Сборник 70 студ конференции БГТУ

641

- применение простых в изготовлении и надёжных в эксплуатации теплоизоляционных конструкций тепловых сетейв пенополиуретановой (ППУ) изоляции, эффективных при снижении тепловых потерь через изоляцию; - использование современных синтетических материалов для производства

напорных труб отопления и теплоснабжения, горячего, холодного водоснабжения и канализации.

В проведенной работе были представлены наиболее перспективные направления развития систем теплоснабжения, которые позволяют решить ряд коммерческих задач.

Работа выполнена под руководством к.т.н., доцента В.С. Казакова

И.Г. Лабутин СОВРЕМЕННЫЕ ЭФФЕКТИВНЫЕ ТЕПЛООГРАЖДАЮЩИЕ

КОНСТРУКЦИИ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ

Объект исследования:теплоизоляционные конструкции наружных ограждений производственного здания.

Результаты, полученные лично автором: анализ эффективности современных теплоограждающих конструкций.

Основной задачей данной работы являлся подбор оптимальной теплоизоляционной конструкции наружных ограждений производственного здания.

Было рассчитано несколько вариантов теплоограждающей конструкции стен. За основу был взят классический вариант многослойной стенки, который состоял извнутреннего слоя штукатурки,слоя пенобетона, одного из вариантов теплоизоляционного материала и облицовочного кирпича.

В качестве вариантов теплоизоляционных материалов были выбраны:пенополистирол, мипора (пенопласт), минеральная вата, стекловата, пено-стекло, фибролит, целлюлозная вата (эковата), камышит и пробковые плиты.

1)Пенополистирол-пористый пластик,получаемый путем вспучивания

идальнейшей обработки полимерного сырья в условиях высокой температуры. Достоинства: небольшая масса, устойчивость к гнилостным процессам и

воздействию воды и кислот, легкость монтажа.

Недостатки: ярко выраженная горючесть (возгорается при 80). 2)Мипоратеплоизоляционный материал, который производится из

мочевиноформальдегидного полимера. Достоинства: низкая горючесть.

Недостатки: непластичность и высокая степень гигроскопичности. 3)Минеральная ватасобранные воедино стекловидные волокна,

получаемые путем расплавления отходов металлургического промышленного производства.

642

Достоинства:низкая себестоимость производства, доступность сырья для изготовления и низкая горючесть.

Недостатки:склонность к уплотнению, снижению вследствие этого теплосберегающих характеристик, хрупкость и истирание в пыль.

4)Стеклянная вата состоит из тончайших волокон, которые получают путем вытягивания из предварительно расплавленной стеклянной массы. Основным недостатком является повышенная хрупкость.

5)Пеностекло-ячеистый утеплитель, получаемый спеканием исходной массы, в результате чего происходит вспучивание сырья.

Достоинства: морозо- и влагостойкость, высокие прочностные характеристики и низкая степень горючести.

6)Фибролиттеплоизоляционный материал, получаемый путем смешивания древесной стружки, портландцемента и воды.

Достоинства: низкая горючесть, легкий монтаж, низкаястепень водопоглощения и хорошая скрепляемость со штукатуркой.

Недостатки: требователен к влажностному режиму помещения.

7)Эковататеплоизоляционный материал, изготавливаемый из отходов бумажной промышленности и макулатуры.

Достоинства: не подвержен повреждению грызунами и насекомыми, из-за наличия в составе антисептического соединения бора, экологически чистый, слабогорючий, имеет небольшой вес и низкую гигроскопичность.

8)Камышит – материал, получаемый путем прессования стеблей растения камыша.

Достоинства: низкая стоимость.

Недостатки: подверженность гниению вследствие воздействия влаги и легкого повреждения грызунами, легко воспламеняется.

9)Пробковые плиты – теплоизоляционный материал, изготавливаемый из измельченной коры пробкового дуба.

Достоинства: небольшой вес, твердость, прочность, устойчивость к гниению и образованию плесени при воздействии влаги, негорючий.

