Теплотехника. Рубрика в журнале - Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Энергетика
Анализ способов повышения эффективности абсорбционного и модернизированного паросилового цикла
Статья научная
В статье приводится принципиальная схема и принцип работы модернизированного паросилового цикла Ренкина, в котором конденсация отработавшего после турбины пара заменена на процесс его абсорбции, а также принципиальная схема абсорбционного трансформатора, в котором происходят схожие процессы и который взят за основу при разработке модернизированного цикла. С целью разработки оптимизированных схемных решений модернизированного цикла Ренкина в статье осуществляется термодинамический анализ различных схемных решений абсорбционных циклов с водоаммиачным раствором (схема с регенерацией в термохимическом компрессоре, с регенерацией теплоты в основном процессе, с дефлегмацией пара). Результаты анализа показали, что наиболее оптимальными техническими решениями для абсорбционного термотрансформатора с точки зрения сложности реализации и эффективности являются схемы с дефлегмацией пара и регенерацией теплоты растворов. С целью оптимизации эффективности цикла было осуществлено комбинирование данных схемных решений и исследована эффективность решения. По результатам определения наиболее эффективных вариантов циклов абсорбционных термотрансформаторов в дальнейших исследованиях будут разрабатываться оптимизированные схемные решения для паросилового цикла, при этом будут учитываться особенности функционирования абсорбционных и паросиловых циклов.
Бесплатно
Влияние ряда коридорного пучка на теплообмен в пульсационном потоке
Статья научная
Теплообменные аппараты с плотными пучками труб широко распространены в энергетической отрасли. В свою очередь повышение эффективности теплообменного оборудования тесно связано с различными методами интенсификации теплообмена. Одним из таких методов является вынужденная пульсация потока, при этом пульсирующие течения в пучках труб ограничены единичными работами. В данной статье численным методом рассмотрено влияние положения цилиндра в пучке труб на его теплообмен в условиях пульсационного потока. Численный эксперимент проводился в условиях двухмерного течения с продольным и поперечным относительным шагом 1,4. Число трубок в продольном направлении составляло 7. Число Рейнольдса соответствовало 1500, при этом теплофизические свойства рабочей среды принимались постоянными и соответствовали числу Прандтля 4,03. Расчеты проводились в Ansys Fluent при стационарном и пульсационном течении. Вынужденные пульсации потока имели несимметричный возвратно поступательный характер. Амплитуда пульсаций, отнесенная к диаметру цилиндра A/D, принимала значения 0,1; 0,2; 0,3 и 0,4, частота пульсаций соответствовала 0,2; 0,4; 0,6 и 0,8 Гц. Результаты численного эксперимента показали, что как при стационарном, так и при пульсационном течении происходит увеличение теплообмена по глубине пучка труб. Максимальное увеличение теплоотдачи происходит на последнем ряду. В пульсационном течении при всех исследованных режимах наблюдается интенсификация теплообмена для всех рядов пучка труб, при этом интенсификация различна в зависимости от ряда и режима пульсаций. Теплоотдача первого ряда и последующих рядов в пульсационном течении меньше по сравнению со стационарным течением, поэтому для первого ряда наблюдается максимальная интенсификация. Влияние положения цилиндра по глубине коридорного пучка труб уменьшалось с повышением частоты и амплитуды пульсаций. Максимальная интенсификация 1,51 раза наблюдалась на первом ряду при максимальной амплитуде и частоте пульсаций.
Бесплатно
Статья научная
В статье обозначена важность планирования электропотребления производственных предприятий и представлена возможность использования фотоэлектрических панелей с оптимизационной моделью на основе прогнозных методов регулирования. Показано, что существует проблема использования как возобновляемых, так и традиционных источников энергии в России, в частности в Челябинской области. В статье рассмотрена возможность использования фотоэлектрических панелей на ООО «ЧелябинскСпецГражданСтрой» для покрытия как кратковременных небалансов, так и для полной децентрализации сети предприятия. Приведены результаты расчетов теплового потока солнечной панели с двум стёклами при заданной температуре окружающей среды и рассчитанным коэффициентом пропускания атмосферы на день расчёта по традиционной методике и результаты компьютерного моделирования в программном комплексе ANSYS. Результаты представлены в таблице. Проанализировано влияние среднесуточной температуры окружающей среды на величину теплового потока солнечной батареи для одного месяца 2021 года. Также затронута тема использования нейросетевых алгоритмов, позволяющих за счёт прогнозного регулирования снизить энергопотребление потребителя, а также выявить алгоритм потребления энергетических ресурсов. Описаны особенности обучения Хебба и Ойя. По результатам расчетов и компьютерному моделированию сделан вывод о степени влияния температуры окружающей среды на величину теплового потока. Описаны направления дальнейшего исследования по данной тематике.
