Теоретичні основи та способи підвищення енергоекологічних характеристик теплогенераторів для локальних систем теплопостачання

Размещено на http://www.allbest.ru/

ДОНБАСЬКА НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ БУДІВНИЦТВА І АРХІТЕКТУРИ

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук

ТЕОРЕТИЧНІ ОСНОВИ І СПОСОБИ ПІДВИЩЕННЯ ЕНЕРГОЕКОЛОГІЧНИХ ХАРАКТЕРИСТИК ТЕПЛОГЕНЕРАТОРІВ ДЛЯ ЛОКАЛЬНИХ СИСТЕМ ТЕПЛОПОСТАЧАННЯ

05.23.03 - вентиляція, освітлення та теплогазопостачання

ЛУК'ЯНОВ ОЛЕКСАНДР ВАСИЛЬОВИЧ

Макіївка - 2007

Дисертацією є рукопис.

Роботу виконано на кафедрі теплотехніки, теплогазопостачання і вентиляції Донбаської національної академії будівництва і архітектури Міністерства освіти і науки України.

Науковий консультант: доктор технічних наук, професор Губар Валентин Федорович, Донбаська національна академія будівництва і архітектури, завідувач кафедри теплотехніки, теплогазопостачання і вентиляції

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Висоцький Сергій Павлович, Горлівський автомобільний інститут Донецького національного технічного університету, завідувач кафедри екології та безпеки життєдіяльності

доктор технічних наук, професор Кошельник Вадим Михайлович, Харківський національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", завідувач кафедри теплотехніки

доктор технічних наук, професор Шушляков Олександр Васильович, Харківський державний технічний університет будівництва та архітектури, професор кафедри теплопостачання, вентиляції і використання вторинних теплових ресурсів

Захист відбудеться 24 січня 2008 р. о 10:00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 12.085.01 Донбаської національної академії будівництва і архітектури (86123, Донецька обл., м. Макіївка, вул. Державіна, 2, навчальний корпус № 1, зала засідань).

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Донбаської національної академії будівництва і архітектури (Україна, 86123, Донецька обл., м. Макіївка, вул. Державіна,2).

Автореферат розісланий “21” грудня 2007 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради М.М.Зайченко

АНОТАЦІЯ

Лук'янов О.В. Теоретичні основи та способи підвищення енергоекологічних характеристик теплогенераторів для локальних систем теплопостачання. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.23.03 - вентиляція, освітлення та теплогазопостачання. Донбаська національна академія будівництва і архітектури. Макіївка, 2008.

Дисертація присвячена розв'язанню проблем енергозбереження та зниження шкідливих викидів комунальними теплоенергетичними підприємствами - розробці наукових основ і способів підвищення енергоекологічних характеристик жарогазотрубних теплогенераторів локальних систем теплопостачання.

На основі системного підходу розроблені принципи моделювання тепломасобмінних процесів у газоходах жарогазотрубних теплогенераторів, розроблена узагальнена математична модель жаро-газотрубного теплогенератора.

Аналіз багатофакторних експериментів дав можливість встановити основні технологічні параметри, які визначають інтенсивність емісії токсичних речовин, до яких відносяться коефіцієнт надлишку повітря, ступінь перемішування природного газу та повітря, теплова потужність теплогенератора й турбулізація потоку газоповітряної суміші в пальниковому пристрої. Доведено, що з ростом коефіцієнта надлишку повітря концентрація NO_X у продуктах згоряння жарогазотрубних теплогенераторів знижуються.

Дослідження процесів теплообміну в циліндричних топкових камерах жарогазотрубних теплогенераторів малої потужності дозволили установити режимні й геометричні параметри, що визначають ефективність теплової роботи топкової камери, до яких відносяться число Бугера, коефіцієнт надлишку повітря в топці, теплова напруга поверхні топки та відносна довжина топки. Розроблені теорія та методика розрахунку емісії токсичних речовин викидів локальних котелень із урахуванням різних варіантів розсіювання мають практичне значення при вирішенні нормативно - розрахункових, проектних завдань ефективного зниження впливу забруднень навколишнього середовища.

Математична модель теплообмінних процесів у топкових камерах жарогазотрубних теплогенераторів і її детальне розкриття створює основу для розробки методу конструювання топкової камери, алгоритму й програми розрахунку на ЕОМ її діаметра й довжини за умови оптимізації цих розмірів.

Ключові слова: жарогазотрубний теплогенератор, система теплопостачання, енергоекологічна ефективність, теплообмін, оксиди азоту, оксиди вуглецю, бенз(а)пірен, коефіцієнт надлишку повітря, математична модель, оптимальні розміри, топка.

АННОТАЦИЯ

Лукьянов А.В. Теоретические основы и способы повышения энергоэкологических характеристик теплогенераторов для локальних систем теплоснабжения. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени доктора технических наук по специальности 05.23.03 - вентиляция, освещение и теплогазоснабжение. Донбасская национальная академия строительства и архитектуры. Макеевка, 2008.

Диссертация посвящена решению проблемы энергосбережения и снижения вредных выбросов коммунальными теплоэнергетическими предприятиями, разработке научных основ и способов повышения энергоэкологических характеристик жарогазотрубных теплогенераторов локальных систем теплоснабжения. На основе системного подхода разработаны принципы моделирования тепломассообменных процессов в газоходах указанных котлов, предложена обобщенная математическая модель жарогазотрубного теплогенератора.

Принятая методика планирования многофакторных экспериментов дала возможность обосновать теоретические предпосылки и получить исходные данные для оптимизации работы высокоэффективных жарогазотрубных теплогенераторов и снижения выбросов ими вредных веществ с продуктами сгорания.

Установлены механизмы и условия эмиссии токсичных веществ при сжигании в топочных камерах малого объема природного газа. Анализ многофакторных экспериментов дал возможность установить основные технологические параметры, которые определяют интенсивность эмиссии токсичных веществ, к которым относятся коэффициент избытка воздуха, степень перемешивания природного газа и воздуха, тепловая мощность агрегата и турбулизация потока газовоздушной смеси в горелочном устройстве.

