис к докладу на Всероссийской молодежной конференция 28-29 мая 2012 г «Пути совершенствования работы теплоэнергетических устройств» Владивосток, 2012 г, ISBN 978-57444-2716-0.

8. Расчёт контактного экономайзера для котла КВГМ-100МЦ, тезис к докладу на Всероссийской школе-конференции 20-23 ноября 2014 г «Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики» институт Теплофизики СО РАН, Новосибирск, 2014.

КОРОТКО ОБ АВТОРЕ

Цой К.А. — ассистент Инженерной школы Дальневосточного федерального университета, ksivik@mail.ru.

UDC 62-681

USE LATENT HEAT OF VAPORIZATION COMBUSTION PRODUCTS BEHIND BOILER KVGM- 100-150MTS VLADIVOSTOK TPP- 1

Tsoy Konstantin Alekseevich, Far Eastern Federal University, School of Engineering, Department of Thermal Power and Thermal Engineering, assistant to the lecturer, Russia.

In operation relevance of implementation of technology of a deep utilization of the latent heat of evaporation of the water vapor containing in combustion products behind boiler aggregates is justified. Data on technical and economic indexes of operation of the boilers KVGM-100-150MTs set on a row of heatsources of the Far East federal district are provided. Calculation according to the approved method of calculation of contact economizers utilizers is executed. Calculation of economic validity of implementation of this technology is executed.

Key words: energetic boilers, gas fuel, combustion heat, condensation heat exchangers, specific fuel consumption, rational environmental management, fuel utilization coefficient.

REFERENCES

1. Kudinov A. A. Jenergosberezhenie v teplogenerirujushhih ustanovkah (Energy saving in the heatgenerating installations). - Ul'janovsk: UlGTU, 2000, 139 p.

2. Aronov I.Z. Kontaktnye gazovye jekonomajzery (Contact gas economizers). Kiev: Tehnika, 1964, 172 p.

3. Danilov O.L. Ispol'zovanie vtorichnyh jenergeticheskih resursov (Use of secondary power resources)/ O.L. Danilov, V.A. Munc. Ekaterinburg: UGTU-UPI, 2008, 154 p.

4. Teplovoj raschjot kotlov (Normativnyj metod) (Thermal calculation of coppers (Standard method)). Izd.3, pererabotannoe i dopolnennoe. NPO CKTI, SPb.

5. Levushkina Ju.V., Orlov M.E., Sharapov V.I. Snizhenie poter' teploty s uhodjashhimi gazami teplogenerirujushhih ustanovok (. Drop of losses of warmth with the leaving gases of the heatgenerating installations) // Jenergosberezhenie v gorodskom hozjajstve, jenergetike, pro-myshlennosti: materialy Chetvjortoj ros. nauch.-tehn. konf. Ul'janovsk, 2003, pp. 121-127.

6. Fialko N.M., Gomon V.I., Navrodskaja R.A., Prokopov V.G., Presich G.A. Osoben-nosti metodiki raschjota poverhnostnyh teploutilizatorov kondensacionnogo tipa (Features of a method of calculation of superficial heatutilizers of condensation type)// Promyshlennaja teplo-jenergetika. 2000, T. 22, No 2, pp. 49-53.

7. Teplovoj raschet i vybor konstruktivnyh materialov pri proektirovanii kondensacion-nogo teploobmennika, tezis k dokladu na Vserossijskoj molodezhnoj konferencija 28-29 maja 2012 g «Puti sovershenstvovanija raboty teplojenergeticheskih ustrojstv» Vladivostok, 2012,, ISBN 978-5-7444-2716-0.

8. Raschjot kontaktnogo jekonomajzera dlja kotla KVGM-100MC, tezis k dokladu na Vserossijskoj shkole-konferencii 20-23 nojabrja 2014 g «Aktual'nye voprosy teplofiziki i fizicheskoj gidrogazodinamiki» institut Teplofiziki SO RAN, Novosibirsk, 2014.

УДК 620.9

© С.В. Чистяков, 2014

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ

ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МАЗУТА

ПРИ МОДЕРНИЗАЦИИ КОТЛА КВ-ТС-1,5

Рассмотрена модернизация котельного агрегата КВ-ТС —1,5 с повышением КПДбр за счет снижения температуры уходящих газов. По результатам испытаний выявлены основные проблемы котельного агрегата КВ-ТС-1,5 и предложены несколько вариантов модернизации котлоагрега КВ-ТС-1,5 для повышения КПДбр.

Ключевые слова: котел; конвективная поверхность; избыток воздуха; температура уходящих газов; КПД; удельный расход условного топлива; теплопроизводительность:

Проблем малой энергетики является низкий КПД основного теплогенерирующего оборудования-котлов. Особенно обострилась эта проблема после значительного повышения стоимости жидкого топлива. В себестоимости тепловой энергии 80-90% составляет стоимость мазута или дизельного топлива. Несмотря на то, что в настоящее время широко внедряются высокотехнологичные горелочные устройства с системой автоматического регулирования КПДбр многих котлов остается на прежнем уровне. Анализ причин показал низкую эффективность в тепловосприятии из-за ошибок в тепловых расчетах при проектировании и отсутствие обоснованных инженерных решений. Одной из таких проблем столкнулась организация МУВП ВПЭС «Муниципальное Унитарное Предприятие Владивостока Владивостокское Предприятие Электрических Сетей», при эксплуатации котла КВ-ТС-1,5 установленный на котельной № 58.

Надежность, прочность и ремонтопригодность — этим параметрам уделялось несравненно большее внимание, когда были разработаны эти типы котлов.

Конструкция котла КВ-ТС -1,5 представляет собой следующие:

1. Топочная часть котла имеет два боковых экрана и один задний экран. (см. рис. 1, б)

2. В топочном пространстве имеется кипятильный пучок, состоящий из пяти панелей. Панель представляет собой два коллектора диаметром Ду100 и ряд труб диаметром Ду50.

3. Для отвода дымовых газов предусмотрено два газовоздушных туннеля, в которых имеется по две экранированных панелей. Одна панель входит топочную часть, а другая панель входит в газоход котла и служит для ограничения попадание дымовых газов в окружающую среду (см. рис. 1, б).

После проведения подготовительных работ, были проведены режимные испытания на эксплуатационных нагрузках с регулированием режима горения на котлах КВ-ТС-1,5 с целью определить тепловую нагрузку и КПДбри.

Основные показатели котлоагрегатов КВ-ТС-1,5 на эксплуатационных режимах представлены в табл. 1.

Показатели работы этих котлоагрегатов показали. Диапазон изменения нагрузки составил 30 - 65% от номинальной мощности. Максимальная теплопроизводительность составила 0,95 -0,98 Гкал/ч. Дальнейшее увеличение нагрузки ограничивалось условиями смесеобразования и выгорания топлива. Минимальная нагрузка на котлах - 0,45-0,48 Гкал/ч. Ограничением являлись условия воспламенения топлива и устойчивого горения топлива. Следует отметить высокие избытки воздуха в уходящих газах и высокую температуру уходящих газов, соответственно - избыток воздуха составил 3,3-1,9, температура - 340 - 410 оС.

Таблица 1

Технико-экономические показатели работы котлоагрегата

Наименование КВ-ТС-1,5

Ст.№ 2 Ст. № 3

Нагрузка, % 32 - 63 30 - 65

Теплопроизводительность, Гкал/ч 0,48-0,95 0,45-0,98

Избыток воздуха за котлом 3,33-2,31 3,28-1,86

Температура уходящих газов, оС 380-408 336-400

Потери тепла с уходящими газами, % 45-33,9 38,8-27,5

КПД, % 51,9-65,0 57,2-71,3

Удельный расход условного топлива, кг.усл.т/Гкал 274,1-220,7 248,7-198,3

Для снижения температуры уходящих газов рассмотрено два варианта по модернизации котлоагрегата КВ-ТС-1,5:

1. Укомплектовать котел КВ-ТС-1,5 дополнительными поверхностями нагрева и расположить под углом в газо-воздушном туннеле

2. Укомплектовать котел КВ-ТС-1,5 дополнительными поверхностями нагрева и расположить вертикальной газо- воздушном туннеле.

Конструкцию дополнительной поверхности нагрева предусматривалось изготовить из одного коллектора трубой 089х3, и 16-ти змеевиков трубой 028х3,5. Сборочный чертеж полусекции смотри рис. 1, а.

В результате расчетов принято решение, укомплектовать котел КВ-ТС-1,5 двумя дополнительными поверхностями нагрева в вертикальном исполнении, в каждом газо-воздушном туннеле рис. 1 б. Согласно чертежей, разработанных центром «МКТ», организация МУВП ВПЭС установила дополнительные поверхности нагрева в газо-воздушном туннеле и выполнила газоплотную обмуровка котла КВТС-1,5.

Продолжительность остановки котла на модернизацию составляет 10-15 дней.

В результате выполненных работ:

— Максимальная теплопроизводительность составила 1,452 Гкал/ч;

— Снижены избытки воздуха в уходящих газах на 1,98;

— Температура уходящих газов снижена на 193 оС.

Вывод

Необходимость обеспечения гарантированного теплоснабжения дополнительно подключенных потребителей и повышение экономической эффективности работы предприятия и недостаток финансовых средств для осуществления замены котлоагрегатов на новые и проведение полной реконструкции котельной являются основными мотивами организации работ по модернизации котлов.

Отсутствует необходимость в согласовании данного вида модернизации в надзорных федеральных органах, т.к. на котлы водогрейные котлы с температурой воды до 115 °С не распространяются Правила устройства и безопасной эксплуатации паровых

ГвзаВаздуиный тунелыатла

Рис. 1. а — Полусекция (конвек. поверх.), б — Разрез котла КВ-ТС -1,5 после модернизации

и водогрейных котлов (утверждены постановлением Госгортех-надзора РФ от 11 июня 2003 г. № 88). Данный тип модернизации возможно провести собственными силами теплоснабжающего предприятия.

а

б

Результаты испытаний подтвердили улучшение теплотехнических характеристик котлов.

В результате проведения модернизации удается повысить надежность и качество теплоснабжения.

Модернизация котлов позволила ежегодно экономить топливо в размере 11-15% от общего расхода, а также сократить загрязнение окружающей среды.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Кнорре Г.Ф. Топочные процессы. М. — Л.: ГЭИ, 1959, — 396.

2. Тепловой расчет и выбор конструктивных материалов при проектировании конденсационного теплообменника, тезис к докладу на Всероссийской молодежной конференция 28-29 мая 2012 г «Пути совершенствования работы теплоэнергетических устройств» Владивосток, 2012.

КОРОТКО ОБ АВТОРE

Чистяков Сергей Владимирович — ассистент, Serg4nt@mail.ru, Дальневосточный федеральный университет.

UDC 620.9

MORE EFFICIENT USE OF MAZUT IMPROVED BOILER KV-TC-1.5

Chistyakov Sergey Vladimirovich, Far Eastern Federal University, instructor, Vladivostok, Russia.

Considered the modernization of the boiler unit KV-TC -1,5 with increasing Kdbr by reducing the flue gas temperature. Test results revealed the main problems of boiler unit KV-TC-1.5 and some variants of modernization of culoarea KV-TC-1.5 for increasing Kdbr.

Key words: boiler; convective surface; excess air; the temperature of the exhaust gases; efficiency; specific fuel consumption; heating capacity:

REFERENCES

1. Knorre G.F. Topochnye processy (Furnace processes). Moscow — Leningrad, GJel, 1959, 396 p.

2. Teplovoj raschet i vybor konstruktivnyh materialov pri proektirovanii kondensacion-nogo teploobmennika, tezis k dokladu na Vserossijskoj molodezhnoj konferencija 28-29 maja 2012 g «Puti sovershenstvovanija raboty teplojenergeticheskih ustrojstv» Vladivostok, 2012.

УДК 621.182

© К. А. Штым, А.В. Лесных, С.В. Головатый, 2014

АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ ТРЕТИЧНОГО ДУТЬЯ НА ОБРАЗОВАНИЕ ОКСИДОВ АЗОТА В ТОПКЕ КОТЛА БКЗ-210-140

Рассмотрены экологические и теплофизические проблемы, возникающие после перевода котельного оборудования на сжигание природного на примере котла БКЗ-210-140 Владивостокской ТЭЦ-2. Определены технологические показатели процессов работы котла. Даны рекомендации по ведению топочного режима с минимальными концентрациями оксидов азота. Ключевые слова: оксиды азота, топочные процессы, котельные установки, математическое моделирование, топка, горение газообразного топлива.

При переводе котлов на сжигание природного газа важным аспектом является соблюдение экологических требований. При изменении конструкции топочных устройств и применении новых горелок необходима оценка надежности и эффективности работы котельного агрегата, а именно трубного пространства топки, взаимодействие пламен горелочных устройств, с целью достижения режимов горения характеризующихся минимальными выбросами оксидов азота при сохранении параметров котла. В данном случае рассматривается математическая модель топки котла БКЗ-210-140 в газоплотном исполнении со слабонаклонен-ным неизолированным подом. Рабочая математическая модель топки при сжигании природного газа позволяет определить оптимальные аэродинамические и тепловые режимы работы, при которых обеспечивается высокая экономичность и экологичность [2]. Геометрическая модель топки исследуемого котла представлена на рис. 1.

В процессе проведения исследований аэродинамических и теплообменных процессов на данной модели основное внимание уделялось следующим величинам- суммарные тепловые потоки (МВт), температура газов на выходе из топки (°С), содержание кислорода О2 (%), концентрация оксидов азота КОх при нормальных условиях (мг/м3) [3]. Основные режимы работы с исследуемыми параметрами приведены в табл. 1.

Рис. 1. Геометрическая модель топки котла БКЗ-210-140

Таблица 1

Основные режимы работыг котла БКЗ-210-140 и их параметры

№ Режимы работы горелочных устройств Суммарные тепловые потоки, воспринятые экранами, МВт Температура газов на выходе из топки, °С Содержание О2 на выходе, % Максимальная температура, °С. Концентрация оксидов азота Сж^, при а=1,4, мг/м3

1 6 горелок с верхним дутьем 92,84 932 4,26 2086 55,3

2 6 горелок без верхнего дутья 93,02 915 3,96 2308 114,6

3 4 горелки сверху с верхним дутьем 94,26 1001 4.45 2052 50,2

4 4 горелки сверху без верхнего дутья 94,12 971 3,82 2177 73,8

Окончание табл. 1

№ Режимы работы горелочных устройств Суммарные тепловые потоки, воспринятые экранами, МВт Температура газов на выходе из топки, °С Содержание О2 на выходе, % Максимальная температура, °С. Концентрация оксидов азота С^^, при а=1,4, мг/м3

5 6 горелок с верхним дутьем по четырем экранам круглые сопла 104,8 1012 0,41 2090 32,8

6 6 горелок с верхним дутьем по четырем экранам щелевые сопла 105,2 1048 0,48 2130 40,4

При детальном анализе распределения газа было обнаружено, что заданная конструкция внешних газораспределительных сопел формирует четыре струи газа, что не соответствует аэродинамике воздушного потока. Газ процентов на 60% проскакивает в центральную область топки, но для данной топки имеющей большие габариты, это не критично и в целом топливо успевает выгореть. Максимальная температура факела близка к адиабатной температуре горения природного газа, и находиться на уровне в ~1920 °С. Градиент температур газов от экрана к средине топки становится очень значителен при подключении количества горелочных устройств. По мере развития факела в топке котла к выходному окну, температуры газов снижаются и составляют на выходе из топки ~915-1001 °С. По мере включения в работу горелочных устройств объем факела увеличивается и при работе всех горелок занимает 2/3 объема топки, что свидетельствует о хорошем заполнении топочного объема продуктами горения [1]. Отключение сопел верхнего дутья приводит к увеличению средней температуры факела, а их подключение к некоторому расхолаживанию верхней зоны топки, затягиванию горения и повышению температуры на выходе из топки. Применяя, рациональное регулирование соплами верхнего дутья температуры перегретого

пара в целом приводит к благоприятному распределению температур по высоте топки и повышает надежность экранных поверхностей нагрева. В табл. 1 приведены концентрации оксидов азота на выходе из топки, включение третичного дутья приводит к значительному снижению в любом режиме, что объясняется прежде всего снижением температуры в активной части факела и недостатком энергии для активации механизма окисления азота. Тем не менее на рис. 2. хорошо просматриваются места генерации оксидов азота и для более глубокого подавления до 30мг/м3 можно применить перераспределение третичного дутья, либо впрыск небольшого количества влаги в эти зоны.

?.И2»ОИ I 973ИКН

и

Рлмлт» X Л

Режим 3

Режим 1 Режим 2

Рис. 2. Контур массовой концентрации МОх при различных режимах работыг

Взаимодействие основного ядра факела с дополнительным третичным дутьем дает преимущества при режимной наладке процесса горения. По нашему мнению все сопла третичного дутья должны быть оснащены направляющими для регулировки направления потока так как расчет показывает, что это позволить оптимально воздействовать на зоны с повышенной концентрацией СН4 и СО избегая взаимодействия с зонами повышенных температур и границ генерации N0. Данные математического моделирования при комбинированном третичном дутье дают возможность с большой вероятностью спрогнозировать наиболее оптимальные решения. В данном случае получены хорошие результаты в режиме с распределенным третичным дутьем сопел с круглым сечением выше оси второго яруса горелок. При этом режиме концентрация окислов азота не превышает 35 мг/м3, зоны высоких температур размыты в объеме топки, тепловые потоки равномерны и максимальное значение не превышает 0,264 МВт/м2.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Вулис Л.А. Основы теории газового факела/ Л.А.Вулис, Ш.А.Ершин, Л.П. Ярин - М.: Энергия.1968. - 203 с.

2. Лесных А.В., Штым К.А., Дорогов Е.Ю. Моделирование теплообмена в топке котла БКЗ-210-140 после реконструкции переводом на сжигание природного газа/А.В. Лесных, К.А. Штым, Е.Ю. Дорогов// Научное обозрение. -Москва, 2013. - № 9. - С.303-310.

3. Устименко, Б.П. Численное моделирование аэродинамики и горения в топочных и технологических установках/ Б.П. Устименко, К.Б. Джакупов, В.О. Кроль - Алма-Ата: Наука,1986. - 222 с.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Штым Константин Анатольевич — кандидат технических наук, профессор, kot_18@mail.ru,

Лесных Андрей Викторович — старший преподаватель, lesnykhav@mail.ru, Головатый Сергей Викторович — младший научный сотрудник Международной лаборатория горения и энергетики, sergey.golovatyy@gmail.com, Дальневоточный федеральный университет.

UDC 621.182

ANALYSIS OF THE IMPACT ON THE TERTIARY AIR FORMATION OF NITROGEN OXIDES IN THE FURNACE OF THE BOILER BKZ-210-140

Shtym Konstantin Anatol'evich, Far Eastern Federal University, professor, candidate of technical Sciences, Russia,

Lesnykh Andrey Viktorovich, Far Eastern Federal University, instructor, Russia, Golovatiy Sergey Viktorovich, Far Eastern Federal University, junior researcher, Russia.

The ecological and thermal problems arising after the transfer of boilers to burning natural for example BKZ-210-140 Vladivostok CHP-2. Defined technological parameters of the boiler processes. Recommendations on the management of flue mode with minimal concentrations of nitrogen oxides.

Key words: nitrogen oxides, combustion processes, boiler systems, mathematical modeling, burner, burning gaseous fuels

REFERENCES

1. Vulis L.A, Ershin Sh.A., Jarin L.P. Osnovy teorii gazovogo fakela (Fundamentals of the theory of the gas torch), Moscow, Jenergija,1968, 203 p.

2. Lesnyh A.V., Shtym K.A., Dorogov E.Ju. Modelirovanie teploobmena v topke kotla BKZ-210-140 posle rekonstrukcii perevodom na szhiganie prirodnogo gaza (Modeling of heat transfer in the furnace of the boiler BKZ-210-140 after reconstruction transfer to burning natural gas), Nauchnoe obozrenie, Moscow, 2013, No 9, pp.303-310.

3. Ustimenko B.P., Dzhakupov K.B., Krol' V.O. Chislennoe modelirovanie ajerodinamiki i gorenija v topochnyh i tehnologicheskih ustanovkah (Numerical modeling of aerodynamics and combustion flue and process plants),. Alma-Ata, Nauka,1986, 222 p.

УДК 621.1.016.4

© Ю.Б. Гончаренко, Е.Ю. Дорогов, 2014

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРНОГО РЕЖИМА ТЕПЛЯКОВ КОНВЕКТИВНОГО И РАДИАЦИОННОГО ТИПА

Представлены результаты тепловых испытаний вагоноразморажи-вающих устройств конвективного и радиационного типа. Выявлены наиболее подверженные перегреву элементы вагонов при разогреве в тепляках. Определена допустимая продолжительность нахождения вагонов в тепляках разного типа.

Ключевые слова: вагоноразмораживатель, реконструкция, тепляк, температура, тепловизор, термограмма.

