Презентация Арсибеков ОК 6.2.22 ок

1. РАЗРАБОТКА ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ, НАПРАВЛЕННЫХ НА ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ МОБИЛЬНЫХ АРМЕЙСКИХ ТЕПЛОГЕНЕРАТОРОВ АРСИБЕКОВ ДМИТРИЙ

ВИТАЛЬЕВИЧ
Специальность – 6.2.1.

2. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования обусловлена отсутствием в структурах МЧС и
Вооруженных Сил РФ эффективных мобильных технических средств,
позволяющих купировать последствия разрушения инфраструктуры городской
системы жизнеобеспечения в результате террористических актов, диверсий или
боевых действий, и оказывающих минимальное экологически вредное
воздействие на окружающую среду. Адаптация к решению этих проблем
теплогенераторов, используемых на нефтяных промыслах, позволяет снизить
остроту проблемы.
Цель работы состоит в разработке предложений по совершенствованию
конструктивно – компоновочных схем теплогенераторов с универсальной
системой горелочного узла, работающего как на газообразных, так и на жидких
углеводородах, к использованию в составе структур гражданской защиты,
формирований вооруженных сил и подразделений МЧС, эксплуатация которых
позволила бы не только снизить экологически вредное воздействие
теплогенераторов на окружающую среду, но и улучшить их характеристики, как
по транспортабельности, так и по эффективности их эксплуатации, а также в
экспериментальном подтверждении работоспособности отдельных узлов
теплогенераторов в производственных условиях.
Объектом исследования являются конструкции и конструктивно – компоновочные
схемы теплогенераторов и их горелочных узлов, работающих на газообразном
и жидком углеводородном топливе, которые могут быть использованы в
качестве армейских теплогенераторов.
2

3.

Предметом исследования являются пути повышения эффективности
эксплуатации теплогенераторов и их горелочных устройств, используемых в
составе вооруженных сил, структур гражданской обороны и подразделений
МЧС, в направлении повышения их мобильности и снижения их экологически
вредного воздействия на окружающую среду Для достижения поставленной
цели, основываясь на принципах формирования структуры новых образцов
военной техники, необходимо разработать подходы к выбору универсального
армейского теплогенератора для подразделений для структур гражданской
защиты, подразделений войск РХБ защиты и МЧС, что соответствует п.п 8 и 10
паспорта специальности 6.2.1:
П.8. Теория, модели, методы и методика обоснования тактико-техникоэкономических требований к образцам ВВСТ, комплексам и системам военного
назначения, в том числе рекомендаций по их созданию с учетом качественного
обеспечения их боевой эффективности, живучести и стойкости к воздействию
современного оружия, высокого уровня надежности, безопасности на всех
этапах жизненного цикла, производственной и эксплуатационной надежности;
П.10. Разработка новых методов, способов, принципов и технических решений,
направленных на достижение требуемых условий эффективности боевогшо
применения, надежности и безопасности образцов вооружения и военной
техники, комплексов и систем военного назначения, их составных частей и
комплектующих изделий и материалов.
Основными узлами теплогенераторов являются: горелочные устройства,
теплообменный узел, дымовая труба. В направлении совершенствования этих
узлов по безопасному и эффективному использования теплогенераторов в
городских условиях в мирное и военное время проведены экспериментальные и
теоретические исследования результаты которых заключаются в следующем:
3

4.

Научная новизна работы заключается:
во впервые обнаруженном эффекте самоустановления вихревого движения газовой смеси
при ее поступательном перемещении по цилиндрическому каналу, в способе изучения
этого явления и в разработке технологии и устройств, ее реализующих, позволяющей
проводить обогащение забалластированного до 70 % азотом попутного нефтяного газа по
углеводородным компонентам до концентраций, необходимых при использовании его в
качестве горючего, что позволило предложить и обосновать новые технические решения по
конструкциям универсальных горелочных устройств, работающих на углеводородных
топливах трех агрегатных состояний, защищенные патентами РФ на изобретения №№
2795632, 2554684 и патентом на полезную модель № 169606;
в обосновании технических решений, защищенных патентами РФ на изобретения, по
конструктивно – компоновочным схемам теплогенераторов №№ 2591759, 2615301, в том
числе мобильных армейских теплогенераторов, обеспечивающих их высокую мобильность,
№№ 2792511, 2792716, 2792954;
в повышении эффективности эксплуатации мобильных армейских теплогенераторов за
счет снижения экологически вредного их воздействия на окружающую среду, что отражено
в конструктивно – компоновочной схеме армейского теплогенератора, путем повышения
коэффициента использования теплоты дымовых газов за счет их принудительной
турбулизации и телескопического исполнения конструкции дымовой трубы
теплогенератора, что защищено патентами РФ на изобретения №№ 2792716, 2792954, и
уточнения аналитических моделей устойчивости теплогенератора от опрокидывания или
сдвиговых перемещений под действием ветровой нагрузки за счет учета изменения
аэродинамического коэффициента по высоте дымовой трубы.
Значение результатов для теории заключается:
во впервые обнаруженном эффекте самоустанавливающегося вихревого движения
газовой смеси при ее поступательном движении по цилиндрическому каналу и разработке
способа изучения свойств, структуры и состава многокомпонентной газовой смеси при ее
движении по цилиндрическому каналу (Патент РФ на изобретение № 2795632);
в разработке конструктивно-компоновочных схем универсальных горелочных устройств,
позволяющих обогащать низкокалорийные газовые смеси по углеводородным компонентам
и не требующих при их эксплуатации газо-регулирующей аппаратуры и устойчиво
работающих в широком диапазоне изменения как давлений в газо-подводящих трактах, так
и в диапазоне изменения их расходных характеристик;
4

5.

