Определения

В настоящем отчете о НИР применяют следующие термины с соответствующими определениями.

Расход – объем воды ,протекающий в единицу времени сквозь поперечное сечение отверстия насадка ,трубопровода ,сопла ,измеряемый в м³/с, дм³/с и м³/ч.

Подача –отношение объема подаваемой воды центробежным насосом ко времени ,измеряемая в м³/с, дм³/с и м³/ч.

Напор насоса - избыточное давление ,создаваемое насосом ,измеряемое в метрах водяного столба ,определяется зависимостью Н_р=Р_изб/ γ , где Р_изб - избыточное давление насоса ,Па;

γ- удельный вес воды, Н/м³; Н_р - напор, м. вод.ст.

Напор вакуумный –давление ниже атмосферного (разряжение), создаваемое эжектором от скорости движения воды, подаваемой насосом через активное и пассивное сопла, измеряемый в м. водяного столба и определяемый зависимостью Н_вак = (Ра- Рэ)/ γ , где Ра- атмосферное давление , Па; Р_э-давление на выходе из активного сопла или на входе в пассивное сопло, Па; Н_вак –вакуумный напор, м; γ- удельный вес воды, Н/м³.

Скорость- путь, пройденный частицами воды, воздуха или смеси через рассматриваемое проходное сечение насадка, трубопровода, сопла и т.д. за единицу времени, измеряемая в м/с.

Мощность и энергия полезные – мощность и энергия, полезно используемая в тепловом модуле для нагрева воды, измеряемые соответственно в Вт, кВт и кВт.ч.

Мощность и энергия затраченные - мощность и энергия, потребляемые тепловым модулем для нагрева воды, измеряемые соответственно в Вт, кВт и кВт.ч.

Коэффициент полезного действия –отношение полезной мощности или энергии к затраченной мощности или энергии.

Плотность- отношение массы вещества к его объему, например воды, воздуха, смеси, измеряемая в кг/м³, г/см ³.

Удельный вес-отношение веса вещества к его объему, например, воды, воздуха, смеси, измеряемая в Н/м³.

Параметр-величина, характеризующая какое-либо основное свойство процесса, явления или системы, машины, устройства (например, подача, расход, напор, диаметр сопла, мощность, энергия вакуум).

Конструкция –устройство, взаимное расположение частей, состав какого-либо строения, механизма и т.п. (например, эжектора).

Струйный тепловой модуль- техническое средство для нагрева воды, теплоснабжения автономных объектов и технологических процессов (очистки запыленного воздуха, создания вакуума).

Эжектор –устройство для нагнетания (отсасывания ) жидкости ,воздуха и газожидкостной смеси, действие которого основано на увеличении нагнетаемой (отсасываемой )жидкости ,воздуха или газо-жидкостной смеси или создания вакуума за счет использования кинетической энергии рабочей среды.

Обозначения и сокращения

Q-подача центробежного насоса, эжектора на отсасывание воздуха, расход воды в трубопроводах и соплах и количество теплоты, полученной при нагреве воды в тепловом модуле ,м³/с и кал, ккал;

Н- напор центробежного насоса и вакуумный напор, создаваемый эжектором, м.вод.ст;

Р- избыточное давление внутри трубопроводов, полостей и т.д., Па, кПа, МПа;

h- глубина нагреваемой воды в емкости теплового модуля, потери напора, м;

υ – скорость движения воды, воздуха и смеси в насадках, трубопроводах и соплах, м/с;

m- масса нагреваемой воды, кг;

G-вес нагреваемой воды, пара газовой смеси, Н;

V- объем нагреваемой воды, газосмеси, дм³(л), м ³;

γ- удельный вес воды, воздуха и смеси, Н/м³ ;

p – плотность (объемный вес) воды, воздуха и смеси, кг/м³

β – объемное соотношение фаз в смеси;

ξ - коэффициент местных сопротивлений ;

λ - коэффициент трения воды в трубопроводах;

