Моделирование тепломассопереноса в электродиализных аппаратах водоподготовки для парогенераторов тэс и аэс




Скачать 28.21 Kb.
НазваниеМоделирование тепломассопереноса в электродиализных аппаратах водоподготовки для парогенераторов тэс и аэс
страница1/4
Дата04.02.2016
Размер28.21 Kb.
ТипАвтореферат
  1   2   3   4


На правах рукописи





Уртенов Кирилл Махаметович


МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОМАССОПЕРЕНОСА

В электродиализнЫХ аппаратАХ водоподготовки

для парогенераторов тэс и аэс


Специальность 05.14.04 – «Промышленная теплоэнергетика»


АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук


Краснодар – 2011

Работа выполнена в ГОУ ВПО

«Кубанский государственный технологический университет»


Научный руководитель:

доктор педагогических наук, кандидат физико-математических наук, профессор

Шапошникова Татьяна Леонидовна







Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор

Косачев Вячеслав Степанович










кандидат технических наук, профессор

Марченко Евгений Михайлович







Ведущая организация:

Открытое акционерное общество «Южный инженерный центр энергетики», г. Краснодар


Защита состоится «29» марта 2011 г. в 14 ч. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.100.06 в ГОУ ВПО «Кубанский государственный технологический университет» по адресу: 350058, г. Краснодар, ул. Старокубанская, д. 88/4, в ауд. С-410


С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Кубанского государственного технологического университета


Автореферат разослан «26» февраля 2011 г.


Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.100.06

кандидат технических наук, доцент Л.Е. Копелевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Одной из важнейших научно-технических проблем является улучшение качества воды, используемой в парогенераторах и для подпитки пароводяного контура паровых котлов в теплоэнергетике, поскольку надежность и эффективность эксплуатации оборудования энергетических предприятий существенно зависит от систем водоподготовки. Ряд нормативных документов, таких как «Правила технической эксплуатации электрических станций и сетей РФ», «Правила устройства и безопасной эксплуатации паровых и водогрейных котлов» устанавливают показатели, которым должна соответствовать применяемая на ТЭС и АЭС вода. Повышенная повреждаемость поверхностей нагрева оборудования наблюдается на тех АЭС и ТЭС, где недостаточно внимания уделяется поддержанию необходимого водно-химического режима, поскольку примеси в рабочей среде парогенератора приводят к образованию накипи и отложений и соответственно, к ухудшению эксплуатационных и технико-экономических характеристик ТЭС и АЭС.

Обработка воды на ТЭС осуществляется обычно на специальных водоподготовительных установках (ВПУ). В настоящее время на ВПУ ТЭС применяются современные противоточные технологии ионообменного обессоливания, мембранные методы обработки и очистки воды, методы термической дистилляции, требующие существенных затрат тепловой и электрической энергии. Они влекут за собой вторичное солевое загрязнение окружающей среды. Введение в комплексы для водоподготовки электромембранных модулей резко снижает количество используемых реагентов и увеличивает экологическую целесообразность технологии, улучшает эксплуатационные и технико-экономические характеристики ТЭС и АЭС. Кроме того, электродиализные аппараты имеют высокую эффективность и низкий расход электроэнергии. Разработкой и анализом схем ВПУ с электродиализными аппаратами водоподготовки занимались Заболоцкий В.И., Никоненко В.В., Письменская Н.Д., Слесаренко В.В., Козлов Е.В., Thompson D., Trembley A. и др.

Совершенствованию систем ВПУ на электростанциях и котельных, разработке новых агрегатов и технологий водоподготовки посвящены исследования ведущих организаций по проектированию и созданию теплотехнического оборудования: ВТИ, ЦКТИ, ФГУ ВНИИАМ, ООО НПП «Энергоперспектива», ВНИИПИЭнергопром, Институт Теплоэлектропроект и др.

