Регистрация / Вход
Прислать материал

Проведение прикладных исследований и разработка способа подготовки котловой и теплофикационной воды методом фазовых переходов в вихревом потоке в условиях глубокого вакуума.

Номер контракта: 14.579.21.0063

Руководитель: Сафонов Евгений Владимирович

Должность руководителя: заведующий кафедрой

Докладчик: Золотых Иван Константинович, научный сотрудник

Аннотация скачать
Постер скачать
Презентация скачать
Ключевые слова:
водоподготовительная установка, обессоливание воды, энергоэффективность, энергосбережение, энергоэффективная технология

Цель проекта:
1. Проект направлен на обеспечение качественного водного режима работы систем теплоснабжения для устранения процессов накипеобразования в водогрейном тракте котлоагрегатов и транспортных трубопроводах с целью повышения энергоэффективности работы основного оборудования. 2. Целью реализуемого проекта является разработка и создание высокоэффективных многоцелевых водоподготовительных установок (МВУ), позволяющих повысить энергоэффективность работы оборудования паровых и водогрейных котельных систем теплоснабжения промышленных предприятий и объектов жилищно-коммунального хозяйства.

Основные планируемые результаты проекта:
1. Основные практические и экспериментальные результаты проекта, полученные ПНИЭР :
а) разработаны математические модели фазовых переходов в вихревом потоке на базе 2-х технологий, использующих вихревые потоки рабочего тела: эффекта Ранка-Хилша (вихревая труба) и парообразование в закрученном потоке (центробежная форсунка);
б) определены геометрические и технические параметры вихревой трубы на основе стационарного инженерного метода расчета и численного моделирования течений с привлечением (k-ω SST)-модели турбулентности и выявлено, что детализация расчетной области вихревой трубы, масштаб модели и тип рабочего газа (воздух/пар), влияет лишь на коэффициент соотношения расхода газа между «горячим» и «холодным» выходом, а повышение разности температур без увеличения давления в трубе возможно только при увеличении скорости потока на входе;
в) определены геометрические и технические параметры центробежного завихрителя (форсунки) на основе классической схемы движения и распыления. В результате расчетов установлено, что максимальный расход пара, образующийся при закрутке перегретой жидкости внутри форсунки, определяется критическим перепадом давлений на срезе сопла форсунки и не зависит от давления вакуумирования во внешней среде. Давление подачи жидкости в центробежную форсунку может быть снижено до 1,0 атм и менее при условии обеспечения сверхкритического перепада. Таким образом, перегрев жидкости на входе в форсунку может быть достигнут при температуре менее 100 °С.
Нечувствительность к колебаниям давления вакуумирования во внешней среде позволяет ослабить требования к стабильности поддержания параметров.

2. По результатам проекта планируется получить:
а) экспериментальный образец многоцелевой водоподготовительной установки (МВУ) с производительностью модельного ряда МВУ: 0,5÷10 м3/ч (МВУ 1 - 0,5-1,0 м3/ч, МВУ 3 - 1,0-3,0 м3/ч, МВУ10 - 3,0-10,0 м3/ч), основным источником - электроэнергией , с поддержанием в системе вакуума 0,08 атм. Типовой представитель: МВУ-1 с показателями качества обессоленной воды не хуже:
- общая жесткость: менее 1 мкг-экв/кг;
- содержание натрия: от 15 мкг/кг;
- кремниевой кислоты: от 15 мкг/кг;
- удельная электропроводимость: менее 0,1 мкСм/см.
б) испытательный стенд экспериментального образца многоцелевой водоподготовительной установки со следующими техническими характеристиками и функциями:
- производительность: 0,5÷10 м3/ч;
- вакуум: 0,08 атм;
- автоматическое регулирование уровня в баках запаса конденсатной и испарительной секциях;
- автоматическое поддержание температуры воды на входе в испарительную секцию от 40 до 120 °С;
- автоматическое поддержание избыточного давления на входе в испарительную секцию от 0,2 до 2,0 атм;
- автоматическое поддержание расхода непрерывной продувки испарительной секции от 0,5 до 30%;
- автоматическое регулирование производительности МВУ (в зависимости от исполнения);
- обеспечить автоматическое выполнение пуско-остановочных операций по заранее заложенному алгоритму;
- обеспечение автоматического выполнения функций технологических защит и блокировок.
- дистанционный режим управления исполнительными механизмами и насосными группами МВУ;
- процесс архивирования технологических параметров МВУ;
- визуализацию параметров МВУ и состояния основных механизмов,
в) проект технического задания на проведение ОКР по теме: «Разработка и создание опытного образца высокоэффективной многоцелевой водоподготовительной установки для подготовки котловой и теплофикационной воды методом фазовых переходов в вихревом потоке в условиях глубокого вакуума».

