Повышение эффективности работы термических агрегатов Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 662.994

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ ТЕРМИЧЕСКИХ АГРЕГАТОВ IMPROVING THE EFFICIENCY OF THERMAL AGREGATS' WORK

А. М. Парамонов1, Е. М. Резанов

'Омский государственный технический университет, г. Омск, Россия Омский государственный университет путей сообщения, г. Омск, Россия

А. М. Paramonov1, Е. М. Rezanov

'Omsk State Technical University, Omsk, Russia Omsk State Transport University, Omsk, Russia

Аннотация. Актуальность исследования по повышению эффективности работы термических агрегатов - связано с влиянием температуры подогрева воздуха, необходимого для горения топлива, на технико-экономическую целесообразность. Целью является нахождение оптимального значения температуры подогрева воздуха в рекуперативном аппарате и изучение её воздействия на эффективность работы высокотемпературного устройства. Решением данной задачи представляется вывод алгоритма по определению оптимальной температуры подогрева воздуха в рекуперативном устройстве. В работе использовались методы математического моделирования уравнений теплообмена и численного решения оптимизационной задачи, нелинейного программирования, современные методы технико-экономических расчетов. Приведены результаты численного исследования влияния температуры подогрева воздуха, необходимого для горения топлива в радиационной трубе, на технико-экономическую эффективность термического агрегата.

Ключевые слова: температура, радиационная труба, термический агрегат, тепловой утилизатор, эффективность.

DOI: 10.25206/2310-9793-2018-6-3-156-160

I. Введение

В машиностроении для термообработки узлов и деталей используют термические установки, где топливо сжигается в радиационных трубах, что позволяет уменьшить потери металла от окисления [1] и повысить эффективность технологического процесса обработки [2].

Известные решения по повышению эффективности работы термических установок относят в основном к нагревательным агрегатам металлургической промышленности [3]. Исследований термических установок в машиностроении проводится недостаточно. Это является сдерживающим фактором повышения эффективности их работы и экономичности.

II. Постановка задачи

Одной из задач, для данных устройств, является внедрение новых технологий с минимальными затратами [4]. Важность решения такой задачи, способствует снижению расхода топливно-энергетических ресурсов [5]. Применение тепловой энергии уходящих газов при высокотемпературном нагреве воздуха в рекуперативной установки - одно из мероприятий повышения эффективности работы высокотемпературных агрегатов [6]. Однако это приводит к повышению затрат на тепловой утилизатор, поэтому целесообразнее всего рассчитывать оптимальную температуру подогрева воздуха, идущего для горения топлива.

III. Теория

Для исследования выбрана высокотемпературная термическая установка с радиационными трубами и установкой на него теплового утилизатора «BIRLEC» R18 (рис. 1): 1 - труба уходящих газов; 2 - тепловой утилизатор; 3 - вентилятор; 4 - футеровка; 5 - садка; 6 - толкательный механизм; 7 - направляющая для садки; 8 - труба подающего воздуха; 9 - подвод защитной атмосферы; 10 - подающая труба нагретого воздуха; 11 -радиационная труба; 12 - горелочное устройство; 13 - подающий топливопровод; 14 - горелочный блок.

Высокотемпературный агрегат делится на четыре зоны: первая - нагрев металла до 870 0С; вторая и третья зоны - цементация; четвертая - зона стабилизации, где детали равномерно прогреваются. Мощность данного

агрегата 400 кг/ч при сжигании природного газа с теплотой сгорания 35,4 МДж/м3, расход газа 0,0014 м3/с, коэффициент полезного действия 17 % с температурой подогрева воздуха до 100 0С, время нагрева металла в первой зоне не более 3 ч.

Температурное поле в камере нагрева металла осуществляется керамическими ^/-образными радиационными трубами (рис. 2): 1 - плита; 2 - короб; 3 - корпус радиационной трубы; 4 - поворотное колено; 5 - газовая труба; 6 - изоляционная набивка; 7 - уплотнительный сальник; 8 - сопло; 9 - завихритель воздуха; d0=0,012 м; йт=0,1 м; Dт=0,12 м; г=0,05 м; R=0,16 м; 1р=0,7 м.

