CC BY
23
УДК 669.71:502.3 Кондратьев Виктор Викторович,
к. т. н., начальник отдела инновационных технологий ФТИ, Иркутский национальный исследовательский технический университет, тел. 89025687702, e-mail: kvv@istu.edu
Николаев Виктор Николаевич, аспирант ФТИ, Иркутский национальный исследовательский технический университет,
тел. 89246037884, e-mail: selengovchanin@mail.ru Карлина Антонина Игоревна, ведущий научный сотрудник отдела инновационных технологий ФТИ, Иркутский национальный исследовательский технический университет, тел. 89501201950, e-mail: karlinat@mail.ru
МОДЕЛИРОВАНИЕ И ЛАБОРАТОРНЫЕ ИСПЫТАНИЯ ВЫСОКОЭФФЕКТИВНОГО ТЕПЛООБМЕННИКА С НИЗКИМ СТАТИСТИЧЕСКИМ СОПРОТИВЛЕНИЕМ
V. V. Kondratiev, V. N. Nikolaev, A. I. Karlina
MODELING AND LABORATORY TESTS OF HIGH-EFFICIENCY HEAT EXCHANGER
WITH LOW STATISTICAL RESISTANCE
Аннотация. В статье представлена аргументация актуальности снижения температуры и снижения физических объемов отходящих газов от металлургических производств. Приводится краткий обзор известных патентов по данной теме. Рассматриваются наиболее перспективные концепции для обеспечения охлаждения и уменьшения объёмов нагретых газов. Приводятся результаты моделирования пилотной лабораторной установки теплообменника с достаточной площадью теплообмена и низким статическим сопротивлением. Приводится описание комплектации пилотной лабораторной установки, схемы и результаты испытаний. Предложено одно из решений по снижению капитальных затрат на системы газоудаления и газоочистки. Проанализированы основные концепции по охлаждения и снижению физических объёмов отходящих газов. Представлены экспериментальные данные, полученные в ходе испытаний разработанного модуля охлаждения. Освещены результаты моделирования теплообменника с достаточной поверхностью теплообмена и низким статическим сопротивлением.
Ключевые слова: очистка газов, системы газоудаления, производство алюминия, электролизные газы, очистка анодных
газов.
Abstract. The article presents arguments for relevance of lowering the temperature and reducing the physical volume of the exhaust gases from the smelting industry. An overview of known patents on the subject is provided. The most promising concepts for cooling and reducing the volume of heated gases are considered. Simulation results of the pilot laboratory setup of the heat exchanger with a large surface area of heat transfer and low static resistance are given. The description of the configuration of the pilot laboratory setup, diagrams and test results are presented. A solution to reduce the capital cost of the system of gas exhaust and gas purification is suggested. The basic concepts for cooling and reduction of physical volumes of waste gases are analyzed. Experimental data obtained in the tests of the developed cooling module is presented. The results of the simulations of the heat exchanger with sufficient heat exchange surface and low static resistance are highlighted.
Keywords: gas purification, gas removal system, production of aluminum, electrolysis gases, cleaning anode gases.
Введение
Необходимость охлаждения газов перед очисткой диктуется стремлением снизить физические объемы очищаемых газов, а также условиями обеспечения работоспособности и долговечности газоочистного оборудования. Наиболее эффективные пыле- и газоочистные аппараты нормально функционируют при температуре газов до 200-300 °С [7, 8]. Превышение этих значений температур свыше 400 °С может привести к необратимым деформациям металла, из которого изготовлено газоочистное оборудование, и его преждевременному выходу из строя.
Кроме этого, рукавные фильтры, все более широко применяющиеся в последние годы в технологии газоочистки, имеют жесткие ограничения по температуре очищаемых газов. Как правило, допустимая температура эксплуатации фильтровальной ткани 140-160 °С, с кратковременным допустимым значением до 170 °С продолжительностью не более 5-10 минут.
Эксплуатация фильтровальных тканей, выдерживающих температуру очищаемых газов до 240-260 °С, значительно увеличивает стоимость
газоочистки [4, 8], примерно на порядок, в сравнении с газоочистками, эксплуатирующими фильтровальные ткани с более низким «температурным» порогом. Кроме этого, сами газоочистные установки, эксплуатируемые в алюминиевой промышленности, требуют значительных капитальных затрат. По различным оценкам, удельные капительные затраты составляют от 15 до 40 долл. США на 1 м3 очищаемого газа и выше.
В то же время для стабильной технологии электролиза, т. е. эффективного отвода тепла от анодного массива и элементов конструкции электролизера, необходим достаточный объем отводимых электролизных газов и подсасываемого сквозь неплотности укрытия воздуха. Объем отводимой пыле- и газовоздушной смеси от электролизера в среднем колеблется от 7000 до 14000 м3/час. К примеру, от 5-й серии электролиза филиала «ИркАЗ-СУАЛ» в общей сложности отводится и очищается чуть более 2 млн м3 в час.