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
1. Технология и оборудование для получения дистиллята посредством обработки воды, без применения дорогих химических реагентов, для подпитки котлов и теплосетей позволяющая значительно снизить производственные издержки за счёт:
- увеличения срока службы основного теплоэнергетического оборудования в 2-3 раза в результате снижения накипеобразования посредством обеспечения оптимального водно-химического режима;
- снижения перерасхода топлива на 15-20%;
- уменьшения потребления химреактивов (до 90%);
- сокращения численности персонала - 100% автоматизации;
- использования вторичных энергоресурсов - низкопотенциальный пар давлением от 0,12 МПа, горячая вода до t=90 °С,
- включения оборудования в тепловую схему теплофикационного цикла без потерь тепловой экономичности;
- минимизация сброса химически загрязненных стоков в водные источники;
- снижение себестоимости тепло и электроэнергии, в т.ч. за счет снижения эксплуатационных расходов.
Стоимость получения дистиллята посредством данных технологий до 70% меньше стоимости обессоленной воды, получаемой традиционными методами химического обессоливания.

2. Впервые с целью повышения экономической и энергетической эффективности получения дистиллята предложено использовать вихревой эффект. Применение вихревого эффекта позволит интенсифицировать процесс парообразования в испарителе, а также максимально использовать низкопотенциальное тепло в конденсаторе испарителя. Использование технологии получения дистиллята посредством обработки воды, без применения дорогих химических реагентов, для подпитки котлов и теплосетей позволит значительно снизить производственные издержки за счёт увеличения срока службы основного теплоэнергетического оборудования в 2-3 раза в результате снижения накипеобразования посредством обеспечения оптимального водно-химического режима. Кроме того, применение экспериментальной установки позволит обеспечить снижение негативного воздействия на водные объекты за счет исключения высокоагрессивных реагентов и обеспечения минимально возможных сбросов загрязняющих веществ. К преимуществам разработанной установки подготовки воды следует отнести компактность, модульность и высокий уровень автоматизации ее работы.

3. Сопоставление с результатами аналогичных работ мирового уровня, показывает, что существуют несколько методов обессоливания воды: обратный осмос, мембранный, ионообменный, электродиализ, термический. Наиболее часто используемые методы: химический и термический. Для обессоливания воды, в которой содержание анионов сильных кислот превышает 5 мг экв/кг, термическое обессоливание экономически выгоднее химического обессоливания. Существуют следующие методы термического обессоливания: испарители мгновенного вскипания, поверхностные установки, аппараты погружного горения, сушильные установки. Для подготовки котловой и теплофикационной воды лучшим выбором являются испарители мгновенного вскипания.
Несмотря на явные достоинства испарителей мгновенного вскипания с точки зрения достигнутого результата (высокое качество подготовленной воды при низком качестве исходной) есть и существенные недостатки, которые можно нивелировать с помощью различных методов (методы интенсификации теплообменных процессов и фазовых переходов, вихревые потоки и т.п.).