Доказано, что с ростом коэффициента избытка воздуха концентрация NO_X в продуктах сгорания жарогазотрубных теплогенераторов снижается. Полученные обобщенные уравнения зависимости содержания токсичных выбросов в продуктах сгорания от влияющих факторов позволяют прогнозировать эти выбросы и определять оптимальные технологические параметры топочного процесса. Разработана методика определения показателей эмиссии загрязняющих веществ в продуктах сгорания в зависимости от значения коэффициента избытка воздуха, значительно снижающая трудоемкость расчетов объемов загрязняющих составляющих в дымовых газах.

Определены основные режимные и геометрические параметры, определяющие эффективность тепловой работы топки, к которым относятся число Бугера, коэффициент избытка воздуха в топке, тепловое напряжение поверхности топки и относительная длина топки. Установлено, что для водоохлаждаемых топок теплогенераторов малой мощности при сжигании природного газа топочная среда не может рассматриваться ни как оптически тонкая, ни как оптически толстая.

Регрессионный анализ экспериментальных данных позволил получить математическую модель влияния конструктивных параметров и технологических факторов топочного процесса на коэффициент интегрального теплопереноса, определяющую полное тепловосприятие топочной камеры.

Разработанные теоретические положения и методика расчета эмиссии токсичных веществ выбросов локальных котельных с учетом различных вариантов их расположения позволяют решить нормативно-расчетные и проектные задачи эффективного понижения влияния загрязнений окружающей среды.

Эксергетический анализ технологического преобразования химической энергии топлива в тепловую продуктов сгорания показал необходимые направления повышения термодинамических критериев оценки эффективности работы, как отдельных газоходов, так и теплогенератора в целом.

Установлено, что для оптимизации конструктивных параметров цилиндрической водоохлаждаемой топочной камеры жарогазотрубных теплогенераторов следует выдерживать соотношение длины топки к ее диаметру на уровне 2,5.

Предложенная математическая модель теплообменных процессов в топочных камерах жарогазотрубных теплогенераторов позволила разработать метод конструирования топочной камеры, алгоритм и программу расчета на ЭВМ ее диаметра и длины при условии оптимизации этих размеров. Экономический эффект от внедрения результатов исследований, направленных на разработку двухходовых жарогазотрубных теплогенераторов для локальных систем теплоснабжения, составил около 5 млн. грн.

Ключевые слова: жарогазотрубный теплогенератор, система теплоснабжения, энергоэкологическая эффективность, теплообмен, оксиды азота, оксиды углерода, бенз(а)пирен, математическая модель, оптимальные размеры, топка.

ABSTRACT

Luk'yanov O.V. Theoretical bases and methods of increase of power and ecological descriptions of caldrons for local heat supply. - The manuscript.|

Dissertations on competition of graduate degree of doctor of engineering sciences on speciality 05.23.03 - ventilation, illumination and heat-gas supply. Donbas | National Academy of Civil Еnginееring and Architecture. Makiyivka |, 2008.

Dissertation is devoted to the decision of the problems of power economy and decline of harmful extrass by communal thermal enterprises - development of scientific bases and methods of increase of power and ecological descriptions of heat-tube generators for local heat supply. On the basis of systems approach principles of design of exchanges of thermal and mass processes are developed in | heat-tube generators, the generalized mathematical model of heat-tube generators is created. Analysis of experiments with a number of factors enabled to define basic technological parameters, which determine intensity of emission of toxic matters, to which the coefficient of surplus of air, degree of interfusion of natural gas and air, thermal power of caldron and turbulization of stream of mixture of gas and air, behave in the burner.

It is well-proved that with the growth of coefficient of surplus of air concentration of NO₂ in the products of combustion of heat-tube generators go down.

Developed theory and method of calculation of emission of toxic matters of extras of local boiler rooms taking into account the different variants of dispersion matter have large practical at the decision of normative, calculations and projects tasks of the effective lowering of influencing of environment contaminations.

The mathematical model of thermal exchanges processes in the fire-box chambers of heat-tube generators and its detailed opening provides a basis for development of method of constructing of fire-box chamber algorithm and program of calculation on computer of its diameter and length on condition of optimization of these sizes.

Key words: heat-tube generator, system of heat supply, energetically and ecological efficiency, heat exchange, nitrogen oxides, carbon oxides, benzo(a)pyrene, factor of surplus of air, mathematical model, optimum dimensions, burner.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми Устаткування багатьох опалювальних і виробничих котелень, що експлуатується, не відповідає вимогам з енергозбереження, екології, автоматизації, надійності та безпеки. Фізичне і моральне зношення теплового устаткування та інженерних систем досягає 50%. Реальний експлуатаційний коефіцієнт корисної дії теплогенераторів 70 %, що діють в Україні, на 20-25% нижче від проектного. Витрата палива для вироблення 1 ГДж теплоти становить 44-45 кг у.п., що на 30% більше, ніж у розвинених країнах.

Ці обставини обумовили доцільність відмови від традиційних великих централізованих систем теплопостачання і переходу до створення нових локальних систем помірної та невеликої локальної одиничної потужності. При вирішенні цієї проблеми намітилася тенденція застосування в системах централізованого теплопостачання теплогенераторів малої потужності, що характеризуються високими енергоекологічними показниками.

У зв'язку із цим актуальним є наукове обґрунтування напрямків підвищення ефективності жарогазотрубних теплогенераторів малої потужності (до 3,0 МВт) для локальних систем теплопостачання. Такі теплогенератори повинні мати чітку градацію застосування різної кількості ходів (одноходові, двоходові і т.д.) продуктів згоряння в їх конструкціях залежно від необхідної одиничної теплової потужності.

При розробці та створенні нового обладнання, що використовує органічне паливо, основними вимогами є ефективне використання цього палива та зниження викидів шкідливих речовин.

Системні дослідження дотримання встановлених норм викидів з теплогенераторів локальних систем теплопостачання при розгляді екологічної ситуації окремого споживача й регіону в цілому, а також моніторингу стану навколишнього середовища з метою зниження викидів, що утворюються в процесі горіння органічного палива, вимагають потреби розв'язання нових і ефективних наукових підходів.

