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

Виконані чисельні експерименти дозволили розробити рекомендації з раціонального розміщення локальних котелень в селітебній зоні при різноманітному розташуванні джерел викидів з урахуванням розсіювання забруднень продуктів згорання

У шостому розділі досліджена суттєва теоретична проблема оцінки термодинамічної ефективності використання органічного палива в теплогенеаторах різного призначення та теплової потужності.

Однією з наукових проблем є відсутність єдиного методологічного підходу до оцінки ефективності роботи, як окремих елементів, так і об'єкту в цілому. Аналіз існуючих термодинамічних методів, дозволив прийняти у якості основного, що найбільш адекватно відображає кількісну та якісну сторони теплових процесів, ексергетичний метод.

Ексергетичний аналіз відіграє дуже істотну роль при розробці та удосконалюванні обладнання систем теплопостачання. Він дозволяє оцінити можливості сучасних технологій і рівні технічних рішень, які можуть бути досягнуті, а також запропонувати заходи для мінімізації енергетичних витрат. У запропонованому методі порівняння прийняте зіставлення ексергетичних характеристик теплогенераторів центральних систем теплопостачання та жарогазотрубних теплогенераторів локальних систем. Основою для складання ексергетичного балансу розглянутих теплогенераторів служать їхні матеріальні баланси.

Аналіз технологічного процесу перетворення хімічної енергії органічного палива в теплову енергію продуктів згоряння в теплогенераторі та передачі теплоти від продуктів згоряння до теплоносія - води, що нагрівається, а так само ексергетичного балансу теплогенератора показує, що корисним ефектом роботи теплогенераторів є нагрівання води від температури на вході до температури на виході з теплогенератора, а корисною ексергією - різниця ексергій води на виході з теплогенератора та на вході: е_в¹¹ - е_в¹.

Проведені дослідження дозволили визначити критерії ексергетичної досконалості теплогенераторів (табл. 3). Наявність необоротності в теплообмінних процесах теплогенератора приводить до виникнення втрат працездатності. Цим і пояснюється більш високий (Ю,=20,7%) ексергетичний ККД теплогенераторів центральних систем теплопостачання. Однак термічний ККД жарогазотрубних теплогенераторів Ю_t, = 94% вищий за рахунок зменшення температурного рівня у топковій камері, викидів в навколишнє середовище і теплових втрат від зовнішнього охолодження.

Таблиця 3. Ексерго-екологічні показники роботи теплогенераторів

У сьомому розділі досліджені процеси теплообміну з метою оптимізації їх параметрів на поверхнях нагрівання і конструктивних характеристик поверхонь нагрівання жарогазотрубних теплогенераторів локальних систем теплопостачання.

Розроблені наукові положення і математичні моделі, та встановлені на їх основі закономірності використовувались для оптимізації теплообмінних процесів, що відбуваються на поверхнях нагріву, і конструктивних характеристик жарогазотрубних теплогенераторів. Оптимальні умови визначались за допомогою моделей, які підтверджені експериментальними даними. Для одержання необхідної інформації використовувався кроковий метод пошуку екстремуму, тобто за дискретними результатами виміру функції відгуку Y_I. При цьому зміна факторів, що впливала, Х_І змінювалась із кроком квантування ДХ_І, величина якого визначалась конкретними умовами.

З метою визначення оптимального співвідношення поверхонь нагрівання радіаційної та конвекційної Н_р : Н_к були проведені дослідження роботи топкової камери та конвекційної частин при різних співвідношеннях їхніх поверхонь на дослідно-промисловому стенді. Режимні параметри роботи приймалися характерними для жарогазотрубних теплогенераторів і з урахуванням досліджень розділів 3 і 4, тобто коефіцієнт надлишку повітря регулювався в межах 1,05….1,15, а геометричні параметри, а саме відносна довжина топкової камери l_т/d_т, змінювалася в межах від 0,5 до 4,0. Регресійний аналіз експериментальних даних дозволив одержати математичні моделі впливу геометричних факторів, а саме відносної довжини топкової камери l/d на теплосприймання радіаційне (Q_р) і конвекційне (Q_к), на сумарну теплосприймальну поверхню (УН), на середню теплову напругу (УQ/УН).

