1. Получена теплогидродинамическая эффективность интенсифицированного теплообменника типа «труба в трубе» в системе предварительного подогрева субстрата биогазовой установки. Получены результаты численных исследований теплообмена в интенсифицированных теплообменниках типа «труба в трубе» системы предварительного подогрева органических отходов с высокой концентрацией сухого вещества (субстрат — вода) на основе новой математической модели. Интенсификация теплообмена в аппарате достигнута совмещением кольцевой накатки с кольцевым проволочным оребрением на наружной поверхности внутренней трубы. Исследования проводились для каналов, геометрические параметры которых менялись в диапазонах:

Рис.1. Теплогидродинамическая эффективность  интенсифицированного теплообменника с различными геометрическими размерами: 1 – = 0,16; =0,07; =4; =1,75; 2 – =0,16; =0,07; =2; =0,88; 3 –= 0,24; =0,07; =2; =0,88; 4 – =0,32; =0,07; =2; =0,88; 5 –= 0,16; =0,07; =0,8; =0,35

  • Исследованы процессы сжигания твердых бытовых отходов и образования токсичных компонентов в высокотемпературной установке. Разработана математическая модель сжигания твердых бытовых отходов и образования токсичных компонентов в высокотемпературной установке. Разработанная модель учитывает турбулентный характер движения многофазных сред и отличается от существующих моделей тем, что основана на SST (Shear Stress Transport) модели турбулентности. Модель позволяет получить распределения температурных, гидродинамических и концентрационных полей, а также полей лучистых потоков для режимных параметров работы установки и, таким образом, проследить процесс образования токсичных компонентов в дымовых газах при сжигании твердых бытовых отходов и минимизировать их влияние на окружающую среду.
  1. Разработана система гидравлического перемешивания в метантенке. Предложена модифицированная система гидравлического перемешивания в метантенке биогазовой установки, состоящая из четырех циркуляционных контуров, представляющих собой трубы с центробежным насосом. Максимальный эффект от использования модифицированной системы перемешивания наблюдается для метантенков с соотношением высоты к радиусу аппарата H/R=1.

Рис. 2. Метантенк с модифицированной системой гидравлического перемешивания

  1. Разработаны принципыопределения, анализа и снижения энергозатрат на обслуживание объектов коммунальной энергетики, и затрат основных энергоресурсов, связанных с транспортировкой теплоносителя. Удельные энергетические затраты, определяющие эффективность транспортировки теплоносителя, определяются путем суммирования объема потребления каждого вида ресурса за определенный промежуток времени, в данном случае природного газа и электроэнергии, с учетом стоимостных коэффициентов каждого из них и отнесения суммы к полезно распределенной и потребленной тепловой энергии.

Рис. 3. Зависимость затрат на участке тепловой сети от величины расхода теплоносителя при различных коэффициентах соотношения тарифов

Рис. 4. Значение коэффициента соотношения тарифов на электрическую и тепловую энергию по годам

  1. Получены зависимости основных затрат энергоресурсов в тепловой сети и определения стоимости распределения тепловой энергии по трубопроводной системе тепловой сети. При определении оптимальных параметров системы теплоснабжения учитаны значения тарифов на энергоресурсы и, с учетом этого, определены резервы и издержки для их экономии. Соответственно максимальная экономия энергоресурсов зависит не только от их сэкономленного количества, но и от цены. При введении в зависимости определения оптимальных диаметров участков тепловой сети и расходов теплоносителя коэффициента соотношения тарифов добавлены некоторое условие перераспределения долей затрат той или иной энергии в зависимости от их установленных тарифов. Результаты от проведения расчетов по минимизации удельных затрат позволили повысить энергетический КПД тепловой сети от действующей котельной г.Казани на 6,9%.

