Утилізатор виконуеться у вигляді окремої приставки до котла (рис
НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ
“КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ”
НАВРОДСЬКА Раїса Олександрівна
УДК 536.24:621.184.5
УТИЛІЗАЦІЯ ТЕПЛОТИ ВІДХІДНИХ ГАЗІВ ГАЗОСПОЖИВАЮЧИХ КОТЛІВ У ПОВЕРХНЕВИХ ТЕПЛОУТИЛІЗАТОРАХ КОНДЕНСАЦІЙНОГО ТИПУ
05.14.06 - Технічна теплофізика та промислова теплоенергетика
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Київ – 2001
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана у відділі малої енергетики Інституту технічної теплофізики Національної Академії Наук України (ІТТФ НАН У).
Науковий керівник - | доктор технічних наук, чл.-кор. НАН України,
заслужений діяч науки і техніки України
Фіалко Наталія Михайлівна,
завідувач відділу малої енергетики Інституту технічної теплофізики НАН України.
Офіційні опоненти: | доктор технічних наук, професор,
Письменний Євген Миколайович,
завідувач кафедри атомних електростанцій та інженерної теплофізики НТУУ “КПІ”
кандидат технічних наук, доцент,
Василенко Сергій Михайлович, завідувач кафедри теплотехніки Українського Державного університету харчових технологій.
Провідна установа - | Інститут проблем машинобудування
ім. А.М. Підгорного НАН України (м. Харків).
Захист дисертації відбудеться 15 жовтня 2001р. о 13 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.002.09 при Національному технічному університеті України "Київський політехнічний інститут", за адресою: 03056, м. Київ, пр. Перемоги, 37, корпус 5, аудиторія 307.
З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного технічного університету України "Київський політехнічний інститут", за адресою: 03056, м. Київ, пр. Перемоги, 37.
Автореферат розісланий 7 вересня 2001р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради,
кандидат технічних наук, доцент ____________ Коньшин В.І.
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Одним із напрямів енергозбереження в децентралізованій енергетиці є підвищення ефективності використання палива в котлоагрегатах за рахунок утилізації теплоти відхідних газів. Втрати тепла з відхідними газами в сучасних вітчизняних газоспоживаючих котлах становлять в номінальному режимі 16-18% при розрахунках за вищою теплотою згоряння палива і являють собою основну частину втрат теплоти в котельних агрегатах. Даний рівень втрат відповідає температурі відхідних газів 140160С, що на протязі тривалого часу вважалось оптимальною межею. Однак, в останні 25-30 років спочатку за кордоном, а пізніше і в Україні спостерігається тенденція до зниження температури відхідних газів нижче точки роси. Тобто фактично йдеться вже про глибоку утилізацію теплоти відхідних газів, коли використовується не тільки явне тепло (близько 7-8%), але і прихована теплота (біля 10%) пароутворення водяних парів, що містяться в димових газах.
Вказана глибока утилізація теплоти може здійснюватись, як відомо, з застосуванням конденсаційних теплообмінних апаратів двох типів – контактних та поверхневих. З початку 90-х років в Україні все більш широке використання знаходять поверхневі апарати, що пов’язано з одного боку з цілим рядом їх переваг, а з другого – з удосконаленням техніки виробництва розвинутих компактних поверхонь нагрівання. З огляду на це актуальною є проблема дослідження процесів теплопереносу в умовах реалізації технології глибокого охолодження димових газів котлоагрегатів та створення на цій основі відповідного високоефективного обладнання з застосуванням поверхневих теплообмінних апаратів. Широке впровадження даної технології в Україні дозволить скоротити на 5-10% витрати природного газу та суттєво покращити екологічну обстановку.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Основні результати роботи одержані при виконанні проекту 04.06/05714 “Розробка та впровадження екологічно чистих технологій використання енергоресурсів в промисловій та муніципальній енергетиці” державної програми 04.06, № держ. реєстрації 0197U019260 та комплексного проекту 0.4.12.03/003К-95 “Дослідження та розробка екологічно чистих систем теплоутилізації котелень, що використовують рідке і тверде паливо” державної програми 04.12, № держ. реєстрації 019U020673.
Мета і задачі дослідження. Метою роботи є підвищення ефективності використання палива в газоспоживаючих котлоагрегатах шляхом реалізації технології глибокої утилізації теплоти відхідних газів з застосуванням теплообмінних апаратів поверхневого типу.
Для досягнення даної мети вирішенню підлягали такі задачі:
-
встановлення закономірностей тепло- і масообміну та аеродинаміки в пучках поперечно-оребрених труб в умовах охолодження димових газів газоспоживаючих котельних агрегатів нижче температури їхньої точки роси;
-
визначення властивостей конденсату, що утворюється при глибокому охолодженні димових газів котлів, та вдосконалення методів його нейтралізації;
-
вибір раціональних геометричних та теплотехнічних характеристик пучків поперечно-оребрених труб при їх роботі в конденсаційному режимі;
-
створення методики розрахунку оребрених конвективних поверхонь нагрівання котельних установок в умовах конденсації пари з димових газів;
-
розробка конструкцій поверхневих конденсаційних теплоутилізаторів і нейтралізаторів для використання в системах опалення та гарячого водопостачання і дослідження ефективності їхньої роботи в стендових та експлуатаційних умовах;
-
розробка підходів щодо запобігання корозії робочих поверхонь та газовідвідних трактів при застосуванні конденсаційних теплоутилізаторів;
-
оцінка техніко-економічної та екологічної ефективності використання конденсаційних поверхневих теплоутилізаторів;
-
організація серійного виробництва розробленого теплоутилізаційного обладнання в Україні.