Для решения задач по совершенствованию систем ВПУ, улучшению их эксплуатационных и технико-экономических характеристик, разработке новых конструкций или технологических схем, необходимо исследовать закономерности тепломассопереноса в этих системах, включая тепломассоперенос в электродиализных аппаратах водоподготовки. Наиболее полную информацию о закономерностях процесса электродиализного обессоливания позволяет получать математическая модель.

Таким образом, темы диссертационной работы, посвященной построению и исследованию пространственных (двух и трехмерных) математических моделей тепломассопереноса в камерах обессоливания электродиализных аппаратов водоподготовки, построению эффективных алгоритмов асимптотического и численного анализа, а также установлению основных закономерностей процесса тепломассопереноса следует признать актуальной для промышленной теплоэнергетики.

Актуальность темы исследования подтверждается поддержкой, оказанной работе Федеральным Агентством по образованию и науке РФ в рамках темы 1.4.08 («Методы регулярного представления сингулярно возмущенных уравнений и их приложения. Метод модулирующих функций в обратной задаче теории фильтрации» (направление фундаментальных научных исследований «Рациональное природопользование»)) и гранта РФФИ-Юг (№ 09-08-96529 «Модифицирование поверхности ионообменных мембран с использование углеродных нанотрубок с целью совершенствования процессов электродиализного обессоливания и концентрирования»).

Цели исследования. Установление основных закономерностей тепломассопереноса в камере обессоливания электродиализного аппарата, входящего в гибридный электромембранный комплекс водоподготовки для парогенераторов АЭС и котлов ТЭС путем математического моделирования процесса тепломассопереноса с учетом пространственного заряда и джоулевого разогрева раствора.

Научная новизна.

  1. Из системы уравнений Нернста-Планка и Пуассона выведена новая декомпозиционная система электродиффузионных уравнений для бинарного электролита, включающая новое уравнение для плотности электрического тока.

  2. Разработаны модели, адекватно описывающие процессы тепломассопереноса в камерах обессоливания электродиализных аппаратов водоподготовки ТЭС и АЭС с учетом пространственного заряда и джоулевого разогрева раствора.

  3. Предложены новые методы описания механизма тепломассопереноса в камере обессоливания электродиализного аппарата, которые доведены до формул пригодных для инженерных расчетов.

  4. Впервые выявлены основные закономерности тепломассопереноса в канале обессоливания электродиализного аппарата для бинарного электролита, а именно структура распределения электрохимических и температурных полей по ширине и длине канала, влияние на тепломассоперенос пространственного заряда и джоулевого разогрева раствора при различных значениях технических и технологических параметров электродиализного аппарата.

  5. Предложены новые принципиальные схемы организации технологического процесса электродиализа, основанные на дополнительном подогреве или охлаждении раствора в камерах концентрирования, в зависимости от ориентации камер обессоливания относительно поля тяжести Земли.

Практическая ценность.

  1. Алгоритм декомпозиции систем электродиффузионных уравнений, позволяет исследовать тепломассоперенос в канале обессоливания электродиализного аппарата для бинарного электролита при любых токовых режимах, совершенствовать численные и асимптотические методы решения, строить различные упрощенные модели переноса ионов соли. Этот алгоритм пригоден для решения других задач тепломассопереноса в промышленной теплотехнике, экологии и электрохимии. Он может быть использован в задачах нанотехнологий, где описание тепломассопереноса строится на основе уравнений Нерста-Планка, Пуассона и уравнения теплопроводности.

  2. Методы асимптотического и численного решения краевых задач, соответствующих математическим моделям тепломассопереноса в камере обессоливания электродиализного аппарата для бинарного электролита и установленные нами основные закономерности этого переноса открывают возможность изучения тепломассопереноса в электродиализных аппаратах очистки воды при жестких токовых режимах. Они могут быть использованы научно-исследовательскими группами, проектными организациями, отделами и инженерными центрами, занимающимися проблемами водоподготовки и водно-химических режимов ТЭС, а также для решения других задач тепломассопереноса в промышленной теплотехнике, например, в математических моделях очистки сточных вод АЭС от ионов тяжелых металлов, радионуклеидов и т.д.

