Тепло- и массоперенос при плавлении льда в условиях высокотемпературного нагрева

На сегодняшний день природный газ, как топливо доступен почти во всех промышленных зонах городов России. Вследствие присутствия кристаллов льда в газовом потоке, существует проблема “обрыва факела”. Последнее обусловлено попаданием в активную зону горения частиц льда, формирующихся в газовых трубопроводах при конденсации влаги в зимний период.
По этой причине планируется провести экспериментальные исследования процессов тепло- и массопереноса протекающих при плавлении льда и испарении воды в высокотемпературной газовой среде. Будут определены временные характеристики процессов плавления и испарения водо-ледяных структур. Эксперименты будут проводиться при температурах от 600 до 1000 К.

ВВЕДЕНИЕ …………………………………………………………………………………………….13

ГЛАВА 1. ПРИРОДНЫЕ ГАЗОГИДРАТЫ …………………………………………………………18

1.1 Сжигание гидрата метана с использованием гранул различного состава ………………18

1.2 Технологии воздействия на нетрадиционные углеводороды……………………………………..21

1.3 Свойства газовых гидратов ……………………………………………………………………..……24

1.4 Научные исследования в области изучения газовых гидратов…………………………………….26

1.5 Газовые гидраты озера Байкал……………………………………………………………………..27

1.6 Поиски и открытия поддонных газогидратов………………………………………………………31

1.7 Газовые гидраты Охотского моря: закономерности формирования их распространения……..32

1.7.1 Особенности газогидратопроявлений в очагах разгрузки флюидов в Охотском море……..32

1.7.2 Механизмы формирования газовых гидратов в Охотском море ……………………….35

1.7.3. Термобарические параметры и запасы газогидратов Охотского моря. ……………………..35

ГЛАВА 2. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ……………………….37

ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ И ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ
ПРОЦЕССОВ ПЛАВЛЕНИЯ ЧАСТИЦ ЛЬДА …………………………………………………39

3.1 Анализ и обсуждение результатов экспериментального исследования ……………………….39

3.2 Влияние размера частицы…………………………………………………………………………..43

3.3 Сравнительный анализ и обсуждение результатов теоретического и экспериментального
исследований ……………………………………………………………………………………………46

ГЛАВА 4. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ………………………………………………………………….49

4.1 Физическая постановка …………………………………………………………………………..49

4.2 Математическая постановка ………………………………………………………………….50

4.2.1 Стадия прогрева капли …………………………………………………………………..50

4.2.2 Стадия испарения капли……… ………………………………………………………….53

ГЛАВА 5. ФИНАНСОВЫЙ МЕНЕДЖМЕНТ, РЕСУРСОЭФФЕКТИВНОСТЬ И
РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ… …………………………………………………………………………….57

5.1 Предпроектный анализ… …………………………………………………………………………..58

5.1.1 Потенциальные потребители результатов исследования…………………………………….58
5.1.2 Анализ конкурентных решений…… ………………………………………………………….59

5.1.3 SWOT-анализ ……………………………………………………………………………………60

5.1.4 Оценка готовности проекта к коммерциализации….. …………………………………………62

5.1.5 Методы коммерциализации результатов научно-технического исследования…………..…63