в новых предложениях по повышению надежности эксплуатации теплогенераторов за счет
выполнения конструктивно-компоновочных схем их дымовых труб в виде телескопического
соединения отдельных ее секций, в разработке механизма управления принудительной
турбулизацией дымовых газов для повышения коэффициента использования теплоты
дымовых газов и предложениях по снижению высокотемпературного воздействия дымовых
газов на корпус теплогенератора и дымовую трубу, используя жаростойкие
профилированные пластины, а также в повышении точности модели оценки устойчивости
теплогенератора от внешнего ветрового воздействия за счет учета изменения
аэродинамического коэффициента по высоте дымовой трубы.
Практическая ценность.
Предложенные технические решения по конструкциям теплогенераторов и горелочных
устройств внедрены на десятках нефтяных промыслов как в Удмуртии, так и за ее
пределами – в Самарской области, в Оренбургской области, в Ханты-мансийском округе и
т.д. Для разработанных и внедренных теплогенераторов снижено их экологически вредное
воздействие на окружающую среду за счет полноты сгорания горючей смеси и снижения
теплового воздействия дымовых газов на тело дымовой трубы. Апробированные
технические решения теплогенераторов и их горелочных устройств позволили их успешно
использовать на месторождениях нефти для утилизации ПНГ, забалластированного до 70
% азотом.
Предложенные технические решения могут быть использованы для разделения
многокомпонентной газовой смеси на отдельные газовые компоненты: например,
природный газ может быть разделен на метан, пропан, этан и т.д. Промышленной
эксплуатацией разработанных теплогенераторов и горелочных устройств на нефтяных
промыслах подтверждена высокая работоспособность их основных узлов. Эти результаты
реализованы в предложениях по конструктивно-компоновочным схемам мобильных
армейских теплогенераторов. Использование в качестве устройства для транспортировки
теплогенератора транспортной базы пусковой установки снимаемого с боевого дежурства
мобильного грунтового ракетного комплекса расширяет спектр технических решений по
конверсионной утилизации наземного оборудования ракет.
5

6.

Автор защищает:
впервые обнаруженный эффект самоустанавливающегося вихревого движения газовой
смеси при ее поступательном движении по цилиндрическому каналу и способ изучения
структуры и состава многокомпонентной газовой смеси при ее движении по
цилиндрическому каналу;
результаты практической апробации обнаруженного эффекта самоустанавливающегося
вихревого движения газовой смеси при ее поступательном движении по цилиндрическому
каналу в технических решениях по конструкциям горелочных устройств, работающих как на
газообразных, так и на жидких углеводородах, обеспечивающих их устойчивую работу в
широком диапазоне изменения рабочего давления, подаваемого в горелки топлива, и
позволяющих обогатить по углеводородным компонентам попутный нефтяной газ (ПНГ),
забалластированный азотом до 70 %;
технические решения по конструктивно – компоновочным схемам мобильных армейских
теплогенераторов, позволяющие повысить надежность эксплуатации теплогенераторов за
счет выполнения конструктивно-компоновочных схем их дымовых труб в виде
телескопического соединения отдельных секций, механизм управления принудительной
турбулизацией дымовых газов для повышения коэффициента использования теплоты
дымовых газов и предложения по снижению высокотемпературного воздействия дымовых
газов на корпус теплогенератора и дымовую трубу, используя жаростойкие
профилированные пластины, а также модели оценки устойчивости теплогенератора от
внешнего ветрового воздействия за счет учета изменения аэродинамического
коэффициента по высоте дымовой трубы.
Методы исследований, достоверность и обоснованность результатов. Использовались
методы системного анализа, газовой динамики, теории эксперимента, теории решения
изобретательских задач. Теоретические исследования выполнялись на основе известных
законов механики жидкости и методах математического моделирования. Результаты
теоретических исследований подтверждены промышленными экспериментальными
испытаниями.
Апробация работы.
Основные положения диссертации докладывались на научно-технических конференциях и
семинарах кафедр машиностроительного факультета ИжГТУ имени М.Т. Калашникова в
2019 – 2024 годах, на международных конференциях в УдГУ (2021 г.) и ИжГТУ имени М.Т.
Калашникова (2023)..
6

7.

