Научный редактор выпуска: Запарий В. В. д и. н., профессор, зав каф. Инт

S. V. Danilov THE FORMATION TEXTURING CONDITION OF ALUMINUM ALLOYS DURING HOT ROLLING Abstract. Studied the texture of the hot rolled aluminum alloys 6061 and 7050 throughout the thickness of the sheets. The method of orientation microscopy and orientation maps were obtained and direct pole figures. It is shown that the deformation texture of both surface and Central layers, consists of a set of discrete, stable orientations. The relationship between the components of the recrystallization texture and deformation, due to the preferential mobility in the recrystallization process, special borders. Key words: aluminum alloys, hot rolling, recrystallization, texture, orientation microscopy, special boundaries. И.С.Елагин АКТУАЛЬНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ УТИЛИЗАЦИОННОЙ УСТАНОВКИ ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ ОТХОДЯЩИХ ГАЗОВ ГАЗОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК В ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ ЭНЕРГИЮ В настоящее время наблюдается проблема низкого уровня использования ВЭР (вторичных энергетических ресурсов) промышленных предприятий и в частности выхлопных газов газотурбинных установок (ГТУ) газокомпрессорных станция. Одним из направлений решения данной проблемы является использование различных вариантов утилизационных установок, для преобразования высокопотенциальной вторичной тепловой энергии отходящих газов газотурбинных установок в электрическую энергию, где в качестве рабочего тела применяются органические жидкости, такие установки работают на основе органического цикла Ренкина. Ключевые слова: утилизация теплоты, энергосбережение, вторичные энергетические ресурсы, газотурбинные установки. Единая система газоснабжения России является крупнейшей в мире газотранспортной сетью. По количеству потребляемого топлива газовая промышленность в России занимает второе место после электроэнергетики. На сегодняшний день наибольшее распространение в качестве привода центробежного нагнетателя природного газа на компрессорных станциях отечественных магистральных газопроводов получили газотурбинные установки. На компрессорных станциях ОАО «Газпром» эксплуатируется более 3200 газоперекачивающих агрегатов (ГПА) с газотурбинным приводом[1,3]. Согласно анализу, проведенному в [4], суммарная величина располагаемой тепловой мощности уходящих газов всего парка ГТУ отечественной газотранспортной системы составляет 87,9 ГВт. Исходя из этого можно сделать вывод, что имеются значительные возможности в повышении энергоэффективности газотранспортной системы России за счет утилизации теплоты уходящих газов ГПА. Разработка и эффективное использование новых альтернативных источников энергии на сегодняшний день является актуальной задачей в связи с сокращением запасов энергоносителей и ростом их цен. Выделяют, по меньшей мере, четыре типа источников тепла, требующих освоения: геотермальное тепло, тепловая мощность солнечного излучения, тепловые выбросы промышленности, тепловые потоки от двигателей [1, 2]. Для преобразования тепловой энергии в механическую наиболее широко используются паросиловые циклы в турбомашинах. При этом перечисленные источники тепла характеризуются температурами рабочей среды не достаточно высокими для организации традиционных паросиловых циклов на водяном паре. Актуальность исследования и разработки вышеприведенных вторичных энергетических ресурсов (ВЭР) заключена в том, что, несмотря на их перспективность, до сих пор отсутствуют оптимальные методы их использования [3, 5]. В соответствии с ГОСТ Р 51387-99 вторичные топливно-энергетические ресурсы – это топливно-энергетические ресурсы, полученные как отходы или побочные продукты (сбросы и выбросы) производственного технологического процесса. ВЭР подразделяют на следующие группы: горючие; избыточного давления; тепловые; Горючие ВЭР – это все виды топливных вторичных продуктов и отходов, получаемые в результате технологических процессов с участием топливных и сырьевых (горючих) ресурсов. ВЭР избыточного давления – газы и жидкости, обладающие потенциальной энергией, покидающие технологические агрегаты под избыточным давлением, достаточным для их дальнейшего эффективного использования. Тепловые ВЭР – это физическая теплота отходящих газов технологических