Залежність радіаційного та конвекційного теплосприймання від відносної довжини топкової камери носить лінійний характер. Збільшення відносної довжини топкової камери впливає на теплосприймання в топці та конвекційній частині - радіаційне збільшується, конвекційне зменшується.

Збільшення площі променистої поверхні істотно збільшує радіаційне теплосприймання стосовно до конвекційної частини у всьому діапазоні досліджень їх інтервалів. Це пояснюється зростанням об'єму топкової камери, що позитивно впливає на процеси факелоутворення та горіння палива в топкових камерах малого об'єму жарогазотрубних теплогенераторів. У діапазоні виконаних експериментальних досліджень для відношення параметрів l_т/d_т від 0,5 до 2,5 збільшення радіаційної поверхні топкової камери приводить до постійного зменшення конвекційної і сумарної поверхонь нагрівання теплогенератора, у той час як у діапазоні l_Т/d_Т > 2,5…4,0 сумарна площа поверхні нагрівання збільшується.

Закономірність впливу відносної довжини топкової камери на величину сумарної теплосприймальної: поверхні отримана з використанням математичної моделі (17):

УН = 0,996 - 0,051 l_Т/d_Т + 0,01 (l_Т/d_Т)² (17)

при кореляційному відношенні R= 0,95.

На основі узагальненого рівняння коефіцієнта інтегрального переносу теплоти (17), отримано рівняння для оптимізації конструктивних розмірів топки при номінальних потужностях теплогенераторів (18):

. (18)

Дане рівняння з довірчою ймовірністю 0,95 дозволяє оцінити вплив потужності теплогенератора та розмірів топкової камери на її теплову ефективність роботи в цілому.

Встановивши експериментально залежність К_Т від конструктивних розмірів топки, теоретично отримані рівняння теплової напруги об'єму топки q_V (19) і поверхневої щільності теплового потоку q_Т (20);

; (19)

(20)

Ці залежності разом з рівняннями (16) і (18) становлять математичну модель процесу теплообміну

в циліндричній топковій камері жарогазотрубних теплогенераторів. Результати досліджень

(рис.14) свідчать про те, що оптимальним співвідношенням l/d є величина 2,5. На підставі запропонованої математичної моделі та результатів досліджень розроблено методику конструювання циліндричної топкової камери жарогазотрубних теплогенераторів і методику розрахунку на ЕОМ її діаметра й довжини за умови оптимізації цих розмірів.

Запропонований метод вибору геометричних параметрів щодо конструювання дозволяє уніфікувати визначення розмірів циліндричної топкової камери жарогазотрубних теплогенераторів. На основі математичної моделі, програми розрахунку на ЕОМ і результатів досліджень розроблений параметричний ряд топкових камер жарогазотрубних теплогенераторів для різних значень теплової продуктивності. Розроблений параметричний ряд дозволяє вибрати для забезпечення необхідного теплового навантаження типорозмір жарогазотрубних теплогенераторів з оптимальними характеристиками топкової камери. При цьому забезпечується висока теплова ефективність теплогенераторів, коефіцієнт корисної дії яких перевищує 94%.

Параметричний ряд уявляється доцільним використовувати як при конструюванні жарогазотрубних теплогенераторів, так і при модернізації існуючих.

енергоекологічний жарогазотрубний теплогенератор математичний

Загальні висновки

1. Виконаний комплекс теоретичних, експериментальних і натурних досліджень процесів теплообміну і емісії шкідливих речовин в топкових камерах малого об'єму дозволив розв'язати проблему підвищення теплової та екологічної ефективності жаро газотрубних теплогенераторів для локального теплопостачання. За рахунок встановлення закономірностей впливу режимних і геометричних параметрів на інтенсивність теплообміну та вихід токсичних інгредієнтів вперше розроблені концептуальні основи оптимізації технологічних і конструктивних характеристик жаро газотрубних теплогенераторів.

2. На основі системного підходу розроблені методики досліджень теплообмінних і екологічних процесів шляхом планування й проведення багатофакторних експериментів, що дало можливість обґрунтувати теоретичні передумови й одержати вихідні дані для оптимізації роботи жарогазотрубних теплогенераторів і зниження викидів ними шкідливих речовин із продуктами згоряння. Встановлені режимні й геометричні параметри, що визначають ефективність теплової роботи топок, до яких відносяться: число Бугера, коефіцієнт надлишку повітря, теплова напруга поверхні топки та відносна довжина топки.