ГЛАВА 1. ТЕПЛОГЕНЕРАТОРЫ И ПРОБЛЕМЫ ИХ ЭКСПЛУАТАЦИИ
ВИДЫ ТЕРРОРИЗМА
Метелев С.Е., Балан О.К., Габричидзе Т.Г., Болтовский
А.В.
МЕЖДУНАРОДНЫЙ
ТЕРРОРИЗМ
ВНУТРИПОЛИТИЧЕСКИЙ
ТЕРРОРИЗМ
ОБЩЕУГОЛОВНЫЙ
ТЕРРОРИЗМ
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
ТЕРРОРИЗМ
ГРУППЫ ПРОЯВЛЕНИЯ ТЕРРОРИЗМА
По основным причинам; По методам воздействия; По идеологической
направленности субъектов; По территориальному признаку субъектов; По
возможным целям;
По масштабам терроризма; По способам
осуществления террористических актов;
По субъектам террористических
действий; По средствам, используемым для проведения террористических
актов; По объектам воздействия: инфраструктурные объекты энергетики,
транспорта, ЖКХ
ТЕПЛОГЕНЕРИРУЮЩИЕ УСТАНОВКИ (ТЕПЛОГЕНЕРАТОРЫ)
А) Теплогенерирующие установки, нагревающие воздух (армейские мобильные теплогенераторы).
Б) Теплогенерирующие установки, нагревающие жидкий теплоноситель.
1) Газовые теплогенераторы; 2) Теплогенераторы, работающие на жидком топливе;
3) Твердотопливные теплогенераторы; 4) Вихревые теплогенераторы;
7
5) Теплогенерирующие установки

8.

Рис. 1.1. - Принципиальная схема котельной установки:
1 – водопровод; 2 – катионитовый фильтр;
3 – теплообменник; 4 – колонка деаэратора;
5 – бак деаэратор; 6 – питательный насос;
7 – водяной экономайзер; 8 – питательная линия;
9 – верхний барабан; 10 – нижний барабан котла;
11 – кипятильные трубы; 12 – паропровод;
13 – пароперегреватель; 14 – паропровод перегретого пара;
15 – воздуховод; 16 – дутьевой вентилятор;
17 – воздухоподогреватель; 18 – воздуховод нагретого
воздуха; 19 – горелочное устройство;
20 – топливопровод; 21 – боров;
22 – дымосос; 23 – дымовая труба
Рис. 1.2. – Продольный разрез котельной с двумя
котлами ДКВР – 4 -13
Рис. 1.3. - Принципиальная тепловая схема ТЭЦ:
1 – питательный насос; 2 – водяной экономайзер; 3 – паровой котел;
4 – пароперегреватель; 5, 11 – паропровод; 6 – паровая турбина;
7 – электрогенератор; 8, 15 – конденсатор; 9 – обратная магистраль;
10 – регенеративный подогреватель; 12 – технологическое производство;
13, 14 – паровые подогреватели; 16 – сетевой насос; 17 – потребитель теплоты; 18 8
– система подготовки воды

9. Кормилицин В.И., Билджер Р.В., Внуков А.К., Гохгберг Ж.-Г.Л., Жихар Г.И., Котлер В.Р., Лавров Н.В., Отс А.А., Росляков П.В.,

Сигал А.И., Спейшер В.А., Тишина Т.А. Цирульников Л.М.
Рис. 1.4. – Принципиальные схемы мобильных
котельных
Рис. 1.5. – Фотография мобильной котельной установки в
разрезе
Рис. 1.6. – Фотография прицепа с мобильной
котельной установкой
9

10.

Рис. 1.7. – Облик МТУ-1600 на базе КАМАЗа
(а – вид сбоку, б- вид сверху)
[Ю.И. Правник, Р.А. Салдыков, Д.Н. Антропов]
Рис. 1.8. – Теплообменник шнековый трехступенчатый:
1 – шнек; 2 – кожух; 3 – корпус; 4 – патрубок; 5 – манжетное уплотнение;
6 – расходная шайба; 7 – расходная шайба; 8 - коллектор
Характеристики воздухоподогревателей на автомобильном шасси
Параметр
УМП – 350
(ЗИЛ – 131Н)
УМП – 350
(Урал-4320-41)
УМП – 400 (Урал-43206,
КамАЗ – 4326)
Колесная формула
6х6
6х6
4х4
Полная масса, кг
8 420
11 000
13 100
Теплопроизводительность, ккал/ч, не менее при работе с форсункой с диаметром сопла в 2,8 мм
350 000
350 000
400 000
То же, с диаметром сопла в 2.2 мм
180 000
180 000
180 000
Температура воздуха на входе в рукав для форсунки с диаметром сопла 2,8 мм
120
120
120
То же, 0С, не менее при работе с форсункой с диаметром сопла 2.2 мм
80
80
80
Температура воздуха на выходе из рукава, 0С, не менее, при работе форсунки с диаметром сопла в 2,8 мм
80…115
80…115
80…105
То же, для диаметра сопла в 2,2 мм
50…75
50…75
50…75
Продолжительность работы подогревателя по запасу топлива, ч, с форсункой с диаметром сопла в 2,8 мм
16
16
5
То же, при работе с форсункой с диаметром сопла в 2,2 мм
10
10
-
Продолжительность непрерывной работы УМП, ч
5
5
24
Число рукавов
15
15
5
Внутренний диаметр рукавов, мм
220
220
220
Длина рукава, мм
18 000
18 000
18 000
Топливо
Авиационное
Т-1
ТС – 1/
дизельное
Дизельное
Производительность вентилятора, м3/ч
16 000
16 000
16 000 …18 000
Напор вентилятора, кПа
3,5
3,5
1,2…1,6
10