Был произведен мониторинг цен теплоизоляционных материалов за 2014 год. Самыми бюджетными материалами оказались мипора и камышит, цена

которых составила 600 , а наиболее дорогостоящим – пробковые плиты, цена

за м3 которых составляет 71000 р.

С учетом цен на материал, достоинств и недостатков было принято решение остановить свой выбор на наиболее популярном теплоизоляционном материале - минеральная вата.

Работа выполнена под руководствомк.т.н.,доцента Э.А. Лагеревой

643

А.С.Малофеев Особенности компоновки секции пароохлаждения подогревателей

высокого давления паротурбинных установок.

Объект изучения: зависимость компоновки зоны охлаждения пара подогревателей высокого давления от особенностей протекающих в ней процессов теплообмена.

Результаты исследования, полученные лично автором:в ходе компоновки зоны охлаждения пара, для наиболее эффективного её использования, должен быть выбран наиболее оптимальный вариант, как с точки зрения теплообмена, так и с точки зрения аэродинамики протекающих в ней процессов.

Подогрев питательной воды и конденсата паром из отборов турбины осуществляется в регенеративных подогревателях. Эффективность регенеративного подогрева зависит от правильного выбора параметров пара регенеративных отборов, числа регенеративных подогревателей и т.д.

В турбоустановках с высокой начальной температурой греющий пар, поступающий в последние по ходу основного конденсата подогреватели высокого давления, имеет достаточно высокий перегрев относительно температуры его насыщения, соответствующей давлению пара в корпусах таких аппаратов. Для использования перегрева пара в этих подогревателях часть их поверхности выделяется под встроенную зону охлаждения пара.

Компоновочный расчёт зоны охлаждения пара осуществляется в соответствии с рядом особенностей протекающих в зоне процессов.

Греющим теплоносителем в зоне является перегретый пар, отдающий теплоту своего перегрева питательной воде. Использование водяного пара в качестве теплоносителя имеет ряд особенностей.

Перегретый пар как газ имеет отличияв физических свойствах от питательной воды. В первую очередь это подразумевает низкую по сравнению с питательной водой плотность, следовательно скорость движения пара в межтрубном пространстве будет гораздо выше чем скорость того же расхода конденсата. С другой стороны теплопроводность пара в десятки раз ниже теплопроводности воды, что означает существенное снижение коэффициента теплоотдачи и соответственно увеличение термического сопротивления по паровой стороне.

Повышение коэффициента теплоотдачи достигается путём увеличения скорости движения пара, т.е. сужением живого сечения для его прохождения, чаще всего это означает уменьшение диаметра кожухов за счёт уменьшения числа витков спиральных элементов.

Таким образом, можно сделать вывод, о том, что повышение скорости движения пара в межтрубном пространстве положительно сказывается на интенсивности теплообмена.

Существенное влияние на характеристики всего подогревателя так же оказывает паровое сопротивление зоны охлаждения пара, поскольку падение

644

давления за зоной связано со снижением температуры насыщения в зоне КП. В результате для того, что бы зона ОП полностью выполняла возложенные на неё функции, потребуется введение дополнительной площади теплообмена, причём эта площадь будет тем больше, чем больше величина гидравлического сопротивления. Именно поэтому при компоновке зоны ОП важно принимать меры для уменьшения её парового сопротивления.

Гидравлическое сопротивление пара связано с величиной скорости движения данного теплоносителя. Следовательно, для уменьшения гидравлических потерь скорость движения пара должна быть как можно ниже.

Таким образом, интенсификация теплообмена в зоне ОП за счёт увеличения скорости движения греющего теплоносителя приводит к повышению гидравлических потерь.

В конечном итоге можно сделать вывод о том, что компоновка зоны пароохлаждения подогревателей высокого давления является ответственной задачей, в ходе решения которой выбирается наиболее оптимальный вариант компоновки как с точки зрения теплообмена, так и с точки зрения аэродинамики протекающих в ней процессов.

Работа выполнена под руководством к.т.н., доцентаСтребкова А. С.