агрегатов, теплота основной, побочной, промежуточной продукции и отходов основного производства, рабочих тел систем принудительного охлаждения технологических агрегатов и установок, теплота горячей воды и пара, отработанных в технологических и силовых установках. Тепловые ВЭР могут использоваться как непосредственно в виде теплоты, так и для раздельной или комбинированной выработки теплоты, электроэнергии в утилизационных установках. К тепловым ВЭР газотранспортной системы относится высокопотенциальная теплота уходящих газов ГТУ, которые используются для привода ГПА, а также низкопотенциальная теплота охлаждающего воздуха после аппаратов воздушного охлаждения компримируемого газа. К ВЭР избыточного давления относится потенциальная энергия транспортируемого по магистральному газопроводу газа [3, 4]. На сегодняшний день КПД газотурбинных установок, эксплуатируемых в отечественной газотранспортной системе, лежит в пределах 26-39 %. Таким образом, только до 39 % энергии сжигаемого газового топлива совершает полезную работу, а 61 % энергии в виде теплоты теряется вместе с выхлопными газами. Температура выхлопных газов газоперекачивающих агрегатов достигает 500÷550 0С, а в некоторых случаях и выше. Большая их часть выбрасывается в атмосферу, и лишь малая доля задействована для обогрева собственных зданий компрессорных станций или используется в рекуператорах. Использование теплоты выхлопных газов ГПА возможно для выработки электроэнергии на собственные нужды компрессорных станций. Полученную электроэнергию так же можно использовать в электроприводных агрегатах, тем самым обеспечивая меньшее потребление топлива в процессе транспортировки природного газа. Кроме этого такое решение позволит снизить выбросы загрязняющих веществ в атмосферу. Для этих целей перспективным является использование установок, работающих на органическом цикле Ренкина. Органический цикл Ренкина - это термодинамический замкнутый цикл, конвертирующий тепло в работу. Тепло подается во внешне замкнутый цикл, в котором в качестве рабочего тела используется органическая жидкость. Внедрение утилизационного комплекса на основе органического цикла Ренкина позволит вырабатывать дополнительную электроэнергию (рис. 1.1), которая будет использоваться для покрытия собственных нужд компрессорной станции. Схема распределения энергии топливного газа без утилизации. Схема утилизации тепла выхлопных газов ГПА с помощью утилизационного комплекса. Рис. 1. Схема распределения энергии топливного газа для ГТУ с эффективным КПД 35%. В последнее время в системах утилизации тепла находят применение паротурбинные установки, в которых в качестве теплоносителя применяется не водяной пар, как в традиционной паротурбинной технологии, а так называемые НРТ (низкокипящие рабочие тела). Это различные органические и синтетические вещества, температура кипения которых значительно ниже 100 °С - температуры кипения воды. Такие установки называются ОЦР (Органический Цикл Ренкина или ORC – Organic Rankin Cycle). Органический цикл Ренкина реализуется с помощью паровой турбины для преобразования тепловой энергии в механическую работу генератора. Вместо водяного пара в системе ОЦР используют НРТ, которые имеют достаточно высокие давления насыщенных паров при низких температурах, и поэтому давно привлекают внимание разработчиков в различных областях энергетики. Теплота парообразования у органических веществ ниже, а температура рабочего тела гораздо ближе к температуре выхлопных газов ГТУ по сравнению с температурой водяного пара. Отличие классического парового цикла от органического цикла Ренкина видно при сравнении Т-S диаграмм (зависимость температуры от энтропии) на Рис. 2. Рис. 2. Т-S диаграмма классического парового цикла и органического цикла Ренкина. Для парового цикла тепла на подогрев тратится меньше, чем на образование пара. Во время расширения в паровой турбине пар становится влажным, и чтобы на последних лопатках конденсационной турбины не происходила эрозия лопаток, применяется перегрев пара и глубокий вакуум. Это приводит к тому что при конденсации пара остается большое количество тепловой энергии, которая с помощью охлаждающих устройств выбрасывается в атмосферу. Для органического цикла затрачивается много тепла на подогрев теплоносителя, а на превращение жидкой фазы в газообразное состояние - затраты минимальные. Поэтому потери в