ώ - угловая скорость вращения двигателя, насоса, жидкости, сˉ¹;

F- площадь сечения проходных отверстий ,м² ;

L, ℓ—длина трубопровода, смесительной камеры эжектора ,м;

R.r- радиус геометрический , кавитационных полостей, вихря ,м;

D.d –диаметр отверстий насадков, труб, сопел и круглого профиля деталей , м;

f – частота колебаний, работа расширения ;

A – амплитуда колебаний, Гц, кГц;

C –удельная теплоемкость, кКал/кг. град;

T – температура нагреваемой воды, воздуха ,ºС ;

Т, t- время работы теплового модуля ,протекающего процесса, ч, с ;

M- крутящий момент ,число Маха ;

P – мощность полезная и затрачиваемая теплового модуля ,Вт ,кВт ;

W- энергия полезная и затрачиваемая теплового модуля, кВт·ч ;

η- коэффициент полезного действия насоса, теплового модуля ;

СНГ – Союз независимых государств ;

РК – республика Казахстан ;

ГНУ ВИЭСХ - Государственное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства ;

КазНАУ –Казахский национальный аграрный университет ;

КамчатГТУ – Камчатский государственный технический университет ;

АПК –агропромышленный комплекс ;

ДВС – двигатель внутреннего сгорания ;

КПД –коэффициент полезного действия .

ВВЕДЕНИЕ

Основание выполнения НИР по прикладным исследованиям. Научно-исследовательская работа по прикладным исследованиям за 2013-2015годы выполнялась по бюджетной программе 055 «Научная и/или научно-техническая деятельность», подпрограмме 101 «Грантовое финансирование научных исследований», специфике 156 «Оплата консалтинговых услуг и исследований», по приоритету: «Энергетика», по подприоритету: «Возобновляемые источники энергии» Комитета науки Министерства образования Республики Казахстан по теме «Обоснование энергосберегающей технологии гидронагрева воды и разработка струйного теплового модуля для автономного теплоснабжения, очистки воздуха и технологических процессов на объектах АПК».

Выполненная научно-исследовательская работа была изложена в следующих промежуточных отчётах по этапам:

1) Обоснование энергосберегающей технологии гидронагрева воды и разработка струйного теплового модуля для автономного теплоснабжения, очистки воздуха и технологических процессов на объектах АПК: Отчёт о НИР (промежуточный) КазНАУ за 2013г. по этапу1: Обосновать энергосберегающую технологию нагрева воды и очистки воздуха для автономного теплоснабжения объектов и технологических процессов в АПК. № госрегистрации 0113РК00485. [ 1].

2) Обоснование энергосберегающей технологии гидронагрева воды и разработка струйного теплового модуля для автономного теплоснабжения, очистки воздуха и технологических процессов на объектах АПК: Отчёт о НИР (промежуточный) КазНАУ за 2014г. по этапу 2: Разработать новый струйный тепловой модуль для автономного теплоснабжения, очистки воздуха и технологических процессов на объектах АПК. № госрегистрации 0113РК00485. [ 2 ].

Актуальность. Правительством РК, в соответствии с Указом Президента Республики Казахстан Н.А.Назарбаева, поставлена задача о развитии сельского хозяйства и решении проблем водоснабжения, электроснабжения, благоустройства, внедрения ресурсосберегающих технологий, разработка эффективных энергоустановок, использующих возобновляемые источники энергии и снижения темпов ухудшения окружающей среды [3] .

Работа направлена на повышение эффективности автономного теплоснабжения объектов и технологических процессов в АПК и улучшении экологии окружающего воздуха.

