На правах рукописи Усачева Татьяна Александровна

На правах рукописи
Усачева Татьяна Александровна
РАЗРАБОТКА И ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОМЫШЛЕННОГО
РЕГАЗИФИКАТОРА С ТВЕРДОТЕЛЬНЫМ ПРОМЕЖУТОЧНЫМ
ТЕПЛОНОСИТЕЛЕМ НЕПОЛНОГО ЗАПОЛНЕНИЯ
Специальность: 05.14.04 – Промышленная теплоэнергетика
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Саратов 2009
2
Работа выполнена в ГОУ ВПО «Саратовский государственный
технический университет»
Научный руководитель
– доктор технических наук
Шурайц Александр Лазаревич
Официальные оппоненты:
– доктор технических наук, профессор
Седелкин Валентин Михайлович
– кандидат технических наук, доцент
Морозова Наталья Николаевна
Ведущее предприятие:
– ОАО «Внипигаздобыча», г. Саратов
Защита состоится «2» марта 2010 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.242.07 при Саратовском государственном техническом университете по адресу: 410054, г. Саратов, ул. Политехническая, 77, корпус
1, ауд. 159.
С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке
Саратовского государственного технического университета.
Автореферат разослан « 29 » декабря 2009 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
Е.А. Ларин
3
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. При использовании сжиженного углеводородного
газа (СУГ) с высоким содержанием бутановых фракций в системах резервуарного газоснабжения промышленных потребителей он, как правило, подвергается
испарению в электрических регазификаторах с жидким и твердотельным промежуточным теплоносителем (ПТ).
Использование электрической энергии в промышленных регазификаторах
(ПР) малой и средней мощности, эксплуатируемых непосредственно на наружном
воздухе, является в настоящее время наиболее экономичным. Экономический эффект, по сравнению с огневыми регазификаторами, подверженными отрыву
пламени в атмосферных газогорелочных устройствах, достигается за счет высокой надежности эксплуатации, обеспечения высокой интенсивности теплообмена, меньших капиталовложений, затрат на обслуживание и ремонт. В то же время
электрическая энергия по сравнению со сжиженным углеводородным газом, используемым в качестве топлива в огневых испарителях, является более ценным
энергоносителем и характеризуется более высокой отпускной стоимостью. Кроме этого, СУГ даже с высоким содержанием бутановых фракций может быть
частично регазифицирован в подземных резервуарах за счет природного тепла
окружающего грунта. Однако в настоящее время тепловая энергия грунтового
массива в ПР, работающих на СУГ с высоким содержанием бутановых фракций,
никак не используется.
Наиболее совершенным в инженерной газовой практике является электрический ПР, использующий в качестве промежуточного теплоносителя заливку из алюминия, повышающую коэффициент теплопередачи до 980 Вт/ м2
К и не требующий замены ПТ в течение всего срока службы, равного 25
лет. По сравнению с существующими аналогами - электрическими испарителями СУГ с жидким промежуточным теплоносителем на основе антифриза, подлежащего ежегодной замене, удельные материало- и капиталоемкость электрических ПР с твердотельным ПТ в течение срока службы снижаются в 17 раз.
Вместе с тем, заливка промежуточного теплоносителя из алюминия, в отличие от жидкого ПТ, осуществляется на стадии изготовления, что значительно увеличивает затраты в транспортировку, погрузочно-разгрузочные
операции и монтажные работы. Это особенно проявляется при транспорте
готовых изделий на большие расстояния, что является характерным для испарителей СУГ, поскольку заводы-изготовители испарительной техники сосредоточены в центральных районах, а места их широкого применения - в
периферийных районах России.
В этой связи, экономия материальных затрат и электрической энергии
при использовании электрических ПР с твердотельным теплоносителем из
алюминия является актуальной задачей, требующей своего разрешения.
4
Представленная работа выполнена в Саратовском государственном техническом университете на кафедре «Теплогазоснабжение, вентиляция и охрана воздушного бассейна» в период 2004 ÷ 2007 гг. в рамках комплексных программ и
планов ОАО «Гипрониигаз» и ОАО «Росгазификация», включая научнопроизводственную работу в период обучения в СГТУ в 2002 ÷ 2006 гг. Результаты научной студенческой работы отмечены дипломами и грамотами Минобразования и науки РФ по итогам открытого конкурса 2002, 2004, 2006 годов на
лучшую студенческую работу по естественным, техническим и гуманитарным
наукам в вузах Российской Федерации.
Начиная с марта 2008 года, работа выполняется в рамках государственной федеральной программы «Старт» по договору с Фондом содействия
развития малых форм предприятий в научно-технической сфере № 5733
Р/8284 по теме: «Разработка, освоение и изготовление ресурсоэнергосберегающего испарителя сжиженного газа с теплопередачей через слой твердотельного промежуточного теплоносителя» (заявка № 08-4-Н4-0105) и
предусматривает конструирование, изготовление, испытание и внедрение
опытно-промышленных образцов предлагаемой конструкции электрического
ПР согласно разработанным патентам.
Цель работы – разработка и оптимизация энерго- и ресурсоэффективных
ПР СУГ с твердотельным промежуточным теплоносителем из алюминия.
Задачи исследований. Поставленная цель реализуется путем решения ряда
взаимосвязанных задач, среди которых к числу наиболее приоритетных относятся
следующие:
1.Создание энергосберегающих электрических промышленных ПР и
разработка аналитических зависимостей по определению экономии тепловой
энергии.
2. Разработка системного алгоритма создания модели ресурсосберегающего ПР СУГ.
3. Разработка новой конструкции ПР с минимальной металлоемкостью
твердотельного промежуточного теплоносителя из алюминия.
4. Электротепловое моделирование процессов теплообмена между трубчатыми электронагревателями (ТЭН) и испарительным трубопроводным змеевиком
(ИТЗ) электрического ПР, заключенными в массив из алюминия при наличии
полости в его центральной части.
5. Разработка математической модели оптимизации геометрических параметров ПР с цилиндрической полостью в центральной части твердотельного ПТ.
Методы исследования и достоверность результатов: системный подход
при разработке модели и конструкции ПР СУГ; электротепловое моделирование
процессов теплообмена между нагревательным и испарительным элементами, заключенными в массив из алюминия; натурный эксперимент; системный анализ
при оптимизации геометрических параметров твердотельного ПТ.
Достоверность результатов и выводов обеспечивается использованием современных методов системных и экспериментальных исследований в промышленной теплоэнергетике. Адекватность моделей подтверждена результатами экспериментов на опытно-промышленном образце регазификатора СУГ.
Научная новизна работы: – предложены способ экономии электрической энергии на нужды регазификации СУГ с высоким содержанием бута-
5
новых фракций путем испарения части жидкой фазы в подземном резервуаре за счет тепла окружающего грунта и аналитические зависимости по
определению величины сэкономленной энергии;
– создан алгоритм разработки модели и конструкции ПР с минимальной
металлоемкостью, базирующийся на выявлении целевой функции воздействующих на нее параметров и задании ее минимального значения;
– проведено обоснование целесообразности устройства полости в центральной части теплоносителя из алюминия, основанное на определении
