авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 |

Разработка и исследование устройств, снижающих энергетические затраты при поддержании теплогидравлического режима тепловых сетей

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Тамбовский Алексей Алексеевич

Разработка и исследование устройств, снижающих энергетические затраты при поддержании теплогидравлического режима тепловых сетей

Специальность: 05.14.04 - Промышленная теплоэнергетика

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Воронеж 2011

Работа выполнена в ГОУВПО «Липецкий государственный технический университет»

Научный руководитель кандидат технических наук, доцент

Губарев Василий Яковлевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Жучков Анатолий Витальевич;

кандидат технических наук

Кондратьев Григорий Витальевич

Ведущая организация ГОУВПО «Тамбовский государственный технический университет»

Защита состоится «17» марта 2011 г. в 1200 часов в конференц-зале на заседании диссертационного совета Д 212.037.05 ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет» по адресу: 394026, г. Воронеж, Московский просп., 14.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет».

Автореферат разослан «17» февраля 2011 года.

Ученый секретарь

диссертационного совета Бараков А.В.

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Экономия топливно-энергетических ресурсов рассматривается в Федеральной программе «Энергетическая стратегия России до 2020 года» в качестве основного фактора повышения конкурентоспособности отечественной продукции и снижения загрязняющего воздействия на окружающую среду. Анализ энергетических потерь в тепловых сетях различного назначения показывает, что их значительную часть составляют избыточная подача тепла потребителям, превышение расчетных затрат энергии на перекачку теплоносителя, потери тепла и воды, связанные с несанкционированным вмешательством абонентов в работу оборудования тепловых сетей. Величина этих потерь напрямую связана с состоянием гидравлического режима в тепловых сетях, эксплуатационный ресурс которых практически исчерпан.

Различные средства регулирования (регуляторы расхода, регуляторы давления, средства местного регулирования отпуска тепла и т.д.) позволяют поддерживать заданный теплогидравлический режим тепловых сетей, что обеспечивает расходы и давления по участкам сети и, тем самым, обеспечивает экономию потребляемой тепловой энергии, а также снижает затраты на перекачку теплоносителя. Однако технико-экономическая целесообразность применения средств автоматического регулирования не всегда оправдана, что связано, в основном, с существенной изношенностью основного оборудования тепловых сетей, абонентских вводов и котельных, а также неустойчивостью регулирующего оборудования к несанкционированному вмешательству, высокой стоимостью систем регулирования и необходимостью их постоянного обслуживания.

В этой связи весьма перспективными, на наш взгляд, являются кавитационные ограничители расхода, в которых постоянство расхода возникает из-за гидродинамических особенностей течения при больших перепадах давления. Достоинства данных устройств обусловлены такими их свойствами, как отсутствие движущихся частей, невозможность несанкционированного вмешательства в их работу, высокая точность и воспроизводимость характеристик и т.д. Из известных схем и конструкций устройств подобного типа следует выделить ограничители утечек теплоносителя, в которых ограничение наступает за счет кризиса истечения вскипающего потока в среду с давлением ниже давления насыщения, поскольку теплоносители в трубопроводах обладают высокими температурами и давлениями. Однако, несовершенство существующих устройств и отсутствие методик их расчета препятствуют широкому и разностороннему применению ограничителей подобного типа. В связи с этим тема диссертации представляется актуальной.

Работа выполнялась в соответствии с научным направлением ГОУ ВПО «Липецкий государственный технический университет» «Исследование кавитационных течений жидкостей и характеристик кавитационных ограничителей расхода в системах транспорта и распределения энергоносителей металлургического производства и функциональных характеристик систем», номер НИР: 1.1.07.