Недостатнє вивчення закономірностей впливу технологічних режимів спалювання палива та конструктивних параметрів топкових камер малого об'єму на інтенсивність теплообміну і емісії шкідливих речовин в продукти згоряння не дозволяють підвищувати енергоекологічні характеристики жарогазотрубних теплогенераторів. Наукові основи створення узагальненої математичної моделі теплообмінних процесів в топкових камерах малого об'єму дозволять підвищити ефективність спалювання палива в зазначених теплогенераторах малої потужності і знизити забруднення атмосферного повітря викидами шкідливих речовин з продуктами згоряння. Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Основні дослідження теоретичного й прикладного характеру виконувалися відповідно до Закону України "Про енергозбереження", Комплексної державної програми енергозбереження України, Програми енергозбереження в житлово-комунальному будівництві, пріоритетних напрямів розвитку науки і техніки в Україні "Екологічно чиста енергетика та енергозберігаючі технології", Програми науково-технічного розвитку Донецької області на період до 2020р. "Донбас - 2020".

Дослідження виконувались в межах держбюджетних науково-дослідних тем Міністерства

освіти і науки України, у яких автор був відповідальним виконавцем: К-2-4-96 "Розробка способів збільшення енергетичної ефективності теплотехнічних пристроїв з використанням енергозберігаючих технологій" (1996-2000рр.); К-3-08-01 "Розробка й удосконалення екотехнологічних процесів утилізації теплоти і використання нетрадиційних джерел енергії" (2001-2004рр., № 0102U002850); Д- 2-3-03 "Створення теоретичних і технологічних основ розробки основ автономного теплопостачання і способів підвищення якості води у споживачів" (2003-2007рр. № 0103 U000585); Д- 2-06-06 „Розробка методів і способів підвищення енергетичної ефективності джерел теплоти для локального та індивідуального теплопостачання” (2006 - 2008рр. № 0106U002951). Дослідно-конструкторські розробки і впровадження результатів досліджень здійснюються відповідно до госпдоговірних науково-дослідних робіт, що виконуються в спеціалізованому науково-виробничому центрі "Екотер" при ДонНАБА.

Метою дослідження є наукове та експериментальне обґрунтування напрямків підвищення енергетичної ефективності та екологічних характеристик жарогазотрубних теплогенераторів на основі удосконалення процесів теплообміну і емісії шкідливих речовин, розробка методів розрахунку теплогенераторів та оптимізація геометричних параметрів і технологічних режимів їх експлуатації.

Задачі дослідження:

- виконати теоретичні дослідження і порівняльний аналіз відомих конструкцій жарогазотрубних теплогенераторів з метою виявлення перспективних напрямків підвищення їх енергетичної та екологічної ефективності;

- розробити узагальнену математичну модель теплообмінних процесів у теплогенераторах, призначених для локальних систем теплопостачання, і таких, що мають високі теплотехнічні і екологічні характеристики;

- на основі системного підходу визначити якісні та кількісні оцінки режимних і геометричних параметрів жарогазотрубних теплогенераторів з метою визначення основних параметрів, які потребують оптимізації;

розробити і експериментально обґрунтувати моделі впливу основних технологічних факторів топкових процесів у жарогазотрубних теплогенераторах на інтенсивність емісії шкідливих речовин у продуктах згоряння, що відходять, а також установити технологічні параметри режимів топкового процесу, що забезпечують мінімальні викиди шкідливих речовин

із продуктами згоряння;

дослідити вплив впровадження локальних котелень на забруднення приземного шару

атмосфери населених пунктів;

розробити методику розрахунку показників емісії шкідливих речовин у продуктах згоряння жарогазотрубних теплогенераторів залежно від величини коефіцієнта надлишку повітря;

розробити методику теплового розрахунку жарогазотрубних теплогенераторів потужністю 3,0 МВт і концепцію їх проектування;

реалізувати практичні рекомендації щодо оптимізації конструкцій параметричного ряду жарогазотрубних теплогенераторів для систем теплопостачання.

Об'єкт дослідження - водогрійні жарогазотрубні теплогенератори потужністю до

3,0 МВт для локальних систем теплопостачання.

Предмет дослідження - закономірності процесів теплообміну і горіння палива у топкових камерах малого об'єму, що описують взаємозв'язок між багатофакторними режимними і конструктивними параметрами та напрямки підвищення теплової і екологічної ефективності жарогазотрубних теплогенераторів потужністю до 3,0 МВт локальних систем теплопостачання.

Методи дослідження Методологічну основу проведених автором досліджень становить системний підхід до моделювання теплових, геометричних та екологічних параметрів жарогазотрубних теплогенераторів на основі їх комплексного дослідження. В основі математичних моделей лежать класичні рівняння процесів теплопереносу. У ряді випадків використані емпіричні залежності й наближені формули, що є допустимим при моделюванні таких складних об'єктів, як теплогенератори.

Вірогідність наукових результатів дисертації підтверджується адекватністю даних, отриманих на математичних моделях, що обумовлено відповідністю прийнятих спрощень характеру розв'язуваних задач, обґрунтованим вибором контрольно-вимірювальної апаратури, методів обробки експериментальних даних.

Наукова новизна отриманих результатів:

- розроблені науково обґрунтовані принципи і напрямки підвищення енергетичної ефективності та екологічних характеристик жарогазотрубних теплогенераторів для локальних систем теплопостачання;

- запропоновано концептуальний підхід до оптимізації технологічних і конструктивних характеристик локальних теплогенераторів, заснований на встановлених закономірностях впливу режимних і геометричних параметрів на інтенсивність теплообміну та вихід токсичних інгредієнтів;

- з використанням експериментально-статистичного моделювання оптимізовано режимні та

конструктивні параметри жарогазотрубних теплогенераторів за вихідними параметрами: тепловою

потужністю, ефективним ККД, мінімальними концентраціями шкідливих речовин у продуктах

згоряння, що відходять;

- визначено закономірності впливу режимних і конструктивних параметрів жарогазотрубних теплогенераторів на теплотехнічні та екологічні показники їх роботи;

- розроблено математичні моделі інтенсивності теплообміну і теплопереносу у циліндричних топкових камерах малого об'єму, що дозволяють ураховувати вплив конструкторських схем і режимних параметрів на ефективність роботи жарогазотрубних тепло генераторів;

- розроблено алгоритм прогнозування параметрів таких теплогенераторів при проектуванні, а також визначення їх характеристик при зміні потужності.