  3. Предложенные нами принципиальные схемы организации технологического процесса электродиализа, основанные на дополнительном подогреве или охлаждении раствора в камерах концентрирования могут быть использовании для повышения эффективности электродиализных аппаратов водоподготовки, при разработке новых конструкций этих аппаратов.

Внедрение. Результаты диссертационного исследования использованы в работе инновационного технологического Центра «Кубань-Юг» при проектировании новых систем водоподготовки, учебном процессе ГОУ «КубГТУ» и «КубГУ».

Достоверность результатов. Достоверность исследований подтверждается согласованием их с известными положениями теории тепломассопереноса, электрохимии, сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований. Проверка адекватности модели проведена на основе сопоставления результатов расчета с имеющимися экспериментальными данными.

Личный вклад автора. Все основные результаты работы получены лично автором. Диссертанту принадлежат: алгоритм полной декомпозиции системы электродиффузионных уравнений для бинарного электролита при нарушении условия электронейтральности, декомпозиционная система уравнений, включая новое уравнение для плотности тока, математические модели процесса тепломассопереноса в камере обессоливания электродиализного аппарата, приближенные аналитические формулы. Им лично выявлены основные закономерности тепломассопереноса в канале обессоливания электродиализного аппарата для бинарного электролита, предложены принципиальные схемы организации технологического процесса электродиализа, основанные на дополнительном подогреве или охлаждении раствора в камерах концентрирования.

Основные положения, выносимые на защиту:

  1. Полная декомпозиционная система электродиффузионных уравнений, включая уравнение для плотности электрического тока, устанавливающее соответствие между плотностью тока, напряженностью электрического поля и концентрацией электролита.

  2. Адекватные математические модели процесса тепломассопереноса в камерах обессоливания электродиализных аппаратах водоподготовки при интенсивных токовых режимах эксплуатации и алгоритмы численного и асимптотического решения соответствующих краевых задач. Приближенные аналитические формулы для расчета электрохимических и температурных полей по ширине и длине канала обессоливания, включая формулы пригодные для инженерных расчетов.

  3. Основные закономерности тепломассопереноса в камере обессоливания электродиализного аппарата в двухмерном случае, а именно структура распределения электрохимических и температурных полей по ширине и длине канала, влияние на тепломассоперенос пространственного заряда и джоулевого разогрева раствора при интенсивных токовых режимах.

  4. Новые принципиальные схемы организации технологического процесса электродиализа с использованием мембран МК-40М и МА-40М с модифицированной поверхностью, основанные на дополнительном подогреве или охлаждении раствора в камерах концентрирования, в зависимости от ориентации камер обессоливания относительно поля тяжести Земли.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на Международной конференции «Ion transport in organic and inorganic membranes» (Krasnodar 2010), IV-VI Всероссийских конференциях «Современное состояние и приоритеты развития фундаментальных наук в регионах» (Анапа (2008, 2009, 2010)), Региональной конференции «Вклад фундаментальных научных исследований в развитие современной инновационной экономики Краснодарского края» (2009); научных конференциях по вычислительной математике и механике студентов и аспирантов факультета компьютерных технологий и прикладной математики ГОУ «КубГУ» (Краснодар (2009, 2010)); на научных семинарах кафедры промышленной теплоэнергетики и тепловых электростанций и кафедры физики ГОУ «КубГТУ» (2008, 2009, 2010), кафедры теоретической физики и компьютерных технологий и кафедры электрохимии ГОУ «КубГУ» (2009, 2010).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 15 печатных работ, из них 1 монография, 5 статей, 9 тезисов докладов, в том числе 5 статей в журналах, рекомендованных ВАК для опубликования основных результатов докторских и кандидатских диссертаций.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы (218 наим.), двух приложений. Работа изложена на 210 стр., в том числе содержит 29 рисунков, 30 таблиц.


СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, определены ее цели и задачи, перечислены результаты, выносимые на защиту, сформулированы научная новизна и практическая ценность исследования, определен личный вклад автора.

В первой главе диссертационной работы проведен анализ работ, направленных на решение важной научно-технической проблемы технического перевооружения водоподготовительных установок для ТЭС и АЭС. В этой главе описаны существующие методы улучшение качества воды, используемой в парогенераторах и для подпитки пароводяного контура паровых котлов в теплоэнергетике. Показано, что безреагентными и экологически чистыми и наиболее эффективными являются комплексные гибридные электромембранные технологии, которые одновременно с этим имеют низкую энергоемкость и экономическую эффективность (см. рис.1). Принципиальная схема гибридной системы для питания деионизованной водой ТЭС изображена на рис. 1.



Рисунок 1 - Технологическая схема гибридного мембранного комплекса для получения питающей воды на ТЭЦ. Комплекс включает в себя микрофильтр (МФ), блоки ионного обмена, обратного осмоса (ОО), аппараты электродиализа (ЭДА) и электродеионизации (ЭДИ). Разработка ООО «Мембранная технология»


Важной частью гибридных электромембранных комплексов водоподготовки являются электродиализные аппараты (рис. 2). Включение ЭДА в технологическую цепочку водоподготовки способствует повышению эффективности комплекса. Фотографии экспериментальной ячейки электродиализа и промышленного прототипа, а также принципиальные схемы и ячейки приведены на рис. 2.




а)



б)







в)

г)

Рисунок 2 - а) - Экспериментальная ячейка; б) - Промышленный прототип ЭДА (Лаборатория электромембранных технологий Кубанского государственного университета); в) и г) - Принципиальные схемы ЭД и ячейки


Для повышения эффективности в электромембранных аппаратах ООО «Мембранная технология» используются новые гетерогенные мембраны МК-40М и МА-40М с модифицированной (см. рис. 3) поверхностью, требующие применения интенсивных токовых режимов. При этом возникают вторичные или сопряженные явления концентрационной поляризации (см. рис. 4):

  • пространственный электрический заряд занимает макроскопическую область, сопоставимую с толщиной диффузионного слоя;

  • происходит джоулевый разогрев раствора;

  • вблизи границы мембрана/раствор интенсивно протекает реакция диссоциации-рекомбинации воды и продукты диссоциации ( и - ионы) участвуют в переносе заряда;

  • в системе возникают конвективные течения разной природы, интенсифицирующие массоперенос.

Для оценки влияния каждого из этих явлений на перенос ионов соли необходимо провести их теоретическое исследование с использованием математического моделирования. В предшествовавших работах в основном использовались одномерные математические модели, основанные на идее диффузионного слоя Нернста (Левич В.Г., Графов Б.М., Черненко А.А., Духин С.С., Rubinstein I., Гнусин Н.П., Заболоцкий В.И., Никоненко В.В.), что не позволяло достаточно полно исследовать эти процессы, которые по своей природе являются неодномерными. Используя одномерные модели нельзя исследовать изменение толщины диффузионного слоя по длине электродиализного аппарата, учесть влияние джоулева разогрева раствора на массоперенос ионов соли, а также неоднородную электропроводность поверхности мембран и т.д. Использование одномерных моделей связано в первую очередь с математическими трудностями исследования двухмерных и трехмерных моделей. Имеется небольшое число двухмерных (Гнусин Н.П., Заболоцкий В.И., Clifton M., Sanchez V., Sonin A.A., Probstein R.F., Шаповалов С.В., Коржов Е.Н., Григорчук О.В.) и трехмерных моделей (Afonso J.-L., Clifton M.J.) в которых изучается перенос ионов соли, однако в этих работах рассмотрены только частные случаи. Кроме того, в настоящее время нет математических моделей температурных эффектов и теплопереноса в камерах обессоливания электродиализных аппаратов, хотя имеются экспериментальные данные об их влиянии на перенос ионов соли, известны даже случаи оплавления мембран при некоторых режимах работы электродиализных аппаратов.



