Повышение энергоэффективности ик-дымогенератора на основе применения методов количественной термографии
На правах рукописи
УДК 664.951.3 : 621.384.3 (043.3)
АЛЛОЯРОВ Константин Борисович
ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ
ИК-ДЫМОГЕНЕРАТОРА НА ОСНОВЕ ПРИМЕНЕНИЯ
МЕТОДОВ КОЛИЧЕСТВЕННОЙ ТЕРМОГРАФИИ
05.18.12 – Процессы и аппараты пищевых производств
05.20.02 – Электротехнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Мурманск – 2011
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования
«Мурманский государственный технический университет»
(ФГБОУ ВПО «МГТУ»)
| Научные руководители: | кандидат технических наук, доцент Шокина Юлия Валерьевна | |
| доктор технических наук, профессор Власов Анатолий Борисович | ||
| Официальные оппоненты: | доктор технических наук, профессор Щеренко Александр Павлович | |
| доктор технических наук, профессор Беззубцева Марина Михайловна | ||
| Ведущая организация: | Санкт-Петербургский государственный университет низкотемпературных и пищевых технологий |
Защита диссертации состоится «03» ноября 2011 г. в __ часов __ минут на заседании диссертационного совета Д 307.009.02 при Мурманском государственном техническом университете по адресу: 183010, г. Мурманск, ул. Спортивная, 13.
С диссертацией можно ознакомиться и в библиотеке Мурманского государственного технического университета.
Автореферат размещен на сайте http://www.mstu.edu.ru «__» _____ 2011 г. и разослан «__» _____ 2011 г.
Отзывы на автореферат направлять по адресу 183010, г. Мурманск,
ул. Спортивная, 13.
Ученый секретарь диссертационного совета,
кандидат технических наук, профессор И.Н. Коновалова
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Стратегической целью развития отечественного рыбохозяйственного комплекса (РХК), сформулированной в принятой 30.03.2009 г. Федеральным агентством по рыболовству «Концепции развития рыбохозяйственного комплекса РФ» (Концепции), является достижение к 2020 году уровня экономического и социального развития рыбного хозяйства, соответствующего статусу России как ведущей мировой державы, занимающей передовые позиции в глобальной экономической конкуренции.
Для этого необходимо формирование инновационной системы в РХК, включающей гибко реагирующие на экономические запросы инжиниринговые услуги, в том числе энергоаудит; формирование научно-технологического комплекса, обеспечивающего достижение лидерства в научных исследованиях и технологиях, и на этой основе встраивание России в глобальный оборот высокотехнологичной продукции и технологий; создание новых энергосберегающих технологий добычи, глубокой и комплексной переработки сырья; развитие производства отечественного рыбоперерабатывающего оборудования.
Составной частью инновационного развития отечественного агропромышленного комплекса, в том числе РХК, является повышение энергетической эффективности технологических процессов и оборудования рыбной промышленности в соответствии с Федеральным законом РФ № 261 от 23.11.2009 г. «Об энергосбережении и повышении энергоэффективности».
По данным маркетингового агентства РБК в 2010 году в натуральном выражении кулинарные изделия из рыбы занимали 33 % объемов рынка рыбной продукции, из них пятая часть приходилась на копченую рыбу. В связи с популярностью копченой продукции многие рыбоперерабатывающие предприятия переориентируются на разработку и внедрение технологий изготовления копченых продуктов. При этом для получения коптильного дыма в большинстве случаев эксплуатируются дымогенераторы с внутренним теплообразованием, характеризующиеся низкой энергоэффективностью и высокой степенью зараженности получаемого дыма соединениями, обладающими канцерогенным и мутагенным действием типа 3,4-бенз(а)пирена. Потребность предприятий в современной технике для получения функциональных и безопасных дымовых коптильных сред удовлетворена не более чем на 50 %. Требованиям к качеству и безопасности коптильных дымов соответствует не более 35 % активно эксплуатируемых дымогенераторов.
С целью реализации приоритетных задач Концепции на кафедре технологий пищевых производств МГТУ в рамках госбюджетной темы «Разработка малооперационных технологических процессов получения соленых, сушеных и копченых изделий из водного сырья» разработаны способ получения коптильного дыма с использованием энергии ИК-излучения и устройство для его осуществления ИК-дымогенератор (ИК-ДГ).
Главным преимуществом ИК-ДГ является возможность получения дыма при температурах, не превышающих 400 °С, что намного ниже температурных «канцерогенных пиков» термического разложения древесины и гарантирует минимальный риск образования опасных для здоровья человека соединений. При этом получаемый в ИК-ДГ дым позволяет сформировать в продукции вкус и аромат традиционного копчения. Однако опытная и промышленная эксплуатация ИК-ДГ выявила ряд нерешенных проблем, среди которых основной является недостаточно высокий КПД.
