Согласно «Энергетической стратегии России на период до 2030 года», основную часть электроэнергии планируется по-прежнему получать за счет выработки ее на тепловых электростанциях [10]. При этом при производстве электроэнергии в нашей стране в 2010 г. доля природного газа составила 49,8 %, а угля - 22,3 %. Это свидетельствует о том, что уголь как топливо будет еще долгое время занимать значительную долю в топливно-энергетическом балансе нашей страны. Необходимость использования угля с учетом существующих экологических требований приводит к необходимости создания и использования экологически чистых угольных технологий, обеспечивающих высокую полноту использования топлива при минимальной нагрузке на окружающую среду [3-4].
Таким образом, становится актуальным использование твердого топлива для приготовления водоугольных суспензий (ВУС), ведь такие суспензии обладают рядом преимуществ, свойственных жидким горючим веществам: их можно легко транспортировать по трубам на большие расстояния, распылять из форсунок в топках, хранить и перекачивать так же, как жидкое топливо. Заинтересованность в энергетическом использовании водоугольного топлива связана также с возможностью минимизации затрат на его транспортирование. По мнению авторов, централизованное производство ВУС в районе добычи угля с доставкой по трубопроводу остается единственной возможностью компенсировать убытки в процессах приготовления и сжигания [8].
Исследования в области использования водоугольных суспензий (водоугольных топлив) в настоящее время проводятся достаточно активно. В ряде работ российских ученых [1, 7, 9] показана экономическая эффективность использования ВУС, которая возрастает при увеличении объема производства и дальности его гидротранспорта. В то же время существующие инженерные методики и методы расчета гидротранспорта ВУС на промышленных котельных и ТЭС не учитывают режимы работы и взаимное расположение оборудования, что не позволяет с достаточной степенью точности определить затраты энергии на транспортировку ВУС. Связано это с отсутствием достаточного количества экспериментально-расчетных данных, обобщение которых позволит получить зависимости, пригодные для инженерного расчета с высокой степенью достоверности по отношению к реальным процессам.
Работа посвящена анализу и предварительной оценке результатов экспериментальных исследований гидротранспорта ВУС. Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки РФ (госконтракты № 02.740.11.0753 и №П1014 в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы) и Российского фонда фундаментальных исследований (грант № 12-08-97055-р_поволжье_а).
Экспериментальный стенд и условия проведения эксперимента
Для физического моделирования процессов гидротранспорта ВУС разработан и собран экспериментальный стенд, принципиальная схема которого представлена на рисунке 1 [5, 6].
Принцип работы экспериментального стенда следующий. Водоугольная суспензия из емкости (поз. 1) перистальтическим насосом (поз. 3) подается через успокоительную камеру (поз. 5) на рабочий участок (поз. 7), располагаемый на стапель-установке (поз. 8). Давление замеряется на входе и на выходе рабочего участка преобразователем давления (поз. 6). При помощи термопреобразователя (поз. 4) определяется температура ВУС. Нагрев ВУС осуществлялся при помощи кожухотрубчатого теплообменника (поз. 9). Частотный преобразователь (поз. 10) используется для регулирования расхода суспензии. Показания температуры и давления передаются на измеритель-регулятор (поз. 11).
В ходе эксперимента проводилась оценка влияния изменений температуры суспензии и угла подъема b рабочего участка (рисунок 2) на перепад давления. Экспериментальное исследование проводилось для водоугольной суспензии с 50 % содержанием угля. Температура суспензии t изменялась в диапазоне от 30 до 60 0С, который обусловлен возможными эксплуатационными параметрами. Контроль температуры производился термопреобразователем, установленным перед рабочим участком. Эксперимент проводился для ламинарного режима течения ВУС. Потери давления регистрировались преобразователями давления.
1 - бак (V=200 л); 2 - вентиль шаровый; 3 - насос перистальтический; 4 -термопреобразователь ДТС; 5 - успокоительная камера; 6 - преобразователь давления; 7 - рабочий участок; 8 - установка стапель; 9 - блок нагрева; 10 - частотный преобразователь;11 - измеритель-регулятор.
Рисунок 1. Принципиальная схема экспериментальной установки
Рисунок 2. Изменение угла подъема b рабочего участка
Ниже приведены диапазоны изменения варьируемых параметров:
|
Параметр |
Диапазон изменения |
|
Расход Q, м3/ч |
0,38-2,1 |
|
Скорость ν, м/с |
0,084-0,46 |
|
Число Re |
48,8-900 |
|
Температура, t, 0C |
30-60 |
|
Динамическая вязкость μ, Па*с |
0,05-0,37 |
|
Угол подъема рабочего участка b, градусов |
0-45, с шагом 150 |
Результаты экспериментальных исследований
В связи с тем, что предварительный анализ выявил значительное влияние вязкости исследуемой среды на характер происходящих процессов, до начала работы на стенде были проведены экспериментальные исследования по определению вязкости ВУС на ротационном вискозиметре Rheomat RM 100 с системой измерительных цилиндров «din 1-3». Результаты экспериментальных исследований представлены на рисунке 3 как зависимости вида μ=f(γ,t), где γ - скорость сдвига, с-1; t - температура суспензии,0С.
