Энергосбережение и инновационные технологии в топливно-энергетическом комплексе: материалы Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов, молодых ученых и специалистов, посвященной 50-летию создания Тюменского индустриального институ

по типу теплоносителя - использующие в качестве теплоносителя горячую воду и газообразные продукты сгорания топлива или нагретый воздух;

с теплоносителем, контактирующим со снегом, или бесконтактные, не имеющие непосредственного соприкосновения теплоносителя со снегом;

с собственным или внешним источником тепла - погруженными горелками, контактными водоподогревателями, а так же с газовыми,

угольными или дровяными топками, смонтированными вместе со снегоплавильной камерой или же тепло для плавления снега поступает от внешних источников, к которым подключена, например, стационарная снеготаялка;

с пассивным плавлением снега в снегоплавильной камере или

активным, с применением механического перемешивания, барботажа и струйных систем.

Все снеготаялки, работающие с применением вышеперечисленных конструктивных особенностей имеют различные производительности и к.п.д., а также иногда и существенные недостатки и многие из них уже являются достоянием истории и на практике не используются.

Для определения нужного количества теплоты необходимо произвести расчет теплового баланса.

Тепловой баланс, сопоставление прихода и расхода (полезно использованной и потерянной) теплоты в различных тепловых процессах. [1] В технике используется для анализа тепловых процессов, осуществляющихся в паровых котлах, печах, тепловых двигателях. Тепловой баланс составляется в единицах энергии (джоулях, калориях) или в % общего количества теплоты, приходящихся на единицу выпускаемой продукции, на 1 ч работы, на период времени (цикл) или на 1 кг израсходованного вещества.

Тепловой баланс рассчитывается на основе физических теплот (энтальпий), участвующих в процессе веществ, и теплот соответствующих химических реакций. Для сложных процессов (особенно в металлургии, химической технологии и т. д.) тепловой баланс предшествует построение материального баланса, т. е. сопоставление прихода и расхода масс веществ в этом процессе; при этом тепловой баланс установки часто получается как сумма тепловых балансов аппаратов, составляющих эту установку. Различают тепловые балансы расчѐтные и экспериментальные, составленные по данным тепловых испытаний.

Тепловой баланс выражается: в виде уравнения (в одной части которого суммируется приход теплоты, в другой - еѐ расход или потери).

[2]

Процесс снеготаяния можно разделить на 2 стадии – нагрев снега до 0 градусов и перевод снега в жидкое состояние

141

Зададимся некоторыми параметрами:

tсн = -15 0С - максимально низкая температура снега, поступающего в тепловой бункер.

p = 300 кг/м3 - средняя плотность снега;

с = 2,09 кДж/кгК - теплоѐмкость снега при его плотности 300 кг/м3. r = 330 кДж/кг - теплота плавления снега;

Количество теплоты, необходимое для нагрева снега до нуля градусов на площади в 1м2 без учѐта теплопотерь:

(1)

где δ - интенсивность поступления снега (м/час). tсн = -15 0С - температура снега (°C)

Например, для нагрева слоя снега 5 мм. от -15°C до 0°C потребуется

Q =2,09*300*0,005*(0-(-15))=47Вт/час Перевод снега в жидкое состояние:

(2)

где r = 330 кДж/кг. — скрытая теплота плавления снега; Например, для плавления 5 мм. снега:

Qm = 3303000,005 = 495 Вт/час на 1 м2.

Если принять «G» - средний за период таяния приток тепла (Дж/м2с), то полное время таяния «Т» (с) найдем по формуле при условии, что снег толщиной «δ» (м) распределѐн равномерно на поверхности нагрева площадью «S» (м2):

Т = [с р S δ (0- tсн) + (r δ S p)]/G	(3)
Следовательно, время таяния снега прямо	пропорционально его

первоначальной толщине, площади слоя и средней плотности и обратно пропорционально среднему притоку тепла за период таяния. Чем больше приток тепла к снежному слою, тем интенсивнее его плавление.

Согласно вышеописанному расчѐт сводится к нахождению двух тепловых потоков, Вт/м2с, от газа через стенку бункера к снегу.

Условно принимаем во внимание, что перенос теплоты от газа к стенке осуществляется конвекцией, а от стенки к снегу - теплопроводностью, т.к. конвективный теплообмен возможен только в текучей среде. [3]

Влияние воды, которая подаѐтся на снег через душевой коллектор, не представляется возможным определить точно. Но учитывая то, что у воды высокий коэффициент теплоотдачи зададимся тем предположением, по которому вода будет полностью отдавать своѐ тепло снегу. Тем самым создавая интенсифицирующее воздействие и увеличивая скорость таяния. При подаче в 100 л/ч. и t = 80 0C количество теплоты составит Q ≈ 15 кВт.