Цель работы. Исследование и разработка устройств поддержания гидравлического режима тепловых сетей на оптимальном уровне. Для достижения этой цели поставлены и решены следующие задачи:

- анализ существующих представлений о методах и средствах поддержания тепловых и гидравлических режимов и управления тепловыми сетями;

- экспериментальное и теоретическое исследование гидравлических характеристик кавитационных ограничительных устройств;

- разработка метода расчета и конструирования ограничителей для их работы в сети;

- усовершенствование математической модели системы теплоснабжения с использованием кавитационных ограничителей расхода и моделирование гидравлических режимов при присоединении новых абонентов к действующей тепловой сети.

Научная новизна.

В результате экспериментальных исследований получены зависимости гидравлических характеристик кавитационных ограничителей расхода от конструктивных параметров ограничителей и перепада давления.

Усовершенствована методика расчета гидравлических режимов тепловых сетей, учитывающая характеристики кавитационных ограничителей.

Разработана методика расчета геометрических параметров ограничителя для работы в тепловых сетях.

Практическая значимость. Полученные зависимости являются надежной теоретической базой для определения геометрических параметров ограничителей кавитационного типа. Разработанные методики расчета тепловых сетей при установке ограничителей могут быть использованы как при проектировании новых, так и при оптимизации существующих систем теплоснабжения.

Результаты исследований применялись для оптимизации систем теплоснабжения ОАО «Липецкэнерго» и МУП «Липецктеплосеть».

2

Достоверность результатов.

Достоверность подтверждается соответствием расчетных и экспери-

ментальных результатов. Достоверность обеспечивается применением фундаментальных законов гидродинамик, использованием аттестованных приборов и апробированных расчетных методик.

Апробация работы.

Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международных конференциях: V Международной научно-практической конференции «Проблемы энергосбережения и экологии в промышленном и жилищно-коммунальном комплексах» (Пенза, 2004); Международной конференции «Энергетика и энергоэффективные технологии» (Липецк, 2006).

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 5 научных работ, в том числе 2 – в изданиях, рекомендованных ВАК РФ. В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежат: [1] – методика расчетного исследования влияния несанкционированного снижения сопротивления абонентских вводов на гидравлический режим тепловой сети; [2] – разработка методики проектирования ограничителей для установки в тепловых сетях; [4] – разработка методики анализа данных о суточном водопотреблении горячей воды; [5] – разработка математической модели тепловой сети и расчетное исследование гидравлических режимов.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 58 наименований. Основная часть работы изложена на 97 страницах, содержит 29 рисунков, 3 таблицы.

Основное Содержание работы

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, формулируются цель и задачи исследования, представлена научная новизна и практическая значимость работы.

В первой главе содержится анализ литературных источников, посвященных оптимизации теплового и гидравлического режима систем теплоснабжения.

Из анализа публикаций следует, что:

- текущее состояние систем теплоснабжения характеризуется крайней изношенностью, трубопроводы не выдерживают расчетных давлений и

3

температур, из-за этого приходится снижать температуру и увеличивать количество циркулирующего теплоносителя, есть предложения использовать тепловые сети только для покрытия базовой части тепловой нагрузки;

- в условиях крайней изношенности тепловых сетей возрастает количество аварий, производятся временные переключения подачи тепла и не

осуществляются регулировки тепловых сетей, из-за этого нарушается гидравлический режим и нарушается теплоснабжение потребителей;

- потребители систем теплоснабжения из-за недостатка подачи тепла выводят из строя оборудование сетей, отвечающее за гидравлический режим, или нарушают его регулировки.

Даже простейшая тепловая сеть представляет собой сложную систему взаимозависимых гидравлических контуров, а абонентские системы являются составляющими каждого из них. Поэтому любое изменение в гидравлических характеристиках одной абонентской установки может привести к перераспределению подачи теплоносителя по системе теплоснабжения в целом. Исключения влияния отдельных абонентов или их групп на работу тепловой сети добиваются с помощью различных технических решений, однако они весьма сложны, дороги и подходят только для систем теплоснабжения больших эксплуатационных районов.