11. КОНСТРУКТИВНО – КОМПОНОВОЧНЫЕ СХЕМЫ ПРОМЫСЛОВЫХ ТЕПЛОГЕНЕРАТОРОВ

Рис. 1.9. – Конструктивно –
компоновочная схема теплогенератора
Патент РФ на изобретение № 2591759
Рис. 1.10. – Устройство
горелочное теплогенератора
Патент РФ на полезную
модель № 169606
Рис. 1.11. – Конструктивнокомпоновочная схема
теплогенератора универсального
Патент РФ на изобретение
№ 2615301
Рис. 1.12. – Примеры исполнения промысловых теплогенераторов
11

12. ДОСТОИНСТВА И НЕДОСТАТКИ ОСНОВНЫХ УЗЛОВ ПРОМЫСЛОВЫХ ТЕПЛОГЕНЕРАТОРОВ

Теплогенератор и
его узлы
Общие
характеристики
теплогенераторов
Горелочный узел
Теплообменный узел
Дымовая труба
Достоинства
Недостатки
Модульные решения: горелочный узел,
теплообменный узел, дымовая труба;
простота конструкции
Плохая мобильность: необходимость привлечения для монтажа
специальной техники; низкая эффективность использования
теплоты дымовых газов; массивность основных узлов
теплогенератора; высокий экологический ущерб от работы
теплогенератора; отсутствие в теплогенераторе дегазаторов
Способность универсальных горелок
работать на газообразном, жидком и твердом
углеводородном топливе
Невозможность использования горелок для работы на попутном
нефтяном газе, забалластированном негорючими компонентами
более чем на 30 %
Отработана конструкция теплообмен-ного
узла радиаторного типа
Большая масса узла из-за промежуточного теплоносителя,
низкий коэффициент использования теплоты дымовых газов
Простота конструкции
Ограниченная длина трубы; отсутствие эффективной защиты
стенок дымовой трубы от высокотемпературных дымовых газов
Научные задачи исследования
1) обосновать новые технические решения по конструкциям универсальных горелочных
устройств для газообразных и жидких углеводородных топлив, в том числе работающих на
попутном нефтяном газе, забалластированным азотом, что позволяет снизить экологически
вредное воздействие дымовых газов на окружающую среду;
2) предложить и обосновать технические решения по перспективным конструктивно –
компоновочным схемам армейских теплогенераторов, обеспечивающих более высокий
коэффициент использования тепла дымовых газов, высокую термостойкость корпуса
теплогенератора;
3) повысить эффективность эксплуатации армейских теплогенераторов путем снижения их
экологически вредного воздействия на окружающую среду за счет телескопического исполнения
конструкции дымовой трубы теплогенератора и уточнения оценки устойчивости теплогенератора
от ветрового силового воздействия.
12

13. ГЛАВА 2. ПРИМЕНЕНИЕ ВИХРЕВЫХ ЭФФЕКТОВ В КОНСТРУКЦИЯХ АРМЕЙСКИХ ТЕПЛОГЕНЕРАТОРОВ

Вулис Л.А., Дубинский М.Г., Окино, Танигути, Ранк, Хилш, Алексеев Т.С., Дж. Томсон,
О. Рейнольдс, Кастерин Н.П., Н.Е. Жуковский, Карман, Ерченко Г.Н., Кузнецов Н.П., Храмов С.Н.
Рис. 2.1. – Типичное струйное течение при
высокой интенсивности закрутки (сильная
закрутка, S>0,6)
Рис. 2.2. – Вихревая труба:
1 – сопло; 2 – диафрагма, примыкающая к камере;
3 – вентиль; 4 - камера
Рис. 2.3. – Схема вихревой трубы:
1 – гладкая цилиндрическая труба; 2 – тангенциальное сопло; 3 – входная улитка;
4 – диафрагма; 5 – дроссельный кран (вентиль)
13

14.

Рис. 2.4. – Схема устройства для извлечения тяжелых
компонентов газовой смеси из периферийного потока
[патент РФ на изобретение № 2531168]:
1 – корпус; 2 – многозаходный шнек-завихритель;
3 – центральное тело; 4- штанга; 5 – ребра;
6 – щели; 7 – камера – коллектор; 9 – патрубок.
Рис. 2.5. - Разрез устройства по сечению А-А по
рисунку 2.4 [патент РФ на изобретение
№ 2531168]:
1 – корпус; 4 – штанга; 5 – продольные ребра;
6 – продольные щели; 7 – кольцевая камераколлектор
Рис. 2.6. - Схема устройства для извлечения легких
компонентов газовой смеси из центрального потока [патент
РФ на изобретение № 2531168]:
1 – корпус; 2 – многозаходный шнек – завихритель;
3 – центральное тело;4 – штанга; 5 – продольные ребра;
10 – патрубок; 11 – зазор; 12 - обечайка
Рис. 2.7. - Разрез устройства по сечению Б-Б по
рисунку 2.6 [патент РФ на изобретение № 2531168]:
1 – корпус; 5 – продольные ребра; 9 –выходной
патрубок; 10 – патрубок; 12 – цилиндрическая
обечайка
14