Существуют два способа модернизации снеготаяльных пунктов: Первый способ заключается в увеличении производительности

снеготаяльных пунктов за счет увеличения расхода топливноэнергетических ресурсов.

142

Второй способ заключается в увеличении времени растепления снежной массы путем использования более экономичных и экологичных способов растепления снежной массы.

Проанализировав эти методы можно сделать вывод, что второй метод подходит больше для территорий с небольшим количеством снежной массы.

Для определения оптимальных параметров растепления снежной массы необходимо проведение экспериментальных исследований по выявлению зависимости объема снежной массы от количества затрачиваемой тепловой энергии.

Литература

1. Основы теории тепловых процессов и машин. Часть II, Н.Е. Александров, А.И. Богданов, К.И. Костин и др. 2006 г., 571 стр.

2.Методические указания по составлению энергетических характеристик для систем транспорта тепловой энергии. СПО ОРГРЭС, 1999 г.

3.Динамика тепловых процессов - Киев: Наукова думка, 1980г.-133с.

ОПТИМАЛЬНЫЕ ВАРИАНТЫ АВТОНОМНОГО ПИТАНИЯ ТНУ

Латыпов И.Ю., Шевелева А.В.

г. Тюмень, ФГБОУ ВПО «Тюменский государственный нефтегазовый университет»

e-mail: [e-mail]

Одним из основных положений экологического аспекта стратегии устойчивого развития, принятой в Рио-де-Жанейро в 1992 г., является «постепенный переход от энергетики, основанной на сжигании органического топлива, к альтернативной энергетике, использующей возобновляемые источники энергии (солнце, подземное тепло, воду, ветер, энергию биомассы и т. д.), а также древесные отходы – опилки, стружка, сухая трава и т.д.

Т.о. В ближайшее время основными источниками энергии будут энергия солнца, низкопотенциальная энергия недр земли, в том числе грунтовых вод, а так же природный газ и отходы некоторых производств.

Внаши дни внедряется технология использования низкопотенциальной энергии грунтовых вод. Один из способов реализации данной технологии – использование теплонасосных установок (далее ТНУ). На данный момент питание ТНУ осуществляется на основе существующих электрических сетей. В данной статье рассматривается возможность использования ТНУ на удалѐнных от магистральных сетей объектах.

Всоответствии с вышеизложенным, выделим два направления ис-

143

следования автономного питания ТНУ основанного на использовании возобновляемых источников энергии. Первое направление - это использование энергии солнца, а второе – использование горючего топлива, где приоритетом будут пользоваться древесные отходы.

Рассмотрим подробнее.

Использование солнечной энергии. Это направление реализуется посредством использования групп фотоэлементов (солнечных панелей). К сожалению, данный метод неприменим в условиях северных широт РФ, по причине короткого светового дня. В таких условиях эффективность солнечных батарей резко снижается.

Другой же путь, путь сжигания древесных отходов более универсален, т.к. позволяет применять его в различных регионах России. Преобразование осуществляется на внешней поверхности любой обогревательной печи, или другой разогретой поверхности. На этой поверхности закрепляются так называемые термоэлементы, техническое исполнение которых – разное.

Первый вариант: полупроводниковые термоэлементы. Полупроводниковые термоэлементы рассчитаны на работу на поверхности разогретой до 150-200 ºC. Наиболее выгодная разность температур холодной и горячей стороны термоэлемента ~110 ºC. Выпускаются промышленно, стоимость одного термоэлемента около 1500р. Номинальная мощность одного элемента 10 Вт. Из чего можно сделать вывод, что 1 Вт электроэнергии энергии обойдѐтся в 150р. Главный недостаток этого варианта в том, что поверхность не должна быть разогрета свыше 200 ºC (у обыкновенной железной печи температура поверхности достигает 600-700 ºC).

Второй вариант: использование термопары хромель-алюмель, которые работают при температуре 900-1000 ºC. При разности температур в 1000 ºC, вырабатывает термоЭДС около 0,04 В. Килограмм материала в среднем стоит около 2000р. При проведении расчѐтов выяснилось, что 1 Вт электроэнергии будет стоить около 3р. Так же при использовании термопар холодный конец термоэлемента можно охлаждать жидкостью (водой), которую в последствии можно использовать для хозяйственных нужд.