3. Отримані аналітичні та емпіричні залежності, а також розроблені програми розрахунків і оптимізації технологічних і конструкційних параметрів на ЕОМ дозволяють визначити основні характеристики жарогазотрубних теплогенераторів на етапі конструювання з урахуванням теплової потужності та вимог до викидів забруднюючих речовин.

4. Запропонована математична модель теплообміну в циліндричних топкових камерах жаротрубних теплогенераторів, що є основою для розробки методу конструювання топкових камер малого об'єму, алгоритму й програми розрахунку на ЕОМ параметричного ряду двоходових жарогазотрубних теплогенераторів за умови оптимізації відносної довжини топкової камери. Доведено, що для теплогенераторів потужністю до 3,0 МВт оптимальне значення відносної довжини топкової камери становить 2,5.

5. Розроблено "Методику теплового розрахунку газотрубних теплогенераторів малої потужності для локального теплопостачання", яка враховує дифузійну модель теплопереносу в шарі потоку продуктів згоряння, що випромінює. Методика розглянута і затверджена на державному рівні Асоціацією "Укренергоспецмонтаж" і використовується при конструюванні

жарогазотрубних теплогенераторів.

6. Отримані узагальнені рівняння залежності вмісту токсичних викидів у продуктах

згоряння від факторів, які впливають, що дозволяє прогнозувати ці викиди й визначати оптимальні технологічні параметри топкового процесу жаро газотрубних теплогенераторів. Доведено, що з ростом коефіцієнта надлишку повітря концентрація NO_X у продуктах згоряння жарогазотрубних теплогенераторів з урахуванням обмежень обсягів топкової камери знижується. Показники емісії забруднюючих речовин, що визначені залежно від значень коефіцієнтів надлишку повітря, дозволяють ефективніше та вірогідніше проводити моніторинг забруднення приземного шару атмосфери при впровадженні жарогазотрубних теплогенераторів.

7. Розроблені рекомендації з раціонального розміщення локальних котелень в селітебній зоні при різноманітному розташуванні джерел викидів з урахуванням розсіювання забруднень продуктів згоряння.

8. Результати роботи впроваджені у вигляді:

- розробки та освоєння підприємством "Артемівськтепломережа" жарогазотрубних теплогенераторів КВ-ГМ тепловою потужністю 0,63; 1,8 Мвт і підприємством "Донецьктепломережа" теплогенераторів "Котон" тепловою потужністю 0,63; 1,0; 1,74 МВт;

- реконструкції котелень КП "Макіївтепломережа" шляхом заміни теплогенераторів

застарілих конструкцій на сучасні жарогазотрубні теплогенератори.

9. Економічний ефект від впровадження результатів досліджень, що направлені на розробку двоходових жарогазотрубних теплогенераторів для локальних систем теплопостачання, склав близько 5 млн. грн.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ РОБІТ

1. Лук'янов О.В. Теплогенератори для локальних систем теплопостачання / М-во освіти і науки України - Макіївка: Донбаська держ. акад. буд. і арх., 2003. - 156 с.: іл., табл. - Бібліогр.: с.147 - 148.

2. Губарь В.Ф., Лукьянов А.В., Губарь С.А, Флер М.З. Исследование влияния на теплофизические характеристики факела в цилиндрической топке и его теплоотдачу геометрических и режимных параметров газогорелочных устройств // Зб. наук. праць. - Луганськ: Видавництво Луганського нац. аграр. університету, 2004. - №44 (56). - С. 64-71.

3. Лук'янов О.В. Аналіз ефективності автономних джерел теплової енергії в комунальній теплоенергетиці // Современные проблемы строительства. Науч.-тех. сб. - Донецк, Донецкий ПромстройНИИпроект, 2005. - №3(8). - С. 95-97.

4. Лук'янов О.В. Екологічний моніторинг викидів джерел теплової енергії локальних систем теплопостачання // Зб. наук. праць. - Луганськ: Видавництво Луганського нац. аграр. університету, 2005. - №55 (78). - С. 124-128.