5.2 Инициация проекта…………………………………………………………………………………..64

5.2.1 Цели и результаты проекта ………………………………………………………………….64

5.2.2 Организационная структура проекта …………………………………………………………65

5.2.3 Ограничения и допущения проекта……………………………………………………………66

5.3 Планирование управления научно-техническим проектом……………………………………….66

5.3.1 Иерархическая структура работ проекта …………………………………………………66

5.3.2 План проекта ……………………………………………………………………………………68

5.4 Бюджет научного исследования ………………………………………………………………….70

5.4.1 Стоимость экспериментальной установки …………………………………………………70

5.4.2 Основная заработная плата ………………………………………………………………….72

5.4.3 Отчисления во внебюджетные фонды……… …………………………………………………75

5.4.4 Накладные расходы ………………………………………………………………………….76

5.4.5 Организационная структура проекта …………………………………………………………77

5.4.6 План управления коммуникациями проекта …………………………………………………78

5.4.7 Реестр рисков проекта…………………………………………………………………………..78

5.5 Оценка сравнительной эффективности исследования ………………………………………..79

ГЛАВА 6. СОЦИАЛЬНАЯ ОТВЕТСТВЕННОСТЬ …………………………………………………83

6.1 Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности…… ……………………….85

6.1.1 Организационные мероприятия при компоновке рабочей зоны…… ……………………….85

6.1.2 Производственная безопасность…… …………………………………………………………86

6.2 Анализ опасных и вредных производственных факторов………………………………………..88

6.2.1 Превышение уровня шума ………………………………………………………………….88

6.2.2 Химическое воздействие…… ………………………………………………………………….88

6.2.3 Отклонение показателей микроклимата……………………………………………………….89

6.2.4 Недостаточная освещенность рабочего места………………………………………………….90
6.2.5 Опасность поражения электрическим током …………………………………………………91

6.2.6 Высокая температура изделия……………………………………………………………………93

6.3 Экологическая безопасность…… ………………………………………………………………….93

6.3.1 Анализ возможного влияния объекта исследования на окружающую среду ………………93

6.3.2 Анализ влияния процесса исследования на окружающую среду……………………………94

6.4 Безопасность в чрезвычайных ситуациях…………………………………………………………94

6.4.1 Анализ вероятных ЧС, которые может инициировать объект исследований ………………95

6.4.2 Анализ вероятных ЧС, которые могут возникнуть в лаборатории при проведении
исследований ……………………………………………………………………………………………95

6.4.3 Обоснование мероприятий по предотвращению ЧС и разработка порядка действия в случае
возникновения ЧС…………………………………………………………………………………………96

ЗАКЛЮЧЕНИЕ…………………………………………………………………………………………..98

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ……………………………………………………100

Приложение A …………………………………………………………………………………………..115

В рамках данной магистерской диссертации были проведены
теоретические и экспериментальные исследования процессов плавления
кристаллов льда в условиях высокотемпературного нагрева. В ходе выполнения
данной диссертации был модернизирован экспериментальный стенд, на котором
проводились экспериментальные исследования. Определены времена плавления
льда и испарения воды в условиях высокотемпературного нагрева. Было
исследовано воздействие главных факторов (влияние температуры топочной
среды, влияние размера частиц, влияние состава топлива) на временные
характеристики процессов плавления и испарения кристалла льда. Было
выявлено, что время плавления частиц льда, обогащённых CO2, и содержащих
углеродистые частицы с одинаковыми частицами возрастает. Установлено, что
размер частиц льда на основе дистиллированной воды в значительной степени
влияния на временные характеристики, в отличие от температур внешней среды.
Также было установлено, что размер частиц льда на основе дистиллированной
воды, обогащённых CO2, а также содержащих углеродистые частицы не
оказывает значительного влияние на временные характеристики, в отличие от
температур внешней среды. Необходимо подчеркнуть, что для кристаллов льда,
обогащённых двуокисью углерода, и кристаллов льда с включениями угля при
больших температурах внешней среды (800 – 1000°С) можно зафиксировать
бурное кипение воды в виду того, что при таких параметрах температуры
излучение имеет большое значение проникая в глубь слоя воды.
После получения экспериментальных результатов была разработана
математическая модель, которая практически полностью учитывает комплекс
процессов испарения водяной пленки, термической подготовки и плавления
частицы льда.
Полученные теоретические и экспериментальные результаты могут быть
использованы при разработке основных элементов теории и математической
базы процессов термической подготовки и воспламенения частиц газовых
гидратов.
Пояснительная записка к диссертации содержит доскональное описание
методики проведения эксперимента, а также физической и математической
постановки математической модели, и подробный анализ результатов.
Помимо это также были выполнены разделы «Социальная
ответственность» и «Менеджмент, ресурсоэффективность и
ресурсосбережение». В разделе «Менеджмент, ресурсоэффективность и
ресурсосбережение» составлен перечень работ и произведена оценка времени их
выполнения, составлена смета затрат на проект, определены сильные и слабые
стороны проекта, определен бюджет научного исследования и определены все
риски при создании проекта. В разделе «Социальная ответственность»
рассмотрена социальная ответственность предприятия (корпоративная
социальная ответственность), указаны вредные факторы, которые могут
возникнуть на рабочем месте, описаны организационные мероприятия по
компоновке рабочей зоны. Также указана безопасность при чрезвычайных
ситуациях.