Практичне значення одержаних результатів:

- запропоновані перспективні напрямки розвитку теплогенераторів малої потужності з урахуванням особливостей процесів теплообміну, що забезпечують високу теплову й екологічну ефективність і конкурентоспроможність локальних систем теплопостачання з їх застосуванням;

- виявлена невідповідність застосування нормативного методу теплового розрахунку тепло- генераторів з великим об'ємом топкової камери до процесів теплообміну в жарогазотрубних теплогенераторах малої потужності;

- розроблено методику теплового розрахунку жарогазотрубних теплогенераторів і їх характеристик, яка дозволяє визначати основні конструктивні параметри, що забезпечують високу теплову ефективність та зменшення викидів шкідливих речовин із продуктами згоряння (методика затверджена Асоціацією "Укренергоспецмонтаж");

- розроблено методику визначення показників емісії при спалюванні природного газу залежно від коефіцієнта надлишку повітря, яка дозволяє визначати кількість шкідливих речовин у викидах в атмосферне повітря;

- результати дисертаційної роботи впроваджені на теплоенергетичних підприємствах: КП "Макіївтепломережа", "Артемівськтепломережа", "Донецьктепломережа", а також при розробці комплексних програм оптимізації систем теплопостачання міст за завданням Держадміністрації Донецької області;

- матеріали дисертації включені в робочі програми навчальних курсів "Теплогенерувальні пристрої", "Теплопостачання", "Оцінка впливу об'єктів, що будуються, на навколишнє середовище" при підготовці фахівців із спеціальності 8.092108 "Теплогазопостачання і вентиляція".

Особистий внесок здобувача включає:

- постановку мети і задач дослідження;

- обґрунтування принципів і методів проведення теоретичних і експериментальних

досліджень;

- розробку математичних моделей, алгоритмів і програм обчислень;

- якісний і кількісний аналіз результатів, їх інтерпретацію;

- проведення теоретичних і експериментальних досліджень процесів теплообміну й емісії шкідливих речовин у продуктах згоряння;

- отримання окремих та узагальнених залежностей інтенсивності утворення оксидів вуглецю, оксидів азоту й бенз(а)пірену при згорянні природного газу в жарогазотрубних теплогенераторах від технологічних і конструктивних параметрів;

визначення та кількісну оцінку напрямів зниження викидів оксидів вуглецю, оксидів азоту й бенз(а)пірену з димовими газами жарогазотрубних теплогенераторів, у тому числі встановлення впливу на ці показники коефіцієнта надлишку повітря;

розробку методики теплового розрахунку та конструювання жарогазотрубних теплогенераторів малої потужності для локального теплопостачання.

позначення та формування загальних висновків за результатами дослідження, та рекомендацій щодо подальшого використання одержаних даних.

Апробація роботи Основні результати дисертаційної роботи повідомлені та обговорені на міжнародній науково-технічній конференції "Екологія промислового регіону" (м. Донецьк, 1995 р.), науково-технічній конференції "Академічні читання" професорсько-викладацького складу Донбаської державної академії будівництва і архітектури (м. Макіївка, 1998р.), міжнародній науково-технічній конференції "Регіональні проблеми енергозбереження в децентралізованій теплоенергетиці" (м. Київ, 2000р.), міжнародній науково-технічній конференції "Донбас-2020" "Охорона навколишнього середовища та екологічна безпека (м. Донецьк, 2001р.), ІV Всеукраїнській науково-методичній конференції з міжнародною участю "Екологія та інженерія. Стан, наслідок, шляхи створення екологічно чистих технологій" (м. Дніпропетровськ, 2002р.), міжнародній науково-технічній конференції "Актуальні проблеми механіки суцільних середовищ" (м. Мелекіно, 2002р.), ІІ міжнародній науково-практичній конференції "Стійкий ріст міст. Проблеми та перспективи енерго-, ресурсозбереження житлово-комунального господарства" (м. Харків, 2003 р.)", науково-технічній конференції "Енергозбереження, безпека екології в промисловості та комунальній сфері" (м. Ялта, 2003, 2004рр.), а також на науково-технічних конференціях ДонНАБА (м. Макіївка, 1996, 1998, 2000, 2002, 2005, 2007рр.)

Публікації За темою дисертації опубліковано 29 робіт і монографію. Основні результати досліджень опубліковано в монографії, 24 статтях у наукових журналах та збірниках наукових праць; а також у 3 матеріалах і тезах конференцій, патенті на корисну модель, звіті про НДР.

Структура й обсяг дисертації Дисертація складається із вступу, семи розділів, висновків, списку використаних джерел 253 позицій і додатків. Загальний обсяг роботи - 395 сторінок, у тому числі 257 сторінок основного тексту; 39 повних сторінок з рисунками (74 рис.) і таблицями (34 табл.); 24 сторінки списку використаних джерел; 75 сторінок додатків.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовані мета й задачі наукового дослідження, викладена наукова новизна, практична цінність і реалізація результатів роботи.

Перший розділ дисертації являє собою розгорнутий огляд стану проблеми джерел теплоти децентралізованих систем теплопостачання. Дано детальний аналіз робіт, присвячених науковому обґрунтуванню застосування та проектування теплогенераторів локальних систем теплопостачання. Ця проблематика широко представлена в роботах учених в галузі тепломасообміну, теплопостачання, процесів регулювання теплогенерувального устаткування

(М.Д.Андрійчук, І.З.Аронов, Д.Я.Борщов, В.М.Братенков, А.М.Воликов, Л.Я.Вескер, В.Ф.Губар, О.А. Долінський, О.О. Іонін, І.М. Карп, В.М. Кошельник, М.М. Литвиненко, Г.С.Марченко, Ф.В. Недопьокін, О.Ф. Редько, В.І. Соколов, Ю.Я. Соколов, П.О. Хаванов, С.А. Чистович, Р.В. Щекін, Х. Forts, G.P Croce., R. Patel., R. Sahu, R.V. Gemmer).

В останні роки в Україні позначилася тенденція, спрямована на децентралізацію систем теплопостачання, що вимагає створення високоефективних і маневрених теплогенераторів малої потужності (до 3,0 МВт), найбільш перспективними з яких є жарогазотрубні теплогенератори.

