Технологии и технические решения экологизации теплоэнергетического оборудования малой мощности

Ковалев, Олег Петрович

Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему
Технологии и технические решения экологизации теплоэнергетического оборудования малой мощности
ВАК РФ 11.00.11, Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

Автореферат диссертации по теме "Технологии и технические решения экологизации теплоэнергетического оборудования малой мощности"

Р Г Б ОД

П 1 ! :гл! На правах рукописи

КОВАЛЕВ Олег Петрович

ТЕХНОЛОГИИ И ТЕХНИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ ЭКОЛОГИЗАЦИИ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ МАЛОЙ МОЩНОСТИ

Специальность ] 1.00.11 - "Охрана окружающей среды и рациональное' использование природных ресурсов"

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Владивосток 1997

Работа выполнена в Дальневосточном государственном техническом рыбохозяйственном университете

Официальные оппоненты - доктор технических наук,

профессор ЖукозА.В.

доктор географических наук, профессор Свинухов Г.В.

доктор техническое наук, профессор Подводоцкий Н.М.

Ведущая организация - Дальневосточный государственный

университет

Научный консультант - доктор технических наук, профессор Ильин А.К.

Защита диссертации состоится 25 июня 1992 г. в 9-00 часов на заседании диссертационного совета Д 064.01.02 в Дальневосточном государственном техническом университете по адресу 690600, Владивосток, ГСП, ул. Пушкинская, 10, Д ВГТУ

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ДВГТУ Автореферат разослан 23 мая 1997 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Шереметинский O.A.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Обеспечение жизнедеятельности человека, при все возрастающих его потребностях, связано с ростом потребления различных видов энергии, которые производятся в основном при сжигании органического топлива, сопровождающегося вредными выбросами \ в атмосферу. В России эксплуатируется более 6 млн. теплоэнергетических объектов, которые вырабатывают около 3000 ТВтч (2600 млн. Гкал) тепловой энергии в год. Причем 26 "/: из этого количества вырабатывается малыми и мелкими отопительными котельными тепловой мощностью до 23 МВт (20 Гкал/ч), которые обычно не обеспечиваются природоохранным оборудованием и выбрасывают в атмосферу более 67 тыс. т вредных веществ ( по данным 1993г.) при расходе топлива до 31 % от расхода, затраченного на производство тепловой энергии. Кроме этого, в эксплуатации находится значительное количество дизельных электростанций и судовых энергетических установок, вносящих свою долю в загрязнение окружающей средь/. В го же время человечество должно сохранить природное наследие как естественную основу материального и духовного благосостояния нынешнего и последующих поколений. Поэтому актуальность задачи сокращения вредных выбросов в окружающую среду при производстве энергии, и, в частности, тепловой, не вызывает сомнений.

Диссертационная работа является обобщением научно - исследовательских работ, экспериментальная часть которых выполнена в Дальневосточном политехническом институте им. В.В. Куйбышева и в лаборатории нетрадиционной энергетики ДВО РАН непосредственно автором.

Работа выполнялась в рамках научно-технической программы Минвуза СССР "Мировой океан" на 1976...1988 гг. (тема 6.2.2. "Разработка технического проекта опреснительной установки для рефрижератора типа "Сибирь"), на 1981... 1985 гг. (тема 6.2.16. "Сжигание обводненных нефтепродуктов в судовых парогенераторах и утилизация теплоты для получения пресной воды"), программы по приказу Минвуза СССР №223 от 17.02.83 г. "О координационном плане научно-исследовательских работ высших учебных заведений в области судостроения на 1983... 1985 гг."( тема 4.4.4. 'Энергогехнологическое использование морских, сточных и нефтесодержащих вод на рыбопромысловых судах и плавбазах", проекта "Энергетика" Общегосударственной комплексной программы "Мировой океан" (на период 1986..Л 990 гг. и 1991 ...1995 гг.), Государственной программы фундаментальных исследований "Коренное повышение эффективности энергетических систем" АН СССР (на период 1988...1990 гг.), рабочих про-

грамм отраслевой научно-исследовательской лаборатории энерготехнологического использования морских, сточных и нефтесодержащих вод на рыбопромысловых судах и плавбазах Минрыбхоза СССР при ДВПИ им. В.В. Куйбышева (согласования Минвуза СССР № 9301-03/12-13 от 9.01.85 и приказы Минвуза РСФСР и Минрыбхоза СССР №385/500 от 1.09.81 г.), рабочих программ лаборатории нетрадиционной энергетики ДВО РАН. Поданы и приняты к рассмотрению проекты в федеральные целевые программы: "Экономическое и социальное развитие Дальнего Востока и Забайкалья" на 1996...2000 гг., "Мировой океан" на 1998...2000 гг.

Основная идея работы состоит в рациональном использовании природных ресурсов в теплоэнергетических установках малой мощности путем утилизации вредных выбросов в окружающую среду при сжигании невозобновимых ресурсов (ископаемого топлива) и использования возобновимых энергетических ресурсов (солнечной энергии).

Цель работы. Разработать на основе теоретических и экспериментальных исследований технологии экологизации теплоэнергетического оборудования для автономных потребителей малой и средней мощности, методов расчета и основ проектирования оборудования систем их реализации.

Научная новизна. Диссертационная работа содержит совокупность основных результатов, выводов, предложений и рекомендаций, полученных в результате проведенного комплекса теоретических и экспериментальных исследований.

1. Разработаны научные и практические основы эффективных технологий для утилизации вторичных и использования природных энергоресурсов с целью уменьшения вредного воздействия на окружающую среду при работе теплоэнергетического оборудования малой мощности.

2. Исследованы особенности рабочих процессов, происходящих при непосредственом контакте стекающей пленки жидкости и восходящего потока горячего газа, и получены расчетные зависимости для определения коэффициентов тепло-и массообмена, температуры мокрого термометра и других параметров.

3. Исследованны рабочие процессы в солнечных нагревателях и установках, разработаны рекомендации по повышению эффективности этих процессов.

4. Предложены и экспериментально обоснованы методы расчета основного оборудования разработанных технологий.

5. Эксперименты на лабораторных стендах, крупномасштабных полупромышленных и промышленных технологических установках с

применением новых технических решений и опыт их использования позволили разработать оборудование для реализации технологий по п. 1.

Автор защищает совокупность результатов, позволяющих обосновать и рекомендовать к практическому использованию технологии экологизации теплоэнергетического оборудования малой мощности, в том числе:

1. Возможность использования контактных пленочных пластинчатых аппаратов в технологиях утилизации вредных выбросов при сжигании ископаемых топлнв в теплоэнергетических установках.

2. Целесообразность использования солнечной энергии для уменьшения вредных воздействий и экономии невозобновимых ресурсов в условиях жесткого климата.

3. Методики расчета рабочих процессов и аппаратов технологий экологизации теплоэнергетических установок малой мощности, основанные на теоретических и экспериментальных исследованиях, в том числе - и на крупномасштабных установках.

Практическая ценность работы заключается в новых методах расчета, обеспечивающих эффективное решение широкого круга задач, возникающих при разработке оборудования систем снижения вредных выбросов при производстве тепловой энергии для автономных потребителей малой и средней мощности. Результаты исследований использованы в технических проектах контактной пленочной опреснительной и водонахревательной установок, при модернизации котельных, разработке и создании промышленных солнечных водонагревательньхх установок, в научных исследованиях и учебном процессе в ДВГМА, ДВГТУ, Дапьрыбвтузе(ТУ) (см. ниже "Сведения о внедрешш результатов работ").

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечивается применением современных методов теоретических исследований и всей совокупностью данных лабораторных и натурных экспериментов, сопоставимостью результатов аналитических решений с физическими (лабораторными) и натурными экспериментами, положительным опытом эксплуатации крупномасштабных установок, признанием приоритетности новых технических решений.

Метод исследовании: комплексный метод обобщения и анализа результатов собственных теоретических и экспериментальных исследований и их сравнение с данными других авторов, создание крупномасштабных установок, разработка новых технических решений и проектов оборудования с повышенной степенью экологизации.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались на выездной сессии секции "Инженерные проблемы тепло-и массопереноса при фазовых превращениях в теплообменной аппара-

туре" Госкомитета по науке и технике (г. Владивосток, 1982 г.), Всесоюзном совещании по предотвращению загрязнения моря и атмосферы плавсредствами и береговыми предприятиями (г. Николаев» 1982 г.), IV Всесоюзной конференции "Двухфазный поток в энергетических машинах и аппаратах" (г. Ленинград, 1985 г.), Второй Всесоюзной конференции 'Теплофизика и гидрогазодинамика процессов кипения и конденсации" (г. Рига, 1988 г.). Всесоюзной конференции "Проблемы создания новой техники для освоения шельфа" (г. Горький, 1989 г.), Третьей Всесоюзной конференции по энергетике океана (г. Владивосток, 1990 г.), Третьей Всесоюзной конференции "Интенсивное энергосбережение в' промышленной теплотехнологии" (г. Москва, 1991г.), Международном симпозиуме по энергии, экологии и экономике (г. Баку, 1991 г.), Всесоюзной научно-технической конференции "Проблемы энергосбережения" (г. Киев, 1991 г.), 1-ой и 2-ой тихоокеанских экологических конференциях "Инженерные решения проблем экологии прибрежных регионов" (г. Владивосток, 1994, 1995 гг.), Международной конференции по экологии и безопасности жизнедеятельности (г. Владивосток, 1994 г.), Международной научно-технической конференции "Современные проблемы нетрадиционной энергетики" (г. Санкт-Петербург, 1994 г.), 1-ой Российской национальной конференции по теплообмену г. Москва, 1994 г.) и региональных конференциях 1973... 1996 гг. по совершенствованию теплоэнергетического оборудования, охране окружающей среды и нетрадиционной энергетике. В полном объеме диссертация докладывалась на научном семинаре кафедры морских технологий и энергетики ДВГТУ, в лаборатории нетрадиционной энергетики ДВО РАН, на научно техническом совете Дальрыбвтуза(ТУ) и на экологическом семинаре ДВГТУ (1997 г.).

Личный вклад автора: в диссертации изложены результаты исследований, которые автор выполнил непосредственно сам, в том числе:

- идея и направленность работы, постановка задач исследований, мето-

дологии их решения; -организация, планирование и проведение экспериментальных и натурных исследований на крупномасштабных и промышленных установках;

- обобщение данных экспериментальных и натурных исследований,

формулировка основных закономерностей процессов тепло- и массо-обмена, обоснование физических и математических моделей;

- участие в проектировании, изготовлении оборудования, монтаже и

испытаниях крупномасштабных и промышленных установок;

- разработка рекомендаций по использованию контактных аппаратов и

солнечных установок для снижения вредных воздействий на окру-

жающую среду при производстве энергии, по энергосбережению и экологизации использования природных ресурсов.

Автор выражает глубокую признательность д-ру техн. наук, профессору Якубовскому Ю.В., д-ру техн. наук, профессору Ильину А.К., за постоянную методическую помощь и поддержку, оказанную автору, в ходе выполнения работы, а также сотрудникам кафедры судовых энергетических установок ДВПИ и лаборатории нетрадиционной энергетики ДВО РАН в той или иной мере оказывавшим содействие в организации и проведении крупномасштабных экспериментов и натурных испытаний, сотрудникам других организаций, принимавших участие в обсуждении результатов исследований.