Методи досліджень. Для вирішення вказаних задач використовувались експериментальні методи дослідження процесів тепло- і масообміну при глибокому охолодженні газів та нейтралізації конденсату, а також застосовувались різні розрахункові методики, в тому числі і запропоновані в даній роботі. Експериментальні дослідження здійснювались на спеціально створених стендах та на зразках промислових установок за допомогою сучасних методів аналізу та вимірювальної апаратури. Достовірність одержаних результатів базувалась на використанні загальноприйнятих методик і порівнянні одержаних результатів з даними інших досліджень.
Наукова новизна одержаних результатів.
1.
Вперше експериментально досліджено закономірності тепломасообміну в пучках поперечно-оребрених труб при охолодженні димових газів котлів нижче температури їхньої точки роси в широкому практичному діапазоні зміни основних параметрів відхідних газів (початкових температури t0 =200-70С та вологовмісту Х=0.09-0.15кг/кг с.г. і числа Рейнольдса Reг=2000-12000).
2.
Розроблено узагальнену методику розрахунку розвинутих поверхонь нагрівання конденсаційних теплоутилізаторів котлоагрегатів та на її основі встановлено ефективні параметри цих поверхонь.
3.
На базі проведених експериментальних та числових досліджень запропоновано та обгрунтовано оригінальні технічні рішення щодо конструювання конденсаційних поверхневих теплоутилізаторів газоспоживаючих котлів.
4.
Одержано експериментальні дані щодо характеристик конденсату, який утворюється при охолодженні відхідних газів котлоагрегатів нижче точки роси, та встановлено закономірності процесу його нейтралізації в залежності від різних факторів.
5.
Доповнено новими результатами розрахунків обгрунтування різних засобів запобігання корозії газовідвідного тракту при застосуванні поверхневих апаратів в технології глибокої утилізації теплоти відхідних газів котельних установок.
Практичне значення одержаних результатів. Результати експериментальних та розрахункових досліджень було використано при розробці типоряду теплоутилізаційного обладнання для газоспоживаючих котлів потужністю від 0.25 до 3.15 МВт. Створені теплоутилізатори підвищують коефіціент використання палива в котлах на 3-8% при застосуванні в системі опалення і на 5-12% при роботі для потреб гарячого водопостачання. Термін окупності витрат на впровадження теплоутилізаційного обладнання становить 0,5-3 роки в залежності від потужності котла і його річного фонду роботи.
Розроблені теплоутилізатори впроваджено в котельнях Ірпінського індустріального технікуму (Київська обл.), Київського хлібокомбінату №2, Білоцерківського хлібокомбінату (Київська обл.), Київського заводу “Фармак” та інших об’єктах. На Чернівецькому металообробному заводі організовано серійне виробництво запропонованих теплоутилізаторів. Впровадження розробленого обладнання забезпечує щорічне заощадження приблизно 42 тис. ГДж теплової енергії, що відповідає економії природного газу у розмірі 1.3 млн. м3 в рік.
Поряд з енергоощадною функцією конденсаційні теплоутилізатори виконують природоохоронну роль, оскільки завдяки їх впровадженню зменшується кількість шкідливих викидів в атмосферу, таких як оксиди азоту (до 50%) та диоксиди вуглецю (до30%).
Особистий внесок здобувача. Автор дисертації самостійно розробила експериментальний стенд, методику розрахункових та експериментальних теплотехнічних досліджень; склала алгоритми розрахунків та створила відповідне програмне забезпечення; виконала обробку, аналіз та узагальнення експериментальних даних з теплообміну та аеродинаміки; одержала дані числових досліджень щодо визначення ефективних параметрів розвинутих поверхонь нагрівання конденсаційних теплоутилізаторів; розробила нові технічні рішення щодо конструювання теплоутилізаційних установок; виконала розрахункові дослідження різних засобів захисту від корозії газовідвідного тракту котлоагрегатів; провела аналіз економічної та екологічної ефективності розробленої технології та обладнання.
Автор висловлює велику подяку колективам відділу малої енергетики ІТТФ НАН України та лабораторії використання вторинних енергоресурсів Державного НДІ санітарної техніки та обладнання будівель і споруд, а також керівнику роботи чл.-кор. НАН України Фіалко Н.М. за надану допомогу у виконанні роботи.
Апробація результатів дисертації. Результати роботи доповідались на конференції “Проблемы промышленной экологии и безопасности” (м. Москва, червень 1993р.), науковому міжнародному семінарі “Теплотехника - 98” (м. Київ, травень 1998р.), присвяченому 100-річчю Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут”, науково-практичній конференції “Мала енергетика: шляхи та перспективи розвитку та безпека навколишнього середовища” (м. Київ, травень 1999р.); міжнародних конференціях “Регіональні проблеми енергозбереження в виробництві та споживанні енергії” (м. Київ, жовтень 1999р.), “Региональные проблемы энергосбережения в децентрализованной теплоэнергетике” (м. Київ, жовтень 2000р.) та “Проблеми промислової теплотехніки” (м. Київ, травень-червень 2001 р.)
Публікації. Результати дисертаційної роботи опубліковані в 12 друкованих працях (4 наукові статті, 2 патенти на винахід, 6 публікацій в матеріалах конференцій).
Структура та обсяг роботи. Дисертаційна робота містить вступ, п’ять розділів, висновки, перелік використаної літератури та сім додатків. Викладена на 128 сторінках машинописного тексту, враховуючи 27 рисунків та 12 таблиць. Список використаної літератури налічує 123 найменування.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі показано важливість і актуальність теми дисертації, сформульовано мету роботи та завдання для її вирішення.
