Модернизация теплотехнического оборудования на основе методов математического моделирования тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.18, доктор технических наук Федяев, Владимир Леонидович

• Федяев, Владимир Леонидович
• доктор технических наук
• 2001

Оглавление диссертации доктор технических наук Федяев, Владимир Леонидович

Введение.

РАЗДЕЛ I

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, МОДЕЛИ, МЕТОДЫ

Глава 1. Объекты исследования

§1. Волновые насосы.

§2. Градирни.

§3. Теплообменники.

§4. Электродуговые печи (ЭДП).

§5. Общее описание технологических установок.

Глава 2. Основные математические модели

§1. Движение газообразных и жидких сред. Фильтрация.

§2. Физико-механические процессы в конденсированных средах.

§3. Механическое взаимодействие и поверхностный теплообмен сред

Глава 3. Методы решения

§ 1. Метод анализа размерностей.

§2. Аналитические решения.

§3. Метод конечных элементов (МКЭ).

РАЗДЕЛ II

АНАЛИЗ РАБОТЫ И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ВОЛНОВЫХ НАСОСОВ

Глава 4. Силы и потоки при волнообразных колебаниях тел в жидкости

§1. Экспериментальные исследования.

§2. Обзор теоретических результатов.

§3. Общая формулировка задачи.

Глава 5. Расчет характеристик волновых насосов в приближении идеальной жидкости

§ 1. Постановка задачи.

§2. Применение МКЭ для расчета потоков в областях с подвижными границами.

§3. Результаты решения задач и анализ полученных данных.

§4. Сравнение теоретических и экспериментальных результатов

Глава 6. Учет вязкости жидкости

§1. Постановка задачи о движении вязкой жидкости в канале с колеблющимися стенками.

§2. Матричные соотношения МКЭ.

§3. Результаты расчета потоков вязкой жидкости вблизи волнообразно деформируемых поверхностей

РАЗДЕЛ III МОДЕРНИЗАЦИЯ ГРАДИРЕН

Глава 7. Охлаждение оборотной воды в градирнях

§1. Основные тенденции совершенствования градирен.

§2. Методика оценки эффективности работы градирен.

§3. Устройство градирен СК

Глава 8. Математические модели и расчетные схемы процессов тепломассообмена в градирнях

§1. Моделирование аэродинамических потоков.

§2. Расчет процессов тепломассообмена в оросителях.

§3. Полет и охлаждение капель воды в градирнях.

§4. Оценка параметров воздуха во входной камере градирни.

§5. Моделирование полета и осаждения капель в каплеуловителях

Глава 9. Модернизация охлаждающих устройств градирен СК

§1. Оценка эффективности работы градирен СК-1200 с разными системами охлаждения воды.

§2. Модернизация систем распределения и разбрызгивания воды

§3. Улучшение конструкции оросителей, оптимизация их формы

§4. Интенсификация тепломассообмена, применение воздухонаправляющих щитов.

§5. Комбинированные системы охлаждения оборотной воды.

Глава 10. Новые конструкции каплеуловителей и систем конденсации паров воды

§ 1. Каплеуловители.

§2. Расчет полета и осаждения капель воды, совершенствование каплеуловителей

§3. Устройства для конденсации паров воды в градирнях.

Глава 11. Усовершенствование вентиляторной установки градирни СК

§1. Устройство крупногабаритных лопастей вентустановок градирен

§2. Модернизация каркаса лопасти вентилятора градирни СК-

§3. Новые конструкции крупногабаритных лопастей и крыльчаток вентиляторов градирен.

Глава 12. Модернизация металлического корпуса и системы охлаждения воды градирни СК

§ 1. Многовентиляторная градирня.

§2. Реконструкция вентиляторной градирни в башенную.

§3. Гибридная градирня.

