WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     ||
|

Полные потери давления в секции воздуховода могут быть рассчитаны по зависимости

рд =,

где lэ — эквивалентная (по аэродинамическим потерям в местных сопротивлениях) длина воздуховода.

Поскольку значение слабо зависит от диаметра (), значение может быть найдено по среднему значению, обычно близкому к 0,015, по отношению.

Использование этого приема позволяет сохранить без изменения весь последующий алгоритм расчета, где вместо lр далее в формулах потери давления следует использовать lр = l + lэ. Таким образом, предложенный подход к оптимизации воздуховодов из нержавеющей стали (гладкий режим сопротивления) и из конструкционной стали Ст-3 (квадратичный режим сопротивления) отражают влияние местных сопротивлений путем введения в анализ расчетной длины lр

lр = l + l + 70d,

где — суммарное значение коэффициентов местных сопротивлений в границах рассматриваемой секции воздуховода; l — геометрическая длина секции воздуховода.

Задача оптимизации состоит в том, чтобы, варьируя диаметрами всех (или некоторых) составляющих системы воздуховодов (рис. 1), привести к минимуму суммарные затраты для заданного расхода воздуха Q и его составляющих qi в точках раздачи, которые сохраняются заданными.

Капитальные затраты на изготовление и монтаж воздуховодов связаны, прежде всего, с весом металлоконструкций воздуховода, который зависит от диаметра воздуховода d, толщины его стенки и протяженности l.

Избыточное давление воздуха ррасч внутри воздуховода

ррасч = ghг + ра + а(2пов + кран + вх + дл),

где пов, кран, вх, дл — коэффициенты местных сопротивлений для рассматриваемых секций.

При глубине hг36 м первое слагаемое этого выражения оценивается средним значением 45 кПа, значение ра для мелкопузырчатых аэраторов близко к 7,5 кПа, третье слагаемое равно 4,4, что при скорости в отводе 10 м/с составляет 220 Па, последнее слагаемое при vс15 м/с и 40 составит 116 Па; при 100 это слагаемое возрастет до 290 Па. Оценочные величины потерь давления в элементах секции приведены в следующей таблице.

1.

Преодоление гидростатического давления воды

45 кПа

2.

Потери на аэраторе

7,5 кПа

3.

Местные потери в отводе-опуске и потери по длине секции воздуховода

0,22 кПа

4.

Потери по длине секции

0,10,3 кПа

Основная часть потерь давления (до 85%) расходуется на преодоление гидростатического противодавления воды в связи с заглублением аэратора, 14% потерь давления связано с прохождением воздуха через аэратор и только около 1% потерь связано с аэродинамическим сопротивлением отвода и секции воздуховода. Полученные количественные характеристики потерь давления показывают на целесообразность отдельного дополнительного рассмотрения вопроса, связанного с заглублением аэратора, и факторов, влияющих на потери давления непосредственно в самом аэраторе; эти задачи представляют самостоятельный интерес и выходят за рамки настоящей работы.

Вес металла в рассматриваемой секции воздуховода

G,

где: Ст — технологическая добавка к расчетной толщине стенки;

рг — гидростатическое давление водяного столба над аэратором;

ра — перепад давления на аэраторе;

ро — потери давления в отводе с учетом принадлежащих ему местных сопротивлений (вход, повороты, кран-регулятор и т. п.);

рз — запас избыточного давления в воздуховоде;

р — допускаемое напряжение на растяжение.

Эксплуатационные расходы на обслуживание секции воздуховода за время Т лет его эксплуатации

Стоимость (капитальные затраты) "условной" воздуходувной установки мощностью Nс для прокачки воздуха по секции воздуховода, включая стоимость подключения мощности к энергоснабжающей организации, запишется в виде:

S1T мgdl[Стd + (рг + ра + ро + рз) +,

где S1Т — удельная стоимость материала воздуховода.

Используя приведенные выше выражения, получаем:

,

где т — толщина стенки.

С течением времени имеют место весьма заметные изменения стоимостных параметров. «Локомотивом» таких изменений в настоящее время являются энергоносители, для данной задачи — тариф на электроэнергию. Одновременно с этим имеется отчетливая тенденция роста цен на металл и металлоконструкции, технологическое оборудование, в том числе и на воздуходувки, рост стоимости ремонтно-эксплуатационных услуг.