Топливом могут служить различные виды отходов древесного производства: опилки, стружка, щепа; а также сухая трава. Сейчас развивается направление преобразования опилок в топливные гранулы – пеллеты. Топливные гранулы - биотопливо, получаемое из торфа, древесных отходов и отходов сельского хозяйства. Представляет собой цилиндрические гранулы стандартного размера. Это экологически чистый продукт долгого горения с высокой теплоотдачей, после сгорания которого остаѐтся небольшое количество золы. Примерная цена данного вида топлива - 4500р за 1т пеллет.

Таким образом, в данной статье мы рассмотрели несколько вариан-

144

тов автономного питания для ТНУ, основанных на использовании альтернативных источников выработки электроэнергии.

Литература 1.Энергоэффективность и энергосбережение// Ресурсосбережение и

энергоэффективность на строительном форуме. – Тюмень. [Элек-

тронный ресурс]. URL: http://building-forum.ru/energosberezhenie/

2.Термопарная проволока// METAPROM.RU.- Челябинск. [Электрон-

ный ресурс]. URL: http://www.metaprom.ru/metal427176.html

3.Пеллеты// ООО СанТермо.- Екатеринбург. [Электронный ресурс].

URL: http://briketts.ru/product/pelletyi-i-toplivnyie-granulyi

РАЗРАБОТКА КОМПЛЕКСА СНЕГОУБОРОЧНЫХ МАШИН

Мерданов Ш.М., Конев В.В., Петелина Н.В.

г. Тюмень, ФГБОУ ВПО «Тюменский государственный нефтегазовый университет»

e-mail: [e-mail]

Анализ городских дорожных условий передвижения транспортных средств показал, что в зимний период одной из основных причин снижения интенсивности движения и образования пробок на дорогах является выпавший снег, а также препятствие самой снегоуборочной техники при работе. Это снижает безопасность на дорогах для водителей транспортных средств и пешеходов. А также ведет к материальным и временным затратам. В результате анализа снегоуборочных машин, рабочих органов и схем выполнения работ определено, что с целью повышения качества уборки снега с дрог и тротуаров, в зимний период, необходим определенный комплекс снегоуборочных машин для различных городских условий (интенсивность движения транспортных средств, препятствия на дорогах (бордюры, осветительные мачты) ширина дороги и тротуаров, дальности транспортирования убранного снега).

Вгородских условиях при уборке снега машинами с дорог и тротуаров возникают препятствия (бордюры, осветительные мачты). При уборке снега с дорог и тротуаров, находящихся на разном уровне по высоте чаще всего используется несколько машин или одна машина, осуществляющая уборку снега в несколько проходов, а также ручной труд. Это снижает качество уборки снега и производительность снегоуборочных машин и ведет

кснижению пропускной способности транспортных средств на дорогах - пробкам.

Всоответствие с этим, анализ схем уборки снега показывает, что не реализуются схемы уборки снега одной машиной с дорог и тротуаров:

145

-когда очищена только средняя часть, и необходимо очистить боковые стороны дороги в один проход машины;

-когда необходимо очистить от снега дорогу и прилегающий бордюр (тротуар), расположенные на разном уровне по высоте;

-когда ширина убираемой от снега поверхности (тротуара) незначительно больше ширины отвала снегоуборочной машины.

Так как существующие отвалы недостаточно решают указанную проблему, для реализации указанных схем необходимы новые конструкции отвалов. При проведении снегоуборочных работ используется различный комплекс машин (бульдозеры, шнекороторные машины, снегопогрузчики, самосвалы). Эти машина различны по производительности, мобильности, размерам. Необходимо формирование этих машин в комплекс - организованно и непрерывно действующий механизм.

Цель - повысить эффективность уборки снега в городских условиях путем оптимизации комплекса снегоуборочных машин и разработки адаптивных рабочих органов.

Качество уборки снега с дорог и тротуаров в городских условиях можно повысить за счет правильности выбора, расстановки комплекса снегоуборочной техники с привязкой к дальности транспортирования снега самосвалами. Для этого необходимо комплекс снегоуборочных машин увязать в систему.

В соответствие с этим необходимо определить зависимости влияния (задача оптимизации) вида и количества снегоуборочных машин, категории дорог, интенсивности движения, количества выпавшего снега на время уборки снега. Повышение эффективности уборки снега также достигается исследованием и разработкой адаптивных отвалов снегоуборочных машин

кгородским условиям.

Анализ предшествующих исследований показал следующие тенденции развития отвалов снегоуборочных машин: увеличение размеров, разделение отвала на элементы [4], использование открылок (уширителей) [8], использование дополнительных отвалов [3,6], повышение подвижности отвала [5], применение устройств, интенсифицирующих рабочий процесс

[1,2,7].

Практическая ценность состоит в разработке рекомендаций и алгоритма формирования комплекса снегоуборочных машин для различных городских условий, а также адаптивных рабочих органов снегоуборочных машин.

