Удосконалення технічних рішень теплоутилізаційного устаткування котелень

Institute of Engineering Thermophysics of National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv, Ukraine

IMPROVEMENT OF ENGINEERING SOLUTIONS OF BOILER HEAT RECOVERY EQUIPMENT

The results of studies on the effectiveness of the use in heat-recovery technologies for gas-fired heating boilers of advanced condensation heat-recovery exchangers of the exhaust-gases of boilers are presented. The proposed heat-recovery exchangers are designed for heating water in heating systems, chemical water-purification systems and other needs by cooling exhaust-gases, in some operating modes below the dew point of water vapour, contained in gases. The heat exchange surface of recovery-exchangers is composed of bundles of finned bimetallic pipes (steel base and aluminium fins) with structural features, namely: with intensification of heat transfer on the inner surface of these pipes. In this case, exhaust-gases blow round the fin surface, and the movement of water, which is heated, is carried out inside the pipes. Such a constructive solution makes it possible to enhance heat transfer inside the pipe and, as a result, to intensify the process of condensate formation in the deep cooling zone of exhaust-gases (condensation part of the heat-recovery exchanger). For this zone, the rational geometric parameters of the pipes and flow turbulators on the inner surface were determined from the condition that the thermal resistance from the exhaust-gas and water in the condensation zone of the heat- recovery exchanger is equal. The studies were carried out using experimental data on heat transfer and hydrodynamics during deep cooling of the exhaust-gases of boiler plants and in pipes with ring flow turbulators for typical modes of heat-recovery equipment of boiler plants. Based on the results of the studies, the optimal ratios of the parameters of the steel base of the pipe and the flow turbulators are determined, which provide a significant intensification of heat transfer with a relatively moderate increase in aerodynamic resistance in the condensation part of the tube bundle of the heat-recovery exchanger. It is shown that the use of the proposed pipes improves heat transfer by slowing down the process of scale formation due to turbulization of the near-wall layer of heated water. The data on the thickness of deposits on the inner surfaces of the pipes of the heat-recovery exchanger, which is composed of pipes with and without flow turbulators, are compared. It is shown that the relative decrease in the thickness of deposits for pipes with flow turbulators increases with time and can exceed 2.

Keywords: water heat-recovery exchangers; deep exhaust-gas cooling; heat transfer intensification; pipe finning parameters; increase fuel efficiency.

Вступ

Неухильне дорожчання палива на світовому ринку потребує впровадження енергоощадних технологій його споживання. У комунальній теплоенергетиці, яка характеризується значними витратами паливно- енергетичних ресурсів, заощадження палива реалізується шляхом застосування теплоутилізаційних систем з глибоким охолодженням відхідних газів котельних установок (Stepanova, 2016; Efimov et al., 2017; Fial- ko et al., 2018; Jaber et al., 2016; Popova & Shempelev, 2016; Levy et al., 2008; Wei et al., 2017). Підвищення ефективності теплоутилізаційного устаткування цих систем є надзвичайно актуальним завданням. Один із напрямів вирішення цього завдання полягає в удосконаленні конструкційних рішень цього устаткування.

Теплоутилізаційні системи газоспоживальних котельних установок здебільшого комплектуються конденсаційними теплообмінниками (теплоутилізаторами), в яких реалізується нагрівання води шляхом глибокого охолодження відхідних димових газів котлів. Теплообмінні поверхні таких теплоутилізаторів компонуються зазвичай у вигляді пучків труб зі зовнішнім поперечним оребренням та гладкою поверхнею всередині труб фо- іі^кіу et аі., 2014; Navrodskaya et аі., 2017; Navrodska et аі., 2018; Fialko et аі., 2018; Fialko et аі., 2014). При цьому димові гази омивають оребрену поверхню, а рух нагріваної води здійснюється усередині труб. Для ефективної роботи теплоутилізатора значення параметрів оребрення труб потрібно вибирати з умови рівності термічних опорів з боку димових газів і води. У зоні конденсації теплоутилізатора відбувається істотна інтенсифікація теплообміну з газового боку і в разі застосування в них труб з однаковими параметрами оребрення для всієї теплообмінної поверхні зазначена умова рівності опорів порушується і лімітуючим стає теплообмін з боку води. Підвищення ефективності теплообміну в конденсаційній зоні теплоутилізатора є основним завданням цього дослідження.

Мета дослідження полягає у теплофізичному обґрунтуванні використання в конденсаційних тепло- утилізаторах котлів оребрених труб з інтенсифікацією теплообміну на внутрішній поверхні та визначенні оптимальних параметрів інтенсифікаторів та оребрення.

Матеріал і методи дослідження

Принципову схему водогрійного конденсаційного теплоутилізатора відхідних газів котельних установок зображено на рис. 1.