Мелех С.А.

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЦЕССОВ ПРОИЗВОДСТВА СЖАТОГО ВОЗДУХА

Объект исследования: сжатый воздух и особенности его производства.

Результаты исследования, полученные лично автором: анализ мероприятий направленных на повышение эффективности производства и использования сжатого воздуха.

Актуальность темы состоит в том, что использование сжатого воздуха в качестве энергоносителя широко распространено во всем мире, и главным образом в промышленности. Около 90% производственных компаний тем или иным способом используют сжатый воздух в своих технологических процессах.

Сжатый воздух является средой, способной безопасно и надежно сохранять значительные количества энергии. Такие энергоносители, как газ, вода и электричество обычно подаются на производство внешними поставщиками, а сжатый воздух, напротив, обычно производится на месте. Таким образом, обеспечение качества и максимальной рентабельности становится задачей самого потребителя.Сжатый воздух обладает целым рядом преимуществ как энергоноситель. Он экологичен и безвреден, прост в хранении и транспортировке, а также чрезвычайно удобен для применения в самых разнообразных областях промышленности.

645

Его универсальность, простота и доступность привели к распространенному представлению, что сжатый воздух - дешевое благо. На самом деле это не так. Поскольку воздух легко доступен, имеет место тенденция воспринимать его как некий дар, без понимания реальных энергетических и других затрат на его производство. Все дело в том, что только около 15% затраченной на получение сжатого воздуха электроэнергии переходит в его потенциальную энергию, которую потом можно использовать при его расширении. Большая часть – 85% – это тепло, выделяемое компрессором во время работы.Естественно возникает вопрос об увеличении эффективности использования электроэнергии в процессе производства сжатого воздуха. Но для сокращения затрат в производстве сжатого воздуха в целом, необходимо использовать комплекс соответствующих мер и прежде всего необходимо обеспечить соответствующее качество воздуха.

В общем, случаи подготовку воздуха следует разделить на 2 основных этапа:подготовка воздуха поступающего в компрессор и подготовка уже непосредственно сжатого воздуха.

Первым и важнейшим этапом подготовки воздуха является очистка его от загрязнений. Присутствующие в сжатом воздухе загрязнения способны сократить срок службы пневмооборудования в 3 – 7 раз. До 80 процентов отказов пневматических систем происходят по причине повышенной загрязненности воздуха. Таким образом, надлежащее качество воздуха является определяющим фактором надежности и долговечности пневматической системы. Качество сжатого воздуха должно соответствовать решаемой задаче.

Воздух, попадающий в компрессор, уже содержит загрязнения в виде твердых частиц (пыль, песок и т.д.) В воздухе всегда (из-за естественной влажности) содержится определенное количество воды в парообразном и взвешенном состоянии.Важно понимать, что абсолютно любой компрессор, не зависимо от его качества и марки всегда будет конденсировать влагу из сжатого воздуха. Опасность влаги состоит в том, что она вызывает коррозию у оборудования, потребляющего сжатый воздух. Коррозия, в свою очередь, вызывает повышенный износ и поломки оборудования.

Большинство атмосферных частиц задерживается всасывающим фильтром компрессора, но часть попадает в компрессор и после сжатия концентрируется с плотностью, превышающей первоначальную в 8 раз. Дальнейшая подготовка уже сжатого воздуха происходит с помощью соответствующего вспомогательного оборудования. Оно обеспечивает очистку его от тех загрязнений, от которых не удалось полностью избавится на первой стадии подготовки воздуха - твердые частицы, влага и масла. Также не следует забывать об обеспечение стабильности подачи и возможность регулировки давления сжатого воздуха. Все дело в том, что все пневматические инструменты работают при определённом давлении сжатого воздуха, что также способствует продлению их срока службы.