Рис. 5. Зависимость удельных затрат на участке тепловой сети от величины расхода теплоносителя

Рис. 6. Зависимость удельных затрат на участке тепловой сети с постоянным расходом теплоносителя от диаметра трубопровода

  1. Проведена оценка тепловой эффективности процесса анаэробной ферментации органических ТБО при термофильном и мезофильном режимах в зависимости от объема метантенка. .Наибольшая тепловая эффективность при термофильном режиме брожения характерна для объема 250 м3 (η≈38,5%) в летний период и для объема 50 м3 (η≈37,5%) в зимний. Наибольшая тепловая эффективность при мезофильном режиме характерна для объема 500 м3 (η≈38,5%) в летний период и для объема 50 м3 (η≈37,5%) в зимний. Расчетный выход биогаза в термофильном режиме составил 11,95 МДж/сут, в мезофильном – 5,3 МДж/сут. Оценен потенциал вторичных энергоресурсов, образующихся при ферментации.
  1. Проведены теоретические исследования по определению элементного состава и компонентов битума. С энергетической точки зрения выявлено три основных компонента – асфальтены, масла и смолы. Масла снижают твердость и температуру размягчения битумов, увеличивая их текучесть и испаряемость. Смолы являются носителями твердости, пластичности и растяжимости битумов. Асфальтены рассматриваются как продукт уплотнения смол. На основании выявленной структуры основных компонентов битума были проведены теоретические исследования по определению термодинамических характеристик битумов с использованием метода расчета термодинамических функций модельных со­единений по аддитивной методике. Получены зависимости теплоемкости, энтальпии и энтропии основных компонентов битума в широких диапазонах температуры.

Рис. 7. Основные компоненты битума

  1. Разработаны технические характеристики модернизированной системы гидравлического перемешивания в метантенке.. Максимальный эффект достигается при соотношении высоты к диаметру метантенка H/D = 0,7÷1. Предложенная система перемешивания обеспечивает снижение времени в 2 раза по сравнению с типовой системой гидравлического перемешивания, затрачиваемого для достижения заданного качества перемешивания, что в свою очередь приводит к существенному уменьшению времени работы системы и экономии электрической энергии. Составлена номограмма для оценки эффективности применения отражательной перегородки в метантенке, где представлено отношение времени разрушения корки в метантенке без перегородки t0 к времени разрушения корки t в аппарате с перегородкой в зависимости от числа Re и расстояния от свободной поверхности Нпер. Наибольший эффект от использования отражательной перегородки достигается при значениях Нпер от 0,15 м до 0,25 м и Re=50÷60, так как время полного разрушения корки в 5 раз меньше, чем в метантенке без перегородки.

Рис. 1. Характеристики модернизированной системы гидравлического перемешивания

Рис. 2. Эффективность применения отражательной перегородки в метантенке

  1. Выявлены зависимости газодинамических характеристик процессов, протекающих в детандере термоэлектрической установки с рабочим колесом осе-радиального типа с применением методов математического моделирования, компьютерной визуализации и дальнейшей оптимизацией конструктивных характеристик рабочего органа с учетом параметров реального газа. Разработана математическая модель газодинамических процессов, протекающих в турбодетандере термоэлектрической установки, описывающая процессы протекания газа через сопловой аппарат и рабочий объем колеса. Модель включает зависимости физических параметров рабочего тела от скорости течения, геометрии профиля лопаток рабочего колеса. Позволяет определить баланс оптимального падения давления в аппарате и коэффициента полезного действия.

Рис. 3. Рабочее колесо детандера

Рис. 4. 3D модель потока газа в межлопаточном канале колеса детандера.