Существующие технологии и оборудование теплоснабжения, в том числе автономное: на топливной энергетике имеют большие капвложения, значительные эксплуатационные расходы и потери тепла (до 80 %) и ухудшают экологию окружающей среды; на электрической - имеют большие затраты энергии, что сказывается на снижении конкурентоспособности выпускаемой продукции, т.е. существует проблема повышения эффективности автономного теплоснабжения, которую рационально осуществить новой предлагаемой в работе технологией теплоснабжения с использованием для гидронагрева воды теплового струйного модуля, устраняющего недостатки аналогов. На этом основании предлагаемые исследования являются актуальными, вполне реализуемые и практически значимыми [4-12].

Используемая методология в выполняемой работе будет заключаться в проведении аналитических, теоретических и экспериментальных исследований по принятому направлению, а также в выполнении проектно- инженерных и технико-экономических расчетов и внедрении разработки на объектах АПК.

Цель работы. Обосновать энергосберегающую технологию гидронагрева воды и разработать струйный тепловой модуль для автономного теплоснабжения, очистки воздуха и технологических процессов на объектах АПК, обеспечивающего снижение энергозатрат на 30-50 % и повышение качества окружающего воздуха.

Задачи работы:

1) Обосновать энергосберегающую технологию нагрева воды и очистки воздуха для автономного теплоснабжения объектов и технологических процессов в АПК.

Задача выполнена на основании проведения обзора работ, патентных исследований и выполненных проработок исполнителями темы.

Ожидаемые результаты по задаче - обоснована технологическая схема гидронагрева воды и даны теоретические основы предложенной технологии.

2) Разработать новый струйный тепловой модуль для автономного теплоснабжения, очистки воздуха и технологических процессов на объектах АПК.

Задача выполнена на основании разработки конструктивно-технологической схемы струйного теплового модуля и обоснованных технологических и технических параметров.

Ожидаемые результаты по задаче - разработаны техническое задание, рабочая документация, изготовлен лабораторный образец струйного теплового модуля и проведены его испытания с положительными результатами.

3) Провести проверку энергосберегающей технологии нагрева воды и очистки воздуха с использованием разработанного струйного теплового модуля, определить технико-экономическую эффективность и дать рекомендации по использованию.

Задача выполнена на основании разработки технического задания и документации на опытный образец струйного теплового модуля, его изготовления и испытания в лабораторных и хозяйственных условиях.

Ожидаемый результат по задаче - проверена технология по результатам испытаний опытного образца струйного теплового модуля СТМ-60 в лабораторных и хозяйственных условиях, определена технико-экономическая эффективность выполненной работы и разработаны рекомендации по реализации разработки и внедрению струйного теплового модуля.

Ожидаемые конечные результаты. Будет обоснована инновационная энергосберегающая технология теплоснабжения и разработан опытный образец струйного теплового модуля с положительными результатами испытаний (снижением энергозатрат на 30-50 %) и внедрением на одном из объектов АПК РК. Рекомендации по реализации разработки.

Научная новизна и значимость темы. Существует несколько технологий нагрева жидкости (воды) для теплоснабжения промышленных и сельскохозяйственных объектов, в том числе автономных, которые подразделяются на три направления: теплоснабжение на основе сжигания газа, твёрдого и жидкого топлива; использование электрической энергии; альтернативные тепловые модули (теплогенераторы), которые отдают энергию в виде тепла больше, чем забирают из энергосети за счёт изменения динамического состояния самой жидкости и окружающего воздуха [4,5,6,7].

Недостатки первого направления - большие капвложения, эксплуатационные затраты и потери тепла, ухудшает экологию окружающей среды.

Недостатки второго направления - большие затраты электрической энергии и большая удельная стоимость тепловой энергии, превышают аналогичные показатели первого направления в 1,5-2 раза.

Недостатки третьего направления - разработка находится в стадии экспериментальных образцов и на рынках сбыта отсутствует.

Предлагаемая работа по используемой технологии и техническим средствам относится к третьему направлению - разработка альтернативных тепловых модулей (теплогенераторов), а в качестве прототипа могут быть приняты разработки второго направления - электродные нагреватели (котлы).