расстояния от трубчатых электронагревателей до боковой поверхности полости, при котором обеспечивается номинальный температурный режим
их работы;
– получены зависимости по расчету теплообмена между нагревательным и
испарительным элементами, заключенными в массив из алюминия с цилиндрической полостью в его центральной части, полученные на основе метода электротепловой аналогии и позволяющие определять значения фактора формы и
теплового потока в зависимости от конфигурации и геометрических параметров
теплообменных элементов промышленного регазификатора СУГ;
– разработана математическая модель оптимизации геометрических параметров электрического промышленного регазификатора СУГ при наличии цилиндрической полости в центральной части твердотельного теплоносителя из
алюминия.
Основные положения, выносимые на защиту:
– способ экономии электрической энергии на нужды регазификации
СУГ с высоким содержанием бутановых фракций и аналитические зависимости по определению величины сэкономленной энергии;
– алгоритм разработки модели и конструкции ПР с минимальной металлоемкостью;
– обоснование целесообразности устройства полости в центральной части ПТ из алюминия;
– зависимости по расчету теплообмена между нагревательным и испарительным элементами, заключенными в массив из алюминия с цилиндрической
полостью в его центральной части;
– математическая модель оптимизации геометрических параметров электрического ПР при наличии цилиндрической полости в центральной части твердотельного ПТ;
– результаты экспериментальных исследований, опытно – промышленных
испытаний и внедрения предлагаемой конструкции ПР.
Практическая ценность. 1. Предложенный алгоритм разработки ресурсосберегающего ПР СУГ, защищенный свидетельством авторского права
№ 13356, отличается универсальностью и позволяет на основе выявления
целевых функций и задания им минимальных значений получать модели
сложных технических систем в различных областях прикладной науки и
техники. Применение метода позволяет свести к минимуму уровень риска
при реализации новых разработок в условиях их венчурного финансирова-
6
ния. Метод апробирован при разработке технических систем и реализован в
рамках государственной федеральной программы «Старт».
2. Разработанные технические решения по применению энергосберегающих электрических ПР с испарением части жидкой фазы непосредственно в подземном резервуаре за счет использования природного тепла
грунта позволяют обеспечить 39,2% среднегодовой экономии электрической
энергии на регазификацию СУГ.
3. Предложенная конструкция ПР СУГ с минимальной металлоемкостью
твердотельного ПТ из алюминия защищена патентами № RU 73717 U1,
№ RU 63486 U1, 59773 U1, № RU 55087 U1 и использовалась при разработке: – стандарта СТО 03321549-003-2009 «Технические решения по применению электрических промышленных регазификаторов сжиженного углеводородного газа с цилиндрической полостью в твердотельном промежуточном
теплоносителе»/ ОАО «Росгазификация». Саратов, 2009. 36 с.; – комплекта
технической документации на испаритель электрический с твердотельным
промежуточным теплоносителем ИЭПТ-04/ ООО «Наутех». Саратов, 2009.
На базе предложенных изобретений разработан ПР, обеспечивающий, по
сравнению с существующими аналогами, снижение материалоемкости на
37,5%.
4. Предложенные научно-технические решения нашли практическое применение при подготовке и чтении спецкурса «Системы хранения и регазификации СУГ» для студентов и курса «Эксплуатация систем газоснабжения» для
магистрантов специальности ТГС СГТУ.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались
и обсуждались на двух Международных научно-практических конференциях
«Энергоэффективность. Проблемы и решения» в рамках VIII и ХI Российских энергетических форумов (Уфа, 2008 и 2009 гг.); VIII конгрессе нефтегазопромышленников России (Уфа, 2009 г.); Международной научнопрактической конференции «Логистика и экономика ресурсосбережения и энергосбережения в промышленности» (Саратов, 2007 г., СГТУ); Всероссийской
научно-практической конференции «Актуальные проблемы проектирования и
строительства объектов АПК России (Саратов, 2007 г., ФГУП «НИИгипропромсельстрой»); научно – технических советах ОАО «Гипрониигаз» (Саратов, 2006 и
2009 гг.); ежегодных научно-технических конференциях СГТУ (Саратов, 20062009 гг.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ, в том
числе 4 в научном журнале, рекомендованном ВАК Минобразования и науки РФ,
1 свидетельство и 1 патент.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех
глав, основных выводов, списка использованной литературы из 157 наименований. Общий объем диссертационной работы - 165 страниц, включая
32 рисунка и 6 таблиц.
7
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность диссертационной тематики, сформулированы цель и задачи работы, методы их решения, научная новизна, практическая значимость и положения, выносимые на защиту.
В первой главе приводятся выбор направлений исследований по повышению энерго- и ресурсоэффективности ПР с твердотельным ПТ из алюминия, анализ современного состояния ПР СУГ, анализ и разработка технических решений по экономии электрической энергии в системах промышленной регазификации СУГ с искусственным испарением.
В результате проведенных исследований были разработаны способ и
технические решения по экономии тепловой энергии на нужды регазификации путем испарения части жидкой фазы непосредственно в подземном
резервуаре 1 (рис.1) за счет использования природного тепла грунта с попеременной подачей в регазификатор паровой и жидкой фаз с помощью клапана переключателя фаз 3.
Рис.1.Энергосберегающая схема промышленного регазификатора СУГ:
1 - подземный резервуар; 2 - паровой
стояк; 3 - клапан переключения подачи
паровой и жидкой фаз; 4 - выходной
трубопровод; 5 - регазификатор;
6 - регулятор низкого давления;
7 - трубопровод жидкой
фазы;
8 - запорный клапан; 9 - испарительный
змеевик; 10 – трубчатые электронагреватели; 11- теплоноситель из алюминия
Согласно предлагаемого способу, в начальный период эксплуатации паровая фаза из подземного резервуара 1 (рис.1) по паровому стояку 2 через
клапан переключения подачи паровой и жидкой фаз 3 подается в испарительный змеевик 9, перегревается в нем, а затем через выходной трубопровод 4 и регулятор низкого давления 6 поступает потребителю.
При снижении давления и температуры насыщенной паровой фазы в резервуаре 1 до расчетного значения клапан 3 закрывает подачу паровой фазы
через стояк 2 и открывает подачу жидкой фазы через трубопровод 7. Образующийся перепад давлений, между резервуаром 1 и регазификатором 5,
обеспечивает подъем жидкой фазы по подводящему трубопроводу 7 через
клапан 3 в испарительный змеевик 9, где она испаряется за счет тепловой
энергии, подаваемой от трубчатых электронагревателей 10, через слой твердотельного ПТ 11. Вследствие теплопритока со стороны грунта давление
паров в резервуаре 1 повышается, клапан 3 снова открывается. Газоснабжение потребителей вновь осуществляется за счет подачи паровой фазы из резервуара 1. Цикл повторяется.
8
Экономия электрической энергии на испарение СУГ определяется как отношение количества тепловой энергии, полученной за счет естественной
испарительной способности подземного резервуара, к общему количеству
тепловой энергии:
∆Q =100 Qест /(Qиск+ Qест).
(1)