Бесплатно
Статья научная
В статье приводятся результаты исследования пневматического затвора вихревого типа, который устанавливается в каналах загрузки сырья тепломассообменных реакторов. Существует метод расчета пневматического затвора вихревого типа, предназначенный для решения задачи определения оптимальных режимных параметров работы устройства при заданных геометрических параметрах и задачи профилирования оптимальной геометрии при заданных режимных параметрах. В статье приводится анализ математической модели рабочего процесса пневматического вихревого затвора, на основе которой был получен существующий метод расчета устройства. Показано, что в математическом описании газодинамических процессов в затворе не учитываются функциональные назначения компонентов скорости активного газа на срезе сопла, что делает ее неприменимой для оценки влияния геометрии направляющего аппарата на характеристики пневматического затвора. Численным моделированием установлено, что увеличение толщины и количества лопаток в некотором диапазоне приводит к ухудшению запирающей способности затвора и, как следствие, к увеличению требуемых для запирания массового расхода и давления активного газа и снижению энергоэффективности устройства. Показано, что уменьшение угла установки лопатки в исследуемом диапазоне также ведет к росту требуемых параметров активного газа для запирания полости реактора. В результате исследования установлено, что угол установки, толщина и число лопаток направляющего аппарата существенно влияют на требуемые для запирания давления в реакторе параметры активного газа и, как следствие, на энергетическую эффективность затвора. Показано, что зависимость максимального запираемого давления от угла установки лопатки не является монотонно возрастающей и при достижении некоторой величины дальнейшее уменьшения угла установки привод к снижению запираемого давления.
Бесплатно
Статья научная
В статье рассмотрены режимы работы различных схем использования детандер-генераторных агрегатов на когенерационных котельных с газопоршневыми двигателями внутреннего сгорания. Показано, что при низких температурах воздуха в схеме с отсутствием предварительного подогрева газа могут выпадать кристаллогидраты в газопроводе после детандера. Для недопущения этого явления предложен режим с поддержанием более высокого выходного давления в детандере, чем минимально допустимое давление по условию недопущения образования кристаллогидратов. Показано, что при данном режиме уменьшится работа детандера. Проведен анализ влияния начальных параметров газа на величину работы детандера. Выявлено, что схема с подогревом газа перед детандером позволяет полностью реализовать располагаемый перепад давлений. Дополнительным преимуществом применения предварительного подогрева является увеличение удельной работы детандера за счет более высокой входной температуры газа. Показано, что при определенном значении температуры наружного воздуха в летний период использование подогрева газа может стать невыгодным из-за уменьшения коэффициента полезного действия двигателей внутреннего сгорания для схемы с подогревом. При более высоких температурах наружного воздуха предложен режим с отключением подогрева газа. Для когенерационной котельной с 3 газопоршневыми двигателями внутреннего сгорания проведен расчет годовой и среднемесячной экономии топлива от применения различных схем детандер-генераторных агрегатов по сравнению со схемой с дросселированием газа. Наибольший энергетический эффект от применения предварительного подогрева газа будет в зимний период, так как подогрев позволяет снять ограничения по величине выходного давления газа и тем самым полностью использовать располагаемый перепад давлений в детандере. Показано, что подогрев газа перед детандером до 100 °С позволяет увеличить годовую экономию топлива примерно в 1,4 раза по сравнению с использованием схемы с детандером без подогрева.