Для обеспечения разогрева угля на территории угольного комплекса (ППК-3) ОАО «Восточный порт» расположено четыре тепляка. Тепляки № 1,2 предназначены для одновременного разогрева 16 вагонов. Тепляки № 3,4 для разогрева 20 вагонов. С 1999 года коллективом кафедры «Теплоэнергетики и теплотехники» ДВФУ проводятся работы по оптимизации конструкции размораживающих устройств расположенных на ППК-3. В 1999 году был реконструирован паропровод и нагревательные элементы тепляка № 1. Паропровод был рассчитан и реконструирован с переменным сечением по длине, что привело к равномерной подачи пара по секциям тепляка. Нагревательные элементы выполнены в виде шатра, с установкой отражающих экранов. В 2000 году были реконструирован тепляк № 2. Учитывая удачный опыт эксплуатации тепляков № 1,2 после реконструкции, в 2004-2005 годах были выполнены работы по реконструкции тепляков № 3,4 на конструкцию аналогичную теплякам № 1,2. Для осуществления догре-ва вагонов в 2010 году перед вагоноопрокидывателем на ППК-3 установлено вагоноразмораживающее устройство радиационного типа на два вагона с инфракрасными электронагревателями «Ин-фрасиб».

Сотрудниками кафедры «Теплоэнергетики и теплотехники» ДВФУ совместно с персоналом ОАО «Восточный порт» проведены тепловые испытания тепляков № 1^4 и вагоноразморажи-вающего с инфракрасными электронагревателями «Инфрасиб» с це-

лью составления режимных карт и определения температурного режима различных деталей полувагонов в процессе разогрева. Одной из основных задач при проведении испытаний было определение таких режимов работы тепляков, в которых бы не возникала опасность повреждения элементов вагонов от воздействия температуры [1]. Ограничения максимальной температуры различных деталей полувагона при его разогреве в тепляках приведены в табл. 1.

Измерения величин при испытаниях, характеризующих работу тепляка (избыточное давление пара на паровые регистры, расход пара и конденсата, температура конденсат и т.д.) производилось по местным приборам. Измерение температур груза и металлических частей вагонов производились термометрами сопротивления П50, подключенных к измерителю по трехпроводной схеме. Для измерения температурных полей вагонов после тепляка использовался тепловизор 8ЛТ-090.

В результате измерений получена зависимость температуры воздуха по высоте тепляка при нахождении в тепляке вагонов со смерзшимся углем. Полученные зависимости приведены на рис. 1. Из рисунка видно, что имеется неравномерность температур по высоте тепляка. Продолжительное время нахождения вагонов в тепляке не приводит к выравниванию температур по высоте. Это объясняется тем, что в тепляках отсутствует принудительная циркуляция воздуха, перенос тепла по высоте происходит только за счет естественной конвекции [2].

В результате, при имеющейся компоновке нагревательных элементов в тепляках [3], детали вагона наиболее подверженные перегреву (детали тормозной системы), оказываются в области

Таблица 1

Максимальная температура различных деталей полувагона

Наименование Т, 0С

Тормозных устройств (двухкамерного резервуара, воздухораспределителя тормозного цилиндра и т.д.) 55 °С

Тормозной магистрали, воздушных резервуаров 70 °С

Буксового узла 80 °С

Крышек разгрузочных устройств 130 °С

Металлических обшив и остальных узлов и деталей вагонов 90 °С

низких температур. В процессе испытаний были измерены температуры отдельных элементов вагона для определения скорости их нагрева и оценки предельного времени разогрева данных элементов. Наибольшая скорость нагрева наблюдалась у двухкамерного резервуара. Температура этого элемента достигала 55 0С через 590 минут. Нагрев остальных элементов гораздо медленнее: время нагрева тормозного цилиндра до 55 0С составляет 755 минут; время нагрева крышек на подшипниках колесных пар составляет 1040 минут. При этом на скорость нагрева фактически не влияют параметры пара, подаваемого в нагревательные экраны. На рис. 2 показано тепловое состояние элементов тормозной системы после разогрева в тепляке в течении 90 минут. По данной термограмме видно, что температура деталей тормозной системы не превышает 16 0С (при допустимой 55 0С) после того, как вагон 1,5 часа находился в тепляке. Таким образом, выполненная реконструкция поверхностей нагрева в тепляках позволила обеспечить работу элементов тормозной системы полувагонов в соответствии с требованиями нормативной документации [1].

Рис. 1. График зависимости температуры воздуха по высоте тепляка при давлении пара в нагревательных элементах 4,5 кгс/см2 от продолжительности процесса разогрева

Рис. 2. Термограмма элементов вагона. Время нахождения в тепляке № 3 — 90 минут. Давление пара в нагревательных экранах 4 кгс/см2

При проведении испытаний было выявлено, что воздействию наиболее высоких температур подвергается верхняя часть вагона. Максимальная температура металлических обшив и остальных узлов вагона не должна превышать 90 0С. При избыточном давлении пара в коллекторах поверхностей нагрева равном 5 кгс/см2, нагрев до максимальной, с точки зрения безопасной эксплуатации элементов вагона, температуры осуществляется за 110 минут, при избыточном давлении равном 2 кгс/см2 — 180 минут. Это время гораздо меньше, чем время нагрева элементов тормозной системы до температуры 55 0С. При избыточном давлениях пара равном 1,0-1,5 кгс/см2 перегрев стенок вагона в верхней части не происходит.

На рис. 3 показано тепловое состояние элементов вагона после разогрева в тепляке в течении 170 минут. Из термограммы хорошо видно, что при пребывании вагона в тепляке в течении трех часов основные узлы тормозной системы не перегреваются. Температура крышек подшипниковых пар и двухкамерного резервуара не превышает 28 0С (при допустимом 55 0С). Большему нагреву подвергается стенка вагона, особенно в верхней части, где отсутствует соприкосновение с углем, и соответственно, отвод тепла от металлических конструкций вагона. При длительном пребывании в тепляке стенка вагона нагревается до температур 100 0С и выше, при допустимой величине 90 0С.

Для постановки вагонов после размораживающих устройств № 1-4 в вагоноопрокидыватель выполняются маневровые работы по перестановки вагонов, продолжительность маневровых работ от 20 до 60 минут. За время маневровых работ разогретый в вагоне

Рис. 3. Термограмма элементов вагона. Время нахождения в тепляке № 4 — 170 минут. Давление пара в нагревательных экранах 4 кгс/см2

уголь охлаждается и начинает примерзать к стенкам вагона, что ухудшает полноту выгрузки. Для осуществления догрева вагонов в году перед вагоноопрокидывателем на ППК-3 было установлено вагоноразмораживающее устройство на два вагона с инфракрасными электронагревателями «Инфрасиб» (рис. 4). Данное ва-гоноразмораживающее устройство является догревающим.

Размораживающее устройство с электронагревателями «Инфрасиб» обеспечивает отогрев смерзшегося угля от стенок и днища полувагона на глубину 20-30 мм. Сооружение с электронагревателями представляет собой размораживающее устройство для угля не имеющее теплоизолированного гаража и утепленных ворот. Защиту от осадков и ветра в размораживающем устройстве «Инфрасиб» осуществляется заграждающими конструкциями выполненными в виде легких строительных конструкций. Размораживающее устройство устанавливается перед вагоноопрокидывателем № 1, тип устройства — проходной.

С целью определения максимально возможного времени нахождения вагонов в тепляках по условиям надежной и безопасной эксплуатации вагонов (согласно ГОСТ) были произведены измерения температуры различных частей вагонов. Наиболее быстронагреваемой частью вагона по результатам испытаний является стенка вагона (рис. 5).

На термограмме (рис. 6) хорошо видно, что имеется большая неравномерность разогрева стенки вагона по высоте. В нижней части стенки, там где установлены нагревательные элементы, температура стенки превышает допустимую температуру в два раза (больше 185 0С), при этом в верхней части вагона температура находится в норме и практически не меняется с течением времени.

. сс Изменение температуры боковой стенки вагона

0 ек

140 120

3«

60 40

3 опь 0 & I N21 - 0 9 -ш- or о i; i, - N«2 0 1 л : >0 1! ntiT N° Ю 21 Э- 10 3* опыт 1 (0 2 IS4(oci О У. 0 3, эемя,

Рис. 5 Изменение температуры стенки вагона при разогреве вагона в вагоно-размораживающем устройстве с электронагревателями «Инфрасиб»

161.0УС

-150

В I -100

нйг* ». В " -50

-0

-о зге

1rs

Рис. 6. Термограмма нагрева стенки вагона (нагрев в течении 6 минут)

Неравномерность по высоте составляет более 160 0С. Для сравнения, в тепляках конвективного типа № 1-4 неравномерность температуры стенки по высоте не превышает 50 0С (рис. 3).

Помимо этого, при работе размораживающего устройства был выявлен следующий конструктивный недостаток: длина вагоно-размораживающего устройства такова, что внутри, в области нагревательных элементов помещается 2,5 вагона. При этом выгрузка в вагоноопрокидывателе идет по 2 вагона. В результате половина вагона успевает пройти два цикла разогрева и вместо 3-5 минут (время, за которое успевает выгружать вагоны вагоноопрокидыва-тель) разогрев ведется 6-10 минут, что естественно приводит к значительному перегреву стенки вагона (рис. 5, опыт № 2).

В результате проведенных натурных испытаний выявлены особенности в работе тепляков расположенных на территории ППК-3 ОАО «Восточный порт». Для конвективных тепляков № 1-4 тормозные устройства и детали тормозной системы, имеющие более жесткие требования к температурному режиму, работают в области низких температур и не подвергаются перегреву. Воздействию наиболее высоких температур подвергаются стенки вагона в верхней части, особенно в тех местах, где из-за особенностей загрузки вагонов отсутствует соприкосновение с углем. В результате предельная продолжительность пребывания вагона в тепляке ограничивается именно температурой стенки вагона в верхней части и составляет от 110 минут до 600 минут в зависимости от давления греющего пара подаваемого на тепляки.

Для вагоноразмораживающего устройства с электронагревателями «Инфрасиб» тормозные устройства и детали тормозной системы даже при небольшой продолжительности работы электронагревателей имеют риск перегрева, предельно время нахождения поданным элементам составляет около 8 минут. Однако наиболее подверженной перегреву является (так же как и для конвективного тепляка) стенка вагона, в области, где она расположена наиболее близко к электронагревающим панелям. Предельное время нахождения стенки вагона в области электрона-гревающей панели составляет около 6 минут. Для исключения повреждения элементов вагонов в результате перегрева деталей необходимо установить систему контроля за температурой стен-

ки вагона и систему защиты, выключающую нагревательные элементы при достижении температуры стенки вагонов 85 0С.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Межгосударственный стандарт ГОСТ 22235-76 «Вагоны грузовые магистральных дорог колеи 1520 мм. Общие требования по обеспечению сохранности при производстве погрузочно-разгрузочных и маневровых работ»

2. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача.: — М.: Энергоиздат, 1975. 488 с.

3. Дорогов Е.Ю., Гончаренко Ю.Б. Эффективность работы вагоноразмо-раживающих устройств ОАО «Восточный порт» // ISSN: 2219-7389. Вологдин-ские чтения. — Владивосток: ДВФУ, 2004.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Гончаренко Юрий Борисович — доцент, i_vtec@mail.ru,

Дорогов Евгений Юрьевич — кандидат технических наук, доцент, руководитель образовательных программ, evgen69.69@mail.ru, Дальневосточный федеральный университет.

UDC 621.1.016.4

FEATURES TEMPERATURE MODE EQUIPMENT CONVECTIVE AND RADIATIVE TYPE FOR HEATING WAGONS

Goncharenko Iurif Borisovich, Far Eastern Federal University, assistant professor, Russia,

Dorogov Evgenij Yur'evich, Far Eastern Federal University, assistant professor, candidate of technical Sciences, director of educational programs, Russia.

This article contains results of the thermal test of equipment convective and radiative type for heating wagons. Was identified the most exposed overheating parts of wagons, when they heating into equipment for heating wagons. Was found allowable length of time the heating of wagons into equipment for heating wagons.

Key words: equipment for heating wagons, reconstruction, temperature, thermal imager, thermogram.

REFERENCES

1. Mezhgosudarstvennyj standart GOST 22235-76 «Vagony gruzovye magistral'nyh dorog kolei 1520 mm. Obshhie trebovanija po obespecheniju sohrannosti pri proizvodstve pog-ruzochno-razgruzochnyh i manevrovyh rabot»

2. Isachenko V.P., Osipova V.A., Sukomel A.S. Teploperedacha (Heat transfer). Moscow, Jenergoizdat, 1975, 488 p.

3. Dorogov E.Ju., Goncharenko Ju.B. Jeffektivnost' raboty vagonorazmorazhivajushhih ustrojstv OAO «Vostochnyj port» (Effectiveness of the equipment for heating wagons of «East port»), ISSN: 2219-7389. Vologdinskie chtenija, Vladivostok, DVFU, 2004.

УДК 620.91

© Е.В. Лесных, А.В. Лесных, 2014

ОСОБЕННОСТИ ЭНЕРГЕТИКИ ОСТРОВНЫХ ТЕРРИТОРИЙ ПРИМОРСКОГО КРАЯ

Рассмотрены проблемы энергетики островных территорий и предложены способы их решения с использованием возобновляемых источников энергии. Приведены наиболее эффективные схемы реконструкции островных систем энергоснабжения, а также ожидаемые технико-экономические эффекты. Ключевые слова: возобновляемая энергетика, ветро-дизельный автономный энергетический комплекс, энергетическая эффективность, ветроэнергетика, энергетическая система

Географической особенностью Приморского края является наличие большой прибрежной зоны и наличие островных территорий. Крупные острова такие как Рейнеке, Попова, Русский и другие являются заселенными. Население островов как правило малочисленное, на 80% представленное пенсионерами. Энергоснабжение потребителей на островных территориях осуществляется от автономных источников, в большинстве случаев дизель-генераторными станциями (ДЭС). Стоимость применяемого на ДЭС жидкого топлива, в виду сложности логистической системы, связанной с сезонностью или сложностью доставки морским или воздушным транспортом достигает 45000-60000 руб/т. Себестоимость выработки электрической энергии на островных территориях, в сравнении с централизованной системой выше в 7-10 раз. В соответствии с законодательством тарифы на электроэнергию у жителей островных территорий соответствуют тарифам территориальных образований. Разница в тарифах покрывается за счет субсидий [1-3].

В соответствии с Федеральным законом от 23.11.2009 N 261-ФЗ (ред. от 04.11.2014) «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации», необходимо сокращать расход дорогостоящего жидкого топлива [4]. Альтернативой для замены ДЭС с ее дороговизной и низкими экологическими показателями является использование возобнов-

ляемых источников энергии. Учитывая расположение Приморского края, с его обширной прибрежной и островными территориями, характеризуемые сильными ветрами с большой повторяемостью в особенности в холодное время года, располагается огромный потенциал экологически чистой ветровой энергии. Ветровой потенциал Приморского края приведен на рис. 1.

Как видно на большинстве прибрежных и островных территорий средняя годовая скорость ветра составляет 6-8м/с. Мировой опыт эксплуатации ВЭУ показывает, что их применение эффективно при среднегодовых скоростях ветра более 5 м/с. Кроме того Приморский край характеризуется высокими значениями коэффициентов порывистости и повторяемости.

менэе 600 700 »30 900 более -ТОО— шнпч равного котчесгаа осадков <мм | за год

Рис. 1. Ветровой потенциал Приморского края

Примером возможности использования энергии ветра является энергетическая система о. Рейнеке. До 2013 года для электроснабжения потребителей острова использовалась ДЭС, топливо для которой поставлялось морским транспортом. Для повышения эффективности и надежности энергоснабжения о. Рейнеке смонтирован ветро-дизельная установка мощностью 50 кВт (ВДАЭК-50), принципиальная схема которого представлена на рис. 2. В летний период ветрогенератором обеспечивается 4060% потребляемой мощности, в зимний-100%. В течении двух лет эксплуатации проводится наладка систем управления и автоматики, а также оптимизация электрической системы и работа с потребителями.

Данная установка работает по принципу взаимного резервирования ветровой энергии и энергии дизель генератора. Генератор заряжает аккумуляторную батарею, а она, используя инвертор для преобразования постоянного тока в переменный питает электроприборы. Во время пиковых нагрузок, если силы ветра не хватает, автоматически включается дизель генератор. Когда нагрузки спадают дизель останавливается, а зарядка батареи посредством ветрогенератора возобновляется. Основные технико-экономические показатели работы ВДАЭК-50 приведены в работе [5]. Стоимость реконструкции системы энергоснабжения составила порядка 10 млн руб. За 2013 год в ходе эксплуатации ветро-дизельного комплекса удалось сэкономить порядка 25 тонн дизельного топлива. Так же практически в 2,5 раза снизилась экологическая

Рис. 2. Принципиальная схема ВДАЭК-50

нагрузка, за счет снижения выбросов оксидов азота NOx и серы SOx. Исходя из годового опыта эксплуатации комплекса можно сделать вывод, что строительство таких точечных объектов энергоснабжения на базе возобновляемой энергетики вполне оправдано.

Возникает вопрос о возможности использования энергии возобновляемых источников в более мощных энергосистемах. Как и о. Рейнеке, о. Попова является автономной, не зависящей от материка в плане энергоснабжения [6]. Население острова практически в десятки раз превышает население Рейнеке и составляет 1500 человек. Плановая электрическая нагрузка составляет 800 кВт. Соответственно необходима установка нескольких взаимозаменяемых ветряных генераторов. По характеристикам ветра о. Попова схож с о. Рейнеке.

Наибольшей перспективой из всех возможных вариантов представляет схема с установкой двух ветрогенераторов, мощностью 750 кВт. Так же, на котельных острова с целью экономии дизельного топлива необходимо принять к установке электрокотлы, соответствующей мощности, источником энергии для которых будет служить избытки электроэнергии вырабатываемой на ветрогенераторов. Принципиальная схема энергоснабжения о. Попова после реконструкции представлена на рис. 3.

Данная схема предполагает, что если в некоторые часы ветровая установка будет остановлена, то минимальная нагрузка энергосистемы будет покрываться за счет дизель — генераторов. При наличии свободной мощности при работе ВЭУ энергия будет использоваться для нужд теплоснабжения с помощью установки электрокотлов.

Общие капиталовложения на реконструкцию системы энергоснабжения о. Попова составит около 300 млн. руб.

Ожидаемый экономический эффект от ветро-дизельной электростанции, за счет уменьшения объема потребления дизельного топлива, экономия составит 34,560 млн. руб. в год.

Как видно из графика отпуску тепла потребителю приведенного на рис. 4 использование энергии ВЭУ на замещение тепловой нагрузки от теплоисточников о. Попова электрокотлами согласно расчетным данным составит 73%, а 27 % тепловой нагрузки будет приходится на котельные. В летние месяцы (июнь, июль, август) возможна подача ГВС населению.

Рис. 3. Принципиальная схема энергоснабжения о. Попова

Рис. 4. Отпуск тепла потребителям

Срок окупаемости данного проекта составит 8 лет. Помимо использования энергии ветра, так же определенные перспективы представляет солнечная и волновая энергия.

Наиболее экономичными и перспективными являются реконструкция точечных энергосистем островных территорий Приморского края. Большие же капиталовложения в распределенную энергетику являются весьма весомыми затратами для краевого бюджета и край может попросту оказаться не готов к ним.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Петрачков, С.А. Энергетика здравого смысла/ С.А. Петрачков // Владивосток. - 2014. - 3 сентября.

2. Яновский, А.П., Безруких, П.П. Роль возобновляемых источников энергии в энергетической стратегии России/ А.П. Яновский, П. П. Безруких // ЭСКО [Электронный ресурс]. - Электрон. журн. - 2003. -№ 5 -май. - Режим доступа: http://esco-ecosys.narod.ru/2003_5/art09.htm.

3. Санеев Б. Г. Энергетическая кооперация Востока России и стран СВА: путь от научных исследований к практической реализации/ Б.Г. Санеев //Тез. докл. Третий Дальневосточный международный экономический форум. - Хабаровск, 2008. - С.86-91.

4. Федеральный закон от 23.11.2009 N 261-ФЗ (ред. от 04.11.2014) «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации».

5. Удовик О.С., Лесных А.В. Автономная работа ветро-дизельного комплекса с номинальной мощностью 50кВт (ВДАЭК-50) на о. Рейнеке/ О.С. Удовик, А.В.Лесных // Электроэнергетика глазами молодежи: науч. тр. Умеждунар. науч. — техн. конф., Т.2. / Томский политехнический университет. - Томск, 2014. - С. 538-541.

6. Тимофеева Е.В., Дорогов Е.Ю. Оптимизация энергоснабжения островных территорий с применением гибридных установок / Е.В. Тимофеева, Е. Ю. Дорогов// Пути совершенствования работы теплоэнергетических устройств: материалы всероссийской молодежной конференции/ Инженерная школа, Дальневосточный федеральный университет. - Владивосток, 2012. - С. 20-24.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Лесных Екатерина Вячеславовна — инженер НИРС, tvkate89@mail.ru, Леснъгх Андрей Викторович — старший преподаватель, lesnykhav@mail.ru, Дальневосточный федеральный университет.

UDC 620.91

FEATURES OF POWER REMOTE PRIMORSKY TERRITORY

Lesnykh Ekaterina Vyacheslavovna, Far Eastern Federal University, engineer, Russia.