Количество электрической энергии, подведенной к регазификатору на
нужды испарения СУГ:
QÈÑÊ
 [(Í  Î )  (G ÐÎ ÕË  Ï )][r  CÆ ( t ê .  t í )  CÏ ( t Ï ÅÐ  t Ê )] 
Ã
Ã
ÑÏ {[G ÐÎ ÕË ( t Ï ÅÐ 
Ã
Ã
Ã
t ÃÍ .Î ÕË (ÐÍ
Ã
Ã
)  t Ê.Î ÕË (ÐÐ)
2
ã
Ã
Ã
Ã
)]  Ï ( t Ï ÅÐ  t Ê. )}.
Ã
Ã
.
(2)
Аналитическая зависимость (2) впервые учитывает необходимость затрат энергии в регазификаторе на нагрев жидкой фазы в интервале температур полного выкипания смеси пропан – бутан от tнг до tкг и перегрев паровой фазы с температуры tкг до расчетной температуры перегрева tперг.
Количество тепловой энергии, полученной от подземного резервуара за
счет естественного подвода тепла от грунта, в период между двумя соседними заправками определяется согласно результатам исследований, проведенных Б.Н. Курицыным и В.П. Богдановым.
Расчеты, проведенные для подземного резервуара объемом 10 м3 и регазификатора производительностью 32 кг/ч, расположенных в умеренно- холодном климатическом районе для газа с содержанием бутана 60 мол.% показывают, что применение предлагаемой схемы позволяет обеспечить не менее 39,0% среднегодовой экономии электрической энергии на испарение
СУГ.
Вторая глава посвящена разработке модели и конструкции промышленного регазификатора с минимальной металлоемкостью промежуточного теплоносителя из алюминия.
Разработка модели промышленного регазификатора с минимальной
металлоемкостью осуществлялась согласно системному алгоритму, приведенному на рис. 2.
Рис. 2. Системный алгоритм разработки электрического промышленного
регазификатора с минимальной металлоемкостью:
1 - характеристика объекта и цель разработки; 2 - выделение электрического ПР в
отдельную систему с установлением ее границ и выявлением структуры; 3 - анализ
известных аналогов изучаемого электрического ПР и выбор прототипа; 4 - выявление, анализ и структурирование параметров (S2,δ2,δ0.), оказывающих существенное
влияние на цель разработки; 5 -выбор целевой функции М2= f(S2,δ2, δ0)
М2(min), дающей математическое описание цели разработки; 6 - определение значения целевой функции для прототипа на первом этапе ее движения к минимальной величине М21эт= f (S2.П,δ2.П, δ0.П) М2.min при паспортных (п) значениях параметров
9
S2.П, δ2.П, δ0.П; 7 - выявление для прототипа минимально допустимых значений (m.д)
параметров, входящих в целевую функцию S2.m.д2эт, δ2.m.д2эт, δ0.m.д2эт; 8 - определение
значения целевой функции для прототипа на втором этапе ее движения к минимальной величине М22эт = f (S2.m.д2эт, δ2.m.д2эт, δ0.m.д2эт) М2.min при минимально допустимых
значениях параметров S2.m.д2эт, δ2.m.д2эт, δ0.m.д2эт; 9 - разработка новых технических
3эт
решений и предложений, при которых достигаются значения целевой функции М2
при S2.m.д3эт, δ2.m.д3эт, δ0.m.д3эт; 10 - определение значений целевой функции для новых
технических решений, полученных в пункте 9 , на третьем этапе ее движения к минимальной величине Мp3эт = f (S2.m.д3эт, δ2.m.д3эт, δ0.m.д3эт) М2.min ; 11 - дальнейший поиск резервов, при которых целевая функция движется к своему минимальному значению;
12 - обоснование и оптимизация структуры и параметров целевой функции, предложенной на последнем этапе поиска.
Выделение электрического ПР в отдельную систему с установлением ее
границ, выявлением структуры и выбором прототипа показано на рис. 3.
Рис. 3. Схема прототипа электрического ПР СУГ
с твердотельным ПТ:
1 - испарительный змеевик; 2 - твердотельный
промежуточный теплоноситель; 3 - трубчатый электронагреватель; 4 - корпус; 5 - датчик температуры; 6 термопредохранитель
Согласно предлагаемому алгоритму, выявлены и проанализированы параметры, оказывающие влияние на величину металлоемкости
алюминиевой отливки регазификатора: S2, δ2, δ0
(рис.3).
Отличительным элементом предлагаемого
алгоритма является определение целевой функции М2 = f (S2,δ2, δ0), математически описывающей цель разработки − снижение металлоемкости регазификатора СУГ с промежуточным теплоносителем из алюминия.
Критерием экстремальности целевой функции является минимум металлоемкости в твердотельный теплоноситель промышленного регазификатора:
M2 (S2 , 2 , 0 )  V2 2  (F2  h 2  V3  V1)2 М2.(min).
(3)
Развернутое выражение для критерия минимальности целевой функции (3):
M 2 (S2 , 2 , 0 )  2 [(12d1  22 )2 / 4] 
 М2.min. (4)
C2  2d1  (d1  S2 )L1 /11d1  b 2   2   d12  L1  n 3  d32  L3  / 4
Значение целевой функции для прототипа, согласно формуле (4), на первом этапе ее движения к минимальной величине, при паспортных значениях
параметров S12.Ïýò  0, 018; 12.Ïýò  0, 02; 10.Ïýò  0,105 ì составит: M12ýò  f (S12.Ïýò, 12.Ïýò, 10.Ïýò) =
10
=76,3 кг.
Значение целевой функции для прототипа, согласно формуле (4), на втором этапе ее движения к минимальной величине, при минимально допустимых значениях параметров S22ìýò.ä  0, 013 ì ; 22ìýò.ä  0, 01 ì ; 02ìýò.ä  0,105 ì составит:
M 22ýò  f (S22ìýò.ä , 22ìýò.ä , 02ìýò.ä ) = 68,2 кг.
Известно, что металлоемкость и расчетные геометрические параметры
отливки, т.е. толщина слоев вокруг трубчатых электронагревателей и испарительного трубного змеевика СУГ, в значительной степени, зависят от
распределения температур в цилиндрическом алюминиевом массиве.
Распределение температур в цилиндрическом алюминиевом массиве,
учитывая сложные граничные условия на поверхностях, форму и взаимное
расположение теплообменных устройств, осуществлялось путем проведения
специальных опытов в экспериментальном центре ОАО «Гипрониигаз».
Результаты замеров температур в радиальном направлении для образца
испарителя со сплошной алюминиевой заливкой показали, что при температуре в центре отливки, равной 70,1оС, номинальная температура слоя массива, соприкасающегося с наружной поверхностью трубчатых оболочек
ТЭНов составляла 78,8оС (рис.4).
Рис.4. Изменение температуры в радиальном направлении
алюминиевой отливки, начиная от слоя массива, соприкасающегося с наружной поверхностью трубчатой оболочки
ТЭНов и до его центра
Испытания также показали, что снижение
температуры алюминиевой отливки уже на удалении δ0=0,018 м от наружной поверхности электронагревательных элементов практически прекращается. На последующем радиальном участке алюминиевой отливки, начиная от 0,018м и до ее центра δ0=0,18м, температура
сохраняет постоянное значение, равное 70,1 ±0,4оС, что свидетельствует об
отсутствии здесь передачи тепловой энергии.
Отсюда следует, что при создании воздушной полости на расстоянии
δ0=0,018 м от оболочки ТЭНов, обеспечивается температура 70,1±0,4 оС, а на
их поверхности - температура, равная 78,8оС.
С учетом полученных результатов, предложена модель электрического
ПР (рис.5) с минимальной металлоемкостью.
Согласно модели ПР в центральной части ПТ из алюминия 2 создается
цилиндрическая полость 0 для уменьшения его объема и металлоемкости, а
боковая поверхность цилиндрической полости отстоит по нормали от боковой поверхности трубчатых электронагревателей на расстоянии δ 0=18 мм,
при котором снижение температуры алюминиевой отливки прекращается с
точностью ±0,4 оС.
11
Рис. 5. Схема модели электрического промышленного регазификатора СУГ
с цилиндрической полостью в твердотельном промежуточном теплоносителе
Целевая функция для новых технических решений, полученных в пункте
9 системного алгоритма (рис.5) с учетом объема цилиндрической полости
имеет следующий вид:
M32ýò (S32ýò , 32ýò , 30ýò )
  12d  2 2 
1
2
 ê 22 (F2 h 2  V3  V1  V0 )  ê 2 2 