Публикации: список публикаций по материалам диссертации включает 59 работ, в том числе - 5 отдельных изданий и 10 авторских свидетельств и патентов.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения содержащих ¿Ш страниц машинописного текста, рисунков и таблиц. Список использованных источников -^^наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В предлагаемой работе изложены технологии и технические решения экологизации теплоэнергетического оборудования малой мощности путем уменьшения вредных выбросов традиционных установок и использования солнечной энергии. Проведены экспериментальные и теоретические исследования рабочих процессов, предложены инженерные методы расчетов оборудования систем снижения вредных воздействий при использовании природных энергетических ресурсов.

В первой главе показаны факторы вредного воздействия на окружающую среду при сжигании органического топлива в теплоэнергетических установках, рассмотрена взаимосвязь природных энергоресурсов, технологий получения полезного продукта, вредных выбросов в окружающую среду, оценены направления экологизации теплоэнергетических установок малой мощности, поставлены цели и задачи исследований.

Экологизация теплоэнергетического оборудования предполагает комплекс мероприятий по предотвращению отрицательного воздействия производственных процессов на природную среду и осуществляется путем разработки технологий с уменьшенными вредными выбросами. Применительно к теме исследования предложены'технологии экологизации производства энергии осуществлять за счет сокращения вредных выбросов при эксплуатации оборудования малой мощ-

поста путем применения контактных аппаратов на тракте уходящих газов теплоэнергетических установок и использования нетрадиционных видов энергии, в частности, солнечной.

Обобщенная схема (рис. I) дает возможность оценить варианты использования природных ресурсов для получения полезного продукта с разной степенью вредных воздействий по сравнению с базовым вариантом. Исследования автора, изложенные в данной работе, решают проблемы, связанные с утилизацией вредных выбросов (технологии Т1, Тг) теплоэнергетических установок малой мощности и с использованием возобновимых ресурсов (технология Тз).

1. т=т„ л=д,

2. Т=ТЛ+Т, П=П)+Л, Р=Рв

т=т0*т, + тг П = П0 + П,+Пг

Г=Т„ + Т,+Г:

п = щ р = гя

2< га

5. Г=7Ь + 7}+Г,+Г, П=П,+Л,+Л,+Л, Р=Г!1+ГВ

<2<Я,

Рис. I. Взаимосвязь природных ^энергоресурсов, технологий производства полезного продукта и вредных выбросов: П, По, Па, Пь Ш, Пз -полезный продукт, Р, Р„, Рв, Р>, Р» -эцсргорссурсы, природные, возобновимые, вевозобновиыые; Q , £41 , .qr.4j.4i" вредные выбросы; Т, То, Т\, Т2, - технологии; 1- базовый вариаат; 2, 3, 5 - варианты использования энергоресурсов в технологий при увеличении высусха полезного продукта и уменьшение вредных выбросов; 4 - то же, при сохранения объема выпуска полезного продукта на уровне базового варианта н уменьшении вредных выбросов

Большую долю в загрязнение окружающей среды вносят уходящие газы теплоэнергетического оборудования, образующиеся при сжигании органического топлива. При этом кроме вредных газовых выбросов производится тепловое загрязнение среды вследствие высокой температуры уходящих газов, достигающей 180 ... 250 °С - для котельных установок. 350...450 °С - для газотурбинных установок и промышленных печей, 340...400 °С - для дизельных и карбюраторных двигателей.

Эффекшвным способом снижения температуры уходящих газов значительно ниже точки росы является использование контактных теп-ломассообменных аппаратов.

Проведенный анализ сравнительных характеристик насадочных, форсуночных и пленочных контактных аппаратов показал преимущества пленочных аппаратов: низкое гидравлическое сопротивление, меньшие материалоемкость и расход электроэнергии, хорошую степень очистки газов от твердых частиц и высокую эффективность тепломассообмена, более высокую допустимую скорость-газов ( 6...7 м/с). Эти преимущества позволили рекомендовать их для установки на тракт уходящих газов теплоэнергетических установок для глубокой утилизации и очистки уходящих газов, нагрева воды, получения пресной воды, подкисления морской воды для дальнейшего нагревания при безнакнп-ном режиме в поверхностных нагревателях, дестабилизации нефтесо-держащих вод и интенсификации их очистки и т. п.

В последнее время возрос интерес к использованию солнечной энергии, вызванный топливным кризисом и экологическими проблемами. Солнечная энергия - наиболее мощный вид возобновимой энергии, обладающей рядом достоинств, в частности, высокой плотностью поступления(до 1, 0 кВт / м2) по сравнению с другими видами; доступ-нопностью использования в любой точке Земли. Кроме этого, применение солнечной энергии для получен!« тепловой позволяет высвободить ископаемые топлива для других целей.

Анализ опубликованной информации позволил определить направления теоретических и экспериментальных исследований автора в области разработки технологий и технических решений экологизации теплоэнергетического оборудования малой мощности (рис. 2): утилизация теплоты и очистка газов, опреснение морской воды в контактных пленочных аппаратах, использование солнечной энергии, обеспечивающих снижение вредных воздействий при использовании природных энергоресурсов. Практическая реализация результатов исследований выразилась в виде методов расчета оборудования и систем экологизации теплоэнергетических установок малой мощности, в разработке технических решений и в создании этих установок.

Во второй главе главе рассмотрены теоретические основы технологий на базе контактных пленочных аппаратов. Процессы контактного тепломассообмена в различного рода аппаратах (насадочных, форсуночных и т. п.) изучали Нестеренко А. В., Кокорин О. Л., Берман Л. Д., Аронов И. 3., Соснин Ю. П., Бухаркин Е. Н., Андреев Е. Н.

Наибольший интерес для технологий утилизации теплоты уходящих газов теплоэнергетического оборудования представляют контакт-

ные пленочные тепломассообменные аппараты. Однако данные, необходимые для создания методов их расчета в литературе отсутствуют.

Рис. 2. Структурная схема исследований тгавсяогвй эходогкзацви теплоэнергетического оборудования налой мощности

Разработана конструкция контактного пленочного пластинчатого тепломассообменного аппарата, который представляет собой корпус прямоугольного сечения, где на некотором расстоянии друг от лруга размещены вертикальные рабочие пластины. По обеим сторонам пластин с помощью специальных пленкообразующих устройств организовано течение пленки жидкости под действием силы тяжести. В нижней части аппарата пленка жидкости снимается съемными устройствами и выводится из корпуса. Газ движется в пространстве между пластинами снизу вверх.Физическая модель рабочих процессов, происходящих при непосредственном контакте восходящего потока газа и стгкаюшей пленки жидкости в аппарате на достаточн? длинном участке,показана на рис. 3.

рЦ,

Рис. 3. Изменение основных параметров рабочих сред при непосредственном контакте восходящих горячих газов и стекающей пленки жидкости при значительной длине контакта: I ,Т- температуры жидкости и газа, 1М - температура адиабатного насыщения, р-плот-' кость парок воды в газе, рН - водородный показатель, С - концентрации окислов углерода и серы в газе; 1 - зона испарения жкзкостя, 2 - зона динамического равновесия; 3 - зона конденсации паров воды из газа на поверхность пленки жидкости. Индекс 1 - начальные параметры газа и жидкости; индекс 2 - конечные

Уходящие газы в результате контакта с жидкостью увлажняются, охлаждаются, концентрации вредных составляющих (СОг, ЗСЪ, БОз) в газе снижаются за счет растворения их в пленке жидкости.

Отличительной особенностью контактного тепломассообмена является повышение температуры жидкости г при контакте с горячим газом до определенного предела 1М , достигнув которого она остается постоянной. Для условий контакта жидкости с горячими уходящими газами теплоэнергетических установок нами получено выражение, позволяющее рассчитать предельную температуру нагрева жидкости контактным способом:

~Т{ Ог) 'С^см{

-Ы5

>м 4+

Мр

(1)

где 71 — температура газов на входе в зону контакта, М — молекулярная масса водяного пара, Мр — молекулярная масса сухих газов, г -удельная теплота парообразования, Срсм -удельная теплоемкость влажных газов, Рг, Ргь - тепловое и диффузионное числа Прандшя, <1и ■ влагосодержание газа при температуре 1М, - влагосодержание газа при входе в зону контакта.

При контакте горячих газов н пленки жидкости в тепломассооб-менных аппаратах происходит ряд взаимосвязанных процессов охлаждения, увлажнения и осушения газов, нагрева пленки жидкости, испарения с поверхности пленки горячей воды и конденсации пара из газов на поверхность пленки холодной воды. В связи с особенностями гидродинамики течения рабочих сред, значительной длины контакта, турбулентного движения рабочих сред и т. п., использовать известные математические модели не представляется возможным. Для описания этих довольно сложных процессов тепло- и массообмена автором разработана математическая модель, основанная на использовании дифференциальных уравнений переноса теплоты и массы, в которой принят ряд допущений: пленка жидкости безволновая, потери теплоты в окружающую среду отсутствуют, тепловые потоки на оси канала и пленконесущей пластины равны нулю, толщина пластины бесконечно мала.

1Я-1 (2)

а яг

аг + йтг)

__ а_

х дх д)

о 30I

(А+Ат)§

(3)

(4)

где

,х —скорости газа и жидкости, ЯГ,#' —коэффициенты температуропроводности газа и жидкости; Й^Г, , Дт — коэффициенты турбулентного обмена; Сг —концентрация х -го компонента уходящих газов; А — коэффициент диффузии г - го компонента горячих газов; х — координата по действию силы тяжести ;у — поперечная координата.

Соответствующая этим представлениям расчетная схема контактного тепломассообмена представлена на рис. 4.Применительно к пленочной контактной опреснительной установке определяющими являются процессы охлаждения газа, нагрева пленки, испарения воды с поверхности пленки или конденсации пара из газопаровой смеси на поверхности пленки жидкости.

В частном случае, для диффузии водяных паров уравнение (4 ) принимает вид

т)

(5)

* ?

?тг?'

Жидкост

t Пл.;

9/э

& ?гг

г-

£2 2£г\

Рве. 4. Расчетная схема контактного тепло- и массообме-на при протнвоточном движении газа я стекающей пленки жидкости: срезяерас-

ходные скорости жидкости в газа, Ь - длина ковтагга, 5-толщнна пленки, в - полуширина канала; параметры жидкости и газа в сечении х - 0 : среднем ассовая температура жидкости «> = (;; плотность пара у поверхности иленхи Рб~ Рб1 '■ температура газа <Т> = Ту, плотность пара в газе <р>= р2; параметры газа и жидкости в сечеиин х - Ь' <Т> = Т: , <р>-р, <1> ~ ¡¿~ 'м, I* — температура мокрого термометра. Направление удельных тепловых

__^__ (Т}=тг; потоков указаны страхами:

+ + ? «>= ¿,;£ зона 1 <*>ва«отареши) -Чп -

1 1 п конвективные тепловой поток

— га>

от газа к поверхности пзеякн; д"м ' г - тепловой погож, »осиный влагой, испарявшейся с поверхности пзенки в газ; - поток массы ■спарившейся влаги; г - удельная теплота парообразования; зова II (переходная зова) — д\ - тепловой поток, воспринятый жидкостью дня ее нагрева; - конвективный тепловой поток от газа к поверхности пленки жидкости; г - тепловой поток, вносимые в газ с испарившейся влагой; Ш зона (зова конденсации) —^ - конвективный тепловой поток от газа к пленке; д'щ}' г -тепловой поток за счсх конденсации влагг на поверхности пленки; д3 - тепловой поток, воспринятый жидкостью•„<7*^5 - поток массы сконденсировавшейся елаги; гх - удельная теплота парообразования

-г

хЛ

Система уравнений (2), (3), (5) решалась дня следующих начальных и граничных условий:

? = Г)ПриХ=0; 7* = 7), р= р\ при X = Ь ;

Г=Г=% при у=б; рб=/{16) .