Lesnykh Andrey Viktorovich, Far Eastern Federal University, instructor, Russia.

The problems of energy remote areas and suggest ways to solve them by using renewable energy sources. Are the most effective schemes of reconstruction of remote power systems, as

well as the expected technical and economic effects.

Key words: renewable energy, wind-diesel autonomous energy sector, energy efficiency, wind power, energy system

REFERENCES

1. Petrachkov S.A. Jenergetika zdravogo smysla (Energy common sense), Vladivostok, 2014, 3 sentjabrja.

2. Janovskij, A.P., Bezrukih, P.P. Rol' vozobnovljaemyh istochnikov jenergii v jener-geticheskoj strategii Rossii (The role of renewable energy in Russia's energy strategy), JeSKO [Jelektronnyj resurs]. Jelektron. Zhurn, 2003, No 5. maj. Rezhim dostupa: http://esco-ecosys.narod.ru/2003_5/art09.htm.

3. Saneev B.G. Jenergeticheskaja kooperacija Vostoka Rossii i stran SVA: put' ot nauchnyh issledovanij k prakticheskoj realizacii (Energy Cooperation of the East of Russia and countries of Northeast Asia: the path from research to practical implementation), Tez. dokl. Tretij Dal'nevostochnyj mezhdunarodnyj jekonomicheskij forum. Ha-barovsk, 2008, pp.86-91.

4. Federal'nyj zakon ot 23.11.2009 N 261-FZ (red. ot 04.11.2014) «Ob jenergosberez-henii i o povyshenii jenergeticheskoj jeffektivnosti i o vnesenii izmenenij v otdel'nye zakono-datel'nye akty Rossijskoj Federacii».

5. Udovik O.S., Lesnyh A.V. Avtonomnaja rabota vetro-dizel'nogo kompleksa s nomi-nal'noj moshhnostju 50kVt (VDAJeK-50) na o. Rejneke (Stand-alone operation of wind-diesel complex with a rated power of 50kW (VDAEK-50) on about. Reynard), Jelektrojenergetika glazami molodezhi: nauch. tr. Vmezhdunar. nauch.-tehn. konf., V.2., Tomskij politehnicheskij universitet. Tomsk, 2014, pp. 538-541.

6. Timofeeva E.V., Dorogov E.Ju. Optimizacija jenergosnabzhenija ostrovnyh territorij s primeneniem gibridnyh ustanovok (Optimizing energy island territories with the use of hybrid plants), Puti sovershenstvovanija raboty teplojenergeticheskih ustrojstv: materialy vserossijskoj molodezhnoj konferencii/ Inzhenernaja shkola, Dal'nevostochnyj federal'nyj universitet. Vladivostok, 2012, pp. 20-24.

УДК 697.329

© И. А. Журмилова, А.С. Штым, 2014

ГРУНТОВЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК С СИСТЕМОЙ УВЛАЖНЕНИЯ

Использование низкопотенциальной возобновляемой энергии грунта для тепло- и холодоснабжения зданий получает всё большую популярность. Исходя из мирового практического опыта, наилучшими эксплуатационными и теплотехническими характеристиками обладают грунтовые теплообменники, устанавливаемые в вертикальных скважинах. Но для эффективной работы грунтового теплообменника в вертикальной скважине необходимо свободное пространство между трубами и массивом грунта заполнить материалом с высокой теплопроводностью. Предложено использовать увлажненный песок в качестве наполнителя скважины. В процессе эксплуатации скважины влага из песка может мигрировать в прилегающие слои грунта, тем самым будет уменьшаться коэффициент теплопроводности наполнителя и снижаться тепловой поток от массива грунта к теплообменнику, поэтому песок необходимо периодически увлажнять. Авторами разработана конструкция грунтового теплообменника с системой увлажнения наполнителя скважины.

Ключевык слова: возобновляемая энергия, тепловой насос, грунтовым теплообменник, теплообмен, наполнитель, увлажненный песок, низкопотенциальная энергия.

Особое значение из возобновляемых источников энергии имеет энергия грунта, не зависящая от времени суток и сезонности. Грунт является практически неисчерпаемым источником энергии.

Использование геотермальных тепловых насосов, которые могут работать круглогодично, извлекая из грунта зимой теплоту для отопления, а летом холод для кондиционирования, значительно повышают эффективность этих систем [1].

При использовании низкопотенциальной возобновляемой энергии грунта с помощью геотермальных тепловых насосов для тепло- и холодоснабжения зданий одним из основных элементов является грунтовый теплообменник. Анализ различных типов грунтовых теплообменников показал, что наилучшими эксплуатационными и теплотехническими характеристиками обладают грунтовые теплообменники, устанавливаемые в вертикальных скважинах, в трубках которых циркулирует низкопроцентный

раствор этиленгликоля в качестве незамерзающей жидкости. В настоящее время скважины, в которые опускают трубы теплообменников, рекомендуется заполнять бентонитом - разновидностью глины. Заполнение объема скважины наполнителем необходимо для увеличения удельного теплосъема с одного погонного метра длины грунтового теплообменника и удаления из скважины воздуха, снижающего усредненное значение теплоемкости и теплопроводности грунта [2].

Поскольку тепло в грунте передается в основном через твердые частицы, воду и воздух, а также при контакте частиц между собой, то теплопроводность в значительной степени зависит от минералогического и гранулометрического составов, влажности, содержания воздуха и плотности. Известно, что теплопроводность резко возрастает по мере увеличения влажности грунтов, поскольку теплопроводность воздуха, вытесняемого водой из пор породы, приблизительно в 30 раз меньше теплопроводности воды. При полном заполнении всех пор водой теплопроводность грунта достигает максимального значения.

Так как значение эквивалентной теплопроводности увлаженного песка выше, чем увлажненной глины, нами было предложено, для повышения эффективности процесса теплообмена между массивом грунта и грунтовым теплообменником заполнять скважину водным раствором крупнозернистого песка, а в процессе эксплуатации проводить периодическое увлажнение этого наполнителя.

Для исследования процесса теплообмена между увлажненным песком и грунтовым теплообменником, нами создана имитационная исследовательская установка, позволяющая моделировать условия эксплуатации и-образного вертикального грунтового теплообменника. Принципиальная схема установки приведена на рис. 1.

Теплоноситель из бака запаса воды 1 проходит по И-образному вертикальному грунтовому теплообменнику 4 и сливается в мерный бак 2, из которого с помощью насоса 5 возвращается в бак запаса воды. Температура воды, поступающей в И-образный вертикальный теплообменник, поддерживается постоянной водонагревателем 10, установленным в нижней части бака запаса воды. Металлическая труба 11 имитирует скважину, которую

Рис. 1. Имитационная научно-исследовательская установка: 1 - бак запаса воды, V = 80 л; 2 - мерный бак, V = 80 л; 3 - металлическая труба, заполненная песком; 4 - и-образный вертикальный грунтовый теплообменник; 5 - циркуляционный насос; 6 - фильтр; 7 - обратный клапан; 8 - вентиль (В1, В2, В3, В4); 9 - электронные датчики температуры; 10 - водонагреватель; 11 - металлическая труба

заполняют сначала сухим песком 3, а затем его увлажняют. Эксперименты были проведены на сухом и на влажном песке. Электронные датчики 8И-102, 8И-115 9 для контроля температур установлены: по оси скважины - между трубками вертикального теплообменника; на поверхности опускной и подъемной частей, а также в самой нижней точке и-образной вертикальной трубы и на поверхности металлической трубы. Электронные датчики контролируют изменение температуры в указанных точках в процессе проведения эксперимента.

Был проведен ряд экспериментов, которые подтвердили возможность применения влажного песка в качестве заполнителя скважин грунтовых теплообменников, используемых для геотермальных тепловых насосов, но при этом необходимо предусмотреть его периодическое увлажнение.

Для решения вопроса об увлажнении наполнителя скважины была разработана специальная конструкция грунтового теплообменника (рис. 2), которая повышает эффективность работы системы теплосбора.

Грунтовый теплообменник, установленный в скважине, состоит из опускной и подъемных труб, соединенных нижней зоне, образуя оголовок (рис. 2). Количество подъемных труб, по меньшей

Рис. 2. Грунтовый теплообменник: 1 — геотермальная скважина, 2 — опускная труба, 3 — подъемные трубы, 4 — наполнитель геотермальной скважины, 5 — оголовок, 6 — накопительная камера, 7 — узел контроля количества дренирующей жидкости в накопительной камере, 8 — средство доставки дренирующей жидкости, 9 — насадка опускной трубы, 10 — сборный коллектор, 11 — коническая полость, 12 — сетки, 13 — выхлопная водяная труба накопительной камеры, 14 — воздушная труба накопительной камеры, 15 — трехходовой кран воздушной трубы, 16 — сетки, 17 — стакан, 18 — запорный клапан, 19 — спускные окна, 20 — шток, 21 — поплавок, 22 — сборная камера узла контроля 7

мере, равно шести и все они равноудалены от опускной трубы на расстояние не меньше их диаметра. Особенность конструкции в том, что свободное пространство геотермальной скважины заполнено наполнителем с высокой дренирующей способностью, например крупнозернистым песком. При этом опускная труба выполнена с возможностью равномерного подвода к ее внешней поверхности дренируемой жидкости, с

возможностью его увлажнения наполнителя по диаметру и глубине. Система увлажнения наполнителя геотермальной скважины включает накопительную камеру, выполненную с возможностью сбора и удаления дренирующей жидкости, расположенную ниже оголовка, а также узел контроля уровня дренирующей жидкости в накопительной камере, и средство доставки дренируемой жидкости в виде трубы, соединенной с ее источником. Кроме того внешняя поверхность опускной трубы снабжена насадком в виде конического раструба, установленного с образованием кольцевого зазора, причем диаметр верхней кромки насадка превышает диаметр нижней кромки [3].

Представленная модель грунтового теплообменника увеличивает теплосъем на 20-25%, что существенно снижает капиталовложения и эксплуатационные затраты.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Васильев Г.П., Шилкин Н.В. Геотермальные теплонасосные системы теплоснабжения и эффективность их применения в климатических условиях России. Журнал АВОК. 2007. № 5. С. 58-74

2. Штым А.С., Журмилова И.А., Калинин А.О. Влияние на процесс теплообмена различных наполнителей в грунтовых теплообменниках геотермальных тепловых насосов. // Вестник ИШ ДВФУ. — № 4 (17). Владивосток, 2013.

3. Патент № 2529850 Российская Федерация: МПК F24J3/08/ Геотермальное устройство: И. А. Журмилова, Г. А. Захаров, А. С. Штым, Т. Г. Савина, К. В. Цыганкова, /Владивосток, ДВФУ. — № 2013121639/06, заявл. 08.05.2013; опубл. 10.10.2014.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Штым Алла Сильвестровна - кандидат технических наук, доцент, профессор, shtym_alla@mail.ru,

Журмилова Ирина Александровна - соискатель, старший преподаватель,

25markelova@gmail.com,

Дальневосточный федеральный университет.

UDC 697.329

THE GROUND HEAT EXCHANGERS WITH THE HUMIDIFICATION SYSTEM

Shtym Alla S., professor, candidate of technical Sciences, School of Engineering, Far Eastern Federal University, Russia,

Zhurmilova Irina A., aspirant, School of Engineering, Far Eastern Federal University, Russia.

The use of low potential ground for renewable energy heating and cooling of buildings is becoming increasingly popular. World experience has shown that the best characteristics have vertical ground heat exchangers. But for the good work of the vertical well to be filled space between the tubes of the heat exchanger and an array of ground soil. The authors proposed to use, as well humidified sand filling material. In the operation of the well of sand moisture can migrate into the adjacent soil layers, and it's necessary to moisten the sand periodically. The authors have developed the design of ground heat exchanger with humidification system filling material hole.

Key words: renewable energy, heat pumps, ground heat exchanger, heat transfer, filling material, humidified sand, low potential energy.

REFERENCES

1. Vasil'ev G.P., Shilkin N.V. Geotermal'nye teplonasosnye sistemy teplosnabzhenija i jef-fektivnost' ih primenenija v klimaticheskih uslovijah Rossii (Geothermal heat pump heating systems and the effectiveness of their use in the climatic conditions of Russia). Zhurnal AVOK. 2007, No 5, pp. 58-74.

2. Shtym A.S., Zhurmilova I.A., Kalinin A.O. Vlijanie naprocess teploobmena razlichnyh napolnitelej v gruntovyh teploobmennikah geotermal'nyh teplovyh nasosov (fluence on the heat transfer of various fillers in ground heat exchangers) // Vestnik ISh DVFU. No 4 (17). Vladivostok, 2013.

3. Patent № 2529850 Rossijskaja Federacija: MPK F24J3/08/ Geotermal'noe ustrojstvo: I. A. Zhurmilova, G. A. Zaharov, A. S. Shtym, T. G. Savina, K. V. Cygankova, /Vladivostok, DVFU. — № 2013121639/06, zajavl. 08.05.2013; opubl. 10.10.2014.

УДК 697.4:621.577 © А.С. Штым, И.А. Журмилова, А.О. Калинин,

Ю. А.Фильчикова, 2014

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ НИЗКОПОТЕНЦИАЛЬНОЙ ЭНЕРГИИ ГРУНТА ДЛЯ РАБОТЫ ГЕОТЕРМАЛЬНЫХ ТЕПЛОВЫХ НАСОСОВ

На основании предложенной математической модели представлен численный эксперимент, показывающий изменение температурного поля в массиве грунтового теплообменника, позволяющий оценить снижение его энергетического потенциала при эксплуатации теплового насоса в зимний период. Предложены варианты восстановления энергетического потенциала грунта в летний период и показано, как при этом повышаются температуры в массиве грунтового теплообменника.

Ключевык слова: численный эксперимент, температурное поле, грунтовый теплообменник, энергетический потенциал, система кондиционирования, гелиоколлектор.

В энергетической политике России уделялось сравнительно мало внимания вопросам использования возобновляемых источников энергии из-за больших запасов традиционного энергетического сырья. Ситуацию изменила необходимость борьбы за лучшую экологию, повышение качества жизни людей, участие в мировом развитии прогрессивных технологий, стремление повысить энергоэффективность экономического развития - это способствовало активизации национальных усилий по созданию законов, способствующих развитию энергосберегающих технологий, движению к низкоуглеродной экономике.

Объем технически доступных ресурсов возобновляемых источников энергии в Российской Федерации составляет не менее 24 млрд. тонн условного топлива. Доля электроэнергии, вырабатываемой в России с использованием возобновляемых источников, в 2008 году составила около 1% без учета ГЭС мощностью свыше 25 МВт, а с учетом последних - свыше 17%. Удельный вес производства тепловой энергии, полученной на базе ВИЭ, был около 3%, или около 2000 млн Гкал [1].

Зависимость интенсивности удельного теплосъема с одного погонного метра длины грунтового теплообменника от теплопро-

водности и объемной теплоемкости грунта представляет собой практически прямую пропорциональность и наиболее существенное влияние на интенсивность удельного теплосъема оказывает изменение теплопроводности грунта в пределах 0.2 до 2 Вт/(м2°С), и его объемной теплоемкости в пределах 400 до 1000 кДж/(м3°С), а дальнейшее их увеличение сказывается на увеличение удельного теплосъема менее заметно [1, п. 4.11].

Применение тепловых насосов для отопления показывает, что ни одна котельная не в состоянии экономически конкурировать с тепловым насосом. В результате теплонасосные установки стали стремительно вытеснять все остальные способы теплоснабжения. Масштабы внедрения тепловых насосов в мире следующие [2]:

• В Швеции 50% всего отопления обеспечивают тепловые насосы;

• В Германии предусмотрена дотация государства на установку тепловых насосов в размере 400 марок за каждый кВт установленной мощности;

• В Японии ежегодно производится около 3 млн тепловых насосов;

• В США ежегодно производится около 1 млн тепловых насосов;

• В Стокгольме 12% всего отопления города обеспечивается тепловыми насосами общей мощностью 320 МВт, использующими как источник тепла Балтийское море с температурой +8 °С.

Тепловой насос позволяет отказаться от нерационального электрического или централизованного отопления объектов жилищно-коммунального хозяйства, теплотрасс большой протяженности, значительно сократить потери и затраты на их обслуживание, экономить электроэнергию, обеспечивая надежное и экономичное теплоснабжения и холодоснабжение объектов.

Тепловой насос, как источник тепловой энергии для отопления и горячего водоснабжения, применяется по следующим причинам:

• по экономическим — позволяет значительно снизить эксплуатационные расходы по сравнению с электроотоплением, а при определенных факторах конкурировать с централизованными системами теплоснабжения;

• по экологическим — тепловой насос не сжигает топливо и не производит вредных выбросов в атмосферу;

• по условиям комфорта в помещениях - в летний период тепловые насосы, работающие в реверсивном режиме, обеспечивают кондиционирование помещений.

Наиболее эффективны системы теплоснабжения, использующие схемы совместной работы солнечных коллекторов и тепловых насосов. [3] Благодаря большому количеству солнечных дней на Дальнем Востоке использование подобных установок значительно сократит потребление энергоносителей и выбросов в окружающую среду. Такое решение повышает эффективность теплового насоса на 20-25%. С помощью солнечных коллекторов возможно подогревать теплоноситель, поступающий из грунтового контура перед подачей его в тепловой насос до 15-20 0С в течение всего отопительного периода. Таким образом, существенно повышается эффективность преобразования энергии в тепловом насосе. В летний период солнечные коллекторы обеспечивают горячее водоснабжение за счет энергии солнца. При комбинированном использовании двух источников энергии достигается более высокая надежность функционирования системы тепло и холодоснабжения вследствие высокой способности геотермальных систем к сезонным режимам работы. Особенно актуальным становится применение установок на базе солнечных коллекторов с совместной работой тепловых насосов для условий Дальнего Востока и должно стать предпосылкой массового внедрения технологии во всех отраслях народного хозяйства.

При эксплуатации систем тепло-холодоснабжения, использующих теплоаккумуляционные свойства грунта поверхностных слоев Земли, необходимо учитывать, что температура грунтового массива в зимний период снижается. На основании разработанной физической модели грунтового теплообменника, с прилегающими слоями бентонита и грунта, а также решения уравнения теплопроводности при определенных условиях, построены температурные поля [4, 5]. Проведенные численные эксперименты показали, что потребление тепловой энергии из грунтового массива к концу отопительного сезона вызывает вблизи труб системы теплосбора понижение температуры грунта от 3 °С и ниже (рис. 1).

I !

менника к концу отопительного периода

Распределение температур в слое, расположенном на глубине - 2,0 метра от глубины промерзания (рис. 2), Данный график построен для многослойного цилиндра, состоящего из различных слоев: грунта, заполнителя скважины — бентонита и 2-х труб «и» — образного грунтового теплообменника, заполненных смесью воды и 20% этиленгликоля.

Понижение температуры массива грунта происходит от 8 °С до 4 °С. От оси скважины влево расположен слой бентонита (температура изменяется от 3,2 °С до 3,7 °С), далее подающая труба теплообменника (температура на наружной поверхности трубы составляет 3,7 °С, на внутренней - 2,1 °С), после нее бентонит (в этом слое температура изменяется от 3,7 °С до 4 °С), а затем массив грунта (изменение температуры происходит в диапазоне 8 °С до 4 °С).

Рис. 2. Распределение температуры в грунте к концу отопительного периода, на отметке 2 метра от глубины промерзания

От оси скважины вправо слои остаются такими же, температура рабочей жидкости в подающей трубе достигает 1,9 °С Данные значения температур получены при условии, что тепловой поток, идущий на нагрев рабочей жидкости составляет 50 Вт с погонного метра скважины.

На рис. 3 показано распределение температур в слое, расположенном на глубине - 30,0 метра от поверхности земли. Температуры по слоям изменяются только в трубах теплообменника. Температура теплоносителя в подающем трубопроводе равна 0,8 °С, а в обратноом составляет 1,0 °С.

В «и» — образном грунтовом теплообменнике взаимодействие температурных полей труб можно не учитывать, вследствие того, что оно мало.

Температура грунта в процессе эксплуатации в зимний период понижается, поэтому необходимо повышать потенциал грунта, сделать это можно при помощи дополнительной аккумуляции теплоты от системы кондиционирования и избытков теплоты от ге-лиоколлекторов в летний период.

В период с мая по сентябрь выработка тепловой энергии ге-лиоколлекторами увеличивается и ее избытки целесообразно «закачивать» в грунт на протяжении лета. В этот период тепловой насос начинает работать в реверсивном режиме, обеспечивая холодом систему кондиционирования, при этом избытки теплоты, воспринятые системой кондиционирования, также поступают в грунтовый теплообменник. Такой подход позволяет увеличить температурный потенциал грунта, как источника энергии для теплового насоса в зимний период времени.

Рис. 3. Распределение температуры в грунте к концу отопительного периода, на отметке 30 метров

При моделировании процесса подачи тепловой энергии в грунт от системы кондиционирования, температура рабочего вещества, поступающего в грунтовый теплообменник, равна 15 °С, (рис. 4).