У першому розділі виконано огляд сучасного стану проблеми глибокого охолодження відхідних газів газоспоживаючих котельних агрегатів, проведено аналіз ефективності існуючих в Україні та в промислово розвинутих країнах теплоутилізаційних установок з конденсаційними апаратами, розглянуто їхні переваги і недоліки та визначено шляхи їх удосконалення. Проаналізовано також сучасні методи теплового та аеродинамічного розрахунку систем глибокої теплоутилізаціі відхідних газів котельних агрегатів та вказано на їх недосконалість насамперед через відсутність необхідних експериментальних даних з теплообміну і аеродинаміки в цих умовах. В огляді крім того розлянуто проблеми, пов’язані з корозійною агресивністю конденсату, що утворюється при глибокому охолодженні димових газів.
Виходячи з сучасного стану досліджуваної проблеми, сформульовано задачі, які вирішуються в даній роботі з метою створення високоефективної технології глибокої утилізації теплоти відхідних газів газоспоживаючих котельних агрегатів з застосуванням поверхневих теплообмінних апаратів.
У другому розділі описуються методика і результати експериментальних досліджень тепломасообміну та аеродинаміки при глибокому охолодженні відхідних газів газоспоживаючих котлів в такому діапазоні зміни основних параметрів газів: початкових вологовмісту Х=0.09-0.15 кг/кг с.г. (що відповідає зміні коефіцієнту надміру повітря від 1.5 до 1.0) та температури t0 =200-70С і числа Рейнольдса Reг = 2000-12000.
Дослідження виконувались на експериментальних моделях за допомогою створеного стенду з використанням методу повного теплового моделювання та з застосуванням сучас-ної вимірювальної апаратури. Теплообмінні поверхні експериментальних моделей створю-вались у вигляді шахматних пучків оребрених біметалевих труб (рис.1). Геометричні харак-теристики вказаних пучків приймались такими: Sпоп = Sпоз = 0,055 м; L = 0,4 м; d0 = 0,02 м; dт =0,025 м; bр = 0,00045 м (тут Sпоп, Sпоз – поперечний та поздовжний крок трубного пучка відповідно; L - довжина труби). Інші характеристики пучків наведено в таблиці 1.
Рис. 1. Схема оребреної біметалевої труби: 1 – оребрення з алюмінію; 2 – стальна труба.
Таблиця 1
Характеристики трубних пучків моделей теплоутилізаторів
Параметри трубного пучка | Параметри оребреної труби
М | N | d,м | D,м | sр,м
9 | 3 | 0.029 | 0.049 | 0.0035
0.031 | 0.053 | 0.005
6 | 4 | 0.029 | 0.049 | 0.0035
0.031 | 0.053 | 0,005
9 | 6 | 0.029 | 0.049 | 0.0035
0.031 | 0.053 | 0,005
12 | 8 | 0.029 | 0.049 | 0.0035
0.031 | 0.053 | 0,005
15 | 10 | 0.029 | 0.049 | 0.0035
0.031 | 0.053 | 0,005
В таблиці 1 і далі використано такі позначення: N- число рядів у трубному пучку; М – кількість труб у ряді.
Дослідження включали визначення середньоповерхневих значень загального коефіцієнта тепловіддачі з газового боку гекс та аеродинамічного опору трубного пучка в залежності від геометрії оребрених труб, їх розміщення, параметрів газів (температури, швидкості, вологості), а також температури нагріваної води.
Коефіцієнт тепловіддачі гекс представлявся у вигляді двох складових частин - конвективного коефіцієнта тепловіддачі гсух при так званому “сухому” теплообміні (без зміни вологовмісту газів), який розраховувався за відомими методиками, та додатку до нього гд, що пов’язаний з ефектом конденсації водяної пари з димових газів.
Характерні результати експериментальних досліджень подано на рис. 2,3. Тут Nuгд відповідає гд. В числах Nuгд і Reг за визначальний розмір приймається зовнішній діаметр труби d, швидкість газів визначається за стисненим перерізом, а відповідні фізичні параметри знаходяться за середньою температурою димових газів; - середня температура нагріваної води на вході і виході з теплоутилізатора, що віднесена до температури точки роси водяної пари, яка міститься в газах.
кг/кг с.г.,
Рис. 2. Залежність Nuгд від Reг.
кг/кг с.г.
Рис. 3. Залежність Nuгд від температури нагріваної води при Reг=10000.
Одержані експериментальні результати з теплообміну узагальнено залежністю
де m = -14, n = 0.6, А - константа, що залежить від вологовмісту Х:
Виконані дослідження показали, що залежність величини Nuгд від температури нагріваної води найбільш суттєво виявляється при її низьких значеннях і до того ж при високих вологовмістах димових газів Х. Залежність Nuгд від Reг також тим значніша, чим більша за інших однакових умов величина вологовмісту Х.
В даному розділі описано також результати дослідження властивостей утвореного при глибокому охолодженні газів конденсату та методів його нейтралізації. При цьому показано, що одержаний конденсат містить 90-100мг/л розчиненої вуглекислоти (H2СО3), а показник іонів водню рН становить при цьому 4 - 5. Такий конденсат досить агресивний і при будь-якому способі його використання, включаючи і просте відведення до каналізації, потребує нейтралізації.
Виконані експериментальні дослідження нейтралізації конденсату при його проходженні через шар мармурової крихти дозволили визначити необхідні параметри фільтрувального матеріалу (висоту, напрям та швидкість фільтрації, фракційний склад мармуру та ін.), які забезпечують досягнення в конденсаті нормованих значень водневого показника іонів рН (6,5-8,5).
Третій розділ присвячено особливостям методики розрахунку конденсаційних теплоутилізаторів та визначенню їхніх ефективних параметрів.
