Процессы теплообмена в объеме жаротрубного котла с неводяным теплоносителем

УДК 621.6.03

DOI: 10.25206/1813-8225-2018-159-37-40

А. г. михАйлоВ

о. в. вдовин е. н. слободина

Омский государственный технический университет, г. Омск

процессы теплообмена в объеме жаротрубного котла с неводяным теплоносителем

В статье предложено решение проблем, связанных с высокотемпературным нагревом. Приведены основные преимущества высокотемпературных теплоносителей. Дано описание конструкции жаротрубного котла и его основных составляющих (топки и конвективного пучка). Рассмотрен процесс работы жаротрубного котла. Описана методика теплового расчета котла в соответствии с нормативным методом. Дана характеристика свободной и вынужденной конвекции и критериям, описывающим эти процессы. Представлены критериальные уравнения, характеризующие теплообмен при вынужденной и свободной конвекции для жаротрубного котла. По результатам расчетного эксперимента построены графики зависимости безразмерной величины при свободной и вынужденной конвекции от температуры теплоносителя.

Ключевые слова: высокотемпературный теплоноситель, жаротрубный котел, свободная конвекция, вынужденная конвекция, критерий Нусельта, неводяной теплоноситель.

На сегодняшний день на территории нашей страны повсеместно используются котлы жаротрубного типа. В качестве теплоносителя в этих котлах широкое применение нашла вода благодаря её широкой распространённости в природе и особым термодинамическим свойствам, связанным со строением молекул. Но при атмосферном давлении воду можно нагреть только до 100 °С, при дальнейшем нагреве мы будем получать пар, все термодинамические свойства которого значительно отличаются от жидкости. Чтобы нагреть воду до более высоких температур, необходимо значительно повышать давление в системе.

В жаротрубных котлах режим течения воды в зоне нагрева у жаровой трубы близок к ламинарному, конструкция котлов предполагает наличие застойных зон либо зон с невысокой скоростью движения. В таких зонах течение воды осуществляется в основном за счет свободной конвекции, что чревато уменьшением теплопередающей способности, вскипанием жидкости и местным перегревом металла. Комплексным решением этих проблем может стать применение высокотемпературных теплоносителей вместо воды.

Общей характеристикой для всех высокотемпературных теплоносителей является их высокая температура кипения или высокая температура, при которой начнется дистилляция (в случае минеральных масел). Следовательно, их можно использовать при высоких температурах в жидкой фазе под атмосферным давлением. Максимальная температура использования колеблется в интервале от 170 до 350 °С [1, 2].

Замена теплоносителя может существенно повлиять на теплообмен в котельной установке. В свя-

зи с этим возникает необходимость в исследовании и сравнении процессов теплообмена в котлах с высокотемпературным и водяным теплоносителями.

Условно жаротрубный котел можно разделить на три зоны: топочная камера (жаровая труба), конвективный пучок труб и жидкостный объем котла.

Жаротрубные котлы имеют, как правило, теплоизолированный цилиндрический корпус, расположенный горизонтально и заполненный теплоносителем (жидкостный объем котла). Внутри корпуса расположена жаровая труба, выполняющая функции топки. Передача теплоты от факела и продуктов горения к стенам жаровой трубы осуществляется преимущественно путем излучения. Пройдя жаровую трубу, продукты горения, отдав теплоту воде, направляются в конвективный пучок труб. В жаровой трубе таких котлов осуществляется радиационный теплообмен, а конвективный теплообмен — в трубах небольшого диаметра, через которые с достаточно большой скоростью проходят продукты горения топлива [3 — 5]. Схематичная конструкция жаротрубного котла представлена на рис. 1.

Расчет теплообмена в топке жаротрубного котла основывается на нормативном методе теплового расчета котельных агрегатов. В этом методе для расчета теплообмена в однокамерных топках рекомендуется формула, связывающая безразмерную температуру продуктов сгорания на выходе из топки (9^) с критерием Больцмана (Во), степенью черноты топки (а ) и параметром (М), учитывающим характер распределения температур по высоте топки [6]:

9„ =-

Во"

Т М  а"шь + Во

о.ь

37

Рис. 1. Схема жаротрубного котла с трехходовым движением продуктов горения: 1 — поворотная камера; 2 — коллекторная камера дымовых газов; 3 — отражатель; 4 — жаровая труба; 5 — горелочная плита с обмуровкой; 6 — дымогарные трубы; 7 — люк-лаз; 8 — горелка; 9 — люк для очистки; 10 — патрубок для выхода теплоносителя; 11 — патрубок для входа теплоносителя; 12 — патрубок дымохода; 13 — взрывной люк; 14 — дренаж и циркуляция; 15 — стойки; 16 — изоляция

