Экспериментальное исследование теплообмена при глубоком охлаждении продуктов сгорания газопотребляющих котлов

The work is devoted to the studies of heat-transfer in the case of moisture condensation in water-heating exchangers of exhaust- gases from boiler plants operating on natural gas. The authors analysed the experimental data available in the literature and methods for their generalization with respect to heat-transfer during the flow of steam-gas mixtures under conditions of condensation of moisture from them. It is pointed out that these data are inadequate for the calculation of condensing heat-recovery exchangers of boilers. The conditions for conducting new experimental studies of the laws of heat and mass transfer in bundles of transverse-finned pipes of these heat-recovery exchangers are described when the exhaust-gases are cooled below the dew point temperature of the water vapour contained in them. The schemes of the experimental stand and the investigated model of the heat-recovery exchanger are described; its geometrical parameters and characteristics of bimetallic pipes are used in the bundles (steel base and aluminium fins). The technique for determining the heat-transfer coefficient from the exhaust-gas side in the investigated bundles of pipes is described. The results of determining the experimental value of this coefficient in the following ranges of variation of the main parameters of exhaust-gases: initial temperature t_in = 140...180 °C and moisture content Х = 0.09...0.15 kg/kg (dry gases), final temperature t_out = 50.100 °C, and also Re_g = 5000.10000. The results of the investigations are summarized by the dependence for calculation of the heat-transfer coefficient being studied, which is a function of Re_g, X and the dimensionless temperature of the heated water, which is the ratio of the mean temperature of this water and the value of the dew point of the exhaust-gases. To confirm the reliability of the experimental results obtained, they are compared with the data of other studies for different operating modes of the experimental model, namely: without condensation of moisture from exhaust-gases in bundles of transverse-finned bimetallic pipes and in its presence in bundles of smooth steel pipes. As the result of comparisons satisfactory coincidence of the compared values was obtained.

Keywords: water-heating exchangers of heat-recovery system of exhaust-gases; bundles of transverse-finned pipes; steam condensation; experimental data generalization; reliability.

Введение

Одним из направлений энергосбережения в коммунальной теплоэнергетике является повышение эффективности использования топлива в котельных агрегатах за счет утилизации теплоты отходящих газов.

Потери тепла с отходящими газами в современных отечественных котлах составляют 16-18 % при расчете баланса котла по высшей теплоте сгорания топлива и являются основной потерей тепла котельных установок.

Данный уровень потерь отвечает температурному диапазону отходящих газов 140М60 °С, который в течение многих лет считался оптимальным.

Однако в связи с тенденцией энергосбережения наблюдается стремление к более глубокому охлаждению этих газов (ниже температуры точки росы содержащегося в них водяного пара) ^іаіко et аі., 2000а; 2000Ь).

При этом может быть использована не только явная теплота газов (~ 7^8 %), но и скрытая теплота конденсации пара (около 10 %). В связи с этим актуальной является задача исследования процессов тепло- и массопереноса в условиях реализации технологии глубокого охлаждения дымовых газов котельных установок и на этой основе создания высокоэффективного теплообменного оборудования для этих целей.

Введем такие условные обозначения: Ь - толщина, м; D - диаметр оребрения, м; d - диаметр, м; h - высота, м; К - коэффициент теплопередачи, Вт/(м² К); L - длина трубы, м; М - количество труб в ряду; N - количество рядов в пучке; ^ - число Нусельта; Р - давление, МПа; q - удельная теплопроизводительность, кВт/м²; Re - число Рейнольдса; 5 - шаг, м; t - температура, °С; X- влагосодержание, кг/кг с.г.; а - коэффициент теплоотдачи, Вт/(м² К); в = /_н - безразмерная температура воды.

Индексы: в - вода; вн - внутренний; вх - вход; вых - выход; г - газы; д - дополнительный; экс - экспериментальный; к - конденсат; н - насыщение; общ - общий; п - пар; пл- пленка; поп - поперечный; пр - приведенный; прод - продольный; р - ребро; с.г. - сухие газы; ст - стенка; сух - сухой; т - труба.