Разработчиками второго направления являются: ГНУ ВИЭСХ (Россия), РГП «НПЦ механизация сельского хозяйства» (Казахстан), АО «Дельсат» и др.[7,8,9,10].

По проблеме, на решение которой направлена работа, т.е. по третьему направлению, проводятся работы в Техническом университете (г.Тверь, Россия), в РКК «Энергия» (Россия). Однако, предлагаемое техническое решение в виде струйного теплового модуля по технологии нагрева воды существенно отличается от аналогов, имеет научную и техническую новизну и при проведении прикладных исследований может быть успешно реализовано для автономного теплоснабжения, а также может быть использовано для очистки загрязнённого воздуха от запылённости, твёрдых частиц и запахов и утилизации тепла в отработанных воздушных смесях.

В КазНАУ по предварительным исследованиям разработан экспериментальный образец струйного теплового модуля. Модуль состоит из центробежного насоса, эжектора с соединительной арматурой и ёмкости, заполненной нагреваемой водой. Нижняя часть ёмкости соединена со всасывающим патрубком насоса, а верхняя часть - через эжектор с нагнетательным патрубком насоса, образуя замкнутую открытую циркуляционную систему движения воды при работающем насосе [1,11,12].

Предварительные исследования показали, что предполагаемая альтернативная технология нагрева воды по сравнению с электродными водонагревателями (котлами) снижает энергозатраты на 30-50 % [11].

Научная новизна технологии теплоснабжения, предложенной в работе, заключается в том, что нагрев воды происходит за счёт выделения тепла от трения движущихся с разной скоростью струйных потоков воды и воздуха, создаваемых эжектором при технологическом процессе вакуумирования. Техническая реализация технологии нагрева жидкости (воды) очень проста и безопасна. Центробежным насосом осуществляется циркуляция определённого объёма воды по замкнутому открытому контуру через струйный аппарат (эжектор), в котором за счёт вакуума засасывается струйный поток воздуха из окружающей среды, который вместе с водой поступает в водовоздушную ёмкость, а затем очищенный воздух отделяется от воды, выходит в помещение или вновь используется по замкнутому кругу.

Таким образом, научная новизна разработки будет заключаться: в обосновании эффективной энергосберегающей технологии гидронагрева воды, в разработке принципиально новой схемы струйного теплового модуля, в теории малоизученных процессов: технологического, по гидронагреву воды и очистке окружающего воздуха и обоснованию технологических и технических параметров теплового модуля.

Конструкция струйного теплового модуля обладает технической новизной, применяемое в нем техническое решение защищено авторским коллективом предпатентом КZ № 17788 [13] и патентом №29678 «Струйный тепловой модуль» [14], зарегистрированный в Государственном реестре изобретений Республики Казахстан от 24.02.2015 г., патентообладателем которого является КазНАУ, а авторами - основные разработчики проекта.

Работоспособность предлагаемого технического решения подтверждена результатами исследований экспериментальной установки [1,2,11].

Практическая значимость разработки будет заключаться в создании опытного образца теплового модуля с положительными результатами испытаний, в рекомендациях его внедрения на объектах АПК РК и в последующем разработки необходимых типоразмеров опытных образцов для внедрения в системе АПК РК и возможно в странах СНГ.

Объектом и предметом исследования являются:

- энергосберегающая технология гидронагрева воды с использованием струйного теплового модуля для автономного теплоснабжения, очистки воздуха и технологических процессов на объектах АПК;

- технологический и гидродинамический процессы, протекающие в струйном тепловом модуле .

