Рис.5. Зміна середніх значень коефіцієнтів теплообміну вздовж охолоджуваної поверхні печі. 1, 2, 3 – діапазон експериментальних даних при відповідних витратах охолоджуючого середовища: 0,06; 0,093 і 0,035 кг/(с⋅м2); , ® – і-й ряд отворів у відповідній смузі перфорованої пластини; – середні значення коефіцієнтів теплообміну за розрахунковими умовами; – середні значення коефіцієнтів теплообміну на охолоджуваній поверхні за експериментальними даними.
Висновки
У дисертації подано теоретичне узагальнення та новий підхід до вирішення важливої науково-технічної проблеми створення енергозберігаючої технології теплопостачання на основі застосування теплогенеруючих пристроїв з повітряноструминним охолодженням обертових печей.
- На основі розрахунково-аналітичного аналізу доказано, що відомі рішення відбору та споживання теплової енергії, які базуються на процесі радіаційно-конвективного нагрівання теплоносія в екрануючих елементах з переривчастим повітряним доохолодженням поверхні обертових печей мають локальний характер застосування. Вони не можуть кардинально впливати на подальше підвищення енергетичних та екологічних показників промислового теплопостачання без застосування можливостей регульованої генерації вторинної теплоти.
- Доведено, що подальше підвищення ефективності промислового теплопостачання може бути забезпечено лише на основі принципово нового підходу до розробки методології розгляду процесів тепломассообміну з безперервним регулюванням охолодження обертової печі і створення на цій базі нових теплогенеруючих пристроїв, систем відбору та споживання енергії.
- Розроблено удосконалену фізико-математичну модель теплопередачі в обертовій печі, яка базується на узагальнених уявленнях квазістаціонарного та ефективного теплообміну матеріалу, що пересипається, газового потоку і футерівки, на основі якої встановлено закономірність визначення температури відповідної зони зовнішньої поверхні обертового агрегату і розмір теплових потоків через його поверхню. Розроблено методику визначення раціонального питомого теплового потоку від поверхні печі.
4. Виявлені екстремальні умови теплообміну печі у серпні та лютому з відповідною можливістю її перегрівання та переохолодження. Запропоновано приймати за розрахункові середньомісячні умови охолодження печі у квітні та жовтні.
- Вперше сформульовано визначаючі принципи функціонального устрою системи "теплоджерело–укриття" як генератора ВЕР з повітряноструминним відбором теплоти.
- Досліджено вплив конструктивних параметрів та теплогідравлічних характеристик пористих і перфорованих елементів генератора на теплообмін та розподіл повітря в його каналах. На цій основі створено методику конструювання генераторів ВЕР для печей характерних форм та розроблено генератори нових варіантів. Запропоновано пристрої з укриттями рулонного типу, структура яких зі змінною пористістю трансформується в перфорований елемент раціональної конструкції з врахуванням його розміщення за довжиною каналу та відстані до охолоджуваної поверхні.
7. На основі запропонованої моделі процесу руху повітря в теплогенераторі виявлено доцільні способи забезпечення рівномірного охолодження поверхні печі шляхом безперервного та ступеневого вирівнювання далекобійності витікаючих струменів. Визначено конструктивні і режимні варіанти їх реалізації, розроблено методику їх розрахунку.
8. Встановлено вплив теплової потужності та продуктивності обертової печі, а також енергетичної характеристики систем теплоспоживання, на економію палива в результаті використання енергії охолодження печі. На основі створених генераторів ВЕР розроблено прямоточні та регенеративно-змішуючі способи стабілізації раціонального теплового режиму печі для різних методів її охолодження. Визначено доцільну структуру та раціональні умови синтезу систем в узагальнені високоефективні комплекси теплопостачання.
9. Розроблено: монокомплекси промислового теплопостачання на основі генерації ВЕР з прямоточною та рециркуляційно-змішуючою стабілізацією раціонального режиму регульованого охолодження печей; бінарні комплекси промислового теплопостачання рекуперативного типу однофункціонального комунально-побутового призначення. Для них визначено умови високоефективного функціонування та основи розробки їх за безперервної та дискретної дії структурних систем (а.с. №1733888).