охлаждающем устройстве меньше, чем для парового цикла. В сравнении с паротурбинным циклом турбодетандер и трубопроводы, применяемые в органическом цикле, имеют меньшие размеры при одинаковой вырабатываемой электрической мощности. Давление в конденсаторе выше атмосферного, поэтому отпадает необходимость в паровых эжекторах для поддержания вакуума. Кроме того, лопатки турбодетандера будут короче, чем у паровой турбины. Для конденсации НРТ обычно применяются агрегаты воздушного охлаждения, то есть безводная технология. Это особенно важно для тех районов, где ощущается дефицит воды. Кроме того, отсутствие воды в качестве охлаждающей жидкости исключает опасность обмерзания охлаждающих устройств в зимнее время, что имеет существенное значение для регионов с низкой температурой окружающего воздуха в зимний период. Схема системы утилизации тепла на основе органического цикла Ренкина представлена на Рис. 3. Основные её части - это термомасляный утилизационный котёл, турбодетандер с электрогенератором и различные теплообменные блоки (испаритель, подогреватель, рекуператор и воздушный конденсатор). Рис 3. Схема системы утилизации тепла Выхлопные газы от ГТУ поступают в термомасляный котёл. В первичном контуре системы применяется термическое масло. Это вызвано тем, что большинство НРТ - горючие вещества, а температура выхлопных газов у современных ГТУ достигает 500÷550 0С. Термомасло более устойчиво к высоким температурам. Температура термического масла на входе в утилизационный котёл находится в пределах 90-130°С, на выходе - 280-310°С. Нагретое масло передаёт тепло НРТ в подогревателе и испарителе. Здесь происходит процесс парообразования - из жидкого состояния органическая жидкость переходит в газообразное, и по трубопроводу направляется в турбодетандер. Расширяющийся газ в турбине вращает генератор который вырабатывает электроэнергию. Отработавшее после турбины НРТ поступает в рекуператор и далее в воздушный конденсатор. После конденсатора оно насосами направляется в пароперегреватель, где подогревается до 220-250°С и затем снова направляется в турбину. В связи с ростом цен на органическое топливо важнейшим фактором снижения себестоимости производства продукции и повышения её конкурентоспособности во всех отраслях промышленности является энергосбережение. Одним из основных направлений которого является использование низкопотенциальной энергии промышленных предприятий и компрессорных станций магистральных газопроводов. Решение данного вопроса сдерживается недостатком на энергетическом рынке установок, позволяющих утилизировать тепловую энергию с низкими параметрами теплоносителей. В работе проведен анализ возможности утилизации теплоты уходящих газов газоперекачивающих агрегатов компрессорных станций отечественного газопровода. Перспективным в данном направлении является использование ОЦР-установок для выработки электроэнергии на собственные нужды станции. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ Городов Р.В. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии: учебное пособие / Городов Р.В., Губин В.Е., Матвеев А.С. – 1-е изд. – Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2009. -294 с. Кишкин А.А., Черненко Д.В., Ходенков А.А., Делков А.В., Танасиенко Ф.В. Разработка установок-утилизаторов низкопотенциального тепла на основе органического цикла Ренкина // Альтернативная энергетика и экология – 2013, № 14 (136). – С. 57-63. Лыков А.В. Выбор и расчетное обоснование характеристик утилизационной паротурбинной установки для выработки электроэнергии на собственные нужды газоперекачивающих компрессорных станций. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Санкт-Петербургский государственный политехнический университет, 2014. Рассохин В.А., Забелин Н.И., Лыков А.В., Оценка располагаемой тепловой мощности уходящих газов газоперекачивающих агрегатов единой системы газоснабжения России: Статья / – Научно-технические ведомости CПбГПУ. 2013. – 9с. Основы энергосбережения: учебник / Щелоков Я.М., Данилов Н.И.; под ред. Данилова Н.И. Екатеринбург: ГУ СО «Институт энергосбережения», 2008. 