Учебное пособие 800429

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет»

ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИ, ЭКОЛОГИИ

И ЭНЕРГОРЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЯ

Труды 19-й научно-технической конференции молодых учёных, аспирантов и студентов

(г. Воронеж, 15 ноября 2017 г.)

Воронеж 2017

УДК 621.1:621311.22 (06)

ББК 31.38 я4 Ф 506

Физико-технические проблемы энергетики, экологии и энергоресурсосбережения: труды 19-й научно-технической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов. Воронеж: ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет», 2017. 113 с.

ISBN 978-5-7731-0579-4

В представленных работах нашли отражение вопросы по научнотехническим проблемам теоретической и промышленной теплоэнергетики и экологии, гидрогазодинамики, тепломассообмена, математического моделирования, развиваемые молодыми учёными, аспирантами и студентами кафедры «Теоретическая и промышленная теплоэнергетика» ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет».

Материалы сборника соответствуют научному направлению «Программно-аппаратные энергетические комплексы и системы» и перечню критических технологий Российской Федерации, утверждённому Президентом Российской Федерации.

Редакционная коллегия:

В.Г. Стогней - Заслуженный работник Высшей школы, канд. техн. наук, профессор – ответственный редактор, Воронежский государственный технический университет;

А.В. Бараков - д-р техн. наук, проф. – заместитель ответственного редактора, Воронежский государственный технический университет;

Ю.Н. Агапов - д-р техн. наук, проф., Воронежский государственный технический университет;

В.Ю. Дубанин - канд. техн. наук, проф., Воронежский государственный технический университет;

А.А. Надеев - канд. техн. наук – ответственный секретарь, Воронежский государственный технический университет

2

ВВЕДЕНИЕ

В сборнике представлены труды научно-технической конференции, посвящённые исследованиям гидродинамики и тепломассообмена в энергетических и теплотехнических установках различного назначения. Тематика исследований направлена на улучшение технико-экономических показателей этих установок и уменьшение экологической нагрузки на окружающую среду.

Отдельные результаты имеют практическую направленность, так как посвящены разработке и внедрению в производство технических, алгоритмических и программных компонентов.

Надеемся, что публикация материалов конференции вызовет интерес у широкого круга специалистов и привлечёт к этой ежегодной конференции новых участников.

3

УДК 620.92

Д.А. Базыкин – магистрант, А.М. Наумов, канд. техн. наук, доц. – научный руководитель

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ ПАРОВЫХ КОТЕЛЬНЫХ С ПОМОЩЬЮ ПАРОВОЙ ВИНТОВОЙ МАШИНЫ

В статье рассматривается такой метод энергосбережения, как использование энергии пара для выработки электроэнергии в паровых котельных с помощью паровой винтовой машины, а также устройство данного технологического оборудования

Ключевые слова: энергосбережение, паровая котельная, винтовая машина

В настоящее время в России и во всем мире все большее распространение получают методы энергосбережения. Все чаще находят применение новым технологиям, которые способствуют повышению эффективности современных систем теплоэнергетики и частично избавляют их от множества недостатков. Одним из подобных недостатков является – неэффективное использование избыточного давления пара, которое в ходе технологического процесса в паровых котельных зачастую попросту утилизируется в предназначенных для этого редукционно-охладительных установках. Использование данного потенциала может превратить паровую котельную в отдельную когенерационную систему – небольшую ТЭЦ, – которая способна вырабатывать не только тепло, но и электрическую энергию.

Параметры производимого пара в котельных сильно различаются в зависимости от назначения использования пара на данном предприятии. В свою очередь, потребление пара сильно меняется в зависимости от времени года (летний и зимний режимы) и от времени суток. Давление пара на выходе из котла зависит от потребностей технологических нужд предприятия, а также от степени изношенности котлов. Из этого пара возможно реально получить от 200 до 1500 кВт электроэнергии. Для этого необходимо пар после котла направить в расширительную машину, например, в паровую турбину, связанную с электрогенератором. Таким образом можно получить достаточно дешевую электроэнергию (дополнительный расход топлива и эксплуатационные расходы незначительны). Однако использование паровой лопаточной турбины здесь малопродуктивно, поскольку в указанной области

4

небольших мощностей она имеет ряд хорошо известных недостатков.

Мини-ТЭЦ на базе паровой винтовой машины (ПВМ) является высокоперспективной технологией в области энергосбережения и энергоэффективности. ПВМ может полностью обеспечить предприятие электроэнергией, в разы дешевле, по сравнению с действующими тарифами, а также поставлять электроэнергию сторонним потребителям. При этом, без дополнительного сжигания топлива и минимальными затратами на эксплуатацию при использовании ПВМ в качестве редукционно-охладительной установки.