В связи с этим важной задачей является разработка методов экспрессной оценки технического состояния и энергоэффективности подобных дымогенераторов для определения и увеличения показателей надежности объектов электроснабжения, оценки величины сверхнормативных тепловых потерь. Актуальной является реализация системы эффективной эксплуатации энергетического оборудования с учетом его реального технического состояния; на первый план выходят методы диагностики, позволяющие проводить дистанционное обследование в процессе эксплуатации.
Подобному требованию отвечает тепловизионный метод, расширяющий возможности традиционных методов испытаний. Его применение позволяет обосновать, исследовать и разработать средства и методы повышения надежности и экономичности работы аппаратов, применяемых в сельскохозяйственном производстве при переработке продуктов и материалов.
Таким образом, разработка комплекса мер, направленных на повышение энергоэффективности ИК-ДГ, представляет актуальную проблему, отвечающую Концепции развития электрификации сельского хозяйства, разработанную в соответствии с «Основными положениями энергетической стратегии России на период до 2020 г.».
Цель и задачи исследований. Целью работы является совершенствование процесса дымообразования с ИК-энергоподводом путем повышения его энергоэффективности.
Для достижения поставленной цели сформулированы следующие задачи:
- исследование тепло- и влагопереноса в слое топлива различной удельной поверхности для разных условий внешнего и внутреннего теплообмена в ИК-ДГ;
- получение регрессионной зависимости, связывающей коэффициенты потенциалопроводности влагопереноса (ВП) и термовлагопереноса (ТВП) в слое топлива при дымогенерации с ИК-энергоподводом с ключевыми факторами, влияющими на температуру пиролиза и совершенствование на ее основе программного обеспечения прогнозного расчета температуры пиролиза в ИКДГ;
- обоснование и разработка нового метода оценки теплового состояния технологического оборудования на основе количественной термографии для применения его в целях повышения энергоэффективности и надежности;
- дистанционная оценка внешних тепловых потоков ИК-ДГ с использованием разработанного метода для различных режимов эксплуатации, обеспечивающих энергосбережение;
- разработка и анализ тепловой модели ИК-ДГ на основе метода электротепловой аналогии;
- разработка алгоритма повышения энергоэффективности эксплуатационных режимов дымогенерирующих устройств с ИК-энергоподводом;
- разработка и внедрение комплекса технических и технологических мер, обеспечивающих соблюдение энергосберегающих режимов эксплуатации ИК-ДГ.
Научная новизна работы состоит в следующем:
- исследованы процессы тепло- и влагопереноса в слое топлива при дымогенерации с ИК-энергоподводом для различных условий внешнего и внутреннего теплообмена;
- определены коэффициенты потенциалопроводности ВП и ТВП для широкого диапазона насыпной плотности древесного топлива – опилок
- получена регрессионная зависимость, связывающая коэффициенты потенциалопроводности ВП и ТВП с факторами, влияющими на температуру пиролиза;
- обоснован метод дистанционной оценки плотности теплового потока технологического оборудования на основе количественной термографии;
- научно обоснован и применен метод количественной термографии для повышения энергоэффективности ИК-ДГ путем оценки и оптимизации внешних и внутренних тепловых потоков;
- разработана тепловая модель участка внешнего корпуса ИК-ДГ на основе метода электротепловой аналогии для выявления конструкционных недостатков и оценки энергосберегающих эксплуатационных режимов;
- научно обосновано моделирование внешнего и внутреннего теплообмена при дымогенерации с ИК-энергоподводом с целью повышения энергоэффективности.
Практическая значимость. По результатам исследований тепло- и массообменных процессов в слое топлива в ИК-ДГ для разных условий внешнего и внутреннего теплообмена усовершенствована конструкция ИК-ДГ и повышена его энергетическая эффективность.
Усовершенствована методика прогнозного расчета температурных и влажностных полей в слое топлива в процессе пиролиза при дымогенерации с ИК-энергоподводом и ее программное обеспечение, расширена область их применения.
Разработан и внедрен метод количественной термографии, позволивший оперативно оценить техническое состояние аппарата, разработать и реализовать комплекс технических и технологических мер, направленных на энергосбережение при дымогенерации с ИК-энергоподводом.
Разработана документация ИК-ДГ: техническое описание и инструкция по эксплуатации, паспорт.
Внедрение результатов работы осуществлялось на базе научно-производственной лаборатории СТППГ МГТУ, ООО «АРКТИК ПАК +», ЦИСП МГТУ. Результаты научных исследований используются в учебном процессе МГТУ.
На защиту выносятся:
- Результаты исследования процессов тепло- и влагопереноса в слое топлива различной удельной поверхности при разных режимах дымогенерации с ИК-энергоподводом, результаты экспериментального определения коэффициентов потенциалопроводности ВП и ТВП для широкого диапазона насыпной плотности топлива – древесных опилок.
- Усовершенствованная методика прогнозного расчета температурных и влажностных полей в слое топлива в процессе пиролиза в ИК-ДГ и ее программное обеспечение.
