Теплообмен в газоходах жаротрубных водогрейных котлов при работе на твердом топливе

УДК 697.11

ТЕПЛООБМЕН В ГАЗОХОДАХ ЖАРОТРУБНЫХ ВОДОГРЕЙНЫХ КОТЛОВ ПРИ

РАБОТЕ НА ТВЕРДОМ ТОПЛИВЕ

Зайцев О.Н., Степанцова Н.А. Кунский М., Циплина А., Эмирова Э.

Академия строительства и архитектуры (структурное подразделение) ФГАОУ ВО «КФУ им. В.И. Вернадского», 295493 РК г. Симферополь, у. Киевская, 181.

Аннотация. В выполненном исследовании обоснована численная модель тепломассобменных процессов в жаротрубных котлах малой мощности на основе численного решения системы уравнений Навье -Стокса, уравнения сохранения при выбранных начальных и граничных условиях. Определены режимы и границы исследуемой области работы конвективных поверхностей при изменении тепловых нагрузок. Выявлено, что постоянное изменение температуры в моделях, указывает на изменение коэффициента теплопроводности, то есть чем выше температура теплового потока, тем меньше коэффициент теплопроводности.

Ключевые слова: инерционность, теплопроводность, теплогенерирующие установка.

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время в Крыму изношенность теплосетей и котельных достигает 70%. Оборудование котельных централизованных систем теплоснабжения морально и физически устарело, а тепловые сети являются самым ненадежным ее элементом, на который приходится примерно 85% отказов по системе в целом. В условиях постоянного роста цен на электрическую энергию, воду, топливные и материальные ресурсы, эксплуатация таких систем является расточительством. Так же недостатком существующих централизованных источников тепла, является то, что они проектировались без возможности снижения выбросов в окружающую среду [1].

Одним из направлений снижения энергозатрат и улучшения экологической составляющей работы тепловых предприятий является техническое совершенствование систем теплоснабжения. Среди способов реализации данной проблемы является усовершенствование теплогенерирующих установок путем снижения термического сопротивления тепловоспринимающих

поверхностей в процессе эксплуатации котельных агрегатов. Это позволит эффективно решать задачи отопления и горячего водоснабжения с экономией энергии.

АНАЛИЗ ПУБЛИКАЦИЙ

На сегодня наибольшее распространение получили теплогенераторы зарубежного производства, однако отечественные

теплогенераторы обладают не худшими характеристиками и при их совершенствовании могут составить достойную конкуренцию зарубежным аналогам.

В теплогенераторах данного типа теплота на 70% отдается излучением и на 30% конвекцией. Из-за довольно высоких температур уходящих газов (160-2000С), в следствии чего возникают нагары, накипь, отложения различного рода,

поэтому актуальным вопросом является

совершенствование конвективной части жаротрубных теплогенераторов малой мощности отечественного производства, что позволит улучшить их энергетические и экологические характеристики [1-3].

На сегодняшний день техническая документация, руководства по эксплуатации и аварийных ситуациях, документация о ремонтных мероприятиях котельных агрегатов сформирована на аварийных внештатных ситуациях, заводе при сборке котлового агрегата, при эксплуатации рабочей модели на производстве. Поэтому методология ремонта и очистки котлов складывается на теоретических и практически полученных знаний и не дает полную картину о происходящий процессах, которые протекают внутри котлового агрегата в реальном времени, вне зависимости стадии эксплуатации [4]. А изучение и исследования основных факторов, влияющих на работу и эксплуатацию сложны и требуют значительных финансовых затрат. Наиболее предпочтительным представляется изучение процесса очистки внутрикотловых отложений с помощью компьютерного моделирования [5]. Данный метод позволяет получить данные о исследуемом процессе, в частности, как и вследствие чего протекает и изменяется процесс теплопередачи [6-7].

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

Цель работы. Повышение энергоэффективности и улучшение экологических характеристик жаротрубных и водогрейных теплогенераторов путем снижения термического сопротивления тепловоспринимающих поверхностей в процессе их эксплуатации.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ АНАЛИЗ

Моделирование процессов для увеличения тепловой эффективности жаротрубных и водогрейных теплогенераторов и снижении

термического сопротивления поверхностей нагрева конвективной части предложено выполнить с помощью программного комплекса [5].

Исследуемая модель №1 «НБВК» (рис.1) - это водотрубный вертикальный теплообменник либо нагревательный бокс водогрейного котла на твердом топливе. Модель №1 НВБК представляет собой камеру нагрева четырёх ходового водогрейного котла. Камера выполнена из жаропрочного металла, меди и нержавеющей

стали. Продукты сгорания достигают плоской крышки камеры нагрева и проникают в конвективный газоход блока 1 и 2, где возникает первичный нагрев последней петли расположенных в ряд змеевиков. Далее дымовые газы разворачиваются на 1800 и поступают в газоход блоков 3, и 4, нагревая поверхности ВНБ и цилиндрический змеевик с жидкостью. Пройдя 4 ход, газы поступают в сборный дымовой короб и, оттуда, в газоход и дымовую трубу.