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

1 Обоснование энергосберегающей технологии нагрева воды и очистки воздуха для автономного теплоснабжения объектов и технологических процессов в АПК. Методика и патентные исследования по разработке струйного теплового модуля для нагрева воды

1. Обоснование энергосберегающей технологии нагрева воды для теплоснабжения объектов и технологических процессов в АПК

В настоящее время технологии нагрева воды для теплоснабжения объектов и технологических процессов сельскохозяйственных и других потребителей АПК, как в Республике Казахстан, так и в странах СНГ и дальнего зарубежья осуществляют по двум конкурирующим технологиям [4,5,15,16,17]:

- традиционной технологии теплоснабжения с использованием для нагрева воды традиционных источников энергии (топливной и электрической);

- энергосберегающей (альтернативной) технологии теплоснабжения с использованием для нагрева воды возобновляемых (нетрадиционных) источников энергии (термальных вод, насыщенных паров, горячих отработанных газовых смесей ,солнечной).

Структурная схема технологии нагрева воды для теплоснабжения объектов и технологических процессов сельскохозяйственных и других потребителей АПК дана на рисунке 1.1.

Из рисунка 1.1 видно, что технология нагрева воды для теплоснабжения объектов и технологических процессов отражает тип используемой технологии и соответствующий источник энергии для нагрева воды .

Каждая используемая технология нагрева воды для теплоснабжения объектов и технологических процессов имеет свои преимущества и недостатки.

Традиционная технология нагрева воды.

Преимущества – технология нагрева воды для теплоснабжения объектов и технологических процессов отработана и оборудование имеется на внутреннем и внешнем рынках.

Недостатки – технология нагрева воды для теплоснабжения объектов и технологических процессов не является экологически чистой, так как происходит сброс в атмосферу отработанных газов от работы оборудования; необходим расход топлива; большие эксплуатационные затраты, вызванные эксплуатацией оборудования.

* ИЭ – источник энергии

Рисунок 1.1 - Структурная схема технологии нагрева воды для теплоснабжения объектов и технологических процессов

Энергосберегающая технология нагрева воды для теплоснабжения объектов и технологических процессов.

Преимущества – технология нагрева воды для теплоснабжения объектов и технологических процессов является экологически чистой и энергосберегающей, так как для нагрева воды используются естественные возобновляемые источники энергии или потребляемая электрическая энергия теплогенераторами значительно ниже отдаваемой при нагреве вод; низкие эксплуатационные затраты, вызванные не постоянным присутствием обслуживающего персонала, а лишь сервисным обслуживанием оборудования, и отсутствием эксплуатационных затрат на используемые естественные источники энергии.

Недостатки- технология нагрева воды для теплоснабжения объектов и технологических процессов не достаточно отработана и оборудование в настоящее время не имеется на рынках сбыта.

Из сравнительной оценки двух технологий нагрева воды для теплоснабжения объектов и технологических процессов традиционной и энергосберегающей, преимущество энергосберегающей технологии очевидное: она экологически чистая, экономит дорогостоящее топливо и снижает эксплуатационные издержки в 1,5-2 раза. Тот недостаток, которым обладает энергосберегающая технология, автоматически устраняется при положительной реализации проекта. На этом основании обоснованно принимается для последующих исследований энергосберегающая технология нагрева воды для теплоснабжения объектов и технологических процессов.

1.2 Составление программы и методики работ на 2013-2015 годы

1.2.1 Этап работ, ожидаемый результат и программа работ на 2013 год

1.2.1.1 Этап работ

Обосновать энергосберегающую технологию нагрева воды и очистки воздуха для автономного теплоснабжения объектов и технологических процессов в АПК.

1.2.1.2 Ожидаемые результаты

Обоснованная технологическая схема и теоретические основы новой технологии нагрева воды.

1.2.1.3 Программа работ на 2013 год

1.2.1.3.1 Составление программы и методики работ на 2013г.

1.2.1.3.2 Обзор работ и патентные исследования по технологии нагрева воды и техническим решениям струйных тепловых модулей.

1.2.1.3.3 Обоснование технологической схемы энергосберегающей технологии нагрева воды с использованием энергии от трения и кавитации двухпоточного движения воды и воздуха.

1.2.1.3.4 Разработка теоретических основ новой технологии нагрева воды.

1.2.1.3.5 Составление промежуточного отчёта.