Специфіка запропонованої методики знаходження теплотехнічних і конструктивних характеристик конденсаційних теплоутилізаторів на відміну від існуючих методик характеризується, головним чином, трьома особливостями: по-перше – виконанням теплового розрахунку котла з теплоутилізатором за вищою теплотою згоряння палива та врахуванням в тепловому балансі теплоутилізатора масообміну, який зумовлює зміну вологовмісту газів в процесі теплообміну; по-друге – доповненням загального коефіцієнта тепловіддачі для газів при їх глибокому охолодженні складовою, яка пов’язана з ефектом конденсації водяної пари з димових газів і визначається за одержаною в роботі експериментальною залежністю (1); по-третє – можливістю проведення розрахунків для ефективного трубного пучка зі змінними від ряду до ряду за ходом руху газів параметрами оребрення.
Значення вологовмісту димових газів на вході Х та на виході Xк з конденсаційного теплоутилізатора, які використовуються в запропонованій методиці, визначаються за залежностями:
де tс , tм - температура сухого та мокрого термометрів; Pб, Pн - барометричний та парціальний тиск насиченої водяної пари; І пс, І пм – ентальпія пари при температурі сухого та мокрого термометрів; ссг, Rсг, сп, Rп – питома масова теплоємкість та газова стала сухих газів та водяної пари.
Залежність (2) одержано за апроксимацією з точністю до +0,002 кг/кг с.г. графічних даних І.З.Аронова, а залежність (3) – в результаті розгляду процесу адіабатного насичення газів з використанням I -Х діаграми.
На основі розробленої методики розрахунку конденсаційних апаратів визначались ефективні характеристики оребреної поверхні. При цьому в останній виділялись дві зони: зона “сухого” теплообміну, де відбувається охолодження газів до температури точки роси і отже конденсація відсутня, та зона “мокрого” теплообміну, де теплообмін супроводжується конденсацією водяної пари, що міститься в димових газах.
Для обох вказаних зон вибір ефективних геометричних і теплофізичних параметрів оребрених труб здійснювався на основі знаходження мінімальних значень питомої металоємкості Мпит трубного пучка конденсаційного теплоутилізатора, де Мпит є відношення маси пучка до теплопродуктивності теплоутилізатора. Результати варіантних розрахунків показали, що для конденсаційних теплоутилізаторів доцільно використовувати в першу чергу біметалеві оребрені труби або сталеві ребристі труби з алюмінієвим покриттям. Виконані в роботі розрахункові дослідження дозволили запропонувати співвідношення для визначення оптимального значення безрозмірної висоти ребра Hопт в залежності від безрозмірних значень товщини ребра В та міжреберного кроку S для труб з поперечним оребренням в діапазоні зміни параметрів - В=0,01-0,025, S = 0,09 –0,22:
для зони “сухого” теплообміну
для зони “мокрого” теплообміну
Тут всі геометричні характеристики віднесені до діаметру оребреної труби d. Константи a0, a1, a2, g0 m0, m1, n0, n1 в наведених співвідношеннях залежать від матеріалу розвинутої поверхні; для стальних труб з алюмінієвим оребренням: a0 = 0.07, а1= 0.555, а2= -3.5, g0= -35.67, m0= 2.04, m1= -35, n0= - 1.64, n1= -6.6. Залежності (4),(5) апроксимують розрахункові дані з максимальною відносною похибкою, що не перевищує 2%.
Проведені розрахункові дослідження показали, що значення безрозмірної висоти ребра H для стальних труб з алюмінієвим оребренням, визначені за формулами (4),(5) для вищевказаного практичного діапазону зміни В і S, знаходятся в межах 0,3-0,4.
При визначенні ефективних параметрів оребрення в зоні “мокрого” теплообміну додатково брався до уваги ефект накопичення конденсату від ряду до ряду трубного пучка за потоком газів. Для запобігання затоплення конденсатом міжреберного простору труби міжреберний крок приймався змінним і збільшувався від ряду до ряду за течією газів. При цьому величина міжреберного кроку визначалась з умови збереження постійної швидкості газів за їх течією з урахуванням товщини плівки, що стікає по поверхні ребер. Для знаходження необхідного значення безрозмірного міжреберного кроку Sn n-го ряду труб в роботі одержана розрахункова залежність:
де Gсг –витрата газів; V - швидкість стікання плівки конденсату; t, t0 - поточна температура газів та їхня температура на вході в зону “мокрого” теплообміну; Dt - середньологарифмічний температурний напір; К- коефіцієнт теплопередачі, св,сп- питома масова теплоємкість води і пари відповідно; - густина конденсату; S0 - міжреберний крок в зоні “сухого” теплообміну; rп=r + tн (св –сп); r – теплота конденсації водяної пари; tн- температура точки роси водяної пари.
Співвідношення (6) дозволяє визначати безрозмірний крок оребрення труби n-го ряду конденсаційної частини пучка в залежності від початкових параметрів газів, а також конструктивних і теплових характеристик попереднього ряду. Конструктивне рішення для трубного пучка з описаним способом зміни кроку оребрення захищено охоронним документом (патентом РФ).
У четвертому розділі наведено опис створеного теплоутилізаційного обладнання і розглянуто ефективність ряду заходів щодо захисту від корозії власне теплоутилізатора та газовідвідного тракту котельні.
На основі проведених експериментальних та розрахункових досліджень розроблено нові конструкції теплоутилізатора конденсаційного поверхневого ТПК та нейтралізатора, які використовуються при реалізації технології глибокої теплоутилізації відхідних газів газоспоживаючих котельних агрегатів.
Розроблений теплоутилізатор виконується у вигляді окремої приставки до котла (рис.4), що встановлюється в його хвостовій частині, або розміщується у корпусі котла і є його додатковою конвективною поверхнею.