В окремих конструкціях жарогазотрубних теплогенераторів поверхня нагрівання топкової камери сприймає до 70% сумарної теплової потужності теплогенератора. У зв'язку із цим правильний розрахунок теплообміну в топковій камері й визначення її геометричних розмірів набуває важливої проблеми при створенні економічно ефективних теплогенераторів для локального теплопостачання.

Існуючі методи теплового розрахунку топкових камер (В.М. Адріанов, М.І. Білоконь,

А.Г. Бліх, А.М. Гурвич, Г.К. Конаков, В.В. Мітор, М.Б. Равич, В.В. Трохимович, С.М. Шорін) не достатньо враховують особливості роботи жарових топок, що приводить до похибок у визначенні техніко-економічних показників роботи жарогазотрубних теплогенераторів. Це пояснюється тим, що всі розроблені методики, засновані на експериментальних дослідженнях теплових процесів у топкових камерах теплогенераторів, теплова потужність яких набагато більша у порівнянні з жарогазотрубними теплогенераторами. Перенесення теплоти в охолоджувальних камерах згоряння малого об'єму має складний характер, обумовлений одночасним протіканням і взаємним впливом процесів конвекції, випромінювання та теплопровідності, а також наявністю хімічних процесів горіння палива.

При розробці й створенні нового обладнання, що використовує органічне паливо, основними вимогами є його ефективне використання та зниження викидів шкідливих речовин. Для жарогазотрубних теплогенераторів малої потужності немає даних щодо викидів, а відсутність контролю в даному питанні може значно загострити й без того небезпечну екологічну обстановку, що наразі склалася в Україні.

Становлення науки про екологічні проблеми спалювання газоподібного палива в теплогенерувальних пристроях і способи зменшення викидів шкідливих речовин з димовими газами відбулося завдяки роботам С.П.Висоцького, І.Я.Сигала, М.Л.Стаскевича, Л.М. Цирульникова, О.В.Шушлякова, C.P.Fenimore, E.L Merryman і ін. Відмінною особливістю більшості наукових досліджень є спрямованість щодо розв'язання проблеми викидів для потужних джерел, а розробок в галузі екологічної безпеки роботи жарогазотрубних теплогенераторів недостатньо. Методи зниження викидів шкідливих речовин розроблені для теплогенераторів великої потужності (рециркуляція газів, ступінчатий підвід окислювача, каталітичне очищення й т.п.) і, як правило, неприйнятні для жарогазотрубних теплогенераторів локальних систем теплопостачання. До того ж ці роботи не мають систематизованого комплексного характеру.

Для надійної та високоекономічної роботи теплогенераторів локальних систем теплопостачання необхідно особливу увагу приділяти водному режиму роботи теплогенераторів, обов'язково потрібне зм'якшення підживлювальної води. У теперішній час при виробництві теплоти в теплогенераторах використовуються різноманітні схеми водопідготовки. Для водогрійних жарогазотрубних теплогенераторів локальних систем теплопостачання, підживлення яких здійснюється, як правило, з господарсько-питного водогону, найчастіше використовується стандартний водопідготовчий пристрій з одноступінчастим Na-катіонітним фільтром, що забезпечує зм'якшення води до нормативних показників жорсткості підживлювальної води 0,7 мг-екв/л. Однак дані норми дозволяють працювати в безнакипному режимі не для всіх конструкцій жарогазотрубних теплогенераторів.

Аналіз стану проблеми створення і впровадження високоефективних теплогенераторів малої потужності для локальних систем теплопостачання свідчить про те, що в жарогазотрубних теплогенераторах не досліджувані закономірності теплових і екологічних процесів, які відбуваються на їх поверхнях нагріву Не розроблені теоретичні положення регулювання режимних параметрів спалювання природного газу в топкових камерах малого об'єму, що забезпечують мінімальні викиди шкідливих речовин у атмосферне повітря.

У другому розділі відповідно до теорії планування експерименту на основі виконаного аналізу відомих конструкцій жарогазотрубних теплогенераторів і з метою виявлення перспективних напрямків підвищення їх енергетичної та екологічної ефективності розроблена структурно-логічна схема дослідження Структурно - логічна схема дослідження передбачає наступну послідовність їхнього виконання:

- фізичні моделі теплообмінних і екологічних процесів в топкових камерах;

- математичне моделювання теплообмінних і екологічних процесів у внутрішньому

контурі;

- моделювання режимів роботи теплогенераторів при змінах теплових навантажень;

- рекомендації з оптимізації, розрахунку й проектуванню теплогенератора.

Відповідно до поставлених в першому розділі задач дисертаційної роботи та структурно-

логічної схеми дослідження визначені основні етапи розробки та освоєння малотоксичних топкових камер теплогенератора і методи їх розв'язання (табл.1).

Таблиця 1. Етапи розробки малотоксичних топкових камер жарогазотрубних теплогенераторів

Етапи	Шляхи розв'язання проблеми та їх особливості
1	2
1. Вибір профілю топкової камери, основних конструктивних і режимних параметрів	З урахуванням параметрів теплогенератора, виду палива, його призначення.
2. Розробка концепції організації спалювання гомогенних сумішей, основних розмірів топкової камери	З урахуванням досвіду створення малотоксичних топкових камер в Україні й за кордоном. Складання банку даних найбільш економічних і екологічно чистих топкових камер.
3. Експериментальне дослідження процесів змішання палива з повітрям у модулі пальника	Одержання гомогенних сумішей палива з повітрям у зоні змішання при оптимізації конструктивних параметрів модуля пальника.
4. Розрахункове дослідження процесів змішання й вигоряння за допомогою математичного моделювання.	Визначення структури факела по перетинах топкової камери, оптимізація режимів вигоряння гомогенних сумішей з одержанням мінімальних викидів.
5. Теоретичне та експериментальне дослідження систем охолодження й температурного стану металу основних елементів топкової камери	Визначення температурного рівня всіх елементів топкової камери.
6 Розрахункові та експериментальні дослідження із забезпечення процесів спалювання гомогенних сумішей без проскоків факела	Усунення проскоків факела в зоні попереднього змішання на всіх режимах роботи жарогазотрубного теплогенератора.
8. Розробка алгоритмів визначення навантаження жаро-газотрубного теплогенератора	Забезпечення надійної й економічної роботи топкової камери з мінімальними викидами CO, NOx, бенз(а)пірена.
9. Налагодження й освоєння в експлуатації малотоксичної топкової камери.	Визначення основних гарантійних показників топкової камери.