- Метод дистанционной оценки плотности теплового потока от нагретых поверхностей технологического оборудования на основе количественной термографии.
- Алгоритм оценки тепловых потоков от нагретых поверхностей внешнего контура ИК-ДГ.
- Тепловая модель участка внешнего контура ИК-ДГ, полученная методом электротепловой аналогии, для выявления конструктивных недостатков тепловых потерь.
- Комплекс технических и технологических мер, направленных на повышение надежности, энергоэффективности и безопасности ИК-ДГ.
Апробация работы. Основные положения работы обсуждались на международных научно-технических конференциях «Наука и образование» (Мурманск, 2008-2011 гг.); на Международной научно-практической конференции, посвященной памяти профессора Н.Н. Рулева «Техника и технологии переработки гидробионтов и сельскохозяйственного сырья» (МГТУ, Мурманск, 2008 г.); на Международном семинаре «Освоение водных биологических ресурсов Арктики и международное сотрудничество» (Норвегия, г. Тромсё, барк «Седов», 2010 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 научных работ, в том числе в изданиях, рекомендуемых ВАК РФ, - 4.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы, включающего 147 наименований, и приложений.
Работа изложена на 156 стр., содержит 33 таблицы, 51 рисунок, 25 приложений.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Введение. Обоснована актуальность работы, сформулированы цель и задачи исследования, обозначены научная новизна и практическая значимость работы, сформулированы положения, выносимые на защиту диссертации.
Глава 1. Рассмотрены современные аспекты дымогенераторной техники перспективы ее развития. Проведен сравнительный анализ энергоэффективности и уровня автоматизации дымогенераторов, используемых на предприятиях пищевой промышленности, а также анализ соответствия аппаратов современным требованиям качества и безопасности вырабатываемой коптильной среды. Обозначены основные проблемы текущего состояния дымогенераторной техники и процесса производства копченых продуктов в целом [5, 8]. По результатам анализа сделан вывод, что современные дымогенераторы не в полной мере соответствуют актуальным требованиям энергосбережения, направленным на повышение энергоэффективности технологических процессов и оборудования рыбной промышленности РФ [2].
Показано, что существующие методы контроля недостаточно эффективно позволяют контролировать техническое состояние оборудования, тепловые режимы и потери с целью повышения его энергоэффективности, электро- и теплобезопасности.
Предложены новые методы исследования технического состояния тепловых аппаратов на основе количественной термографии.
Глава 2. Представлена методологическая схема эксперимента (рис. 1), приведена характеристика объектов и методов исследования. Эксперименты проводились в научно-производственной лаборатории СТППГ МГТУ, на кафедре технологий пищевых производств МГТУ.
Объектом исследования являлся дымогенератор с ИК-энергоподводом ИК-ДГ. В качестве топлива в процессе дымообразования использовали опилки лиственных и хвойных, выдержанных в течение полугода, пород деревьев [1, 4].
Влажность опилок и насыпную плотность определяли стандартным методом.
Коэффициент потенциалопроводности ВП определяли обратным методом из уравнения влагопроводности. Из системы уравнений (1), составляющих модель процесса пиролиза топлива в ИК-ДГ, выводили уравнение теплопереноса, при помощи которого рассчитывали коэффициент потенциалопроводности ТВП [1, 4, 9].
, (1)
где 
– удельная теплоемкость смеси вода–опилки, теплоемкостью пара пренебрегали; соп, св, оп - удельные теплоемкости воды и опилок и плотность опилок;
U - влажность опилок;
– коэффициент теплопроводности слоя древесных опилок, задан удельной поверхностью и влажностью;
r – скрытая теплота парообразования;
- коэффициент, определяющий долю участия процессов конденсации и парообразования;
w(x) - удельное поглощение тепла в слое опилок с координатой 
, координата 
отсчитывается от нижней границы опилок в сторону ИК-излучателя;
Du - коэффициент потенциалопроводности ВП, характеризует перенос влаги в слое топлива за счет капиллярных явлений и адсорбции влаги на поверхности опилок;
Dt – коэффициент потенциалопроводности ТВП в слое опилок;
q(x) - энергия разложения древесины.
Рис. 1. Методологическая схема исследований
Оценку параметров распределения температурного поля поверхности ИК-ДГ проводили при помощи тепловизоров TESTO 875, AGA-782, пирометров CENTER 350 и AR852B [2, 7].
Тепловые потоки ИК-ДГ оценивали по разработанному методу количественной термографии.
Для повышения достоверности результатов, полученных на основе термографии и обоснованности научных положений, результатов, выводов и рекомендаций совместно с тепловизионными испытаниями производились измерения температуры поверхности и величины тепловых потоков путем применения поверенных датчиков исследуемых величин (точечных пирометров, термопар, первичных преобразователей плотности теплового потока) по ГОСТ 25380 и ГОСТ 26254.