I

- I

\

_13

— в

— I

1

Рис. 4. Распределение температур в вертикальном коллекторе грунтового теплообменника в режиме кондиционирования

1 т

Рис. 5. Распределение температур в вертикальном коллекторе грунтового теплообменника в режиме кондиционирования совместно с солнечным коллектором

При поступлении тепловой энергии от системы кондиционирования и с гелиоколлектора средняя температура рабочей жидкости на входе в грунтовый теплообменник составляла 30°С. (рис. 5).

В последнем случае в грунтовый теплообменник направлялось в среднем 3 кВт тепловой энергии. Полученное распределение температур в грунте показано на рис. 4 и 5. Приведенные диаграммы позволяют оценить уровень увеличения температурного потенциала грунта. Как видно, температура в среднем в грунте увеличилась, но ее значение зависит от глубины и расстояния от труб теплообменника.

Подача в грунт тепловой энергии от системы кондиционирования и солнечных коллекторов теплый период года полностью восстанавливает энергетический потенциал грунта и перед отопительным сезоном его температура составляет более 10 °С, что повысит эффективность работы теплового насоса.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. http://minenergo.gov.ru/ Официальный сайт министерства энергетики РФ

2. Васильев Г.П., Шилкин Н.В. Геотермальные теплонасосные системы теплоснабжения и эффективность их применения в климатических условиях России. АВОК. - 2003. - № 2.

3. Патент № 85989 Российская Федерация: МПК F24J2/00, F24D11/00, F24D12/00/ Комбинированная система теплоснабжения: А. С. Штым, П. Е. Хвостик, А.А. Журмилов, И. А. Маркелова (Журмилова), Е.О. Путилина / Владивосток, ДВГТУ «Научно-технический и внедренческий центр «Модернизация котельной техники». — № 2009114999/22, заяв. 20.04.2009, опубл. 20.08.2009.

4. Исаченко, В.П. Теплопередача / В.П. Исаченко, В.А. Осипова, А.С. Су-комел. - М.: Изд-во «Энергия», 1975. - 488 с. с ил.

5. Штым А.С., Маркелова И. А. Системы теплосбора для геотермальных тепловых насосов // Вестник Волгогр.гос.архит. — строит. ун-та. Сер.: Стр-во и архит. 2011. Вып. 23(42). С. 126-133.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Штым Алла Сильвестровна - кандидат технических наук, доцент, профессор, shtym_alla@mail.ru,

Журмилова Ирина Александровна - соискатель, старший преподаватель Инженерной школы, 25markelova@gmail.com,

Калинин Андрей Олегович - аспирант, ассистент преподавателя Инженерной

школы, dsv.99@mail.ru,

Фильчикова Юлия Павловна - студентка,

Дальневосточный федеральный университет.

UDC 697.4:621.577

USING LOW POTENTIAL ENERGY GROUND FOR WORK OF GEOTHERMAL HEAT PUMPS

Shtym Alla S., professor, candidate of technical Sciences, School of Engineering, Far Eastern Federal University, Russia,

Zhurmilova Irina А., Far Eastern Federal University, instructor, Russia,

Kalinin Andrew O., aspirant, School of Engineering, Far Eastern Federal University,

Yulya_filchikova@mail.ru.

Filchikova Julia P., student, School of Engineering, Far Eastern Federal University, Russia.

On the basis of the proposed mathematical model is presented numerical experiment which show the change of the temperature field in an array of ground heat exchanger and allows to estimate the reduction of its energy potential in the operation of the heat pump in winter. The variants of restoration the energy potential of soil in summer and shows how it increases the temperature in an array of ground heat exchanger.

Key words: a numerical experiment, a temperature field, a ground heat exchange, a energy potential, a conditioning system, a solar collector.

REFERENCES

1. http://minenergo.gov.ru/ Oficial'nyj sajt ministerstva jenergetiki RF

2. Vasil'ev G.P., Shilkin N.V. Geotermal'nye teplonasosnye sistemy teplosnabzhenija i jeffektivnost' ih primenenija v klimaticheskih uslovijah Rossii (Geothermal heat pump heating systems and the effectiveness of their use in the climatic conditions of Russia). AVOK, 2003, No 2.

3. Shtym A.S., Hvostik P.E., Zhurmilov A.A., Markelova I.A. (Zhurmilova), Putilina E.O. Patent № 85989 Rossijskaja Federacija, 20.08.2009.

4. Isachenko V.P., Osipova V.A., Sukomel A.S. Teploperedacha (Heat transfer)/ V.P. Isachenko, Moscow, Izd-vo «Jenergija», 1975, 488 p.

5. Shtym A.S., Markelova I. A. Sistemy teplosbora dlja geotermal'nyh teplovyh nasosov (Heat collection systems for geothermal heat pumps), Vestnik Volgogr.gos.arhit.-stroit. un-ta. Ser.: Str-vo i arhit, 2011, Vyp. 23(42). pp. 126-133.

УДК 697.329 © А.С. Штым, И. А. Журмилова, А.О. Калинин,

Е.В. Тарасова, М.В. Потапова, 2014

СОЗДАНИЕ МИКРОКЛИМАТА В ЖИЛЫХ ДОМАХ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ

Представлена реализация проекта жилого дома, в котором система комфортного микроклимата использует энергосберегающие технологии и возобновляемые источники энергии. Солнечная энергия для нагрева воды в системе горячего водоснабжения и воздуха в системе отопления. Низкопотенциальная энергия окружающей среды для работы теплового насоса подающего в помещения зимой тепловую энергию, а летом - холод. Рекуперация в системе вентиляции. Энергохранилище, существенно снижающее электропотребление здания в отопительный период и летом при охлаждении помещений.

Ключевые слова: энергосберегающие технологии, солнечная энергия, окружающая среда, тепловой насос, рекуперация, энергохранилище, система отопления, система кондиционирования.

В настоящее время в мировой строительной практике доминирующим критерием качества проекта здания является его энергопотребление. В современных российских условиях на первое место выдвигается проблема не стоимости строительства, а стоимости эксплуатации возводимого и существующего жилого фонда страны и ответственности за несоблюдение архитектурно-строительных нормативов. Малоэтажная застройка усадебного типа в городе и за его пределами становиться одним из самых массовых объектов архитектурной деятельности в нашей стране. Проблема развития массового малоэтажного строительства в городской среде опирается на социально- политический и экономический факторы. К решению вопросов качественной планировки населенных мест надо подходить с государственных позиций и учитывать развитие на ближайшие и более отдалённые периоды, с целью ориентации генеральных планов городов и поселений на высокоплотную малоэтажную застройку. При этом существенно

сокращаются расходы и сроки на проектирование, строительство зданий, эксплуатационные расходы, по сравнению с многоэтажной застройкой, поэтому необходимо, что бы малоэтажная застройка была максимально энергоэффективной при использовании альтернативной энергетики. Для повышения энергоэффективности малоэтажной застройки следует использовать возобновляемые источники энергии: солнечной, геотермальной, низкопотенциальной энергии окружающей среды, а также криогенной энергии снега и льда.

Объектом проектирования и исследования является индивидуальный модульный деревянный жилой дом, расположенный в с. Чугуевка, Приморского края. Климат характеризуется холодными зимами (- 40 ОС), коротким, но жарким летом (+36 ОС), в переходные периоды наблюдаются низкие ночные температуры и высокие дневные.

Необходимо было выполнить проект комфортного микроклимата в помещениях используя для отопления и кондиционирования тепловой насос, для горячего водоснабжения солнечные коллекторы. Для повышения эффективности работы теплового насоса, расположенного в чердачном помещении, разработаны и установлены на кровле воздушные солнечные коллекторы, подающие теплый воздух в чердачное помещение. На цокольном этаже здания оборудовано теплоизолированное помещение общим объемом 27 м3, в котором установлено 12 пластиковых емкостей по 1 м3, которые заполнялись водой. Это помещение было названо «Энергохранилище», в него входило два воздуховода, по первому — воздух мог поступать в энергохранилище из помещений дома или из чердачного пространства. Второй воздуховод подавал воздух из энергохранилища в помещения или в чердачное пространство. В качестве альтернативного источника теплоснабжения предусмотрен электрический котел.

В системе отопления установлены в качестве отопительных приборов фанкойлы, которые в летний период можно использовать в системе кондиционирования. Проектируемая система отопления представляет собой систему на базе: теплового насоса №Ье Б2025-10, подающего горячую воду в контур отопления с максимальной температурой 58 °С. Тепловая энергия, подаваемая тепловым насосом, равна 12 кВт, а потребляемая элек-

трическая энергия - 3, 5 кВт. Источником энергии для теплового насоса является окружающий воздух, подаваемый в тепловой насос вентилятором, потребляющим 70/100 Вт. В зимний период тепловой насос мог эффективно работать до температуры наружного воздуха в чердачном пространстве до - 20 °С. Для повышения температуры воздуха в чердачном пространстве в дневное время туда поступает воздух, подогретый в воздушных солнечных коллекторах, в это же время происходит циркуляция воздуха между чердачным пространством и энергохранилищем, благодаря этому в чердачном пространстве удавается длительный период поддерживать положительную температуру при отрицательных значениях температуры наружного воздуха. Замерзание воды в емкостях энергохранилища началось в начале февраля, но благодаря солнечным дням процесс длился месяц, и вода замерзла в начале марта. При полном замерзании воды в емкостях, установленных в энергохранилище, циркуляция воздуха через него была остановлена. Лед сохранялся до жаркого летнего периода, в это время вновь была включена циркуляция воздуха через энергохранилище и жилые помещения дома для их охлаждения. Данная система является выгодным энергосберегающим решением [1].

Из графика, представленного на рис.1, видно, что даже при ежедневном использовании энергохранилища для охлаждения помещений по 5 часов в сутки, запасенного холода хватит на 70 дней.

Электро-котел 9, с номинальной потребляемой мощностью 9 кВт и с тремя ступенями эксплуатации 3-6-9 кВт, включался в работу в конце февраля и в начале марта по ночам, когда температура в чердачном помещении опускалась до - 15 °С, что было предусмотрено алгоритмом автоматики.

Воздушный солнечный коллектор — главный элемент системы воздушного солнечного обогрева. Его работа заключается в нагреве наружного воздуха, с последующим его поступлением в помещение. Солнечные коллекторы не могут быть основной системой отопления, так как не обеспечивают постоянных характеристик, как в течение суток, так и при смене сезонов года. Однако солнечная система может быть интегрирована в любую существующую систему отопления и вентиляции [2].

Количество дней

Рис. 1. Зависимость длительности периода потребления холода от количества часов работы системы охлаждения в день. (при 3, 5, 7 днях в неделю)

В нашем проекте, для целей энергосбережения и стабилизации работы теплового насоса, была разработана конструкция воздушного солнечного коллектора (рис. 1). Каркас и перегородки данного коллектора выполнены из ДСП. Теплоприемник представляет собой металлический профилированный лист. Верхнее покрытие коллектора предусмотрено из поликарбоната. Движение воздуха в коллекторе осуществляется в пространстве между поликарбонатом и теплоприемником, направление движения корректируется установленными перегородками из фанеры. Данные перегородки расположены так, что создают три хода для протекания воздуха. Нижняя часть коллектора теплоизолирован-на пеноплексом и изопинком. Для наибольшего нагрева воздуха предусмотрено последовательное соединение двух воздушных солнечных коллекторов.

Воздушные солнечные коллекторы не обладают высоким коэффициентом полезного действия, но они выглядят привлекательнее жидкостных, за счет того, что они просты в изготовлении и в эксплуатации. Они не требуют трубопроводов, имеют меньше деталей, и соответственно меньше затрат.

Серьезными проблемами при создании воздушного солнечного коллектора являются: а) низкая удельная теплоемкость воздуха; б) малая плотность воздуха. В качестве теплоприемника применен металлический профлист так как он способствует устранению «горячих мест», вызванных неравномерным распреде-

лением принятой солнечной энергии поверхностью, распределяя избыточное скопление теплоты по всему теплоприемнику.

Важным фактором при работе воздушного солнечного коллектора является наличие турбулентного движения потока воздуха внутри него. При ламинарном течении потока появляются неподвижные слои воздуха, которые не соприкасается с поверхностью теплообмена.

Для создания турбулентного движения воздуха, теплоприем-ник должен быть как можно более шероховатым, заставляя воздух двигаться во всех направлениях. Эту функцию хорошо выполняют, например, ребристая пластина, К-образные волнистости и пластина с пробитыми отверстиями.

Были произведены замеры температуры воздуха на поверхности теплоприемника и внутри солнечного коллектора. Измерения проводились 05.04.2013 и 06.04.2013 при изменении температуры наружного воздуха от -4 °С до +5 °С.

112 8

1200

Рис. 2. Сдвоенная конструкция воздушных солнечных коллекторов

Тсмпсратл'ра на поверхности солнечного ■соллсю'ора

120

юо

'92

но

Чк У»

60 ■р 65

V 5J —♦—Температура на поверхности

40 \ солнечного коллектора

F 34 V 29

20

^•^ío \ 13

О

^ <£>

Рис. 3. Температура на поверхности воздушного солнечного коллектора

Тошерат^'ра внутри солнечного коллектора

во -

Рис.4. Температура воздуха внутри солнечного коллектора

Рис. 5. Плоские солнечные коллектора Nibe Solar FR215 PL

Как видно из рис.4 температура воздуха на выходе из солнечного коллектора в 8 часов вечера при положительной температуре наружного воздуха оставалась положительной и равной 10 °С.

Система горячего водоснабжения запроектирована на базе солнечных коллекторов Nibe Solar FR215 PL и бака аккумулятора (рис. 5, 6).

Размеры плоских солнечных коллекторов 2088х1030х81 мм, общая площадь 2,15 м2 КПД 83,2 %; объем заполнения 2,32 л; вид

теплоносителя-пропиленгликоль; максимальное рабочее давление 10 бар/МПа.

Бак аккумулятор Mega Nibe W-E220.81 на 220 л; номинальная мощность- 3 кВт; способ нагрева — от солнечных коллекторов и электрический; тип водонагревателя- накопительный; защита- ограничение температуры нагрева, магниевый анод; размеры- 579х1625х579; Вес- 74 кг

Солнечные коллектора установлены на западном склоне кровли. 08.10.2012 в ходе проведения эксперимента вода нагрелась достаточно быстро, примерно до 43 °С. За ночь в баке аккумуляторе температура упала на градус. Утром в 9:00 часов солнечные коллекторы были покрыты инеем, в 11:00 иней полностью растаял, температура ниже 40 °С не опускалась (рис. 5, 6).

В системе вентиляции жилого дома предусмотрен пластинчатый рекуператор, повышающий энергоэффективность жилья. В системах вентиляции с рекуперацией тепла, в отличие от обычных систем, приточные и вытяжные воздуховоды расположены таким образом, что отработанный теплый воздух отдает тепло приточному холодному, при этом смешивания воздушных потоков не происходит.

Система автоматизации спроектирована на базе программно-технического комплекса КОНТАР.

Разработан алгоритм автоматизации, включающий: систему приточно-вытяжной вентиляции; систему отопления; энергохранилище; систему горячего водоснабжения; работу теплового насоса и солнечных коллекторов для подогрева воздуха, поступающего к тепловому насосу; работу солнечных коллекторов для горячего водоснабжения; работу электрического котла.

При выполнении проекта был достигнут следующий технический результат:

• Расширение области применения теплового насоса.

• Снижение трудоемкости эксплуатации.

Рис. 6. Бак аккумулятор

• Повышение эффективности, обеспечение оптимального микроклимата в теплый и холодный период года.

• Низкая стоимость тепловой энергии и энергии холода.

• Малые затраты электроэнергии системой охлаждения воздуха по сравнению с такими системами кондиционирования, как сплит системы или системы чиллер-фанкойл (в 3—15 раз меньше).

• Система может, как обогревать помещение, так и охлаждать его за счет автоматики без изменения конструкции.

• Использование экологически чистых энергоносителей.

• Применение автоматики, которое исключает вмешательство в технологический процесс человека.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Штым А.С., Тарасова Е.В. Схемы и конструкции аккумуляторов естественного холода в системах кондиционирования воздуха.// Вестник ИШ ДВФУ. — № 4 (13). Владивосток, 2012.

2. Штым А.С., Журмилова И.А. Анализ поступления солнечной радиации в Приморском крае и г. Владивостоке.// Вестник ИШ ДВФУ. — № 1 (10). Владивосток, 2012.

3. Харченко Н.В. Индивидуальные солнечные установки. М.: Энергоатом-издат, 1991. 208 с.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Штым Алла Сильвестровна - кандидат технических наук, доцент, профессор, shtym_alla@mail.ru,

Журмилова Ирина Александровна - соискатель, старший преподаватель Инженерной школы, 25markelova@gmail.com,

Калинин Андрей Олегович - аспирант, ассистент преподавателя Инженерной школы, dsv.99@mail.ru,

Тарасова Елена Владимировна — кандидат технических наук, доцент Инженерной школы, lotos.t.e@mail.ru,

Потапова Мария Валерьевна - студентка, Yulya_filchikova@mail.ru, Дальневосточный федеральный университет.

UDC 697.329

MICROCLIMATE IN HOUSES BASED ON RENEWABLE ENERGY SOURCES

Tarasova Elena V., assistant professor, School of Engineering, Far Eastern Federal University, Russia,

Potapova Maryia V., student, School of Engineering, Far Eastern Federal University, Russia,

Shtym Alla S., professor, Far Eastern Federal University, Russia,

Zhurmilova Irina A., aspirant, Far Eastern Federal University, Russia,

Kalinin Andrew O., aspirant, School of Engineering, Far Eastern Federal University,

Russia.

Presented the project of a residential building where the system uses a comfortable microclimate energy-saving technologies and renewable energy sources. Solar energy to heat water in the hot water and air in the heating system. Low potential energy of the environment for the heat pump served indoors in the winter heat, and summer — cold. Recovery in the ventilation system. Energy storage, significantly reduces the power consumption of the building during the heating season and summer when cooling.

Keywords: energy-saving technology, solar energy, environment, heat pump, heat recovery, energy storage, heating, air-conditioning system.

REFERENCES

1. Shtym A.S., Tarasova E.V. Shemy i konstrukcii akkumuljatorov estestvennogo holoda v sistemah kondicionirovanija vozduha (Design and construction of batteries natural cold air conditioning systems), Vestnik ISh DVFU.,No 4 (13). Vladivostok, 2012.

2. Shtym A.S., Zhurmilova I.A. Analiz postuplenija solnechnoj radiacii v Primorskom krae i g. Vladivostoke (Zhurmilova Analysis of solar radiation in the Primorsky Territory and Vladivostok), Vestnik ISh DVFU, No 1 (10), Vladivostok, 2012.

3. Harchenko N.V. Individual'nye solnechnye ustanovki (Individual solar installations), Moscow, Jenergoatomizdat, 1991. 208 p.

УДК 697.329 © А.О. Калинин, А.С. Штым, И. А. Журмилова,

Г. А. Богданович, 2014

НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ УСТАНОВКА ДВФУ ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ОБОРУДОВАНИЯ, ИСПОЛЬЗУЮЩЕГО ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ

Показана возможность эффективного применения в общей схеме энергосберегающего оборудования: тепловых насосов, солнечных коллекторов, фотоэлектрических панелей, грунтовых теплообменников. Принцип работы такой установки может применяться в повседневной жизни, что существенно сэкономит энергоресурсы.

Ключевые слова: возобновляемые источники энергии, тепловой насос, грунтовый теплообменник, солнечные коллектора, фотоэлектрические панели, пластинчатый теплообменник, бак-аккумулятор, бак-гидробуфер.

Причиной разработки такой научно-исследовательской установки стало крупномасштабное применение и использование во всём мире солнечных коллекторов при совместной работе с тепловыми насосами. Если в России не так обширно продвигается применение таких экономически-эффективных и экологически чистых установок, то в некоторых зарубежных странах внедрение их идёт полным ходом и одной из важнейших причин их реализации становится использование возобновляемых источников энергии, снижение потребления органических видов топлива, улучшение экологии окружающей среды. Внедрение этих технологий осуществляется при финансовой помощи государства.

Особенно актуальным становится применение установок на базе солнечных коллекторов и тепловых насосов для условий Дальнего Востока, так как в этом регионе наблюдается большое количество солнечных дней. Использование солнечной энергии значительно сократит потребление энергоносителей и выбросы вредных веществ в окружающую среду, а в условиях постоянно растущих цен на энергоносители и электроэнергию экономическая эффективность этих решений должна стать предпосылкой

для массового внедрения технологии во всех отраслях народного хозяйства.

Использование солнечных коллекторов имеет следующие недостатки: отсутствие солнечной энергии в ночное время и существенное снижение ее поступления в пасмурные дни, для компенсации этих недостатков следует устанавливать большие аккумулирующие емкости, которые занимают большие полезные объемы зданий. Однако, совместная работа солнечных коллекторов и тепловых насосов позволяет исключить указанные выше недостатки, повысить надежность и стабильность работа системы теплоснабжения и обеспечить холодоснабжение в теплый период года.

В свою очередь применение фотоэлектрических панелей позволит снизить использование электричества в данной установке и повысить её эффективность.