РАЗДЕЛ IV РЕКОНСТРУКЦИЯ ТЕПЛООБМЕННИКОВ

Глава 13. Анализ работы теплообменных аппаратов, характерные отказы оборудования

§1. Особенности конструкции закалочно-испарительного аппарата (ЗИА) фирмы "Борзиг", других теплообменников. Отказы при их эксплуатации

§2. Определение теплофизических характеристик газовых потоков

§3. Оценка тепловых потоков в входной камере.

§4. Распределение температур газа и стенки трубки по ее длине

§5. Нагрев мостиков трубной доски.

§6. Расчет напряженно-деформированного состояния основных элементов теплообменников.

Глава 14. Перераспределение газовых потоков во входных камерах

§1. Структура газовых потоков во входных камерах.

§2. Основные способы выравнивания потоков газа.

§3. Установка рассекателя во входной камере ЗИА "Борзиг".

Глава 15. Непосредственная защита трубных досок

§1. Установка защитных экранов.

§2. Футерование трубных досок.

§3. Эмалирование.

§4. Нанесение металлических покрытий.

Глава 16. Интенсификация движения охлаждающей жидкости

§1. Модернизация конструкции ЗИА.

§2. Замена областей действия газовой и жидкой сред в конденсаторе

РАЗДЕЛ V

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ АСУ ТП ПЛАВКИ В ЭЛЕКТРОДУГОВЫХ ПЕЧАХ

Глава 17. Плавка металла в ЭДП

§ 1. Технология плавки в дуговых печах.

§2. Автоматизация процессов плавки.

§3. Алгоритмы управления плавкой.

Глава 18. Математическое описание процессов, протекающих при плавке в ЭДП

§ 1. Модели и расчет электрических цепей ЭДП.

§2. Математические модели плавки в электродуговых печах.

§3. Расчет основных характеристик плавки.

§4. Упрощенная модель плавки.

Глава 19. Применение математических моделей в системах управления ЭДП

§1. Поддержание оптимальных электрических режимов плавки.

§2. Влияние управлений электрической цепью на излучение дуг

§3. Оптимальное управление плавкой.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Модернизация теплотехнического оборудования на основе методов математического моделирования»

Одна из важных проблем многих производств - проблема реконструкции , модернизации технологического оборудования. Особенно актуальна она в настоящее время в связи с необходимостью повышения эффективности установок, экономии дорогостоящих материалов и энергии, а также из-за ужесточения требований к надежности и безопасности конструкций, защите окружающей среды.

Названная проблема носит комплексный характер, общий подход к ее решению состоит в следующем. Первоначально рассматривается работа оборудования, выявляются его недостатки, возможные причины отказов, обращается внимание на особенности протекающих при этом технологических процессов. При необходимости и, если позволяют условия, проводятся дополнительные замеры, натурные либо лабораторные эксперименты.

Полученный таким образом материал обрабатывается и используется далее при конструировании соответствующих расчетных схем и математических моделей. Важно, чтобы схемы и модели были бы, с одной стороны, адекватны исследуемым объектам и процессам, с другой стороны, по возможности, простыми и наглядными.

Математическое моделирование, вычислительные эксперименты позволяют уточнить влияние тех или иных факторов на работу оборудования, спрогнозировать его поведение при изменении условий эксплуатации, оценить эффективность предложений по модернизации. Более того, с помощью математических моделей могут быть оптимизированы отдельные параметры конструкций, выбраны наиболее рациональные варианты. Поэтому разработка новых и уточнение имеющихся модулей, методов решения соответствующих задач весьма актуальна.

При выполнении настоящей работы необходимо было развить на основе методов математического моделирования и вычислительного эксперимента принципы модернизации теплотехнического оборудования. Осуществить анализ работы волновых насосов, градирен, теплообменников и электродуговых печей. Сконструировать новые, либо уточнить имеющиеся математические модели, описывающие протекающие в данных системах гидрогазодинамические, тепловые и другие процессы; развить методы численного решения уравнений движения жидкости в областях с подвижными границами. Разработать предложения по совершенствованию названных выше технических систем.