15. Патент РФ на изобретение № 2795643

Рис. 2.8. – Схема экспериментального устройства для исследования
свойств вихревых течений в цилиндрических каналах
1 – газовая емкость; 2 – газоходы; 3,8 – электро-пневмо клапан;
4 – редуктор; 5 – расходная шайба; 6 – тройник; 7,9 – патрубок;
10 – гибкий трубопровод; 11 – завихритель потока; 12 – цилиндрический
канал; 13 – система диагностики потока; 14 – шарнир.
Рис. 2.10. - Схема устройства, предназначенного для диагностики воздушных
вихревых потоков и тестирования завихрителей воздушного потока:
32 – электрический двигатель; 33 – нагнетательный вентилятор;
34 – конфузор; 35 – узел ламинаризации потока; 36 – завихритель потока;
37 – оптически прозрачный цилиндрический канал; 38 – система
диагностирования потока; 39 – траверса; 40 – шарнир; 41 - опора
Рис. 2.9. – Схема диагностики
закрученных (вихревых)
газовых потоков:
15 – корпус канала; 16 – отверстия;
17,18,22,24 – зонды; 19 – датчики
давления; 20,21,30 – усилители
сигнала;
21 – регистрирующая аппаратура;
23 – газоанализаторы;
25,26 – шелковые нити;
27 – видеокамеры; 28 – фотоаппараты;
29 – датчики перепадов давления;
31 – V-образные манометры
15

16.

Рис. 2.11. – Фотографии элементов экспериментального устройства
В горелках происходит обогащение ПНГ: при осевой подачи ПНГ в канал горелки, за счет
естественных физических процессов возникает вихревое движении смеси при ее
движении по каналу горелки. Реализация установившегося вихревого движения будет
происходить при вертикальном установлении горелок и при длине трактов горелок
превышающим 15 калибров их проходного внутреннего сечения.
Рис. 2.12. – Конструктивно-компоновочная схема горелки:
1 – специальная насадка (индивидуальная конструкция);
2 – ствол газа I-ого потока; 3 – ствол газа II-ого потока;
4 – коллектор; 5 – форсуночные каналы;
Рис. 2.13. – Фотография универсальной горелки
16

17.

Рис. 2.14. – Конструктивно-компоновочная схема горелки:
1 – горелка; 2 – кожух горелки; 3 – газоуравниватель;
4 – регулирующая заслонка; 5 – входной патрубок газа второго вида;
6 – патрубок для установки манометров; 7 – входной патрубок газа
первого вида; 8 – канал подачи первичного воздуха;
9 – канал подачи вторичного воздуха; 10 – топливораспылительная
насадка
Рис. 2.16. – Схема шиберного окна:
32 – проем шиберного окна;
33 – верхняя втулка;
34 – нижняя втулка;
35 – серьга верхняя;
36 – серьга нижняя;
37 - экран
Рис. 2.15. – Фотография горелки
17

18. Заявка на изобретение № 2024125244

Рис. 2.17. – Конструктивно – компоновочная схема горелочного устройства для сжигания попутного нефтяного газа,
забалластированного негорючими компонентами:
1 – внешняя обечайка; 2 – внутренняя обечайка; 3 – крышка; 4 – патрубок; 5 – многозаходный шнек; 6 – кольцевой
нож; 7 – втулка; 8 – ребра; 9 – шток; 10,11 – перфорации; 12 – втулки; 14 – запальная свеча; 15 – штанга; 16 – стенка
топочной камеры; 17,18,20 – газоводы; 19,21 – регуляторы расхода
18

19. ГЛАВА 3. ПЕРСПЕКТИВНЫЕ СХЕМЫ АРМЕЙСКИХ МОБИЛЬНЫХ ТЕПЛОГЕНЕРАТОРОВ

Патент РФ на изобретение № 2792716
Рис. 3.1. – Конструктивно-компоновочная схема
модульного мобильного теплогенератора:
1 – транспортная база; 2 – топка – основание;
3 – дымовая труба; 4 – теплообменный агрегат;
5 – шарнир; 6 – тяга (трос); 7 – лебедка;
8,9 – пружины; 10 – ложемент;
11 – стойка; 12 – горелочное устройство;
13 – шиберные окна; 14,15 – фланцы;
16 - кронштейны
Рис. 3.2. – Конструктивно-компоновочная схема
узла подъема дымовой трубы модульного
мобильного теплогенератора:
17 – элементы транспортной базы;
18 – топка – основание; 19 – дымовая труба;
20,21 – кронштейны; 22 – ось; 23 – траверса;
24,26,28,30 – пружины; 25,27,29,31 – стаканы –
пеналы
19

20. Патент РФ на изобретение № 2792511

Рис. 3.3. – Конструктивно – компоновочная схема
перспективного армейского мобильного теплогенератора с
телескопической дымовой трубой:
1 – силовая платформа; 2 – транспортная база;
3 – кронштейны; 4 – подшипниковые узлы; 5 – цапфы –
полуоси; 6 – топочный узел; 7 – теплообменный агрегат;
8 – стойки; 9 – ложементы; 10 – дымовая труба;
12,13 – фланцы; 14,15 – кронштейны.
Рис. 3.4. – Схема телескопической дымовой трубы мобильного
теплогенератора:
16 – внешняя силовая обечайка; 17,19,21 – теплозащитное
покрытие; 18 – промежуточная обечайка; 20 – внутренняя
обечайка; 22,23 – фиксирующие винты.
Рис. 3.5. – Схема позиционирования узлов
мобильного теплогенератора с телескопической
дымовой трубой перед ее подъемом:
24 – силовая платформа транспортной базы;
25 – транспортная база; 26 – кронштейн;
27 – топочный узел; 28 – теплообменный агрегат;
29 – кольцевая обечайка; 30 – фланец;
31 – шиберные окна; 32 – экраны – пластины;
33,34 – шиберные окна; 35,36 – кронштейны;
37 – дымовая труба; 38 – ось;
39 – узел вертикализации дымовой трубы;
40 – ложементы; 41 – стойки; 42 – каретка;
43 – лифт типа винт-гайка; 44,45 – внутренние
обечайки дымовой трубы; 46 – стопорные
элементы типа винт-гайка
20