10. Завдяки розробці бінарних комплексів рекуперативного типу багатофункціонального комунально-побутового призначення розширено область та доцільні межі утилізації теплоти системами теплопостачання. Оцінена ефективність комплексів з використанням теплоти навколишнього повітря. Визначено раціональний розподіл ВЕР між теплообмінниками стабілізуючого охолодження та абонентського призначення і встановлено взаємозв'язок режимних параметрів систем охолодження печей та систем теплопостачання.
11. Розроблено бінарні багатофункціональні комплекси промислового теплопостачання контактно-рекуперативного типу з підвищеними можливостями використання теплоти основного призначення на виробництві. Для них визначені розрахункові параметри та умови високоефективної роботи (а.с. №1744376).
12. Розроблені технології теплопостачання і комплекси з обладнанням для їх реалізації впроваджено у виробництво: на Куліндоровському заводі ЗБВ ВО "Одесзалізобетон" (1989р)., на заводі будівельних матеріалів ПБГ "Интострой" (2002р.), на Одеському керамзитовому заводі (1997р.). Результати їх дослідно-промислових випробувань та досвід експлуатації підтвердили з високою точністю (до 16%) співпадання з кінцевими результатами аналітичних та експериментальних досліджень, що підтверджує достовірність основних наукових положень роботи по високоефективному відбору та використанню в системах теплопостачання енергії охолодження обертових печей. Результати роботи прийняті Державною інспекцією з енергозбереження (17.10.2003р.) для подальшого використання їх на підприємствах Одеського регіону.
13. Реальна економія палива становить не менш за 8%, при цьому одночасно досягнута стабілізація і можливість регулювання потрібного рівня охолодження печі, що сприяє підвищенню її довговічності. Матеріалоємність систем відбору теплоти знижується на 50–60%. Фактичний економічний ефект витрат на паливо для керамзитової печі становить 441 тис. грн/рік.
14. Зменшення кількості витраченого палива на теплопостачання відповідно підвищує ступінь екологічної ефективності печей внаслідок скорочення хімічного і теплового забруднення навколишнього середовища.
15. Результати впровадження розробленої технології у виробництво підтвердили можливість створення комплексів теплопостачання на базі систем стабілізуючого охолодження печей потужністю 0,85–7,6 МВт з температурою гарячого повітря до 160 (130)оС та води до 120(90)оС для цементних і керамзитових печей відповідно. Такі комплекси в змозі забезпечити на будівельно-технологічних підприємствах України економію витрат на паливо не менш за 194 млн.грн/рік. Термін окупності вкладених ресурсів оцінюється періодом 1-1,5 року.
Умовні позначки (в послідовності наведених формул):
 - ступінь перфорації екрануючого елемента;  - найкоротша відстань між суміжними поверхнями екрануючих елементів, м;  - крок квадратної сітки розташування отворів в перфорованому елементі, м;  - зміщення між центрами отворів суміжних елементів по осі  ;  - зміщення між центрами отворів суміжних елементів по осі  ;  , – корені рівняння, 1/м;  – коефіцієнт тепловіддачі, Вт/(м3оС); Ср – масова теплоємність за постійного тиску, Дж/(кгоС); Gуд – питомі витрати теплоносія, кг/(с⋅м2);  – коефіцієнт теплопровідності каркасу, Вт/(моС);  – товщина пористого елемента, м;  – відносне значення смуги мінімальної ширини;  , – максимальні та мінімальні відносні значення допустимих відхилень далекобійності витікаючих струменів повітря від розрахункових величин;  – відносна величина змінної дуги загальної стінки; γрзд, γсб – густина повітря в розподільчому та збірному каналах, кг/м3;  – в’язкість повітря, м2/с; r –радіус сумісної стінки спарених каналів, м;  – відносна довжина каналів;  , – відносна