4




L1

 b 2   2  d12  L1  n 3  d32  L3 
C2  2d1  (d1  S2 )
11d1
4



2  [ (10  d1  23  2d3  20 ) 2  (C2  d1  (d1  S2 )  n 2  d1  b 2  b0 )  Vò.ï ].
4


(5)
Значение целевой функции для новых технических решений, согласно (5),
на третьем этапе ее движения к минимальной величине, при минимально до3ýò
3ýò
пустимых значениях параметров S32ýò
ì .ä  0, 013 ì ; 2ì .ä  0, 01 ì ; 0ì .ä  0, 018 ì
3ýò
3ýò
составит: M32ýò  f (S32ýò
ì .ä , 2ì .ä , 0ì .ä ) = 42,5 кг.
Характер изменения целевой функции при ее поэтапном движении к
минимальной величине М2.min приведен на рис. 6.
Учитывая, что все геометрические параметры, оказывающие существенное влияние на целевую функцию, достигли своих минимально допустимых
значений, дальнейший поиск по снижению металлоемкости ПТ
прекращается.
12
Рис 6. Направление движения целевой функции М2
к минимальной величине
В третьей главе приводится решение
задачи теплообмена между нагревательным
и испарительным устройствами в цилиндрической отливке из алюминия с полостью в ее
центральной части. Задача решается методом
электротеплового моделирования.
Задача теплообмена в системе нагревательный элемент - испарительный змеевик СУГ
через слой твердотельного ПТ из алюминия
формулируется следующим образом: в цилиндрическом массиве 2 (рис.5) диаметром D2
и высотой h2 на одинаковом удалении от вертикальной оси заложен ряд вертикальных, постоянно действующих источников тепла 3 (трубчатых электронагревателей) одинаковой высоты h3, имеющих постоянную интенсивность. В массиве 2 также заложен ряд стоков тепла 1, удаленных от источников тепла 3 на расстояние δ3 и выполненных в виде горизонтальных полых круглых колец, составляющих цилиндрический трубный змеевик 1 диаметром D2-.2δ2-d1. Кольца
выполнены из цилиндрической оболочки (трубы), удалены от боковой поверхности массива на расстояние δ2 и расположены в нем с одинаковым шагом S2 . В
центральной части массива 2 имеется цилиндрическая полость 0 диаметром D0
и высотой h0, боковая поверхность которой находится на расстоянии δ0 от боковой поверхности трубчатых электронагревателей. На боковых границах цилиндрического массива 2 имеется слой тепловой изоляции 5. В начальный момент
времени, в ряд нижних колец змеевика 1 подается кипящая жидкая, а в ряд его
верхних колец поступает паровая фаза с температурами tж, и tп, соответственно.
В последующие моменты времени температуры указанных сред поддерживаются постоянными, т.е., tж = const и tп = const.
Решение этой задачи математическими методами вызывает значительные
технические трудности. В то же время поставленная задача может быть сравнительно легко решена методом электротепловой аналогии.
Целью исследований на установке электротеплового моделирования является определение величины теплового потока Q от группы U-образных ТЭНов,
расположенных по окружности, удаленной на расстояние δ3 от испарительного
змеевика диаметром D2 -. 2δ2 - d1 (рис.5), в зависимости от шага между соседними витками S2, расстояния δ2 между наружными боковыми поверхностями испарительного змеевика и алюминиевой заливки и расстояния δ0 между наружными
боковыми поверхностями ТЭНов и цилиндрической полостью.
Таким образом, Q = f(δ3, S2, δ2, δ0).
Учитывая, что максимальный тепловой поток достигается при минимальном расстоянии δ3, указанная величина в процессе электротеплового моделиро-
13
вания принята минимально возможной в размере δ3= 8 мм в свету, согласно патенту № RU 59773U1, с целью обеспечения оптимальных условий кристаллизации остывающего алюминиевого расплава, плотной структуры металла без образования пустот, трещин, требуемой адгезии расплавленного алюминия к поверхности ТЭНов и испарительного змеевика.
C учетом этого обстоятельства, примем: Q = f (S2, δ2, δ0).
В качестве токопроводящей среды при моделировании объемных стационарных температурных полей использовалась ванна, заполненная водопроводной водой, представляющая собой водный раствор электропроводящих солей.
Применительно к рассматриваемой задаче уравнение теплового потока запишем в виде:
Q  (t1  t 0 )  Ô  2;S2; 0   h 2 ,
(6)
t1, t0 – температуры на поверхности слоев алюминиевой отливки, соприкасающихся с поверхностью ТЭНов и ИТЗ, 0С;
Ф – величина формфактора, (фактора формы в системе «ТЭНы – ИТЗ»):
dU
Ô 
Здесь U – некоторая функция,
U
 dn dF
F1
h2
t  t0
t1  t 0
.
,
(7)
(8)
h2 – характерный размер теплообменника, в качестве которого принята высота алюминиевой отливки.
Система ограничения независимых параметров δ2, S2, δ0 выглядит следующим образом:
2   2 min ,  2 max ; S2  S2.min ,S2.max ; 0  0.min , 0.max .
(9)
Предположим, что электрическая модель изготовлена геометрически
подобной исследуемому теплообменнику, причем размеру h2 теплообменника соответствует размер m · h2 электрической модели (m- коэффициент подобия электрической модели), разности температур t1  t 0 соответствует
разность электрических потенциалов V1 – V0.
Для электрического поля выражение величины тока будет иметь запись,
аналогичную зависимости (6) для температурного поля, т.е.:
I   (V1  V0 )  m  Ô   2 ;S2 ; 0   h 2 .
(10)
Здесь величина формфактора в формуле (10) численно равна величине
формфактора в формуле (6).
Исследование на электрической модели сводится, в конечном счете, к
определению, согласно (10), величины формфактора:
Ô(S2 , 2 , 0 )  