21. Патент РФ на изобретение № 279254

Рис. 3.6. – Конструктивно – компоновочная схема мобильного
теплогенератора:
1 – силовая платформа; 2 – топочный узел; 3 – дымовая труба;
4
– теплообменный агрегат; 5 – корпус внешней обечайки;
6
– теплозащитное покрытие; 7 – корпус внутренней обечайки;
8
– теплозащитное покрытие; 9 – лебедки; 10 – верхнее днище
теплообменного агрегата; 11 – тросы; 12 – опорные крючки;
13 – блоки; 14 – упругие элементы; 15 – обечайка теплообменного
агрегата; 16 – фланец; 17 – шиберные окна дымовой трубы;
18 – шиберные окна топочного узла; 19 – коробчатые
направляющие; 20 – ось; 21 – подшипниковый узел; 22 – консоли;
23 – обоймы; 24 – стойка; 25 – опорные тарели; 26 – опорный узел;
27 – штифты – ограничители; 28 – рычаг;
29 – технологические штифты.
Рис. 3.7. – Схема теплогенератора с
четырьмя опорными узлами:
30 – силовая платформа;
31 – внутренняя обечайка;
32 – внешняя обечайка дымовой
трубы; 33 – блоки выдвижения
внутренней обечайки; 34 – лебедки;
35 – теплообменный агрегат;
36 – горелочная головка топочного
узла; 37 – коробчатые направляющие;
38 – штифты – ограничители;
39 – консоли; 40 – стойка; 41 – обойма;
42 – тарель
21

22. Патент РФ на изобретение № 2792954

Рис. 3.8. – Схема теплогенератора с восемью
опорными узлами
Рис. 3.9. – Схема опорного стола
Рис. 3.10. – Схема транспортного устройства, предназначенного для транспортировки
теплогенератор
22

23. Прочностные задачи при разработке мобильных теплогенераторов

Основные характеристики теплогенератора:
Общий вес теплогенератора без теплоносителя – 8900 кг;
Общий вид теплогенератора с теплоносителем – 14705 кг;
Длина дымовой трубы (длина корпуса теплогенератора) – 9450 мм;
Диаметр миделя трубы – 1220 мм;
Толщина стенки трубы – 12 мм;
Расход топлива – 600 нм3/час.
Решаемые прочностные задачи:
Прочностной расчет опорного узла теплогенератора будет
состоять в решении следующих задач:
1. Расчет напряжений в элементах
опорного узла.
2. Расчет ветровой нагрузки.
l D arcsin( S / D)
FK D n arcsin S / D ,
P R
FK
опорной плитой
(3.2)
RZ C Xi q ( Di Li )
(3.3)
R p f i ,
Рис. 3.11. – К выбору длины
контакта отдельной опоры с
(3.1)
. (3.5);
LK
(3.4)
М q Ci xdx , (3.6)
Li
23

24.

L1
M q ( Dxdx
0
L1 L2 L3
L1 L2
D xdx Dxdx
1
L1 L2
L1
L12
1
1
q D
D1 (( L1 L2 ) 2 L12 ) D (( L1 L2 L3 ) 2 ( L1 L2 ) 2 )
2
2
2
450(1,220 2,3 2 1,7 (( 2,3 4,2) 2 2,3 2 ) 1,220(( 2,3 4,2 2,95) 2
(3.7)
(2,3 4,2) 2 ))) 450 126,686 57009,06 Hм.
M
где: J D
MYmax
,
Jx
D 4
J X J D J D 2 J n ,
(3.8)
(3.9)
- момент инерции круглого сечения диаметром D;
64
( D 2 ) 4 - момент инерции круглого сечения диаметром
J D 2
64
D 2 ;
Yi
J - суммарный момент инерции дуговых секторов,
n
соответствующих линиям шиберных окон.
D
sin( (2i 1)( ))
2
2
arcsin( S / D);
Рис. 3.12. – К расчету
суммарного момента
инерции дуговых
секторов
(3.10)
n arcsin( S / D)
n
(3.11)
24

25. ГЛАВА 4. ОСОБЕННОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ АРМЕЙСКИХ МОБИЛЬНЫХ ТЕПЛОГЕНЕРАТОРОВ И РЕЗУЛЬТАТЫ ОТРАБОТКИ ИХ ОСНОВНЫХ УЗЛОВ