Уравнение связи

Ч'=Чт + гЧт ПРИ У=б, (6)

где — температура жидкости на входе; р\ — плотность пара в газе на входе; Ь>—длина зоны контакта ; Ъ— ширина канала для прохода газа; — температура поверхности пленки; р § — плотность пара

газа на границе раздела.

После интегрирования выражений (2), (3), (5) по координате у и при представлении потоков теплоты и массы через соответствующие коэффициенты тепло- и массоотдачи, получены исходные уравнения для расчета распределения температур газа и жидкости, плотности пара в газе по длине контакта

-р

и уравнение связи

«1 (г}-ь) = <*Ъ-<г))+г&*-<Р)) ■ (,0>

Таким образом, задача сводена к решению системы уравнений (7)...( 10) со следующими краевыми условиями:

(*) = Г, при х = 0; (Г)-Г,, (р) = А при х =Ь.

На основе уравнений (7)...(10) разработаны алгоритм и программа расчета распределения среднемассовых температур газа, жидкости и плотности пара в газе по длине контакта методом итераций.

Для оценки влияния коэффициентов тепло- и массообмена на выходные характеристики рабочих процессов проведены машинные эксперименты. Анализ результатов (рис. 5,а) показывает значительное влияние коэффициентов тепло- и массообмена в газовой фазе на интенсивность нагрева жидкости (х/сЬ < 20) и слабое отличие в зоне предельной температуры жидкости. Влияние От и Э на температуру газа и его впагосодержание значительно по всей длине зоны контакта (рис. 5, б, в).При тех же исходных данных оценивалось влияние коэффициента теплоотдачи от поверхности пленки в жидкость а' при изменении а1 от 1600 Вт/См2 К) до 9700 Вт/(м2К). Обнаружено весьма слабое его влияние на выходные параметры, следовательно, для расчета кшффи-

б) - на теызгратуру газ», в) - ва алагосодержапие газа. Люта 1 — а г =1/3 се гр ; 2— «г = <*»»;3 — Ог=2вф

Рас.'б. Егаишне аатавдоЗ температуры rasa (графкк а) ■ жндюосгя (график б) ввковстаосЕпагооодсрааияс газа прн дшгае кштюсга 3 и.«)- начальная теипе-paiypa води - 57 °С, ыягоссдерясаяве газа - 0,09 кг/кг, расходы воды - 0,17 кг/с, газа - 0,22 кгАх б) - катальная температура газа - 400 °С, ыигосодержанне -0,09 кгЛсг,расхода води-0Д7 я/с, газа-0,22 кг/с

Рис.7. Вгаянксооотяошеякя расходов жидкости в газа ва юиеаенае влагооо-держанвя гаме в дсдарягеас (а) н ховдеясаторе (6) оря д днве каждого 3 ы. Начальные параметры в ■сицягсисфсоидеясаторс): температура газа - 400 °С (120 °С), влагосодеразяяе - 0fl9 жгАг (0,17 хг/кг), температура жидкоста - 57 °С (20 *С) -

циента теплоотдачи в пленке жидкости можно применил, известные зависимости, например:

Ш = 0,83- Ее'-0'33 где Ыи\ Яе'— числа Нуссельта и Рейнольдса пленки.

Кроме коэффициентов тепло- и массообмена, в машинных экспериментах исследовалось влияние начальных параметров и расходов газа и жидкости на хонечные параметры рабочих веществ.

Анализ результатов показал, что изменение начальных параметров газа в исследованных пределах слабо влияет на интенсивность процессов (рис. 6, а). Однако, температура жидкости на входе в зону испарения оказывает значительное влияние на выходное влагосодер-жание газа (рис. 6, б). Соотношение расходов жидкости и газа в зоне испарения начинает сильно влиять при <37 Ог > 0,5 (рис. 7, а). Для зоны конденсации оптимальное соотношение лежит в пределах -0'ДЗг=3...4(рис.7,б).

Описанная выше математическая модель контактного тепломассообмена позволила: разработать алгоритм и программу расчета параметров; проанализировать влияние отдельных факторов на рабочие процессы и оценить их роль; рассчитать конечные параметры рабочих веществ при известных начальных параметрах и заданной длине контакта; рассчитать габаритные размеры аппаратов при заданных расходе газа, его температуре и влагосодержании.

На основе физико-математической модели и машинных экспериментов разработаны крупномасштабные контактные пленочные установки для исследования технологии утилизации теплоты и очистки газов, контактного газового опреснения морской воды.

Основные результаты исследований, изложенные в этой главе, опубликованы в работах 13,4, 5,7,8,9, 49/.

В третьей главе представлены результаты исследования технологии утилизации теплоты уходящих газов теплоэнергетического оборудования н их очистки (рис. 8), полученные на разработанной многоцелевой контактной пленочной установке.

Многоцелевая контактная пленочная установка (рис. 9) обеспечивает решение следующих научных и практических задач при исследовании процессов: контактного тепломассообмена, очистки уходящих газов в пленочных контактных аппаратах, дестабилизации нефтесодер-жащих вод и интенсификации их очистки при контакте с газами, под-кисления морской и пресной воды газами для ее дальнейшего использования в опреснительных установках или котлах, получения пресной воды из морской контактным способом.

У тмяэацвя теплоты

■ мкш гахм » ковтитиых Аяааратах

| Рабочие процесс^ |

Технические решен кя

Подкнспевве морской »оды до рН=4,0

Охшхопе уходхаскх шо1 в «х

Подюгаштеди для опреснительных уста-аовох

Аагороснс свидетельства

Ивтсвсяфюэдад очиспся нефтс-содержащвх »од

Тсштеаяв жроект да* М5 пкотяе

ОГ34К

Техлячеоя! проект для МЗ ■а котле КАВ 6.3/7

Испвревве в сакжсвяе кг количества »1-8р»

Умеяьааше

вефтощер* жавкядо 12_Л5 ттЫ

Устройство для разделения гетерогенной АС 535838

Способа устройство

АО*! 53583$

Стсид для всеяедованкя отложена в н коррозии АС №1320590

Рис. 8. Схема и результаты исследования технологии утилизации теплоты в очистки газов в контактных аппаратах

Каждая контактная колонна состоит из пяти одинаковых модулей, собранных последовательно. Модуль представляет собой контактный теплообменник прямоугольного сечения с размерами (0,5x0,2x1,13) м, внутри которого расположены три рабочие пластины размером (0,5x1,0) м, пленкообразующие устройства, водосъемные устройства. Стенки корпуса также орошаются водой. Таким образом, в каждом модуле размещены восемь орошаемых теплообменных поверхностей суммарной площадью 3,76 м2.

Рис. 9. Принципиальная схема многоцелевой контактной пленочной уставов-ки: 1- камера сгорания с топливной 19 ■ воздушной 20 системами, 2 - контактная колонна первой ступени, 3 - контактная колонна второй ступени, 4 - сборная цистерна первой ступени, 5 - цистерна иефтесодержащих вод, б - фильтр стружечгшв, 7 - фвльтр-нектрализатор, 8 - сборная цистерна второй ступепя, 9 -теплообменник опреснительной установки, 10 - эдектрохоагуяятор, II- фильтр-очиститель, 12 - фильтр-иейтралязатор, 13 - пресная вода, 14 - пресны (морская) вода, 15 - подкисленная пресная (морская) вода, 16 - отстой нефтесодержащих вод на сжигаяве, 17 - подпитка, 18 - сброс очищенных вод, 21 - нефтесодерхащие воды, 22 - очищенные в охлажденные газы в атмосферу

Диапазоны изменения режимных параметров при работе установки: расход уходящих газов - 0,1...0,64 кг/с, температура газов -190...450 °С, расход рабочей воды в первой ступени - 0,1 ...0,6 кг/с, расход рабочей воды во второй ступени - 0,1..Л ,5 кг/с, температура рабочей воды на входе в ступени - 10...70 °С, температура газов на выходе из установки - ЗЙ...50 °С.

На основе обработки экспериментальных данных (рис. 10)," 'полученных на многоцелевой контактной пленочной установке,нами предлагается выражение для расчета коэффициента теплоотдачи от газа к пленке жидкости в первой ступени (в испарителе) .

Ши = 0,12 ■ Ке°'65- Ие'0-09-Рг0'33-С«"0-2 . (II) где Ыии — число Нуссельта; Яет, Рг — числа Рейнольдса и П ран для для газа; Ке'— число Рейнольдса жидкости; <?« — число Гухмана.

Наличие аналогии между тепло- и массообменом в зоне испарения позволяет рассчитать коэффициент массоотдачи по известному соотношению Чилтона-Кольборна

10 ' /у га Ръ-ю'

<íe''

г л>-« г з cv

Рве. 10. Влияние чноел Рейнольдса жидкости (Re) - график а), газа (Ret-) - графах б) в Гухыаяа (Gu) - график в) на ивтенсавность теплообмена в зоне испарена»

а)

"V <

• / ~

« /

sno Т'с

Рис.11. Сравнение экспериментальных значе-«* ' вяи теипературы искрого термометра ( tuy )

бо fs то tjn "с н рассчитанных (fwp) по выражению (•)).....

Линия 1 - воздух с влагосодержзшиеы 0,01 rxfrx. расчет по (15 '); 2 - то же, расчет по (: 1 ); 3A¿ - уходящие газы с влагооодержаниеи, соответственно 0,05; 0,075; ОД кгЛкг.ра«« во (. f ); 6 - данные автора для уходящих газов с влагосодержанн-cv 0,05...0,CS5 кг/кг, 7 - данные ЮЛ. Сосяява "

Т.-С

-flacvetf

'.О 2.0 3,0 *,0 JC,M

Рис.12. Нзнепеиве температуры жидкости по диве контакта: ленни

1 - Г;=4в0 ®С, dj=0,07I кгЛсг. С7И7«=3,6 ;

2 - T¿=4QO"С, 1^1=0,085кг/хг. (7ЯЛ=1 J;

3 - Г|=78 *C,rf|=0,173 кг/кг ,

4-Г, = 65 "С, d¿=0,1 í 9 кгЛсг, G'/0T=4,5

*Ю

гг

— - расчем

«7 ¿o ' цо *,о

Рис. 13. Охлаждение газа в противо-точных контактных тештонасоообненных аппаратах: в нспаритсле (лнвия 1) -^=65 °С. e?j=0,072 кг/кг , <?'/(7г=3,5; в конденсаторе (линия 2) - $ = 26 "С, ¿,=0,223 жг/и, G VGr = 3,5

, .1

о .с Мси\ РЧ3 П21

Р Р™ мЛъь) { }

Во второй ступени (в конденсаторе) аналогии процессов тепло- и массообмена не наблюдается, поэтому предложены выражения для расчета теплового и диффузионного чисел Нуссельта:

= 7 • 10~3 Не®'95- Ие' Рг0,33 , (13)

№вк = 0,014 Яе?'б-Ке'0,6-Рг°'33 . (14)

Экспериментальные исследования показали хорошую сходимость результатов расчета по предложенным нами зависимостям для расчета температуры мокрого термометра (1), коэффициентов тепло- и массообмена (11), (12), (13), (14) с результатами опытов. Так, по температурам мокрого термометра расхождение не превышает ±5 % (рис. 11 ,а), по температурам жидкости +15% (рис. 12), газа ±20 % (рис. 13).