Литература

1.Баловнев В. И. /Модернизирование процессов взаимодействия со средой рабочих органов дорожно-строительных машин:Учебное пособие для студентов вузов.-М.:Высш. Школа, 1981-335с., «Машино-

строение», 1981.-223 с.

146

2.Недорезов И.А. «Интенсификация рабочих процессов землеройнотранспортных машин. Учебное пособие. М.:1979-50 с.

3.А.С. 724646 1980 г. Бульдозер / Е.А. Харац, Л.С. Гринберг.

4.А.С. 1550044 1989 г. Бульдозер с секционным отвалом / Е.А. Харац, Н.Н. Карнаухов.

5.Пат. 2085663 1997 г. Бульдозер с перекидным отвалом / Е.А. Харац, С.Н. Въяльцин.

6.Пат/ 2270288.2006 г. Двухотвальный плуг для очистки дорожных покрытий / Ш.М. Мерданов и др.

7.Пат. 2394125 2010 г. Отвал снегоуборочной машины / Ш.М. Мерданов и др.

8.Пат. 2465393 2011 г. Отвал для уборки снега / В.В. Конев.

СПОСОБЫ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА В УСТАНОВКАХ ДЛЯ РАТЕПЛЕНИЯ СНЕГА

Мерданов Ш.М., Мадьяров Т.М., Костырченко В.А., Спиричев М.Ю. г. Тюмень, ФГБОУ ВПО «Тюменский государственный нефтегазовый университет» e-mail: [e-mail]

Желание экономить энергию и материалы, а также учѐт экономических обстоятельств привели к усилиям, направленным на разработку более эффективного теплообменного оборудования. Обычно задачей термогидравлического анализа является уменьшение размеров теплообменной системы, требуемого для обеспечения заданного теплового режима, увеличение мощности существующих теплообменников и уменьшение мощности, затрачиваемой на прокачку теплоносителей. Улучшение характеристик теплообмена называют улучшением, повышением или интенсификацией теплоотдачи. Вообще говоря, всѐ это означает увеличение коэффициента теплоотдачи. Попытки повысить обычные коэффициенты теплоотдачи регистрировались в течение более 100 лет, и в этой области накоплена большая информация.

Передача тепла в любой среде выполняется тремя основными способами:

-теплопроводностью от нагретых областей к холодным без перемещения вещества;

-конвекцией, или перемещением тепла вместе с веществом в порах

среды;

-излучением (СВЧ - энергия, инфракрасное излучение). [1]

В сплошных непрозрачных твердых телах тепло передается только первым способом, а в пористом и прозрачном снеге - всеми тремя. Кроме того, при нагревании или охлаждении снега в его толще происходят

147

фазовые переходы, причем нагревание сопровождается испарением или таянием, а охлаждение, наоборот, замерзанием или конденсацией с выделением скрытой теплоты фазовых переходов.

Картина теплопередачи в снеге очень сложна и еще не исследована в полной мере. При опытных оценках теплопроводности и других теплофизических свойств снега обычно используют модель снега как

сплошной непрозрачной однородной среды и применяют уравнение Фурье:

QT = - (dT/dN),

(1)

где QT - поток тепла (Вт/м2); Т - температура; dN - расстояние, отсчитываемое по направлению передачи тепла (м); λ - коэффициент теплопроводности (Вт/м*К).

Чем меньше коэффициент теплопроводности λ, тем лучше теплоизоляционные свойства тела.

Низкая теплопроводность снега объясняется обилием в нем сложных и мелких воздушных пор. Чем больше плотность снега, тем выше его теплопроводность, так как частицы льда проводят тепло почти в 100 раз интенсивнее, чем воздушные промежутки между ними. Более подробно об этом сказано в главе о основных физических свойствах снега.

Методы интенсификации можно подразделить на пассивные, которые не требуют прямых затрат энергии, и активные, которые требуют затрат энергии извне. Эффективность обоих способов сильно зависит от характера теплообмена, который может изменяться от свободноконвективного в однофазной среде до дисперсно-плѐночного режима кипения.

За исключением широко распространѐнного способа, основанного на применении развитых поверхностей, пассивные методы мало что могут дать для интенсификации теплообмена при свободной конвекции. Это связано с тем, что скорости в таких процессах слишком низки, чтобы вызывать отрыв потока или вторичные течения. Выпущенный обзор по ограниченному числу данных для свободной конвекции воздуха, воды и масла, полученных на поверхностях, выполненных промышленными методами, или на поверхностях с искусственно нанесѐнной шероховатостью, приводит к выводу, что увеличение коэффициентов теплоотдачи вплоть до 100 % можно получить только для воздуха, но для жидкостей рост коэффициентов теплоотдачи очень невелик.