Експерименти проводилися щодо дослідження теплообміну в топковій камері та конвекційному газоході по емісії оксидів вуглецю, азоту та бенз(а)пірену в продуктах згоряння на дослідно-промисловому стенді теплогенератора.

Для одночасного вивчення впливу різнобічних параметрів на інтенсивність теплообміну та

емісію шкідливих речовин був обраний багатофакторний експеримент - ортогональний план другого порядку, що забезпечує рівність нулю всіх коваріацій між коефіцієнтами в рівнянні регресії й найвищу точність поблизу центра плану з наступними факторами, що варіюються: коефіцієнт надлишку повітря в топковій камері, б_Т, у межах від 1,05 до 1,35; відносне теплове навантаження теплогенератора, у межах від 0,4 до 1,00 від номінальної; відношення довжини топки до діаметра топки l_Т/d_Т у межах від 0,5 до 4,0; ступінь неповноти змішання природного газу з повітрям у пальнику (о) у межах від 0 до 0,8; турбулізація газоповітряного потоку в пальнику шляхом зміни кута пристрою завихорувача (ц) у межах від 15⁰ до 45⁰.

Аналіз продуктів згоряння, визначення неповноти змішання газу з повітрям і коефіцієнта надлишку повітря, вимір температури продуктів згоряння по окремих зонах топкової камери й конвекційного газоходу проводили за допомогою універсального електронного газоаналізатора - оптимізатора процесів згоряння "EcoLine Plus" виробництва фірми Evrotron (Італія), що характеризується малою погрішністю вимірів (концентрації газових компонентів - ±4%, температури газів - ±0,3⁰С, коефіцієнта надлишку повітря - ±0,01).

Відбір димових газів для аналізу на вміст у них бенз(а)пірену здійснювався з використанням схеми із зовнішньою фільтрацією, при дотриманні умови ізокінетичності (рівність швидкостей у газоході й у вхідному перетині пробовідбірної трубки).

Результати експериментів оброблялися на ПЕОМ методами математичної статистики з довірчою ймовірністю 0,95. Значення коефіцієнтів рівнянь регресії й довірчий інтервал визначався за допомогою критерію Стьюдента, адекватність математичних моделей перевірялася за допомогою критерію Фішера.

Розроблена структурно-логічна схема дослідження та методика планування експериментів, що використовувалась, дозволили відповісти на вищеперелічені питання та досягти поставленої мети - обґрунтувати теоретичні передумови, одержати вхідні дані для оптимізації режимів роботи високоефективних жарогазотрубних теплогенераторів та зниження викидів ними шкідливих речовин з продуктами згоряння.

У третьому розділі наведено результати експериментальних досліджень щодо організації ефективного спалювання природного газу в топковій камері жарогазотрубних теплогенераторів з метою визначення оптимальних режимних параметрів ведення топкового процесу для одержання мінімальних значень концентрації оксиду вуглецю, оксиду азоту й бенз(а)пірену в продуктах

згоряння.

Аналіз фізичних моделей утворення оксиду вуглецю, оксиду азоту й бенз(а)пірену дозволив однозначно виділити як основні фактори, що впливають на їх концентрацію в продуктах

згоряння: коефіцієнт надлишку повітря б_Т; відносна теплова потужність теплогенератора.; неповнота змішання природного газу з повітрям о; кут повороту лопаток завихорувача ц.

На основі обраних вхідних факторів і функції відгуку й з метою одержання достовірних даних про емісії токсичних речовин в продуктах згоряння складена матриця проведення експерименту.

У зв'язку з тим, що режим роботи теплогенераторів носить стаціонарний характер, тобто режимні параметри мають постійну величину, що може змінюватися лише внаслідок стороннього втручання, для обробки експериментальних результатів використовується поліноміальна модель багатофакторного експерименту. Наведена залежність концентрації оксидів азоту та вуглецю, а також бенз(а)пірену від коефіцієнта надлишку повітря при 100%-ому тепловому навантаженні жарогазотрубного теплогенераторв.

1 - СО; 2 -NOx

Закономірність впливу коефіцієнта надлишку повітря на концентрацію оксиду вуглецю і оксидів азоту в продуктах згоряння відповідно до виду графіків і з урахуванням поліноміальної моделі апроксимується наступними рівняннями (1, 2):

для оксидів вуглецю

[СО] =58б -178бТ +137; R = 0,94 (1)

[NОх]= 480б - 1507бТ +1268; R = 0,95 (2)

для оксидів азоту

Аналіз результатів дослідження (рис.2) і отриманих залежностей (1,2) свідчить про те, що при спалюванні газоподібного палива в жарогазотрубних теплогенераторах концентрація токсичних речовин у продуктах згоряння при збільшенні коефіцієнта надлишку повітря знижується. Це пояснюється різким зниженням рівня температур у топковій камері й скороченням часу перебування вихідних компонентів у зоні горіння (через малий об'єм топкової камери та форсованого режиму процесів горіння), що приводить до зменшення утворення “термічних” оксидів азоту, а збільшення подаваного повітря в топкову камеру приводить до більш повного згоряння вуглецю, тобто до зниження концентрації СО.

Зниження емісії NO_x при спалюванні палива в топкових камерах локальних теплогенераторів при зростанні коефіцієнта надлишку повітря визначається в основному зниженням температури факела (від якої вона залежить по експоненті) незважаючи на зростання концентрації кисню (вплив якої на емісію NO_x носить ступінчатий характер).

Закономірність впливу теплового навантаження теплогенератора при постійних значеннях коефіцієнта надлишку повітря на концентрацію оксиду вуглецю апроксимується рівняннями (3, 4, 5):

- при 80%-ому навантаженні

[СО] =65,3 - 44,9б_Т - 0,95б; R = 0,98 (3)

- при 60%-ому навантаженні

[СО] = 228,1 - 317,9б_Т +111,29б; R = 0,99 (4)

- при 40%-ому навантаженні

[СО] =179,85 - 247,9б_Т+85,7б; R = 0,95 (5)

Узагальнення експериментальних даних свідчить (рис.1 і рис.3), що найменша концентрація оксиду вуглецю спостерігається при 100 %-ому навантаженні теплогенератора. Це пояснюється зростанням виходу гідроксилу (ОН) та температурного рівня у топковій камері.