Рис 1. Исследуемая модель №1 водотрубного теплообменника НБВК.

1- блок нагрева №1;

2 - блок нагрева №2;

3 - блок нагрева №3;

4 - блок нагрева №4;

5 - змеевик;

6 - пластина;

7 - канал №1;

8 - канал №2;

9 - гребенка; распределительная №2;

10 - гребенка. распределительная №1

Рис. 2. Исследуемая модель №2 «НБЖК»

Исследуемая модель №2 «НБЖК» (рис.2-3) - это жаротрубный вертикальный теплообменник либо нагревательный бокс жаротрубного котла на твердом топливе.

Модель №2 ЖВНБ представляет собой камеру нагрева пяти ходового жаротрубного котла. Камера выполнена из жаропрочного металла, меди и нержавеющей стали. Продукты сгорания с максимальной температурой проходят через цилиндрический горизонтальный ход конвективного теплового массообмена Блока №1. Затем дымовые газы проникают в конвективный газоход Блоков №2,3,4 и 5 меняя свое направление движения не только по ходу и против тепловоспринимающей жидкости, но и по диаметру газохода, тем самым увеличивая коэффициент теплопередачи. Пройдя 4 ход, газы поступают в сборный дымовой короб и, оттуда, в газоход и дымовую трубу. Конструктивная схема ЖВНБ:

1 - ЖВНБ состоит из четырёх блоков прогрева:

Блок №1 - часть камеры где происходит подача

теплоносителя после сгорания. В данном блоке температура теплоносителя максимальная.

Блок №2 - часть камеры с критической точкой теплоносителя. Критическая точка - точка понижения температуры теплоносителя при взаимодействии с поверхностями нагрева.

Блок №3 и 4 - часть камеры, где конвективный теплообмен протекает с постоянно понижающейся температурой дымовых газов.

Блок №5 - часть камеры с минимальной температурой теплоносителя после взаимодействия с поверхностями нагрева.

2 - газоход, состоящий из жаротрубных поверхностей нагрева.

Газоход - пучок жаротрубных цилиндрических поверхностей конвективного теплообмена,

расположенных по периметру диаметра на заданном расстоянии. Количество труб конвективного пучка - 41 штук, диаметром 40 мм и толщиной стенки 2 мм.

Задача газохода - передать максимальное количество тепловой энергии от теплоносителя к тепловоспринимающей среде. Данный элемент теплообменника должен обладать максимальной теплопроводностью и минимальный коэффициентом термического сопротивления.

3 - разделительные межблочные пластины теплообменника.

Межблочные пластины представляют собой листы металла, разделяющие теплообмена на блоки теплообмена.

4 - подающий канал №1 и отводящий канал №2 продуктов сгорания.

Подача и вывод продуктов сгорания после процесса тепломассообмена осуществляется естественной или механической аэродинамической тягой из камеры сгорания через блоки нагрева для передачи тепловой энергии конвективным поверхностям нагрева.

5 - подающий канал №3 и отводящий канал №4 подачи и вывода тепловоспринимающей жидкости.

Подача тепловоспринимающей жидкости осуществляется через распределительную гребенку №1 под давлением после очистки из сети или водных резервуаров. Завершив процесс теплообмена, теплоноситель (жидкость) выводится из змеевика через распределительную гребенку №2 и подается по теплопроводу к потребителю. Конструктивная схема модели ЖВНБ представлена на рис.3.

Рис 3. Исследуемая модель водотрубного теплообменника - ЖВНБ. 1 - блок нагрева №1; 2 - блок нагрева №2; 3 - блок нагрева №3; 4 - блок нагрева №4; 5 - блок нагрева №5; 6 -подающий канал №1 - теплоноситель; 7 - отводящий канал №2 - дымовые газы; 8 - подающий канал №3 -тепловоспринимающая среда; 9 - отводящий канал №4 - тепловоспринимающая среда; 10 - разделительная

пластина №1; 11 - разделительная пластина №1.

Таблица 1.

Основные Вид топлива

характеристики Древесина - лиственница Уголь - Антрацит

Выход летучих, Ул >70% 2.9%

Содерж. серы, 8ИР - 0.8%

Влажность, Wp 30...50% 5.10%

Зольность, Ар 10...25% <5%

Теплота сгорания, (МДж/кг) рИР 13,5.19 ~26,0

Теплопроизводительная способность, Кал 3790 8350

Жаропроизводительная способность, °С 865 1470

Рис.4. Температура теплового потока газовой среды модели НБВК, топливо - уголь.

Температура (текучая среда) [

Рис.5. Температура теплового потока газовой среды модели НБВК, топливо - древесина.