1.2.2 Этап работ, ожидаемый результат и программа работ на 2014 год

1.2.2.1 Этап работ

Разработать новый струйный тепловой модуль для автономного теплоснабжения, очистки воздуха и технологических процессов на объектах АПК.

1.2.2.2 Ожидаемые результаты

Будут разработаны техническое задание и рабочая документация, изготовлен лабораторный образец теплового модуля и проведены его испытания с положительными результатами.

1.2.2.3 Программа работ на 2014год

1.2.2.3.1 Составление программы и методики работ на 2014г.

1.2.2.3.2 Обоснование основных технологических параметров теплового модуля (мощность, напор, расход воды, КПД) и технических основных его узлов.

1.2.2.3.3 Подготовка технического задания на лабораторный образец теплового модуля.

1.2.2.3.4 Разработка рабочей документации на лабораторный образец струйного теплового модуля и его изготовление.

1. 2.2.3.5 Проведение испытаний теплового модуля и доработка конструкции.

1.2.2.3.6 Составление промежуточного отчёта.

1.2.3 Этап работ, ожидаемый результат и программа работ на 2015 год

1.2.3.1 Этап работ

Провести проверку энергосберегающей технологии нагрева воды и очистки воздуха с использованием разработанного струйного теплового модуля, определить технико-экономическую эффективность и дать рекомендации по использованию.

1.2.3.2 Ожидаемые результаты

Будут разработаны техническое задание и рабочая документация, изготовлен опытный образец теплового модуля, проведены его испытания и проверка технологии нагрева воды для автономного теплоснабжения в хозяйственных условиях. Определена технико-экономическая эффективность Проекта и выданы рекомендации по его использованию.

1.2.3.3 Программа работ на 2015год

1.2.3.3.1 Составление программы и методики работ на 2015г.

1.2.3.3.2 Разработка технического задания на опытный образец струйного теплового модуля.

1.2.3.3.3 Разработка документации на опытный образец струйного теплового модуля.

1.2.3.3.4 Изготовление опытного образца струйного теплового модуля.

1.2.3.3.5 Проверка технологии нагрева воды для автономного теплоснабжения в хозяйственных условиях.

1.2.3.3.6 Определение технико-экономической эффективности Проекта и выдача рекомендаций по его использованию.

1.2.3.3.7 Составление заключительного отчёта.

1.2.4 Методика выполнения запланированных работ по разработке струйного теплового модуля.

Методика выполнения запланированных работ обосновывалась и разрабатывалась по каждому разделу с учётом существующих методик [18,119,20] и собственных на основании проектных предложений по теме, нормативных указаний по НИР в научно-исследовательских учреждениях, программа и методика которых по каждому этапу утверждалась проректором по научной работе КазНАУ: по этапам 1 и 2 даны в промежуточных отчётах [1,2], а по этапу 3 даны в Приложении А.

Основные положения методики выполнения запланированных работ изложены ниже при описании результата НИР по разделам.

Заключительный отчёт составлялся по ГОСТ 7.32-2001 [21] в соответствии с календарным планом на 2015 год.

1.3 Обзор работ и патентные исследования по энергосберегающим технологиям и техническим средствам нагрева воды

1.3.1 Методика проведения обзора работ и патентных исследований

Обзор работ и патентные исследования по данному направлению работы были проведены в соответствии с ГОСТ Р15.01-96 [22] и РД 07-07-02.1-86 [23] по основным ведущим странам: СНГ (Россия, Казахстан, Украина и др.), США, Великобритания, Германия и Япония, которые в полном объёме даны в промежуточном отчёте за 2013г. [1].

Дан анализ выявленных технических решений, близких к разрабатываемой технологии нагрева воды и техническим решениям струйных тепловых модулей, определены аналоги, выявлены новые технические решения и приняты некоторые из них для выполнения запланированных работ и составления заявки на предполагаемое изобретение (патент) КZ): «Струйный тепловой модуль».