ширина зовнішнього та внутрішнього каналів; V, Vo – швидкість повітря відповідно в розподільчому каналі та витікаючих струменів, м/с; ε – пористість стінки каналу; Аі – площа охолоджуваної зони печі, м2;  , – коефіцієнт використання теплових відходів та ККД заміщуючого джерела теплоти;  – витрата палива при завершенні процесу горіння, кг/с;  ,  – коефіцієнт використання палива та паливний ККД агрегату без зовнішнього теплоспоживання;  – продуктивність теплотехнологічного агрегату, кг/с;  – середня теплоємність оброблюваного матеріалу, кДж/(кгоС);  , – максимальна та початкова температура матеріалу оС;  –температура на поверхні печі, оС;  , – середні коефіцієнти теплообміну на поверхні печі за умов оптимального природного та штучного охолодження, Вт/(м2К);  –температура зовнішнього повітря, при якій забезпечуються оптимальні умови природного охолодження відкритої поверхні теплоджерела, оС;  – температура теплоносія на вході в укриття, оС;  , γ – температурні симплекси, що враховують зміну теплової потужності системи при зовнішній розрахунковій температурі повітря та середній за опалювальний період;  , – питомі загальні витрати на теплоту від традиційного теплоджерела та енергозберігаючого комплексу, грв/ГДж; φд– температурний симплекс врахування зміни опалювальної потужності при черговому опаленні;  –розрахункова опалювальна потужність, Вт; В,С,Ζ – тривалість відповідно вихідних днів, доби та роботи теплообмінника, с;  , – початкова температура води в розрахунковому режимі та зворотної при черговому опаленні, оС; с, ρ – теплоємність та густина води, Дж/(кгоС), кг/м3;  – витрата теплоносія для опалення за плинних умов, кг/с; –витрати повітря для вентиляції за розрахункових умов, кг/с; β – співвідношення витрат теплоносія за умов опалення та вентиляції; tп – температура гарячого повітря, оС;  – розрахункова температура зовнішнього повітря, оС; φ, Ф –коефіцієнти зміни потужності системи опалення відносно  і  ; – коефіцієнт герметичності укриття;  – коефіцієнт врахування теплостоків через бокові елементи укриття;  , , – коефіцієнти теплопередачі відповідно через кожух укриття в навколишнє середовище, нагріваючих приладів та проміжного теплообмінника, Вт/(м2К);  – температурний симплекс врахування періоду добової експлуатації теплового агрегату;  – період роботи системи опалення за добу відносно часу функціювання комплексу;  , , – поверхні теплообміну відповідно вкритої печі, проміжного теплообмінника та нагрівальних приладів, м2;  – об'єм будівлі, м3;  – питома характеристики опалення будівлі Вт/(м3К);  – потужність теплового потоку на поверхні теплоджерела, Вт/м2;  , – середні температури внутрішнього повітря в будівлі та зовнішнього за опалювальний період при безперервній роботі системи на протязі доби, оС.
Основні результати дисертації відображені в таких роботах.
Статті в наукових виданнях, які із загальної кількості 48 шт. з теми роботи, розкривають основний зміст дисертації.
1. В.Д.Петраш, Э.А.Гераскина. Исследование теплоаэродинамических параметров нового теплоутилизатора для обжиговой печи // Известия вузов. Строительство и архитектура. – Новосибирск.– 1988.– №10.– С.115-118.
2. В.Д.Петраш, М.М.Полунин, А.Д.Петраш. Двухступенчатый нагрев промежуточного теплоносителя в установках утилизации теплоты горячих газов// Известия вузов, Энергетика.– Минск.– 1989.– №7.– С.74-78.
3. В.Д.Петраш, М.М.Полунин, Э.А.Гераскина. Система утилизации теплоты от обжиговых вращающихся печей // Водоснабжение и санитарная техника.– Москва.– 1989.– №12.– С.14-15.
4. В.Д.Петраш, Л.Г.Просенюк. О равномерном истечении воздуха из круглого канала с продольной щелью // Известия вузов. Строительство и архитектура.– Новосибирск.– 1991.–№1.–С.101-103.