646

Помимо непосредственно этапов подготовки воздуха существуют также и комплекс других мер, позволяющих повысить эффективность всего процесса производства. И тут, прежде всего, следует начать с того, сколько в действительности сжатого воздуха необходимо для функционирования какого-либо оборудования. Здесь все определяется величиной запаса по давлению, который был заложен в расчет. Чаще всего применяют компрессоры с рабочим давлением 10атм., но для работы оборудования достаточно 6-7 атм. В результате получается, что неправильной подбор оборудования приведет к достаточно ощутимым, с точки зрения финансов, расходам на содержание оборудования. Также можно выделить еще следующие меры повышения эффективности:устранение утечек;устранение потерь энергии в сетях сжатого воздуха;использование тепла, выделяемого компрессором;снижение потребление электроэнергии (управление производительностью). Что же касается вышеперечисленных методов, направленных на экономию производства сжатого воздуха, то здесь необходимо учитывать возможность проведения этих мероприятий.

Подводя итог, хотелось бы отметить, что сжатый воздух все же не зря некоторые называют «четвертым видом энергии». И не смотря на достаточно трудоемкий процесс его производства, он остается, и будет оставаться одним из важнейших источников энергии, применяемым во многих сферах человеческой деятельности.

Работа выполнена под руководством к.т.н., доцента Стребкова

А.С.

М.К.Некрасова ОРГАНИЗАЦИЯ И РАСЧЕТ ПРОЦЕССОВ НЕПОЛНОГО ГОРЕНИЯ ДРЕВЕСИНЫ

Объект исследования: процессынеполного горениядревесины. Результаты, полученные лично автором: анализ влияния условий

реализации процессов неполного горения древесины на состав и свойства получаемого генераторного газа с точки зрения дальнейшего энергетического использования.

В связи с промышленным развитием многих стран увеличивается их потребность в альтернативных и возобновляемых источниках энергии, одним из которых является древесная биомасса.Использование древесных отходов в топочных процессах не только открывает возможности дополнительного получения энергии, но и способствует уменьшению экологической и пожарной опасности.Достоинством древесины как топлива является низкое содержание серы и других вредных примесей, следовательно, дымовые газы при сжигании древесины не требуют дополнительной очистки.

Примерно 70% органических веществ древесины составляют углеводы, около 50% от массы древесины – целлюлоза. Остальная часть углеводов – нецеллюлозные полисахариды, называемые гемицеллюлозами. Около 30% древесины – вещества ароматической природы. Эту часть древесины

647

называют лигином. Небольшую часть древесины составляют так называемые экстрактивные вещества, т.е. вещества, способные извлекаться (экстрагироваться) из древесины нейтральными растворителями. Это в основном низкомолекулярные вещества. Основные компоненты древесины, углеводы и лигин, относят к высокомолекулярным соединениям. В зависимости от видов отходов и условий хранения древесины меняется ее влажность. Чем больше влажность в древесине, тем меньше теплота сгорания получаемого из этого топлива газа. Многообразие видов древесины, трудность в правильной оценке их физико-химических свойств и состава, затрудняют проведение расчетов и вызывает проблемы.

Организация и расчет процессовнеполного горения зависит от различных показательных характеристик топлива (состава топлива и влажности), а также условий протекания процесса, температуры и состава окислителя.Процесс неполного горения древесины протекает в условиях недостатка окислителя и относится к равновесным.

Вцелом процесс газификации твердого топлива представляет собой сложную совокупность окислительно-восстановительных химических реакций, состав которых определяется главным образом видом применяемого дутья, температурой и давлением процесса.

Процесс газификации твердого топлива (получение генераторного газа) осуществляется в установках – газогенераторах. Конструкция, которых определяется видом газифицируемого топлива и применяемого окислителя, теплотехническим принципом организации технологического процесса (генератора с плотным, взвешенным или кипящим слоем топлива), давлением процесса (генераторы атмосферныеи высокого давления), температурой слоя газифицируемого топлива (генераторы ссухим и жидким шлакоудалением), степенью механизации процессов загрузки топлива и удаления шлака из газогенератора.