Рассмотрим, каким образом необходимо скорректировать методику оптимизационного расчета с учетом этих экономических тенденций.

Закономерность изменения тарифов на электроэнергию будет выражаться (аналогично «сложному проценту») следующим образом (рис. 2)

.

Рис. 2. Изменение тарифа на электроэнергию;

1 — • фактический тариф

2 — + расчет по сложным процентам Э1к = Э1 (1 + n)t при n = 0,084; t — число лет

Принимая во внимание фактические данные по тарифам за электроэнергию за 4-летний период с 2003 по 2007 гг., найдем:

=1,381,

откуда n = 0,084.

= 686,7.

При постоянном тарифе и расчетном сроке эксплуатации 50 лет затраты на электроэнергию составят 50 Э1; то есть затраты с учетом реального темпа инфляции будут в 13,73 раза выше. Эта оценка получена для рассмотренных конкретных условий и срока службы системы. Для других условий это соотношение должно уточняться.

Затраты на эксплуатацию воздуховода за все время его работы:

что в 3,12 раза превышает эксплуатационные расходы, определенные без учета инфляционного процесса.

Решение задачи при этом сводится к отысканию аналитических зависимостей, связывающих составляющие суммарных затрат с ключевым параметром оптимизируемой воздухоподающей системы — диаметром воздуховодов.

Капитальные затраты на сооружение воздуховода

.

Капитальные затраты на "условную" воздуходувную установку для прокачки расхода Qр с по секции с учетом стоимости подключения

.

Эксплуатационные расходы на оплату электроэнергии с учетом инфляционных тенденций

.

Эксплуатационные расходы на ремонтно-восстановительные работы по секции воздуховода с учетом планового уровня инфляции

.

Дифференцируя полученные затраты по переменной d и приравнивая к нулю сумму производных, получаем следующее уравнение для нахождения оптимального диаметра воздуховода, которое с учетом стоимостных показателей приводится к виду

.

Решение уравнения выполнялось графоаналитически (рис. 3) сопоставлением логарифмов от левой части (lg Л) и правой части (lg П) уравнения при разных расходах. Оптимальный диаметр определялся из условия равенства этих логарифмов.

В третьей главе на основании анализа, выполненного в главе второй, определены оптимальные параметры воздуховодов аэротенков для различных расчетных ситуаций.

Полученные данные показывают — оптимальные диаметры воздуховодов связаны со сравнительно невысокими скоростями движения воздуха. При этом толщина стенок воздуховода даже с учетом технологических добавок остается близкой к 1 мм.

Учет изменения тарифов, выполненный выше, позволяет получить следующее оптимизационное уравнение, учитывающее рост тарифов на электроэнергию 8,4% в год и рост затрат на ремонтно-эксплуатационные работы на 4% в год, который соответствует плановому росту инфляции

.

Прямое определение оптимального диаметра воздуховода из конструкционной стали с учетом нарастания шероховатости во времени, а также экономических инфляционных тенденций, стоимостных и эксплуатационных показателей, может производиться также по следующей зависимости:

d0 =.

Результаты определения диаметров воздуховодов с применением разработанной методики представлены в обобщенной форме на рис. 4. Данные показывают, что характер зависимости оптимальных диаметров воздуховодов от расхода и толщины стенки для всех расчетных случаев остаются идентичными, причем количественные расхождения тоже невелики.

Рис. 3. Графоаналитическое решение оптимизационного уравнения
(воздуховоды из нержавеющей стали с учетом технологических добавок)

Рис. 4. Характер изменения оптимальных параметров воздуховодов
из нержавеющей и конструкционной стали с учетом инфляционных тенденций

Выполненные оценочные расчеты показывают, что даже незначительное отступление от определенного расчетом оптимального диаметра воздуховода приводит к существенному возрастанию суммарных затрат (рис. 5), что указывает на целесообразность выполнения оптимизационных расчетов при проектировании строительства или реконструкции воздухоподающих систем станций биологической очистки сточных вод.

Рис. 5.

Четвертая глава посвящена описанию опыта реконструкции аэрационных воздуховодов сооружений биологической очистки сточных вод, в частности, Люберецких очистных сооружений, при проектировании которых были использовании рекомендации, разработанные в настоящей диссертации.