5. В.Д.Петраш Л.Г.Просенюк. Расчет кругового канала для равномерной раздачи воздуха // Водоснабжение и санитарная техника.– Москва.– 1991.– №7.–С.16-17.
6. М.М.Полунин, Ю.В.Ткаченко, В.Д.Петраш. Двухфазный режим центрального регулирования отпуска теплоты на отопление //Известия вузов. Строительство и архитектура.– Новосибирск.– 1991.–№7.– С.95-97.
7. В.Д.Петраш, М.М.Полунин, Г.Ф.Камолов. Значение определяющего параметра для расчета температурного графика связанного регулирования отпуска теплоты // Известия вузов. Строительство.– Новосибирск.–1993.– №5-6.–С.80-83.
8. В.Д.Петраш, Л.Г.Просенюк. Расчет потерь давления в полукольцевом канале при равномерной раздаче воздуха // Известия вузов. Строительство и архитектура.– Новосибирск.– 1993.–№1.– С.84-86.
9. В.Д.Петраш, Л.Г.Просенюк. Расчет ширины щели между спаренными каналами полукольцевой формы для равномерного перетекания воздуха // Известия вузов. Строительство и архитектура.– Новосибирск.– 1993.– №11-12,
10. В.Д.Петраш, Л.Г.Просенюк. Расчет потерь давления в спаренных каналах полукольцевой формы при равномерном перетекании воздуха через проницаемую стенку между ними // Известия вузов. Энергетика.– Минск .– 1994.–№7-8.– С.93-95.
11. В.Д.Петраш, М.М.Полунин. Метод расчета теплоэнергосберегающих устройств со струйной интенсификацией теплообмена в сносяшем потоке // Промышленная теплотехника.– Киев.– 1994.–№4-6.–С.74-80.
12. Петраш В.Д., М.М.Полунин. Бинарная система утилизации теплоты с поверхности обжиговой печи // Известия вузов. Строительство.– Новосибирск.– 1996.–№1.–С.73-78.
13. М.М.Полунин, В.Д.Петраш. Совместная работа теплоутилизирующего комплекса обжиговой вращающейся печи и теплопотребляющих систем // Известия вузов. Строительство.– Новосибирск.– 1996.–№11.–С.90-94.
14. М.М.Полунин, Г.Ф.Камолов, В.Д.Петраш. Универсальная схема системы теплоснабжения для режима связанного регулирования отпуска теплоты // Известия вузов, Энергетика.– Минск.– 1991.– №11.– С.109-113.
15. В.Д.Петраш Л.Г.Просенюк. Методика расчета потерь давления в каналах систем теплоэнергосбережения при искуственном охлаждении обжиговых печей // Строительные материалы, конструкции и инженерные системы, сборник трудов.–ОГАСА.– Одесса.–1996.–С.132-136.
16. В.Д.Петраш, М.М.Полунин. Расчетные климатические параметры для вращающихся обжиговых печей. Строительные конструкции, материалы, инженерные системы, экологические проблемы. Сборник трудов.– ОГАСА.– Одесса.– 1998.–С.111-112.
17. В.Д.Петраш. Основы расчета теплоутилизационных комплексов стабилизирующего охлаждения вращающихся печей обжига строительных материалов // Вісник Академії будівництва України.– Київ.–2000.–8-й випуск.–С.55-58.
18. В.Д.Петраш. Методика расчета теплоутилизационных комплексов для горячего водоснабжения со стабилизирующим охлаждением обжиговых печей. Ресурсоекономні матеріали, конструкції, будівлі та споруди // Збірник наукових праць.– Рівненський держ. техунічний університет.– Рівне.–2000.–Вип.№4.–С.234-239.
19. В.Д.Петраш, М.М.Полунин. Бинарные теплоутилизационные комплексы на базе периодически эксплуатируемых тепловых агрегатов // Вісник ОДАБА. Збірник наукових праць.– Одеса.– 2000.– Вип.№1.С.30-33.