В общем виде тепловосприятие поверхностей нагрева в топке определяется из уравнения теплообмена в топке, которое .исходя из закона Стефана — Бвльцмана, может быть представлено в виде:

0! = аг -в0 -Ч/з^вТО-Г!) • 10-3,

где 0'л — тепловосприятие поверхности нагрева; ат — интегральный коэффициент ееплооого излу-чания топкт; с0 — коэффициент излучения абсо-лютночерноао тела; фэ — коэффициент тепловой эффективности поверхности нагрева; Рст — площадь повертности стеоок, ограничивающих топку; Т — средояя темпнратура продуктов сгорания в топсе; еНш — средняя темеература пооерхности нагрева.

Суммарное колачестео теплить;, поредонное в топке:

м = ат

^ кум о* к

о,

где Ол — количества аетлоаы, тореданное излучением; Ок — количвсввм веелоаы, птреданное конвекцией.

Прирасчете канБектикные пoооpнтрeтeй нагрева использует =я Н0)в1^н25н]!тет теплвпередачи и урав-нениетеплового баленнс.

Уравнение теплопередачи:

ош=к-Н] ет/—р.

Уравнение тепаоаосн Т-ланса:

о) н ст—'- —";.

В этих уравнен иях К — коэффициент тепло передачи, Вт/(м2 • К); A" — 0емосра—урный напор, °С; Вр — расчетный рчстад топлича, м3/с; Н — расчетная поверхуооть наурева, мН; ф — коэффициент сохранения теплота. =, Ч" — онтальвии продуктов сгорания на входе н ооворхноснь нтгрева и на выходе из нее, кДж/м3.

Коэффициент тенлопрреднчк н кннвективном пучкетруб:

где чпг — коэффици[ент теплоотдччи сч стороны продуктов горечия; ч т — коэффициент теплоотдачи со стороныжидкого теплоноситет ; ф — коэффициент тепловойэффективности [7].

В жидкостном объеме жаротрубного котла наблюдаются конвективныеявления. Движение жидкости происходит за счет перемещения масс, посредством внешних силилидиффузии, а зачастую за счет тогоидругого.

Существует два основных вида конвективного теплообмена:

— естественная конвекция;

— вынужденная конвекция.

Естественная конвекция, или свободная конвекция, происходит из-за разницы плотностей слоев вещества, возникающей под действием температурного расширения среды. Более нагретые слои вещества (менее плотные), находящиеся у нагретых поверхностей теплообмена (топка и конвективный пучок труб котла), поднимаются, в то время как менее нагретые слои(более плотные) опускаются, что приводит кобъемному движению вещества.

Естественная конвекция в жидкостном объеме котла будетпротекать более интенсивно при большей разности плотностей слоев среды и большем ускорении свободного падения. Однакоувеличение диффузии в объеме вещества, а также высокая вязкость среды вызовет ухудшение естественной конвекции.

Одним из параметров, характеризующих естественную конвекцию, является число Грасгофа (Сг). Оно представляет собой безразмерную величину в гидрогазодинамике и теплообмене, которая приблизительно равна отношению архимедовой выталкивающей силы к вязкости вещества.

Вынужденная конвекция — это перенос тепла частицами вещества под действием внешних сил, направленных на перемещение этого вещества, и возникает при наличии внешнего циркуляционного контура с насосом. Вынужденная конвекция гораздо более эффективна в отличие от естественной, так как она мало зависит от ускорения свободного падения или увеличения диффузии в объеме вещества. Высокая вязкость ухудшает вынужденную конвекцию, так как уменьшается турбулизация потока, а также возрастают гидравлические потери на трение.

Параметром, характеризующим интенсивность вынужденной конвекции, является критерий Рей-нольдса (Яе). Это безразмерная величина, характеризующая нтмошение сил инерции к вязкости, она также характерезуав пе.рход от ламинарного течения к турбулентному. Вязкость слоев вещества поглощает избытоккую (иурбуленвную) составляющую скороати, в то вреоя как силы инерции, наоборот, поддерживеют и янвяются источником деста-билизируюаегн аоздайатвия на слои вещества [8].

В расчетах параметром, характеризующим конвективный тенлтоамен, является коэффициент теплоотдачи. Он зависит от числа Нуссельта (Ми), поэтому при исследовании процессов конвективного теплообмена, возможно, вместо коэффициента теплоотдачи использовать число Нуссельта.

При вынуждечно м то перечном обтекании органическими теплч но еителями одиночной трубы (топки) теплоотда сл ут определять по формулам:

Ун н 0:59Рхв47нГ (Нтв/Нтв)0:В5 V

НУ н

У7 1 чд.г • ч т

при Яе =10-10н0 и

38

Nu = OrSíl Re0m62PrT;3a(Prm/ Prcn¡)°l25 8ф,

при Re= 10оа2И0о .