Конструкция теплового утилизатора, необходимого для подогрева воздуха, за счет уходящих дымовых газов из радиационной трубы (рис. 3) имеет основные размеры: 5=0,05 м; dр=0,3 м.

Рис. 1. Высокотемпературная термическая установка с радиационными трубами и тепловым утилизатором

Рис. 2. Керамическая и-образная радиационная труба

Рис. 3. Тепловой утилизатор

Оптимальную температуру нагрева воздуха определим исходя из минимальных дисконтированных вложений на тепловой утилизатор и топливо. Выразив расход топлива на нагрев деталей и поверхность нагрева утилизатора из теплового баланса рабочего пространства агрегата и теплообмена, как функции от температуры воздуха, получим расчетное уравнение:

dЗр dBр dHр

р = С —^ + С -V- = 0,

dt.

dt.

(1)

где Зр - сравнительная эффективность инвестиций по минимальным дисконтированным затратам, руб./год; Ст , Вр - годовая стоимость и расход топлива, (руб./м3)(с/год), м3/с; Ср - стоимость в 1 м2 поверхности нагрева теплового утилизатора, руб./(м2год); Нр - поверхность нагрева теплового утилизатора, м2; 1в2 - температура воздуха на выходе из утилизатора, 0С.

Решение уравнения (1) представляется в виде:

а1в2 + Ь в2 + d = 0,

(2)

а = СpПвСв2Ч W - KsдtCв2CтW2,

ь = 2(Ksд 1ет U - ер ^^ в1-ув ^ w,

а = Cр Пв [Cв2EU + Свltвl ^^в U - ^^Б) ]-^д^^и

(3)

(4)

(5)

и = (А-^ + Б)гг1 + (-^--1)А в

а

шУг п г C г2 (1 + ®)

(6)

W = ■

АУ в ПвСв2 , + Б,

шУг Пг (1 + 0)

Е = Он(1 - Я2) + ^Т1 - УгCгtг - Угя - VвCв251в

= ^tг + 0Св^в1 - &

г1 (1 + 0)Сг1 г

(7)

(8) (9)

t г2 =

С

г1

t Г1 -■

УвПв (Св21в2 - CвltВ1 )

Сг2 1 тУгПгСг2 (1 + ©)

(10)

где Рн - низшая теплота сгорания топлива, Дж/м ; СХ1, 1x1 - средняя теплоемкость и температура топлива, Дж/(м3-К), 0С; 1г, Сг - температура и теплоемкость отходящих из радиационных труб агрегата газов, °С, Дж/(м3-К); Уг - количество дымовых газов на единицу количества топлива, м3/м3; Я - теплота несгоревшего СО в уходящих газах, Дж/м3; Я2 - доля потерь от механической неполноты сгорания; Ув - количество воздуха, необходимое для сжигания единицы количества топлива, м3/м3; 51в - падение температуры воздуха на пути от утилизатора до горелочных устройств агрегата вследствие потерь теплоты в окружающую среду, °С; Св2 -теплоемкость воздуха на выходе из утилизатора, Дж/(м3К); пв - коэффициент, учитывающий потери воздуха в утилизаторе; Св1, 1в1 - теплоемкость и температура воздуха на входе в утилизатор, Дж/(м3К); К - коэффициент теплопередачи, Вт/(м2К); еД1 - поправочный коэффициент при сложной схеме теплообмена; 1г1, 1г2 - температура газов на входе и выходе из утилизатора, С; А и Б - коэффициенты зависимые от соотношения (1г2-1в1)/(1г1 -1в2); Сг1, Сг2 - теплоемкости газов на входе и выходе из утилизатора, т - коэффициент, учитывающий выбивание продуктов сгорания из радиационной трубы;

Пг - коэффициент, учитывающий тепловые потери через ограждающие стенки утилизатора в окружающею среду; 51г - снижение температуры отходящих газов на пути до теплового утилизатора; 0 - коэффициент, учитывающий разбавление уходящих газов воздухом на пути до утилизатора.

IV. Результаты экспериментов Численные исследования влияния температуры подогрева воздуха 1в2, идущего на горение топлива, показали следующее [7]: снижаются суммарные затраты (рис. 4) и расход топлива на радиационную трубу Вр (рис. 5); увеличивается поверхность нагрева теплового утилизатора Нр (рис. 5).