20. В.Д.Петраш. Методика расчета лучистого теплового потока в системе "теплоисточник-укрытие" // Вісник ОДАБА. Збірник наукових праць.– Одеса.– 2000.–Вип.№2.– С.51-54.
21. В.Д.Петраш. Методика оценки теплотехнической эффективности пористых элементов в структуре укрытий теплоисточников // Вісник ОДАБА. Збірник наукових праць.– Одеса.– 2001.–Вип.№5.–С.90-94.
22. В.Д.Петраш. Режимные параметры бинарных теплоутилизационных комплексов на базе периодических эксплуатируемых тепловых агрегатов // Экотехнологии и ресурсосбережение.– Киев.– 2002.–№ 2.– С.20-22.
23. В.Д.Петраш. Оптимизация работы бинарных теплоутилизационных комплексов с догревающимми теплогенераторами // Вісник ОДАБА. Збірник наукових праць. – Одеса.–2002.–Вип.№6.С.196-201.
Авторські свідоцтва та патенти, які з загальної кількості 27 шт. по енергозбереженню з теми дисертації з 15 шт. найсуттєвішими є:
24. Устройство для охлаждения вращающейся печи. А.с. 1733888. СССР МКИ F 27 D 9/00/ В.Д. Петраш, М.М. Полунин.–№ 4807201/33; Заявлено 2.04.90; Опубл. 15.05.92, Бюл.№18.– 4с.
25. Устройство для охлаждения вращающейся печи. А.с. № 1784822. СССР МКИ F 27 В 7/38/ В.Д. Петраш.–№ 4902336/33; Заявлено 14.01.91; Опубл. 30.12.92, Бюл.№48.– 4с.
- Пат.1823920 СССР МКИ F 27 D 9/00/ Способ охлаждения поверхности печи путём струйнорго теплообмена и устройство для его осуществления. В.Д. Петраш.–№ 4899450/33; Заявлено 08.01.91; Опубл. 23.06.93, Бюл.№23.– 6с.
- Устройство для охлаждения корпуса вращающейся печи: А.с. 1476290. СССР МКИ F 27 D 9/00/ В.Д. Петраш, П.П.Семчук, А.Д.Петраш.–№ 4310274/31–33; Заявлено 19.08.87; 4с.
АНОТАЦІЯ
Петраш В.Д. Теплопостачання на основі утилізації енергії охолодження обертових печей, яке регулюється. -Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.23.03 – Вентиляція, освітлення і теплогазопостачання. Харківський державний технічний університет будівництва та архітектури, Харків, 2004.
Дисертацію присвячено питанням підвищення ефективності використання енергії палива в виробництві будівельних матеріалів для теплопостачання на основі утилізації теплоти зовнішнього охолодження обертових печей. Запропоновано новий підхід до вирішення актуальної проблеми ефективного відбору, перетворення та споживання теплоти шляхом раціонального охолодження зовнішньої поверхні печей на оптимальному рівні протягом року в сумісному процесі збалансованої утилізації теплоти. За результатами дослідження запропоновано та розроблено системи для організації рівномірного з регульованою інтенсивністю повітряноструминного відбору теплоти з охолоджуваної поверхні. Отримали подальший розвиток засоби стабілізуючого охолодження теплоджерел. На цій основі та результатах дослідження оптимального синтезу систем розроблено моно- і бінарні теплоутилізаційні комплекси теплопостачання з неадекватністю потужності теплових потоків, температур та режимних умов. Для оптимізовані технічні рішення, розроблено методи розрахунку та здійснено промислове впровадження. Застосування результатів роботи в Україні дозволяє щорічно економити 430 тис.т. заміщуваного палива з збільшенням ресурсного терміну футерівки печі.
Ключові слова: теплопостачання, обпалювальна піч, утилізація теплоти, струменеве охолодження, стабілізація охолодження, комплекси теплопостачання, теплоспоживання.