В результате предложены новые математические модели прокачивания жидких сред волновыми насосами; движения паровоздушной смеси в градирнях и охлаждения воды в них; улавливания капель в водоуловите-лях; поведения паровоздушной смеси в трубках конденсаторов; проплавле-ния колодцев, расплавления шихты и движения расплава в электродуговых печах. Для решения части из этих задач разработан на базе МКЭ новый подход интегрирования уравнений движения жидкости в областях с подвижными границами, в том числе, с меняющейся со временем связностью.

Представлены также новые технические решения: устройства волновых насосов; охлаждения оборотной воды с помощью комбинированной системы; конструкций форсунок для разбрызгивания воды; блоков оросителей, пароуловителей; лопастей и крыльчаток вентиляторов градирен; защиты трубных досок закалочно-испарительных аппаратов и котлов-утилизаторов; совершенствования математического обеспечения АСУ ТП плавки электродуговых печей.

Большая часть из названных предложений реализована на производстве, что подтверждается соответствующими справками и актами внедрения.

Общий подход, приведенные в диссертации расчетные схемы, модели и методы могут быть использованы в практике проектных организаций при создании новых, либо совершенствовании имеющихся технических систем, аналогичных рассмотренным в работе.

Исследования, результатом которых является настоящая работа, проводились при выполнении госбюджетных тем ИММ КНЦ РАН "Разработка вопросов математического моделирования и управления технологическими процессами (номер гос. per. 01.86.0121347), "Разработка вопросов математического моделирования процессов тепломассообмена и совершенствования технологического оборудования" ( номер гос. per. 01.9.60000592), а также хозяйственных договоров с ЛВВМИОЛУ им. Ф.Э. Дзержинского (г. С.-Петербург), НПО "Волга" (г. Казань), ПО "Елаз" (г. Елабуга), ОАО "Нижнекамскнефтехим", с предприятиями "Полимерхолодтехника", "Вент", "СТЭПП" (г. Нижнекамск).

Достоверность данных результатов обеспечивается тем, что они основаны на общих фундаментальных законах и уравнениях физики. При получении их применялись строгие математические методы, численные алгоритмы и программы тестировались. В частных, либо предельных случаях найденные решения согласуются с имеющимися в литературе результатами, а также с экспериментальными данными.

Основные результаты, полученные в диссертации, докладывались на следующих съездах, конференциях, школах, симпозиумах и семинарах:

- IV Всесоюзный съезд по теоретической и прикладной механике (г. Киев, 1976);

- Республиканская конференция "Механика сплошных сред" (г. Набережные Челны, 1982);

- Конференция молодых ученых КФТИ КФАН СССР (г. Казань, 1984, 1986);

- IX Международная конференция по нелинейным колебаниям (г. Киев, 1984);

- I Всесоюзный симпозиум "Нелинейная теория тонкостенных конструкций и биомеханика" (г. Кутаиси, 1985);

- II Всесоюзная конференция "Лаврентьевские чтения по математике, механике и физике" (г. Киев, 1985);

- Всесоюзная школа "Гидродинамика больших скоростей" (г. Чебоксары, 1986);

- VII Дальневосточная конференция по мягким оболочкам (г. Владивосток, 1987);

- II Республиканская научно-техническая конференция "Механика машиностроения" (г. Брежнев, 1987);

- Семинар "Эффективные технологические процессы и оборудование для восстановления и упрочнения деталей машин" (г. Пенза, 1991);

- VII Всесоюзный съезд по теоретической и прикладной механике (г. Москва, 1991);

- Int. conference on Advanced and laser techn. ALT - 92 (Moscow, 1992);

- Int. conference ENERGEX - 93 (Seoul, Korea, 1993);

- XII Международная школа "Модели сплошной среды" (г. Казань, 1993);

- Int. conference on Electr. furnace (Nashvill, USA, 1994);

- Республиканская конференция "Надежность металлов ответственных элементов оборудования ТЭС" (г. Казань, 1994);