Испытания проводили при установившемся режиме работы ИК-ДГ. Диагностику поверхности производили под углом 90±15 °, на расстояниях, позволяющем визуализировать тепловое поле поверхности на термограммах [2, 7].
С целью оптимизации анализа тепловых полей при использовании пирометров или термопар, изучаемая поверхность была условно разделена на сетку, в узлах которой оценивалась температура на поверхности аппарата. Значения температуры, определяемые термопарами, автоматически регистрировались при помощи программных средств и встроенных регистраторов.
При тепловизионных испытаниях получены стандартные термограммы на основе программного обеспечения, входящего в комплект тепловизионной техники: IRSoft и IR Report. Результаты, полученные при помощи точечных пирометров, обрабатывались в программе Statistica для построении стандартных термограмм, что позволяет расширить применимость более экономически доступных пирометров.
Для анализа процесса термограммы накладывали на трехмерную модель исследуемого аппарата, которая создавалась в программе Autocad [2, 7].
Согласно разработанному методу, величина плотности теплового потока q, определяемая дистанционно на основе тепловизионных испытаний, рассчитывалась при помощи специальной программы ALNEW5. Данная программа позволяет произвести расчет значений q от поверхности путем дистанционного анализа теплового поля с учетом геометрических параметров объекта, материала поверхности, параметров окружающей среды [2, 7].
Для выявления конструктивных недостатков и выработки рекомендаций по их устранению, разработана тепловая модель участка контура ИК-ДГ согласно методу электротепловой аналогии. Для этой цели аппарат условно разбивали на однородные по составу элементы определенных размеров, для которых рассчитывали термические сопротивления в трех плоскостях. Далее составлялась электрическая схема в программе моделирования NI Multisim.
Применение метода электротепловой аналогии позволило выявить участки конструкции с повышенной тепловой проводимостью и предложить мероприятия по совершенствованию конструкции.
Температуру генераторов излучения измеряли при помощи пирометров в четырех различных точках их поверхности. На основе этих данных производился расчет спектральной плотности энергетической светимости для найденной максимальной и средней температуры для широкого диапазона длин волн.
При оценке степени облученности топлива пользовались моделированием процесса излучения, которое проводили на трехмерной модели исследуемого аппарата в программе 3ds max. В ходе моделирования учитывались геометрические особенности аппарата, оптические свойства поверхностей и характеристики генераторов ИК-излучения. По полученным данным строили диаграммы облученности в программе Mathcad.
Глава 3. Исследованы процессы тепло- и влагообмена в слое топлива с различной насыпной плотностью и толщиной от 4 до 12 см при дымогенерации с ИК-энергоподводом.
Ранними исследованиями установлены основные влияющие на тепло и массоперенос в слое топлива факторы и получена математическая модель процесса пиролиза топлива при ИК-дымогенерации, описываемая уравнением (1).
Перенос влаги в слое опилок осуществляется по трем основным механизмам: влагоперенос под действием разности влагосодержаний нижнего, увлажняемого водой или водяным паром, и поверхностного слоя опилок, а также термовлагоперенос влаги в виде жидкости и пара, вызванный градиентом температуры. Третий механизм представляет собой конвекционный влагообмен, протекающий в воздушных прослойках, образованных крупными пустотами между частицами опилок. Влагоперенос в слое опилок при дымогенерации часто сопровождается конденсацией или испарением. Вошедшие в уравнения разработанной ранее модели термовлагопереноса в слое топлива коэффициенты потенциалопроводности ВП и ТВП установлены для слоя топлива толщиной 7 см опилок трех насыпных плотностей 104, 118, 154 кг/м3 [1, 4, 9].
В целях расширения применимости модели и созданной на ее основе программы прогнозного расчета температурных и влажностных полей в слое топлива в процессе пиролиза проведены эксперименты по определению коэффициентов потенциалопроводности ВП и ТВП для слоев толщиной от 4 до 12 см для топлива различной насыпной плотности. В ходе экспериментов получены кривые кинетики увлажнения опилок и поля влагосодержания в слоях топлива различной толщины. Насыпная плотность для крупных опилок составляла 100 кг/м3, для средних – 117 кг/м3, для мелких – 134 кг/м3. На рис. 2, 3 представлены зависимости рассчитанных коэффициентов потенциалопроводности ВП и ТВП от основных влияющих факторов: толщины слоя и времени процесса [9].
По результатам экспериментов найдены регрессионные зависимости, связывающие коэффициенты потенциалопроводности ВП и ТВП с выбранными влияющими факторами: толщиной слоя Х1, см, временем процесса Х2, ч и насыпной плотностью топлива Х3, кг/м3. Остальные влияющие факторы (влажность топлива, расстояние до излучателей, мощность излучателей) оставались неизменными в ходе эксперимента [9].