I
.
  V1  V0  h 2  m
(11)
14
С целью решения поставленной задачи и изучения теплообмена в электрическом испарителе СУГ с твердотельным ПТ из алюминия, согласно указанной
методике, был выполнен ряд исследований на электрической модели. Принципиальная схема установки электротеплового моделирования приводится на
рис. 7. Исследования проводились в электролитической ванне, выполненной из
отрезка полиэтиленовой трубы марки ПЭ-80 диаметром 160 мм, толщиной
стенки 15 мм и высотой 145 мм. Дно электролитической ванны выполнено из
текстолитовой пластины толщиной 10 мм, герметично соединенной с отрезком
полиэтиленовой трубы. Имитация цилиндрической полости осуществляется с
помощью отрезка полиэтиленовой трубы марки ПЭ-80 диаметром 63 мм, толщиной стенки 5,8 мм и высотой 145 мм, установленной в центре электролитической ванны и герметично соединенной с ее дном.
Аналоги испарительного змеевика и трубчатых электронагревателей были
выполнены из медной трубки диаметром 10 и 5 мм соответственно. Следует отметить, что в натурных условиях эксплуатации ТЭНов, на единицу их длины
выделяется одинаковое количество тепловой энергии, т.е.: QÒÝÍ / LÒÝÍ  const .
В то же время, в условиях электрической модели, в связи с падением напряжения по длине U-образного проводника, имеет место изменение силы тока I
по длине электрода, т.е.: Iï ð. / Lï ð.  const . Для сведения к минимуму влияния
падения напряжения по длине, U-образный проводник разделен на три
участка, изолированных друг от друга диэлектрическими вставками так, как
это показано на фрагменте А рис. 7. Данный прием позволил свести влияние
падения напряжения по длине U-образного проводника к величине, соизмеримой с погрешностью вольтметра.
Рис. 7. Принципиальная схема установки
электротеплового моделирования
теплообмена в электрическом испарителе
с твердотельным ПТ:
1 - медный проволочный змеевик, имитирующий испарительный трубный змеевик
СУГ; 2 - водный раствор электропроводящих
солей; 3 – U - образный медный электрод,
имитирующий трубчатый электронагреватель; 4 – корпус; 5 – отрезок полиэтиленовой трубы, имитирующий цилиндрическую
полость.
Коэффициент электропроводности
γ водного раствора электропроводящих солей определялся с
помощью сферического электрода
диаметром dсф, который опускался в ванну и устанавливался на расстоянии h
от испарительного змеевика при разности потенциалов (падении напряжения) между ними Vсф –V0, замеряемой прецизионным вольтметром (V), и
15
соответствующем значении тока Iсф, замеряемом прецизионным амперметром (А). Вычисление значения γ осуществлялось по формуле:
γ = 2Iсф(1- dсф/ h)/π dсф(Vсф–V0).
(12)
В процессе выполнения исследований на электрической модели при известной электропроводности среды и размерах модели, замеренной разности потенциалов, приложенной к модели, и величине полученного тока I, получен
ряд значений формфактора Ф. Выборочные значения Ф, характеризующие интервалы предельных изменений геометрических параметров δ2,S2,δ0, приведены в таблице.
Таким образом, величина теплового потока от ТЭНов к ИТЗ определяется по формуле (6) в зависимости от величин: формфактора (см. таблицу);
λ; t1; t0 (справочные данные) при известных значениях F, h2.
В ряде случаев необходимо знать величину сопротивления теплопередаче R(S2,δ2, δ0) между слоями алюминиевой отливки, соприкасающимися с
поверхностью ТЭНов и с наружной поверхностью испарительного змеевика,
которая определяется как: R (S2,δ2, δ0) = F/λ ∙h2 ∙Ф(S2,δ2, δ0)
(13)
в зависимости от величины формфактора (см. таблицу).
Выборочные значения формфактора Ф в зависимости от параметров δ2, S2, δ0
Шаг, Толщина,
S2, мм
δ2, мм
8
12
8
12
20
28
8
12
20
28
Ф
Ф
Шаг, Толщина,
Расстояние,
δ0, мм
Расстояние, δ0, мм
S2, мм
δ2, мм
10
14
18
30
10
14
18
30
0,373 0,466 0,518 0,57
8
0,955 1,193 1,326 1,45
0,706 0,861 0,936 1,07
12
1,331 1,623 1,765 2,02
16
1,351 1,571 1,654 1,75
20
2,122 2,467 2,597 2,74
1,892 2,102 2,167 2,3
28
2,795 3,105 3,201 3,26
0,634 0,793 0,881 0,97
8
1,194 1,493 1,659 1,81
0,999 1,219 1,325 1,5
12
1,590 1,939 2,108 2,28
26
1,693 1,969 2,072 2,18
20
2,338 2,718 2,862 3,04
2,361 2,624 2,705 2,76
28
3,027 3,363 3,467 3,53
Четвертая глава посвящена оптимизации геометрических параметров ПР
с цилиндрической полостью в центральной части ПТ из алюминия.
Математическая модель оптимизации геометрических параметров электрического ПР с твердотельным ПТ из алюминия включает в себя расчетную
структурную схему (рис.5), целевую функцию (14), аналитические зависимости для определения капитальных вложений (15) - (21), балансовое уравнение теплообмена (22), (23) и систему ограничения независимых параметров (24).
Расчетная структурная схема электрического испарителя с твердотельным промежуточным теплоносителем приведена на рис. 5, согласно которой,
электрический ПР состоит из следующих элементов Р: - цилиндрическая полость (Р = 0); - ИТЗ (Р =1); - промежуточный теплоноситель (Р=2);
- ТЭНы (Р =3); - корпус испарителя (Р =4) из стального листа; - тепловая
изоляция (Р =5); - защитный футляр (Р=6) из стального листа.
16
Критерием оптимальности целевой функции является минимум дисконтированных затрат в ПР СУГ с цилиндрической полостью в центральной части твердотельного промежуточного теплоносителя из алюминии
m3
P
P
P
t
З
(S
,
δ
,
δ
)
=[
К
+1/(1+Е
)