Температ/ра (текучая среда) ["С]

Рис.6. Температура теплового потока газовой среды модели ЖВНБ, топливо - древесина.

Температура (текучая среда) [ПС]

Рис.7. Температура теплового потока газовой среды модели ЖВНБ, топливо - уголь.

Сравнительный анализ полученных результатов моделирования по построению тепловых и физико-технических процессов тепломассообмена приведен на рис.4-7. Полученные результаты моделирования показали, что процессы тепломассообмена протекающие в исследуемых моделях отличаются по теплотехническим и физико-техническим параметрам. Постоянное изменение температуры в моделях, указывает на изменение коэффициента теплопроводности, чем выше температура теплового потока, тем меньше коэффициента теплопроводности. Показано, что коэффициент термического сопротивления стенки газохода равен Данный коэффициент будет зависеть от изменения

коэффициента теплопроводности, следовательно, КПД теплогенератора будет на прямую зависеть от величины изменения термического сопротивления материала тепловоспринимающей стенки. Полученные результаты позволяют определить размеры турбулизатора потока для достижения оптимального эффекта, определить скорости движения твердых частиц и время пребывания в любой точке контура жаротрубного теплогенератора. Анализ изменения температурного потока, разности давления и объемного расхода позволяет определить наиболее рациональные методы снижения расхода топлива путем снижения термического сопротивления

тепловоспринимающих поверхностей нагрева конвективной части теплообменника.

ВЫВОДЫ

1. Обоснована численная модель тепломассобменных процессов в жаротрубных котлах малой мощности на основе численного решения системы уравнений Навье -Стокса, уравнения сохранения при выбранных начальных и граничных условиях.

2. Определены режимы и границы исследуемой области работы конвективных поверхностей при изменении тепловых нагрузок.

3. В результате исследования выявлено, что постоянное изменение температуры в моделях, указывает на изменение коэффициента теплопроводности, то есть чем выше температура теплового потока, тем меньше коэффициент теплопроводности.

4. Показано, что коэффициент термического сопротивления стенки газохода равен при этом коэффициент будет зависеть от изменения коэффициента теплопроводности, что позволяет сделать вывод о прямой зависимости КПД теплогенератора от величины изменения термического сопротивления материала тепловоспринимающей стенки.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Хаванов, П. А. Водогрейные котлоагрегаты малой мощности: теплотехнические особенности применения / П. А. Хаванов // Вентиляция. Отопление

2. Кондиционирование: АВОК. 2011. N 5. С. 66-71 . Библиогр.: с. 71 (4 назв. ). ISSN 16097843

3. Довмир Н.М. Низкотемпературные режимы систем отопления как предпосылка эффективного применения конденсационных котлов и тепловых насосов // Пром. теплотехника. — 2008. № 5 с. 6268;

4. Быстров Ю.А., Исаев С.А., Кудрявцев Н.А., Леонтьев А.И. Численное моделирование вихревой интенсификации теплообмена в пакетах труб. / СПб.: Судостроение, 2005.-392 с.

5. SolidWorks. Компьютерное моделирование в инженерной практике/ [Алямовский А. А., Собачкин А. А., Одинцов Е. В.,Харитонович А. И., Пономарев Н. Б. ] — СПб.: БХВ-Петербург, 2005. —800 с.: ил.

6.Гримитлин А.М., Дацюк Т.А., Денисихина Д.М. Математическое моделирование в проектировании систем вентиляции и кондиционирования: монография / А.М.Гримитлин, Т.А. Дацюк, Д.М. Денисихина.- СПб : АВОК Северо-Запад, 2013. - 192 с.

7. Юрченко О., Любарец А., Дихтярь Т., Зайцев О. Экспериментальные исследования колебаний скорости в сильнозакрученной газовой струе с прецессирующем вихревым ядром // Труды международной конференции «Энергия -2010», Lublin: Motrol, 2010, сб. № 12С, с.266-272

8. Зайцев О., Лукьянченко Д., Меннанов Э., Степанцова Н. Повышение эффективности и работы низкотемпературного водяного отопления // Строительство и техногенная безопасность - 2015. №1 (53) С. 94-98

Zaitsev, O. N., Stepantsova N.A., Kunsky M., Tsiplina A., Emirova E.

HEAT EXCHANGE IN GAS FLOWS OF HEAT EXCHANGE WATER HEATERS AT SOLID

FUEL OPERATION

Annotation. In the study, a numerical model of heat-mass-exchange processes in low-power fire-tube boilers is substantiated based on a numerical solution of the Navier-Stokes equations system, the conservation equation for the selected initial and boundary conditions. The regimes and boundaries of the investigated region of operation of convective surfaces are determined with changing thermal loads. It was found that a constant change in temperature in the models indicates a change in the thermal conductivity, that is, the higher the temperature of the heat flux, the lower the thermal conductivity coefficient. Key words: inertia, thermal conductivity, heat generating installation