Исследования показали значительное отклонение (см. рис. 11 ,б) экспериментальных данных от рассчитанных по известному упрощенному выражению (15) для расчета температуры мокрого термометра при параметрах систем кондиционирования воздуха

На основе предложенной и использованной во второй главе математической модели и выражений для расчета коэффициентов контактного тепло- и массообмена разработан алгоритм расчета контактных пленочных пластинчатых тепломассообменных аппаратов для утилизации теплоты и очистки уходящих газов теплоэнергетического оборудования.

Результаты исследования технологий утилизации и очистки уходящих газов теплоэнергетических установок малой мощности на многоцелевой контактной пленочной установке, некоторые из которых представлены на рис. 14... 18, позволили предложить метод предотвращения накипеобразования в опреснительных установках путем подкис-ления воды соответствующими компонентами из уходящих газов котлов. При контакте уходящих газов с пленкой воды происходит поглощение СОг, 50 г, ЭОз, при этом вода подкисляется (рнс. 14... 16). Комплексное воздействие на нефтесодержащие воды (высокая температура газов, организация течения в тонких слоях, повышение кислотности воды), подаваемые на орошение первого контура, позволяет интенсифицировать процесс их очистки ( рис. 17, 18) до требуемых нормативов.

1 г з ч "

Рве. 14. Изнепение концентрации угаекнсяого газа в воде первого кошура по дшше жоотахта шкяоч-вого аппарата первого жоатура при температуре уходящих газов (2!0...295)«С

р*

> *

Рве. 15. Подкислсаис корсжой воды в первом контуре многоцелевой идея очной контактной усгаяоа-кя ' прн отногасэов расхо-

да уходящих газов х расходу морской воды = 1/4

Рве. 16. Уиеоьгзсяне концентрации ново* НСО$ по дашяе контактного аппарата (усповая работы «я», рве. .

/5)

Рва 17. Изиенепве жоицент-рацня хдор-вопа по времена контакта нефтесодсржащах во дегорячвзга уходящими га-замя в контактном плеаочноы яспарптеае многоцелевой установка -

*Г/А

гв го 15

«да га> т^мт/

гоо Глт'

Рве. 18. Снижение концентрации нефтепродуктов при контакте нефтеоодержшцюс вод с горячими уходпцяин газами в контахлюм пленочном аппарате нерпой ступени. Пунктиром ножвзвяо увешгче-вне хоицеятраци нефтепродуктов > вода вря подпжхже «®окв*я нефттоодержащжмв водаия

По заданию ВРПО Дальрыба,была разработана ( на уровне технического проекта ) подкислительная контактная пленочная приставка на уходящих газах крупных судовых котлов КВГ - 34к для опреснительных установок М5 плавучих баз 413 проекта.

Расход обрабатъвамой воды - 20 т/ч, температура газов на входе -180 °С, на выходе - 91 °С, рН морской воды на выходе из подкислителя не выше 5. Масса в рабочем состоянии - 2570 кг, в сухом - 2230 кг.

Использование пленочной контактной приставки позволяет при одном и том же эксплуатационном расходе пара на опреснительную установку повысить ее производительность на 28 % и увеличить на 21 % среднегодовую выработку пресной воды.

Система, в которой уходящие газы судовых котлов КАВ - 6.3/7 используются дня интенсификации очистки нефтесодержащих вод и предотвращения накипеобразования в опреснительных установках МЗ, предложена и разработана для малой рыбообрабатывающей базы проекта 13490 водоизмещением 8900 т. В этой схеме пленочная подкислителъная приставка используется совместно с контактным очистителем газов , через который прокачиваются нефтесодержащие воды.

Расход газов - 11 т/ч, температура на входе в очиститель - 385 °С, поцкислитель - 200 на выходе из подкислителя - 120 °С. Через под-кислитель прокачивается 15 т/ч морской воды, водородный показатель понижается до рН = 5,15. Подкисленная вода подается на смешивание с рабочей морской водой опреснительной установки перед головным подогревателем. Использование этой схемы позволяет повысить эксплуатационную производительность опреснительной установки на 10... 15 % и уменьшить в 6... 8 раз количество нефтесодержащих вод за счет их испарения.

При исследовании технологий утилизации теплоты и очистки газов (глава 3) получены следующие основные научные и практические результаты: '

1. На основе экспериментальных исследований предложены выражения зля расчета коэффициентов тепло- и массообмена и доказана правомерность использования выражения (1) для расчета температуры мокрого термометра.

2. Сравнение экспериментальных результатов по температурам жидкости и газов с рассчитанными по модели показали хорошую сходимость результатов.

3. На основе математической модели, подтвержденной экспериментальными исследованиями разработана программа и алгоритм расчета пленочных контактных тепломассообменных аппаратов.

Математическая модель контактного тепломассообмена Полупромышленная установка

-234. Теоретические и экспериментальные исследования позволили разработать технические проекты подкислительных установок для опреснителей типа М5 на базе котлов КВГ- 34к и комплексных установок для интенсификации очистки нефтесодержащих вод до концентрации нефтепродуктов 12...15 мг/л и подкисления морской воды для малых рыбообрабатывающих баз проекта 13490 на базе котлов КАВ 6,3/7. Основные результаты исследований, изложенные в этой главе, опубликованы в работах /1, 2,12, 16, 18,45, 46,51,52, 53/.

~ В четвертой главе приведены результаты исследования технологии опреснения морской воды (рис. 19), которые подтвердили физические

особенности и конструктивные решения, положенные в основу этой технологии; при их обработке использованы и проверены расчетные зависимости, полученные в гл. 2,3. Эксперименты проводились на созданной для этих целей полупромышленной контактной пленочной опреснительной установке (рис. 20), включающей в себя две колонны испарения и две колонны конденсации, состоящие из трех пленочных контактных тепломас-сообменных модулей каждая (всего 12 одинаковых мо, дулей) и другое не-, обходимое оборудование.

Утпизационная контактная пленочная опреснительная установка производительностью 24 т/суг

Установка кондиционирования пресной воды (24 т/сут)

ороситель А.С.М) 836504

Рнс.19. Схема и результаты исследования технологии опреснения морской води в контактных пленочных теплообмен ных аппаратах

Рве.20. Принципиальная схема полупромышленной контактной пленочной опреснительной установки иа уходящих газах: 1,2- колонны испарения морской воды, 3,4 - колонвы конденсации пресной воды, 5 - цистерна пресной коды с мерным устройство», 6 - испаритель холодильной установки, 7- цистерна морской воды с электроподогревателем, 8 - камера сгорания, 9 - аасос 2кб, 10 - насос ЭСН-1, 11,12 - сепараторы унесенной капельной влаги, 13 - топливный мерный бак, 14 - элекгроподогреватель, 15, 16 - вход-выход хладагента, 17 - воздух, 18 - топливо, 19 - раасодомервая шайба, 20 - расходомераое сопло, 21 - газы в атмосферу. А, Б, В, Г, Д- точки отбора проб воды, 1-4...1-6 - модули морского контура, 2-1.. .2-6 - модули пресного контура

Основные конструктивные параметры установки: высота каждой колонны - 3,4 м, ширина - 0,2 м, длина - 0,5 м, расстояние между рабочими орошаемыми водой пластинами - 50 мм, площадь орошаемых поверхностей: в испарителях - 22,6 м2,.в конденсаторах - 22,6 м2.

Диапазоны изменения режимных параметров при работе установки: температура продуктов сгорания на входе в установку - 300...415 °С, температура воды на входе в первый контур - 13,5...72,0 °С, температура воды на входе во второй контур - 14,5—58,0 °С, расход воды через колонны первого контура - 0.3...0,58 кг/с, расход воды через колонны второго контура - 0,76... 1,39 кг/с, расход топлива - 0,01 ...0,02 кг/с, расход продуктов"сгорания топлива - 0,17...0,4 кг/с.

При этих режимных параметрах производительность установки достигала 115... 120 кг/ч пресной воды.

Наиболее важные характеристики работы опреснительной установки представлены на рнс. 21. 22. Эксплуатация установки в экспериментальных режимах показала высокую эффективность пленочных контактных тепломассообменных аппаратов по охлаждению газов,

t ГЛ.-с

ЗОО

ЗЧО 3S0 4SOZeC

0,10 щ

qd7 qce

к*/кг.

«Ö

а ф

¿jtMta ъ&шхомтькто, н

за

so' ?о±м,°с

в з ' . *

учтиц фемм&явс лрямлюл ■.:

Рис. 22. Полупромышленная опреснительная установка. Изменение температуры уходящих газов (точки 1,4), жидкости в первом контуре (точки 2, 5) и во втором контуре (точки 3, 6) в зависимости от длины контакта по ходу тазов. Режим I: расход уходящих газов- 0314 кг/с, жидкости в первом контуре - 0,135 кг/с; во втором -0.7бкг/с; Режим 2:0222 м/с; 1,05 кг/с

. Рис. 21. Влияние температур уходящих газов (а), воды мор-1 ского контура (б), воды пресного контура (в) на относительную (кг воды I кг газа) производительность полупромышленное опреснительной установки

особенно при противоточиом движении газа и жидкости. Падение температуры газов на первых трех метрах контакта составляет 250...280 °С.

Условиями получения высокой производительности опреснительной установки (до 100 г воды на каждый кг уходящих газов) являются: подача воды в первый контур при температуре мокрого термометра, а вовторой-при Ю...15°С(см.рис.21 б,в).

Гидравлическое сопротивление всей установки, по данным измере-ний,не превышает 10 мм вод. ст. На всех режимах работы сопротивление первого контура не превышало 5 мм вод. ст., второго контура — 4 мм вод. ст. Таким образом, подобные установки при их монтаже на тракте уходящих газов теплоэнергетического оборудования практически не оказывают влияния на величину противодавления.

Анализы отобранных проб воды показали необходимость дополнительных исследований с целью разработки и проектирования системы кондиционирования опресненной воды.

Анализ литературных данных и данных автора, позволили разработать технологическую схему кондиционирования воды, которая представлена на рис. 23. Изменение некоторых показателей воды в результате обработки в установке кондиционирования показаны на рис. 24..Л7.

Экспериментальные режимы, опыт работы описанной полупромышленной опреснительной установки позволили ее основные технические решения применить при создании промышленных опреснительных установок, например, при разработке технического проекта утилизационной контактной пленочной опреснительной установки на уходящих газах двигателя ЗД100 (мощность 1375 кВт) транспортного рефрижератора типа "Сибирь", основные характеристики которой: расход уходящих газов при номинальной мощности - 3,4 кг/с; температура газов перед испарителем - 280 °С; температура газов за охладителем - 40 °С ; расход морской воды - 2,3 кг/с ; расход циркуляционной охлаждающей пресной воды - 25 кг/с; производительность установки - 24 тонны пресной воды в сутки.

Полученная пресная вода доводится до требований санитарных норм на водоподготовительной установке, технический проект которой разработан на основе экспериментальных исследований по кондицио--нировангао воды. Все аппараты монтируются в одном блоке и габариты установки не превышают 2130x760x1760 мм при массе в сухом состоянии 1025 кг и в рабочем — 1360 кг.

Технические проекты одобрены Инспекцией Регистра Тихоокеанского бассейна.

Результаты исследований опубликованы -12, А, 5,8,15,16,18,40,49/.