Рисунок 3. Зависимость вязкости (μ) ВУС от скорости сдвига (γ)
Для применения полученных значений μ была использована зависимость между ν и γ, имеющая следующий вид γ= 
. Как видно из рисунка 3, в диапазоне температур 30≤ t ≤50 экспериментальные значения μ лежат в достаточно узком «коридоре». Дальнейшее увеличение температуры до t=600С приводит к кратному снижению значения μ, по отношению к значению вязкости при t=300С. Данный эффект ярко выражен и наблюдается для γ<6с-1. Далее при 6<γ<23 зависимость μ=f(γ,t) при разных температурных режимах, начинает асимптотически стремится к значению вязкости, близкому к μ=0,05 Па*с. В качестве предварительной оценки можно констатировать, что при малых значениях градиента скорости γ сильное влияние на величину вязкости μ оказывает температура исследуемой суспензии. Увеличение градиента скорости приводит к сильному падению вязкости и практически отсутствию влияния температуры на значение μ.
Далее на рисунках 4-5 приведены результаты экспериментальных исследований зависимости перепада давления DP, кПа и коэффициента гидродинамического сопротивления x от гидравлических режимов работы оборудования, углов подъема рабочего участка и температуры среды.
а - β = 00; б - β = 150; в - β = 300; г - β = 450
Рисунок 4. Зависимость ΔP при различных углах подъема рабочего участка b
На рисунке 4 представлена зависимость перепада давления от скорости ВУС при различных температурах и углах подъема рабочего участка. Из графика на рисунке 4а (горизонтальный участок) видно, что прирост давления в зависимости от скорости движения суспензии сильно зависит от ее температуры. Максимальный прирост давления (до 27 %) наблюдается при t=50 0С, минимальный (до 3 %) - при t=60 0С. На наш взгляд, это связано как раз с эффектом влияния температуры на вязкость ВУС: при увеличении скорости потока и одновременном росте температуры суспензии происходит своеобразная «компенсация», приводящая в пределе к относительному «постоянному» значению перепада давления ΔP независимо от ν. При подъеме рабочего участка влияние температуры на изменение ΔP снижается. Кривые лежат в более узком диапазоне относительно изменения абсолютного значения ΔP (рисунки 4б-4г), а для некоторых случаев (для t=50 0С и t=60 0С при β=150, 300, 450) значения ΔP равны и близки к константе.
а - t=300C; б - t=400C; в - t=500C; г - t=600C
Рисунок 5. Зависимость ξ от числа Re при различных углах β
Значения коэффициента гидродинамического сопротивления в трубе на практике можно определить по известному соотношению, связывающему экспериментальные данные по потерям давления в трубе из-за трения со скоростным напором движущейся жидкости [2]:
→ 
,
где L - длина трубы, м; D - гидравлический диаметр трубы, м; ν - скорость потока, м/с; ρ - плотность жидкости, кг/м3.
Полученные зависимости коэффициента гидродинамического сопротивления от числа Re при различных температурах водоугольной суспензии t и углах подъема рабочего участка β представлены на рисунке 5.
Из рисунка 5 видно, что значительное влияние на коэффициент гидродинамического сопротивления во всем рассматриваемом диапазоне чисел Re оказывает угол подъема рабочего участка β. Видно сильное влияние скорости потока на коэффициент гидродинамического сопротивления. Независимо от угла наклона, начиная со значения числа Re >500, изменения ξ минимальны.
Таким образом, можно констатировать, что независимо от рассматриваемого параметра (температура или угол подъема) графики 
имеют гиперболический характер. С увеличением скорости движения суспензии значения ξ падают, асимптотически стремясь после определенного значения числа Re к некоторому минимальному значению.
Заключение
Сопоставляя полученные экспериментальные значения перепадов давления и средних коэффициентов гидродинамических сопротивлений можно сделать вывод, что при малых скоростях на значения гидродинамического сопротивления сильное влияние оказывает температура суспензии. При более высоких скоростях большее влияние начинает оказывать угол подъема трубопровода. Таким образом, при выборе режимов гидротранспорта, в особенности в пределах котельного цеха, характеризующегося сложной траекторией трубопроводов, желательно избегать значительных углов подъемов трубопроводов и низких температур эксплуатации.
Рецензенты:
- Николаев Андрей Николаевич, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой, ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технологический университет», г. Казань.
- Кирпичников Александр Петрович, доктор физико-математических наук, профессор, заведующий кафедрой ИСУИР ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технологический университет», г. Казань.