Вторая глава посвящена исследованию гидравлических режимов модели тепловой сети при присоединении нового абонента. Рассматриваются основные возможности нарушения гидравлического режима системы теплоснабжения. При этом оценивается возможный ущерб от попыток компенсации недостаточной подачи тепла самовольными действиями абонентов на примере системы теплоснабжения одного из населенных пунктов. Показано, что существуют потенциальные возможности экономии энергии, при ограничении перерасходов. Рассматриваются основные способы снижения перерасходов.

Для выяснения влияния структурных изменений тепловой сети на обеспеченность абонентов в работе проведены вычислительные эксперименты с использованием специально разработанной программы расчета тупиковых систем теплоснабжения, которая основана на применении метода эквивалентных сопротивлений.

Расчет тупиковых сетей может проводиться методом эквивалентных сопротивлений. Предполагается, что режим течения теплоносителя турбулентный в квадратичной области сопротивления, для которого справедливы следующие формулы.

Потери напора по длине трубопровода (формула Вейсбаха - Дарси)

4

h = ···. (1)

Коэффициент гидравлического трения, формула Альтшуля:

= ·. (2)

Установление режима движения жидкости зависит от формы канала, шероховатости и скорости. Предельное число Рейнольдса, разграничивающее переходный и установившийся турбулентный режим будет равно:

= ·. (3)

При = 0,415 · и = 0,0005 м (для новых труб) = 0,4648 м/с.

Обычно скорость теплоносителя превышает, поэтому значение числа Re

достаточно велико, что позволяет выражением в формуле (2) пренебречь, тогда:

= ·. (4)

Расчетным участком считается такой участок трубопровода, где расход или диаметр остается постоянным. Точка, отделяющая один расчетный участок от другого, или место присоединения потребителя является узлом. Отношение падения напора на участке к квадрату расхода теплоносителя через него (сопротивление участка) можно найти по формуле:

S = ····. (5)

Отношение потерь напора на абонентской установке к квадрату расхода теплоносителя (сопротивление потребителя) определяется по формуле:

=, (6)

Тупиковая схема системы теплоснабжения это система трубопроводов включенных последовательно и параллельно. Система из любого числа n

5

параллельно соединенных трубопроводов может рассматриваться как один трубопровод с эквивалентным сопротивлением:

=. (7)

Сопротивление системы из нескольких последовательно соединенных различных трубопроводов расчитывается исходя из того, что через все участки идет одинаковый расход, а сумма потерь давления на отдельных участках составляет потери давления на всей системе.

=. (8)

Систему, содержащую последовательно включенные и параллельно включенные трубопроводы можно представить как один трубопровод с некоторым эквивалентным сопротивлением и найти общий расход для данной трубопроводной системы, имея перепад давлений в источнике.

Метод эквивалентных сопротивлений позволяет вести расчет потокораспределения даже в сильно разветвленных тепловых сетях вручную при условии, что режим течения на всех участках автомоделен.

Однако, это условие не всегда выполняется, так как в некоторых случаях наблюдается течение не только в области гладких труб, но и ламинарное течение. При этом зависимости перепадов давлений от скоростного напора будут другими. Учесть зависимость гидравлического сопротивления от режима течения можно путем введения соответствующих поправок и последующего пересчета, то есть методом последовательных приближений. Однако, выполнить такие расчеты вручную для разветвленных тепловых сетей практически невозможно, поэтому для дальнейших исследований была разработана программа, в которой был предусмотрен итерационный подбор сопротивлений в зависимости от режима течения, а также предусмотрена возможность моделирования присоединения нового абонента к заданной тепловой сети и подбора его сопротивления.