Рнс. 23. Принципиальная тос-нодогвчеосая асема ховднцноннро-вания вода, волучевноЗ контактным способом из уходящих гаэов теплоэнергетической установи: 1- элсктрокоагуштор, 2 - кварцешЗ схоростяой фндмр-осветлнтепь, 3 - фняьтр-дегазатор, 4 - насос, 5 - сбор них конденсата, б - цистерна преспоа воды контактной оггрссяя-тепьвой установки

« т.**,*

Рис. 24. Результаты опытов по обработке воды, полученной в контактной опреснительной установке, методом элекгокоагудяцни: т - коэффициент свстопропусканая жидкости, % ; X - оптическая плотность жидкости; В - количество взвешенных веществ в объемных процентах; т - время обработки

.c/ptMft

Рис. 25. Влияние размера зерсп СаСОэ ( ) в высоты слоя засьгпхн на скорость фкньтрадив ( уф): точки I - высота засыпет 95 мм, 2-190 мм. 3-285 мм

Рвс.2б. Влияние размера зерен я высоты засыпхя на жесткость обработанной воды. Жо нсходвоЗ воды 1.2 мг-экв/л. Ливия I - разиер зерен 1 им, 2 - 2,5 мм, 3-5 ми. Высота засыпки см. на рве. 28

Рис. 27. Увеличение водородного показателя рН в зависимости от »ременв ковтахта 250 кя исходной »оды срНа = 3,82 вря разной высоте засыяхи (обоонаяеия см. рве. 29 )

Технологии и технические решения по использованию солнечной и получению тепловой энергии для отопления и горячего водоснабжения (рис. 28) представлены в пятой главе. Это направление разрабатывалось автором в течение длительного времени в лаборатории нетрадиционной энергетики ДВО РАН. В ней представлены результаты экспериментальных исследований солнечных водонагревателей различных модификаций и типоразмеров, водонагревательных установок в целом.

Исследовались объемные и плоские водонагреватели различных типоразмеров и модификаций. Объемные: цилиндрические вместимостью 2,6 ли 100 л; эллиптический - 40 л, прямоугольные - 5,8 л, 20 л. Плоские площадью 0,24 м2/емкостыо 2,0 л; 0,16 м2/ 5,3 л; 0,09 м2/ 1,78 л; 0,51 м2/ 3,92 л; 0,8 м2/10,2 л; 1,0 м2/11,0 л.

Использование солнечной энергии

Теоретические

основы

Экспериментальные исследования

Солнечные тельные уск аодонатрева- 1НОВКИ

объемного типа проточного типа

\ Ахкумуля торы энергии

Методика расчета

Водоштрсватеш-кая установка тепловой мощностью 12 кВт (гДаргпоаиас)

Технические решения 1

Авторские свидетельства патшы

Всесезонная водонагрева-тельная установка тепловой мощностью 9 кВг (г. Владивосток)

Солнечный водонагреватеш». Пгтент РФ №1814009

Бизгазоаая установка Патент РФ №2065408

Жидкостный нагреватель. Патент РФ №2037107

Солнечная водо-нагревательная установка Положит, решение

Энергетическая установка А.С X» 1746060

Солнечная сушилка Положит. решение

Рнс. 28. Схема и результаты исследования технологии использования солнечной энергии дня теплоснабжения автономных объектов

Модификации плоских солнечных нагревателей: модели I...6 -площадь тепловоспринимающей поверхности 0,156 м2, неокрашены и покрыты черной краской, жидкостная нагрузка - 34..38 кг/м2, рабочие вещества - вода, минеральное масло, воздух, одно- и двухслойное остекление; модели 7...9 - площадь 0,51 м2, жидкостная нагрузка -6,5 кг/м2, рабочие вещества - вода, фреон, воздух, остекление однослойное.

Характерные результаты и режимы экспериментальных исследований представлены на рис. 29. Условия проведения режимов указаны в подрисуночном тексте. На основе анализа экспериментальных исследований предложено основное уравнение рабочего процесса солнечного нагревателя объемного типа:

-j-cosi + qd ■f[)drg = 0«5û(,/j + /2 -2)p-c-dt +

+ (/а+ -te)dre +

+Ли-3^1/2(1ж-1в)<!гв> (16)

Начальные условия: I = îj при т„ = 0.

Уравнение (16) позволяет с достаточной степенью точности (рис. 30) найти зависимость текущей температуры воды в солнечном нагревателе от времени его экспонирования. Функциями времени являются величины i, cos i, qg, Ta. В уравнении (16): qi-плотность прямого солнечного излучения, падающего на поверхность перпендикулярно солнечным лучам, qg - плотность рассеянного излучения, s - степень черноты тепловоспринимающей поверхности , i - угол между направлением солнечных лучей и перпендикуляром к тепловоспринимающей поверхности, у - угол широты места, а„ - угол наклона нагревателя к горизонту, 50 - склонение Солнца, ai - часовой угол, а - характерная ширина нагревателя, р, с - плотность и удельная теплоемкость воды, <т - константа излучения абсолютно черного тела, Тв, te - температура атмосферного воздуха, Т*, t* - температура жидкости, (тоо) - приведенная поглощательная способность солнечного коллектора, j - коэффициент формы облучаемой части нагревателя, а - коэффициент теплоотдачи, 8э, Хз - эффективные толщина и теплопроводность стенки, 8ц, Хн - толщина и теплопроводность изоляции, fi = Fa/F, Î2 = Fjn/F, F -площадь сечения нагревателя между неизолированной (тепловоспринимающей) и изолированной (нерабочей) его частями, Fa, F» - площади неизолированной и изолированной поверхностей.

Анализ влияния соотношения размеров тепловоспринимающей, конвективной и тыльной (изолированной) поверхностей (рис. 31) на

к5 .ho 35 За 25 2o 15

fcA

•to

Рис. ¡29. Изменение средне« теингратуры води в эллиптической (я), емкостью 40 л, прямоугольном (б) - 20 л, пжтшидрячсскои (в) - 2,5 л, солнечных натремтамх: ляпа* 1 ; - плотность сушофвов радодня s поддень 0,96 хВх/и1, среда** тсынсрггура воздуха в период опыта / кяжашажьвм температура воздуха 28,7 •СД0ДвС, усяновхкя вертикально (90е), ориентация на Ю-З; 20,96 хВг/м2, 24,3/27,5 "С, 90°, Ю; 3 -OfiSxBxfo1. 29Mi2fi "С. 90°, Ю; 4 -0$6хКтЫ2. 203ДЗ,7 «С. <0°, Ю-З; 5 -0,95 кВт/и1, 22/1/23 Д "С, граощая поверхность перпендикулярна сохаечкш лучам, емкость 10,5 л; 6-0,95 18.Ш9.7 "С. греющая поверхность no 5. емкость 5Дл; 7 -0.96 кВт/и1,20,0/23.0 «С

I ' ess

Ю 72 tt 15 Vacu

Рис. [30. Сравнение зкепериыепталъ-ных данных дня объемных солнечных . ("нагревателей с рассчитанными по урав-всsnaa (18): пиная 1- натреаатеш. с плоской поверхностью, при Цзд = 18,5 "С (эксперимент), 2 - то же, по расчету, 3- расчет, во дня ндеальсой атмосферы, 4 - нагреватель с эдлаптя-ческой поверхностью (эксперимент), 5 - нагреватель с цилиндрической со-всрхаостыо, Ufy}=22fi "С (экеяера-иеах), б - то же, по расчету для реаль-вых условий опыта.

Рнс. |31. Расчетные нзиенеша плотностнтешювых потерь q«or ж плотности полезного тешгодоо-прмтия у/ от температуры воды всопнечвом нагревателе (СН) с одинарным остеклением и без пего. 518, 658 Вт/м1 - принятые в расчетах постоянные плотности суммарного излучения, поглощаемого поверхностью СН соответствующей формы (соответствует среднедневный 22 шоая): линии 1- плоский СН с изолированной теневой стороной (Д=1,0; /2=1,01). 2- полуцилиндр с изоли-' рованной цилиндрической и неизолированной плоской поверхностями (Л=1,0;/г=1,57); 3 - полуцилиндр с изолированной плоской и неизолированной цилиндрической поверхностями (/1=1,57; - /2=1,0); 4- цшшкдр, взолвровая-65 £/С ный наполовину (/1=1,57 ;/2=1,57)

величину суммарных потерь теплоты показывает, что рост конвективной поверхности оказывает более сильное влияние, чем увеличение изолированной, так как через конвективную поверхность происходят потери теплоты конвекцией и излучением. Второй вывод - величина потерь резко растет с увеличением температуры нагрева жидкости, и за счет изменения формы поверхности можно поднять нагрев на (7... 10) К. Дальнейшее увеличение температуры воды возможно за счет дополнительных мероприятий по снижению потерь с поверхности нагревателя.

Плоские солнечные нагреватели исследовались в непроточном и проточном режимах. Опыты проводились при температурах атмосферного воздуха до минус 20 °С, скоростях ветра 1 ...5 м/с, суммарной радиации до 1050 Вт/м2. Результаты некоторых экспериментов приведены на рис. 32, 33, 34. Исследование влияния толщины слоя жидкости в солнечных нагревателях подтвердило более высокую эффективность плоских солнечных нагревателей.

Эксперименты с различными рабочими веществами показали, что в исследованных нагревателях возможно получение высоких температур воды до 95... 100 °С, масла - до 110... 120 °С, воздуха - более 100 °С. Качество солнечных нагревателей характеризуется коэффициентом тепловых потерь. Для разработанных нагревателей он имеет значения 5...6,5 Вт/м2( рис. 35), что соответствует нагревателям, используемым в мировой практике.

При исследовании рабочих процессов в солнечных нагревателях отмечено, что экспериментальные значения коэффициентов теплоотдачи ниже рассчитанных по известным зависимостям (рис. 36). Разработана модель солнечного нагревателя, позволяющая фотографировать состояние тепловоспринимающей поверхности со стороны жидкости. Полученные фотографии дают объяснение снижению коэффициента теплоотдачи по сравнению с рассчитанными значениями(рис. 37). С увеличением температуры падает растворимость газов в воде, и они в виде пузырьков оседают на рабочих поверхностях и уменьшают площадь теп-лопередающей поверхности. С целью устранения этого недостатка разработана и запатентована конструкция солнечного нагревателя. На рис. 38 приведено сравнение данных по различным известным солнечным нагревателям с экспериментами на нагревателе предложенной конструкции.

Эта конструкция послужила основой для разработки экспериментальной солнечной водонагревательной установки, состоящей из солнечного нагревателя площадью 1,0 м2 , бака аккумулятора, соединительных трубопроводов, контрольно-измерительной системы. Измерению подлежали: расход воды через нагреватель, температуры воды на

Рнс. 32. EbucHcs«c температуры (а) к мощаосгя (6) пряиоугаиво-го солнечного пагреватезгя к течение для вря «сшсяеажв толщввы слоя води: хиняя 1 - толщина 120 мм (шкчяь 20 л); 2-70 мм (1.0,5 л); J-30 им (5 Д л); ♦ -данные со содвечвому ьодояггрсвахеню тепа "Радуга"

го ■

Рве. 33. Изменевве температуры рабочего вещества в сохнсавых нагревателях, орнеа-хкровавяых перпеидилулярно содвечным sy-чам:дивя 1 - модель 7, 2 карта, температура атмосферного воздуха в Еачаде опыта utmyc 2,0 СС. шютыосп суммарной радиация в 12 часов местного вреисак IJ01 хВт/м1; 2 - модель 7,5 парта, раскол вод ы 1,26 «г/ч, ыявус 2.0 "С, 0^2 xBiM 3 - модель 2, 21 февраля, 5,0 *С, 0,93 жВтЫЬ 4 - модель 2, 8 февраля, минус 7,0 "С, 0,93 хВх/м2; 5 - модель 7,20 нарта, работа в схеме с баком-акжумулхтором, жидкостная нагрузка 34 xcfu1, 4Л°С, 0,87 кВт/и2; б - модель 2, 1 февраля, минус 18Д "С, 0,96 жВт/м2 ; 7 - модель 3, 22 января, минус 20,5 °С. 0,92жВт/н2; 8 - модель 8, 9 апреля, 9j0 "С, OJSxBtAi2; 9 - медиа 7.1 марта, 0,2 053 кВхАи2; 10 - модель 7, 2 карта. расход torn 6,1 хг/а, минус 2,0 °С, 1,01 лВт/м*

í'C ?