Таким образом, утилизация теплоты уходящих газов и снижение физических объемов очищаемых газов за счет снижения их температуры является одним из возможных решений по сниже-
Информатика, вычислительная техника и управление
ш
нию капитальных затрат на системы газоудаления и газоочистки, а также позволит уменьшить расходы на топливо и электроэнергию, обеспечит выполнение требований по охране окружающей среды.
Зависимость физического объема газов от температуры относительно объема при нормальных условиях представлена в табл. 1 и на рис. 1.
Т а б л и ц а 1 Зависимость физического объема газов
Тг, °С 0 10 30 50 70 80 100 120 150
Яр.у. в долях Он.у. 1,00 1,04 1,11 1,18 1,26 1,29 1,37 1,44 1,55
Рис. 1. Зависимость физического объема газов от температуры
Отсюда поиск технических решений, обеспечивающих снижение физических объемов очищаемых газов, а также возможность эксплуатации рукавных фильтров, рассчитанных на относительно низкую температуру эксплуатации, является актуальным.
Основные концепции по охлаждению и снижению физических объёмов отходящих газов
Анализируя информацию [1-3], опубликованную по теме снижения объемов и температуры газов, удаляемых от алюминиевых электролизеров, представляется возможным принять несколько основных концепций: а) снижение объемов газов путем их охлаждения теплопередачей через стенку, б) система охлаждения электролизных газов распылением воды в газоходе, в) двухконтур-ная схема удаления газов от электролизеров, г) изменение систем отвода газов; д) изменение способа отделения фторированного глинозема. К проработке была принята концепция охлаждения путем теплообмена через стенку.
Результаты моделирования теплообменника с достаточной поверхностью теплообмена и низким статическим сопротивлением Моделирование выполнено для снижения температуры газов со 150 до 120 °С с учетом необходимых условий:
- развитая поверхность теплообмена,
- достижение минимальной турбулентности потока,
- минимальное увеличение величины местных сопротивлений,
- начальная температура потока 150 °С,
- начальная скорость потока 15 м/с,
- начальная температура охлаждающей воды 25 °С.
В качестве лабораторной модели теплообменника были рассмотрены различные варианты лабораторных установок [5, 6-9, 10], после тщательного анализа было принято решение остановиться на модели со следующими параметрами: овальные трубы (в кол. 27 шт.) с оребрением с общей площадью теплообмена Е = 2,489 м2. Результаты моделирования представлены на рис. 2.
а)
б)
в)
г)
Рис. 2. Результаты моделирования системы теплообмена: а - распределение скорости, м/с; б - распределение
статического давления, Па; в - распределение температуры, К; г - распределение интенсивности турбулентности потока, %
Таким образом, результаты моделирования позволили получить следующий результат:
• расчетное охлаждение газа Аt = 31,1 °С;
• падение статического давления по тракту Ар = 29,3 Па.
Описание комплектации пилотной
лабораторной установки
На основании расчетной модели подобраны комплектующие для пилотной лабораторной установки: газовая пушка типа BLP-73M; регулятор скорости потока типа VRS 1,5^ комплектующие для конструирования теплоизолированного газо-ходного тракта с возможностью течения потока в горизонтальном направлении, в направлении под углом 45° и в направлении вертикально вниз для предотвращения отложений пыли; измеритель двухканальный ТРМ 200; дифференциальный манометр для контроля скорости потока и статических давлений; прочие вспомогательные устройства (станина, узлы крепления модулей, проводка, система водопитающих и водоотводя-щих шлангов).
Экспериментальные данные
В ходе испытаний разработанного модуля охлаждения (рис. 3) достигнуты следующие результаты: скорость газового потока 14 м/с, начальная температура газа 159 °С, конечная температура газа 101 °С, перепад температур 58 °С (рис. 4), аэродинамическое сопротивление теплообменника 30 Па.
Заключение
В ходе выполненной работы нами были рассмотрены различные виды теплообменников, проведен патентный поиск по теме охлаждения и снижения физических объёмов отходящих газов металлургических производств, на основании которого были выявлены пять основных концепций.
Рис. 3. Внешний вид модуля теплообмена
Рис. 4. Результаты натурного измерения перепада температур
Информатика, вычислительная техника и управление
Также была построена численно-математическая модель для теплообменника с достаточной поверхностью теплообмена и низким статическим сопротивлением. Результаты моделирования для заданных начальных условий - скорости потока газа 15 м/с, температуры газа 150 °С и начальной температуры охлаждающей воды 25 °С - продемонстрировали наибольшую эффективность процесса для медного (алюминиевого) теплообменника с овальными трубами (в кол. 27 шт.) с оребрением с общей площадью теплообмена Fvar3 = 2,489 м2, расчетным охлаждением газа At = 31,1 °С и падением статического давления по тракту Ap = 29,3 Па.