Отходящие газы котлов являются парогазовыми смесями с влагосодержанием примерно 10М5 %. В условиях глубокого охлаждения парогазовой смеси и образования конденсатной пленки на поверхностях теплообмена тепловой поток Q, а также параметры газовой смеси и конденсата на поверхности их контакта зависят от температуры и парциального давления пара в смеси, от температуры стенки t_m и определяются значениями трёх коэффициентов: теплоотдачи от парогазовой смеси к поверхности конденсатной пленки а_к, массоотдачи от смеси к пленке в и теплоотдачи от наружной поверхности конденсатной пленки к стенке а_пл. Первые два из этих коэффициентов определяются внешними условиями теплообмена и массообмена, а третий - условиями переноса теплоты в конденсатной пленке.

При обработке опытных данных часто пользуются, однако, упрощенными зависимостями (Kutateladze, 1952), вводя значение "наружного" коэффициента теплоотдачи а_г, который бы учитывал как конвективный теплообмен между парогазовой смесью и конденсатной пленкой, так и выделение теплоты фазового перехода при конденсации пара (ДТ)

Рис. 2 Схема экспериментального стенда: 1) экспериментальный участок; 2) водяные коллекторы; 3) мерная емкость для конденсата; 4) переключатель термопар

Следует отметить, что соотношения между коэффициентами конвективного, так называемого "сухого" теплообмена а_г^сух, без изменения влагосодержания потока газов, и теплообмена, обусловленного конденсацией пара, а_г^д существенно зависит от его содержания в парогазовой смеси (Kutateladze, 1952; Berman & Fuks, 1958).

Условность коэффициентов а_г^сух и а_г^д, при определении которых не разделяются разные по их физической природе процессы переноса теплоты и вещества, не позволяет представить зависимости для этих коэффициентов в обобщенной форме. В таких случаях ограничиваются получением чисто эмпирических зависимостей, для нахождения которых были проведены экспериментальные исследования.

Цель исследования - изучить закономерности тепло- и массообмена в пучках поперечно оребренных труб при охлаждении парогазовых смесей с параметрами, соответствующими практическим значениям для отходящих газов котлов: начальными влагосодержанием Х = 0,09^0,15 кг/кг с.г., температурой 140^180 °С и Ле=5000-10000.

Материал и методы исследований

Исследования проводились на экспериментальном стенде, схема которого приведена на рис. 2. Стенд состоит из модели конденсационного теплоутилизатора, подводящих и отводящих газоходов, водяных и паровых трубопроводов, а также средств измерений. Схема модели представлена на рис. 1 и включает экспериментальный участок 1 - кожухотрубчатую конструкцию прямоугольного профиля с пучком оребренных труб 2, каплеотделительную камеру 3 и конденсатосборник 6 с водомерным стеклом 9. Схема оребренной трубы показана на рис. 3. В экспериментальном участке была предусмотрена возможность изменения параметров трубного пучка (М и N и параметров оребрения труб и s_р). Наружная повер хность модели, газоходов и трубопроводов была теплоизолирована.

Рис. 1 Модель конденсационного теплоутилизатора

Рис. 3 Схема оребренной биметаллической трубы: 1) оребре- ние из алюминия; 2) стальная труба

В качестве парогазовых смесей использовались уходящие газы котла, оборудованного горелочным устройством стабилизаторного типа ^іаїко et аі., 2010а; 2010Ь; 2011). Уходящие газы котла через входной газоход (см. рис. 1) поступали в межтрубное пространство модели теплоутилизатора, где охлаждались и направлялись через каплеотделительную камеру в отводящий газоход, а затем с помощью вентилятора подавались в дымовую трубу. Расход газов регулировался шибером, установленным во входящем газоходе. Движение газов и воды имело противоточный характер. Вода из водопроводной сети поступала в нижний ряд труб экспериментальной модели, где нагревалась, проходя последовательно каждый ряд, и отводилась из верхней части трубного пучка. Расход воды регулировался с помощью вентиля на подводящем трубопроводе. Величина начальной температуры воды изменялась за счет смешения водопроводной воды с горячим конденсатом из обратного паропровода котельной, а начальная температура газов - путем их смешения с холодным воздухом через отверстие в подводящем газоходе. Для изменения начального влагосодержания газов к подводящему газоходу был присоединен паровой трубопровод. Параметры исследуемого трубного пучка и оребренной трубы показаны в таблице Размещение труб - в шахматном порядке.