Использование теплообмена в результате использования механических средств является стандартным методом в химической и пищевой промышленности, где применяются вязкие жидкости. Данные по этим процессам и методы конструирования широко используются для нагреваемых цилиндров, вращающихся вокруг своей оси в объѐме неподвижной среды. [2]

148

Теплота фазовых переходов снега — наиболее легко определяемая термическая характеристика, поскольку такие составляющие, как водяной пар и воздух, могут не приниматься в расчет. Эти характеристики зависят от плотности снега и термических характеристик льда. Температурная зависимость удельной теплоемкости, предложенная Дорсеем, имеет вид:

С =2,115+0,00779Т,

(2)

где С—удельная теплоемкость (кДж/(кг °С)), Т—температура (°С). Теплопроводность снега — более сложная по сравнению с удельной

теплотой характеристика, поскольку ее значение зависит от плотности, температуры и микроструктуры снега. Теплопроводность льда обратно пропорциональна температуре и меняется приблизительно на 0,17% на 1°С. Подобной зависимости следует ожидать и в случае снега. Градиент температуры может способствовать переносу пара и последующей реализации теплоты испарения, тем самым оказывая влияние на теплопроводность.

Скорость расчистки покрытий от снега и льда в значительной степени определяется плотностью, толщиной и однородностью слоев снега и льда. Плотность рыхлого свежевыпавшего снега обычно составляет 40 - 112 кг/м, а плотность льда - 918 кг/м. Следовательно, плотность снежного слоя на дорожном покрытии может меняться в широких пределах в зависимости от степени уплотнения.

Плотность свежевыпавшего снега зависит главным образом от температуры воздуха во время снегопада. В работе предполагается, что плотность экспоненциально возрастает с повышением температуры и описывается следующим выражением:

р = 16,018 ехр (1,907 + 0.0835Т),	(3)
где р - средняя плотность свежевыпавшего	снега (кг/м3),
Т - температура (°С). [3]

Физические свойства снега, который не удаляется с полотна дороги, быстро изменяются в зависимости от климатических условий, типа осадков и интенсивности дорожного движения.

Толщина ледяного слоя на дорожном покрытии также может меняться в широких пределах. Очень тонкие едва видимые пленки могут образоваться в результате прямого выпадения на поверхность переохлажденных атмосферных осадков или в процессе замерзания тонкой жидкой пленки, появляющейся под действием давления шин на кристаллы снега и льда. Толстые ледяные корки формируются в результате замерзания дождя, талого снега, отлагающегося на полотне дороги, и талой воды.

149

Все перечисленные условия необходимо учитывать при прогнозировании весенних паводков на основе расчета скорости снеготаяния.

Литература

1. Основы теории тепловых процессов и машин. Часть II, Н.Е. Александров, А.И. Богданов, К.И. Костин и др. 2006 г., 571 стр.

2.Динамика тепловых процессов - Киев: Наукова думка, 1980г.-133с.

3.Методические указания по составлению энергетических характеристик для систем транспорта тепловой энергии. СПО ОРГРЭС, 1999 г.

АКУСТИЧЕСКОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ НА НЕФТЯНОЕ СЫРЬЕ

Набиуллин Н. Н., Солодова Н. Л., Фахрутдинов Р. З., Гиззатуллин Э. А.

г. Казань, ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технологический университет»

e-mail: [e-mail]

Углубление переработки нефти и повышение качества получаемых нефтепродуктов является важнейшей проблемой, стоящей в настоящее время перед нефтеперерабатывающей промышленностью. Актуальность углубления переработки нефти все более возрастает в связи со снижением прироста ее добычи, увеличением затрат на добычу и транспортировку. В связи с этим особое значение приобретают исследования, направленные на разработку высокоэффективных методов интенсификации нефтехимических процессов и оптимального выбора нефтеперерабатывающей аппаратуры.

В последнее время появились новые разработки, позволяющие перерабатывать нефть с большей эффективностью. Эти разработки связаны с использованием акустических воздействий на нефть, представляющую собой сложную дисперсную систему.

Источниками акустических колебаний могут быть устройства, в которых реализуются различные способы генерации этих колебаний в жидкотекучих средах:

•статические акустические излучатели, вибраторы типа УЗДН (ультразвуковой диспергатор низкочастотный);

•струйные (могут быть вихревые) излучатели, в которых с помощью различных устройств кинетическая энергия движущейся жидкотекучей обрабатываемой среды преобразуется в акустические колебания самой среды [4];

150