- IV Int. conference Lavrentyev Readings on mat., tech., physics (Kazan, 1995);

- Ежегодный Международный конгресс "Новые высокие технологие для газовой, нефтяной промышленности, энергетики и связи" CITOGIC-98 (г. КазаньД 998);

- VII Международная конференция по энергосбережению при модернизации градирен (г. Нижнекамск, 1999);

- Всероссийская научная конференция "Краевые задачи и их приложения" (г. Казань, 1999);

- Школа-семинар "Проблемы тепломассообмена и гидродинамики в энергомашиностроении" (г. Казань, 1999);

- Итоговые научные конференции Казанского научного центра РАН (1983-2000);

Казанского государственного университета (1992-1996), Казанского филиала МЭИ (ТУ) (1993-1996), Казанской сельхозакадемии (1993-1995);

- Научные семинары Института механики и машиностроения К HI \ РАН, руководимые чл.-корр. РАН М.А. Ильгамовым.

По теме диссертации опубликовано 42 работы, в том числе 1 препринт, 30 статей и докладов, 8 тезисов, получено 2 патента РФ и 1 свиде тельство на полезную модель.

В первом разделе диссертации описываются объекты исследования: волновые насосы, градирни, кожухотрубные теплообменники, электродуговые печи (ЭДП); отмечается общее в их устройстве и работе. Приводятся основные математические модели движения жидких и газообразных сред, деформирования твердых тел; соотношения, характеризующие механическое взаимодействие и тепломассообмен при их контакте. Называются методы решения типичных краевых задач.

Во втором разделе рассматривается работа волновых насосов двух видов. В первом из них волнообразно деформируются стенки рабочей полости насоса, во втором продвижение жидкости обеспечивается поршнем, колеблющимся в виде бегущей волны. При отыскании характеристик этих насосов предварительно полагается, что жидкость идеальна, а течение ее потенциально. При решении соответствующих краевых задач в областях с подвижными границами предлагается несколько подходов, базирующихся на методе конечных элементов. Приводятся многочисленные результаты расчетов, часть из них сравнивается с экспериментальными данными. Далее учитываются эффекты вязкости жидкости. Отмечается ряд особенностей потоков вязкой жидкости вблизи волнообразно колеблющихся границ, выявленных в ходе численных экспериментов. На основе их анализа представляются рекомендации по улучшению конструкций насосов.

Третий раздел посвящен вопросам модернизации градирен. В производственных условиях на ОАО "Нижнекамскнефтехим" рассматривается работа градирен СК-1200 с деревянным (исходным), полиэтиленовым (модернизированным) оросителями и с эжекционной системой охлаждения оборотной воды. Анализ результатов замеров, расчетов основных характеристик, проведенных на основе соответствующих математических моделей и методик, позволил выявить определенные недостатки в работе этих градирен. Для их устранения предлагаются новые системы распределения воды, форсунки, конструкции блоков оросителей; оптимизируется толщина слоя оросителя. С целью интенсификации процессов тепломассообмена в градирнях рекомендуется установка воздухонаправляющих щитов, замена традиционных оросительных систем на комбинированные, сочетающие в себе оросительный и брызгательный способы охлаждения воды. Эффективность названных предложений подтверждается данными расчетов и натурных экспериментов.

Следующая важная проблема модернизации градирен - снижение выбросов воды в атмосферу. С помощью методов математического моделирования, численных экспериментов подбирается форма пластин каплеуло-вителей, обеспечивающая высокий к.п.д. их работы при широком диапазоне изменения режимных параметров. Представляются также устройства не изменения режимных параметров. Представляются также устройства для конденсации части паров воды в холодное время года.

Как известно, эксплуатация вентиляторных установок градирен сопряжена с большими трудностями. В данном разделе предлагаются новые конструкции лопастей, крыльчаток вентилятора с улучшенными прочностными характеристиками. В заключение приводится несколько вариантов модернизации корпуса и в целом системы охлаждения воды в градирне СК-1200, позволяющие значительно уменьшить затраты, связанные с использованием вентустановок, дающие в ряде случаев возможность реконструкции исходной вентиляторной градирни в башенную.