  1. Разработана технология утилизации и преобразования теплоты уходящих дымовых газов районной газифицированной котельной на основе применения установки, работающего по органическому циклу Ренкина (ОЦР-установка). Технология заключается в передаче избыточной теплоты от теплоносителя к холодной воде, подогреваемой для нужд ГВС, через ОЦР-установку, тем самым повысив эффективность и энергосбережение в котельной. Данная технология может применяться в технологических процессах с избытком тепловой энергии. В качестве источника для получения избыточной теплоты могут быть: тепло отходящих газов крупных котельных и ТЭС; скрытая теплота парообразования на блоках конденсаторов на ТЭЦ и паровых котельных; тепло отходящих газов газотурбинных двигателей на компрессорных станциях газотранспортной системы; сбросное тепло систем центрального теплоснабжения; отходящее тепло факельных сбросов, попутных нефтяных газов, холодильных установок, дизельных двигателей, установок по сжиганию отходов и т.д. Мероприятия по внедрению ОЦР-установок снижают себестоимость выработки тепловой энергии на величину 8% от конечного тарифа для потребителей, а ткаже заметно падает удельное потребление электроэнергии на выработку 1 Гкал тепловой, что сказывается на конечной величине потребленной электроэнергии тепловым источником.

Рис. 5. Пример схемы котельной с ОЦР-установкой.

 

  1. Исследовано влияние геометрических параметров аппарата на эффективность процесса метанового брожения биоотходов при использовании двух систем гидравлического перемешивания. Определены соотношения геометрической высоты аппарата к радиусу, при которых использование модифицированной системы гидравлического перемешивания наиболее эффективно. Проведен анализ тепловой эффективности процесса анаэробной ферментации органических коммунальных отходов в зависимости от времени года и состава материала, определены значения подведенной к метантенку тепловой энергии, потерь теплоты, рассчитаны тепловые КПД, определены потенциалы энергосбережения с использованием ВЭР.


Рис. 6. Эффективность перемешивания в зависимости от соотношения H/R и объема метантенка

Рис. 7. Диаграмма тепловых КПД при мезофильном режиме брожения ТБО, %

 

  1. Проведена оценка эффективности преобразования энергии при газификации древесной биомассы. В результате теплового и термодинамического анализа составлены тепловые и эксергетические балансы, определены значения тепловых и эксергетических КПД газификаторов. Определены процессы газификации с наибольшей тепловой и эксергетической эффективностью, а также источники потерь теплоты и эксергии.


Рис. 8. Диаграмма эксергетических потоков газификатора

Рис. 9. Сравнение тепловой и эксергетической эффективности процессов газификации древесной биомассы

  1. Проведены исследования по определению динамической вязкости битума в зависимости от температуры. Обобщены известные зависимости и разработана методика расчета динамической вязкости углеводородного сырья различного состава. Проведены экспериментальные исследования по определению динамической вязкости битума с использованием ротационного вискозиметра Lamy RM-100 с целью проверки адекватности предлагаемой методики расчета. Расхождение результатов составило не более 7%. В качестве исследуемого образца использовался битум Ашальчинского месторождения республики Татарстан.

Рис. 10. Алгоритм расчета динамической вязкости битума

  1. Разработана математическая модель процесса гидравлического перемешивания органического субстрата при турбулентном режиме. Модель позволяет проводить численные исследования процессов гидравлического перемешивания в метантенке, а также определять оптимальные конструктивные и режимные параметры реактора биогазовой установки: форму, геометрические характеристики аппарата и устройств, обеспечивающих циркуляцию субстрата, внутренние конструктивные особенности, расход органического субстрата, время перемешивания. Гидравлическое перемешивание в метантенке с перегородками наиболее эффективно при следующих параметрах: отношение расстояния между перегородками в аппарате к общей длине аппарата h/Н равно 0,2; соотношение ширины перегородки к общей ширине метантенка /равно 0,6. Предложен коэффициент эффективности К, определяющий наиболее эффективные размеры перегородок в метантенке.