На основании расчетной модели была создана пилотная лабораторная установка и разработана система сбора данных для измерения температуры в газоходе. Проведенные испытания показали результат, превосходящий результаты моделирования, что в дальнейшем позволит интенсифицировать существующие и перспективные системы газоудаления и газоочистки промышленных предприятий.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. J.M.Jolas, J.Bos, Cathode Drop Comparisons on Aluminium Peshiney Modern Cells, Light Metals 1994, Р. 403-410.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
9.
Ш
S. S. Lee, K.-S. Lei, P. Xu, J. J. Brown, Determination of Melting Temperatures and AI2O3 Solubilities for Hall Cell Electrolyte Compositions. Light Metals, 1984. Р. 841-855.
Sorlie М., Оуе Н.А. Cathodes in Aluminum Electrolysis. - 2nd ed. Dusseldorf: Aluminium. Verlag, 1994. Ветюков М.М., Цыплаков A.M., Школьников С.Н. Электрометаллургия алюминия и магния. М. : Металлургия, 1987. 320 с.
Каплун А.Б., Морозов Е.М., Олферова М.А. ANSYS в руках инженера. М. :УРСС, 2003. 270 с. Застосування методу граничних елеменпв для ро-зв'язання тривимiрних задач теплопровщносп / А.Я. Карвацький, П.Й. Дудшков, С.В. Лелека, A.I. Жу-ченко // Нау^ вгсп НТУУ "КП1". 2005. № 5. С. 5-13.
Технико-экономические и правовые аспекты производства алюминия / Кондратьев В.В., Ершов В.А., Сысоев И.А. и [др.]. СПб. : Изд-во МАНЭБ, 2011. 224 с.
Криворученко В.В., Коробов М.А. Тепловые и энергетические балансы электролизеров. М. : ГНТИ по черной и цветной металлургии, 1963. 320 с. Тепловые процессы в электролизерах и миксерах алюминиевого производства / Е.Н. Панов и др. ; под общ.ред. Громова Б.С. М. : ИД «Руда и металлы», 1998. 256 с.
10. Физические величины : справ. / под ред. К.С. Гри-горьва. М. : Энергоатомиздат, 1991. 1232 с.
УДК 621.311: 621.331
Булатов Юрий Николаевич,
к. т. н., доцент, Братский государственный университет, e-mail: bulatovyura@yandex.ru
Крюков Андрей Васильевич,
д. т. н., профессор, Иркутский государственный университет путей сообщения, e-mail: and_kryukov@mail.ru
Чан Зюй Хынг,
аспирант, Иркутский государственный технический университет, e-mail: tranduyhung67@yahoo.com
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЕ РЕГУЛЯТОРЫ ДЛЯ УСТАНОВОК РАСПРЕДЕЛЕННОЙ ГЕНЕРАЦИИ
Yu. N. Bulatov, A V. Kryukov, Tran Duy Hung
INTELLIGENT CONTROLLERS FOR DISTRIBUTED GENERATION PLANTS
Аннотация. В системах электроснабжения железных дорог в полном объёме применимы интеллектуальные технологии. Интеллектуальные системы электроснабжения включают в свой состав следующие сегменты: развитые комплексы, обеспечивающие мониторинг состояния электрооборудования; автоматические регуляторы, построенные на основе цифровых технологий; пофазно управляемые источники реактивной мощности; установки распределённой генерации и накопители электроэнергии; устройства для улучшения качества электроэнергии. Для формирования необходимых характеристик переходного процесса установки распределённой генерации должны оснащаться системами автоматического управления, оптимальная настройка которых позволяет улучшить качество электроэнергии и повысить надёжность электроснабжения потребителей. В статье предложена методика согласованной настройки автоматических регуляторов возбуждения и частоты вращения генераторов применительно к установке распределённой генерации, работающей в системе электроснабжения железной дороги. Особенность предлагаемых методов заключается в применении следующих интеллектуальных технологий: генетического алгоритма для оптимизации настроек регуляторов; нечёткой логики для адаптивного управления согласованной настройкой устройств регулирования напряжения и частоты. На основе моделирования показано, что управление режимами работы установки распределённой генерации с помощью согласованно настроенных регуляторов частоты и возбуждения позволяет обеспечить устойчивость и живучесть системы электроснабжения железной дороги, нормативное качество электроэнергии и высокую надёжность электроснабжения потребителей.
В работе также рассмотрены вопросы моделирования и настройки нечёткой системы управления горизонтально-осевым ветрогенератором. Управление режимом ветрогенератора позволяет сохранить устойчивость его работы не только при вариациях скорости ветра, но и в случае изменения нагрузки потребителей. Предложенная методика настройки регулятора, использующего алгоритмы нечёткого логического вывода, позволяет сформировать универсальную базу правил для эффективной