На рис. 1 представлена принципиальная схема работы инновационной научно-исследовательской установки. Солнечные коллекторы являются источником для горячего водоснабжения [2]. Для данной установки был выбран наиболее распространенный в мире тип — плоские солнечные коллекторы в количестве 4-х штук, производительностью 3 кВт каждый. Их общая тепло-производительность составяет 12 кВт. Циркуляция теплоносителя производится посредством циркуляционных насосов.

Основной задачей солнечных коллекторов является нагрев воды в баке-аккумуляторе. Нагрев производится при падении температуры в баке до 40 оС и ниже и прекращается при достижении температуры 60 оС. Если температура воды для целей горячего водоснабжения удовлетворяет поставленным условиям, то теплообменник на горячее водоснабжение отключается, и циркуляция теплоносителя от солнечных коллекторов происходит через пластинчатый теплообменник, предназначенный для утилизации теплоты в грунт через скважинное поле или в бак-гидробуфер тепловых насосов.

Бак-гидробуфер - это ёмкость на 150 литров, предназначенная для выравнивания температуры теплоносителя, поступающего из скважин грунтового теплообменника. Высокая температура от солнечных коллекторов, при их совместной работе с тепловыми насосами, повышает коэффициент преобразования и эффективность работы тепловых насосов [1].

Рис. 1. Принципиальная схема научно-исследовательской установки, созданной на кафедре инженерных систем зданий и сооружений Инженерной школы ДВФУ: 1 — Фотоэлектрические панели, 2 — Солнечные коллектора, 3 — Тепловой насос типа «вода-вода», 4 — Тепловой насос типа «воздух-вода», 5 — Циркуляционные насосы, 6 — Пластинчатый теплообменник. 7 — Бак-аккумулятор, 8 — Бак-гидробуфер, 9 — Контролер системы автоматизации

В данной установке применяются два типа тепловых насосов: «вода- вода», «воздух — вода» [4]. Тепловой насос «вода-вода» использует низкопотенциальную энергию из грунта, температура которого даже в холодный период года не опускается ниже предела от +8 0С до +4 0С. Тепловой насос «воздух-вода» извлекает тепловую энергию из окружающего воздуха. Вентиляторы прогоняют воздух через испаритель, при этом происходит извлечение теплоты, а охлажденный воздух отводится обратно в окружающую среду. Данный тип теплового насоса является менее эффективным, чем тепловой насос «вода-вода», но с экономической точки зрения он более предпочтителен, так как не требуется дорогостоящего грунтового теплообменника.

Рис. 2. Скважинное поле научно-исследовательской установки, созданной на кафедре инженерных систем зданий и сооружений Инженерной школы ДВФУ

В летний период, сбрасываемая теплота от солнечников, аккумулируется в грунте, что благоприятно влияет на работу тепловых насосов в отопительный период. Теплота сбрасывается в скважинное поле до тех пор, пока не возникнет потребность в нагреве воды для горячего теплоснабжения. В случае неисправности солнечных коллекторов нагрузка на горячее водоснабжение обеспечивается электрическим водонагревателем, встроенным в бак-аккумулятор.

Применение фотоэлектрической станции [3] снижает потребность данной установки в электроэнергии, что является довольно эффективным решением в индивидуальном жилом домостроении.

Источником энергии для геотермального теплового насоса служит грунтовый теплообменник (рис. 2). Грунтовый теплообменник состоит их четырех скважин глубиной 60 метров, в каждую скважину погружены трубы диаметром Ду 25 мм. Конструкции теплообменников: в первой и второй скважинах - И-образный теплообменник; в третьей и четвертой скважинах -два И-образных теплообменника. Наполнителем в первой и третьей скважинах является бентонит, во второй и четвертой -водно — песчанный раствор, также эти скважины обеспечены системами увлажнения наполнителя. На теплообменниках по всей глубине установлены датчики температур. Это необходимо для проводения натурного многофакторного эксперимента при исследовании теплообмена в грунтовых теплообменниках, для поиска оптимальных режимов их работы и повышения эффективности.

Установка работает автоматически, за счёт программы заложенной в блок управления. С помощью специальной программы, установленной на компьютере, можно следить за работой установки, а также вводить изменения в режим её работе.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Штым А. С., Журмилова И.А., Калинин А. О. Влияние на процесс теплообмена различных наполнителей в грунтовых теплообменниках геотермальных тепловых насосов. // Вестник ИШ ДВФУ. — № 4 (17). Владивосток, 2013.

2. Штым А.С., Журмилова И.А. Анализ поступления солнечной радиации в Приморском крае и г. Владивостоке.// Вестник ИШ ДВФУ. — № 1 (10). Владивосток, 2012.

3. Харченко Н.В. Индивидуальные солнечные установки. М.: Энергоатом-издат, 1991. 208 с.

4. Васильев Г.П., Шилкин Н.В. Геотермальные теплонасосные системы теплоснабжения и эффективность их применения в климатических условиях России. Журнал АВОК. 2007. № 5. С. 58-74

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Калинин Андрей Олегович - аспирант, ассистент преподавателя Инженерной школы, dsv.99@mail.ru,

Штым Алла Сильвестровна - кандидат технических наук, доцент, профессор, shtym_alla@mail.ru,

Журмилова Ирина Александровна - соискатель, старший преподаватель Инженерной школы, 25markelova@gmail.com,

Богданович Галина Александровна, директор центра энергоэффективности, ov105@mail.ru,

Дальневосточный федеральный университет.

UDC 697.329

FEFU RESEARCH SETTING FOR STUDYING OPERATION MODES EQUIPMENT, USING RENEWABLE ENERGY SOURCES

Kalinin Andrew O., aspirant, School of Engineering, Far Eastern Federal University, Russia.

Shtym Alla S., professor, Far Eastern Federal University, Russia, Zhurmilova Irina A., aspirant, Far Eastern Federal University, Russia, Bogsanovich Galina A., head of the center effective energy School of Engineering, Far Eastern Federal University, Russia.

This article shows possibility of effective use in the overall scheme energy-saving equipment: heat pumps, solar collectors, photovoltaic panels, ground heat exchangers. The principle of operation of such a facility can be used in everyday life, which significantly saves energy.

Key words: renewable energy, heat pump, ground heat exchangers, solar collectors, photovoltaic panels. plate heat exchanger, storage tank, tank-gidrobufer.

REFERENCES

1. Shtym A.S., Zhurmilova I.A., Kalinin A.O. Vlijanie naprocess teploobmena razlichnyh napolnitelej v gruntovyh teploobmennikah geotermal'nyh teplovyh nasosov (The impact on the process of heat transfer of various fillers in ground heat exchangers, geothermal heat pumps), Vestnik ISh DVFU. No 4 (17), Vladivostok, 2013.

2. Shtym A.S., Zhurmilova I.A. Analiz postuplenija solnechnoj radiacii v Primorskom krae i g. Vladivostoke (Analysis of solar radiation in the Primorsky Territory and Vladivostok), Vestnik ISh DVFU, No 1 (10), Vladivostok, 2012.

3. Harchenko N.V. Individual'nye solnechnye ustanovki (Individual solar installations), Moscow, Jenergoatomizdat, 1991, 208 p.

4. Vasil'ev G.P., Shilkin N.V. Geotermal'nye teplonasosnye sistemy teplosnabzhenija i jef-fektivnost' ih primenenija v klimaticheskih uslovijah Rossii (Geothermal heat pump systems and heating efficiency of their application in the Russian climatic conditions). Zhurnal AVOK, 2007, No 5, pp. 58-74.

УДК 628.38

© Н.С. Ткач, А.А. Еськин, Г.А. Захаров, К.В. Цыганкова, 2014

ТЕПЛООБМЕН ПРИ КИПЕНИИ СТЕКАЮЩЕЙ ПЛЁНКИ НЕФТЕСОДЕРЖАЩИХ ЭМУЛЬСИЙ КОТЕЛЬНЫХ

Описано повышение эффективности утилизации водомазутных шламов котельных. Предложено устройство для реализации способа термической утилизации водомазутных шламов, за счет адиабатического вскипании при распыле на первой ступени и испарения под вакуумом при стекании пленки на второй ступени. Приведены теоретические зависимости для качественной и количественной оценки эффективности процесса обезвоживания. Представлены графические зависимости коэффициентов теплоотдачи от поверхности наклонных пластин к пленке и от пленки к газовой среде при свободно-гравитационном стекании жидкости.

Ключевые слова: водомазутные шламы, нефтяные отходы, коррозия, котельные, термическая утилизация, мазут, влагосодержание, обезвоживание, устройство, теплообмен.

Охрана окружающей среды от негативных последствий промышленной деятельности человека является актуальной задачей современности.

Для защиты водных ресурсов необходимо утилизировать водомазутные шламы промышленных предприятий, которые могут быть получены в процессе тонкослойного отстаивания или флотации сточных вод.

В настоящее время отсутствует какой-либо универсальный и экономически оправданный способ утилизации нефтешламов. В каждом конкретном случае, в зависимости от источников образования, времени складирования, целей и задач производства, выбирают определеный метод их утилизации [5].

Для котельных одним из возможных способов утилизации нефтесодержащих отходов является термическое обезвоживание с последующим возвратом нефтяной части в производство в качестве присадок к котельному топливу [8].

Некоторые предприятия используют в качестве метода утилизации прямое сжигание обводненных нефтешламов. Данный метод приводит к ряду негативных последствий — снижению теплоты сгорания и увеличению расхода топлива, а также снижает к.п.д. котельной установки, нарушает режимы горения топлива, повышает коррозию оборудования [4].

В связи с этим оказывается перспективной разработка компактного устройства для обезвоживания водосодержащих нефтяных отходов, которое бы удачно вписывалось в технологическую схему котельной.

Известно устройство для обезвоживания нефти [2], содержащее цилиндрический корпус, насадку, сепарирующее устройство с отбойником, расположенное в верхней части корпуса, штуцеры для ввода и вывода продуктов нефтеподготовки. Недостатком технического решения является неудовлетворительная степень обезвоживания нефтепродуктов.

Также известно устройство для обезвоживания нефти [1], содержащее цилиндрический резервуар, канал подвода водосодер-жащих нефтяных отходов в полость резервуара, распыливающий узел, выполненный с возможностью эжектирования водосодер-жащих нефтяных отходов. К недостаткам данного устройства можно отнести значительную металлоемкость конструкции и неудовлетворительную степень обезвоживания нефтепродуктов из-за использования затопленных струй, что ограничивает зону тур-булизации исходных продуктов, импульсной подачи дренажной воды, что вызывает возникновение переходных гидродинамических процессов и не обеспечивает стационарного режима отделения водной части, периодичности процесса, обусловленной необходимостью ожидания образования промежуточного слоя.

С целью повышения эффективности утилизации водомазут-ных шламов было разработано устройство для их обезвоживания (рис. 1).

Данное устройство работает следующим образом. Предварительно прогревают резервуар 1, для этого теплоноситель, в качестве которого могут быть использованы уходящие дымовые газы с температурой 170—250 °С, подают в полость тонкопленочного испарителя 11 и тарельчатые поддоны 18 через каналы 21, откуда он попадает через патрубки 13 в пространство, образованное резервуаром 1

и внешним корпусом 15, создавая подушку в верхней части этого пространства, и далее выводится наружу. После кратковременного прогрева резервуара 1 включают вакуум-насос (на чертежах не показан) и обеспечивают конечное давление 0,05-0,1 ата.

(шход греющей ~7рёЗы

среды Вход гревшей

йыхсй

обезбожеинаго нефтепродукта

Рис. 1. Устройство для обезвоживания нефтесодержащих отходов: 1 — резервуар, 2 — канал подвода водосодержащих нефтяных, 3 — форсунка, 4 — вертикальная ось, 5 — цилиндрический кожух, 6 — коническое днище, 7 — центральное отверстие, 8 — сквозные сливные отверстия, 9 — сливная зона, 10 — отбойный щит, 11 — тонкопленочный испаритель, 12 — кольцевой газовый короб, 13 - патрубки, 14 — упругие вставки, 15 — внешний корпус, 16 — сквозные каналы, 17 — горизонтальные отбойные щиты, 18 — тарельчатые поддоны, 19 — патрубок, 20 — дренажные патрубки, 21 — каналы

Водосодержащие нефтяные отходы, предварительно подогретые до температуры 100-110 °С, подают через канал подвода 2 на распыливающий узел 3, обеспечивающий образование мелкодисперсного факела распыла. Вследствие значительного превышения температуры кипения воды осуществляется непрерывный процесс объемного вскипания водяной фракции в распыленном мелкодисперсном факеле в полости цилиндрического кожуха 5.

Водяные пары поступают через кольцевой зазор между стенками цилиндрического кожуха 5 и отбойным щитом 10, конденсируются и попадают в патрубок 19, а нефтесодержащая фракция стекает по отбойному щиту 10, попадает в цилиндрический кожух 5, затем опускается по коническому днищу 6, откуда через сквозные сливные отверстия 8 и сквозные каналы 16 кольцевого газового короба 12 поступает в верхнюю секцию тонкопленочного испарителя 11. В процессе равномерного стекания по внешней поверхности тонкопленочного испарителя 11 и тарельчатым поддонам 18 нефтесодержащая фракция теряет влагу вследствие поверхностного кипения водяной фракции, обезвоженный нефтепродукт оседает на дне резервуара 1 и выводится через дренажный патрубок 20, сообщенный с линией отвода нефтепродукта.

Образующиеся в процессе поверхностного кипения водяной фракции водяные пары поднимаются вверх и, проходя между внутренней поверхностью резервуара 1 и стенками цилиндрического кожуха 5, поступают в патрубок 19. Далее цикл повторяется.

Данное устройство позволяет повысить степень обезвоживания водосодержащих нефтяных отходов за счет повышения тепловой эффективности резервуара благодаря утилизации теплоты уходящих дымовых газов. Разработанное устройство защищено патентом на полезную модель Российской Федерации [6].

Для оценки эффективности работы первой ступени можно использовать зависимость, позволяющую определить остаточную концентрацию воды при известном содержании мазутных включений нефтяного шлама в исходном продукте [9]:

(См • см • tм'+ я • св • ^') - (См • см • tм"+ Св "• св • и") = G _ .

R в в V /

где _ = Сисп, кг, количество испарившейся воды; См - содержание мазутной фракции, кг; Св' - исходное содержание во-

ды, кг; Св' - количество оставшейся воды в смеси, кг; см - теплоемкость мазутной фракции, кДж/кгК; св - теплоемкость воды, кДж/кгК; tм' - температура мазута на входе в испарительную камеру, оС; tм" - температура мазута после испарения воды, оС; tв'

- температура воды на входе в испарительную камеру, оС; te" -температура насыщения водяных паров при давлении в камере, оС; R - теплота фазового перехода при давлении в камере, кДж/кг.

Так как происходит одновременное испарение множества капель в среде с неравновесной температурой и концентрацией пара, процесс является нестационарным [10]. Следовательно, данная зависимость может служить только для качественной оценки количества испарившейся воды.

В данной работе представлены зависимости позволяющие количественно оценить эффективность испарения воды на второй ступени устройства.

При движении жидкости по тонкопленочному испарителю число Рейнольдса определяется уравнением [3]:

= 4 (2)

V

где и0 — средняя скорость движения жидкости в пленке; йэкв=4д0

— эквивалентный гидравлический диаметр пленки; ё0 — средняя толщина пленки; V — вязкость жидкости.

При свободно-гравитационном стекании средняя скорость жидкости в пленке составит:

и, = 3 ' (3)

3 V

где gx=g■sma — проекция вектора ускорения свободного падения на направление течения пленки, то есть ось х.

При установившемся режиме течения пленки коэффициент теплоотдачи от стенки устройства к пленке определится уравнением [7]:

а = 8 , (4)

5 5 0

где Хпл — коэффициент теплопроводности пленки, Вт/м2К.

Зная число Рейнольдса, можно определить число Нуссельта [3]:

Ни* = 1,1 Ие пл 1 В то же время: а

Ни* = — X,

>

1/3

(5)

(6)

пл \ о х у

Значит, коэффициент теплоотдачи от пленки к внешней среде определится:

Ни*

^

1/3 ' Хпл .

(7)

V6 х

Полученные графические зависимости коэффициентов теплоотдачи при испарении влаги при свободно-гравитационном стекании жидкости в виде тонкой пленки по наклонным пластинам представлены на рис. 2, 3.

При устан°вившемся Рис. 2. Зависимость коэффициента режиме поток теплоты, пе- теплоотдачи от стенки к пленке редаваемый поперек стен- жидкости от толщины пленки

X

ки,

1 = ТТ ( - (ст2) , ра-

вен потоку теплоты, получаемому пленкой от стен-

X,,

ки

, 1 = ^ ( - (пл) , и ра-

6„„

вен количеству теплоты, передаваемому поперек

пленки, 1 = апл {(пл ) .

2 50,00 200,00 150,00 100,00 50,00 0,00

во

Рис. 3. Зависимость коэффициента ешая систему урав- теплоотдачи от пленки жидкости к

нений:

внешней среде от толщины пленки

ст

X

Ц 5 (ст1 tст2); ст

X

Ц = "5 ((ст2 _ tпл ) ;

пл

а = а (t _t ),

1 пл \ пл X / '

(8)

получим выражение для температуры пленки:

X.

а t

X 5 пл °

а t +1 + пл

пл х ст1 -

t =-

пл

5„ X

5

(9)

—^а

5„ пл X.

а

Ьт 5п,

5ст

Количество теплоты, подводимое к плоскости стенки тонкопленочного испарителя, равно количеству теплоты, затрачиваемому на испарение водной части нефтеводяной эмульсии:

2 = С • г;

{2 = ат • Р • (^ _ts).

Приравнивая эти уравнения, можно найти количество испарившейся влаги с одной секции тонкопленочного испарителя:

(10)

С =

а

(^ _ ts)

кг

(11)

2

где р — площадь поверхности тонкопленочного испарителя, м ; г - скрытая теплота парообразования, кДж/кг.

В результате расчетов по зависимостям (1) и (11) можно сделать вывод, что при распылении на первой ступени при температуре насыщенного пара 85 0С и на пяти пластинах тонкопленочного испарителя с температурой стенки 45 0С, влагосодержание 100 кг исходного продукта снизится с 20 до 5 кг.

X

г

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. А.с. 1233900, Устройство для обезвоживания нефти, МПК B01D 17/04, C10G 33/06, дата публикации 10.06.2013.

2. Заявка на изобретение RU 92006433, Устройство для обезвоживания нефти, МПК B01D 17/035, дата публикации 20.01.1996.

3. Лабунов ДА., Ягов В.В. Механика двухфазных систем: Учебное пособие для вузов - Издательство МЭИ,2000. — 374 с.

4. Лосиков Б.В. Нефтепродукты. Свойства, качество, применение. М. Издательство «Химия», 1966 г. — 776 с.

5. Мухтаров Я.С., Суфиянов Р.Ш., Лашков В.А. Анализ источников образования нефтесодержащих отходов. Вестник Казанского технологического университета. 2012. Т. 15. № 17. С. 220-223.

6. Пат. 145907 Российская Федерация, МПК C02F1/08 (2006.01). Устройство для обезвоживания водосодержащих нефтяных отходов/ Ткач Н.С., Еськин А.А., Тищенко М.В., Слепенчук А.А., Захаров Г .А.; Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Дальневосточный федеральный университет» (ДВФУ) (RU) — № 2013157223/05, заявл. 23.12.2013, Опубликовано: 27.09.2013.

7. Романков П.Г., Фролов В. Ф. Теплообменные процессы химической технологии. — Л.:Химия,1982. — 288 с.

8. Ткач Н.С., Еськин А.А., Рудинков А.С. Экспериментальное исследование влияния влагосодержания на теплотехнические характеристики топочного мазута. Технические науки — от теории к практике / Сб. ст. по материалам XXXIX междунар. науч. — практ. конф. № 10 (35). Новосибирск: Изд. «СибАК», 2014. -80 с.

9. Ткач Н.С., Еськин А.А., Цыганкова К.В. Обезвоживание нефтеводяных эмульсий. Проблемы транспорта Дальнего Востока. Материалы юбилейной десятой международной научно-практической конференции посвященная 200-летию адмирала Г.И. Невельского. 2-4 октября 2013 г. - Владивосток: ДВО Российской Академии Транспорта, 2013. — 220 с.

10. Фукс Н.А. Испарение и рост капель в газообразной среде. Издательство Академии наук СССР. 1958-93 с.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Ткач Надежда Сергеевна — аспирант, tkach_n_s@mail.ru, Еськин Антон Андреевич — аспирант, eskin.aa@dvfu.ru,

Захаров Геннадий Александрович — кандидат технических наук, доцент, профессор, zakharov.ga@dvfu.ru,

Цыганкова Ксения Васильевна — соискатель, ст. преподаватель,

tsygankova_K@mail.ru,

Дальневосточный федеральный университет.

UDC 628.38

HEAT TRANSFER DURING BOILING OF FALLING FILM OF OIL-WATER EMULSION OF BOILERS

Tkach Nadezhda S., aspirant, School of Engineering, Far Eastern Federal University, Russia,

Eskin Anton A., aspirant, School of Engineering, Far Eastern Federal University, Russia, Zakharov Gennady A., professor, School of Engineering, Far Eastern Federal University, Russia,

Tsygankova Ksenia V., aspirant, School of Engineering, Far Eastern Federal University, Russia.