Вработе были исследованы и разработаны математические модели процессов неполного горения древесины. Определены данные для расчета и рассчитан процесс неполного горения целлюлозы на различных режимах. По произведенным расчетамбыли получены их графические зависимости, на основании которых были выбраны оптимальные параметры газа.

Например, при газификации различного состава целлюлозы с температурой продуктов горения 1200К, коэффициенте расхода окислителя 0,5 и окислителе – воздух, можно сделать вывод о том, что содержание целлюлозы в древесине на состав получаемого газа сильно не влияет. Следовательно, принимаем процентное содержание целлюлозы в древесине равной 52%.

Такжедля целлюлозы составом 52%, коэффициенте расхода окислителя 0,5 и составе воздуха N2 =79% и O2 =21%, можно сказать, что горючие вещества при увеличении температуры продуктов горения возрастают. Следовательно, из полученных данных примем температуру продуктов горения 1500К.

648

Для целлюлозы составом 52%, Тпг=1500К, составе окислителя – воздухN2 =79% и O2 =21% и различных коэффициентов расхода окислителей, можно сделать вывод о том, что чем меньше коэффициент расхода окислителя тем больше состав горючих веществ в получаемом газе. Следовательно, выбираем коэффициент расхода окислителя равным 0,5.

Далее производим смешение в разных пропорциях технического кислорода с воздухом, для получения различного состава окислителя. И для полученной смеси технического кислорода с воздухом и выбранных ранее параметрах: целлюлозы составом 52%, коэффициенте расхода окислителя 0,5 и Тпг=1500К можно сказать, что чем больше кислорода содержится в смеси воздуха с техническим кислородом, тем больше горючих компонентов выделяется при полученном газе. Следовательно, выбираем в качестве окислителя смесь технического кислорода с воздухом в пропорции

8:1(N2=9,91% и O2=90,09%).

По полученным значениям теплотворных способностей различных газов можно сказать, что наибольшая теплотворная способность у газа с составом окислителя N2 =9,91% и O2 =90,09%, что подтверждает ранее выбранные параметры.Следовательно, порезультатам исследованиябыл получен генераторный газ со следующим составом:CO=34%, CO2=19%, H2O=26%, H2=18%, N2=3%.Также была получена теплотворная способность газа, которая составила 1496,37 ккал/м3.

Для обеспечения оптимального процесса горения с минимальными выбросами от неполного сгорания топлива необходимо поддержание высокой температуры горения, достаточно длительное время пребывания древесины в топочной камере и достаточно полное смешениечастиц горючих элементови окислителя.

Продолжение исследований по процессу неполного горения древесины является перспективным направлением в плане получения пригодного для дальнейшего энергетического использования генераторного газа и увеличение эффективности не только газогенераторных установок, но и теплоэнергетического оборудования, работающего на генераторном газе.

Работа выполнена под руководством к.т.н., доц. Н.А.Курбатской

А.А.Сафронов ОСОБЕННОСТИ ПОДГОТОВКИ ВЫСОКОВЯЗКИХ ЖИДКОСТЕЙ

К ПЕРЕКАЧКЕ

Объект исследования: пластинчатый теплообменник для нагрева нефти.

Результаты, полученные лично автором: анализ процесса подогрева нефти в пластинчатом теплообменнике.

В различных отраслях промышленности возникает потребность в перекачке высоковязких жидкостей. Основная проблема транспортировки

649

связана с тем, что высоковязкие нефтепродукты при определенных параметрах состояния ведут себя, как неньютоновские жидкости и возникают трудностипри их перекачке.В последние годыстремление интенсифицировать процессы конвективного теплообмена на базенаиболее экономичных итехнологичных теплообменных аппаратовобусловило совершенствование конструкций пластинчатых теплообменных аппаратов, используемых для подогрева высоковязких жидкостейв нефтяной промышленности.

По результатам исследования было установлено, что самым эффективным греющим теплоносителем является вода. Температура воды на входе может варьироваться от 70 до 150 °C, в зависимости от параметров нефти. Нефть имеет начальную температуру от -15 до 20°С и нагревается до40-90 °С. Высокая температура воды на входе помогает нагреть большой расход нефти наименьшим расходом воды.