Рис. 4. Зависимость Зр от 1в-

1.4

10"3м3/с 1.26 1.194 М2Н

1.05

0,98 0.91

0.84.

0,77-

0.7

у Вр-тв2) /-

\

< нр=тв2) V

\

ч

0.5

0.42 0.38

0.34

0.3 0,26 0,22 0.18

0.14

100 150 200 250 300 350 400 450 500 °С 600

и —-

0.1

Рис. 5. Зависимости Вр, Нр, от tв2

V. Обсуждение результатов

Из результатов эксперимента видно, что снижаются расход топлива до 36 % и дисконтированные затраты до 20 %. Температура подогрева воздуха не столь высокая ^.опт=430 0С, что позволяет использовать уже существующие материалы для теплового утилизатора.

VI. Выводы и заключение

Подогрев воздуха, расчет и выбор оптимального значения его температуры в тепловом утилизаторе, способствуют повышению технико-экономического эффекта работы термического агрегата, с учётом минимизации затрат. Разработанный алгоритм позволяет определять оптимальную температуру подогрева воздуха с учетом изменения условий эксплуатации термического агрегата в зависимости от конструкции и стоимости теплого утилизатора, стоимости и вида топлива.

Список литературы

1. Герман М. Л., Тимошпольский В. И., Менделеев Д. В. Выбор технических решений при модернизации парка нагревательных и термических печей машиностроительных предприятий // Теплотехника и энергетика в металлургии: труды XV Междунар. конф. Днепропетровск: Новая идеология, 2008. С. 37-38.

2. Resource savings and energy efficiency in heat treatment shops // Irretier Olaf. Heat Process. 2014. Vol. 12, no. 1. Р. 47-52.

3. Lu Bing, Fang Changrong, Wang Zhoufu. Naihuo cailiao // Refractories. 2007. Vol. 41, no. 2. P. 132-136.

4. Stumpp Hermann. Energy and global natural resources - from the point of the Furnace Industry // Heat Process. 2013. Vol. 11, no. 1. Р. 92-93.

5. Комина Г. П., Яковлев В. А. Энергосбережение и экономия энергоресурсов в системах ТГС. СПб.: Государственный архитектурно - строительный университет, 2009. 133 с.

6. Krail Jurgen, Buchner Klaus, Altena Herwig. Assessment and optimization of energy in heat treatment plans // Heat Process. 2013 Vol. 11, no. 3. Р. 51-60.

7. Парамонов А. М., Резанов Е. М. Определение оптимальной температуры подогрева воздуха, необходимого для горения топлива в печах с радиационными трубами // Промышленная энергетика. 2011. № 2. С. 35-38.

УДК 621. 436. 1

СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ, СДЕРЖИВАЮЩИХ ПРИМЕНЕНИЕ ФОРСИРОВАННЫХ ДВС

В ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСАХ

MATERIALS PROPERTIES CONTAINING THE ENERGY GRIDS FORCED INTERNAL COMBUSTION

ENGINES APPLICATION

А. В. Разуваев1, Е. Н. Слободина2

'Научно-исследовательский ядерный университет «МИФИ», г. Москва, Россия 2Омский государственный технический университет, г. Омск, Россия

A. V. Razuvaev1, E. N. Slobodina2

'National Research Nuclear University MEPhI, Moscow, Russia 2Omsk State Technical University, Omsk, Russia

Аннотация. Представлена актуальность повышения эффективности энергетических комплексов на базе двигателей внутреннего сгорания. В связи с этим рассмотрена и проанализирована возможность применения системы высокотемпературного охлаждения двигателя внутреннего сгорания в энергетической установке используя ее положительный эффект. Представлен анализ экспериментальных данных -замера температур огневого днища крышки цилиндра и параметров материалов в зависимости от их рабочей температуры. Полученные экспериментальные данные по уровню температур огневого днища крышки цилиндра позволили спрогнозировать ограничения по повышению агрегатной мощности форсированного ДВС.

Ключевые слова: энергетическая установка, двигатель внутреннего сгорания, термометрирование.

DOI: 10.25206/2310-9793-2018-6-3-160-164