В современной практике при реконструкции и оценке материальных затрат важным является выбор материала воздуховодов. Технологическая непривлекательность и экономическая неэффективность применения малоуглеродистых и низколегированных сталей для воздухораспределительных систем очистных сооружений общеизвестны. Поэтому МГУП "Мосводоканал" по согласованию с соискателем как с одним из непосредственных исполнителей работ по реконструкции системы подачи и распределения воздуха приняло решение об изготовлении труб для воздуховодов при реконструкции ЛОС из нержавеющих сталей аустенитного класса — 08Х18Н9 и 08Х18Н10Т.

Переход на изготовление воздуховодов из нержавеющей стали увеличивает затраты, поскольку она в 5-6 раз дороже, чем углеродистая сталь. В то же время толщина стенки воздуховода за счет оптимизации конструкции уменьшается в 2 раза, что сокращает разницу в стоимости. В результате увеличение первоначальных капитальных вложений на изготовление воздуховодов компенсируется снижением затрат на монтаж вследствие уменьшения массы воздуховодов. Срок службы изделия увеличивается до 50 лет и более при практически полном отсутствии затрат на эксплуатацию и ремонт воздуховодов.

Прочность трубы воздуховода может быть повышена, если к конструкции трубы присоединить угловые профили (рис. 6; предложение соискателя с соавторами защищено патентом РФ).

Технологические мероприятия реализованы при проектировании и строительстве нового блока биологической очистки на Ново-Люберецких очистных сооружениях.

Рис. 6. Схема сечения трубы с обтекателем

В Приложении помещена «Методика расчета воздуховодов на прочность и жесткость», разработанная под руководством и при непосредственном участии соискателя. В Приложение включены разделы: расчет труб воздуховодов на действие внутреннего давления; методика расчета труб воздуховодов на изгиб и выбора расстояния между опорами; особенности расчета труб с обтекателем (патент, полученный соискателем в соавторстве); методика расчета изменения сечения труб воздуховодов.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Установлены аналитические и графические зависимости между технологическими, энергетическими и экономическими параметрами, характеризующими процесс подачи воздуха в аэротенки. Полученные зависимости позволяют выполнить необходимые оптимизационные расчеты, в том числе определить диаметры воздуховодов и толщину их стенок, оценить изменения шероховатости внутренних поверхностей труб и учесть местные сопротивления и другие факторы. Расчеты могут быть выполнены для различных условий, в том числе с учетом и без учета инфляции.

2. Создана математическая модель системы подачи воздуха в аэротенки, позволяющая учитывать изменение во времени ее основных параметров и показателей.

3. На основе созданной математической модели разработана методика выполнения оптимизационных расчетов, позволяющая определить техническую и экономическую целесообразность применения воздуховодов из некорродирующих материалов, например нержавеющих сталей. Разработанная методика впервые учитывает влияние инфляционных процессов (в частности, рост тарифов на электроэнергию) на изменение эксплуатационных затрат.

4. Показано, что при определенных условиях (соотношении капитальных и эксплуатационных затрат), с учетом долговременных экономических факторов (в частности, инфляции) в системах подачи и распределения воздуха целесообразно использовать более дорогие воздуховоды из некорродирующих материалов (например, из нержавеющих сталей), обеспечивающих высокий технологический и энергосберегающий эффект за счет предотвращения закупорки аэраторов продуктами коррозии.

5. Показано, что применение нержавеющих сталей для изготовления воздуховодов позволяет снизить их диаметр на 15-20%, а толщину стенок в 2-2,5 раза. Снижение диаметров и стенок воздуховодов существенно снижает стоимость строительно-монтажных работ, а долговечность нержавеющих сталей — стоимость ремонтных и восстановительных работ.

6. Разработана методика расчета воздуховодов на прочность и жесткость с учетом их расположения внутри производственных помещений и на открытом воздухе, с учетом действия климатических факторов (ветер, снегопад, обледенение).

7. С использованием результатов исследований, впервые в практике отечественного водоотведения, создана система подачи и распределения воздуха с использованием нержавеющих воздуховодов на Ново-Люберецких очистных сооружениях, на очистных сооружениях ГУП "Водоканал" г. Подольска.

Основные положения диссертации изложены в работах:

Pages:     ||
|



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.