Рис. 1 Схема конденсаційного теплоутилізатора: 1) теплообмінник; 2) байпасний газохід; 3) біметалева оребрена труба; 4) конден- сатозбірник; 5) вибуховий клапан; 6) оглядові вікна

Компонування теплообмінної поверхні у вигляді пучка біметалевих оребрених труб (сталева основа й алюмінієве оребрення) з інтенсифікацією теплообміну на внутрішній поверхні цих труб (рис. 2) дає змогу посилити теплообмін і, як наслідок, інтенсифікувати процес конденсатоутворення в зоні глибокого охолодження димових газів. При цьому важливим є завдання оптимі- зації параметрів оребреної труби і турбулізаторів, які, як відомо, потрібно вибирати з умови рівності термічних опорів на внутрішній та зовнішній поверхнях труби.

Рис. 2 Оребрена біметалева труба: 1) труба з кільцевими тур- булізаторами; 2) алюмінієве оребрення; 3) зовнішня поверхня труби без оребрення; 4) внутрішня поверхня труби; 5) кільцеві турбулізатори

У цій роботі проведено розрахункові дослідження щодо інтенсивності теплопередачі та зміни гідравлічного опору теплоутилізатора в разі застосування в його

Поверхню теплообміну теплоутилізатора можна умовно розділити на дві частини. У першій відбувається охолодження продуктів згоряння до температури їхньої точки роси. Цей процес характеризується суто конвек- тивним ("сухим") теплообміном, без зміни вологовміс- ту потоку. У другій частині трубного пучка відбувається глибше охолодження димових газів (нижче 6050 °С) з конденсацією водяної пари, що міститься в газах. Конвективний теплообмін при цьому супроводжується і масообміном. Цей процес названо теплообміном з конденсацією (або "мокрим" теплообміном). Завдяки використанню теплоти конденсації димових газів досягається підвищення коефіцієнта корисної дії котла на 3-10 %.

конденсаційній зоні пропонованих труб з різними параметрами турбулізаторів. Дослідження базувались на експериментальних даних стосовно теплообміну та гідродинаміки при глибокому охолодженні відхідних газів котельних установок (Navrodska et al., 2018) і в трубах з кільцевими турбулізаторами потоку (Kalinin et al., 1990). Розрахунки виконували для реальних умов роботи теплоутилізаційного устаткування в конденсаційному режимі, тобто у практичному діапазоні зміни основних параметрів відхідних газів і води.

Результати дослідження. Характерні результати виконаних досліджень наведено на рис. 3, 4.

№ труби

Рис. 3 Питома теплова потужність теплоутилізатора залежно від параметрів турбулізаторів та температури нагріваної води: 1) D_м/D = 0,983; ^ = 0,496; 2) 0,966;0,498; 3) 0,943; 0,497; 4) 0,922; 0,523; 5) 0,875; 0,496; 6) 0,912; 0,992; 7) 0,946; 0,998; 8) 0,944; 1,987; 9) 0,942; 3,989; 10) гладка труба

Рис. 4 Гідравлічний опір теплоутилізатора залежно від параметрів турбулізаторів та температури нагріваної води: 1) D_м/D = 0,983; = 0,496; 2) 0,966;0,498; 3) 0,943; 0,497; 4) 0,922; 0,523; 5) 0,875; 0,496; 6) 0,912; 0,992; 7) 0,946; 0,998; 8) 0,944; 1,987; 9) 0,942; 3,989; 10) гладка труба

Варто зазначити, що окрім інтенсифікації теплообміну усередині пропонованої оребреної труби, уповільнюється процес накипоутворення шляхом турбулізації пристінного шару нагріваної води ^отоп et аі., 1990). Ця обставина також приводить до зростання теплової ефективності теплообмінної поверхні з внутрішніми турбулізаторами потоку в трубах завдяки зменшенню товщини відкладень 5 у зіставленні з відповідними гладкими трубами (рис. 5). Результати дослідження свідчать, що відносне 5 зменшення для труб з турбулі- заторами потоку 5_гл/5_тт зростає з часом і може перевищувати значення 2.

Рис. 5 Динаміка товщини відкладень у гладких трубах 8_гл та в трубах з турбулізаторами потоку 8_тт: 1) гладка труба; 2) труба з кільцевими турбулізаторами

Отже, розрахункові дослідження щодо порівняння основних показників конденсаційних теплоутилізаторів із гладкими трубами і трубами з кільцевими турбулізаторами потоку на внутрішній поверхні показало, що застосування пропонованої конструкції труби має істотні переваги за відносно невеликого росту загального гідравлічного опору.

Висновки

1. Виконано аналіз ефективності застосування пропонованих біметалевих оребрених труб з турбулізатора- ми потоку на внутрішній поверхні для інтенсифікації теплообміну в конденсаційній зоні водогрійного теплоутилізатора котельних установок.

2. Визначено оптимальні співвідношення параметрів труби і турбулізаторів потоку ІР_мЮ = 0,946; і_тЮ = 0,998), що забезпечують істотну інтенсифікацію теплообміну за відносно помірного росту гідравлічного опору в конденсаційній зоні трубного пучка теплоутилізатора.