Таблица

Параметры трубного пучка и оребренной трубы

При охлаждении дымовых газов ниже точки росы в экспериментальной модели происходила конденсация водяного пара на нижних рядах трубного пучка. Конденсат стекал в конденсатосборник, а затем собирался в стеклянную емкость (для дальнейшего проведения химический исследований) или отводился в канализацию.

Результаты исследований

При проведении исследований определялись экспериментальные значения коэффициента теплопередачи К из уравнения теплового баланса для экспериментального участка теплоутилизатора. Коэффициент К рассчитывался по среднелогарифмическому температурному напору для всей поверхности пучка. По полученным значениям К находился приведенный коэффициент теплоотдачи с газовой стороны а"^р из соотношения

С помощью а"^р определялась величина коэффициента теплоотдачи с газовой стороны к оребренной поверхности а!?^кс из соотношения (Kuznetcov et аі., 1973)

где: Е - коэффициент эффективности ребра; у_Е - поправка на влияние неравномерности теплоотдачи по поверхности ребра; /л_р - коэффициент, учитывающий уширение ребра к основанию; Р_р, Х_гл, X - площадь ореб- ренной поверхности, гладких участков труб и общая площадь трубы соответственно.

Значения а_г^эхс представлялись в виде двух составляющих: конвективной (или "сухой") а°^ух и дополнительной аД отличающейся от нуля только при уменьшении начального влагосодержания газов и конденсации из них водяного пара. При этом значение а°^ух рассчитывалось по известным методикам для сугубо конвективного теплообмена (Kuznetcov et а1., 1973).

В данном исследовании значения а/ и находились из соотношений:

Как показал анализ литературных данных и собственные эксперименты, в рассматриваемой ситуации основными факторами, определяющими значения коэффициента а_г^д являются: скорость газового потока, относительное содержание пара в смеси и температура газового потока t_г и стенки t_ст. Данная физическая обстановка в целом характеризуется следующими особенностями. Во-первых, температура газов t_г в зоне глубокого охлаждения практически равняется температуре насыщения t_н. Во-вторых, при незначительном содержании влаги в дымовых газах во всем диапазоне изменения других параметров термическое сопротивление R_г от газов к оребренной поверхности водоохлаждаемого трубного пучка существенно больше термических сопротивлений собственно стенки R_ст и теплоотдачи со стороны воды R_в. В этом случае при обработке опытных данных может быть допущено использование вместо температуры стенки t_ст температуры нагреваемой води t_в. Поэтому при обобщении результатов экспериментов в данной работе использовались: число

Рейнольдса для газов Re_г, начальное влагосодержание газов X и средняя безразмерная температура воды в, связанная с температурным напором соотношением

В качестве определяющего размера при нахождении числа Re_г принимался наружный диаметр несущей трубы d, скорость рассчитывалась по сжатому поперечному сечению пучка, физические параметры определялись по средней температуре дымовых газов. Коэффициент аа рассчитывался для всей поверхности оребрен- ной трубы. Характерные результаты исследований Ыи_г- ^сух и Ыи_г^д в зависимости от изменения Re_г и Х представлены на рис. 4-6 в логарифмических координатах.

Достоверность полученных данных подтверждалась их сопоставлением со значениями Хи°^ух, рассчитанными по методическим рекомендациям (Kuznetcov et а1., 1973) при чисто конвективном теплообмене, без изменения влагосодержания газов (см. рис. 4).

1500 3029 4120 6028 8018 10015 Re_r

Рис. 4. Зависимость Nu_r^cyx от Rep

Представленные на графиках (рис. 5, 6) данные получены при средних температурах нагреваемой воды 10 и 20 °С и соответствуют диапазону изменения безразмерной температуры в = 0,17-0,19 и в = 0,34-0,38 соответственно.