Бесплатно
Исследование тепловых характеристик твердого изолированного цилиндрического аккумулятора теплоты
Статья научная
В работе обоснована актуальность исследования тепловых характеристик твердого изолированного цилиндрического аккумулятора теплоты, показаны основные направления научно-технических работ в области аккумулирования теплоты. Представлена постановка и обобщенная методика численного решения задачи о распространении колебаний температуры от внутренней поверхности твердого изолированного цилиндрического аккумулятора теплоты. Проведены расчеты и анализ зависимостей средней массовой температуры, теплового потока, их амплитуд и фаз в зависимости от периода колебаний и относительного внутреннего радиуса. Даны определения аккумулятору и стабилизатору теплоты, коэффициенту аккумуляции теплоты. Проведено режимное исследование аккумуляторов теплоты и сделаны выводы об области их эффективной работы. Отмечены характерные особенности теплообмена в твердых изолированных цилиндрических аккумуляторах теплоты.
Бесплатно
Статья научная
На современном этапе развития систем теплоснабжения они трансформируются в системы централизованно-распределенного типа, интегрирующие различные энергетические технологии для достижения максимальной эффективности и надежности теплоснабжения потребителей при оптимальном сочетании централизованной и распределенной генерации тепловой энергии. Сектор распределенной генерации в этих системах связан прежде всего с реализацией технологий активного потребителя или просьюмера (от англ. prosumer). При этом наряду с аспектами эффективного управления рассматриваемых систем с участием просьюмеров одной из актуальных задач становится обеспечение надежности их функционирования. Основная задача исследования заключается в оптимизации параметрической надежности системы централизованно-распределенного теплоснабжения с учетом использования резервных функций просьюмеров, обеспечиваемых их собственной генерацией или аккумулированием тепловой энергии. Методология решения основана на применении положений теории надежности, узлового подхода к анализу надежности теплоснабжения, моделей марковского случайного процесса, некоторых упрощенных закономерностей теплопередачи в процессах потребления тепловой энергии и некоторых других методов и моделей. Предложенные методы и модели обобщены в рамках единой методологической схемы, состоящей из основных этапов анализа и оптимизации (синтеза) надежности. Проведен вычислительный эксперимент на основе тестовой схемы системы теплоснабжения, представлен анализ полученных результатов, сформулированы выводы и направления дальнейших исследований.
Бесплатно
Статья научная
Статья посвящена сжиганию твердых отходов в топке котла для использования их как топлива на тепловых электростанциях. В работе описывается текущая ситуация использования газификации для переработки отходов и опыт их использования на ТЭС. Проведенный авторами обзор выявил проблему накопления отходов и сложности разработки схемы по их реализации. В связи с этим авторы предлагают технологию переработки отходов на ТЭС с последующим получением тепловой и электрической энергии. Для исследования были выбраны по территориальной схеме обращения с отходами Ростовской области и обоснованы виды сырья (отходов), что позволило судить о наибольшем энергетическом вкладе, который приносят отходы лузги и шрота подсолнечного. Также проведен расчет теплового и эксергетического баланса котла ТПП-210А для выбранных видов отходов. В результате анализа расчета построены графики сравнения синтез-газа выбранных отходов с природным газом и углем, а также диаграммы потоков эксергии для одного из выбранных отходов и природного газа и угля. На основе проведенного исследования в статье авторы показали, что газификация твердых бытовых и сельскохозяйственных отходов сможет увеличить термический и эксергетический КПД котла и заменить уголь и природный газ, что уменьшит вредные воздействия на окружающую среду. Расчеты энергетического и эксергетического балансов показывают эффективность применения твердых бытовых и сельскохозяйственных отходов для сжигания на ТЭС, в частности, основываясь на результатах расчета термического и эксергетического КПД котла в зависимости от применяемого топлива.
Бесплатно
Статья научная
Существует мало лабораторных стендов, которые имитируют работу прямоточных котлов, в то время как процессы, происходящие в таких устройствах, относятся к сложным в гидравлическом и теплофизическом аспектах. Изучив гидродинамику теплоносителя в цилиндрическом сложнонавитом змеевике, можно повлиять на производительность котла. Движение воздуха через подобный змеевик также представляет интерес для интенсификации процесса теплообмена в паровых прямоточных котлах. Современные приборы автоматизации могут позволить снять показания теплоносителя и воздуха с высокой точностью, а также передать экспериментальные значения на персональный компьютер для сохранения и последующего анализа данных. В статье представлены результаты по проектированию и сборке лабораторного стенда, который предназначен для опытного исследования аэро- и гидравлической систем прямоточного котла с помощью автоматического управления устройствами и сбора данных. Отображены результаты моделирования и экспериментальных данных.