1

2

3




Рисунок 3 - Микрофотография среза мембраны МА-40 (слева) и модифицированной мембраны МА-40М (справа). Частицы анионообменной смолы (1), полиэтилен (2), нити армирующей сетки (3), модифицирующая гомогенная пленка (4).

Из проведенного выше анализа вытекает, что для успешного применения электродиализных аппаратов в решении важной научно-технической проблемы водоподготовки для парогенераторов АЭС и ТЭС требуется понимание процессов тепломассопереноса в электродиализных аппаратах очистки воды при «жестких» запредельных токовых режимах. Следовательно, возникает необходимость в построении математических моделей, разработке эффективных алгоритмов численного и асимптотического решения соответствующих краевых задач, исследовании закономерностей тепломассопереноса в камерах обессоливания электродиализных аппаратов.




Рисунок 4 - Принципиальная схема физических процессов, происходящих в камере обессоливания


Во второй главе изучаются основные математические методы исследования тепломассопереноса в канале обессоливании электродиализного аппарата. Излагается метод факторизации, который позволяет в одномерном стационарном случае провести классификацию электролитов и показывает, что в общем случае имеется лишь пять существенно отличающихся типов электролитов. Проанализирован метод Шлегля решения одномерной системы уравнений Нернста-Планка при выполнении условия электронейтральности. Этот метод характеризуют в литературе как общий метод решения, но сложный и неудобный для применения. Автором дано достаточно простое его изложение, определены границы применимости. В этой же главе изложен известный метод декомпозиции одномерной системы уравнений Нернста-Планка и Пуассона, который в сочетании с методом факторизации фактически приводит к построению общей теории переноса произвольного электролита для одномерного случая. В главе 3 диссертации метод декомпозиции обобщен нами на двумерный и трехмерный случаи.

В третьей главе предлагаются математические модели тепломассопереноса в канале обессоливания электродиализного аппарата для бинарного электролита, приводятся основные уравнения тепломассопереноса, используемые для описания переноса ионов соли в камере обессоливания электродиализного аппарата и обсуждаются границы их применимости.

Показано, что если предположить известной плотность тока, то вместо исходной системы уравнений для определения 8 неизвестных функций можно получить три уравнения для трех неизвестных функций, после решения которых, остальные неизвестные могут быть найдены по формулам или по отдельным независимым уравнениям, то есть, можно произвести расщепление (декомпозицию) исходной системы уравнений. Приведен алгоритм декомпозиции системы электродиффузионных уравнений и получена система декомпозиционных уравнений. Выдвигая теперь, различные предположения о распределении поля плотности тока из декомпозиционной системы уравнений можно выводить различные упрощенные модели процесса тепломассопереноса в камере обессоливания.

Для решения задачи в общем виде декомпозиционная система должна быть дополнена новым уравнением для обобщенной плотности тока .

Автором такое уравнение было выведено для трехмерного и двумерного случаев. В двумерном случае уравнение имеет вид:



,

(1)

где

, , , - некоторые постоянные, -обобщенная плотность тока, Сi и ji- концентрация и поток ионов i-го вида, и zi- коэффициенты диффузии и зарядовые числа ионов i-го вида, -электрический потенциал, F-число Фарадея,-диэлектрическая проницаемость вакуума, -вектор скорости течения раствора электролита, R-универсальная газовая постоянная,T-абсолютная температура. Для удобства записи использовано обозначение

В третьей главе выведена модельная краевая задача стационарного тепломассопереноса для бинарного электролита в двумерном и трехмерном случаях, учитывающая нарушение условие электронейтральности.