11690

Рис. 5 Зависимость №_г^д от Re_r при Х=0,1-0,145 кг/кг с.г.; 0 = 0,17-0,19

Рис. 6 Зависимость №_г^д от температуры 0 при Х = 0,09-0,145 кг/кг с.г. и Re_p = 10000

Результаты исследований

Ыи_г^д = АЯе_г) (см. рис. 5) указывают на интенсификацию теплообмена с повышением влагосодержания газов Х. Как уже отмечалось, содержание неконденсирующихся газов влияет на теплообмен при конденсации (Fialko et al., 2000a; Kutateladze, 1952; Berman & Fuks, 1958; Kuznetcov et al., 1973; Kan- delaki, 1987; Buglaev & Kazakov, 1971). Конденсация пара происходит за счет диффузии под действием разницы парциальных давлений пара в газовом потоке и около поверхности охлаждения. Чем выше влажность газов Х, тем больше парциальное давление водяного пара в газовом потоке, а следовательно, и указанный перепад давлений. Уменьшение количества водяного пара за счет его перехода в жидкость приводит к образованию воздушного слоя около поверхности пленки и относительному увеличению парциального давления неконденсирующихся газов в парогазовой смеси, а также к уменьшению парциального давления водяного пара. Наличие воздуха около поверхности охлаждения создает дополнительное сопротивление для поступления пара к этой поверхности. При отсутствии конвекции через некоторое время около поверхности остаться практически лишь воздух. Усиление конвекции с ростом Яе_г благоприятствует поступлению новых порций парогазовой смеси к поверхности массообмена и таким способом повышению Nu/.

Проведено также изучение влияния на интенсивность теплообмена температуры нагреваемой воды t_e. Как показали исследования, эта температура более существенно воздействует на теплообмен по сравнению с Яе_г. Уменьшение температуры воды, а соответственно и температуры оребренной поверхности, ниже точки росы водяного пара приводит к конденсации водяного пара за счет уменьшения парциального давления дымовых газов на границе конденсатной пленки. И этот процесс тем интенсивнее, чем ниже температура воды и выше температура точки росы t_M, которая в свою очередь определяется значением начального влагосодержания газов Х. Опытные данные для зависимости интенсивности теплообмена от температуры нагреваемой воды 0в виде графиков Nuf = f(0 для Re₂=10000 и разных значений начального влагосодержания Х представлены на рис. 6.

Полученные экспериментальные результаты по теплообмену обобщены зависимостью

где: m = -14; п = 0,6; А - константа, зависящая от влагосодержания Х:

Область использования формулы (4) определяется диапазоном изменения параметров парогазовой смеси: начальной t_ex = 140-180 °С и конечной t_sux = 50-100 °С температурами, Яе_г = 5000-10000 и Х = 0,1-0,15 кг/кг с.г. Ошибка определения Nuf в диапазонах указанных параметров не превышает 6 %. При меньших значениях входных и выходных температур газов расчеты Nuf по соотношениям (4) дают заниженные значения по сравнению с экспериментом.

Для оценки достоверности полученных данных при теплообмене с конденсацией проведено их сопоставление с результатами других исследований, в частности с результатами исследований Т. Л. Канделаки, полученными на гладких трубах (Kandelaki, 1987). Сопоставление результатов показало, что значения коэффициента Nu_ag₄ значительно ниже для гладкой поверхности по сравнению с оребренной при сведении а/ к полной поверхности теплообмена. При определении а/ для гладкой трубы, полученные автором экспериментальные данные коэффициента Ыи_общ при одинаковой степени конденсации водяного пара полностью совпадают с данными (Kandelaki, 1987).

Таким образом, можно сделать вывод, что проведенные экспериментальные исследования позволили получить достоверные данные для обобщения закономерностей теплообмена при глубоком охлаждении исследуемых парогазовых смесей.

Результаты исследований положены в основу создания эффективных систем глубокой утилизации теплоты отходящих газов газопотребляющих котлов с использованием поверхностных теплоутилизаторов из поперечно оребренных труб. Широкое внедрение этих систем позволит сократить на 5-10 % потребление природного газа в коммунальной энергетике и существенно улучшить экологическую обстановку.

Выводы

1. Проведены экспериментальные исследования закономерностей тепло- и массообмена в пучках поперечно оребренных труб при охлаждении парогазовых смесей (дымовых газов котельных установок) ниже температуры точки росы содержащегося в них водяного пара.

2. Результаты исследований обобщены зависимостью для коэффициента теплоотдачи со стороны дымовых газов в диапазоне изменения их начальной температуры t_x = 180-140°С, конечной температуры t_eba = 50-100°С, Re_г = 5000-10000 и X = 0,09-0,15 кг/кг с.г.

Перелік використаних джерел