При работе пластинчатого теплообменника на номинальном режиме 27,7 кг/с нефти (при начальной температуре в 20°С) было нагрето 15,5 кг/с воды (при начальной температуре в 120°С). Соответственно, имея высокий расход теплоносителей, возрастает гидравлическое сопротивление (по нефти 519,5 кПа), поэтому необходимо подбирать насосы с высокой мощностью на его преодоление. Расчеты на различных эксплуатационных режимах подтвердили возможность эффективного использования пластинчатых теплообменников для нагрева высоковязких жидкостей горячей водой.

Пластинчатые теплообменники нужно качественно очищать от скопления в каналах механических примесей и парафинистых отложений. Такие примеси существенно понижают коэффициент теплопередачи, поэтому обычно очистку проводят с помощью уже подогретой нефти, направляемой снова в теплообменники в пункте подогрева.

Продолжение исследований по энергоэффективностипластинчатых теплообменников при подогревевысоковязких жидкостей является важным и перспективным направлением усовершенствованияспособов их транспортировки.

Работа выполнена под руководством доц. к.т.н. Н.А.Курбатской

С.С. Симунин ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТЕПЛОВЫХ НАСОСОВ В

СИСТЕМЕ ИНДИВИДУАЛЬНОГО ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ

Объект исследования: тепловые насосы для систем теплоснабжения зданий.

Результаты, полученные лично автором: анализ работы теплового насосавзависимостиоттемпературы наружного воздуха.

650

Тепловой насос (ТН) - это установка, в которой тепло от среды с низкой температурой передается теплоносителю с высокой температурой за счет затраты энергии на преобразование рабочего тела машины. Так, применительно к индивидуальному теплоснабжению, дом можно отапливать, применяя ТН вида: "грунт-вода", "вода-вода", "воздух-вода". Грунт аккумулирует солнечную энергию, и круглый год подогревается от земного ядра и на глубине уже 8 м температура практически постоянна в течение всего года (составляет 5-8°С). Необходимая энергия собирается теплообменником, заглубленным в землю, и аккумулируется в носителе, который затем насосом подается в испаритель ТН. В установке "вода-вода" источником тепла могут быть поверхностные (реки, озера) или почвенные воды (скважины), а также сбросовая вода технологических установок. Слишком редко возникают подходящие условия для потребителя, ибо редко найдешь незамерзающую реку, а для грунтовых вод вода должна проходить деаэрирование, что влечет дополнительные финансовые расходы, а затем поступать обратно в грунт. Установка типа "воздух-вода" выгоднее дешевизной установки и оборудования. Применительно к условиям Центральной России самым оптимальным вариантом теплового насоса является установка «грунт-вода», т.к. эффективность такой установки практически не зависит от температуры наружного воздуха.

Эффективность работы теплового насоса напрямую зависит от энергоэффективности здания. В зависимости от температуры наружного воздуха меняются и теплопотери здания. Соответственно, при понижении температуры наружного воздуха возрастают теплопотери. Их необходимо скомпенсировать работой теплового насоса. Расчеты работы теплового насоса, в зависимости от температуры наружного воздуха показали, что время его работы прямо пропорционально температуре окружающего воздуха. Следовательно, при понижении температуры наружного воздуха возрастает и время работы теплового насоса. Соответственно и возрастает энергопотребление теплового насоса.

Цена теплового насоса является чуть ли не самым важным фактором, отпугивающим потребителя. Но капитальные затраты на установку теплового насоса и бурения скважин могут окупиться через 4 года надежной работы. Если учесть тот факт, что КПЭ теплового насоса, представленного в расчетах, равен 4, то можно смело сказать, что тепловой насос будет работать в 4 раза эффективнее электрического котла. Применение ТН в индивидуальном теплоснабжении в России, затруднено тем, что установка и обслуживание ТН влечет за собой большие финансовые затраты.

Работа выполнена под руководством к.т.н., доцента Э.А.Лагеревой.