а) б)
Рис. 2. Кривые зависимости коэффициента потенциалопроводности ВП
а) от толщины слоя; б) от времени процесса
а) б)
Рис. 3. Кривые зависимости коэффициента потенциалопроводности ТВП
а) от толщины слоя; б) от времени процесса
В результате математической обработки с использованием программы Datafit получены уравнения регрессии:
Y1 = EXP (a*X1 + b*X2 + c*X3 + d), м2/с, (2)
где a = 10,67±1,47; b = -0,331±0,055; c = 0,00572±0,00295; d = -16,54±0,66 при p = 0,95. Значение критерия Фишера F = 36,76 (по таблице Fраспределения F = 1,92).
Y2 = EXP (a*X1 + b*X2 + c*X3 + d), К2/с, (3)
где a = 3,9±1,31; b = 0,501±0,055; c = 0,00704±0,00263; d = -16,69±0,36 при p = 0,95. Значение критерия Фишера F = 41,91 (по таблице Fраспределения F = 1,92).
Полученные выражения интегрированы в компьютерную программу прогнозного расчета температуры пиролиза топлива в ИК-ДГ. На рис. 4 представлен результат работы программы для топлива различной насыпной плотности и толщины слоя при начальной влажности опилок 35 % и 40 % избыточно-добавленной влаги.
Таким образом, подтверждена универсальность компьютерной программы расчета температурных и влажностных полей в слое топлива в процессе пиролиза, что упрощает решение задачи повышения энергоэффективности при сохранении безопасности коптильной среды.
а) б)
Рис. 4. Результаты работы программы
а) распределение температуры по толщине слоя; б) влагосодержание в слое топлива
Глава 4. Представлено обоснование методик и способов применения тепловизионной техники в качестве аппаратного средства инженерного энергоаудита при определении показателей эффективного использования энергетических ресурсов технологических аппаратов и определении их технического состояния на основе дистанционной оценки величины тепловых потоков методом количественной термографии.
Обоснована возможность и разработан алгоритм применения метода количественной термографии для дистанционной оценки тепловых потоков при дымогенерации с ИК-энергоподводом.
На примере исследуемого дымогенератора показан алгоритм применения тепловизионной техники для анализа теплового состояния, устранения конструктивных недостатков и повышения энергоэффективности технологического оборудования.
Подводимая за счет излучателей и экзотермической реакции пиролиза, энергия расходуется на нагрев топлива, нагрев конструкции ИК-ДГ, часть энергии поглощается образующейся ДВС, оставшаяся часть затрачивается на испарение избыточно-добавленной влаги и влаги, содержащейся в топливе. Затраты энергии на нагрев конструкции аппарата и ДВС являются непроизводительными потерями.
С целью повышения энергоэффективности путем снижения теплопотерь в окружающую среду, а также для поиска зависимостей температурного поля на поверхности аппарата от температурного поля в рабочем объеме камеры дымогенерации исследовалось распределение температуры на поверхности ИК-ДГ на основании метода количественной термографии.
На рис. 5, 6 представлены результаты экспериментов по оценке температурных полей. Термограммы наложены на трехмерное изображение поверхности ИК-ДГ для лучшей визуализации.
Рис. 5. Изображение ИК-ДГ с наложением термограмм (тепловизор TESTO)
Рис. 6. Изображение ИК-ДГ с наложением термограмм (пирометры)
При анализе термограмм выявлены типичные для подобного технологического оборудования недостатки конструкции:
- все внешние поверхности ИК-ДГ характеризуются неравномерным тепловым полем;
- температура локальных участков корпуса аппарата превышает 150 °С, что недопустимо с точки зрения безопасной эксплуатации;
- конструкционные дефекты, обуславливающие непроизводительные потери теплоты и ДВС.
Термографически исследовано температурное поле поверхности дымообразующего слоя топлива в верхней и нижней кассетах. На рис. 7 представлены три термограммы верхнего (дымообразующего) слоя нижней топливной кассеты, полученные при одинаковых режимах работы ИК-ДГ (выделены зоны с экстремально высокой температурой).
а) б) в)
Рис. 7. Термограммы дымообразующего слоя топлива нижней кассеты
а) тепловизор AGA; б) пирометры; в) тепловизор TESTO
Установлено, что температура в участках локального перегрева не превышает значений, критических для канцерогенной безопасности вырабатываемой ДВС.
По результатам тепловизионной диагностики произведен расчет плотности тепловых потоков и суммарного теплого потока (рис. 8).
  |  |
а) б)
Рис. 8. Тепловые потоки от внешних поверхностей ИК-ДГ
а) проценты указаны относительно суммарного теплового потока; б) проценты указаны относительно подведенной мощности
На основе разработанного метода экспериментально установлен суммарный тепловой поток от ИК-ДГ, который составляет около 52 % количества подводимой энергии (5,5 кВт) [2, 7]. Полученные данные подтверждают достоверность разработанного метода и не противоречат ранее полученным результатам.