Основные технические характеристики горелок типа УГК
Обозначение горелок
Ед.изм.
УГК-0,5
УГК-М-0,5
УГК-Н-0,5
УГК-1
УГК-М-1
УГК-Н-1
УГК-1,5
УГК-М-1,5
УГК-Н-1,5
УГК-2
УГК-М-2
УГК-Н-2
УГК-3
УГК-М-3
УГК-Н-3
Гкал/час
МВт
0,5(0,2)
0,6(0,2)
1,0(0,5)
1.1(0,6)
1,5(0,5)
1,7(0,8)
2,0(1,0)
2,3(1.1)
3,0(1,5)
3,5(1,7)
Максимальное давление
газа перед горелкой
кПа
50
50
50
50
50
Масса горелки, не более
кг
50
50
75
100
150
Рабочие характеристики
Общая номинальная
тепловая мощность
Потребление электроэнергии компрессорами
Годы
2017
2018
2019
Тыс. кВт
1027,4
1082,6
992,5
Стоимость 1 кВт
2,6
2,7
3,0
Рис. 4.1. – Участок СТГ УППН «Вятка»
25

26.

Рис. 4.3. – Облик печи по подогреву нефти
ПП-1,6 на месторождении «Новоселки»
Рис. 4.2. – Схема модернизации печи
подогрева нефти ПП-1,6 УПН «Новоселки»
Рис. 4.4. – Облик печи прямого нагрева
нефти ГПС-1 УППН «Балаки»
Рис. 4.5. – Фотография печи по подогреву
нефти ПП-1,6 на месторождении
«Новоселки»
26

27.

Рис. 4.7. - Теплообменник ТГКА-3:
1 – корпус выхлопной трубы теплообменника; 2,3 –
нижний и верхний фланцы теплообменника; 4 –
внешняя стенка теплообменника; 6 – крепежные
элементы; 9,10 – силовые консоли-косынки
Рис. 4.6. – Геометрические характеристики
теплогенератора ТГКА - 3
Рис. 4.8. – Пример визуализации течений
жидкости (нефти) в теплообменнике
27

28. Патент РФ на изобретение № 2823421

Рис. 4.9. – Перспективная конструктивно-компоновочная
схема армейского теплогенератора:
1 – основание; 2 – топочный узел; 3 – служебный люк
обслуживания; 4 – приточные отверстия (шиберные
окна); 5 – горелочное устройство;
6 – цилиндрическая часть теплогенератора;
7 – металлические ленты; 8 – кожух – обечайка;
9,10 – коллекторы; 11,12 – патрубки;
13 – диафрагма; 14 – перфорации;
15 – заслонки; 16 – штуцера; 17 – внутренняя обечайка
(дымовая труба); 18 – крепежные элементы типа
«винт – гайка»; 19 – жаростойкие пластины;
20 – трубопровод; 21 – дегазационное устройство
P qПi Fi
,
(4.1)
qПi q C k H ,
(4.2)
F q Пi
С
q
kH
28

29.

Максимальная скорость ветра и номинальный напор ветра рабочего состояния
Максимальная скорость ветра рабочего состояния VP, м/сек
10
12
15
20
25
30
при – 400 С
7.7
11,1
17,3
30,8
48,2
69,3
при -500 С
8.0
11,5
18,0
32,0
50,0
72,0
Номинальный напор ветра рабочего состояния qP , кгс/м2
Значения поправочного коэффициента ветрового напора
Высота над поверхностью земли
10
20
30
40
50
60
80
100
120
140
Поправочный коэффициент kH
1,1
1,35
1,58
1,8
1,87
1,93
2,07
2,2
2,26
2,32
k H ax 2 bx c
где -
a , b, c
(4.3)
эмпирические коэффициенты
n
S (a, b, c) (axi2 bxi c (k H i ) 2 )
i 1
n
n
n
(4.4)
n
( x )a ( x )b ( x )c (k Hi ) 2 xi2 ;
i 1
4
i
n
i 1
3
i
n
i 1
2
i
i 1
n
n
i 1
i 1
( x )a ( x )b ( xi )c ( k Hi ) 2 xi ;
i 1
3
i
n
i 1
2
i
(4.5)
n
( x )a ( xi )b nc ( k Hi ) 2 .
i 1
2
i
i 1
a 0,00069348;
b 0,109341;
c 0,02406.
Рис. 4.10. – Распределение давлений
при обтекании корпуса
теплогенератора
29

30.

H
M q D[ x h]C ax 2 bx c dx,
(4.6)
h
где: q - номинальный ветровой напор, кгс/м2; С - аэродинамический коэффициент;
коэффициент, учитывающий воздействие порывов ветра
- динамический
2ax b
(ax 2 bx c)1/ 2
1
b 4a
H
2
3/ 2
M B E{ (ax bx c) (h
)
}h
2
3a
2a b 4ac arcsin 2ax b
2
8a a
b
4
ac
arctg
b
,
hЦ .Т .
(4.7)
(4.8)
b / l sin( ),
(4.9)
l b 2 hЦ2 .Т . .
(4.10)
M B Gl sin( ) G b 2 hЦ2 .Т . sin( ).
Рис. 4.11. – К определению устойчивости
теплогенератора по опрокидыванию
arcsin
MB
G b h
2
2
Ц .Т .
.
(4.11)
(4.12)
30

31.