4. В качестве базовых вариантов исследований приняты схемы многоцелевых водоподготовительных установок на базе 2-х технологий, использующие вихревые потоки рабочего тела: эффект Ранка-Хилша и центробежного эффекта.
Исследованы существующие физические принципы и технологические решения в области фазовых переходов в вихревом потоке. Предложены варианты использования вихревой трубы, реализующей эффект Ранка-Хилша для энергетического разделения потоков жидкости, в качестве испарительной секции многофункциональной водоподготовительной установки.
Рассмотрены вопросы применения центробежного эффекта в центробежных форсунках. Показана возможность применения центробежных форсунок с кипящей жидкостью в многофункциональной водоподготовительной установке.
Численное моделирование вихревых многокомпонентных потоков с учетом фазового перехода является очень сложно и трудоемкой задачей, решение которой необходимо разбивать на части с последующим усложнение расчетной математической модели. Без применения вычислительной гидродинамики проектирование водоподготовительных установок, использующих эффекты закрученных разреженных потоков, становятся крайне затратными и порой не выполнимыми. Только с привлечением методов численного моделирования можно подойти к практическому решению поставленной задачи.
Использование классических инженерных подходов численного моделирования турбулентных течений на ранних этапах постановки численного расчета позволяет получить необходимый набор знаний об исследуемом объекте. Поэтапное усложнение математической модели всего процесса ведет к переходу от качественного представления исследуемого явления в область научного анализа фазовых переходов многокомпонентной структуры в вихревом потоке. Предлагаемы математические модели, такие как модель описания турбулентных потоков с использование Рейнольдсовых напряжений или метода моделирования отсоединенного вихря являются очень сложными. Использование данных моделей придает поставленной научный интерес. Добавление к моделируемым процессам эффектов фазового перехода и учета многокомпонентности протекающего потока поднимает научную новизну и практическую ценность полученных результатов на очень высокий уровень.
Так же необходимо отметить, что предложенный путь решения поставленной задачи с использованием методов численного моделирования, основанного на предложенных математических моделях турбулентного многокомпонентного потока, в котором учитывается фазовый переход, может быть скорректирован в процессе выполнения расчетов. Это связанно с тем, что в данной работе поставлена достаточно сложная математическая формулировка описания вихревых процессов, которая однозначно будет подвергаться изменению в ходе поэтапно получаемых результатов, позволяя тем самым оптимально выполнить поставленную задачу по проектированию водоподготовительных установок, использующих эффекты закрученных разреженных потоков.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
1. Описание областей применения планируемых результатов (области науки и техники, отрасли промышленности и социальной сферы, в которых могут использоваться результат или планируемая на их основе инновационная продукция).
Многоцелевые водоподготовительные установки будут обеспечивать создание унифицированных решений для организации очистки воды для различных производств и минимизацию давления на экологический фон. Многоцелевые водоподготовительные установки могут быть востребованы в технологических процессах водоподготовки не только энергетики и жилищно-коммунального хозяйства, но и в металлургической, химической и нефтехимической промышленности, а также пищевой промышленности и сельском хозяйстве.

2. Описание практического внедрения планируемых результатов или перспектив их использования.
Разработка научно-технического задела в области создания высокоэффективных многоцелевых водоподготовительных установок, позволяющих повысить энергоэффективность работы оборудования паровых и водогрейных котельных систем теплоснабжения промышленных предприятий и объектов жилищно-коммунального хозяйства.

3. Оценка или прогноз влияния планируемых результатов на развитие научно-технических и технологических направлений, разработку новых технических решений; на изменение структуры производства и потребления товаров и услуг в соответствующих секторах рынка и социальной сферы.
После окончания ПНИЭР планируется проведение дальнейших ОКР и технологической подготовки серийного производства многоцелевых водоподготовительных установок. Параллельно с проведением работ по постановке на производство, планируется участие в тендерах по реконструкции и строительству водоподготовительных станций. Объём спроса на оборудование для водоподготовки только в энергетическом комплексе России не менее 1100 шт. установок в год. Стоимость водоподготовительных установок, в зависимости от типа и производительности, колеблется от 3 до 36 млн. руб.

4. Оценка или прогноз влияния планируемых результатов на развитие исследований в рамках международного сотрудничества, развитие системы демонстрации и популяризации науки, обеспечение развития материально-технической и информационной инфраструктуры.
Планируется дальнейшее участие в различных выставках, семинарах и конференциях по энергетической тематике и водоподготовке для рекламы и продвижения многоцелевых водоподготовительных установок как в России, так и за рубежом.

Текущие результаты проекта:
1. Проведен аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы с обоснованием и выбором направления исследований и способов решения поставленных задач.
2. Проведены исследования существующих физических и технологических решений в области фазовых переходов многокомпонентной среды в вихревом потоке.
3. Проведены патентные исследования по ГОСТ Р 15.011 96 и подана заявка на оформление свидетельства о государственной регистрации программы для ЭВМ «Программа для расчёта центробежной форсунки с кипящей жидкостью "Форсунка"».
4. Разработаны модельные (тестовые) задачи для моделирования фазовых переходов многокомпонентной среды в вихревом потоке.
5. Разработана математическая модель фазовых переходов в вихревом потоке, с использованием разработанных модельных (тестовых) задач; обработаны и интерпретированы результаты моделирования с целью исследования чувствительности результатов к допущениям, сделанным при построении модели.
6. Разработаны технические требования на экспериментальные образцы (МВУ-1, МВУ-3, МВУ-10) многоцелевой водоподготовительной установки и испытательный стенд.
7. Разработан комплект эскизной КД на экспериментальные образцы МВУ и испытательный стенд.
8. Изготовлены экспериментальный образец МВУ и испытательный стенд.
9. Результаты исследований докладывались на 2-х международных конференциях "Prom ENGINEERING" и WCECS2015, по результатам которых опубликованы 2 статьи, индексируемые в базе данных Scopus и "Сеть науки".