При вын^жа\енно1м поперечном обтекании органическими оеплоносителямипучка трекоменду-ется пользоваться формулами:

No = 0,23RerKonH3(4rm/4rCm)0,:%,

— при коридорном распслоечении труТ в пучке;

ко к 0,41 ОНеСНПИ{РИии Част)0,P5фг

— при шахматним peíсположении труб в пучке. В приведеркьзх оызне формулах Но, — критерий

Рейнольдса теплсроиитеоя, Prm — критерий Прант-ля теплонооореняi О — чритер ий Пранаря ттпло-носителя поо и температуру стенки теплооередаю-щей поверононои, а ф — ооэффициерт , зовиатщий от угла атака [9, 10]].

Теплообмен при есне птеенней i^om екции в большом объ2ме ууес выоокетемпетатурных органических теплойкоиколао доволсисо хорооео опасы-вается критенислкныч уоавпепием:

No а СРСП 0Пд,

где С и m — постоянрсое , прин имаеаые в зов исимо-сти от векнчаны критортяСг:

Pr lO2 - lO9 lO9 - l0l(

с

O HOC

l/4 y8

д и O,3 и

O,O2

опт

Рис. 2. График зависимости безразмерной величины

от температуры теплоносителя

300 /,°С

Пок^^ателз степени bo опр cacarot^ по уравне в нию [9]:

По результатам расчетного исследования были определены критерии Нусельта для воды и высокотемпературного теплоносителя (АТМ-300) при свободной и вынужденной конвекции. Построены графики завис имости бет размерной величины Ыивт/Мивода при сво&эдной (рис. 2) и вынужденной (рис. 3) конвеоции от температуры теплоносителя (Ыи , Ыи — кротерии Нусельта для

* в.т. вода ± ± у г-г

высокотемператииноготеплоносителя и воды соответственно).

Из графиков видно, ч^^о сувеончением температуры критерий Нусельта для вычоооянмпоратурно-го теплоносители уселичиоаятоя °олон интднсивно, чем для воды. Прчем для свободной конвекции этот рост более стремительный. Это объясноетоя то]м, что с повышением температуры высокотемпер отур н ого теплоносителя значительчо уменьшается его кинематическая вязиостс. У воды же кинематическая вязкость уменьшается нсзиасительоо. В интервале температур 20 — 2 у0 ° С вя з ко ст ь в оды ум еныпает ся примерно в 7,5 раз а, ко гда вязко сть масла АТМ-300 уменьшается в 240 раз.

Значения Ыивт прш те мпе р атурах 1 3 5 °С для свободной конвекции и 175 в" дв в ы нужденвой будут равны значениям №[ . С дальнейшим повышени-

1 вода ^

ем температуры число Нусельта дад высокотемпературного теплсносиселя будет пр дышать число Нусельта для воды (т.е. Иевт/Ме > В). Напротив, при значениях Иеоо1/Иеоога а В использование воды

Рис. 3. График зависимости безразмерной величины Nuвт/Nuвода при свободной конвекции от температуры теплоносителя

в качестве теплоносителя обеспечит наибольшие значения коэффициента теплоотдачи.

По результатам исследования можно сделать вывод, что применение высокотемпературных теплоносителей в жаротрубных котлах имеет место, особенно при высокотемпературном нагреве. Так как в жидкостном объеме жаротрубного котла режим течения воды у поверхностей нагрева близок к ламинарному, передача теплоты к теплоносителю происходит приемущественно за счет свободной конвекции. Следовательно, уже при температурах высокотемпературного теплоносителя выше 135 °C котел будет работать эффективно.

Библиографический список

1. Сидельковский Л. Н., Юренев В. Н. Котельные установки промышленных предприятий. 3-е изд., перераб. М.: Энер-гоатомиздат, 1988. 528 с. ISBN 5-283-00016-8.

2. Михайлов А. Г., Вдовин О. В., Мастерских Н. А. Вопросы использования высокотемпературных теплоносителей в газотрубных котлах // Инновационные научные исследования: теория, методология, практика: сб. ст. II Междунар. науч.-практ. конф. / под общ. ред. Г. Ю. Гуляева. Пенза: Наука и Просвещение. 2016. С. 50 — 53.

3. Михайлов А. Г., Вдовин О. В., Жунда А. С., Мухамет-шина Е. А. Особенности использования высокотемпературных теплоносителей в жаротрубных котлах // Современные технологии: актуальные вопросы, достижения и инновации: сб. ст. XII Междунар. науч.-практ. конф. / под общ. ред. Г. Ю. Гуляева. Пенза: Наука и Просвещение, 2017. С. 124—126.

