авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

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


Pages:     | 1 ||

Моделирование и оптимизация процессов в термических деаэраторах

-- [ Страница 2 ] --

При дальнейшем упрощении из системы (2) может быть получена модель поверхностного теплообменного аппарата путем исключения как уравнений, описывающих деаэрацию, так и уравнений, описывающих массообмен. Полученная при этом система уравнений, отражающая переход тепловой энергии от горячего теплоносителя к холодному путем теплопередачи, записывается в виде:

,(15)

Матрица Bi после преобразований записывается как:

.

Результаты расчета переходных процессов для поверхностного теплообменного аппарата приводятся на рис. 6 в виде зависимости температуры воды на выходе при ступенчатом увеличении температуры воды на входе в установку с 20 до 40 оС.

Для исследования влияния уровня декомпозиции системы на характер переходных процессов в термическом деаэраторе проведен специальный численный эксперимент. Исследованные схемы декомпозиции струйной ступени деаэрации (рис. 1) приведены на рис. 7. На рис. 8 представлены зависимости концентрации газов в холодном теплоносителе на выходе из деаэратора от времени, полученные при данных расчетных схемах. Параметры теплоносителей, соответствующие установившемуся режиму работы деаэратора, сведены в табл. 1.

Таблица 1 Результаты расчета основных параметров теплоносителей при различных вариантах декомпозиции системы для установившегося режима

Вариант декомпозиции (по рис.7) Выходной параметр
G*1, кг/с G*2, кг/с Сg2, мкг/кг
а) 0,620 10,380 14,333
б) 0,620 10,380 14,113
в) 0,572 10,428 13,871
г) 0,572 10,428 13,586

Рис. 8. Изменение концентрации газов в воде на выходе из деаэратора от времени переходного процесса для различных вариантов декомпозиции системы (см. рис. 7)

При постоянных параметрах теплоносителей на входе, а также одинаковых значениях общей площади тепломассообмена характеристики теплоносителей на выходе из деаэратора незначительно отличаются при разных вариантах декомпозиции. Для качественной оценки процессов тепломассообмена достаточно использовать схему с одной или тремя ячейками. Отличительной особенностью расчета по данным схемам является его простота. Переходная матрица в этом случае имеет размер соответственно 6х6 или 18х18 элементов. Однако для более точного расчета процесса деаэрации необходимо использовать схему, представленную на рис. 7, г. Переходная матрица при этом имеет размер 54х54 элемента. При существенно отличной гидродинамической и тепловой обстановке в разных ячейках модель позволяет рассчитывать процесс в каждой ячейке при соответствующих значениях коэффициентов тепломассопереноса.

В третьей главе описана методика экспериментальных исследований, проведенных на струйно-барботажном деаэраторе атмосферного давления ДСА-300. Данный деаэратор входит в состав центральной водоподготовительной установки ОАО «Северсталь».

Деаэратор оборудован устройствами для отбора проб воды и пара. В состав параметров, замеры которых были проведены, входили расходы и температуры теплоносителей на входе и выходе деаэрационной установки, а также концентрация растворенного в воде кислорода. Расход выпара измерялся с использованием ультразвукового расходомера насыщенного пара. В процессе эксперимента использовались современные высокоточные приборы теплотехнического контроля, поверенные перед началом исследований. Исследования проведены методом активного эксперимента.

В рамках предложенного подхода (2) составлена расчетная схема и разработана математическая модель деаэратора ДСА-300. На рис. 9 приведены эскиз и расчетная схема деаэратора, в которой

  • область деаэрационной колонки под струеобразующей тарелкой представлена девятью ячейками (рис.7, г);
  • область деаэраторного бака над поверхностью воды, позволяющей моделировать подачу дополнительного пара, представлена одной ячейкой (рис.7, а);
  • область деаэраторного бака, в которой осуществляется барботаж, представлена также одной ячейкой (рис. 7, а).

Ячейки по ходу движения горячего теплоносителя по площади поверхности тепломассообмена отличаются между собой. Это обусловлено выбранным характером распределения по радиусу отверстий в струеобразующей тарелке, цилиндрической формой деаэраторной колонки и одинаковой шириной ячеек.

 Эскиз (а) и расчетная схема (б)-27
Рис. 9. Эскиз (а) и расчетная схема (б) деаэратора струйно-барботажного типа
 Сопоставление расчетной-28
Рис. 10. Сопоставление расчетной (сплошная линия) и экспериментальной (точки) зависимостей изменения концентрации газов в воде на выходе из деаэратора от времени при ступенчатом изменении расхода пара на барботаж

На рис.10 представлена зависимость концентрации газов в воде на выходе из деаэратора от времени при ступенчатом изменении расхода пара на барботаж. Временной шаг, найденный в ходе идентификации, составляет 9 с. Сопоставление расчетных и экспериментальных зависимостей свидетельствует об адекватном описании моделью реального процесса.