Вплив теплового навантаження теплогенератора при постійних значеннях коефіцієнта надлишку повітря на концентрацію оксиду азоту апроксимується рівняннями (6, 7, 8):

при 80%-ому навантаженні

[NО_х] =396,1 -340,9б_Т + 76,29б , R = 0,998 (6)

- при 60%-ому навантаженні

[NО_х]= 401,4 - 390,7б + 119,1б , R = 0,993 (7)

при 40%-ому навантаженні

[NО_х] = 83,8 +179105б -133,3б; R = 0,988 (8)

Узагальнення експериментальних даних і аналізу даних свідчать, що при одних і тих самих коефіцієнтах надлишку повітря найменша концентрація оксидів азоту в продуктах згоряння спостерігається при 80 %-ому тепловому навантаженні жарогазотрубних теплогенераторів. Результати обробки даних експерименту показали, що значно впливають на вихід NО_х: коефіцієнт надлишку повітря - б_Т (довірча ймовірність Р_а=0,95); неповнота змішання газу з повітрям - о (Р_а=0,95); кут установки лопаток завихорувача - ц (Р_а=0,90); відносна теплова потужність теплогенератора - =N_ф/N_н (Р_а=0,95).

Для одержання коефіцієнтів рівнянь математичної моделі, що постулюється, впливу основних технологічних параметрів на концентрацію оксидів азоту і оксиду вуглецю проведений експеримент за греко-латинським квадратом типу 5х5х5//25 з варіюванням усіх факторів на п'ятьох рівнях.

Регресійний аналіз даних експериментальних досліджень дозволив одержати математичну

модель впливу технологічних параметрів на вміст НО_Х у продуктах згоряння (9):

. R_NO= 0,95 (9)

де - відносна теплова потужність теплогенератора; о- коефіцієнт неповноти змішання палива з повітрям; ц - кут установлення лопаток завихорувача, кут. град..

Аналогічно здійснювалась побудова математичної моделі, що враховує вплив технологічних параметрів на вміст СО у продуктах згоряння , яка дала можливість встановити співвідношення (10):

 R_СО = 0,94: (10)

Аналіз залежностей (9 і 10) показує: зменшення кута пристрою лопаток завихорувача й підвищення коефіцієнта надлишку повітря приводять до зниження концентрації NO_х; значення неповноти змішання газу з повітрям повинне узгоджуватися зі збільшенням довжини факела, тому що погіршення ступеня змішування газу з повітрям призводить до збільшення довжини топкової камери, а отже, до збільшення габаритних розмірів і, як наслідок, до збільшення вартості теплогенератора.

Вплив неповноти змішання газу з повітрям на вміст бенз(а)пірену в димових газах має однаковий характер при всіх значеннях коефіцієнта надлишку повітря. При підвищенні коефіцієнта неповноти змішання концентрація бенз(а)пірену в продуктах згоряння збільшується

При повному змішанні практично все повітря надходить у зону горіння. При б_Т = 1, 05-1,15

процес горіння інтенсифікується, а з б_Т > 1,15 у результаті зниження температури відбувається погіршення процесу вигоряння складової метанового ряду, а бенз(а)пірен саме і є продуктом піролізу метану. Даний факт пояснює більш пологий нахил лінії бенз(а)пірену в порівнянні із лінією оксиду вуглецю. Вплив о на вихід бенз(а)пірену для всіх значень дослідження теплонапружності об'єму топкової камери носить аналогічний, як і при різних коефіцієнтах надлишку повітря, характер (рис.6), тобто підвищення теплонапружності веде до підвищення концентрації бенз(а)пірену в продуктах згоряння.

Дані досліджень показують, що збільшення кута установлення лопаток аксіального завихорувача призводить до зниження концентрації бенз(а)пірену.

Це пояснюється тим, що крутка, збільшуючи турбулентність у факелі й число зіткнень між молекулами палива й окислювача, усуває і початкову нерівномірність розподілу пального в потоці повітря.

Отримані залежності концентрації бенз(а)пірену в продуктах згоряння для окремих технологічних параметрів використовувалися для визначення концентрації бенз(а)пірену, що

залежить від сумарної їх сукупності.

Аналіз проведених багатофакторних експериментів з використанням математичної моделі дозволив отримати залежність впливу технологічних параметрів на вихід бенз(а)пірену, мг/м³ (11)

, (11)

де q_V - теплова напруга об'єму топки, кВт/м³.

З урахуванням отриманих залежностей (1,2) визначені показники емісії токсичних речовин в продуктах згоряння для жарогазотрубних теплогенераторів, які наведені в табл. 2.

Таблиця 2. Показники емісії токсичних речовин залежно від коефіцієнта надлишку повітря

бт	1,0	1,05	1,1	1,15	1,2	1,25	1,3	1,35
k	79,5	68	62,4	55,3	48,8	42,3	39	35,8
k	5,2	4,03	2,6	2,1	1,43	0,81	0,42	-
kБП	71,7	60,4	45,3	37,8	30,2	22,6	18,9	15,1

Отримані за результатами багатофакторних експериментів узагальнені рівняння залежності вмісту токсичних викидів в продуктах згоряння від факторів, які впливають, дозволяють прогнозувати ці викиди та визначати оптимальні технологічні параметри топкового процесу.

У четвертому розділі виконані дослідження впливу технологічних і геометричних параметрів на процеси теплообміну у топкових камерах жарогазотрубних теплогенераторів з метою підвищення ефективності їх роботи.

У циліндричних топкових камерах жарогазотрубних теплогенераторів, виконаних у вигляді жарової труби, оптична товщина випромінюючо - поглинаючого шару продуктів згоряння у порівнянні з екранованими топковими камерами великих теплогенераторів значно менша, що обумовлено меншими геометричними розмірами, внаслідок чого в складному процесі теплообміну знижується частка променистого й зростає внесок конвекційного теплопереносу. Для камер малого об'єму фізична модель теплопереносу шаром продуктів згоряння визначена дифузійною моделлю.