Петраш В.Д. Теплоснабжение на основе утилизации энергии регулируемого охлаждения вращающихся печей. -Рукопись.
Диссертация на соискание научной степени доктора технических наук по специальности 05.23.03 – Вентиляция, освещение и теплогазоснабжение; Харьковский государственный технический университет строительства и архитектуры, Харьков, 2004.
Диссертацию посвящено вопросам повышения эффективности использования энергии топлива в производстве строительных материалов для теплоснабжения на основе утилизации теплоты внешнего охлаждения вращающихся печей. Обоснованы параметры и сформулированы принципы общего устройства, технология создания и разработаны новые конструкции энергосберегающих систем "теплоисточник-укрытие", реализующих процесс воздухоструйного охлаждения теплоисточников наиболее характерных форм боковой поверхности. По результатам исследований разработаны вариантные решения генераторов ВЭР для организации равномерного с необходимой интенсивностью воздухоструйного отбора теплоты с охлаждаемой поверхности. Получили дальнейшее развитие способы стабилизирующего охлаждения теплоисточников. Предложено новый подход к решению актуальной проблемы эффективного отбора, преобразования и потребления теплоты путем рационального охлаждения внешней поверхности печей на оптимальном уровне в течение года с комплексным процессом сбалансированного теплопотребления регенеративными и абонентскими системами.
Установлены варианты эффективного использования теплоты внешнего охлаждения и соответствующей экономии сжигаемого топлива. Определена структурная взаимосвязь и сформулированы принципы функционирования систем отбора и потребления энергии в едином теплоснабжающем комплексе, удовлетворяющем требованиям теплотехнологии. На этой основе и результатах исследования рационального синтеза систем разработаны моно- и бинарные теплоснабжающие комплексы с неадекватностью мощности тепловых потоков, температур и режимных условий в процессе эксплуатационного регулирования. Для них установлены целесообразные технические решения по коэффициенту замещения мощности абонентских систем и эффективности использования ВЭР.
Разработаны научно-теоретические основы технологии создания, расчета и конструирования теплоснабжающих комплексов с рациональных охлаждением обжиговых печей, которые доведены до уровня инженерных расчетов.
Внедрение результатов работы с укрытием половины поверхности цементных и керамзитных печей в Украине позволяет экономить в течении года до 430 тыс. тонн условного топлива. Повышается степень экологической эффективности агрегатов с соответствующим снижением теплового загрязнения окружающей среды.
Ключевые слова: теплоснабжение, обжиговая печь, утилизация теплоты, струйное охлаждение, стабилизация охлаждения, комплексы теплоснабжения, теплопотребление.
Petrash V.D. Heat supply on the basis of Energy utilization with the regylated cooling of rotating kilns.
Thesis for competition of the scientific Doctor's degree in speciality 05.23.03 Ventilation, Lightening and Heat supply; Kharkiv State Technical University of Building and Architecure, Kharkiv, 2004.
The thesis is devoted to the problems of rising efficiency of heat application energy fuel for production (manufacturing) of building materials for heat supply on the basis of heat utilization of the external cooling of rotating kilns. New approach to the solviing tthe urgent probllem of effective selection, transformation and application of heat by means of thermostabilizing cooling of external surface of kilns of the optimum level in the period of a year in the process of balanced heat application has been offered. According to the results of the investigation the systeme for providing regular air stream heat taking with equal intencity from cooling surface has been suggested and worked out. Further development of methods stabilizing cooling of heat sources has been received.
On this base and in the result of the investigation of optimum synthesis of systems mono- and double heat- absorbing complexes of heat supplywith non- equal cooling of heat streams, temperature and regime conditions have been developed. Technical solution has been optimized for them and methods of calculations have been worked out; industrial adaptation has been carried out. Application of the results of this work in Ukraine permites to economize annucally 430.000 tons of substitute fuel with the incressed resource term of usage the lining of kilns.
Key words: heat supply, kiln; utilization of heat stream cooling, stabilizating cooling, complexes of heat supply.
| 