Бесплатно
Оценка охлаждающей способности гибридной градирни с оребренным трубчатым радиатором
Статья научная
Градирни являются важным компонентом систем оборотного водоснабжения промышленных предприятий. При сравнении различных типов охлаждения испарительное является наиболее эффективным, однако из-за имеющихся недостатков были проведены исследования по их оптимизации. Гибридные системы охлаждения являются наиболее практичными и эффективными способами предотвращения образования большого парового факела, добавления избыточного количества подпиточной воды. В дополнение к этому гибридные градирни обеспечивают дополнительные преимущества по сравнению с другими обычными градирнями с точки зрения эффективности протекания процесса, а также экономии использования химических реагентов при техническом обслуживании. Авторами предложена конструкция гибридной градирни с оребренным трубчатым радиатором. Для прогнозирования тепло- и массообмена в гибридной градирне была собрана экспериментальная установка, определен тепловой КПД в испарительной части градирни, проанализирована охлаждаюшая способность наклонно-гофрированных контактных элементов с оребренным трубчатым радиатором. При увеличении плотности орошения охлаждающей жидкости наблюдается, как правило, незначительное снижение тепловой эффективности в результате сопротивления, оказываемого потоку воздуха в пространстве гофрированных элементов. Исследования показали, что наиболее высокая охлаждающая способность наклонно-гофрированных контактных элементов наблюдается при невысоких массовых плотностях орошения и может достигать 35 % без существенного капельного уноса.
Бесплатно
Статья научная
По сравнению с водогрейными и барабанными паровыми котлами для бесперебойной работы прямоточных паровых котлов змеевикового типа требуется улучшенное качество питательной воды, чего трудно добиться с помощью обычных фильтров. Риск образования отложений на поверхности змеевика из-за плохого качества исходной жидкости вынуждает подбирать наилучший метод химической очистки воды с учётом реальных условий эксплуатации передвижной парогенераторной установки. Рассмотрение наиболее распространённых методов химической очистки воды и моделирование течения теплоносителя по змеевиковым трубам помогает определиться с составляющими установки для химической подготовки питательной воды. В статье представлены результаты расчётов фильтров различных типов для очистки воды, которые предназначены для обеспечения нормативных химических показателей теплоносителя, и результаты моделирования коаксиального змеевика при движении химически очищенной и исходной воды. Предложен оптимальный вариант химической очистки питательной воды, а также обоснование выбранного варианта.
Бесплатно
Процессы загрязнения и очистки турбинного масла в системах смазки паровых турбин
Статья научная
Получена зависимость параметров (чистоты, загрязнения и очистки) рабочей жидкости системы смазывания подшипников и регулирования паровой турбины. Фильтры предназначены для очистки путем удаления твердых примесей, которые вредны для масла и машины. Если фильтр хорошо справляется со своей задачей, он удаляет загрязняющие вещества так же быстро, как они проникают в масло. Это называется массовым балансом. Количество частиц, попадающих в масляную систему, равно количеству частиц, улавливаемых фильтром; таким образом достигается стабилизированный и контролируемый уровень чистоты масла. Было проанализировано влияние воздуха, диспергированного в масле, на работу рамных фильтров в системах смазки паровых турбин. Установлено, что при фильтровании аэрированного масла мягкие частицы (пузырьки газа) увеличивают коэффициент отсева твердых загрязнений более чем в 4 раза. Расчеты показывают, что воздух, диспергированный в масле, повышает чистоту фильтрата в системе в 21 раз.