Рис. 1. Расчетная область аппарата прямоугольной формы

Рис. 2. Значение коэффициента К при различных соотношениях s/S при

  1. Разработана термоэлектрическая установка (ТЭУ) для утилизации тепловой энергии в системах теплоснабжения. В рамках данной работы разработаны: алгоритм расчета технологических параметров и основных конструктивных элементов ТЭУ; методика проектирования ТЭУ; эскизная конструкторская документация на экспериментальный образец детандера ТЭУ; программа и методика проведения испытаний экспериментального образца детандера ТЭУ. Также изготовлен и проведены испытания экспериментального образца детандера ТЭУ (рабочего органа). Разработан технический регламент на проектирование ТЭУ. Разработан проект технического задания на ОКР по созданию опытного образца ТЭУ.

Рис. 3. Термоэлектрическая установка

Рис. 4. Экспериментальный образец ТЭУ

  1. Исследованы процессы объемного испарения влаги, протекающего при термическом разложении древесной биомассы. Получены результаты термогравиметрического анализа прессованной и гранулированной древесной биомассы в виде пеллет. Выявлены закономерности удаления физико-механической влаги из макро- и микропор, и физико-химической влаги полимолекулярной и мономолекулярной адсорбции при нагреве пеллет при постоянной максимальной плотности теплового потока 12 кВт/м2. Получена термограмма термического разложения древесных пеллет при линейном нагреве от 22 до 700 °С с постоянной скоростью 20 °С/мин.

Рис. 5. Результаты экспериментов по сушке образца древесных пеллет: 1 – кривая сушки, 2 – кривая скорости сушки, 3 — температурная кривая на поверхности образца, 4 – температурная кривая в центре образца

Рис. 6. Термограмма термического разложения образца древесных пеллет: скорость прокачки воздуха через камеру нагрева 100 мл/мин, масса образца – 23 мг

  1. Проведен термический анализ образцов гранулированного древесного биотоплива в инертной среде аргона и в воздухе при различных скоростях нагрева. Исследования проводились методом синхронного термического анализа (термогравиметрия / дифференциальная сканирующая калориметрия). Результатом исследования являлись ТГ, ДТГ и ДСК кривые, иллюстрирующие убыль и скорость убыли массы от температуры, а также тепловые эффекты, протекающих реакций. Получены значения кинетических параметров исследуемых процессов (предэкспоненциальных множителей, энергий активации и т.д.) в зависимости от степени разложения с использованием безмодельных изоконверсионных методов.

Рис. 1. ТГ, ДТГ и ДСК кривые древесных гранул при скорости нагрева 10 К/мин в среде аргона

Рис. 2. ТГ, ДТГ и ДСК кривые древесных гранул при скорости нагрева 20 К/мин в воздухе

Рис. 26. Зависимость энергии активации от степени конверсии

  1. Определен состав и концентрации компонентов генераторного газа и сопутствующих продуктов, образующихся в процессе термического разложения битума. Определена энергетическая значимость получаемого газа, с целью сравнения с используемыми топливами в энергетике для оценки конкурентоспособности получаемого альтернативного топлива. Получена зависимость концентрации основных компонентов генераторного газа от времени газификации.

Рис. 3. Концентрация основных компонентов генераторного газа в зависимости от времени газификации

  1. Получены результаты численных и экспериментальных исследований распределения температурных и гидродинамических характеристик при ламинарном течении вязких сред в каналах теплообменных аппаратов с интенсификаторами теплообмена в виде поперечной дискретной шероховатости. Результаты исследования интенсификации конвективного теплообмена получены на примере трансформаторного масла ТКП и турбинного масла Тп-46. Исследования выполнены с использованием периодической дискретно-шероховатой поверхности при различных расходах теплоносителя и граничных условиях I рода на стенках канала. Результаты исследования теплообмена и гидродинамики в интенсифицированных каналах теплообменных аппаратов представлены в виде распределения температурных и гидродинамических характеристик. Полученные результаты позволяют утверждать, что в интенсифицированных каналах возможно увеличение теплообмена над гидравлическим сопротивлением до 2-х и более раз в зависимости от используемых интенсификаторов и режимов течения.

Рис. 4. Зависимости критерия теплогидродинамической эффективности от чисел Re