Наявність в запропонованій конструкції байпасного газоходу 2 дозволяє застосовувати теплоутилізатор в існуючих котельнях за умов обмеженого простору і наявності великої кількості комунікацій. В байпасі знаходиться шибер, за допомогою якого регулюється кількість газів, що надходять до трубного пучка, і завдяки цьому уможливлюється регулювання температури суміші газів на виході з теплообмінника.
В нижній частині теплообмінника 1 розміщено збірник утвореного конденсату 4 і штуцер для його відводу до нейтралізатора. Збірник конденсату виконується розбірним для можливості його заміни або ремонту. Для захисту від корозії поверхонь теплоутилізатора, що контактують з кислим конденсатом, запропоновано застосування газотермічних покриттів із алюмінію і сплавів, схильних до аморфізації.
Рис.4. Схема поверхневого конденсаційного теплоутилізатора: 1-теплообмінник; 2- байпасний газохід; 3- оребрена труба; 4-конденсатозбірник; 5- вибуховий клапан; 6-оглядові вікна.
Розроблено конструкторську документацію та технічні умови на виготовлення для типоряду конденсаційних теплоутилізаторів до котлів потужністю 0,25-3,15МВт та для теплоутилізатора конденсаційного котла ВК-32 теплопродуктивністю 1,25МВт. Застосування розроблених теплоутилізаторів забезпечує зазвичай підвищення коефіцієнту використання палива при нагріванні води в системі опалення на 3-8% і на 5-12% - в системі гарячого водопостачання та при задоволенні інших потреб технологічного та побутового призначення.
Для декарбонізації утвореного в теплоутилізаторі конденсату розроблено конструкцію нейтралізатора, схему якого наведено на рис.5.
Рис.5. Нейтралізатор конденсату: 1-корпус; 2-водорозподілювач; 3- фільтрувальний матеріал; 4,5-підвідний та відвідний трубопроводи; 6,7- переливний та спорожнювальний патрубки.
Дане обладнання забезпечує нейтралізацію конденсату з кислотною реакцією (рН=4-5) до нормованих значень при відведенні в каналізацію (рН=6,5-8,5) або до необхідних значень при його корисному використанні. Власне нейтралізація здійснюється за допомогою наповнювача, що містить карбонат кальцію (наприклад, мармурової крихти). Маса наповнювача розраховується на роботу протягом 3-4 місяців, після чого необхідна його заміна. Геометричні характеристики нейтралізатора вибираються таким чином, щоб забезпечувалась необхідна для протікання процесу нейтралізації швидкість руху конденсату.
В даному розділі розглянуто також питання, що пов’язані з залежністю ефективності розроблених теплоутилізаторів від схем їх використання. На основі проведених досліджень показано, що вибір тієї чи іншої схеми суттєво залежить від величини річного виробництва теплоти в утилізаторі. Для комплексної характеристики роботи ТКП в різних умовах (в залежності від величин навантаження котла, температури навколишнього середовища tпз, температури нагріваної води в, температури димових газів на виході з теплоутилізатра t2вих і ін.) розроблено алгоритми і програма розрахунку параметрів роботи теплоутилізатора, в тому числі його теплопродуктивності Q. Як приклад на рис.6 наведено відповідні дані для котельні з двома котлами ВК-32, що обладнані теплоутилізаторами ТКП-50, які використовуються для потреб опалення та гарячого водопостачання.
Рис. 6. Залежність Q= f (t2вих) теплоутилізатора ТКП-50 для котла ВК-32 при фіксованих рівнях його навантаження та різних значеннях параметрів в і tпз.
В розділі, що розглядається, певна увага приділена вирішенню проблеми зменшення солевих відкладень на внутрішній поверхні теплообмінних труб при застосуванні розроблених теплоутилізаторів для нагрівання холодної води різного призначення. З цією метою запропонована спеціальна конструкція зовнішньооребреної труби з внутрішніми кільцевими турбулізаторами, яка захищена охоронним документом (патентом РФ).
В роботі розглянуто також актуальне питання захисту газовідвідного тракту котла від руйнівної дії конденсату. При цьому виконано розрахунки ефективності застосування в технології глибокої утилізації теплоти трьох засобів запобігання конденсатоутворення в відвідному тракті котельні з металевими та цегляними димарями. До таких засобів належать: часткове байпасування гарячих газів, підсушування їх в поверхневому теплообміннику і підмішування до газів за теплоутилізатором сухого та гарячого повітря після повітропідігрівача котла (останній засіб дістав назву повітряного).
Як показали проведені розрахункові дослідження і випробування теплоутилізаторів, при цегляному димарі для запобігання випадення конденсату в газоходах і димарі за типових умов достатньо байпасування 10-30% витрати газів. Для металевого ж димаря цей засіб у більшості випадків непридатний. Вказаний засіб не потребує ускладнення конструкції і застосування корозійностійких матеріалів для газоходів, хоча, як очевидно, ефективність теплоутилізації при цьому знижується у порівнянні з проходженням всієї кількості газів через теплообмінник.
При реалізації другого з вказаних засобів запобігання корозії в відвідному газоході теплоутилізатора встановлюються додаткові поверхні нагрівання (газопідігрівачі) для збільшення температури газів на виході з теплоутилізатора tг вище температури точки роси tн. Підвищення величини tг здійснюється за рахунок теплоти прямої води котла з температурою 95-115С. Як показав аналіз, засіб підсушування газів є енергетично більш ефективним у порівнянні з частковим байпасуванням. При цьому за типових умов на нагрівання газів витрачається 12-18% теплової потужності теплоутилізатора QКПТ для металевого димаря і 5-10% - для димаря з цегли.