5. Лук'янов О.В. Щодо питання визначення викидів від теплогенераторів комунальної теплоенергетики. // Коммунальное хозяйство городов. Науч.-тех. сб. - К: Техника, 2006.- Вып. 67. - С. 194-198.

6. Лук'янов О.В. Токсичні викиди газотрубних теплогенераторів автономних систем теплопостачання при спалюванні газоподібного палива // Современное промышленное и гражданское строительство. - 2006. - Т. 2, № 1. - С. 30 -36.

7. Лук'янов О.В. Розсіювання викидів від теплогенераторів локальних систем теплопостачання в умовах міської забудови // Современное промышленное и гражданское строительство. - 2006. - Т. 2, № 3.- С. 116 -120.

8. Лук'янов О.В. Екологічні питання використання теплогенераторів малої потужності для локальних систем теплопостачання // Інженерні системи та техногенна безпека у будівництві: Зб. наук. праць. - Макіївка, 2007.- Вип. 2007. - 2(64). - С. 26-29.

9. Лук'янов О.В. Оптимізація системи теплопостачання населених пунктів // Современные проблемы строительства. Науч.-тех. сб. - Донецк, Донецкий ПромстройНИИпроект, 2006. - №4(9). - С. 61-64.

10. Флер М.З., Лукьянов А.В., Губарь С.А., Яценко А.Г. Зависимость длины факела в топке жаротрубных теплогенераторов от условий работы горелки // Інженерні системи та техногенна безпека у будівництві: Зб. наук. праць. - Макіївка, 2002. - Вип. 2002. - 4(35). - С. 60-62.

11. Лукьянов А.В., Губарь С.А., Флер М.З. Исследование процессов переноса теплоты в топках жаротрубных теплогенераторов // Вісник Донецького університету. Серія А. Природничі науки. - 2002. - №1. - С. 215-216.

12. Флер М.З.. Губарь С.А., Лукьянов А.В., Губарь В.Ф. К вопросу определения размеров топки теплогенераторов с жаровой трубой // Коммунальное хозяйство городов. Науч.-тех. сб. - К: Техника, 2002.- Вып. 38. - С. 179-182.

13. Губарь С.А., Лукьянов А.В., Флер М.З. Теплообмен в топочных камерах теплогенераторов с жаровой трубой // Вентиляція, освітлення та теплогазопостачання Наук.-техн. зб.- К.:КНУБА, 2002.- Вип. 4. - С. 46-48.

14. Лук'янов О.В. До питання реформування комунальної теплоенергетики Донецької області // Коммунальное хозяйство городов. Науч.-тех. сб. - К: Техника, 2007. -Вып. 77. - С. 22-27.

15. Губарь С.А., Качан В.Н., Лукьянов А.В. Разработка параметрического ряда жаро-трубных теплогенераторов для локального теплоснабжения // Інженерні системи та техногенна безпека у будівництві: Зб. наук. праць. - Макіївка, 2003. -Вип. 4(41). - С. 3-6.

16. Качан В.Н, Лукьянов А.В., Коротаев А.Ю. Вероятностный подход к оценке работы жаротрубных котлоагрегатов // Коммунальное хозяйство городов. Науч.-тех. сб. - К: Техника, 2004. - Вып. 58. - С.108-112.

17. Лук'янов О.В. Водний режим газотрубних теплогенераторів локальних систем теплопостачання // Інженерні системи та техногенна безпека у будівництві: Зб. наук. праць. - Макіївка, 2006.- Вип. 2(58). - С. 32-35.

18. Лук'янов О.В. Деякі аспекти теплопостачання населених пунктів в Україні // Коммунальное хозяйство городов. Науч.-тех. сб. - К: Техника, 2004.- Вып. 42. - С. 118-120.

19. Лукьянов А.В.. Сербин В.А. Эксергетический анализ работы автономных теплогенераторов // Зб. наук. праць. - Луганськ: Видавництво Луганського нац. аграр. університету, 2007. - №72 (95). - С. 87-91.

20. Лукьянов А.В. Сербин В.А. Ексергетический анализ работы газотрубного теплогенератора КВГМ-1,6 // Энергосберегающие технологии и оборудование. Вост.-Европ. жур. передовых технологий, 2007. -3/₃ (27).- С. 7-10.