С помощью программы были проведены расчеты гидравлических режимов тепловых сетей при присоединении нового абонента и при изменении сопротивлений абонентских вводов. В результате этих расчетов, проведенных на модельных и действующих тепловых сетях, а также при обследовании

6

действующих тепловых сетей, было установлено, что присоединение новых абонентов к тепловым сетям осуществляется без последующей оптимизации гидравлического режима. В результате этого при присоединении нового абонента недостаток подачи теплоносителя у остальных абонентов увеличивается. Для обеспечения таких проблемных абонентов теплом источники теплоснабжения увеличивают параметры теплоносителя (температуру сетевой воды и располагаемый напор). При этом наряду с обеспечением теплом проблемных абонентов, возникают перерасходы теплоносителя у остальных абонентов. Применение регуляторов расхода является одним из способов избежать этой проблемы и связанных с ней энергетических потерь. В настоящее время для этой цели применяются механические регуляторы расхода типа УРРД и РР.

Регуляторы расхода, несмотря на приемлемые технические характеристики, требуют периодической перенастройки и ремонта. Они подвергаются износу и неустойчивы к вандализму. Поэтому на кафедре промышленной теплоэнергетики ГОУВПО «Липецкий государственный технический университет» разработано новое устройство для поддержания гидравлических режимов, которое названо «Ограничитель расхода сетевой воды», так как оно предназначено для ограничения потребителей с избыточной подачей теплоносителя.

В третьей главе приведен анализ некоторых работ, посвященных исследованию адиабатного истечения вскипающей жидкости из каналов и сопел. Из этих работ следует, что при значительной степени недогрева до температуры насыщения истечение жидкости подчиняется гидравлическим законам течения. При температурах, близких к температуре насыщения, в каналах происходят кризисные явления, способствующие «запиранию» потока. Эти явления и послужили причиной использования коротких каналов и сопел в качестве ограничителей расхода в тепловых аккумуляторах и при разрывах трубопроводов с горячей водой. Истечение горячей воды из каналов, сопел и диафрагм исследовалось при атмосферном давлении среды за соплом. При этом температура жидкости была такова, что давление ее насыщения намного превосходило давление окружающей среды. В работе применяется подобный принцип для создания ограничителя расхода в системе теплоснабжения. Основным отличием условий работы ограничителей является то, что они работают в среде с давлением, значительно превышающим давление насыщения жидкости.

На рис. 1 представлена принципиальная схема исследуемых ограничителей. Вначале были получены результаты в виде зависимости расхода от давлений на входе и выходе из ограничителей. Графики этих

7

зависимостей представлены на рис. 2, 3.

Для удобства дальнейшего анализа эти зависимости были представлены

в виде гидравлических характеристик, т. е. зависимостей перепада давления на ограничителе от расхода через него. На рис. 4 представлены такие зависимости для ограничителя с диаметром цилиндрического канала 4,0 мм.

Как видно из графиков, ограничитель имеет гидравлические характеристики трех видов:

а) пропорциональная характеристика (кривая 1) характеризуется зависимостью перепада давления от расхода в степени 1,5 2,1, получается при малых перепадах давления;

б) ограничение расхода (кривая 2, 2’, 2’’), которое характеризуется постоянным расходом, зависящим от входного давления; ограничение наступает при уменьшении давления на выходе при постоянном давлении на входе, когда перепад давления на ограничителе превышает определенную величину;

в) мягкое ограничение (кривая 3), которое характеризуется зависимостью перепада давления от расхода в степени 2,7 3,1; получается при нулевом избыточном давлении. В этом случае величина перепада давления численно равна избыточному давлению на входе.

8

Расходы равны расходам ограничения при данном давлении на входе в режиме «ограничения». Характеристикой мягкого ограничения эта кривая названа из-за меньшей интенсивности возрастания расхода при возрастании перепада давления, чем в случае «пропорциональной характеристики».

Ограничитель выполняет свою функцию (ограничение расхода) при работе в режимах «мягкого» или «жесткого» ограничения. В режиме «жесткого ограничения» характеристика ограничителя подобна гидравлической характеристике регулятора расхода, то есть имеет ветвь постоянного расхода и постоянного сопротивления, а также минимальный перепад ограничения. Поэтому наиболее эффективен ограничитель, имеющий наименьшее значение перепада ограничения.



Pages:   || 2 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.