526 с. Ilya S. Elagin RELEVANCE FOR APPLICATION UTILIZATION PLANTS FOR CONVERTING HEAT EXHAUST GASES GAS TURBINES INTO ELECTRICAL ENERGY Currently, there is the problem of the low level of use of RES (secondary energy resources) industry and in particular the exhaust gas turbine units of gas compressor station. One of the ways to solve this problem is the use of various embodiments utilizing plants for the conversion of high-grade thermal energy secondary flue gas turbine plant into electrical energy, wherein a working fluid used as organic liquids, such plants are operated based on ORC (Organic Rankine Cycle). Key words: recycling, energy conservation, secondary energy resources, gas turbines, Organic Rankine Cycle. Ю.А. Каграманов, В.Г.Тупоногов, А.Ф.Рыжков, Е.В.Черепанова, Е.С.Лабинцев, М.И.Ершов ЧИСЛЕННОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ КИНЕТИКИ ТОНКОЙ СУХОЙ СЕРООЧИСТКИ Сорбенты на основе оксида цинка активно используются в системах тонкой сероочистки, позволяя очищать синтез газ от сероводорода до 1-100 ppm, что необходимо для работы газовой турбины в парогазовых циклах с внутрицикловой газификацией твердых топлив [1, 2, 3]. Для расчетов узлов системы тонкой сероочистки газов необходима компьютерная модель, которая могла бы подробно описывать химические реакции в многофазных дисперсных потоках. Такая модель заложена в основу пакета программ Ansys Fluent. Компьютерное моделирование гидродинамики многофазных потоков и химических реакций в ней позволяет проводить расчеты реакторов разных типов (плотный слой, пузырьковый кипящий слой, циркуляционный кипящий слой), осуществлять подробную визуализацию процессов происходящих в них (распределение объемных долей фаз с течением времени, изменение поля скоростей фаз, распределение массовых и мольных долей продуктов и реагентов в объеме аппарата с течением времени) [4]. Осуществление расчетов для сложных систем возможно только после верификации компьютерного моделирования на более простых аналогах. В данной статье представлено сравнение экспериментов, проведенных на аппарате термогравиметрического анализа (ТГА) с кварцевым реактором, с результатами моделирования. В работах [5, 6, 7] показано, что реакция поглощения сероводорода оксидом цинка является реакцией первого порядка и описывается моделью «уменьшающегося ядра» (Shrinking Core Model) [8]. На рис.1 показана общая схема модели. Рис.1. Схема модели уменьшающегося ядра (Shrinking Core Model). 1 – диффузионный слой газа, 2 – реакционный слой, состоящий из оксида и сульфида цинка, 3 – ядро, состоящее из оксида цинка. Частица состоит из ядра с долей оксида цинка в нем 1, реакционного слоя, состоящего из сульфида цинка и оксида цинка и из слоя газа вокруг частицы. Уравнение массообмена для этой модели может быть описано следующим выражением [8]: , где С другой стороны, это же уравнение можно записать, как Значение может быть зафиксировано чувствительными весами термогравиметрического анализатора. В экспериментальных исследованиях [6] через реактор внутренним диаметром 2 см продувался азот с содержанием сероводорода 200 – 1000 ppm. Реактор заполнялся слоем ZnO с высотой насыпного слоя 64 мм. Эксперименты проводились с варьированием диаметров сорбента в пределах 0,09 – 0,25 мм. По изменению массы засыпки в ТГА определялось значение прореагировавшего оксида цинка. Объемный расход газа 200 – 600 мл/мин. Температура в реакторе 300 – 600 0С. Принципиальная схема экспериментов приведена на рис. 2. Рис.2. Принципиальная схема экспериментального стенда. 1 – баллон с H2S; 2 – баллон с N2; 3 – баллон с дополнительным газом (H2O, CO2, SO2, COS, CO. В данном эксперименте линия дополнительного газа не использовалась); 4 – редуктор H2S; 5 – редуктор N2; 6 – редуктор дополнительного газа; 7 – газоанализатор на входе в реактор; 8 – газоанализатор на выходе из реактора; 9 – навеска с образцом (ZnO); 10 – корпус реактора; 11 – весы; 12 – расчетный блок. В основе расчетов лежит ламинарная модель конечных элементов [5]. Данная модель актуальна для медленных реакций, какой является реакция между оксидом цинка и сероводородом. В общем, реакцию r в клетке i можно описать следующим уравнением: Скорость образования компонента для всех реакций в i-й клетке описывается следующим уранением: Скорость образования компонента в i-й клетке для необратимой реакции под номером r может быть выражена, как В необратимых реакциях либо равны 1. Скорость образования компонента в i-й клетке для обратимой реакции под номером r может быть выражена, как Элементарный объем расчетной сетки можно выразить, как Масса твердой фазы складывается из массы оксида и