Для оценки погрешности метода количественной термографии и оценки воспроизводимости результатов проведены эксперименты по оценке тепловых потоков стандартным методом с помощью контактных датчиков теплового потока. На рис. 9 представлены значения q в различных точках плоскостей объекта, полученные при помощи стандартного метода и метода количественной термографии. Анализ показывает, что значения плотности тепловых потоков, полученных различными методами, отличаются не более чем на 25 %.
Рис. 9. Результаты расчетов плотности тепловых потоков различными
методами
Для детализации процесса теплопередачи, выявления конструктивных участков с повышенной тепловой проводимостью, локализации мест с повышенной теплоотдачей разработана тепловая модель ИК-ДГ на основе метода электротепловой аналогии.
На рис. 10 представлено схематичное изображение боковой стенки ИК-ДГ, состоящей из двух металлических стенок, скрепленных металлическими фиксаторами, и воздушной прослойки между ними.
Рис. 10. Боковая стенка ИК-ДГ
Исследуемый трехмерный слой разбивали на элементы определенных размеров, для которых рассчитывали значения термических сопротивлений, использованные при составлении электрической схемы в программе NI Multisim (рис. 11).
а)
б)
Рис. 11. Электротепловая модель левой боковой стенки ИК-ДГ
а) общий вид; б) приближение
Алгоритм расчета электротепловой модели технологических аппаратов на примере реальной исследуемой конструкции приведен в диссертации.
На основе модели показано, что значение теплового потока, подведенного ко всей внутренней поверхности левой боковой стенки ИК-ДГ при стационарном режиме работы, составляет 405,9 Вт. При сравнении данных, полученных при расчете тепловой модели методом электротепловой аналогии, и значений, полученных при помощи метода количественной термографии, расхождение не превышало 24 %.
Таким образом, применение метода электротепловой аналогии позволяет получить адекватную модель для оценки теплофизических закономерностей технологических аппаратов, выявить недостатки их конструкции и дать рекомендации по их устранению.
В частности, анализ модели исследуемого аппарата выявил высокую теплопередачу через металлические фиксаторы, соединяющие внешний и внутренний корпусы по сравнению с теплопередачей через воздушную прослойку.
На основании полученных моделированием данных обоснованы конструктивные меры, направленные на уменьшение теплопотерь окружающую среду и повышение энергоэффективности ИК-ДГ, в том числе, необходимость размещения тепловой изоляции со стороны внешней поверхности ИК-ДГ.
Глава 5. Разработка научно-обоснованного комплекса технических и технологических мер, направленных на совершенствование конструкции ИК-ДГ, повышение его энергоэффективности, оптимизацию эксплуатационных режимов. В перечень предлагаемых мер входят:
- замена источников ИК-излучения;
- установка отражателей ИК-излучения;
- создание дополнительного теплоизолирующего слоя;
- внедрение системы автоматизации для контроля и поддержания заданных режимов дымообразования.
В ИК-ДГ источниками ИК-излучения являлись кварцевые галогенные тепловые лампы КГТ-1000, мощностью 1 кВт. Установлено, что эксплуатация ламп в задымленной высокотемпературной зоне ведет к разрушению ламп, контактов и проводки, снижению мощности в результате их загрязнения. В виду выявленных недостатков в качестве источников ИК-излучения использованы трубчатые электронагреватели (ТЭНы), способные работать в агрессивных паро-газовых средах при высоких температурах.
С целью анализа соответствия излучающей способности ТЭНа поглощающей способности топлива проведен эксперимент по определению температуры поверхности ТЭНа и расчет плотности энергии и спектрального состава при максимальной и средней температуре излучателя. Результаты расчета представлены в диссертации. Показано, что древесное топливо имеет максимум поглощательной способности при длине волны ИК-излучения от 1,5 до 5,5 мкм, а ТЭН имеет максимальную плотность излучения при длине волны 3,7 мкм для максимальной температуры (784 °С), и при длине 4,9 мкм для средней температуры (589 °С) поверхности излучателя. Таким образом, соотношение излучающей способности использованного ТЭНа и поглощающей способности древесного топлива близко к оптимальному.
С целью повышения КПД генераторов ИК-излучения произведена модернизация отражателя. Для сравнения эффективности стандартного и усовершенствованного отражателей (рис. 12) проведена серия экспериментов по определению степени облученности топлива с применением компьютерного моделирования.
а) б)
Рис. 12. Трехмерные модели топливных кассет и генераторов ИК-излучения
а) со стандартным отражателем; б) с усовершенствованным отражателем
Результаты оценки степени облученности топлива представлены на рис. 13.
а) б)
Рис. 13. Диаграммы облученности топлива
а) по ширине кассеты; б) по длине кассеты
Направление от излучателя в сторону топлива на диаграмме выделено темной областью. С учетом затрат генерируемого излучения на нагрев отражателей стандартный отражатель обеспечивает подвод 33 %, а усовершенствованный – 50 % подводимой энергии к топливу.