В четвертом разделе анализируется работа закалочно-испарительных аппаратов (ЗИА), котлов-утилизаторов и конденсаторов. Определяются те-плофизические характеристики рабочих сред, рассчитывается температура и НДС наиболее нагруженных элементов. В результате выявляются основные причины отказов этих теплообменников, предлагаются технические решения по их устранению, которые состоят в изменении структуры газовых потоков во входных камерах, обеспечении непосредственной защиты трубных досок (футерование, эмалирование, нанесение металлических покрытий), интенсификации движения охлаждающей жидкости. Целесообразность применения большинства данных предложений обосновывается расчетным путем.

В начале пятого раздела приводятся сведения об особенностях технологии плавки в электродуговых печах (ЭДП), системах автоматического управления этими процессами. Обсуждаются критерии оптимального управления и алгоритмы их реализации. Далее предлагается математическое описание процессов, протекающих при плавке, включающее в себя модели электрических цепей ЭДП, теплового поведения электродов и стенок печи, расплавления шихты, движения и нагрева печного газа, жидкого металла, а также совокупность моделей и зависимостей, носящих вспомогательный характер. Соответствующие задачи решаются как аналитически, так и численно, с помощью метода конечных элементов. Приводятся примеры использования полученных результатов, предложенных математических моделей в системах управления ЭДП. В частности, при диагностике электрических цепей, симметрировании их, оптимальном регулировании электрическими режимами и управлении плавкой.

В заключении представляются основные результаты и выводы, намечаются перспективные направления дальнейших исследований. В приложении приводятся справки, акты внедрения.

Большая часть результатов диссертации получена в лаборатории моделирования технологических процессов ИММ КНЦ РАН, поэтому тема ее тесно связана с тематикой, разрабатываемой этим коллективом. Автору в данной работе принадлежат выбор объектов исследования, постановка за

11 дач, разработка отдельных методов решения, получение аналитических оценок и части численных результатов, анализ и обсуждение их, а также предложения по модернизации рассматриваемого теплотехнического оборудования.

Заключение диссертации по теме «Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ», Федяев, Владимир Леонидович

ЗАКЛЮЧЕНИЕ о реализации результатов научно-исследовательской работы

Гидюодинамика волновых насосов.

Научно-исследовательская работа

Плоские волновые насосы."реальная жидкость", (стчет $ I) номер, условное словесное наименование и название техы) по теме Н И Р "Анкер".

17 квартал 1984 года, шолненная срок окончания работы) ализована Ч Г^л? Ч 7. р "A^et" MQ HCHP^P^u эыводы где. когда, какие результаты использованы и з анализа результатов расчетов,что подтверждается актсм о закрытии wl * 'Работа выполнена на ву.секом теоретическом реализация, заключение заказчика о выпсинснми работк) уровне и с высоким качеством. пись заказчика

АЛЬН'ЛК' НИРИО qZAT^ £ О

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ j ?

МОКРО.З Б. И.

ЗЛРВАРЙН С.З.

050 C7.C7.S0 г. Тип. ВМИУ 3»к. 490

4оъ

УТЗЕРКЛАЮ" аместитель начальника училища по К 7 Р i3 "" v:*-'i

Villi: tv/e? —)К.К.БАЛЕНКО ." /•' • / V gy 1985г." г Ленинград

ОТЗЫВ семинара научно-исследовательской лаборатории на отчет 5 I по Н И Р "Анкер" Казанского физико-технического института Казанского филиала АН v/wi •

Научный руководитель НИР "Анкер" - проф.М.А.Кльгамов. Исполнители - м.н.с,к.ф-м.н. З.А.Федяев,ст.инженер М.З.Талдккин.иня.Б. А,Снигерев,инж.3.Н.Калмыков;

Н И Р "Анкер" проводится в К*ТИ KS АН СССР по ТЗ В0МИ0Л7 им.Ф.З.Дзержинского со II кз.1923 г.