р
2
2
0
,
p


 Kp] (S2, δ2, δ0,) = min. (14)
m

1
p1
p1
p1
В качестве независимых переменных приняты: S2,δ2,δ0, являющиеся управляющими параметрами для каждого элемента капвложений Kp и затрат Зр.
Геометрические параметры S, δ, С, D, h, b, входящие в формулы для определения капвложений показаны на рис. 5. Нижние индексы для всех параметров,
входящих в формулы, соответствуют присвоенным номерам от Р =0 до Р =6.
Ниже приведены аналитические зависимости для определения капитальных вложений по всем элементам ПР от Р =0 до Р =6

K 0 (S2 , 2 , 0 )  ê 0[ (10  d1  23  2d 3  20 ) 2  (C 2  d1  (d1  S 2 ) 
4
(L1 /11d1  )  d1  b 2  b 0 )]  Vò.ï ;
Ê1 (S2 , 2 , 0 )  ê 1L1 (S2 , 2 , 0 )  d1    m 1 ;
(15)
(16)
  12d  2 2 
1
2 
Ê 2 (S2 , 2 , 0 )  ê 2 2 

4






L1

 b 2   2  d12  L1  n 3  d32  l3 
C2  2d1  (d1  S2 )
11d1
4



  [ (10  d1  23  2d3  20 ) 2  (C2  d1  (d1  S2 )  n 2  d1  b 2  b0 )];
2 4

 
L1
 
Ê 3 (S2 , 2 , 0 )  ê 3  n 3  C2  d1  (d1  S2 ) 
 d1  b 2   ;
7   d1
 
 
Ê 4 (S2 , 2 , 0 )  ê 4  (8d1  2 )  4 4 

(17)
(18)


L
 C2  2d1  (d1  S2 )  1  b 2  h14  ;
7   d1


Ê 5 (S2 , 2 , 0 )  ê 5    5  (8d1  22  2 4  5 ) 
(19)


L
 C2  2d1  (d1  S2 )  1  b 2  h14  ;
7  d1


Ê 6 (S2 , 2 )  ê 6    6 6  (8d1  22  24  25  6 ) 
(20)


L
 C2  2d1  (d1  S2 )  1  b 2  h14  .
7  d1


(21)
17
Балансовое уравнение теплообмена формулируется следующим образом: количество тепловой энергии Qтеп, поступившее от теплоносителя к СУГ,
численно равно тепловой энергии Qи.н.п, необходимой для испарения (и) и
нагрева (н) жидкой фазы СУГ в интервале температур ее полного выкипания, а также перегрева (п) полученных паров до значения, при котором
предотвращается образование кристаллогидратов, то есть: Qтеп = Qи.н.п., или
в развернутом виде:
k(S2 , 2 , 0 )  (t òåï  t ã.ñð )  d í  L1  G ð   r  cãæ  t êã  t íã  cïã t ïã åð  t êã  . (22)