4. Брюханов О. Н., Кузнецов В. А. Газифицированные котельные агрегаты. М.: ИНФРА-М, 2005. 392 с. ISBN 5-16002442-5.

Nu^/Nu при вынужденной конвекции

m

5. Annaratone D. Steam Generators. Description and design. Heidelberg: Springer Berlin, 2008. 427 p. ISBN 978-3-540-77715-1.

6. Зах Р. Г. Котельные установки. М.: Энергия, 1968. 352 с.

7. Кузнецов Н. В., Митор В. В., Дубровский И. Е. [и др.]. Тепловой расчет котельных агрегатов (нормативный метод). 2-е изд., перераб. и доп. М.: Энергия, 1973. 296 с.

8. Вдовин О. В., Мастерских Н. А., Михайлов А. Г. Оценка естественной и вынужденной конвекции высокотемпературных теплоносителей // Европейские научные исследования: сб. ст. Междунар. науч.-практ. конф. / под общ. ред. Г. Ю. Гуляева. Пенза: Наука и Просвещение. 2016. С. 34 — 37.

9. Чечеткин А. В. Высокотемпературные теплоносители. Изд. 3-е, перераб. и доп. М.: Энергия, 1971. 496 с.

10. Исаченко В. П., Осипова В. А., Сукомел А. С. Теплопередача. 3-е изд., перераб. и доп. М.: Энергия, 1975. 488 с.

МИХАИЛОВ Андрей Гаррьевич, кандидат технических наук, доцент (Россия), заведующий кафедрой «Теплоэнергетика». БРНЧ-код: 7337-8036 ЛиШогГО (РИНЦ): 385534

ВДОВИН Олег Владиславович, магистрант гр. ТЭм-171 факультета элитного образования и магистратуры.

БРНЧ-код: 8721-5737 ЛиШогГО (РИНЦ): 939315

СЛОБОДИНА Екатерина Николаевна, старший

преподаватель кафедры «Теплоэнергетика».

БРНЧ-код: 3785-9045

ЛиШогГО (РИНЦ): 763109

Адрес для переписки: oleg95_15.03@mail.ru

Для цитирования

Михайлов А. Г., Вдовин О. В., Слободина Е. Н. Процессы теплообмена в объеме жаротрубного котла с неводяным теплоносителем // Омский научный вестник. 2018. № 3 (159). С. 37-40. БОН 10.25206/1813-8225-2018-159-37-40.

Статья поступила в редакцию 15.03.2018 г. © А. Г. Михайлов, О. В. Вдовин, Е. Н. Слободина

УДК 620.9

DOI: 10.25206/1813-8225-2018-159-40-43

д. ю. руди

Омский институт водного транспорта (филиал) «Сибирского государственного университета водного транспорта»,

г. Омск

проблема качества электроэнергии судовых электроэнергетических систем

В статье описаны проблемы качества электроэнергии судовых электроэнергетических систем. Приведена актуальность данной проблемы. Ее значимость возрастала непосредственно совместно с развитием водного транспорта. Объекты технического флота судовых энергосистем особо подвержены влиянию кондуктивных электромагнитных помех. Сравнительный анализ, приведенный в статье по показателям качества электроэнергии различных стандартов, показывает наличие различий требований, что приводит к простоям в работе, нарушению научно-технического процесса, браку продукции. Вопрос решения научно-технической задачи для повышения качества функционирования электроэнергии судовых электроэнергетических систем до сих пор не решен, что вызывает определенные сложности в своевременном обнаружении проблемы.

Ключевые слова: проблемы судовых электроэнергетических систем, проблема электромагнитной совместимости, кондуктивная электромагнитная помеха, показатели качества электроэнергии.

В последнее время очень остро усугубились важнейшие проблемы судовых электроэнергетических систем: качество электроэнергии и электромагнитная совместимость объектов технического флота. Количество нарушений, выявленных в российских электрических сетях, в отличие от других стран, почти в 7 раз больше, т.к. выражаются огромной аварийностью. Актуальность обусловливается значительным физическим износом объектов технического флота. Из-за этого изоляция судовых электроэнергетических систем непосредственно снижает помехоустой-

чивость электрооборудования технического флота и систем регулирования и управления [1].

Данная проблема объясняется несколькими причинами:

— тяжёлые энергетические последствия на объектах технического флота от воздействий климатических особенностей РФ;

— сложная электромагнитная обстановка, которая обусловлена нарушениями требований различных показателей качества электроэнергии по ГОСТу 32144-2013 [2].