С целью уменьшения величины непроизводительного теплового потока, а также выравнивания температурного поля на поверхности ИК-ДГ произведена тепловая изоляция аппарата.
После подбора, расчета требуемой толщины и монтажа тепловой изоляции аппарата оценены параметры распределения температурного поля внешней поверхности ИК-ДГ при помощи метода количественной термографии (рис. 14) [3, 7].
Рис. 14. Изображение ИК-ДГ после модернизации с наложением термограмм
Показано, что достигнуты значительное снижение температуры поверхности ИК-ДГ, изотропность температурного поля внешнего контура аппарата.
По результатам тепловизионной диагностики был произведен расчет плотности тепловых потоков и суммарного теплового потока для каждой изученной поверхности после модернизации (рис. 15) [3].
  |  |
а) б)
Рис. 15. Тепловые потоки от внешних поверхностей ИК-ДГ после
модернизации
а) проценты указаны относительно суммарного теплового потока (0,33 кВт); б) проценты указаны относительно подведенной мощности
Суммарный тепловой поток от ИК-ДГ составлял 52 % количества подводимой энергии (5 кВт), после модернизации - около 7 %. Предложенные меры по модернизации ИК-ДГ уменьшили непроизводителные тепловые потери более чем в 7 раз [3]. Максимальное значение температуры на доступных при эксплуатации поверхностях не превышает 45 °С, что соответствует требованиям нормативной документации.
На примере исследуемого технологического аппарата показан алгоритм применения системы автоматического регулирования температуры и решена задача разработки схемы автоматизации процесса дымогенерации с ИК-энергоподводом, обеспечивающей соблюдение энергосберегающих режимов эксплуатации при поддержании заданных параметров дымообразования [5, 6]. Экономия энергии достигается путем сокращения длительности непрерывной работы ТЭНа, а также учета особенностей экзотермической реакции пиролиза топлива. Разработана и смонтирована программно-аппаратная система автоматизированного контроля и поддержания заданных параметров дымообразования ИК-ДГ (рис. 16) [8].
Рис. 16. Функциональная схема автоматизации
На объекте управления находятся датчики температуры, расположенные в зонах локального перегрева дымообразующего слоя топлива, найденные методом количественной термографии. Реализована возможность визуализации процесса и создания рабочего места оператора программно-аппаратной системы путем подключения к SCADA-системе TraceMode.
После модернизации ИК-ДГ проведена настройка режимов системы автоматики для контроля и поддержания заданных параметров процесса дымогенерации. На рис. 17, 18 представлены графики динамики нагрева топлива до модернизации и после.
Рис. 17. Динамика изменения температуры верхнего слоя до модернизации
Рис. 18. Динамика изменения температуры верхнего слоя после модернизации
График на рис. 17 характеризуется стихийным течением процесса и превышением допустимых значений температуры. При анализе графика на рис. 18 видны результаты работы системы автоматики: температура верхнего дымообразующего слоя находится в заданном интервале. После модернизации время от начала процесса до его окончания в сократилось почти на 1,5 часа. Время выхода на желаемую температуру дымообразования сократилось с 1 часа 20 минут до 40 минут. Время работы нагревательного элемента, а, следовательно, и потребление электроэнергии, уменьшилось на 43 %.
После проведенного анализа и модернизации технологического аппарата проведена промышленная апробация и внедрение результатов исследований в ООО «АРКТИК ПАК +», лаборатории СТППГ МГТУ, ЦИСП МГТУ.
Приведены результаты производственных испытаний ИК-ДГ после модернизации. Изготовлены опытные партии подкопченной рыбной продукции с использованием дыма, вырабатываемого ИК-ДГ. Готовая продукция полностью отвечает требованиям действующей нормативно-технической документации. Изготовленные образцы продукции получили высокую оценку на международных рыбопромышленных выставках и были удостоены благодарностями и почетными грамотами.
Разработана техническая документация ИК-ДГ: техническое описание и инструкция по эксплуатации, паспорт.
Произведен расчет ожидаемого экономического эффекта от внедрения комплекса технических и технологических мер, направленных на повышение энергоэффективности ИК-ДГ.
ВЫВОДЫ
- На основании исследования процессов тепло- и влагопереноса в слое топлива при дымогенерации с ИК-энергоподводом для различных условий внешнего и внутреннего теплообмена подтверждена универсальность физической модели процесса пиролиза топлива с ИК-энергоподводом.
- Уравнение регрессии, характеризующее зависимость коэффициентов потенциалопроводности ВП и ТВП от определяющих факторов, расширяет область применения методики прогнозного расчета температурных и влажностных полей в слое топлива в процессе пиролиза в ИК-ДГ и совершенствует программное обеспечение.
- Предлагаемый метод количественной термографии технологического оборудования, применяемого в пищевой промышленности, позволяет получить оперативную достоверную информацию о техническом состоянии аппарата, необходимую для энергосбережения, тепло- и электробезопасности.