ПВМ по своей сути является новым типом парового двигателя. ПВМ разработана в России, она уникальна, зарубежные аналоги отсутствуют. На конструкцию ПВМ, ее узлов и систем получено около 25 патентов в России и за рубежом. Конструкция ПВМ представлена на рис. 1.

Рис. 1. Конструкция паровой винтовой машины

Паровая винтовая машина содержит корпус высокого давления (КВД) 1 с впускным патрубком 2 для подачи пара высокого давления, корпус низкого давления (КНД) 3 с выпускным патрубком 4 для отвода отработавшего пара низкого давления, ведущий и ведомый роторы 5, 6, параллельно установленные на попарно

5

размещенных в КВД 1 и КНД 3 опорных подшипниках 7, связанные между собой при помощи синхронизирующих шестерен 9, имеющие

всвоей средней части винтовые зубья, находящиеся в зацеплении, и снабженные парными торцовыми уплотнениями 11 и размещенными

вКВД 1 разгрузочными поршнями 12. Торцы поршней 12, обращенные к винтовым зубьям 10, сообщены с впускным патрубком 2. Противоположные торцы - с выпускным патрубком 4. В КВД 1 и КНД 3 между опорными подшипниками 7 и торцовыми уплотнениями 11 дополнительно установлены разделительные диафрагмы 18 с образованием с роторами зазоров 5, 6 и с торцовыми уплотнениями 11 полостей 19, сообщенных с атмосферой при помощи сливных патрубков 20 [1].

Паровая винтовая машина содержит ведущий и ведомый роторы в виде шнеков. Выходной вал ведущего ротора присоединен к электрогенератору. Роторы находятся в тесном зацеплении и имеют шестерни связи, которые исключают взаимное касание роторов во время работы. По желанию заказчика возможно предусмотреть отбор пара с промежуточным давлением. Уплотнения двойные торцовые. В зависимости от условий работы турбина может иметь подшипники скольжения или гидростатические. Масляная система: масляный насос основной, приводной от вала турбины, и пусковой, приводной от электродвигателя. Масло турбинное Тп-22Б. Давление масла в системе после насоса 6 ат. Охлаждение масла в турбине производится водопроводной водой и/или воздушным радиатором. Электросиловая система: генератор может быть асинхронный

Или синхронный в зависимости от назначения установки. Выходное напряжение генератора зависит от мощности турбины и напряжения сети заказчика и составляет 0,4 кВ, 1 кВ, 3 кВ, 6 кВ, 10 кВ. При работе с асинхронным генератором необходима конденсаторная батарея в качестве источника реактивной мощности.

Принцип работы ПВМ представлен на рис. 2. Основным рабочим элементом паровой винтовой машины является роторный механизм, ведущий вал которого подключён к электрогенератору. Объём пар, генерируемый промышленными котельными, обычно зависит от степени изношенности котлов. Если избыточный пар направить в ПВМ, часть его механической энергии преобразуется в электроэнергию. Для увеличения энергии пара необходимо потратить больше топлива. Пар, использованный в ПВМ, поступает

6

на технологические нужды. Температура этого пара должна соответствовать условиям данного конкретного технологического процесса, например, отопление [2].

Рис. 2. Принцип работы паровой винтовой машины

Пар поступает через входной патрубок на корпусе во входные окна, расположенные с одного торца корпуса. Проходя по винтовому каналу между зубьями шнеков, пар расширяется и преобразует тепловую энергию в механическую, плавно вращая роторы [3]. Вращательный момент передается обслуживающему механизму через муфту на валу редуктора. Отработанный пар удаляется через выходные окна и патрубок, и, поскольку он имеет достаточное теплосодержание, производит дополнительную работу: поступает в технологический цикл производства или подогреватели воды для горячего водоснабжения и отопления.

К достоинствам и преимуществам ПВМ можно отнести:

-высокий КПД – до 70 % – и работа в широком диапазоне мощностей;

-нечувствительность к влажности пара;

-возможность применения в качестве основного или вспомогательного источника энергии;

-увеличенный до 60 тыс. часов моторесурс и возможность возобновления работы после капитального ремонта;

-исключительная надежность и ремонтопригодность;

-высокий уровень безопасности;

-возможность размещения в существующих помещениях котельных, благодаря небольшим размерам и массе;

7

- простое техническое обслуживание силами штатных сотрудников котельной [4].

Интегрированная автоматизированная система управления технологическим процессом котельной должна обеспечивать автоматическую защиту мини-ТЭЦ при возникновении любой чрезвычайной ситуации. Защита заключается в приостановке поступления пара в ПВМ и моментальном отключении генератора от электросети [5].