При здійсненні третього з зазначених заходів (повітряного) зниження рівня температури tн досягається у зв’язку зі зменшенням вологості відхідних газів, що забезпечується підмішуванням в них сухого та нагрітого повітря. (Характерні параметри нагрітого повітря та відхідних газів - tпов=150-250С; Хпов=0,01 кг/кг с.п.; Хг=0,05-0,09 кг/кг с.г. і tг =50-70С). На рис. 7 наведено типові результати виконаних розрахунків щодо оцінки Рис. 7. Теплові характеристики повітряного засобу запобігання конденсатоутворення в відвідному тракті котельні з поверхневими конденсаційними теплоутилізаторами:
1-4 – температури у челюсті димаря; 1,3 – відхідних газів та 2,4 – внутрішньої
поверхні для металевого і цегляного димаря відповідно; 5 - температура tн;
6 – величина (QКПТ – Qпідм)/ QКПТ.
ефективності даного засобу запобігання конденсатоутворення. Тут QКПТ і Qпідм – теплова потужність теплоутилізатора та витрати теплоти на нагрівання підмішуваного повітря.
Одержані дані свідчать, що повітряний засіб є енергетично найбільш ефективним з усіх засобів, що розглядалися. Його реалізація потребує 10-15% потужності теплоутилі-затора у випадку металевого димаря і 4 -9% для димаря з цегли.
П’ятий розділ присвячено висвітленню результатів випробувань в стендових та експлуатаційних умовах створеного теплоутилізаційного обладнання при його використанні в системах опалення та гарячого водопостачання.
Метою проведення випробувань розроблених теплоутилізаторів було, по-перше, перевірка відповідності їхньої конструкції потрібним характеристикам – теплопродуктив-ності, аеродинамічному та гідравлічному опорам і т.і., що розраховані на основі запропонованої універсальної методики, і, по-друге, визначення динаміки зміни основних параметрів теплоутилізаторів в процессі їх експлуатації.
Дослідні зразки теплоутилізаторів було виготовлено у вигляді приставок до котлів та встановлено в котельнях Ірпінського індустріального технікуму, Київського хлібокомбінату N2 та Київського заводу “Фармак” для нагрівання холодної води системи гарячого водопостачання або системи хімводоочищення. Результати проведених випробувань підтвердили відповідність конструкцій параметрам призначення за конкретних умов їх застосування. Згідно з даними випробувань коефіцієнт використання палива котлів підвищується на 8-12% в залежності від початкової температури нагріваної води.
Теплоутилізатор до котла КСВа-2.5, призначений для використання в системі опалення, було встановлено в котельні Білоцерківського хлібокомбінату (Київська обл.). Результати випробувань показали, що за даних умов експлуатації одержані характеристики відповідають їх розрахунковим значенням, при цьому ККД котла підвищується на 3-4%.
Теплоутилізатор конденсаційного водогрійного котла ВК-32 піддавався стендовим випробуванням на заводі сантехвиробів “Кайтра” (Лентварис, Литва) в режимі нагрівання води системи опалення. Випробування засвідчили, що при комплектуванні даного котла розробленим теплоутилізатором ККД котла підвищується на 3-8% в залежності від температури вхідної води.
Всі проведені випробування розробленого теплоутилізаційного обладнання підтвердили його високу теплову ефективність. За результатами приймальних випробувань організовано серійне виробництво теплоутилізаторів в Україні і Росії.
В даному розділі наведено також результати оцінок економічної ефективності технології глибокої утилізації теплоти відхідних газів з застосуванням розробленого теплообмінного обладнання. Розглянута залежність економічної ефективності застосування технології глибокої утилізації від цілого ряду факторів, таких як величина підвищення коефіцієнту використання палива, потужність котла, вартість власне теплоутилізатора, витрати на спорудження теплоутилізаційної установки, річна кількість годин її використання і т.і. Показано, що термін окупності витрат на теплоутилізацію для розробленого обладнання знаходиться в межах від 0,5 до 3 років.
Певна увага в даному розділі приділяється питанням природоохоронної дії розроблених теплоутилізаторів. При цьому визначається, що технологія глибокої утилізації як екологічний захід характеризується двома аспектами. По-перше, використання даної технології забезпечує зниження шкідливих викидів NOХ, СО2 та інших небезпечних сполук завдяки підвищенню коефіцієнта використання палива, а отже зменшенню кількості його споживання. І, по-друге, ця технологія дозволяє додатково знизити шкідливі викиди за рахунок розчинення в конденсаті значної долі диоксиду азоту (до 40%) та вуглецю ( до 20%). Остання обставина є суттєвою перевагою даної технології та обладнання над іншими, в яких не реалізується глибоке охолодження димових газів.
ВИСНОВКИ
На базі проведенних досліджень тепломасообміну при охолодженні відхідних газів газоспоживаючих котельних агрегатів нижче температури точки роси сформульовано і обгрунтовано наукові та технічні рішення, що лягли в основу створення ефективних систем глибокої утилізації з застосуванням поверхневих теплоутилізаторів.
Одержані результати досліджень, конструкторські і технологічні розробки, а також дані дослідно-промислових та експлуатаційних випробувань в сукупності можуть бути використані при проектуванні, виготовленні, впровадженні та експлуатації систем теплоутилізації котелень, що працюють на газовому паливі.
Загальні висновки роботи полягають в наступному:
1.
З метою підвищення ефективності паливовикористання газоспоживаючих котлів розроблено ряд науково-технічних положень технології глибокої утилізації теплоти відхідних газів з застосуванням теплообмінних апаратів поверхневого типу.
2.