Бесплатно
Статья научная
Разрабатываемая в данной статье интеллектуальная система диагностики оборудования технологических процессов в топливно-энергетическом комплексе РФ имеет ряд преимуществ перед подобными системами, так как отвечает на ряд вызовов, которые ставит перед ТЭК РФ существующая обстановка. Авторы разработали механизм, архитектуру и цифровой инструментарий для создания интеллектуальных систем диагностики теплоэнергетического оборудования с возможностью распознавания текущего состояния объекта в условиях динамической подачи информации. Провели анализ установки с использованием метода Байеса для оценки состояний объектов системы теплоснабжения, подтвердив применимость этого подхода. Были определены цифровые инструменты, необходимые для функциональности разрабатываемой интеллектуальной системы. Создана архитектура системы принятия решений, а также разработан алгоритм механизма логического вывода нечёткой нейронной сети. В результате разработанная система позволяет формализовать мнения экспертов в количественных метриках, объединять данные с измерительных устройств, проводить диагностическую оценку состояния и предлагать решения. Система обладает высокой достоверностью получаемых данных и позволяет накапливать и сохранять информацию, создавая структурированный массив данных и инженерную онтологию. Разработка и интеграция подобных интеллектуальных систем ориентирована на повышение эффективности и минимизацию ресурсных затрат.
Бесплатно
Статья научная
Коллективом авторов отмечается, что проектирование современных систем теплоснабжения 4-го поколения заключается в применении современных цифровых технологий с использованием анализа и обработки больших данных и в том числе при прогнозировании поведения системы теплоснабжения в целом. Поэтому разработка цифровых моделей является одной из актуальных проблем в современном теплоснабжении. Материалом исследования научной работы являются термодинамические процессы многофазных потоков наружных сетей теплоснабжения. Приводится описание и расчет методики построения физико-математических моделей термодинамических процессов многофазных потоков наружных сетей теплоснабжения с использованием метода Рунге - Кутты/WENO. Отмечается, что математически возможно выразить термодинамические процессы как непрерывные процессы, представления о которых можно получить с помощью осреднения параметров фаз рассматриваемого потока. Прежде всего свойство непрерывности свидетельствует, что малые изменения аргумента приводят к малым изменениям значения функции. Поток можно считать гетерогенным, а значит, обладающим явлением межфазного взаимодействия. Следовательно, такие взаимодействия необходимо учитывать при составлении уравнений.
Бесплатно
Статья научная
Широкое распространение в мире для кондиционирования помещений получили парокомпрессионные установки, работающие от электрической энергии. У данного типа установок имеется ряд недостатков, в связи с чем была предложена новая установка для кондиционирования помещений. Абсорбционный трансформатор теплоты - установка для кондиционирования помещений и горячего водоснабжения, работающая по принципу абсорбционного теплового насоса, а также установка может применяться для отопления. В качестве источников теплоты установка способна использовать возобновляемые источники энергии или утилизировать теплоту уходящих газов, например, исходящих от отопительного котла температурой до 115 °C. Практическая значимость установки заключается в ресурсосбережении и экологичности. Использование данной установки в конечном итоге позволит сократить потребление первичного топлива и снизить негативное влияние на окружающую среду. В работе рассмотрена возможность использования бромисто-литиевого раствора в абсорбционном трансформаторе теплоты для жилых помещений. Для этого был проведен ряд расчетов, выполненных по методике расчета абсорбционных холодильных бромисто-литиевых машин. В результате проведенных расчетов было выявлено, что использование бромисто-литиевого раствора удовлетворительно для использования в бытовом абсорбционном трансформаторе теплоты, однако для достижения большей эффективности работы установки необходимо дорабатывать схему установки.