80 ■ О,?

во ■ 0,5 о,i

0,6

4о .q3

го -V о,г.

чаа/дня

<2.

Рис.1,34. Изменение характеристик при работе солнечного па-гревателя (модель 7). "Опыт 2 марта, температура воздуха минус 2,0 °С: да-плотность суммарной радиации ва поверхность, перпендикулярную . солнечным лучам, q'aг то же с учетом про-пускательвой способвостя слоя стекла я отражательной способвостя поверхности нагревателя, «кг - плотность суммарной радиации на горизонтальную поверхность, I - температура рабочего вещества, ц - коэффициент использования теплоты, со - полезная мощность нагревателя

so ео да го во Рис. '35. Величие» коэффициента теа- _ . яогых потерь содвгязого нагревателя (модель 5) при лиаяжх разностях температур иежду работам веществом н атио-сферным воздухоа. Измерения проведс-аы в диапазоне пвотвостен суммарной радиацчн 0,83-.1,06 нВт/ы2,.температурах атмосферного воздуха пивэс 6 "С — минус 13 °С.

зоа zoo too

НО 60 so tx,v~ Рнс. 36. Сравнение экспериментальных-и расчетных величии коэффициента теплоотдача от грехмцев поверхности х воде: линия 1 - расчет по формуле Кутате-падэс С.С. для вертикальной пластины в большом объеме, 1..S - по формулам Ку-тагепадзе С.С., Крейга Ф., Берда В., Леонтьева АЛ.

Рис. 37. Фотографии пузырей воздуха, образующихся ва тепдовоспрвнвмающея поверхности солнечного нагревателя со стороны воды при проточном режиме: а) при температуре воды 54 °С, б) при температуре воды 63 °С, начальпая температура воды 20 "С

входе и выходе, количество и температура воды в баке. Наиболее характерные режимы ее приведены на рис. 39, 40.

Бак-аккумулятор служит для обеспечения циркуляции определенного объема воды и поддержания высокой температуры последней при отсутствии поступления солнечной энергии на поверхность нагревателя. Анализ расчетов показывает, что для систем горячего теплоснабжения и отопления при отрицательных температурах воздуха жидкостная нагрузка должна составлять около 30 кг/м2, а для горячего водоснабжения при температурах 15...20 °С может достигать 60...80 кг/м2 (рис. 41) и выше.

Для обеспечения работы солнечной водонагревательной установки в зимнее время и для повышения качества горячей воды используются двухконтурные системы, в которых в первом контуре (солнечный нагреватель - промежуточный теплообменник) используется незамерзающая жидкость. Промежуточный теплообменник размещается в баке-аккумуляторе и нагревает воду для дальнейшего ее использования. Расчеты коэффициентов теплоотдачи, проведенные для наших условий при малых скоростях и температурных напорах по формулам Леонтьева А.И., Кутателадзе С.С., Беннета К.О., Берда Р. и других авторов,показали разброс до 300 %.

С целью получения исходных данных для расчета двухконтурных солнечных водонагревагельных установок проведены исследования коэффициентов теплоотдачи в промежуточных теплообменниках, изготовленных: из медной трубы внутренним диаметром 13 мм и длиной 3,25 м и из стальной - диаметром 26 мм и длиной 2,5 м. В качестве рабочих жидкостей использовалась вода и керосин.

Анализ экспериментальных результатов (рис. 42) позволяет предложить критериальное выражение для расчета коэффициента теплоотдачи в трубах при гравитационно-ламинарном режиме течения:

1 л 0,88

ЛГ«=0,41РеЯ| , (20)

где Ре — число Пекле, А — внутренний диаметр трубы, I — длина трубы.

Экспериментальные исследования рабочих процессов в оборудовании солнечных водонагрсвательных установок послужили основой для разработки и создания промышленных установок в гг. Партизанске и Владивостоке. Реальные результаты их работы, в качестве примера, показаны на рис. 44, 45. Основные характеристики промышленных солнечных водонагревательных установок (см. рис. 43...45) сведены в таблицу.

Рис. 38. Сравнение эффек-тнввосгн солнечных пагрсза-тепен: 1 - нагреватель "лнст-труба" (разработчик я производитель ЭНИН); 2 - ПСВ (АН •Азербайджан); 3 - "лист" "(Киев IЗНИИЭП); 4 - СКС (Снбтеп-;лоиаш); 5 - "лист" (Ф1И АН Таджикистан); б - Глист" НПМГ ДВО РАН (точки - зко-| перицептальвые даяние);

7 - ореСрезные трубка с концентратором | типа фоюган;

8 - коллектор "Радуга"

■ g. ю м а (з ft % х.

Рис- 39. Измегезяе температуры воды » иодузге содпетаоЗ водонагреватепьноЗ установки при срсдней температуре ат-иосферпого жвеоха за период опыт» ии-вуо 2 °С и жндпосгвой нагрузке 42 кгЛА давая 1 - температура воды на иоде в солнечвый нагреватель, 2 - ва выходе из вето, 3 - в бахе-еюсуиуляторс

о '3 »« *зо Ы/с

4 // « /3 И Т, г.

Рис. 40.Изыеяеняе энергетических характеристик в течение для :лвяия 1..

- мощность суммарной радиации в плотности солнечного нагревателя;

2 - мощность оолнечного нагревателя;

3 - мощность нодуля ( температурные режимы см. рис. 39)

Рис. 41. Повышение температуры воды в теплоизолированной баке при работе солнечного нагревателя площадью 1 мг, ориентированного да юг, в течение светового дня с развой тепловой кггрузкой я различных температурах наружного воздуха (температура жидкости ва входе в вагрсватсль

- 20 °С). Мощность солнечного нагревателя 0,4 кВт/м2 вря = 20 "С и 0.3 кВт/и2 при 1„ = - 5 °С (экспериментальные данные)

• Рве. 42. . Зависай ость йот Нуо-' сепьтаоткомплекса для воды в

керосипа цри различных диаметр« хрубэиеев'аха

Рис. 44." Результаты испытанна • солнечной водонагреватезгьной установки (сплошные джвии -30.0355 при < » = +4 ®С; луиотр-иые- 23Л355 при = О °С) : 1,4-температура воды на выходе из СЯ; 2, б - температура воды в баке (количество вода 500 л); 3,6- температура воды на входе в СН.

Рас. 43. Изксгспае температуры воды * бахо-аиуцуюторс (точки) ж на выходе вз солнечных нагреаатекеЗ во время яснытааин солнечной «одова-греаатсдьпоЙустяаопзд в г. Партвзаа-скс: 1 - 2 августа 1991 « 2 - 3.03.91; 3-1.08,91;4-2Л&91;5-ЗЛ&91

Рнс. 45. Измепснвс энергетических характеристик солнечной во-доиатреватсльноЙ установки в течение дасЗ, указанных-на рве. 47 : липни 1,4- КПД; £5 - мощность установка ; 3, 6 - мощность задающего НЗЛуЧСНИЯ В ПЛОСКОСТИ солнечного нагревателя

Таблица -

Основные характеристики действующих солнечных водонагревательных установок

Наименование Партизанск Владивосток

Дата начала работы июль, 1991 г. январь, 1995 г.

Площадь тепловоспринимающей 18,0 10,8

поверхности, ы2

Угол наклона нагревателей, град. 45 45

Тепловая мощность, кВт 12 ...14 7...8

Площадь промежуточного тепло-

обменника, м- - 4,2

Время работы весна-лето-осень круглый год

Емкость бака-аккумузятора, м3 1,8 0,9

Исследования технологии использования солнечной энергии и рабочих процессов в оборудовании солнечных водонагревательных систем, выполненные автором, послужили основой для проектирования и создания нового оборудования солнечных водонагревательных установок и систем в целом для условий жесткого климата, а также других устройств, использующих солнечную энергию:

1. Разработана, исследована и запатентована конструкция солнечного водонагревателя объемного типа.

2. Разработана, исследована и запатентована конструкция проточного солнечного нагревателя.

3. Исследованы процессы теплообмена в промежуточном теплообменнике и предложено выражение для расчета коэффициента теплоотдачи при гравитационно-ламинарном режиме течения теплоносителя.

4. Разработаны и созданы промышленные водонагревательные установки в гг. Партизанске и Владивостоке, которые подтвердили эффективность основных технологических и технических решений.

5. Разработаны и запатентованы конструкции биогазовой установки, солнечной сушилки, солнечной водонагревательной установки.

Основные результаты исследований, описанных в этой главе,опубликованы в работах 19-39, 48, 54 - 59/.

Технологии использования контактных пленочных аппаратов и солнечных водонагревателей, изложенные в главах 2...5, и наличие апробированных методик расчета позволяют рекомендовать их для широкого применения в установках различного назначения. Схемные решения и эффективность использования разработанных технологий

экологизации теплоэнергетических установок малой мощности рассмотрены в шестой главе.

При установке контактных аппаратов на отопительных котлах, например " Универсал 6" (рис. 46) или "Братск" (рис. 47), осуществляется очистка уходящих газов от окислов углерода и серы, сажи и частиц несгоревшего топлива, а также снижается их температура с 250...300 °С до 50 °С. Кроме этого, производится дополнительная тепловая энергия для систем теплоснабжения в количестве соответственно 54...64 кВт.

Контактные аппараты могут применяться на уходящих газах котлов и промышленных печей на газовом топливе ( например обжиговых), где в составе уходящих газов практически отсутствует сернистая составляющая , для получения пресной воды из солоноватых вод или в системах оборотного технического водоснабжения (рис. 48). При этом дополнительная тепловая мощность составляет 200 кВт и производится 315 кг/ч пресной воды.

Применение пленочных контактных аппаратов для охлаждения воздуха между ступенями компрессоров позволяет повысить эффективность их работы (рис. 49). В то же время габариты пленочных воздухоохладителей меньше,чем аппараты других конструкций, например форсуночные.

Улучшение экологической обстановки в районе размещения объекта обеспечат контактные пленочные аппараты на уходящих газах теплоэнергетического оборудования и солнечная водонагревательная установка для отопления и горячего водоснабжения (рис. 50). В предложенной схеме солнечная установка замещает 43 % требуемой тепловой мощности, обеспечивает уменьшение количества сжигаемого топлива и, соответственно, сокращение вредных газовых выбросов в атмосферу.

Для стандартного одноэтажного здания, например проекта 186-16-83.85 с отапливаемой площадью 100 м2 максимальная мощность системы отопления и горячего водоснабжения для условий жесткого климата Приморского края составляет 15,1 кВт. График тепловых потребностей здания представлен по месяцам на рис. 51. Они покрываются различного рода теплоисточниками.