В четвертой главе представлены результаты практической апробации работы. Приводится алгоритм компьютерного метода расчета и порядок подготовки исходной информации необходимой для расчета поверхностных и смешивающих подогревателей и деаэраторов.

Показаны результаты исследования влияния конструктивных параметров на характер переходных процессов в деаэраторе струйно-барботажного типа. Получены зависимости изменения параметров переходного процесса при различном профилировании каналов для теплоносителей. Варианты профилирования каналов теплоносителей представлены на рис. 11. Зависимости выходных параметров от времени процесса приведены на рис. 12, 13, 14.

Анализ полученных зависимостей показывает, что на длительность переходного процесса и его амплитуду существенное влияние оказывает профиль канала холодного теплоносителя.

Профилирование канала движения горячего теплоносителя может обеспечиваться установкой дополнительных профилей и направляющих в расчетной области тепломассообмена вдоль направления движения холодного теплоносителя. В этом случае установка вставок не повлияет на параметры движения холодного теплоносителя, а изменение плотности их установки позволит формировать профиль канала для горячего теплоносителя. Профилирование канала холодного теплоносителя достигается изменением либо диаметра отверстий, либо их количества в тарелках деаэраторной колонки.

 Варианты профилей вероятностей-30
Рис. 11. Варианты профилей вероятностей переходов для пара (p1) и воды (p2) Рис. 12. Изменение концентрации газа в холодном теплоносителе на выходе из деаэратора при скачкообразном увеличении концентрации газа в холодном теплоносителе на входе в деаэратор с 1800 мкг/кг до 2700 мкг/кг. Цифровые обозначения соответствуют профилям рис. 11
jpg" alt=" Зависимость изменения расхода-31">
Рис. 13. Зависимость изменения расхода холодного теплоносителя и концентрации газов в нем на выходе из деаэратора при импульсном увеличении расхода холодного теплоносителя при: 1- p1=0,5 и p2=0,2; 2- p1=0,5 и p2=0,1; 3- p1=0,5 и p2=0,05 Рис. 14. Зависимость изменения расхода холодного теплоносителя и концентрации газов в нем на выходе из деаэратора при импульсном уменьшении расхода холодного теплоносителя при: 1-p1=0,5 и p2=0,2; 2- p1=0,5 и p2=0,1; 3- p1=0,5 и p2=0,05

На основе разработанной математической модели предложен подход к оптимальному управлению переходными процессами. На практике часто возникает необходимость перехода на новую нагрузку или производительность деаэрационной установки. Изменение производительности должно проводиться без технологических нарушений режимов. В качестве контролируемого параметра принимается концентрация кислорода в деаэрированной воде. Для поддержания концентрации в допустимом диапазоне при увеличении расхода в деаэратор холодного теплоносителя необходимо согласованно увеличить и расход подаваемого пара. Зависимости регулируемых расходов воды и пара от времени являются искомыми оптимизируемыми управлениями. В качестве целевой функции оптимального ведения режима рассматривается потеря пара с выпаром G1. Математическая формулировка задачи представляется в виде

,

где u(Cg2) – показывает ограничение по концентрации газа в деаэрированной воде, - искомые управления подачей пара и воды, которые необходимо обеспечить при изменении нагрузки установки.

Решение задачи представлено на рис. 15 в виде найденных зависимостей управления расходом пара при изменении нагрузки установки и соответствующих им откликов по выходным параметрам. Изменение расхода воды при этом представлено одной зависимостью, которая в ходе анализа не варьировалась. Экономия расхода пара при различных управлениях показана на рисунке закрашенными областями между соответствующими управлениями. Минимальные потери пара наблюдаются при управлении 4, однако этот вариант приводит к нарушению ограничения по концентрации газа в деаэрированной воде (Cg2*20 мкг/кг). Таким образом, оптимальным ведением переходного процесса, которое не приводит к нарушению требований по концентрации газа, является управление 3.

 Анализ влияния регулирующего-35
Рис. 15. Анализ влияния регулирующего воздействия на характер переходного процесса. Цифрами обозначены варианты управления расходом пара при изменении нагрузки установки и соответствующие им отклики по выходным параметрам. Площадь закрашенных областей между линиями показывает экономию пара при переходе с одного управления на другое

Внедрение системы оптимального управления выполнено на линии химводоочистки теплосилового цеха ОАО «Северсталь», что позволило обеспечить уменьшение тепловых потерь на 13 тыс. Гкал/год и затрат пара на водоприготовление на 1500 т/год.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

Наиболее существенные научные и практические результаты заключаются в следующем:

  1. Разработаны ячеечные модели стационарных и нестационарных процессов в поверхностных и смешивающих тепломассообменных аппаратах и деаэраторах, позволяющие согласовывать уровень декомпозиции системы с уровнем располагаемого эмпирического обеспечения модели.
  2. Проведены экспериментальные исследования процессов термической деаэрации воды в струйно-барботажном деаэраторе атмосферного давления типа ДСА-300. Получены экспериментальные зависимости технологических параметров от времени при ступенчатом изменении входных параметров, на основании которых проведена идентификация и верификация предложенной модели.
  3. С использованием разработанной модели выполнены численные эксперименты по исследованию влияния импульсных и ступенчатых возмущений технологических параметров на характер переходных процессов в тепломассообменных аппаратах для различных профилей каналов теплоносителей. Установлено, что на длительность переходного процесса и его амплитуду существенное влияние оказывает профиль канала холодного теплоносителя.
  4. На основе предложенной математической модели разработан алгоритм и метод компьютерного расчета стационарных и нестационарных процессов в поверхностных и смешивающих теплообменных аппаратах и термических деаэраторах.
  5. Предложенный метод расчета струйных деаэраторов использовался при разработке систем управления стационарными и нестационарными процессами, позволяющих обеспечить ведение технологических процессов в допустимых диапазонах изменения параметров при обеспечении минимальных потерь тепловой энергии и пара.
  6. Внедрение результатов работы на линии химводоочистки теплосилового цеха ОАО «Северсталь» позволило обеспечить уменьшение тепловых потерь на 13 тыс. Гкал/год и затрат пара на водоприготовление на 1500 т/год.

Основные публикации по теме диссертации

  1. Магдиев, Е.В. Исследование переходных процессов в струйных деаэраторах с использованием теории цепей Маркова [Текст] / Е.В. Магдиев, В.П. Жуков, Е.В. Барочкин, В.Е Мизонов // Изв. ВУЗов, «Химия и химическая технология». – 2008. – Т. 51. – № 7. – С. 83-86.
  2. Магдиев, Е.В. Структурно-параметрический синтез модели и системный анализ многоступенчатых деаэраторов [Текст] / Е.В. Барочкин, В.П. Жуков, В.Е. Мизонов, Е.В. Магдиев // «Химическая промышленность сегодня». – 2005. – Вып. 3. – С. 28–32.
  3. Магдиев, Е.В. Применение теории цепей Маркова к моделированию тепломассообмена в струйных деаэраторах [Текст] / Е.В. Барочкин, В.П. Жуков, Е.В. Магдиев, В.Е Мизонов // Изв. ВУЗов, «Химия и химическая технология».– 2007. – Т. 50. – № 10. – С. 99–101.
  4. Магдиев, Е.В. Применение теории цепей Маркова к моделированию процессов в теплообменных аппаратах [Текст] / Е.В. Магдиев, В.П. Жуков, Е.В. Барочкин // Материалы XIII Межд. науч. техн. конф. Бенардосовские чтения «Состояние и перспективы развития электротехнологии». – Иваново. – 2006. – С. 53 – 55.
  5. Магдиев, Е.В. Моделирование переходных процессов в теплообменных аппаратах смешивающего типа на основе цепей теории Маркова [Текст] / Е.В. Магдиев, В.П. Жуков, Е.В. Барочкин // Труды Междунар. науч. конф. «Теоретические основы создания оптимизации и управления энерго- ресурсосберегающие процессами и оборудованием». – Иваново. – 2007. – Т. 2. – С. 80–82.
  6. Магдиев, Е.В. Моделирование переходных процессов в теплообменных аппаратах с учетом фазового перехода [Текст] / Е.В. Магдиев, В.П. Жуков, Е.В. Барочкин. // Сборник трудов XX межд. конф. «Математические методы в технике и технологии ММТТ-20». – Ярославль. – 2007. – Т. 5. – С. 115–116.
  7. Zastosowanie acuchw Markowa w modelowaniu wspprdowego wymiennika ciepa / T. Wylecia, V.P. ukov, E.V. Magdiev, H. Otwinowski. // Nowe technologie i osignicia w metalurgii i inynierii materiaowej. – Czstochowa 2008. – P. 543 – 546.

Список условных обозначений: G – масса теплоносителя, кг; G* – расход теплоносителя, кг/с; Cg – концентрация газов в холодном теплоносителе, мкг/кг; t – температура теплоносителя, С; c – удельная теплоемкость, кДж/(кгК); r1 – удельная теплота парообразования, кДж/кг; F – площадь поверхности тепломассообмена, м2; k – коэффициент теплопередачи, Вт/(м2К); kg – коэффициент Генри; km – коэффициент массопереноса, кг/с м2, – шаг по времени, с. Индексы: 0 – характеризует входной параметр; 1-горячий, 2 – холодный теплоноситель.

МАГДИЕВ Евгений Валерьевич

МОДЕЛИРОВАНИЕ И ОПТИМИЗАЦИЯ

ПРОЦЕССОВ В ТЕРМИЧЕСКИХ ДЕАЭРАТОРАХ

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук.

Подписано в печать 08.04.2009. Формат 50Х84 1/16

Печать плоская. Усл. печ. л. 1,16.

Тираж 100 экз. Заказ № 169.

Отпечатано в УИУНЛ ИГЭУ.



Pages:     | 1 ||
 





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

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