Семинар научно-исследовательсксп лаборатории ознакомился с содержанием отчета № I по НИ Р "Анкер", заолуллв сообщение к.ф-м.н. Федяева 3.А. л выступления 'д.т.t».Бараева Л.И.к.т.н.Варварина С.В.,к.т.н.КлЕченкова В.А., к.т.п. Суркова 3.А. I

Семинар отмечает,что изложенные в отчете - климатическая постановка задачи расчета гидродинамических хагеитеркстик по условиям ТЗ, методы решения задач гидромеханики течений идеальной ' жидкости з каналах,содержащих тела с подвижными . . границами,

- результаты расчета нестационарных течений идеальной' жидкости при указанных условиях отвечают условием Тс i и выполнены с высоким качеством.

В отчете содержатся:

- обзор литературы по методам численного решения нестационарных задач гидромеханики, '

- обоснование математической формулировки задач течения жидкости в каналах с де*ормирус1цимися границами,.

- разработка трех способов расчета течений идеальней жидкости применительно к условиям ТЗ,причем подходы к расчетам базируются на методе конечных элементов (сетка считается Эйлеровой,неподвижной в пространстве),

- расчеты и анализ поведения идеальной жидкости при различных законах подвижных границ.

Научное значение представленной в отчете работы, заключается в развитии методов к алгоритмов расчета нестационарных плоских течений идеальной несжимаемой жидкости в областях сложной ?ормы,содержащих тела с подвижными границами.

Практическая ценность полученных результатов состоит в возможности использовать методы и алгоритмы при производстве расчетов с целью оценки эффективности образцов новой техники. РУКОВОДИТЕЛЬ СЕМИН'АРА * • > I • X.т.н.,с.н.с. 1

J \ ^ '' ' 7 С.З.ЗЛРЗЛ?ИН об использовании результатов НИР

Модернизация систем охлаждения оборотной воды градирен СК-1200м.

В рзультате проведения НИР сотрудниками ИММ КЩ РАН Федяевым В. Л. , Мазо А. Б. , Снигеревым Б. А. , Хабибуллиной В. И. совместно со специалистами Ар "НКНХ" проведен анализ комбинированной системы, позволяющей экономить материалы, охлаждать оборотную воду до необходимых температур как в брызгальном режиме, так и при установке решеток оросителя.

Система реализована на заводе СК АО "НКНХ" при реконструкции градирни В5. В ходе натурных испытаний показана ее высокая эффективность.

Справка дана для представления -в Совет по защите диссертации. to чихлэнгэн ж.азгплылык ширкате ирищество с ограниченной ответственностью

ВЕНТ" №

СПРАВКА об использовании результатов НИР "Расчет и модернизация инерционных каплеуловителей".

На основе анализа результатов вычислительных зксперимен-эв, выполненных Федяевым В. Л. и Моренко И. В. , разработана но-ая конструкция каплеуловителя. Для изготовления ее требуется риблизительно на 25% меньше материалов чем для исходной. При гом эффективность работы не уменьшается.

В соответствии с представленными предложениями на предприятии "Вент" начато производство данных каплеуловителей.

Справка дана для представления в Совет по защите диссер■ щии.

СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫЙ ТРЕСТ ЭКОЛОГО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ И

ПРОЕКТОВ

АКТ ВНЕДРЕНИЯ

Сотрудниками Института механики и машиностроения ККЦ РАИ Федяеаым В.Л., Морен ко И.В., Хабибуллиной В.и. разработаны и оптимизированы на основе, созданных ими математических моделей блоки каплеуловителей и оросителей для градирен. Предприятие "СТЭП" организовало производство данных блоков, использовало их при капремонте градирен ОАО " Я и ж н е к а м с к н е ф т е х и м". ио