Для визначення ефективності роботи топкової камери малого розміру використовується

поняття коефіцієнта інтегрального теплопереносу К_Т. Для розв'язання конкретного прикладного завдання, спрямованого на вивчення променистого теплопереносу в циліндричних топкових камерах жарогазотрубних теплогенераторів виконані дослідження на дослідно - промисловому експериментальному стенді. За рахунок зміни коефіцієнта надлишку повітря в межах від 1,05 до 1,35 варіювалися оптичні властивості випромінюючого середовища в топковій камері. Апроксимація залежності коефіцієнтів випромінювання для продуктів згоряння дозволила одержати окрему залежність осередненого коефіцієнта випромінювання () від коефіцієнта надлишку повітря (12):

(12)

при кореляційному відношенні R=0,894.

Аналіз фізичної моделі теплопереносу в топкових камерах жарогазотрубних теплогенераторів разом з використанням виразу динаміки перенесення середовищ із об'єму топки на теплосприймальну поверхню, радіаційного теплообміну з урахуванням оптичної щільності

потоку випромінюючих продуктів згоряння дозволив одержати узагальнююче рівняння подібності теплопереносу при спалюванні природного газу в циліндричних топкових камерах: (13):

, (13)

де Вu - число Бугера, що характеризує умови радіаційного теплообміну.

З огляду на те, що коефіцієнт інтегрального теплопереносу (К_Т) оцінює ефективність роботи камери згоряння в цілому, експериментальне дослідження теплообміну в топковій камері було проведено з метою вивчення впливу на К_Т технологічних параметрів спалювання палива і геометричних характеристик топкових камер. Статистичною обробкою даних при незмінних гідродинамічних, теплових і геометричних параметрах отримана окрема залежність коефіцієнта інтегрального теплопереносу від коефіцієнта надлишку повітря б_Т, що має вигляд (14):

. (14)

Коефіцієнт К₀ у рівнянні (14) визначає вплив на число інтегрального теплопереносу геометричних розмірів топкової камери та теплової продуктивності тепло генератора. Коефіцієнт інтегрального теплопереносу з підвищенням коефіцієнта надлишку повітря при всіх значеннях теплової напруги топкової камери має тенденцію до зниження з майже постійним кутом нахилу. При цьому, чим вище теплова напруга, тим більше значення коефіцієнта інтегрального теплопереносу.

Експериментальне визначення параметрів, що впливають на умови теплообміну, які визначаються через коефіцієнт інтегрального теплопереносу, отримано за допомогою зонального методу дослідження теплових потоків. Інтенсивність теплообміну помітно знижується на початковій ділянці топкової камери, а далі практично стабілізується.

Багатоваріантними експериментальними дослідженнями теплообміну в камерах згоряння різної довжини встановлено, що збільшення відносної довжини топкової камери приводить до підвищення сумарного середнього питомого теплового потоку ( ) від газів на стінку. Залежність між середнім питомим тепловим потоком і питомою тепловою напругою топки q_V апроксимується для б_Т = 1,05 окремим рівнянням (15).

при R=0,82. (15)

Зростання середнього теплосприймання топки зі збільшенням її довжини носить загасаючий характер і подальше збільшення l_Т/d_Т > 2,5 стає малоефективним, а розвиток теплосприймальної поверхні за рахунок збільшення l_Т/d_Т стає нераціональним.

З огляду на те, що з позицій одержання мінімальних концентрацій токсичних речовин в димових газах, а також забезпечення найбільш сприятливих умов для теплообміну в камері згоряння оптимальним є значення коефіцієнта надлишку повітря - 1,15, узагальнення впливу на К_Т потужності теплогенератора й розмірів топкової камери виконано при б_Т=1,15.Аналіз проведених багатофакторних експериментів з використанням побудованої

математичної моделі дозволив отримати залежність для визначення коефіцієнта інтегрального переносу теплоти (16):

 (16)

де: N - теплова потужність теплогенератора, МВт; l_T - довжина топкової камери, м; d_T - діаметр топкової камери, м

Аналіз апроксимаційної моделі показує, що на коефіцієнт К_Т найбільш істотно впливає довжина жарової труби, зі збільшенням якої при інших однакових умовах К_Т значно збільшується; зі зміною внутрішнього діаметра топки К_Т збільшується незначно, а з підвищенням теплової продуктивності теплогенератора зменшується.

Проведені дослідження і отриманні теоретичні закономірності теплообмінних процесів розв'язали важливу прикладну задачу з вивчення переносу теплоти випромінюванням в циліндричних топкових камерах жарогазотрубних теплогенераторів і дозволили визначити основні фактори, які впливають на інтенсивність теплообмінну.

У п'ятому розділі виконано комплексний підхід до всебічного розгляду наукової проблеми енергетичної та екологічної ефективності котелень малої потужності, що дозволило вперше здійснити моніторинг забруднень приземного шару при використанні локального теплопостачання.

Основою даного підходу є теоретичні дослідження , які дозволяють моделювати процеси забруднення міської території. Теоретичний підхід доповнювався натурними дослідженнями забруднень викидами котелень типової селітебної території. Алгоритм чисельного моделювання та чисельного експерименту здійснювався за блок-схемою розробленої автором програми розрахунку “ВИКИДИ” нестаціонарного поширення забруднення, що дозволяє дослідити вплив забудови замкненого типу на розсіювання викидів локальних джерел.

Для прогнозування забруднення атмосферного повітря в районі установлення жаро-газотрубних теплогенераторів виконані дослідження процесів розсіювання забруднюючих речовин і побудовані карти забруднення прилеглої до джерела викидів території.

Розрахунки проводилися по двох речовинах: діоксиду азоту NО₂ та оксиду вуглецю СО у межах селітебної території. З метою дослідження екологічних результатів впровадження локальних котелень виконані чисельні експерименти при різноманітних способах розташування джерел викидів.

Аналіз результатів дослідження розсіювання показує, що максимальна концентрація по діоксидах азоту становить 0,31 - 0,37 ГПК (гранично припустима концентрація) по осі факела в малих по території зонах для варіанта групового установлення джерел викидів на відстані 500 м один від одного. По іншій території розрахункові концентрації перебувають у межах 0,13 - 0,19 ГПК, що говорить про незначний вплив джерел одне на одного. Розсіювання оксидів вуглецю, наведене на картах забруднення, показує дуже незначну величину концентрацій - 0,00035 ГПК, що у практичних розрахунках фонових забруднень можна не враховувати.

...