Здесь осредненный коэффициент теплопередачи k(S2,δ2, δ0) от теплоносителя к СУГ определяется с учетом геометрических параметров ПР:
1
k (S2 , 2 , 0 ) 
, (23)
 R (S ,  ,  )

1
d
1
2 2 0
dâí  

 ln í 

dí
2  ñò
dâí ñóã  dâí 

где сопротивление теплопередаче R(S2,δ2, δ0), определяемое по формуле (13).
Система ограничений независимых параметров целевой функции (14):
S 2.min ≤ S 2 ≤S 2.mах; δ2,min ≤ δ2 ≤ δ2, mах; δ0,min ≤ δ0 ≤ δ0, mах.
(24)
Приведенные в (14) - (21) независимые параметры оказывают противоположное влияние на различные элементы капвложений. При их увеличении
значения К2÷ К6 также увеличиваются, а значения К1 уменьшаются и наоборот.
Определение оптимальных геометрических параметров электрического ПР
целевой функции (14) с учетом (15) - (24) осуществлялось путем направленного
поиска минимума интегральных затрат З как функции трех независимых переменных градиентным методом:
З = F(S 2, δ2, δ0)→min.
(25)
Данная задача решена численным методом для ряда промышленных регазификаторов паропроизводительностью 32; 100; 150 кг/ч. Результаты расчетов, проведенных для электрического испарителя с твердотельным ПТ из алюминия паропроизводительностью 32 кг/ч показывают, что оптимальные значения независимых параметров составляют: S 2.opt = 12 мм; δ2.opt =10 мм; δ0.opt = 17 мм.
Результаты проведенной оптимизации ПР с твердотельным ПТ были реализованы при разработке комплекта технической документации и изготовлении
испарителя электрического марки ИЭПТ-04.




ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ
1. Разработаны способ и зависимости по определению экономии электрической энергии при регазификации СУГ с высоким содержанием бутановых фракций за счет использования природного тепла грунта путем испарения части жидкой фазы в подземном резервуаре. Величина среднегодовой экономии электрической энергии на регазификацию СУГ составляет
39,2%.
2. Предложен алгоритм разработки ПР с минимальной металлоемкостью,
защищенный свидетельством авторского права № 13356. Алгоритм реализован в рамках государственной программы «Старт», отличается универсальностью и позволяет разрабатывать модели сложных технических систем в
различных областях прикладной науки и техники. Его применение позволя-
18
ет свести к минимуму уровень риска при реализации новых разработок в
условиях их венчурного финансирования.
3. Научно обоснованы новые технические решения по обеспечению минимальной металлоемкости ПР с твердотельным ПТ из алюминия, защищенные
патентами № RU 73717 U1, № RU 59773 U1, № RU 55087 U1.
4. Предложена зависимость, позволяющая определять величину теплового
потока в зависимости от конфигурации и геометрических параметров твердотельного промежуточного теплоносителя промышленного регазификатора СУГ.
5. Получена математическая модель по определению оптимальных значений
управляющих геометрических параметров ПР с твердотельным ПТ при наличии
цилиндрической полости в его центральной части.
6. Разработан, изготовлен и находится в стадии внедрения опытно - промышленный образец проточного ПР с твердотельным промежуточным теплоносителем.
7. Внедрен в практику проектных и эксплуатационных организаций стандарт
СТО 03321549-004-2009 «Технические решения по применению электрических
промышленных регазификаторов сжиженного углеводородного газа с цилиндрической полостью в твердотельном промежуточном теплоносителе».
Основные результаты работы опубликованы в следующих научных
трудах:
Журналы, рекомендованные ВАК Минобразования и науки РФ:
1. Усачева Т.А. Метод разработки новых теплоэнергетических установок с максимально возможными показателями на основе системного подхода/ А.Л. Шурайц, А.В. Рулев, Т.А. Усачева //Вестник Саратовского государственного технического университета. 2008. № 1 (31). Вып. 2. С. 187-198.
2. Усачева Т.А. Повышение экономической эффективности электрического промышленного регазификатора сжиженного углеводородного газа с
твердотельным промежуточным теплоносителем/ А.Л. Шурайц, А.В. Рулев,
Т.А. Усачева // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2008. № 1 (31). Вып. 2. С. 198 - 205.
3. Усачева Т.А. Экономия электрической энергии в установках промышленного резервуарного газоснабжения, оснащенных системами искусственной регазификации сжиженного углеводородного газа/ А.Л. Шурайц,
Т.А. Усачева, А.В. Рулев, А.А. Феоктистов // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2009. № 1(37). С. 135 - 138.
4. Усачева Т.А. Электротепловое моделирование теплообмена в системе: трубчатые электронагреватели - испарительный змеевик СУГ, заплавленные в алюминиевый массив с цилиндрической полостью в его центральной части/ А.Л. Шурайц, А.П. Усачев, А.В. Рулев, Т.А. Усачева // Вестник
Саратовского государственного технического университета. 2009. № 1(37).
С. 130 - 134.
Патенты, свидетельства и нормативные источники:
5. Усачева Т.А. Свидетельство № 13356 от 27.02.2008. Метод разработки
новых технических устройств, способов, веществ с заданным уровнем требований на основе системного подхода / А.П. Усачев, А.Л. Шурайц, А.А.
Феоктистов, Т.А. Усачева, А.Ю. Фролов, А.В. Рулев. М.: Российское авторское общество, 2008. 10 с.
6. Патент на полезную модель № RU 73717 U1. Испарительное устройство сжиженного углеводородного газа/ Т.А. Усачева, А.Л. Шурайц, А.Ю.
19
Фролов, А.В. Рулев, А.А. Феоктистов/ Госреестр полезных моделей РФ
27 мая 2008 г. Опубликовано 27.05.2008 г. Бюл. №15. 4 с.
Научно-технические статьи:
7. Усачева Т.А. Разработка новых технических решений по снижению материалоемкости электрических регазификаторов сжиженного углеводородного
газа/Т.А. Усачева//Научно-технические проблемы совершенствования и развития систем газоэнергоснабжения: сб. науч. трудов. Саратов: СГТУ, 2008. С. 126132.
8. Усачева Т.А. Обоснование новых технических решений по снижению
материалоемкости электрических регазификаторов сжиженного углеводородного газа с твердотельным промежуточным теплоносителем /Т.А. Усачева,
А.Л. Шурайц, А.В. Рулев, М.В. Костерева //Научно-технические проблемы совершенствования и развития систем газоэнергоснабжения: сб. науч. трудов. Саратов: СГТУ, 2008. С. 132- 141.
9. Усачева Т.А. Применение системного подхода к разработке установок
регазификации сжиженного углеводородного газа с высокой интенсивностью
теплообмена/Т.А. Усачева, А.В. Рулев, А.Ю. Фролов //Научно-технические
проблемы совершенствования и развития систем газоэнергоснабжения: сб. науч.
трудов. Саратов: СГТУ, 2007. С. 90 - 106.
10. Усачева Т.А. Повышение энергоэффективности и безопасности систем хранения и испарения сжиженного углеводородного газа/ А.П. Усачев,
А.Л. Шурайц, А.А. Феоктистов, Т.А. Усачева //Энергоэффективность. Проблемы и решения: материалы науч.-практ. конф в рамках VIII Рос. энергетического форума. Уфа: ГУП «ИПТЭР», 2008. С. 24-26.
11. Усачева Т.А. Разработка и моделирование подогревателей природного
газа с высокой интенсивностью теплообмена на основе системного подхода/
Т.А. Усачева, А.С. Трущ //Логистика и экономика ресурсосбережения и энергосбережения в промышленности: сб. науч. трудов по материалам Междунар.
науч.-практ. конф.: в 3 т. Саратов: СГТУ, 2007. Т. 2. С. 326-327.
12. Усачева Т.А. Разработка установок интенсивной регазификации
сжиженного углеводородного газа на базе системного подхода/ Т.А.Усачева,
А.В. Рулев, А.Ю.Фролов // Актуальные проблемы проектирования и строительства объектов АПК России: сб. науч. тр. Саратов: Три А, 2007. С. 305310.
ПРИНЯТЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ
Q – теплопроизводительность промышленного регазификатора, Вт; охл – продолжительность периода охлаждения СУГ в подземном резервуаре, ч;
 ÃÍ , îÃ,  Ï - соответственно, массы жидкой фазы в начале периода охлаждения,
перед очередной заправкой и в периоды попеременного отбора из резервуара
жидкой и паровой фаз СУГ, кг; ÑÃÆ , ÑÏÃ - соответственно, осредненные удельные теплоемкости жидкой и паровой фаз СУГ, кДж/кг К; F – поверхность, м2;
t – температура, С, расчетный год эксплуатации, год; tнг(Рн), tкг(РР) - соответственно, температуры жидкой фазы СУГ в начале и конце периода охлаждения, С; Рн, Рр - давление насыщенных паров СУГ в начале и конце периода
охлаждения, МПа; tнг, tкг - соответственно, температуры начала и конца кипения пропан – бутановой смеси СУГ в ИТЗ ПР, С; α – коэффициент теплоот-
20
дачи, Вт/м2 К;  – толщина, м;  – коэффициент теплопроводности, Вт/(мК);
G – паропроизводительность, кг/ч; d – диаметр, м; Р – давление, Па; r – радиус, м; скрытая теплота испарения жидкой фазы СУГ, кДж/кг; L, l – длина,
м; h – высота, м; S – расстояние между соседними витками испарительного
змеевика, м; n – нормаль к изотермической поверхности; h2 – характерный
размер теплообменника, м; Ф – формфактор; I – сила тока, А; V – электрический потенциал, В, объем, м3; γ – электропроводность среды, А/мВ; m – коэффициент подобия; К – капитальные вложения, долл; Е – норма дисконта,
д.е.; τ – число часов работы, ч;  - доля годовых отчислений от капвложений,
д.е.; ρ – плотность, кг/м3; b - высота заливки ПТ; n3 - количество трубчатых
нагревателей, шт; З – интегральные затраты, долл.; F0, h0- соответственно
поперечное сечение и высота цилиндрической полости в центральной части
ПТ, м2 и м; Vтп- объем заливки вокруг термопредохранителя и датчика температуры в пределах полости , м3; b0- толщина заливки ПТ в свету под цилиндрической полостью в центральной части ПТ, м; m1 – масса одного м2
ИТЗ, кг/ м2; к1, к2, к4, к6 и К1, К2, К4, К6 - соответственно, удельные и полные
капвложения в ИТЗ, ПТ, корпус и кожух ПР, долл/кг и долл; к3 и К3- удельные и полные капвложения в ТЭНы, долл/м и долл; к5 и К5- удельные и полные капвложения в теплоизоляцию, долл/м2 и долл; L1- длина ИТЗ, м.
БУКВЕННЫЕ ИНДЕКСЫ
а – алюминий; б – бутан; в – вода; г – газ; доп – дополнительный; ж –
жидкая фаза; п – паровая фаза; и – испаритель; и.т. – источник тепла; н –
начальная, наружный; вн –внутренний; к – конечная; пр – пропан, р. – расчетный; рег. – регазификация; пер – перегрев; ср – средний; ст – стенка, сталь; с.т.
– сток тепла; т – тепловая изоляция; теп. – теплоноситель; тр. – трубопровод;
opt. – оптимальный; min – минимальный; mах – максимальный; ИТЗ. – испарительный трубный змеевик; СУГ – сжиженный углеводородный газ; ПР – промышленный регазификатор; ПТ – промежуточный теплоноситель; ТЭН – трубчатый электронагреватель.
Усачева Татьяна Александровна
РАЗРАБОТКА И ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОМЫШЛЕННОГО РЕГАЗИФИКАТОРА
С ТВЕРДОТЕЛЬНЫМ ПРОМЕЖУТОЧНЫМ ТЕПЛОНОСИТЕЛЕМ
НЕПОЛНОГО ЗАПОЛНЕНИЯ
АВТОРЕФЕРАТ
Корректор О.А. Панина
Подписано в печать 25.12.09
Формат 6084 1/16
Бум. офсет.
Усл.-печ. л. 1,0
Уч.-изд. л. 1,0
Тираж 100 экз.
Заказ 568
Бесплатно
Саратовский государственный технический университет
410054 г. Саратов, ул. Политехническая, 77
Отпечатано в Издательстве СГТУ, 410054 г. Саратов, ул. Политехническая, 77
21