Бесплатно
Статья научная
В статье проводится технико-экономический анализ применения энергокомплекса, базирующегося на «новом трансформаторе теплоты», для нужд теплоснабжения и сравнение основных показателей с конкурирующими технологиями - парокомпрессионным и абсорбционным тепловым насосом, газовым котлом. Энергокомплекс рассматривается как установка для теплоснабжения, работающая с использованием возобновляемых источников энергии и состоящая из нового трансформатора, который в одном рабочем контуре имеет систему концентраторов теплоты, включая компрессор механический и «тепловой» (совокупность абсорбер-генератор пара), что, в отличие от существующих трансформаторов теплоты, позволяет более полно использовать для своей работы различные виды энергии, как по отдельности, так и комплексно, а также регулировать параметры трансформации теплоты под конкретные условия применения. Комбинирование различных технологий позволяет повысить эффективность использования первичной энергии. Оценка энергетической эффективности выполнена для тепловой мощности 30 кВт. Технико-экономический анализ показал, что применение энергокомплекса позволяет существенно сократить расход органического топлива (природного газа) по сравнению с конкурирующими технологиями и снизить срок окупаемости энергокомплекса по сравнению с конкурентами. В частности, результаты расчетов показывают, что расход топлива энергокомплекса (принимался природный газ) в 1,5 раза ниже, чем у АБТН, в 2,5 раза ниже, чем у газового котла (ГК) и в 3,3 раза ниже, чем у ПКТН. Снижение эксплуатационных расходов позволяет сократить срок окупаемости предлагаемого решения по сравнению с ПКТН на 1,2 года, с АБТН - на 5,2 года, с ГК - на 9,6 года. Полученные результаты свидетельствуют о перспективности разработки энергокомплекса в качестве теплогенерирующего устройства и его конкурентоспособности.
Бесплатно
Статья научная
Предметом работы является численное исследование термогидродинамических процессов в потоке метановой парокапельной смеси в одном из элементов устройства подогрева смесей газов и жидкостей. Темой исследования является изучение физических процессов, протекающих в аппаратах регазификации сжиженного природного газа. Цель работы - выявление закономерностей динамики полидисперсной парокапельной смеси в трубе с нагретыми стенками. Динамика несущей среды описывается системой уравнений Навье - Стокса для сжимаемой теплопроводной среды с учетом обмена массой, импульсом и энергией с дисперсной фазой. Дисперсная фаза включала в себя несколько фракций, отличающихся размерами. Каждая фракция описывается системой уравнений, состоящей из уравнения неразрывности для средней плотности, уравнений сохранения составляющих импульса и уравнения сохранения тепловой энергии с учетом взаимодействия многофракционной дисперсной фазы с несущей средой. Математическая модель учитывала закрутку потока посредством учета тангенциальных составляющих векторов скоростей несущей фазы и фракций дисперсной фазы. Системы уравнений движения несущей среды и фракций дисперсной фазы решаются явным конечно-разностным методом Мак-Кормака второго порядка. Для преодоления численных осцилляций используется схема нелинейной коррекции сеточной функции. На каждом временном шаге основная часть вычислительного алгоритма дополняется моделью испарения капель с последующей коррекцией гидро- и термодинамических параметров смеси. В результате расчетов выявлено существенное отличие в интенсивности испарения фракций жидкой метановой фазы смеси, имеющих различные размеры дисперсных включений, также было определено, что в процессе движения испаряющейся смеси наибольшее давление паровой фазы наблюдается вблизи отверстия втекания метановой смеси в трубу с подогретыми стенками. Выявленные закономерности возможно применить в устройствах, работающих с газожидкостными средами.
Бесплатно
Статья научная
Разработан способ работы энерготехнологического комплекса, включающего тепловой насос, фотоэлектрическую панель и опреснительную установку. В методике, описывающей функционирование комплекса в целом, особое внимание уделяется конструкциям отдельных элементов технологической схемы, энергетическому балансу и эксергетическому методу. Методика расчета позволяет встраивать дополнительные компоненты, такие как турбодетандер для реализации органического цикла Ренкина, а также ветроустановку и солнечный концентратор. Авторы представляют разработки как научный подход к проектированию и эксплуатации энерготехнологического комплекса - единую методологию. Комбинация энергобалансовых методов термодинамического анализа и эксергетического метода использовалась для определения потерь энергии в установке, а также для расчета энергоэффективности системы. Расчет эксергий производился в характерных точках цикла. Методология позволяет интегрировать в энергокомплексы различные виды возобновляемых источников энергии и совершенствовать технологические системы на базе тепловых насосов и испарительных установок. В энергокомплекс включена схема испарительной установки. Методология и расчет эксергий воды и водяного пара будут представлены авторами во второй части экспериментального исследования.
Бесплатно