- Разработанная методика дистанционной оценки величины тепловых потоков на основе метода количественной термографии позволяет снизить непроизводительные потери и выработать рекомендации по оптимизации процесса.
- Показана эффективность применения тепловой модели на основе метода электротепловой аналогии для анализа конструкционных особенностей аппарата и детализации процесса эксплуатации.
- Разработан алгоритм повышения энергоэффективности эксплуатационных режимов дымогенерации устройств с ИК-энергоподводом на основе данных, полученных при помощи метода количественной термографии.
- Разработанный и реализованный научно-обоснованный комплекс мер, направленных на совершенствование конструкции ИК-ДГ, повышение его энергоэффективности, оптимизацию эксплуатационных режимов, позволил в 7 раз снизить непроизводительные тепловые потоки, на 43 % уменьшить энергозатраты.
- Проведенные научно-технические мероприятия уменьшили себестоимость продукции до 205 руб./кг при экономическом эффекте до 3271,7 тыс. руб. в год.
Список работ, опубликованных по материалам диссертации
Статьи, опубликованные в журналах, рекомендуемых ВАК
- Аллояров, К.Б. Расширение области применения математической модели пиролиза топлива в ИК-дымогенераторе повышенной производительности / К.Б. Аллояров, Ю.В. Шокина, А.А. Коробицин // Вестник МГТУ : труды Мурман. гос. техн. ун-та. – 2010. – Т. 13, № 4/1. – С. 681–685.
- Аллояров, К.Б. Повышение энергоэффективности ИК-дымогенератора на основе оценки тепловых потоков методом количественной термографии / К.Б. Аллояров, А.Б. Власов, Ю.В. Шокина // Вестник МГТУ : труды Мурман. гос. техн. ун-та. – 2011. – Т. 14, № 3. – С. 515-519.
- Аллояров, К.Б. Повышение эффективности работы инфракрасного дымогенератора / К.Б. Аллояров, А.Б. Власов, Ю.В. Шокина // Техника в сельском хозяйстве – 2011. - № 4. – С. 32.
- Аллояров, К.Б. Разработка и совершенствование техники и технологии получения коптильных сред для пищевой промышленности / К.Б. Аллояров, Ю.В. Шокина, А.А. Коробицин // Вестник ВГТА – 2011. - № 1 (47). – С. 30-34.
Другие издания
- Аллояров К.Б. Разработка средств измерения среднеинтегральной температуры в объеме топлива и поиск путей поддержания заданных параметров в процессе дымообразования в инфракрасном дымогенераторе / К.Б. Аллояров, Ю.В. Шокина, А.Ю. Висков // Техника и технологии переработки гидробионтов и сельскохозяйственного сырья : материалы междунар. науч.-практ. конф., посвящ. памяти проф. Н. Н. Рулева, Мурманск, 24-25 апреля, 2008 г. / Мурман. гос. техн. ун-т. – Мурманск, 2008. – С. 86–88.
- Аллояров, К.Б. К вопросу о совершенствовании средств автоматического контроля и управления процессом дымообразования с использованием энергии ИК-излучения / К.Б. Аллояров, Ю.В. Шокина, А.Ю. Висков // Наука и образование – 2009 : материалы междунар. науч.-техн. конф., Мурманск, 1-9 апр. 2009 г. / Мурман. гос. техн. ун-т [Электронный ресурс]. – Мурманск, 2009. – С. 332. Шифр Информрегистра: 0320900170.
- Аллояров, К.Б. Оценка тепловых потоков ИК-дымогенератора методом количественной термографии с целью повышения его энергоэффективности / К.Б. Аллояров, Власов А.Б., Ю.В. Шокина // Наука и образование – 2011 : материалы междунар. науч.-техн. конф., Мурманск, 7-12 апр. 2011 г. / Мурман. гос. техн. ун-т [Электронный ресурс]. – Мурманск, 2011. – С. 813-819. Шифр Информрегистра: 0321100504.
- Аллояров, К.Б. Разработка схемы автоматизации процесса дымогенерации с ИК-энергоподводом / К.Б. Аллояров // Наука и образование – 2011 : материалы междунар. науч.-техн. конф., Мурманск, 7-12 апр. 2011 г. / Мурман. гос. техн. ун-т [Электронный ресурс]. – Мурманск, 2011. – С. 807-813. Шифр Информрегистра: 0321100504.
- Аллояров, К.Б. Исследование тепло- и влагопереноса в слое топлива различной удельной поверхности / К.Б. Аллояров, Ю.В. Шокина // Наука и образование – 2011 : материалы междунар. науч.-техн. конф., Мурманск, 7-12 апр. 2011 г. / Мурман. гос. техн. ун-т [Электронный ресурс]. – Мурманск, 2011. – С. 820-830. Шифр Информрегистра: 0321100504.