Для потребителей малом и средней мощности в качестве основного источника теплоты можно использовать отечественные водогрейные котлы КЧМ-2М "Жарок" тепловой мощностью 16.5...49 кВт или бойлеры южнокорейской фирмы "Робот" (11.6...116 кВт), а в качестве дублирующего - солнечную водонагревательную установку.

Рис. 46. Контактный аппарат на уходящих сазах коша "Универсал 6": 1 - шлед; 2 -. колтаггния аппарат; 3 - про" нсзуточпый . теллообиекназс; 4 - насос; 5 - дымовая труба

Рис. ,47. Контактная плсаочпзя установка па уходящих газаэс хохла "Братск": I - хотел; 2, 3 - контактные пленочные аппараты; 4, 5 - промежуточные тешю-обиеплакн; 6,7 - пасосы; 8 - отстойная пястерна; 9 - еггягя ва сасигаяяс в "котел; 10 -.■юла

Рис. ¡48.10пресоятельяая установка ва уходящих сазах хохла Е-4-14: 1 - котел, 2 - контактный испаритель, 3 - контактный конденсатор, 4 - цистерна морской воды, 5, б - насоси, 7 - промежуточный теплообменник, 8 - гаг зы в атмосферу, 9 - пресная вода на систему хонднцнониро ьапия, 10 - подаятжа морской водой

5 г..

тт.

Ряс. ]49. Контактный пленочный аппарат в системе охлаждения сжатого воздуха; 1 - первая ступень компрессора, 2 - контактный аппарат, 3 -вторая ступень компрессора, 4 - холодная вода, 5 - подогретая вода, 6 - сжатый воздух

Рве 150. Комбинированная ' солнечнотопливная установка горячего ■ водоснабжения: • 1 -хотах, 2 - контактный подогреватель, 3 - проиеяеуточный ; теплообменник, 4,5 - насосы, , б - солнечные нагреватели, 7 -! бак-ажхумулятор, 8 - отопительные приборы, 9 - продувание, 10 - подпитка

г* яю«1гггз*г -б7

месяцыгода

Ряс. 51. Тепловые характеристики системы отопления н горячего водоснабжения здания отапливаемой площадью 100 м1 для условий Приморского храя: 1 - тепловые потребности здания по месяцам в течеяие года. От ; 2 - тспло-проюводнтедьноегь солнечной водонагреватепьнои системы при площади коллекторов 20 м2, Осу; 3 - то же, при 40 м2; 4 - то же, при 60 и2 ; 5 - то же, при 80 м2

Рис. 52. Месячные суммы прямой солнечной радиации на поверхность,перпендикулярную солнечным лучам (данные гидрометеослужбы ■ за 12 лет для Владивостока)

го

1С.

|Ц

1*3

4 * 6 ■ Т- в --9 10 чг 12 месяцы года

А' А# А,А,

го У

60 - -

4а л' .. —'I -----

го ■ 1 ' 1

о 1 . . г

го 40 &0 ¿л .

Рис. 53. Графическое определение площади солнечных коллекторов н дол основного источника в тел лосвабженнв зданий

В связи с сильными флуктуациями поступления солнечной энергии в течение любого отрезка времени, особенно для неустойчивых условий Приморского края (многолетние данные по прямой солнечной радиации на метеостанции Садгород представлены на рис. 52), нами предлагается оценка замещаемой солнечной водона1ревательной установкой доли тепловых потребностей на основе осредненных характеристик солнечных водонагревательных систем, полученных в результате экспериментальных исследований или эксплуатации опытных установок.

Графики расчетной теплопроизводительности солнечной водона-гревательной установки при площади нагревателей 20,40,60, 80 м2, построенные на основе анализа результатов исследований, изложенных в пятой главе, наложены на тепловые потребности здания (см. рис. 51). Метод оценки требуемой площади солнечных нагревателей основан на сравнении доли тепловой энергии, замещаемой солнечной энергией, и доли избыточной тепловой энергией, произведенной солнечной водо-нагревательной системой (рис. 53). При этом доля основного источника определяется по выражению

где QfJJ— тепловые потребности здания, (¡¿у /2тл ~ Доля тепловой энергии, замещаемая солнечной. Доля тепловой энергии, произведенная солнечной водонагревательной установкой,составляет

где 0.су— количество тепловой энергии, выработанное солнечной установкой. Точка пересечения кривых Л' = 1{Рсн) и = Ч^сн)

определяет поверхность нагревателей ¥су и долю основного источника теплоты в обеспечении потребности здания. Для приведенного выше примера /¿у = 57,3 м2 при Л' — 41 %. При этом достигается экономия топлива, которая при работе котла на угле составит 4600 кг, дровах -15700 кг, керосине - 2400 кг. Количество уходящих газов снижается более чем на 50 %.

Таким образом, положительный эффект от применения солнечной энергии для отопления и горячего водоснабжения складывается из экономии органического топлива; уменьшении трудозатрат на производство тепловой энергии; сокращение ущерба от загрязнения окружающей среды.

Материалы,изложенные в шестой главе^публикованы / 29, 30, 41, 42, 43,44, 46, 48,49/.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе разработаны теоретические и практические основы технологий утилизации теплоты и очистки уходящих газов теплоэнергетического оборудования, получения пресной воды в контактных аппаратах и использования солнечной энергии с целью уменьшения вредных воздействий на окружающую среду при производстве энергии на установках малой мощности. Предлагаемые технологии позволяют также обеспечить, как следствие, экономию материальных и природных ресурсов за счет экономии топлива, сокращения числа эксплуатируемых месторождений топлива, снижения затрат на геологические изыскания, уменьшения отчуждаемых территорий для размещения добывающих комплексов, снижения затрат на доставку топлива потребителям. Кроме этого, уменьшается ущерб, связанный с потреблением кислорода при сжигании топлива.

Для исследования рабочих процессов в оборудовании систем экологизации теплоэнергетических установок малой мощности были созданы крупномасштабные полупромышленные и промышленные установки.

Эксперименты на многоцелевой контактной пленочной установке и полупромышленной контактной пленочной опреснительной установке, показали высокую эффективность процессов тепло- и массообмена при непосредственном контакте горячих газов и жидкости для дестабилизации нефтесодержащих вод и интенсификации их очистки, подкисления морской и пресной воды, получения пресной воды из морской. Для условий жесткого климата (характерных, в том числе, для Дальнего Востока) выполнены систематические исследования по использованию солнечной энергии в практических целях. При этом разработаны и исследованы новые конструкции объемных и проточных солнечных нагревателей, рабочие процессы в баке-аккумуляторе и солнечной водо-нагревательной установке в целом.

Результаты исследований по экологизации теплоэнергетического оборудования использованы при создании технических проектов опреснительной и -водоподготовительной установок производительностью до 24 т /сут , подкислительных установок на уходящих газах серийных паровых котлов КВГ-34к , КАВ6,3/7 , промышленных солнечных водонатревательных установок тепловой мощностью 12 кВт, всесе-зонной установки тепловой мощностью 9 кВт в и др.

Показано, что комбинированные солнечно-топливные системы отопления и горячего водоснабжения позволяют снизить до 50 % расход ископаемого топлива при соответствующем снижении количества продуктов сгорания топлива, выбрасываемых в атмосферу.

Разработаны патентоспособные технические решения, позволяющие создать эффективное оборудование для предложеннх технологий.

Исследования по охране окружающей среды при эксплуатации судов удостоены диплома 3-й степени , по разделу " охрана окружающей среды", а цикл работ автора "Экологизация производства тепловой энергии для автономных потребителей" удостоен' гранда губернатора Приморского края.

Таким образом, в диссертации изложены научно-обоснованные технические и технологические решения экологизации теплоэнергетических установок малой мощности с целью уменьшения вредных воздействий на окружающую среду путем глубокой утилизации теплоты уходящих газов и использования солнечной энергии. Внедрение результатов вносит значительный вклад в ускорение научно-технического прогресса.

Основное содержание диссертации опубликовано:

1. Утилизация в очистка дымовых газов в контактных пленочных опреснительных

установках / Пути предотвращения загрязнения моря н атмосферы плавсредствами. Вып. 315. Л.: Судостроение, 1980. С. 118 - 141 (Соавторы: Карас-телев Б. Я., Макареакч А. В.),

2. Результаты испытаний утилизационной контактной опреснительной установки

на выхлопных газах / Судовые энергетические установки. Владивосток: ДВПИ, 1980.С.30-37.(МакаревичА.В.).

3. Контактный нагрев жидкости дымовыми газами//Вопросы судостроения. Сер.

Пром. энергетика. 1980, Вып. 6. С. 3-7 (Якубовский Ю.В.).,

4. Разработка технического проекта опреснительной установки для рефрижерато-

ров типа "Сибирь": Отчет о НИР//№ ГР 76012049. Владивосток: ДВПИ ; Инв. № Б 686953, 197 6.58 с.; Ив*. № Б 688081,1977.72 с.; Иив № Б 7 02619. 1978.34 е.; Инв. №5 744880, 1979.4" с.

5. Тепломассообмен при ад иабатическом испарении жидкости в судовых контакт-

ных пленочных испарителях / Судовые энергетические установки. Владивосток: ДВПИ, 1981.С. 121 - 126.(Якубовский Ю.В.).

6. Модернизация испарителей М5 для плавбаз типа "Пятидесятилетие СССР" и

проведение комплекса испытаний оборудования: Отчет о НИР //№ ГР 78075340, Владивосток: ДВПИ; Инв. № Б 737667, 1979, 154 е.; Инв. № Б 975Я5. 1980.191 с.;№ ГР80003994- Инв. № Б 975545.48 е.; Инв. №02823013062,1981. 42 с.

7. Исследование рабочих процессов пленочного контактного аппарата для очист-

ки дымовых газов / Проблемы охраны окружающей среды и рекуперация вторичных ресурсов на предпржятаях отрасли и при эксплуатации судов. Л. : Судостроение, 1982. С. 7" - 78 Якубовский Ю. В., Юхнменхо В. Ф. и др.),

8. Оптимальная д лина пленочного контактного испарителя на дымовых газах /

Проблемы научных исследований в области изучения и освоения Мирового океана. Владивосток: ДВШ1, 1983. С. 160 - 161.

9. Тепломассообмен при контакте горячего газа со стекающей пленкой жидкости //

Инж. - физич. жури. 1984. Т. 14, № 3. С.428 - 432. (Якубовский Ю. В., Гешев П. И., Цвелодуб О. Ю.).

10. Разработка подкислителя морской воды на дымовых газах для модернизации опреснительной установки РМБ 413 проекта : Отчет о НИР // № ГР 01830002982 Владивосток:ДВПИ;Иив.№02840057930, 1983. 123с.;Иав.№ 02850027422, 1984.34 с.

11. Улучшение качества очистки нефтссодержащих вод в сепараторах СТВ - 10 с помощью контактной приставки на дымовых газах: Отчет о НИР //№ ГР 018280259946 ; Инв.№ 02850021507. Владивосток : ДВПИ, 1984. 71 с.

12. Комплексное использование уходящих газов котлов или ДВС на рыбообрабатывающих судах / Проспекты завершенных НИР и ОКР. Владивосток: ДВПИ,

1985. С. 111 - 113. (Якубовский Ю. В., Юхимснко В. Ф.).

13. Эффективность утилизации дымовых газов СЭУ ь очистки нефтссодержащих

вод на судах / Вопросы обеспечения охраны окружающей среды при эксплуатации судов и рекуперация вторичных энергоресурсов на предприятиях отрасли. Л.: Судостроение, 1986. С. 94 - 95(Юхименко В. Ф.)