The article is dedicated to increasing the efficiency of utilization of water-oil sludge of the boilers. The device for realization the method of thermal disposal of water-oil sludge, due to adiabatic boiling of sputtering at the first stage and evaporation under vacuum at trickling film in the second stage is presented. The theoretical dependences for qualitative and quantitative evaluation of the effectiveness of the process of dehydration are listed. The graphics dependence of heat transfer coefficients by evaporation of moisture at the gravitational-free liquid trickling into a thin film by the inclined plates are presented.

Key words: water-oil sludge, oily wastes, corrosion, boilers, heat utilization, fuel oil, moisture content, dehydrating, device, heat transfer.

REFERENCES

1. A.s. 1233900, Ustrojstvo dlja obezvozhivanija nefti, MPK B01D 17/04, S10G 33/06, data publikacii 10.06.2013.

2. Zajavka na izobretenie RU 92006433, Ustrojstvo dlja obezvozhivanija nefti, MPK B01D 17/035, data publikacii 20.01.1996.

3. Labunov D.A., Jagov V.V. Mehanika dvuhfaznyh sistem: Uchebnoeposobie dlja vuzov (Mehanika dvuhfaznyh sistem [Mechanics of two-phase systems]: Textbook for high schools). Izdatel'stvo MJel, 2000, 374 p.

4. Losikov B.V. Nefteprodukty. Svojstva, kachestvo, primenenie (Petroleum products. Properties, quality, use). Moscow, Izdatel'stvo «Himija», 1966, 776 p.

5. Muhtarov Ja.S., Sufijanov R.Sh., Lashkov V.A. Analiz istochnikov obrazovanija nefte-soderzhashhih othodov (The analysis of sources of oily waste). Vestnik Kazanskogo tehnologicheskogo universiteta. 2012. T. 15. No 17. pp. 220-223.

6. Tkach N.S., Es'kin A.A., Tishhenko M.V., Slepenchuk A.A., Zaharov G.A. Pat. 145907 Rossijskaja Federacija, 27.09.2013.

7. Romankov P.G., Frolov V.F. Teploobmennye processy himicheskoj tehnologii (Heat exchange processes of chemical technology). Leningrad, Himija, 1982, 288 p.

8. Tkach N.S., Eskin AA, Rudinkov A.S. Jeksperimental'noe issledovanie vlijanija vla-gosoderzhanija na teplotehnicheskie harakteristiki topochnogo mazuta (Experimental study of the effect of moisture content on the thermal performance of fuel oil). Engineering — from theory to practice / Coll. Art. Materials XXXIX Intern. scientific and practical. Conf. Number 10 (35). Novosibirsk, «Seebach», 2014, p.80.

9. Tkach N.S., Eskin A.A., Tsygankov K.V. Obezvozhivanie neftevodjanyh jemul'sij (Dehydration oil-water emulsions). Transport problems of the Far East. Proceedings of the Jubilee tenth international scientific-practical conference dedicated to the 200th anniversary of Admiral GI Nevelsky. October 2-4, 2013, Vladivostok: Far Eastern Branch of the Russian Academy of Transport, 2013, p.220.

10. Fuchs N.A. Isparenie i rost kapel' v gazoobraznoj srede (Evaporation and growth of droplets in a gaseous medium). Publisher Academy of Sciences. 1958, p.93.

УДК 628.339 © А.А.Еськин, Н.С. Ткач, К.В. Цыганкова,

Г. А. Захаров, 2014

СПОСОБ НАПОРНОЙ ФЛОТАЦИИ*

Описана интенсификация очистки сточных нефтесодержащих вод методом напорной флотации. Предложена оригинальная конструкция устройства реализующего процесс насыщения очищаемой жидкости воздухом за счет ее распыливания при избыточном давлении. Рассмотрена возможность повышения эффективности обеззараживания сточных вод за счет использования разрабатываемого устройства.

Ключевые слова: нефтепродукты, доочистка, насыщение воздухом, аэрация, рациональное природопользование, пузырек, сатуратор.

С каждым годом все большее внимание уделяется охране окружающей среды, так согласно Указу Президента РФ [1], рациональное природопользование, включающее в себя технологии мониторинга и прогнозирования состояния окружающей среды, предотвращения и ликвидации ее загрязнения, является одним из приоритетных направлений развития РФ.

В начале XXI века в России существенно замедлилось снижение количества сбрасываемых загрязненных сточных вод [2]. Это связано, прежде всего, с нестабильной и малоэффективной работой очистных сооружений.

* Исследование выполнено при поддержке Программы «Научный фонд» ДВФУ, грант № 12-08- 13023-м-18/13.

Нефтепродукты, содержащиеся в сточных водах различных предприятий, являются одними из наиболее распространенных загрязняющих веществ. Большое количество промышленных предприятий используют для очистки сточных вод простейшие механические методы - отстаивание в буферных прудах и нефтеловушках с тонкослойными элементами. Данные методы очистки не способны обеспечить требуемую конечную концентрацию нефтепродуктов. В связи с этим в технологические схемы очистных сооружений промышленных предприятий необходимо внедрять устройства доочистки нефтесодержащих вод.

Одной из эффективных технологий доочистки является напорная флотация. При доочистке нефтесодержащих вод, представляющих собой устойчивую эмульсию, размер частиц нефтепродуктов в среднем составляет 2-8 мкм. Эффективность очистки будет максимальна, когда диаметр пузырька сопоставим с диаметром частицы. Наименьший диаметр пузырька можно получить при выделении воздуха из жидкости за счет снижения давления над ее поверхностью. Кроме этого, согласно теории Гиббса, для возникновения новой фазы необходимо наличие центров образования, поэтому пузырьки с гораздо большей вероятностью выделятся непосредственно на частицах нефтепродуктов, что так же повышает эффективность напорной флотации [3].

На сегодняшний день метод напорной флотации используется как для очистки сточных вод, содержащих различные загрязняющие вещества, так и для обогащения полезных ископаемых. При этом, с целью повышения степени флотационного извлечения при одновременном снижении энергетических затрат, устройства напорной флотации постоянно совершенствуются .

В работе [4] представлен обзор некоторых тенденций развития устройств физико-химической очистки сточных нефтесодержащих вод, реализующих в том числе и напорную флотацию. В ходе дополнительно проведенного анализа патентной документации можно выделить три основных направления интенсификации устройств напорной флотации (рис. 1).

11апориая флотация 1

Увеличение скоро сш газо нас ышення Комбинация с другими методам 11 очистки 11овышеш1е равномерности рас 11ред е лен! §я пуз ыр ько в

Рис. 1. Современные тенденции развития напорной флотации

Одной из основных тенденций развития является уменьшение времени насыщения воздухом очищаемой жидкости.

Традиционно напорная флотация осуществляется следующим образом [5]. Перед насосом, перекачивающим очищаемую жидкость, подают воздух, который перемешивается с очищаемой жидкостью в насосе. Полученная водовоздушная смесь подается в специальный напорный резервуар (сатуратор), где в течение некоторого времени (3-5 минут) выдерживается до полного растворения воздуха. Сжатый воздух может подаваться напрямую в напорный резервуар, тогда время растворения должно быть увеличено. Насыщенную при избыточном давлении жидкость через редуцирующий клапан направляют во флотационную камеру, находящуюся под атмосферным давлением, где за счет резкого снижения давления происходит выделение пузырьков с дальнейшей флотацией ими эмульгированных нефтепродуктов. Недостатком данного способа является периодичность процесса, вызванная необходимостью затрачивать время на полное растворение воздуха. В случае не соблюдения времени насыщения, часть воздуха может остаться в виде довольно крупных пузырьков, что снизит эффективность флотации.

Для повышения эффективности воздухонасыщения предлагается способ напорной флотации, включающий распыл очищаемой жидкости в напорном резервуаре, находящемся под избыточным давлением воздуха.

Устройство, реализующее данный способ, работает следующим образом (рис. 2). В напорный резервуар 1, находящийся под избыточным давлением воздуха, величину которого можно контролировать с помощью регулятора давления 8, через гидравлическую форсунку 4 подается очищаемая жидкость. Жидкость распыливается в виде факела, при этом образовавшиеся капли имеют крайне малый размер (менее 1 мм), т.е. имеется большая поверхность контакта между жидкой и газовой фазами, вследст-

вие чего жидкость практически мгновенно насыщается воздухом. Стенки напорного резервуара снабжены каплеформирующим кольцевым выступом 10, который препятствует стеканию жидкости по стенкам резервуара, увеличивая тем самым площадь и время контакта между фазами. Насыщенная жидкость по трубопроводу 17 поступает в распределители аэрированной воды 18, располагающиеся в нижней части флотационной камеры 11. Наличие нескольких распределителей повышает равномерность распределения газовой фазы по объему флотационной камеры 11. На каждом распределителе установлен дросселирующий клапан 19, причем устанавливать дросселирующие клапаны следует как можно ближе к флотационной камере, т.к. именно такое расположение снижает коалесценцию зародышевых пузырьков. При поступлении насыщенной жидкости во флотационную камеру, ее давление резкое снижается, в результате чего происходит выделение пузырьков с последующим образованием флотокомплек-сов, которые всплывают на поверхность, благодаря их низкому удельному весу и образуют слой пены. Сфлотированный продукт поступает в кольцевой сборник 15, откуда, за счет уклона, самотеком отводится через патрубок 16. Чистая вода поступает в кольцевой накопительный зазор 12, откуда ее отводят через патрубок очищенной воды 13.

Использование данного устройства позволит увеличить скорость насыщения жидкости воздухом. Кроме этого большая поверхность контакта между фазами может интенсифицировать такие процессы обеззараживания сточных вод как озонирование или УФ-облучение. Как правило, для очистки сточных вод озоном используется контактный резервуар обеспечивающий время контакта не менее 10 минут [6]. В случае добавления озона в напорный резервуар, в котором происходит распыливание жидкости, скорость окисления может увеличиться, а время контакта снизится. Это в конечном итоге может сократить расход озона при повышении эффективности окисления.

Также распыливание может интенсифицировать ультрафиолетовое обеззараживание. Недостатком УФ-очистки является ее неэффективность при высокой мутности сточных вод. Распыли-вание жидкости позволит равномерно обработать ультрафиолетом весь объем очищаемой жидкости.

Рис. 2. Устройство очистки сточных вод напорной флотацией

На сегодняшний день ведется изготовление полупромышленного образца, с помощью которого будут проведены экспериментальные исследования направленные на определение эффективности разработанного способа.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Указ Президента РФ от 07.07.2011 № 899 «Об утверждении приоритетных направлений развития науки, технологий и техники в Российской Федерации и перечня критических технологий Российской Федерации».

2. Израэль Ю.А. Тенденции и динамика загрязнения окружающей среды Российской федерации в начале XXI века. Выпуск 2. Росгидромет, Москва, 2013.

3. Перепелкин К.Е. Газовые эмульсии / К.Е. Перепелкин, В.С. Матвеев // Л., Химия, 1979.

4. Еськин. А.А Тенденции интенсификации физико-химических способов очистки нефтесодержащих вод / А.А. Еськин, А.В. Амёхина, А.А. Слепенчук // Материалы XXII международной заочной научно-практической конференции. «Технические науки — от теории к практике», № 22. С. 56-63. 2013.

5. Рихтер Л А. Охрана водного и воздушного бассейнов от выбросов тепловых электростанций / Л.А. Рихтер, Э.П. Волков, В.Н. Покровский; под ред. П.С. Непорожнего // М.: Энергоиздат, 1981.

6. Спеллман Ф.Р. Справочник по очистке природных и сточных вод. Водоснабжение и канализация. - СПб.: ЦОП «Профессия», 2014.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Еськин Антон Андреевич — аспирант, eskin.aa@dvfu.ru, Ткач Надежда Сергеевна — аспирант, tkach_n_s@mail.ru,

Захаров Геннадий Александрович — кандидат технических наук, доцент, профессор, zakharov.ga@dvfu.ru,

Цыганкова Ксения Васильевна — соискатель, ст. преподаватель,

tsygankova_K@mail.ru,

Дальневосточный федеральный университет.

UDC 628.339 METHOD OF DISSOLVED AIR FLOTATION

Eskin Anton A, aspirant, School of Engineering, Far Eastern Federal University, Russia, Tkach Nadezhda S., aspirant, School of Engineering, Far Eastern Federal University, Russia, Zakharov Gennady A., professor, School of Engineering, Far Eastern Federal University, Russia,

Tsygankova Ksenia V., aspirant, School of Engineering, Far Eastern Federal University, Russia.

The article is devoted to intensification of purification of oily wastewater by dissolved air flotation. The original construction of the device implements the process of saturation of the purifying liquid by spraying it with excess pressure is presented. The possibility of increasing the efficiency of disinfection of wastewater through the use of the developed device is considered.

Key words: oil products, post-treatment, air saturation, aeration, environmental management, bubble saturator.

REFERENCES

1. Ukaz Prezidenta RF ot 07.07.2011 № 899 «Ob utverzhdenii prioritetnyh napravlenij razvitija nauki, tehnologij i tehniki v Rossijskoj Federacii i perechnja kriticheskih tehnologij Rossijskoj Federacii» (RF Presidential Edict No. 899 of 07.07.2011 "On approval of the priority directions of development of science, technology and engineering in the Russian Federation and of the list of critical technologies of the Russian Federation").

2. Izrael Yu. A. Environmental pollution in Russian Federation at the beginning of the XXI century: status and tendencies (Trends and dynamics of environmental pollution in the Russian Federation in the beginning of XXI century), Issue 2, Moscow, 2013.

3. Perepelkin K.E., Matveev V.S. Gazovye jemul'sii (Gas emulsions), Leningrad, Himija,

1979.

4. Eskin A. A., Amyokhina A.V., Slepenchuk A. A Intensification trends of physical and chemical methods for oily waters treatment (Trends of intensification of physico-chemical methods of cleaning oily water), Tehnicheskie nauki - ot teorii k praktike, 2013, No 22, pp. 56-63.

5. Rihter L.A., Volkov Je.P., Pokrovskij V.N., Neporozhnyj P.S. Ohrana vodnogo i voz-dushnogo bassejnov ot vybrosov teplovyh jelektrostancij (Protection of water and air basins from emissions of thermal power plants), Moscow, Jenergoizdat, 1981.

6. Spellman F.R. Handbook of water and wastewater treatment plant operations (Reference for the purification of natural and waste waters. Water and sanitation). Taylor&Francis Group, LLC, 2009.

УДК 697.972

© Е.В.Тарасова, А.С. Штым, 2014

ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ СИСТЕМ КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ С СЕЗОННОЙ АККУМУЛЯЦИЕЙ ЕСТЕСТВЕННОГО ХОЛОДА

Приведена оценка экологической эффективности систем кондиционирования воздуха с сезонной аккумуляцией естественного холода. Оценка экологической эффективности производилась путем сравнения потребления электроэнергии системами кондиционирования с аккумуляцией естественного холода и чиллер-фанкойл, мультисплит системами. Также оценивалось количество условного топлива, сжигаемого для выработки электроэнергии, которую потребляют сравниваемые системы кондиционирования и количество углекислого газа СО2, который образуется при сжигании указанного условного топлива.

Ключевые слова: системы кондиционирования воздуха, сезонная аккумуляция холода, естественные источники холода.

В настоящее время высокие требования к качеству воздуха внутри помещений и постоянно дорожающие энергетические ресурсы приводят к поиску путей энергосбережения в системах кондиционирования воздуха. Одним из способов сокращения энергопотребления системой кондиционирования воздуха (далее СКВ) является использование естественных источников холода, таких как снег и лёд [1]. Используя современные технологии — снег и лёд аккумулируются в холодный период года, сохраняются до теплого периода и используется для охлаждения воздуха в СКВ.

В табл. 1 приведено сравнение технических показателей СКВ с аккумуляцией естественного холода и чиллер-фанкойл, муль-тисплит системами. Основным преимуществом системы кондиционирования с аккумуляцией естественного холода является малое потребление энергии, которое в 2—12 раз ниже, чем для системы чиллер-фанкойл и мультисплит [2]. В условиях летнего пика потребления электроэнергии использование аккумулированного естественного холода является более приемлемым, чем получение холода с помощью холодильной машины. Надежность та-

кой системы выше, так как конструкция источника холода - хо-лодохранилища, достаточно простая.

Главным недостатком холодохранилищ являются их относительно большие размеры. Это ограничивает применение аккумуляторов естественного холода в условиях плотной городской застройки, однако является приемлемым для неплотной застройки, отдельно стоящих зданий, зданий аэропортов, овощехранилищ, частных домов и др.

Таблица 1

Технические показатели систем кондиционирования воздуха

№ Показатель Чиллер-фэнкойл Система с льдохранилищем Мультисплит

1 Потребление При номи- На 1 кВт потреб- При номиналь-

электроэнер- нальных пара- ляемой электри- ных параметрах

гии метрах на 1 ческой мощности на 1 кВт по-

кВт потреб- приходится 7-15 требляемой

ляемой элек- кВт нагрузки по электрической

трической охлаждению по- мощности при-

мощности мещения при ох- ходится 3-3,8

приходится лаждении внутри кВт нагрузки по

2,2-2,7 кВт на- холодохранили- охлаждению

грузки по ох- ща воздуха и помещения [4]

лаждению по- 10-30 кВт при

мещения [3] охлаждении внутри холодо-хранилища жидкого холодоноси-теля

2 Пересушивание воздуха Отсутствует Отсутствует Наличие эффекта пересушки воздуха вблизи кондиционера

3 Размеры обо- Относительно Размеры холодо- Относительно

рудования малые размеры хранилища в сотни раз больше размеров чиллера или наружного блока мультис-плит системы малые размеры

Окончание табл. 1

№ Показатель Чиллер-фэнкойл Система с льдохранилищем Мультисплит

4 Надежность Снижение надежности за счет использования сложного электронного оборудования и многоконтурной системы Высокая, так как конструкция источника холода -холодохранили-ща, достаточно простая. Снижение надежности за счет использования сложного электронного оборудования

5 Ремонт Высокотехнологичное оборудование усложняет процесс ремонта и обслуживания Относительно просто, так как конструкция источника холода -холодохранили-ща, достаточно простая. Высокотехнологичное оборудование усложняет процесс ремонта и обслуживания

6 Безвредность холодоносите-ля (в случае повреждения системы) Безвредный Безвредный Используется фреон, который обладает ядовитыми свойствами

Одним из показателей положительного эффекта энергосбережения СКВ с аккумуляцией естественного холода является количество сэкономленного топлива, которое используется на ТЭЦ для производства электроэнергии.

Экономия топлива при сопоставлении систем создания микроклимата с помощью холодильных машин и систем определяется [5]:

АО

АО = , (1)

Ц у.т.

где АОут — экономия величины теплоты топлива на ТЭЦ для получения электроэнергии для сравниваемых систем; цут — удельная теплота сгорания топлива, кДж/кг.

Из рассмотрения отдельных видов топлива, начиная с древесины и кончая нефтяными остатками, видно, что теплотворная способность их рабочего состава изменяется в весьма широких пределах: для дров и торфа она равна около 3 000 ккал/кг, доходя для мазута до 10 000 ккал/кг. Даже у одного и того же вида топлива теплотворная способность сильно колеблется в зависимости от засоренности золой и главным образом влагой. Поэтому для возможности получения сравнимых между собой величин, принято условное топливо с qут = 7 000 ккал/кг или

29330 кДж/кг [6].

Используя коэффициент полезного действия производства электроэнергии пзз величина AQ т выражена как:

АО = (2)

П ,

133

где АОзк — экономия электроэнергии при работе сравниваемых систем, кДж:

АОзк = Ок - Ох , (3)

где Ок — величина потребляемой электроэнергии сравниваемой системы кондиционирования, кДж; Ох — величина потребляемой электроэнергии системой создания микроклимата с использованием аккумуляции снега и льда, кВт:

Ох = , (4)

Фх

где фх — коэффициент преобразования электроэнергии для сравниваемой системы кондиционирования, принят равным 3; Охол — величина полезного холода, поставляемого системой создания микроклимата, кВт.

После подстановки (2) - (4) в (1) получено:

Ох

х

( 1 1 >

АО = А°т = Фх, , (5)

q у.т Пээ q у .т

В системе создания микроклимата с использованием аккумуляции снега и льда:

Охол ОистП , (6)

где Ожт — полезно использованный холод в системе СКВ, кДж, п — коэффициент эффективности теплоизоляции — отношение полезно-использованного холода к общему запасу холода или, иными словами, это отношение объема льда (снега), который будет использован для охлаждения помещения, к объему льда (снега), который будет запасен в холодный период года.

Выражение (5) преобразовано с учетом уравнения (6):

ОистПх

Г1 ^

АО =-^-^ (7)

ПээЦ у .тфк

или, пренебрегая величиной получения холода в результате нагрева талой воды:

( Ф \

а т п

1 ист ист \х

1

АО =-^-^ (8)

ПээЧу.т^к ,

где аист. — удельная теплота фазового перехода льда или снега;

„ ОС + О с

С =-— масса снега или льда.

п О + Ое

Выражение (8) является искомой величиной экономии топлива при использовании заданной массы льда или снега.