21. Пат. №22287. Україна, МПК F24H 1/10/ Електричний нагрівач рідини. Бачурін О.М., Штанько В.В., Губар В.Ф., Лук'янов О.В. (Україна) Донбаська нац. акад. буд. та арх. Заявл. 25.09.2006 р. Опубл. 25.04.2007р. Бюл. №5.

22. Лук'янов О.В. До питання вибору методів аналізу ефективності роботи теплогенеруючих установок (ТГУ) // Інженерні системи та техногенна безпека у будівництві. Зб. наук. праць.- Макіївка, 2001.- Вип. 6(31).- С. 103-104.

23. Лукьянов А.В. Анализ зависимости степени очистки многоступенчатой схемы мокрого пылеулавливания от начальной концентрации и фракционного состава пыли // Инженерные системы и техногенная безопасность в строительстве. Сб. науч. работ.- Макеевка, 1998.- Вип. 2(10). - С. 143-144.

ДОДАТКОВИЙ СПИСОК РОБІТ, ЯКІ РОЗКРИВАЮТЬ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ

24. Губарь С.А., Качан В.Н., Лукьянов А.В. Газотрубные теплогенераторы для локального теплоснабжения. // Энергосбережение, безопасность, екология в промышленности и коммунальной энергетике: Междунар. науч.-технич. конф. - Ялта, 2003. - С.24 - 29.

25. Лукьянов А.В., Катин Л.Д., Малыхин А.С. Расчет выбросов вредных веществ от теплогенераторов систем теплоснабжения // Інженерні системи та техногенна безпека у будівництві. Зб. наук. праць. - Макіївка, 2006. - Вип. 2(58). - С. 36-39.

26. Лук'янов о.В., Губар В.Ф., Шайхед О.В. Низькотемпературний "киплячий" шар у топках опалювальних теплогенераторів. // Інженерні системи та техногенна безпека у будівництві. Зб. наук. праць. - Макіївка, 2003. - Вип. 4(41).- С. 36-39.

27. Лукьянов А.В., Козлов А.А., Акинина А.Г., Моисеенко В.А., Гущин А.М.

Проектирование ТГУ с водогрейными котлоагрегатами на ЭПМ.// Материалы 25-ой науч.-тех. конф. ДГАСА. - Макеевка, 1999. -Вып. 4(8). - С. 54 -56.

28. Лукьянов А.В., Щеглов А.А. Усовершенствование горелок жидкого топлива в теплогенераторах малой мощности.// Материалы 25-ой науч.-тех. конф. ДГАСА. - Макеевка, 1999. -Вып. 4(8). - С. 63 -65.

29. Лук'янов О.В. Тепловий розрахунок газотрубних теплогенераторів./ М-во освіти і науки України - Макіївка: Донбаська. нац. акад. буд. і арх., 2005.-26 с.

30. Розробка і удосконалення екотехнологічних прцесів утилізації теплоти та використання нетрадиційних джерел енергії: Звіт про НДР К 3 - 08 - 01 (закл.) / Донбаська нац. акад. буд. і арх. - № ДР 0102U002850; Інв. № 1262. - Макіївка., 2005. - 151 с.

ОСОБИСТИЙ ВНЕСОК АВТОРА В ДАНИХ ПУБЛІКАЦІЯХ

В публікаціях [2, 10, 11] автору належить аналіз і узагальнення експериментальних даних впливу режимних характеристик пальників на довжину факелу у топках жарогазотрубних теплогенераторів. В роботах [12, 13, 24] автору належить постановка задачі і концепція математичної моделі теплообміну в топкових камерах малого об'єму при спалюванні природного газа. В публікації [15] автором розроблена методика визначення параметричного ряду жарогазотрубних теплогенераторів локального теплопостачання. В роботі [16] автором запропонований якісно-кількісний метод визначення ефективності роботи окремих теплосприймальних поверхонь нагріву теплогенераторів. В публікації [19] автору належить узагальнення досвіду застосування ексергетичного метода оцінки ефективності роботи теплогенераторів. В роботі [20] автором виконаний ексергетичний аналіз роботи жарогазотрубних теплогененраторів. В роботі [21] автором запропонована модель нагрівача рідини. В публікаціях [25, 26, 27, 28] автору належить постановка задачі і узагальнення результатів досліджень.

Размещено на Allbest.ru