ПВМ может эффективно применяться для производства электроэнергии в котельных при срабатывании перепада давления пара. Собственное производство электроэнергии в котельной, переоборудованной в мини-ТЭЦ, в несколько раз дешевле, чем покупаемая у электроснабжающей организации. ПВМ, как паровой двигатель, в диапазоне мощности от 200 до 1500 кВт обладает значительными техническими преимуществами перед паровой турбиной по эффективности, габаритам, стоимости, надежности и безопасности.

Литература

1.Патент RU 2464427 С1, МПК F01C 1/16. Паровая винтовая машина / Березин Сергей Романович (RU). – № 2011122507/06; заявлено 03.06.2011; опубл. 20.10.2012; Бюл. №29. – 2 с.

2.Березин С.Р. Паровая машина / С.Р. Березин, В.М. Боровков, В.И. Ведайко, А.И. Богачева // Современное машиностроение. – 2009. – № 1. – С. 31-34.

3.Боровков В.М. Паровая винтовая машина для использования в малой энергетике / В.М. Боровков, О.А. Бородина // Новости теплоснабжения. – 2006. – № 2. – С. 25-28.

4.Березин С.Р. Технология энергосбережения с использованием паровых винтовых машин / С.Р. Березин // Теплоэнергетика. – 2007. – № 8.

–С. 21-24.

5.Белозеров В.В., Назаренко А.А., Белозеров В.В. Модель экологически чистого объекта теплоэнергетики // Приоритетные задачи и стратегии развития технических наук: сб.научных трудов по итогам международной научно-практической конференции (Тольятти). – 2016. – С. 28-31.

Воронежский государственный технический университет

8

УДК 66.067.8.081.3

В.А. Алексеева, М.В. Малеваный – магистранты, В.Г. Стогней, канд. техн. наук, проф. – научный руководитель

РАСЧЕТ АДСОРБЕРА ДЛЯ ОСУШКИ ПРИРОДНОГО ГАЗА ДЛЯ РАЗЛИЧНЫХ РЕЖИМОВ РАБОТЫ

В данной работе описан принцип действия адсорбера, проведен его гидравлический расчёт, а также расчет количества адсорбента при различных режимах осушки газа силикагелем

Ключевые слова: адсорбер, осушка, силикагель, природный газ

Адсорбцией называется процесс поглощения одного или нескольких компонентов из газовой смеси твёрдым веществом − адсорбентом. Процессы адсорбции обычно обратимы. На этом основан процесс десорбции – выделение из адсорбента поглощенных им веществ [1].

Адсорбер, в данном случае (рисунок 1), предназначен для осушки газа. Адсорбер состоит из сварного корпуса 2, двух сетчатых фильтров 7, зафиксированных кольцами стопорными 10, и двух переходников 9, которые гайками 8 прикреплены к корпусу 2 теплоизоляционного кожуха 3. На корпус 2 навит нагревательный элемент 4. Витки нагревательного элемента 4 фиксируются лентой кремнеземной 6. Кожух 3 крепится к корпусу 2 винтами 11 с шайбами 12. В полость адсорбера засыпан адсорбент 1 (силикагель). Под нагревательный элемент 4 установлен датчик температуры 5, который крепится хомутом 13.

9

Адсорбер работает следующим образом:

-в режиме осушки влажный газ через переходник поступает в корпус адсорбера, проходит через слой адсорбента и осушается. Фильтры 7 предотвращают попадание крупных частиц адсорбента в магистральный трубопровод;

-в режиме регенерации адсорбента адсорбер, корпус которого обогревается нагревательным элементом, продувается сухим газом в противоположном осушке направлении. Насыщенный влагой адсорбента газ сбрасывается в атмосферу.

При осушке газов твёрдыми поглотителями применяют

активную окись алюминия ( Al2O3 ), в частности боксит, хлористый

кальций в твёрдом виде, цеолиты.

В нашем случае в виде поглотителя использован гранулированный крупнопористый силикагель (ГОСТ 3956-76) марки МСГК, ШСГК, КСКГ, АСКГ. Насыпная плотность

использовании других марок в зависимости от пористости плотность может увеличиваться до нс 670…700 кг/м3.

Силикагель представляет собой прозрачные или стекловидные матовые зёрна различной формы с размером зёрен от 0,2 до 7 мм.

Зависимость влагоемкости силикагеля от относительной влажности приведена в таблице 1.

Таблица 1 Зависимость влагоемкости от относительной влажности

Количество адсорбента в адсорбер М, кг определяют в зависимости от количества газа и содержания в нём влаги по

10