На рис. 1 приведена диаграмма экономии условного топлива системой создания микроклимата с использованием аккумуляции снега или льда в расчете на одну тонну аккумулированного естественного источника холода при различных а = —— .

С:Р:

Уменьшение потребления условного топлива СКВ с использованием аккумуляции снега или льда может достигать 9,3 кг у.т. на одну тонну запасенного снега или льда.

Рис. 1. Диаграмма экономии условного топлива СКВ с использованием аккумуляции снега и льда

Рассчитаны уменьшение выбросов СО2 при работе системы создания микроклимата с использованием аккумуляции естественного холода по сравнению с работой системы чиллер-фэнкойл. Уменьшение выброса СО2 в весовых единицах, кг/(тонна льда) [7]:

Е = МКгТНЗК2-44/12, (8)

где М — масса сэкономленного условного топлива, кг; К1 — коэффициент окисления углерода в топливе (показывает долю сгоревшего углерода), принят 0,98 [7]; ТНЗ — теплотворное нетто-значение (Дж/тонн), принято 29,309-109 Дж/тонн [7]; К2 — коэффициент выбросов углерода (тонн/Дж), принято 20-10 тонн/Дж [7]; 44/12 — коэффициент пересчета углерода в углекислый газ (молекулярные веса соответственно: углерод — 12 г/моль, О2 = 2 х 16 = 32 г/моль, СО2 = 44 г/моль).

На рис. 2 приведена диаграмма уменьшение выбросов СО2 при работе системы создания микроклимата с использованием аккумуляции снега или льда в расчете на одну тонну аккумулированного естественного источника холода при различных

г 4ах 1 =

Снижение выбросов СО2 СКВ с использованием аккумуляции снега или льда может достигать 19 кг на одну тонну запасенного снега или льда.

3 S 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 17 23 31

Ч>,

Рис. 2. Диаграмма снижения выбросов СО2 при работе системы создания микроклимата с использованием аккумуляции снега или льда

Таким образом, проведенный анализ показывает высокую экологическую эффективность систем кондиционирования воздуха с сезонной аккумуляцией естественного холода по сравнению с системами чиллер-фанкойл и мультисплит системами.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. шшйй - х^р

2003.3.20. ШкИр111.

2. Тарасова Е.В. Системы кондиционирования воздуха с сезонными аккумуляторами естественного холода: Дис... канд. техн. наук. Владивосток., [Место защиты: Тюменский государственный архитектурно строительный университет]. — Владивосток, — 2013. — 151 с.

3. Белова Е.М. Системы кондиционирования воздуха с чиллерами и фэн-койлами / Е.М. Белова. — М.: Евроклимат. — 2003. - 400 с.

4. Различные показатели энергоэффективности кондиционеров [Электронный ресурс] / Интернет журнал «Мир климата», № 68. — Режим досту-m:http://www.mk-klima1a.com/archive/number68/aiticle/num_17.

5. Горшков В.Г. Тепловые насосы. Аналитический обзор / В.Г. Горшков // Справочник промышленного оборудования. — 2004. — № 2. — С. 47—80.

6. Киселев Н.А. Котельные установки: Учеб. пособие для подгот. рабочих на пр-ве. - 2-е изд., перераб. и доп. / Н.А. Киселев - М.: Высш. Школа, 1979. - 270 с.

7. Методика расчета выбросов парниковых газов: Утверждена приказом Министра охраны окружающей среды Республики Казахстан от 24 ноября 2009 года № 251-п.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Штым Алла Сильвестровна — кандидат технических наук, доцент, профессор, shtym_alla@mail.ru,

Тарасова Елена Владимировна — кандидат технических наук, доцент, lotos.t.e@mail.ru,

Инженерная школа, Дальневосточный федеральный университет.

UDC 697.972

ENVIRONMENTAL EFFICIENCY OF AIR CONDITIONING SYSTEMS WITH SEASONAL ACCUMULATION OF NATURAL COLD

Shtym Alla S., professor, School of Engineering, Far Eastern Federal University, Russia, Tarasova Elena V., assistant professor, School of Engineering, Far Eastern Federal University, Russia.

The article presents the evaluation of the environmental efficiency of air conditioning systems with seasonal accumulation of natural cold. Evaluation of environmental efficiency by comparing the energy consumption air conditioning systems to the accumulation of natural cold and chiller-fan coil, multi-split systems. Also estimated the number of conditional fuel burned to generate electricity that is consumed compared conditioning system and the amount of carbon dioxide CO2, which is produced from the burning of this fuel equivalent.

Key words: air conditioning, seasonal accumulation of cold, natural sources of cold.

REFERENCES

1. m w ^ a r^ij w i ^ # imj — w < rn rn, s m xm x

^ * X i* x ^ S, (#) T 4 V — Y, 2003.3.20. M 1, WJ p111.

2. Tarasova E.V. Sistemy kondicionirovanija vozduha s sezonnymi akkumuljatorami estestvennogo holoda (Air conditioning systems with seasonal accumulators natural cold): Dis... kand. tehn. nauk. Vladivostok., [Mesto zashhity: Tjumenskij gosudarstvennyj arhitekturno stroitel'nyj universitet]. Vladivostok, 2013. 151 p.

3. Belova E.M. Sistemy kondicionirovanij a vozduha s chillerami i fjenkojlami (Air-conditioning system with chiller and fan coils)/ E.M. Belova. Moscow: Evroklimat, 2003, 400 p.

4. Razlichnye pokazateli jenergojeffektivnosti kondicionerov (Various energy efficiency of air conditioners) [Jelektronnyj resurs] / Internet zhurnal «Mir klimata», No 68. — Rezhim dostupa:http://www.mir-klimata.com/archive/number68/article/num_17.

5. Gorshkov V.G. Teplovye nasosy. Analiticheskij obzor (Heat pumps. Analytical review)/ V.G. Gorshkov // Spravochnik promyshlennogo oborudovanija, 2004, No 2, pp. 47—80.

6. Kiselev N. A. Kotel'nye ustanovki (Boiler systems): Ucheb. posobie dlja podgot. rabo-chih na pr-ve. 2-e izd., pererab. i dop. / N.A. Kiselev. Moscow: Vyssh. Shkola, 1979, 270 p.

7. Metodika rascheta vybrosov parnikovyh gazov (Method of calculation of greenhouse gas emissions): Utverzhdena prikazom Ministra ohrany okruzhajushhej sredy Respubliki Ka-zahstan ot 24 nojabrja 2009 goda No 251-p.

УДК 536.242:631.243.4

© А.В. Кобзарь, 2014

МЕТОДИКА РАСЧЕТА ТЕПЛОВОГО СОСТОЯНИЯ ПРОДУКЦИИ В КОНТЕЙНЕРАХ

Представленное решение задачи нестационарного теплообмена при вынужденной конвекции в слое продукции дает возможность найти предельные параметры процесса: максимальную высоту слоя продукции при заданной продолжительности процесса охлаждения; минимальную длительность процесса охлаждения для слоя продукции определенной высоты; минимальную скорость охлаждения воздуха для слоя определенной высоты при известной длительности процесса.

Ключевые слова: нестационарный теплообмен, тепловое состояние, продукция, процесса охлаждения, скорость охлаждения, длительности процесса.

В связи с развитием программы импортозамещения продукции сельского хозяйства довольно остро встал вопрос о сохранности этой продукции. Полученная методика позволяет довольно точно рассчитать параметры хранения плодоовощной продукции при размещении ее в контейнерах (таре), уменьшить энергетические затраты в процессе хранения и определить наиболее эффективную систему воздухораспределения в хранилище.

На основании аналитических зависимостей для расчета нестационарного температурного поля в насыпном слое сочной растительной продукции при хранении в контейнерах, приведена методика расчета теплового состояния продукции в контейнерах при заданном времени охлаждения т. [1]

Результаты этого расчета позволяют проводить анализ и выбор системы воздухораспределения в хранилище.

Основные положения методики.

1. Определяются теплофизические свойства продукции.

Эффективная теплопроводность слоя продукции [2]

где п = 3Х/(2Х+Х); X — теплопроводность продукции, Вт/(мК).

(1)

Удельная теплоемкость (по правилу аддитивности) С = ^ , Дж/(кг-К), (2)

Температуропроводность

а = , м2/с (3)

2. Рассчитываются значения критериев и постоянных. Критерий Фурье

К = — (4)

К0 Ы , (44)

п

где кк — высота слоя продукции в контейнере, м. Критерий Пекле

Р. = Свр^Г . (5)

2Л п

Критерий Остроградского

0 =_^л-Ьк__(6)

0 (-Тк) . ( ) Геометрические симплексы

Л,=^; (7)

Л,=Ьт . (8)

и п

3. Определяются безразмерные значения температур 0 ,01,02,0з при условиях: 0с = 0; 9о = 1 .

Для случая, когда 05 = 0 расчет производится по зависимостям (9), (10) — (12).

0 = 01 ()02 (X)0з (У-К ), (9)

01 =0С + -4 (00-0С )( - г2 )ехр [-(2,5 + 0,938Р) ] , (10)

02 =0с + 5(00 -0с)(1 -X2)ехр(-2,5Л^), (11)

03 = 6С + 5 (00 -ес )( - У2 )ехР (-2,5^2 К), (12)

Если 08 Ф 0 , то по зависимостям (9), (11), (12), (13). е = ес +4 (00-0С )(1-22 )ехр [-(2,5 + 0,938Рв ))0 ] +

05

2 + 0,75Р "(1 - 22) - ехР[-(2,5 + 0,938Рв)]} . (13)

4. Определяется значение температуры воздуха и продукции на выходе из слоя

Т = Тк+0 (Т0 - Т,), °С (14)

Пример расчета 1.

Рассмотрим пример расчета теплового состояния картофеля в контейнере при заданном времени охлаждения т = 14400 с (4 часа). Картофель хранится в контейнере СП-5-0,60-2. Начальная температура продукции в контейнере То= 4 °С. В хранилище подается воздух с температурой Тс = Тк = 2 °С. Высота слоя продукции в контейнере 0,7 м. Скорость воздушного потока в контейнере = 0,08 м/с.

Необходимо определить температуру продукции через 4 часа после начала вентилирования.

Выполним расчет.

1. Теплофизические свойства продукции.

Физические свойства картофеля принимаем по данным [3]

Эффективная теплопроводность слоя продукции:

X = 0,63 Вт/(м К); Хв = 0,02416 Вт/(мК);

п = 3Х/(2Хв +Х) = 3-0,63 / (2-0,02416+0,63)=2,7863;

X п = X

1-(1-пХ в/Х) , Вт/(м К);

1+(п-1)в

Хп = 0,63-[1-(1-2,7863-0,02416/0,63)-0,36] / [1+(2,7863-1)-0,36] = =0,2601 Вт/(мК).

Удельная теплоемкость:

С = ОС + О^ , Дж/(кг-К);

п О + О ^ '

Сп = [1095-(1-0,36)-3560+1,278-0,36-1005]/[1095-(1-0,36)+ +1,278-0,36] = 3558,3 Дж/(кг-К). Температуропроводность:

а = , м2/с;

СпРп

а = 0,2601/[3558,3-1095-(1-0,36)] = 1,04322-10-7 м2/с. 2. Значения критериев и постоянных. Критерий Фурье при кк = 0,7 м

К = 4ат

= К ;

К0 = 4-1,04322-10-7-14400 / 0,72 = 0,01226. Критерий Пекле:

Р. = С, р,^;

2 Л„

р = 1005-1,2781-0,08-0,7 / (2-0,2601) =138,28. Геометрические симплексы: Л, = ^ ; Л, = 0,7 / 1,2 = 0,583;

I п

Л, = |п ; Л, = 0,7 / 0,8 = 0,875.

' Ь п

3. Безразмерные значения температур 0 , 01,02,03 при условиях: 0, = 0; 00 = 1 .

По рис. 1 определяем, что при ws = 0,08 м/с суммарная мощность источников и стоков теплоты в картофеле q ~ 0 Вт/кг (д( ~ «0 Вт/м3). Следовательно, при принятых условиях задачи 05 = 0. Тогда

01 =0С + 5 (00-0С )( - г2 )ехр [-(2,5 + 0,938Р, )) ] =

= 5/4-(1-0)-ехр[-(2,5+0,938-138,28)-0,01226] = 0,247; 02 =0с + -4 (00-0с )(1 - X2 )ехр (-2,5Л, К ) = = 5/4-(1-0)-ехр(-2,5-0,5832-0,01226) = 1,237;

а. Вт'и

Рис. 1. Суммарная мощность источников и стоков теплоты в насыпи картофеля

9з -0С

-(00-0С )( - У2 )ехР(-2,5^,2Я)

= 5/4-(1-0)-ехр(-2,5-0,8752-0,01226) = 1,221.

Вследствие того, что начальное условие удовлетворяется в среднем, а не точно, в2 и в3 больше 1. Поэтому принимаем в2 и в3 равным 1. Тогда

0 = 01 (X-Я0)02(X-Я0)03(У-Я0)- 0,247-1-1 = 0,247.

4. Температура воздуха и продукции в центре контейнера

Т = Тк+0 ((0-Тк) = 2 + 0,247-(4-2) = 2,49 °С.

Пример расчета 2

Выполним расчет теплового состояния картофеля в контейнере при времени охлаждения т = 43200 с (12 часов) и скорости воздушного потока в контейнере ws = 0,01 м/с. Остальные исходные данные соответствуют данным примера расчета 1.

Необходимо определить температуру продукции через 12 часов после начала вентилирования.

Выполним расчет.

Критерий Фурье:

= 4ах

0 = тг

Я ; Я = 4-1,04322-10-7-43 2 00 / 0,72 = 0,03 6 79.

К

Таблица 1

Расчет мощности источников и стоков теплоты

т, С С И>£, м/с а, Вт/(м2К) Ч, Вт/кг Чт Вт/кг с/,,». Вт/кг <■/,,, Вт/кг

2 0 0,01 2,93677 0,01113 0,01912 -0,00183 -0,00616

2 1 0,01 2,93677 0,01113 0,01912 -0,00183 -0,00616

2 2 0,01 2,93677 0,01113 0,01912 -0,00183 -0,00616

2 3 0,01 2,93677 0,01113 0,01912 -0,00183 -0,00616

2 4 0,01 2,93677 0,01113 0,01912 -0,00183 -0,00616

2 2 0,01 2,93677 0,01113 0,01912 -0,00183 -0,00616

2 2 0,02 3,992491 0,00891 0,01912 -0,00183 -0,00838

2 2 0,03 4,779054 0,00726 0,01912 -0,00183 -0,01003

2 2 0,04 5,654126 0,00543 0,01912 -0,00183 -0,01186

2 2 0,05 6,429101 0,00380 0,01912 -0,00183 -0,01349

2 2 0,1 9,453114 -0,00254 0,01912 -0,00183 -0,01983

2 2 0,2 13,54001 -0,01111 0,01912 -0,00183 -0,02840

2 2 0,3 16,45166 -0,01722 0,01912 -0,00183 -0,03451

4 0 0,01 2,93677 0,01246 0,02163 -0,00207 -0,00710

4 1 0,01 2,93677 0,01246 0,02163 -0,00207 -0,00710

4 2 0,01 2,93677 0,01246 0,02163 -0,00207 -0,00710

4 3 0,01 2,93677 0,01246 0,02163 -0,00207 -0,00710

4 4 0,01 2,93677 0,01246 0,02163 -0,00207 -0,00710

4 2 0,01 2,93677 0,01246 0,02163 -0,00207 -0,00710

4 2 0,02 3,992491 0,00991 0,02163 -0,00207 -0,00965

4 2 0,03 4,779054 0,00801 0,02163 -0,00207 -0,01155

4 2 0,04 5,654126 0,00589 0,02163 -0,00207 -0,01367

4 2 0,05 6,429101 0,00402 0,02163 -0,00207 -0,01554

4 2 0,1 9,453114 -0,00329 0,02163 -0,00207 -0,02285

4 2 0,2 13,54001 -0,01317 0,02163 -0,00207 -0,03273

4 2 0,3 16,45166 -0,02021 0,02163 -0,00207 -0,03977

Примечание. - теплота дыхания продукции, Вт/кг; дид - теплота, расходуемая на испарение влаги в процессе дыхания, Вт/кг; qu - теплота, расходуемая на испарение влаги с поверхности продукта, Вт/кг.

(Л (Л

Критерий Пекле:

P. = СрвWh ; Рв= 1005-1,2781-0,01-0,7 / (2-0,2601) =17,285.

2, n

По табл. 1 определяем, что при we = 0,01 м/с суммарная мощность источников и стоков теплоты в насыпи картофеля q = 0,01113 Вт/кг (qv = 0,01246-1095-(1-0,36) = 8,73 Вт/м3).

Критерий Остроградского:

^ = „ С1]('! г ) ; °s = 8,73-0,72 / [4-0,2601-(4-2)] = 2,056.

4,П Л1 0 1 к)

е = ес + 4(е0 "0С)(-Z2)exp[-(2,5 + 0,9380,))] +

+ 2 + о,7Щ (1 -Z2)i^_exP[~(2,5 + 0,938°,)]} =

= 5/4-(1-0)-exp[-(2,5+0,938-17,285)-0,03679]+[2,056 / (2+0,75-17,285)]-

{1 - ехр[-(2,5+0,938-17,285)- 0,03679]} = 0,696;

T = TK+ 0 ((0-TK) = 2 + 0,696-(4-2) = 3,39 °С.

Величину q для режима хранения большинства видов сельскохозяйственной продукции можно принять постоянной. Оценим приближенно допущение, что q = const. Покажем это на примере картофеля со следующими характеристиками:

q0 = 16,910-3 Вт/кг - [2,с.29]; рс = 700 кг/м3; r0 = 2,6-106 Дж/кг; № =0,0383-10-6; su = 0,012; 6=0,0617; <рен = 0,85.

Результаты расчета при различных исходных данных приведены в табл. 1. Как следует из полученных сведений суммарная мощность источников и стоков теплоты зависит, в основном, от скорости движения воздуха рис. 1.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Кобзарь А.В. Теоретическое описание процесса нестационарного теплообмена при вынужденной конвекции в слое продукции.// Вестник инженерной школы ДВФУ. 2013. № 4 (17). - с. 19-24.

2. Алямовский И.Г. Теплообмен при охлаждении картофеля и овощей в насыпном слое//Холодильная техника. - 1973. - № 5. - С.24-27.

3 Волков М.А. Тепло- и массообменные процессы для хранения пищевых продуктов. - М.: Легкая и пищевая промышленность, 1982. - 272 с.

КОРОТКО ОБ АВТОРЕ

Кобзарь Александр Владимирович - кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой, Инженерная школа, Дальневосточный федеральный университет, kobz13@yandex.ru.

UDC 536.242:631.243.4

METHOD OF CALCULATING THE THERMAL STATE OF PRODUCTS IN CONTAINERS

Kobzar Aleksandr V, Head of the department «Engineering systems of buildings and structures», Associate Professor, School of engineering (Far Eastern Federal University, kobz13@yandex.ru, Russia.

Represented solution of the problem unsteady heat transfer during a forced convection in a layer of products allows you to find the limiting parameters of the process: the maximum height of the layer of products for a given duration of the cooling process; the minimum duration of the cooling process for the product layer a certain height; the minimum rate of cooling air for the layer a certain height with a certain duration of the process.

Key words: unsteady heat transfer, thermal state, production, process cooling, cooling rate, duration of the process.

REFERENCES

1. Kobzar' A.V. Teoreticheskoe opisanie processa nestacionarnogo teploobmena pri vynuzhdennoj konvekcii v sloe produkcii (Theoretical description of the process of non-stationary heat exchange during forced convection in the layer of a product) // Vestnik inzhenernoj shkoly DVFU. 2013, No 4 (17), pp. 19-24.

2. Aljamovskij I.G. Teploobmen pri ohlazhdenii kartofelja i ovoshhej v nasypnom sloe (Heat transfer during cooling of potatoes and vegetables in bulk layer) //Holodil'naja tehnika, 1973, No 5, pp.24-27.

3 Volkov M.A. Teplo- i massoobmennye processy dlja hranenija pishhevyh produktov (Heat and mass transfer processes for storage of food products). Moscow: Legkaja i pishhevaja promyshlennost', 1982, 272 p.

УДК 621.512

© В.П. Черненков, И.Д. Лихачев, Д. А. Макаров, Д.О. Ревенко, 2014

ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ СИСТЕМ ЦЕНТРАЛИЗОВАННОГО ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ ЗА СЧЕТ РЕКУПЕРАЦИИ ИЗБЫТОЧНОГО НАПОРА

Подавляющее большинство систем теплоснабжения в России являются централизованными. Характерной особенностью централизованных систем теплоснабжения являются большие потери, связанные с транспортировкой теплоносителя на большие расстояния. Когда речь идет об энергосбережении в системах теплоснабжения, одним из самых актуальных направлений являются тепловые сети [1]. В данной статье рассмотрен один из способов повышения энергетической эффективности тепловых сетей с зонирующими подстанциями, обеспечивающими необходимые параметры теплоносителя для потребителей при сложном рельефе местности. Использование устройства, позволяющее осуществлять рекуперацию избыточного напора в тепловых сетях с зонирующими подстанциями, обеспечивающими необходимые параметры теплоносителя в районах со сложным рельефом местности.