14. Имитационная модель работы рыбомучвой базы типа "Пятидесятилетие СССР' и ее применение к оптимизации схемы очистки нефтссодержащих вод / Вопросы обеспечения охраны окружающей среды при ... Л.: Судостроение,

1986. С. 75 -77. (Мазелис Л. С., Якубовский Ю. В.),

15. Разработка предложения по модернизации системы водообеспечения и предотвращения загрязнения моря рыбообрабатывающей базы : Отчет о НИР //№ П 01850048147; Инв. № 02870011636. Владивосток : ДВПИ, 1986.82 с.

16. Использование имитационного моделирования для повышения эффективности опреснительных установок рыбоперерабатывающих судов. Владивосток:

ДВПИ. 1988.5 с. Деп. ЦНИИПЭИРХ.

17. Вопросы комплексного использования и очистки дымовых газов и нефтссодержащих вод на сооружениях морского шельфа /Проблемы создания новой техники для освоения шельфа. Горький.С.52.(Подсушный А.М., Якубовский Ю.В.

18. Тепломассообмен при испарении и конденсации в пленочном контактном аппарате //Теплофизика и гидрогазодинашика процессов кипения и конденсации. Рига: Рижск. политехи, ин-т, 1988. С. 106 - 107 (Якубовский Ю. В.).

19. Экспериментальное исследование работы солнечных нагревателей объемного

типа / Нетрадиционные энергетические установки. Владивосток: ДВО АН СССР, 1989. С. 19 - 23 (Ильин А. К.).

20. К расчету солнечных нагревателей / Нетрадиционные энергетические установки. Владивосток: ДВО АН СССР, 1989. С. 33 - 38 (Ильин А. К.).

21.0 режимах работы солнечных нагревателей зимой в условиях жесткого климат: /Материалы 3-ей Всесоюз. конф. по энергетике океана, ч. 1. Владивосток: ДВО АН СССР, 1990. С. 10 - 13. (ИльинА. К.).

22. Экспериментальные данные о работе всесезониого солнечного нагревателя/

Подводные роботы и их системы. Владивосток : ДВО АН СССР, 1990. С. 139 -146.(Ильин А. К.),

23.Коэффициент теплоотдачи в плоском солнечном нагревателе/ Материалы 3-1 Всесоюз. конф. по энергетике океана. Ч. 2. Владивосток: ДВО АН СССР ,1991 С.21-23 (ИльинА. К.),

24. Разработка солнечных нагревателен дня теплоиспользующих установок / Материалы 3-й Вссооюз. конф. "Интенсивное энергосбережение в промышленной теплотехнояогни"/М.: МЭИ, 1991. С. 170. (ИльинА. К.).

25. Бнотехнологическая установка с солнечным обогревом: Таи же. С. 171. (Тимошенко В. А.).

26. Солнечные нагреватели для систем отопления и горячего водоснабжения. Рекл.

инф. Владивосток: ПримЦНТИ, 1991.4 с. (Ильин А. К.).

27. Солнечная душевая.Рекл. инф. Владивосток: ПримЦНТИ, 1991.4 с. (Ильин А. К., Лощенков В.В.).

28. Использование солнечных водонагревателей в энергетических системах в условиях жесткого климата / Труды междунар. симпозиума по энергии, экологии, экономии. Баку: Шарг-Гарб, 1991. С. 12-13. (Ильин А. К.).

29. О возможности использовании солнечной энергии в Приморском крае // Вест-

ник ДВО, 1 992, № 5-6. С. 63-71. (Ильин А. К).

30. Об использовании солнечной энергии в условиях морского климата / Проблемы энергообеспечения. Ч. 1. Клев, 1991. С. 17-18. (ИльинА. К., Лощенков В.В.)

31. О теплоотдаче в трубе при ламинарном режиме течения жидкости (опытные данные) ! Рабочие процессы в теплоэнергетических установках. Владивосток: ДВО РАН, 1993. С. 39-48. (ИльинА. К., Лощенков В.В.).

32. Солнечные установки для горячего водоснабжения / Экология и безопасность

жизнедеятельности. Материалы междунар. конф. Владивосток: ДВГТУ, 1994. С. 7-9. (Ильин А. К., Лощенков В.В.),

33. Некоторые особенности теплообмена в солнечных водонагревателях / Там же.

С. 11-12.

34. Солнечная водонагревательная установка мощностью 12 кВт / Современные проблемы нетрадиционной энергетики. Материалы междунар. науч. техн. конф. С. - Пб.: С.-ПбГТУ, 1994. С. 93-94. (Ильин А. К.).

35.0 проектировании солнечных водонагревателых систем / Инженерные решения проблем экологии прибрежных регионов. Материалы 1-й Тихоокеанской эко-логич. конф. Владивосток: ДВО РАН, 1994. С. 36-37.

36. Солнечные нагреватели для автономных источников тепловой энергии / Инженерные решения проблем экологии прибрежных регионов. Материалы 1-й Тихоокеанской экологической конференции. Владивосток: ДВО РАН, 1994.

С. 33-34. (Ильин А.К.),

37. Четырехлетний опыт эксплуатации солнечной водонагревательной установки в

г. Партизанске /Гам же, с. 37-38. (Ильин А.К.).

38. Солнечная сушилка для пищевых продуктов /Гам же, с. 37-38. (Лощенков В.В.).

39. Монтаж солнечной установки горячего водоснабжения в г. Владивостоке / Там же, с.40.(Ильин А.К., Волков А.В., Лощенков В.В.).

40. Газовое контактное опреснение морской воды / Материалы 35-й науч. техн. конф. Владивосток: ДВГТУ, 1995.С. 84-85.(Якубовскин Ю.В.,Тихомиров Г.И.).

41. Экологические аспекты комбинированных солнечно - топливных, систем

отопления и горячего водоснабжения автономных объектов /Владивосток : ДВО РАН, 1996. С. 22.

42. Производство тепловой энергии и охрана окружающей среды I Рыбохозяй-стиенные исследования океана. Материалы науч. конф. Владивосток: Даль-рыбвтуз, 1996. С. 69-70 .

43. Экологизация производства различных видов энергии для автономных потре-

бителей / Мсжвуз. №. трудов 'Технические q>c;;eiBa исследования океана" Владивосток: ДВПУ, 1996. С. 145-150.

44. 06 аналогии процессов тепло- массообмена в контактных пленочных аппаратах / Владивосток: ДЕО РАН. 1997.С. 15-16.

45. Проектирование судовых теплообменник аппаратов с жидкостными пленками. /Учебное пособие. Владивосток: ДВПИ, 1976.44 с. (Соавторы - Якубовский Ю.В., Карастелеа Б.Я., Пермяков В.В.).

46. Оборудование судовых энергетических систем и вспомогательные установки / ' Владивосток: ДВПИ, 1990. 36 с. (Якубовский Ю.В., Остренко CA.).

47. Нетрадиционная энергетика в Приморском крае: Ресурсы и технические воз-

можности. / Владивосток :ДВО РАН. 1994.41 с. (ИльинА.К,).

48. Методика расчета комбинированных солнечно-топливных систем отопления и горячего водоснабжения автономных объектов /Владивосток: ДВО РАН. 1996. 22 с.

49. Утилизация теплоты и очистка газов в контактных пленочных аппаратах / Вла-

дивосток : Дальнаука, 1997. 120 с.

Авторские свидетельства и патенты

50. Пленочный ороситель для контактного теплообменного аппарата. АС №

836504. 1979. (Якубовский Ю.В., Карастелев Б.Я. и др.).

51. Стенд доя исследования отложений и коррозии котлов. АС№ 1320590.1987.

(Сумекков В.М., Селезнев Ю.С. и др.).

52. Способ диспергирования жидкостей в потоке и устройство для его осуществле-

ния. АС № 1502064. 1989. (Суменков В.М., Селезнев Ю.С. и др.).

53. Устройство для разделения гетерогенной системы. АС№ 1535838. 1990.

(Суменков В.М., Селезнев Ю.С. и др.).

54. Энергетическая установка АС № 1746060. 1992. (Ильин AJC., Волков В .В. и др.)

55. Солнечный водонагреватель. Патент РФ№ 1814003.1993. (Ильин А.К.,Лощен-ков В.В.).

56. Солнечный жидкостный водонагреватель. Патент РФ №2037107.1995.

(Ильин А.К., Лощеаков В.В.).

57. Биогазовая установка. Патент РФ №2065408.1996. (Ильин А.К., Тииошен-коВА.).

58. Солнечная сушилка. Положит, решение о выдаче патента по заявке №93055661/06 от 14.12.93. (Ильин А.К., Лощенков В.В.).

59. Солнечная водонагреватеяьная установка. Положит, решение о выдаче патента по заявке№ 93051581/06 от 02.11.93. (Ильин А.К., Лощенков В.В.).

Сведения о внедрении результатов работ:

1. Технический проект контактной пленочной опреснительной установки для тран-

спортного рефрижератора типа "Сибирь" и технические условия иа поставку. Одобрены Инспекцией Регистра Тихоокеанского бассейна (письмо Инспекции №13 - 1604 от 1 ]. 08. 78 и №13 - 548 от 6.03.79 г.) - по результатам работ /1-4/.

2. Методика и программа расчета тсплонассообменных аппаратов судовой контак

ной пленочной опреснительной установки использована в курсовом и дипломном проектировании в ДВПИ (Акт 1984 г.) и в ДВГМА (Акт 1994 г.) - по резул! татам работ /45,46/.

3. Утилизационная контактная пленочная опреснительная установка-на уходящих

газах используется для выполнения лабораторных работ и научных исследованы в ДВПИ (Акт 1984 г.) - по результатам работ /5,8,9Л

4. Метод н установка для утилизации теплоты уходящих газов СЭУ а контактных

аппаратах рекомендованы для использования на морских судах ( Ведомственный акт испытаний крупномасштабной установки 1984 г.)- по результатам работ /10,11, 17/.

5. АС №1502064 (СССР) "Способ диспергирования жидкостей в потоке и устройство

для его осуществления" использовано при модернизации котельных (Акт 1997 г.).

6. Введена в эксплуатацию солнечная водонагрсвательная установка тепловой мощ-

ностью 12 кВт в г. Партизанске (Акт испытании и сдачи в эксплуатацию, 1991 г.) -по результатам работ /20,23,26/.

7. Введена в эксплуатацию всесеэонная водопагревателъная установка в г. Владиво-

стоке (Акт испытаний, 1995 г.).

8. Методика оценки долн тепловой энергии, замещаемой солнечной энергией в ком-

бинированных системах отопления и горячего водоснабжения, используется в работах лаборатории нетрадиционной энергетики ДВО РАН (Акт внедрения, 1996 г.).

9. Патент РФ №1814003 "Солнечный водонагреватель" использован при разработке и

изготовлении всесезонной солнечной водонагревательной установки (Акт внедрения. 1995 г.) - по результатам работ /22,24,31,35/.

10. Многоцелевая контактная пленочная установка используется для охлаждения и очистки газов при научных исследованиях на камере сгорания в лаборатории кафедры морских технологий и энергетики Морского института Дальневосточного государственного технического университета (Акт 1997 г.).

12. Монография "Утилизация теплоты и очистка газов в контактных пленочных аппаратах" используется в учебном процессе в Дальрыбвтузе (ТУ) (Акт 1997 г.).

Информация о работе

Ковалев, Олег Петрович
доктора технических наук
Владивосток, 1997
ВАК 11.00.11

Автореферат

Похожие работы