Рассмотрим для простоты изложения частный случай, когда , , тогда эта модельная задача в двумерном случае, имеет безразмерный вид (переход к безразмерному виду приведен в 3.4):

;

(2)

;

(3)

,

(4)

где ,

(5)

Постановка краевых условий зависит от исследуемого режима работы электродиализного аппарата. Рассмотрим гальваностатический режим в камере обессоливания электродиализного аппарата, когда средняя плотность тока в цепи считается постоянной.

Откуда следует, что для функции можно положить:

, .

(6)

Для функции примем условия:

.

(7)
  1   2   3   4

Похожие:

Моделирование тепломассопереноса в электродиализных аппаратах водоподготовки для парогенераторов тэс и аэс iconК проблеме газификации твердого топлива
ГВт), а также оптимизацию его структуры, для чего планируется поднять долю аэс в производстве эл энергии с 11 до 25% и провести масштабную...
Моделирование тепломассопереноса в электродиализных аппаратах водоподготовки для парогенераторов тэс и аэс icon115. Нигматулин Б. О стоимости электроэнергии угольных тэс для потребителей России, Германии и США
И доллара по курсу Центробанка, а по паритету покупательной способности (ппс) доллара по всему ввп. Приведены данные по сравнению...
Моделирование тепломассопереноса в электродиализных аппаратах водоподготовки для парогенераторов тэс и аэс iconОбоснование безопасности проекта аэс-2006 для условий площадки Нововоронежской аэс-2 методами вероятностного анализа безопасности

Моделирование тепломассопереноса в электродиализных аппаратах водоподготовки для парогенераторов тэс и аэс iconТрубка Ранка. Горячая вода на шару?
Или по-Вашему аэс тоже не должны преобразовывать радиацию в тепло?! Ведь в системе циркуляции аэс тоже используются только относительно...
Моделирование тепломассопереноса в электродиализных аппаратах водоподготовки для парогенераторов тэс и аэс iconЗакон Российской Федерации «О социальной защите граждан, подвергшихся воздействию радиации вследствие катастрофы на Чернобыльской аэс»
Нормативно-правовые акты, которыми необходимо руководствоваться при рассмотрении дел по исковым заявлениям участников ликвидации...
Моделирование тепломассопереноса в электродиализных аппаратах водоподготовки для парогенераторов тэс и аэс iconАнализ надежности персонала по статистике инцидентов на аэс РФ
Предлагается рассматривать плотность распределения Вейбулла как плотность распределения расстояния от произвольной точки до ближайшей...
Моделирование тепломассопереноса в электродиализных аппаратах водоподготовки для парогенераторов тэс и аэс iconПрограмма дисциплины Стохастическое Моделирование
Программа дисциплины Стохастическое Моделирование (Анализ комплексных сетей) для подготовки магистров по направлению 010500. 68 (магистерская...
Моделирование тепломассопереноса в электродиализных аппаратах водоподготовки для парогенераторов тэс и аэс icon“Компьютерное моделирование работы схемы усилителя”
Математическое моделирование электронных схем с помощью персональных компьютеров является универсальным инструментом разработки и...
Моделирование тепломассопереноса в электродиализных аппаратах водоподготовки для парогенераторов тэс и аэс iconПрограмма дисциплины Информационное моделирование (на английском языке) для направления 080700. 68 «Бизнес-информатика»
Моделирование бизнес-процессов. Управление бизнес-процессами (bpm). Интегрированное проектирование информационных систем
Моделирование тепломассопереноса в электродиализных аппаратах водоподготовки для парогенераторов тэс и аэс iconОбщественное конструкторское бюро
Они выставлялись на международных авиасалонах, о них сообщалось в отечественной и зарубежной прессе. Проходила информация об этих...
Разместите кнопку на своём сайте:
Библиотека


База данных защищена авторским правом ©lib2.znate.ru 2012
обратиться к администрации
Библиотека
Главная страница