Ключевые слова: гидротурбина, давление, дросселирование, напор, регулирующие клапаны, гидравлическое сопротивление.

С недавних пор в РФ наблюдается тенденция к повышению энергетической эффективности, надежности и экологической безопасности всех сфер энергетики. Этому поспособствовали ФЗ - 261 «Об энергоснабжении и повышении энергетической эффективности» и «Энергетическая стратегия России на период до 2030 года». Многие ученые в различных сферах науки и техники заняты поисками новых источников энергии и решением различных вопросов энергосбережения.

Для централизованного теплоснабжения характерны высокие параметры теплоносителя в магистральных трубопроводах. Это необходимо для того, чтобы обеспечить требуемые параметры в месте подключения самого удаленного от источника тепла потребителя. Абоненты, подключенные к тепловой сети в любой точке, кроме конечной, получают теплоноситель с избыточным

давлением, которое регулируется гидравлической автоматикой, установленной в индивидуальных тепловых пунктах (далее ИТП). В тех случаях, когда невозможно или не целесообразно увеличивать давление на магистральных участках с целью снабжения последнего (конечного) абонента (например, в случае, когда абонент или группа абонентов находится на возвышенности), устраиваются насосно-дросселирующие подстанции (далее НДП). Основное оборудование таких подстанций представляет собой группу насосов, установленных на подающем трубопроводе, и гидравлический регулятор на обратном трубопроводе. В настоящее время как в ИТП, так и в НДП чаще всего используются регуляторы, работающие по принципу дросселирования. В этом случае избыточный напор срабатывается за счет уменьшения проходного сечения трубопровода, что способствует нагреву регулятора и, как следствие, диссипации энергии в окружающую среду. Процесс дросселирования является необратимым процессом, сопровождающимся диссипацией энергии и потерей части располагаемой работы, причем чем больше дросселирование, тем больше потери работы, следовательно, дросселирование в любых процессах неэкономично.

Использование мини гидравлической турбины для демпфирования избыточного давления трубопроводов позволит использовать энергию, затрачиваемую на преодоление силы сопротивления, позволит снизить потери располагаемой работы. Так же использование гидравлических турбин соответствует всем требованием регулирования давления в тепловых сетях. Гидравлическая турбина выполняет функцию, традиционно используемых дросселирующих устройств, на которых происходит потери энергии рабочего потока. Срабатываемый на гидротурбине перепад давления трансформируется в электрическую энергию, при этом обеспечивается заданный закон регулирования, соответствующий работе штатных дросселей (рис. 1).

На рисунке показан один из способов установки турбины в НДП. При условии достаточной оптимизации схемы и оборудования, можно получить КПД установки в 70%, что позволит за-питать электричеством два из трех насосов, установленных на подающем трубопроводе.

Рис. 1. Схема установки гидротурбины на НДП

На поверочно-расходомерной установке «ДВГТУ - ЭСКО» был проведен ряд испытаний, показывающих возможности гидротурбины в качестве регулирующего устройства (рис. 2).

Полученная зависимость перепада напора от присоединенной электрической нагрузки говорит о том, что гидротурбина, вырабатывая электричество, способна поддерживать нужный гидравлический режим тепловой сети.

Новый способ полезного использования избыточного напора, который является объектом изучения в данной работе, заключается в следующем: гидравлическая турбина не подключается к генератору, а взамен этому соединена валом с рабочим колесом насоса, которое, в свою очередь, не подключено к электроприводу (рис. 4).

Предполагается, что регулирование потока на выходе из турбины будет осуществляться с помощью механического редуктора, расположенного на валу. При этом значительно сокращаются потери энергии, связанные с её трансформацией из одной формы в другую.

Зависимость перепада давления от ли, м присоединенной нагрузки

з

Я, Ом

Рис. 2. Зависимость перепада давления на гидравлической турбине от присоединенной электрической нагрузки

Рис. 3. Схема работы насосно-дросселирующей подстанции с механическим редуктором

С целью исследования работы устройства, позволяющего полезно использовать избыточный напор в тепловых сетях с зонирующими подстанциями, обеспечивающими необходимый гидравлический режим системы теплоснабжения в районах со сложным рельефом местности, была создана экспериментальная установка (рис. 4).

Система заполняется водой из бака заполнения системы 6, насос 4 закачивает воду в бак, имитирующий потребителя верхней зоны 7, создавая при этом гидродинамический режим работы системы. Бак 7 находится на отметке +4.000 м. Далее вода с избыточным напором в 4 м проходит через турбину 1, в качестве которой взят циркуляционный центробежный насос фирмы поставленный «наоборот» против потока. Турбина 1 преобразует кинетическую энергию потока воды в работу вала. В механическом редукторе 3 происходит преобразование крутящего момента, который, далее, передается на нагнетатель 2. Для измерения и контроля основных параметров используются водомер 5 и пьезометры 9. Установка оснащена запорной арматурой 8 для удобства обслуживания.

Целью эксперимента было исследование параметров потока среды и эффективности устройства для перемещения кинетической энергии из одного трубопровода в другой по средствам механической связи, а так же выявление возможного диапазона гидравлического регулирования при применении преобразователя крутящего момента механической связи при разных гидродинамических режимах работы системы.

С целью обеспечения необходимой точности, испытания проводились по 5 раз в каждом из трех положений механического редуктора.

Перепад давлений на турбине вычисляется как разность показаний пьезометров 9.5 и 9.4.

Таблица 1

Положение редуктора Показания пьезометров ЛР турбины

9,4 9,5 м

1 1,824 3,502 1,678

2 1,972 3,464 1,492

3 2,152 3,402 1,25

Перепад, создаваемый нагнетателем, вычисляется как разность показаний пьезометров 9.2 и 9.1.

Таблица 2

Положение редуктора Показания пьезометров ЛР нагнетателя

9,2 9,1 м

1 0,941 0,424 0,517

2 0,857 0,430 0,427

3 0,748 0,430 0,318

Технический КПД устройства можно вычислить как разность перепадов на нагнетателе и турбине.

п _ Дрнагнетателя # 100^^

турбины

Таблица 3

Положение редуктора ЛР нагнетателя ЛР турбины л

м м %

1 0,517 1,678 30,80

2 0,427 1,492 28,60

3 0,318 1,25 25,40

Наиболее наглядно результаты опытов целесообразно представить в виде графической зависимости.

Как видно из представленных табл. 1-3 и графиков (рис. 5,6) способ регулирования устройства, рекуперирующего избыточный напор, с помощью механического редуктора позволяет в значительной мере изменить гидравлическое сопротивление турбины с незначительным снижением КПД.

Рис. 5. График зависимости перепада давлений на турбине от положения редуктора

Рис. 6. График зависимости технического КПД от положения редуктора

Одним из возможных применений устройства, позволяющего полезно использовать избыточный напор, является его установка взамен всех регулирующих устройств, там, где это возможно. Следует так же отметить, что полученную работу вследствие регулирования с помощью турбины можно направить на генератор для получения электрической энергии или на любое другое устройство, позволяющее полезно её использовать.

Таким образом, можно добиться существенного снижения необратимых потерь энергии в трубопроводных системах.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Волков А. В., Парыгин А. Г., Рыженков В. А., Щербаков С. Н. Получение электрической энергии в системах тепло- и водоснабжения на основе рекуперации избыточного магистрального давления //Новости теплоснабжения. -2007 - №10. - С.46-50.

2. Каганович Б.М., Кейко А.В., Шаманский В.А. Равновесное термодинамическое моделирование диссипативных макроскопических систем. - Иркутск: ИСЭМ СО РАН, 2007. - 76с.

3. Манюк В.И., Каплинский Я.И. Наладка и эксплуатация водяных тепловых сетей. Справочник.

4. Козин В.Е., Левина Т.А. Теплоснабжение.

5. Соколов Е.Я. Теплофикация и тепловые сети.

6. СП 41-101-95. Проектирование тепловых пунктов.

7. http://www.inset.ru/r/index.htm. Проектирование, серийное изготовление и монтаж мини ГЭС и микро ГЭС.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Черненков Владимир Петрович - кандидат технических наук, доцент, профессор, cvp_dv@mail.ru,

Лихачев Илья Дмитриевич - аспирант, likhachev_07@mail.ru, Макаров Дмитрий Александрович - аспирант, makentosh101@mail.ru,

Ревенко Денис Олегович - студент, walkman_@mail.ru,

Инженерная школа, Дальневосточный федеральный университет.

UDC 621.512

INCREASING THE ENERGY EFFICIENCY OF DISTRICT HEATING SYSTEMS THROUGH THE RECOVERY OF EXCESSIVE HEAD

Chernenkov Vlodimir P., professor, School of Engineering, Far Eastern Federal University, Russia,

Likhachev Ilya D., aspirant, School of Engineering, Far Eastern Federal University, Russia,

Makarov Dmitriy A., aspirant, School of Engineering, Far Eastern Federal University, Russia,

Revenko Denis O., student, School of Engineering, Far Eastern Federal University, Russia.

The vast majority of heating systems in Russia are centralized. A characteristic feature of centralized heating systems are large losses associated with the transport of coolant over long distances. When it comes to energy saving in heating systems, one of the most important trends are heating networks. This article discusses one way to improve the energy efficiency of heating networks with zoned substations, providing the necessary parameters of coolant to consumers under complex terrain. Using the device, allowing for the recovery of excess pressure in heating systems with zoned substations, providing the necessary parameters of coolant in areas with difficult terrain.

Key words: turbine, pressure, choking, fall, control valves, hydraulic resistance. REFERENCES

1. Volkov A. V., Parygin A. G., Ryzhenkov V. A., Shherbakov S. N. Poluchenie jelek-tricheskoj jenergii v sistemah teplo- i vodosnabzhenija na osnove rekuperacii izbytochnogo magis-tral'nogo davlenija (The production of electric energy in the systems of heat and water supply on the basis of recovery of excess line pressure) //Novosti teplosnabzhenija, 2007, No10, pp.46-50.

2. Kaganovich B.M., Kejko A.V., Shamanskij V.A. Ravnovesnoe termodinamicheskoe modelirovanie dissipativnyh makroskopicheskih sistem (Equilibrium thermodynamic modeling of dissipative macroscopic systems). Irkutsk: ISJeM SO RAN, 2007, 76 p.

3. Manjuk V.I., Kaplinskij Ja.I. Naladka i jekspluatacija vodjanyh teplovyh setej (Commissioning and operation of water heating systems). Spravochnik.

4. Kozin V.E., Levina T.A. Teplosnabzhenie (Heat supply).

5. Sokolov E.Ja. Teplofikacija i teplovye seti (District heating and heat networks).

6. SP 41-101-95. Proektirovanie teplovyhpunktov (The design of the heat stations).

7. http://www.inset.ru/r/index.htm. Proektirovanie, serijnoe izgotovlenie i montazh mini GJeS i mikro GJeS.

СОДЕРЖАНИЕ

Штым К.А.

КОТЕЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ С ТОПЛИВНО-РЕВЕРСИВНЫМИ ЦИКЛОННО-ВИХРЕВЫМИ ПРЕДТОПКАМИ.........................................3

Штым К.А., Дорогов Е.Ю., Соловьева Т.А. ОСОБЕННОСТИ ТЕПЛООБМЕНА В ТОПКАХ КОТЛОВ С ВИХРЕВЫМИ ПРЕДТОПКАМИ...........................................................13

Штым К.А., Головатый С.В., Лесных А.В. ИССЛЕДОВАНИЕ АЭРОДИНАМИКИ В ТОПКЕ КОТЛА С ЦИКЛОННО- ВИХРЕВЫМИ ПРЕДТОПКАМИ..................................23

Упский В.А., Штым К.А., Упский М.В. ИССЛЕДОВАНИЯ И ОПЫТ ПРИМЕНЕНИЯ

МНОГОСОПЛОВЫХ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ ФОРСУНОК.........................31

Упский В.А., Упский М.В.

ЦИКЛОННОЕ ТЕРМООБЕЗВРЕЖИВАНИЕ ЗАГРЯЗНЕННЫХ ВОД.....42

Цыбульская О.Н., Ксеник Т.В., Чириков А.Ю., Перфильев А.В., Буравлёв И.Ю., Юдаков А.А., Азарова Ю.А., Шлык Д.Х., Трухин И. С. ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ОБЕЗВРЕЖИВАНИЯ И УТИЛИЗАЦИИ ОТРАБОТАННЫХ ЭЛЕКТРОЛИТОВ ХРОМИРОВАНИЯ......................................................50

Цой К.А.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СКРЫТОЙ ТЕПЛОТЫ ПАРООБРАЗОВАНИЯ ПРОДУКТОВ СГОРАНИЯ ЗА КОТЛОМ КВГМ-100-150МЦ ВЛАДИВОСТОКСКОЙ ТЭЦ-1..................................................................58

Чистяков С. В.

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МАЗУТА ПРИ МОДЕРНИЗАЦИИ КОТЛА КВ-ТС-1,5............................................70

Штым К.А., Лесных А.В., Головатый С.В.

АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ ТРЕТИЧНОГО ДУТЬЯ НА ОБРАЗОВАНИЕ

ОКСИДОВ АЗОТА В ТОПКЕ КОТЛА БКЗ-210-140..............................75

Гончаренко Ю.Б., Дорогов Е.Ю.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРНОГО РЕЖИМА ТЕПЛЯКОВ КОНВЕКТИВНОГО И РАДИАЦИОННОГО ТИПА...............................81

Лесных Е.В., Лесных А.В.

ОСОБЕННОСТИ ЭНЕРГЕТИКИ ОСТРОВНЫХ ТЕРРИТОРИЙ ПРИМОРСКОГО КРАЯ..............................................................................89

Журмилова И.А., Штым А.С.

ГРУНТОВЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК С СИСТЕМОЙ УВЛАЖНЕНИЯ .96

Штым А. С., Журмилова И.А., Калинин А. О., Фильчикова Ю.А. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ НИЗКОПОТЕНЦИАЛЬНОЙ ЭНЕРГИИ ГРУНТА

ДЛЯ РАБОТЫ ГЕОТЕРМАЛЬНЫХ ТЕПЛОВЫХ НАСОСОВ...........102

Штым А. С., Журмилова И.А., Калинин А. О., Тарасова Е.В., Потапова М.В.

СОЗДАНИЕ МИКРОКЛИМАТА В ЖИЛЫХ ДОМАХ

ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ

ЭНЕРГИИ...................................................................................................111

Калинин А. О., Штым А. С., Журмилова И.А., Богданович Г.А. НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ УСТАНОВКА ДВФУ ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ОБОРУДОВАНИЯ, ИСПОЛЬЗУЮЩЕГО ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ...................................................................................................120

Ткач Н.С., Еськин А.А., Захаров Г.А., Цыганкова К.В. ТЕПЛООБМЕН ПРИ КИПЕНИИ СТЕКАЮЩЕЙ ПЛЁНКИ НЕФТЕСОДЕРЖАЩИХ ЭМУЛЬСИЙ КОТЕЛЬНЫХ.........................126

Еськин А.А., Ткач Н.С., Цыганкова К.В., Захаров Г.А.

СПОСОБ НАПОРНОЙ ФЛОТАЦИИ......................................................135

Тарасова Е.В., Штым А. С.

ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ СИСТЕМ КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ С СЕЗОННОЙ АККУМУЛЯЦИЕЙ ЕСТЕСТВЕННОГО ХОЛОДА..................................................................141

Кобзарь А.В.

МЕТОДИКА РАСЧЕТА ТЕПЛОВОГО СОСТОЯНИЯ ПРОДУКЦИИ В КОНТЕЙНЕРАХ....................................................................................149

Черненков В.П., Лихачев И.Д., Макаров Д.А., Ревенко Д.О. ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ СИСТЕМ ЦЕНТРАЛИЗОВАННОГО ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ ЗА СЧЕТ РЕКУПЕРАЦИИ ИЗБЫТОЧНОГО НАПОРА......................158

CONTENT

Shtym K.A.

BOILERS WITH FUEL REVERSIBLE CYCLONE-VORTEX BURNERS.......................................................................................................3

Shtym K.A., Dorogov E.Ju., Solov'eva T.A.

SPECIAL FEATURES OF HEAT EXCHANGE IN BOILER

FURNACES WITH CYCLONE SWIRL FURNACES................................13

Shtym K.A., Golovatyj S.V., Lesnyh A.V.

AERODYNAMICS IN THE BOILER FURNACE WITH

A CYCLONE AND VORTEX PRE-FURNACE..........................................23

Upskij V.A., Shtym K.A., Upskij M.V.

STUDY AND PRACTICAL EXPERIENCE OF MULTIPLE-HOLE ATOMIZED SPRAY INJECTORS...............................................................31

Upskij V.A., Upskij M.V.

STUDY OF CYCLONE THERMAL DETOXIFICATION OF POLLUTED WATERS...........................................................................42

Cybul'skaja O.N., Ksenik T.V., ChirikovA.Ju., Perfil'evA.V., Buravlev I.Ju., Judakov A.A., Azarova Ju.A., ShlykD.H., Truhin I.S. PRACTICAL APPLICATION OF THE DISPOSAL AND RECYCLING TECHNOLOGY OF GALVANIC PRODUCTION WASTES.....................50

Tsoy K.A.

USE LATENT HEAT OF VAPORIZATION COMBUSTION PRODUCTS BEHIND BOILER KVGM- 100-150MTS VLADIVOSTOK TPP- 1...........58

Chistyakov S.V.

MORE EFFICIENT USE OF MAZUT IMPROVED BOILER KV-TC-1.5.70

Shtym K.A., Lesnyh A.V., Golovatyj S.V.

ANALYSIS OF THE IMPACT ON THE TERTIARY AIR FORMATION OF NITROGEN OXIDES IN THE FURNACE OF THE BOILER BKZ-210-140.................................................................................................75

Goncharenko Ju.B., Dorogov E.Ju.

FEATURES TEMPERATURE MODE EQUIPMENT CONVECTIVE AND RADIATIVE TYPE FOR HEATING WAGONS...............................81

Lesnyh E. V., Lesnyh A.V.

FEATURES OF POWER REMOTE PRIMORSKY TERRITORY..............89

Zhurmilova I.A., Shtym A.S.

THE GROUND HEAT EXCHANGERS WITH THE

HUMIDIFICATION SYSTEM.....................................................................96

Shtym A.S., Zhurmilova I.A., Kalinin A.O., Fil'chikova Ju.A.

USING LOW POTENTIAL ENERGY GROUND FOR WORK

OF GEOTHERMAL HEAT PUMPS..........................................................102

Shtym A.S., Zhurmilova I.A., Kalinin A.O., Tarasova E.V., Potapova M.V.

MICROCLIMATE IN HOUSES BASED ON RENEWABLE ENERGY SOURCES...................................................................................................111

Kalinin A.O., Shtym A.S., Zhurmilova I.A., Bogdanovich G.A.

FEFU RESEARCH SETTING FOR STUDYING OPERATION MODES

EQUIPMENT, USING RENEWABLE ENERGY SOURCES...................120

Tkach N.S., Es'kin A.A., Zaharov G.A., Cygankova K.V.

HEAT TRANSFER DURING BOILING OF FALLING FILM

OF OIL-WATER EMULSION OF BOILERS............................................126

Es'kin A.A., Tkach N.S., Cygankova K.V., Zaharov G.A.

METHOD OF DISSOLVED AIR FLOTATION........................................135

Tarasova E. V., Shtym A.S.

ENVIRONMENTAL EFFICIENCY OF AIR CONDITIONING

SYSTEMS WITH SEASONAL ACCUMULATION

OF NATURAL COLD................................................................................141

Kobzar' A.V.

METHOD OF CALCULATING THE THERMAL STATE OF PRODUCTS IN CONTAINERS...........................................................149

Chernenkov V.P., LihachevI.D., Makarov D.A., Revenko D.O. INCREASING THE ENERGY EFFICIENCY OF DISTRICT HEATING SYSTEMS THROUGH THE RECOVERY OF EXCESSIVE HEAD.......158

ОПЫТ ЭФФЕКТИВНОГО

ИСПОЛЬЗОВАНИЯ

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ РЕСУРСОВ

ДАЛЬНЕГО ВОСТОКА

Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). Отдельные статьи (специальный выпуск)

Режим выпуска «молния»

Выпущено в авторской редакции

Компьютерная верстка и подготовка оригинал-макета И.А. Вершинина Дизайн обложки Е.Б. Капралова Зав. производством Н.Д. Уробушкина Полиграфическое производство Л.Н. Файнгор

Подписано в печать 20.10.14. Формат 60х90/16. Бумага офсетная № 1. Гарнитура «Times». Печать трафаретная на цифровом дупликаторе. Усл. печ. л. 10,5. Тираж 500 экз. Изд. № 2873

ИЗДАТЕЛЬСТВО «ГОРНАЯ КНИГА»

Отпечатано в типографии издательства «Горная книга»

119049 Москва, ГСП-1, Ленинский проспект, 6, издательство «Горная книга» Телефон (499) 230-27-80; факс (495) 956-90-40; тел./факс (495) 737-32-65 А