На основі експериментальних досліджень встановлено головні закономірності процесів тепломасообміну в пучках поперечно-оребрених труб теплоутилізаторів при конденсаційному режимі охолодження димових газів в широкому практичному діапазоні зміни їхніх основних параметрів (початкових температури t0 =200-70С та вологовмісту Х=0.09-0.15 кг/кг с.г. і числа Рейнольдса Reг=2000-12000).
3.
Розроблено універсальну інженерну методику розрахунку конденсаційних теплоутилізаторів газоспоживаючих котлів з поперечно-оребреними поверхнями нагрівання. З використанням даної методики встановлено раціональні геометричні та теплофізичні характеристики цих труб в умовах конденсаційного режиму їх експлуатації.
4.
На базі проведених досліджень створено нову ефективну конструкцію поверхневого конденсаційного теплоутилізатора димових газів котлів. Виконано конструкторські розробки типоряду утилізаторів до котлів потужністю від 0,25 до 3,15 МВт. Проведено відповідні дослідні, приймальні та експлуатаційні випробування і організовано виробництво розроблених теплоутилізаторів в Україні.
5.
Стосовно до умов експлуатації розробленого обладнання обгрунтовано застосування ряду заходів щодо захисту власне робочих поверхонь теплоутилізатора та газовідвідного тракту котельні в цілому від руйнівної дії конденсату з кислою реакцією (рН = 4-5). А саме, таких заходів як використання спеціальних захисних газотермічних покриттів, байпасування частини відхідних газів, їх підсушування після теплоутилізатора та застосування так званого повітряного методу.
6.
Вивчено властивості конденсату, що утворюється при глибокому охолодженні димових газів в конденсаційному поверхневому теплоутилізаторі, та визначено ефективні методи його нейтралізації. За результатами проведених досліджень створено оригінальну конструкцію нейтралізатора утворюваного конденсату та проведено її експлуатаційні випробування, що підтвердили високу ефективність розробки.
7.
Проведено дослідження природоохоронної дії конденсаційних теплоутилізаторів та показано, що екологічна ефективність теплоутилізіції при глибокому охолодженні газів полягає в зменшенні викидів в навколишнє середовище оксидів азоту до 50% та диоксидів вуглецю до 30%. Таке зниження викидів досягається як за рахунок зменшення кількості спалюваного газу, так і завдяки розчиненню в утворюваному конденсаті вказаних шкідливих речовин.
8.
Виконано техніко-економічне обгрунтування ефективності теплоутилізації димових газів при зниженні їхньої температури нижче точки роси. Визначено, що коефіцієнт використання палива в котельних установках підвищується на 3-8% при застосуванні конденсаційних теплоутилізаторів в системі опалення та на 5-12% при їхньому використанні для потреб гарячого водопостачання. Термін окупності витрат на впровадження теплоутилізатора не перевищує 0,5-3 років в залежності від потужності котла та річного фонду роботи обладнання.
9.
Розроблені теплоутилізатори впроваджено в котельнях Ірпінського індустріального технікуму (Київська обл.), Київського хлібокомбінату №2, Білоцерківського хлібокомбінату (Київська обл.), Київського заводу “Фармак” та інших об’єктах.
СПИСОК ПУБЛІКАЦІЙ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ
1.
Фиалко Н.М., Навродская Р.А., Прокопов В.Г., Пресич Г.А. Теплообмен в конденсационных теплоутилизаторах газоиспользующих котлов // Вісник УБЕНТЗ.-1998, Київ, № 8.- С. 8-10.
2.
Фиалко Н.М., Навродская Р.А., Прокопов В.Г., Пресич Г.А., Сингаевская С.И. Оптимизация параметров труб с поперечным оребрением в конденсационных теплоутилизаторах // Промышленная теплотехника.- 1999.-21, № 1-2.-С.27-31.
3.
Фиалко Н.М., Гомон В.И., Навродская Р.А., Прокопов В.Г., Пресич Г.А. Особенности методики расчета поверхностных теплоутилизаторов конденсационного типа // Промышленная теплотехника.- 2000.-22, № 2.-С.49-53.
4.
Гомон В.И., Пресич Г.А., Навродская Р.А. Утилизация вторичнх нергоресурсов в отопительнх котельнх // Водоснабжение и санитарная техника.- 1990.- № 10.- с. 22-26.
5.
Гомон В.И.,Навродская Р.А. Конденсационный теплоутилизатор // Патент РФ № 2045697.- 1995.
6.
Гомон В.И., Дрейцер Г.А., Кирпичников Ф.П., Навродская Р.А. Теплообменная труба // Патент РФ №2039336.-1995.
7.
Гомон В.И., Навродская Р.А. Поверхностные водогрейные утилизаторы теплоты чистых и загрязненных продуктов сгорания промышленных печей и котлов // Материалы международной конференции “Использование промышленного тепла среднего и высокого потенциала”, октябрь – Братислава, 1990- С.79-86.
8.
Гомон В.И., Пресич Г.А., Навродская Р.А. Экономические аспекты теплоутилизации // Материалы конференции “Проблемы промышленной экологии и безопасности”: МП “Диада”.-1-3 июня – Москва, 1993 – С 40.
9.
Гомон В.И., Пресич Г,А., Навродская Р.А. Утилизация теплоты уходящих газов с использованием поверхностных (в том числе конденсационных) и контактных теплоутилизаторов // Материалы семинара “Современное котельное оборудование – єкономичность, безопасность и экологичность” - Киев, 1996. - С.31-36.
10.
Пресіч Г.О., Навродська Р.О., Сингаївська С.І. Методика розрахунку системи “котел-теплоутилізатор”// Матеріали доповідей і повідомлень науково-практичної конференції “Мала енергетика: шляхи та перспективи розвитку і безпека навколишнього середовища”, 17-19 травня – Київ, 1999 – С. 46-47.