сульфида цинка , с другой стороны . Так же и , где - молярная масса оксида цинка, - молярная масса сульфида цинка. Используя гидродинамический решатель Ansys Fluent рассчитывались - объемная доля твердой фазы и - объем расчетной клетки. При помощи химического решателя Ansys Fluent определяли - массовую долю оксида цинка в твердой фазе в объеме аппарата. Сравнение результатов моделирования и экспериментов [6] производилось по коэффициенту , характеризующего количество прореагировавшего оксида цинка. Данный коэффициент может быть выражен формулой: , где Масса оксида цинка в клетке определяется по формуле: . В начальный момент времени, когда реакции в клетках еще не начались значение =0. С течением времени оксид цинка будет вступать в реакцию с сероводородом, и, следовательно, будет расти. Расчетные значения коэффициента , полученные для диаметров частиц 0,09 – 0,250 мм при одинаковом с экспериментом [6] расходах газа в диапазоне температур 300 – 600 0С, достаточно хорошо совпадают с экспериментальными, рис.3. Рис.3. Расчетные зависимости концентрации прореагировавшего оксида цинка с течением времени при разных температурах в реакторе в сравнении с экспериментом [6]. Несмотря на то, что коэффициент скорости реакции на поверхности ядра оксида цинка зависит только от температуры, поток массы сероводорода идущего на образование сульфида цинка зависит от колебаний порозности слоя. На рис.4 изображен переход слоя сорбента в псевдоожиженное состояние. На 5 секунде прекращался лишь рост высоты слоя, а колебания порозности слоя продолжались до конца опыта. Рис.4. Распределение объемных долей твердой фазы в объеме слоя при переходе в псевдоожиженное состояние. Красному цвету соответствует значение 0,7; синему – 0; желтый – 0,5; зеленый – 0,3 – 0,2. Уравнение массообмена на поверхности ядра оксида цинка может быть выражено следующим выражением: Расчетные значения в слое колеблются в пределах примерно от 0,1 до 0,7 в разных точках объема аппарата. Значение 0,1 соответствует пузырю, 0,7 – наоборот скоплению частиц. В клетках расчетной сетки, где есть скопление частиц, концентрация сероводорода понижена, т.к. газ поглощается оксидом цинка, в пузырях концентрация сероводорода выше. Поэтому концентрация сероводорода меняется по высоте слоя, как и концентрация образовывающегося пара и сульфида цинка, что можно видеть на рис. 5. Рис.5. Распределение массовых долей водяного пара и сульфида цинка в объеме реактора с течением времени Таким образом, выполненные расчеты позволили смоделировать физическое взаимодействие частиц сорбента и газа и определить распределение объемных долей твердой фазы и количество прореагировавшего оксида цинка с течением времени в объеме установки при различных температурах реакционного объма.

Похожие:

	Психолого-педагогическая диагностика Зав каф общей и клинической психологии Волгоградского государственного медицинского университета, доктор социологических наук, профессор...		Санкт петербургский государственный университет аэрокосмического... Научный редактор д т н., проф зав кафедрой электронной коммерции и маркетинга гуап а. П. Ястребов
	Е. В. Тихонова английский язык для самостоятельной работы студентов учебное пособие Омск Новикова Т. А., д пед н., профессор, зав каф русского и инocтранных языков Омского государственного университета путей сообщения		Российской Федерации Федеральное государственное образовательное... Петренко И. М., зав кафедрой экономической теории, д-р экон наук профессор Дулин М. П., зав кафедрой педагогики и психологии, д-р...
	Дипломная работа : правила написания, оформления и защиты: Учеб пособие. Тюмень Научный редактор Заслуженный деятель науки рф, доктор социол н., профессор А. Н. Силин		Тайны и явь воспитания Научный редактор: доктор философских наук, доктор медицинских наук, академик раен, профессор Б. А. Астафьев
	С. В. Кортунов ...		С. В. Кортунов россия в мировой политике после кризиса1 ...
	Книга подготовлена на основе разработанного автором «Паспорта физического здоровья учащегося» В. К. Бальсевич член-корреспондент рао, д-р биол наук, профессор ргуфк, шеф-редактор журнала «Физическая культура: воспитание, образование,...		Российской Федерации Дальневосточный государственный университет... Л. П. Бондаренко, канд филол наук, профессор; Л. Е. Корнилова, старший преподаватель; Н. С. Морева, канд филол наук, профессор, М....