fG cos G sin PB ,
(4.13)
где: f- коэффициент трения между опорными тарелями
опорных узлов и поверхностью площадки, где
разворачивается теплогенератор; Р - сила ветра,
В
действующая на теплогенератор.
PB
.
G
А cos B sin C ,
f cos sin
A cos B sin
arccos
PB
VP2
2
(4.14)
A2 B 2 cos( arctg
PB
G 1 f 2
arctg
1
.
f
B
) C
A
(4.15)
(4.16)
H
CD ax 2 bx c dx
h
2ax b
2
1/ 2
(
ax
bx
c
)
4a
VP2
CD 2
2ax b
b 4ac
2
arcsin
8a a
b 2 4ac
h
H
(4.17)
Рис. 4.12. – К определению
устойчивости теплогенератора
по сдвигу
31

32. ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ

Современные требования, предъявляемые к армейским мобильным теплогенераторам:
1)
Простота конструкции и широкое использование модульных решений;
2)
Универсальность горелочных устройств теплогенераторов, работающих на газообразном,
жидком и твердом углеводородном топливе, в том числе на попутном нефтяном газе,
забалластированном негорючими компонентами - азотом;
3)
Высокая мобильность и оперативность доставки теплогенератора на место его
разворачивания;
4)
Простота и надежность подвода топлива в горелочные устройства и подачи нагретой
среды в централизованные трубопроводные сети;
5)
Упрощенная и надежная система контроля за работой теплогенератора;
6)
Минимум экологически вредного воздействия на окружающую среду;
7)
Минимальный штат расчета теплогенератора.
Теплогенераторы, используемые на нефтяных промыслах для решения промысловых
задач, имеющие высокую производительность по теплоносителю, могут быть
адаптированы для использования их после модернизации в составе
подразделений МЧС и войск РХБ защиты, как армейских теплогенераторов.
1. Доказана перспективность использования эффектов вихревых течений газа по
цилиндрическому каналу в конструкциях горелочных устройств, а также работоспособность
способа изучения свойств, структуры и состава многокомпонентной газовой смеси при ее
движении по цилиндрическому каналу (Патент РФ на изобретение № 2795643);
2. Отработанные на промышленных промысловых теплогенераторах универсальные горелочные
устройства, показали, что при их эксплуатации не требуется газо-регулирующей
аппаратуры и они устойчиво работают в широком диапазоне изменения как давлений в
газо-подводящих трактах, так и в диапазоне изменения их расходных характеристик,
причем работают как на газообразных, так и на жидких углеводородах, более того,
позволяют устойчиво работать в широком диапазонеизменения рабочего давления,
подаваемого в горелки топлива, а также обогащать попутный нефтяной газ,
забалластированный азотом до 70 % по углеводородным компонентам, конструктивно –
компоновочные схемы которых защищены патентами РФ на изобретения и полезные
модели №№ №№ 2795632, 2554684,169606, которые могут быть эффективно использованы
в конструкциях армейских теплогенераторов.
32

33.

Исходя из технических решений, по конструктивно – компоновочным схемам
теплогенераторов защищенных патентами РФ на изобретения №№ 2591759, 2615301, и
опыта их промышленной отработки:
а) предложена конструктивно – компоновочная схема армейского теплогенератора, имеющего
значительно более высокий коэффициент использования тепла дымовых газов за счет
их турбулизации в зоне теплообменного узла теплогенератора путем закрутки дымовых
газов, защищенная патентом РФ на изобретение № 2823421;
б) выполнение теплообменного узла в виде многозаходного змеевика позволяет не только
уменьшить его массу и более эффективно нагревать теплоноситель, но и защищать
корпус теплогенератора от высокотемпературных дымовых газов, а вихревое
(вращательное) движение дымовых газов на выходе из дымовой трубы позволяет
фактически повысить подъем дымовых газов над ее срезом и снизить их экологически
вредное воздействие на окружающую среду;
в) телескопическое выполнение дымовой трубы и защита ее от высокотемпературных
дымовых газов за счет использования жаропрочных пластин не только снижает
габаритные размеры теплогенератора и повышает его мобильность, но и снижает
экологически вредное воздействие теплогенератора на окружающую среду;
г) технические предложения по конструкциям мобильных армейских теплогенераторов,
защищеннык патентами РФ на изобретения, №№ 2792511, 2792716, 2792954 а также
модели расчета условий устойчивости теплогенератора на площадке развертывания от
опрокидывающих аэродинамических воздействий, основанные на аналогичных задачах
и моделях, используемых для оценки устойчивости ракеты на пусковом столе, причем с
учетом изменения коэффициента динамического аэродинамического воздействия
ветровых потоков на корпус теплогенератора, для которого найдена эмпирическая
математическая модель, позволяют значительно повысить надежность эксплуатации
армейских теплогенераторов.Предложенные конструктивно-компоновочные схемы
универсальных горелочных устройств и промысловых теплогенераторов реализованы в
линейке теплогенераторов с расходом ПНГ от 20 м3/час до 20000 м3/час прошли
широкую промышленную апробацию на нефтяных месторождениях Удмуртии и районов
Крайнего Севера, которая показала их высокую эффективность и надежность работы.
Публикации.
По теме диссертации опубликовано 24 печатных работ: шесть статей в ведущих
рецензируемых научных журналах, одна монография, получено 8 патентов РФ на
изобретения, 2 патента на полезную модель.
33
3.