11.
Фиалко Н.М., Пресич Г.А., Навродская Р.А. Повышение эффективности использования топлива в газопотребляющих котельных установках // Материалы научно-практической конференции “Региональные проблемы энергосбережения в производстве и потреблении энергии ”,25-29 октября - Киев, 1999. - С.213-214.
12.
Фіалко Н.М., Навродська Р.О. Експериментальне дослідження теплообміну при глибокому охолодженні димових газів котельних агрегатів // Материалы научно-практической конференции “Региональные проблемы энергосбережения в децентрализованной теплоэнергетике ”, 23-26 октября - Киев, 2000 - С.144-146.
АНОТАЦІЯ
Навродська Р.О. Утилізація теплоти відхідних газів газоспоживаючих котлів в поверхневих теплоутилізаторах конденсаційного типу. - Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.14.06 - технічна теплофізика та промислова теплоенергетика. – Національний технічний університет України “КПІ”, Міністерство науки та освіти України, Київ, 2001.
Дисертація присвячена комплексним дослідженням, спрямованим на розробку технології та обладнання для глибокої утилізації теплоти відхідних газів газоспоживаючих котельних установок з використанням поверхневих теплоутилізаторів конденсаційного типу. Виконано експериментальні дослідження і визначено основні закономірності процесів тепломасообміну в пучках поперечно-оребрених труб при охолодженні димових газів котельних агрегатів нижче температури їхньої точки роси. На базі проведених досліджень сформульовано і обгрунтовано відповідні рішення, що лягли в основу розробки методики теплового розрахунку конвективних поверхонь нагрівання при глибокому охолодженні димових газів та ефективних систем теплоутилізації в газоспоживаючих котельнях. Результати досліджень використано при розробці типоряду теплоутилізаційного обладнання для котлів потужністю від 0.25 до 3.15 МВт. Проведено дослідження ефективності розробленого устаткування в стендових та експлуатаційних умовах. Створені теплоутилізатори підвищують коефіціент використання палива в котлах на 3-8% при їх застосуванні в системах опалення і на 5-12% при використанні для потреб гарячого водопостачання.
Одержані результати експериментальних і розрахункових досліджень, конструкторських і технологічних розробок та дані промислових і експлуатаційних випробувань можуть бути використані при проектуванні, виготовленні, впровадженні та експлуатації систем глибокої теплоутилізації в котельнях, що працюють на газовому паливі.
Ключові слова: газоспоживаючі котельні установки, технологія глибокої утилізації теплоти, конденсаційні теплообмінники.
АННОТАЦИЯ
Навродская Р.А. Утилизация теплоты уходящих газов газопотребляющих котлов в поверхностных теплоутилизаторах конденсационного типа. - Рукопись.
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.14.06 - техническая теплофизика и промышленная теплоэнергетика. –Национальный технический университет Украины “КПИ”, Министерство образования и науки Украины, Киев, 2001.
Диссертация посвящена комплексным исследованиям, направленным на разработку технологии и оборудования для глубокой утилизации теплоты уходящих газов газопотребляющих котельных установок с использованием поверхностных теплоутилизаторов конденсационного типа.
В работе выполнены экспериментальные исследования процессов тепломассообмена при охлаждении дымовых газов ниже температуры точки росы содержащихся в них водяных паров для практического диапазона изменения параметров газов: начальных влагосодержания Х=0.09-0.15кг/кг с.г., температуры 200-70С и числа Рейнольдса Re=2000-12000. В результате проведенных исследований установлены основные закономерности процесов тепломассопереноса в пучках поперечно-оребренных труб при конденсации влаги, содержащейся в продуктах сгорания.
Разработана инженерная методика теплового расчета рассматриваемых типов теплоутилизаторов, в которой принимается во внимание ряд особенностей, связанных с наличием в данной физической обстановке конденсационного режима теплообмена. На основе предложенной методики решена задача о нахождении эффективных геометрических и теплофизических характеристик применяемых развитых поверхностей. В частности, показана целесообразность использования в области так называемого “мокрого” теплообмена переменного межреберного шага от ряда к ряду трубного пучка по ходу движения газов.
Результаты проведенных экспериментальных и численных исследований были положены в основу разработки новой эффективной конструкции теплоутилизатора для глубокого охлаждения уходящих газов газопотребляющих котлов. Разработана конструкторская документация на типоряд теплоутилизаторов к котлам мощностью 0,25-3,15МВт. Предложено два варианта технических решений: первый отвечает выполнению теплоутилизатора в виде отдельной приставки к котлу, второй – его агрегированию в конденсационный котел. Приведены результаты выполненных испытаний эффективности теплоутилизаторов данного типоряда в условиях их эксплуатации. Показано, что созданные теплоутилизаторы повышают коэффициент использования топлива в котлах на 3-8% при их применении в системах отопления и на 5-12% при их использовании для нужд горячего водоснабжения.
Применительно к условиям эксплуатации разработанного оборудования обосновано использование ряда мероприятий по защите собственно поверхностей теплоутилизатора и газоотводящего тракта котельной в целом от разрушающего действия конденсата с кислой реакцией (рН = 4-5). А именно таких мероприятий, как применение специальных газотермических покрытий, байпасирование части уходящих газов, их подсушивание после теплоутилизатора и использование так называемого воздушного метода.
Изучены свойства конденсата, образующегося при глубоком охлаждении дымовых газов в конденсационном поверхностном теплоутилизаторе, и определены эффективные методы его нейтрализации. По результатам проведенных исследований создана новая конструкция нейтрализатора образованного конденсата