3. Показано, що застосування турбулізаторів на внутрішній поверхні оребрених труб забезпечує уповільнення процесу накипоутворення завдяки турбулізації пристінного шару нагріваної води.

4. Проведено зіставлення динаміки товщини відкладень теплоутилізатора, який компонується трубами з турбулізаторами потоку та без них. Ці зіставлення підтвердили ефективність застосування пропонованих оребрених труб.

Перелік використаних джерел

1. Dolinskiy, A. A., Fialko, N. M., Navrodskaya, R. A., & Gnedash, G. A. (2014). Basic principles of heat recovery technologies for boilers of the low thermal power. Industrial Heat Engineering, 36(4), 2735. [In Russian].

2. Dreytser, G. A., Kalinin, E. K., & Yarho, S. A. (1990). Intensification of heat transfer in channels. Moscow: Mashinostroenie, 207 p. [In Russian].

3. Efimov, A. V., Goncharenko, A. L., Goncharenko, L. V., & Esipenko, T. A. (2017). Sovremennye tekhnologii glubokogo okhlazhdeniia produktov sgoraniia topliva v kotelnykh ustanovkakh, ikh problemy i puti resheniia. Kharkiv: Kharkiv Polytechnic Institute, 233 p. [In Russian].

4. Fialko, N. M., Navrodskaya, R. A., Gnedash, G. A., Presich, G. A., & Stepanova, A. I. (2014). Increasing the efficiency of boiler plants of communal heat energy by combining the heat of the exhaust-gases. Alternative Energy and Ecology: International Scientific Journal, 15, 126-129. [In Russian].

5. Fialko, N. M., Presich, G. A., Gnedash, G. A., Shevchuk, S. I., & Dashkovska, I. L. (2018). Increase the efficiency of complex heat- recovery systems for heating and humidifying of blown air of gasfi- red boilers. Industrial Heat Engineering, 40(3), 38-45.

6. https://doi.org/10.31472/ihe.3.2018.06 Fialko, N., Presich, G., Gnedash, G., Navrodska, R., & Novakivskii, M. (2018). Heat-recovery technology of exhaust gases with high moisture content for gas-fired boilers of municipal heat-energy. (Ser. New solutions in modern technologies). Bulletin of NTU "KhPI", 45(1321), 70-77. Kharkiv: NTU "KhPI".

7. https://doi.org/10.20998/2413-4295.2018.45.09 Gomon, V. I., Ostapushchenko, P. G., & Aronov, I. Z. (1990). Tubular water heater for heating systems. Water supply and sanitary technique, 6, 12-15. [In Russian].

8. Jaber, H., Khaled, M., Lemenand, T., & Ramadan, M. (2016, July). Short review on heat recovery from exhaust gas. In AIP Conference Proceedings (Vol. 1758, No. 1, p. 030045). AIP Publishing. https://doi.org/10.1063/1.4959441

9. Levy, E., Bilirgen, H., Jeong, K., Kessen, M., Samuelson, C., & Whit- combe, C. (2008). Recovery of water from boiler flue gas. Office of Research and Sponsored Programs.

10. Navrodska, R. A., Stepanova, A. I., Shevchuk, S. I., Gnedash, G. A., & Presich, G. A. (2018). Experimental investigation of heat-transfer at deep cooling of combustion materials of gas-fired boilers. Scientific Bulletin of UNFU, 28(6), 103-108. https://doi.org/10.15421/40280620

11. Navrodskaya, R., Fialko, N., Gnedash, G., & Sbrodova, G. (2017). Energy-efficient heat recovery system for heating the backward heating system water and blast air of municipal boilers. Thermophysics and Thermal Power Engineering, 39(4), 69-75. https://doi.org/10.31472/ihe.4.2017.10 Popova, E. S., & Shempelev, A. G. (2016). Issledovanie i razrabotka sposoba utilizatcii poter teploty s ukhodiashhimi gazami vodogre- inogo kotla. Energo- i resursosberezhenie. Energoobespechenie. Netraditcionnye i vozobnovliaemye istochniki energii: Vserossiis- kaia nauchno-prakticheskaia konferentciia studentov, aspirantov i molodykh uchenykh s mezhdunarodnym uchastiem, Yekaterinburg, December 12-16, 2016. (pp. 223-226). Yekaterinburg: UrFU. Retrieved from: http://hdl.handle.net/10995/63916. [In Russian].

12. Stepanova, A. (2016). Analysis of the application combined heat recovery systems for water heating and blast air of the boiler unit. Industrial Heat Engineering, 38(4), 38-46. https://doi.org/10.31472/ihe.4.2016.06

13. Wei, M., Zhao, X., Fu, L., & Zhang, S. (2017). Performance study and application of new coal-fired boiler flue gas heat recovery system. Applied energy, 188, 121-129. https://doi.org/10.1016/i.apenergv.2016.11.132

Размещено на Allbest.ru