Методи і способи підвищення теплової та екологічної ефективності жаротрубних теплогенераторів малої потужності для локального теплопостачання

Размещено на http://www.allbest.ru/

Донбаська державна академія будівництва і архітектури

УДК 697.32

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Методи і способи підвищення теплової та екологічної ефективності жаротрубних теплогенераторів малої потужності для локального теплопостачання

05.23.03 - Вентиляція, освітлення та теплогазопостачання

Губар Світлана Олександрівна

Макіївка 2004

Загальна характеристика роботи

ефективність жаротрубний теплогенератор

Актуальність роботи. Для задоволення потреб житлово-комунального господарства України виробляється більш ніж 250 млн. ГДж теплоти на рік. Одним із напрямків зниження енерговитрат і поліпшення екологічної обстановки є технічне удосконалювання систем теплопостачання. Серед способів реалізації цієї мети особливу увагу заслуговує перехід від централізованого до децентралізованого і локального вироблення і розподілу теплоти із застосуванням газових модулів одиничною тепловою потужністю від 0,5 до 3,0 МВт. Це дозволяє ефективно вирішувати задачі опалення і гарячого водопостачання з одночасною економією енергії близько 50%. Перспективною конструкцією таких теплогенераторів є використання водоохолоджувальної топкової камери циліндричної форми, а в конвекційній частині - димогарних труб.

Існуючі методи розрахунку і проектування котлів розроблено для агрегатів, що відрізняються незмірно великими тепловою потужністю і розмірами та не враховують особливостей теплових і фізико-хімічних процесів, які відбуваються у жаротрубних топках. Це ускладнює визначення оптимальних розмірів останніх і встановлення раціональних технологічних параметрів спалювання природного газу.

Спроби прямого переносу атмосфероохоронних технологій, розроблених для енергетичних і великих опалювальних котлоагрегатів, на котли малої потужності часто призводять або до збільшення питомої витрати палива, або до збільшення показника сумарної токсичності викидів.

Таким чином, перед опалювально-комунальною теплоенергетикою стоїть важлива задача підвищення економічності спалювання палива в котлах малої теплової потужності й захисту атмосферного повітря від забруднень викидами токсичних інгредієнтів із продуктами згоряння зазначених котлів, що визначає актуальність цієї роботи.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Основні дослідження теоретичного і прикладного характеру виконано відповідно до Комплексної державної Програми енергозбереження України; Програми енергозбереження в житлово-цивільному будівництві; Галузевої Програми енергозбереження в житлово-комунальному господарстві, Програми "Донбас - 2020" у рамках держбюджетної науково-дослідної теми Міністерства освіти і науки України "Створення теоретичних та технологічних засад розробки систем автономного теплопостачання"(№ дер. реєстрації 0103U000585), держбюджетної науково-дослідної теми К 3-08-01 "Розробка й удосконалення екологічних процесів утилізації теплоти й використання нетрадиційних джерел енергії" (№ дер. реєстрації 0102U002850) і госпдоговірної науково-дослідної теми 102-02 "Экотер" "Дослідження теплотехнічних характеристик жаротрубних теплогенераторів" (№ дер. реєстрації 0102U002852).

Метою роботи є теоретичне й експериментальне обґрунтування підвищення показників енергоекологічної ефективності теплогенераторів для локального теплопостачання на основі удосконалювання їхніх конструкцій і оптимізації параметрів технологічного процесу в топковій камері.

Задачі дослідження:

проаналізувати існуючі конструкції теплогенераторів малої потужності, методи їхнього теплового розрахунку й можливості зниження викидів оксидів азоту з продуктами спалювання палива;

сформулювати теоретичні положення щодо впливу режимних характеристик роботи жаротрубних водогрійних теплогенераторів і їхніх геометричних параметрів на ефективність теплової роботи камери згоряння;

розробити й експериментально обґрунтувати модель впливу основних технологічних факторів топкових процесів у теплогенераторах малої потужності на інтенсивність емісії оксидів азоту;

виконати комплексні експериментальні дослідження теплообміну в охолоджувальних циліндричних топкових камерах жаротрубних теплогенераторів малої потужності;

розробити методику теплового розрахунку жаротрубних водогрійних теплогенераторів малої потужності й концепцію їхнього проектування;

встановити технологічні параметри режимів топкового процесу в жаротрубних теплогенераторах, що забезпечують мінімальні викиди оксидів азоту з продуктами згоряння;

здійснити промислову перевірку й упровадження результатів досліджень.

Об'єкт дослідження - жаротрубні теплогенератори малої потужності для локального теплопостачання.

Предмет дослідження - процеси теплообміну й емісії оксидів азоту в топковій камері жаротрубних теплогенераторів при спалюванні природного газу.

Методи дослідження. Процеси теплообміну в топковій камері й характер впливу технологічних параметрів спалювання природного газу на емісію оксидів азоту вивчалися на дослідному вогневому стенді з використанням сучасних технологій і універсального газоаналізатора "EcoLine Plus". При виконанні експериментальних досліджень використовувалися методи математичного планування експериментів і статистичної обробки дослідних даних.

Обґрунтованість і вірогідність отриманих у дисертаційній роботі результатів підтверджується коректним використанням математичного апарата, а також експериментальними дослідженнями й досвідом експлуатації. Адекватність математичних моделей доведена експериментально, перевірка адекватності математичної моделі виконувалася за критерієм Фішера при довірчій імовірності 0,95.

Наукова новизна отриманих результатів:

розроблено методику теплового розрахунку водогрійних жаротрубних теплогенераторів малої потужності для локального теплопостачання і характеристик технологічного процесу, що дозволяє визначити основні параметри, які позитивно впливають на теплову ефективність теплогенератора й зменшення викидів оксидів азоту з продуктами згоряння;

установлено, що у водоохолоджувальних циліндричних топкових камерах жаротрубних теплогенераторів малої потужності при спалюванні природного газу топкове середовище не відноситься ні до оптично тонкого, ні до оптично товстого, й у зв'язку з цим усереднення коефіцієнтів випромінювання продуктів згоряння в теплових розрахунках процесу променистого теплообміну повинне здійснюватися з урахуванням оптичної щільності потоку випромінюючих компонентів за Росселандом;

отримано узагальнююче рівняння для розрахунку теплообміну у водоохолоджувальних циліндричних камерах згоряння при спалюванні природного газу;

теоретично й експериментально обґрунтовано вплив на інтенсивність утворення оксидів азоту в жаротрубних теплогенераторах малої потужності коефіцієнта надлишку повітря в топці, ступеня перемішування газу з повітрям у пальнику, теплової потужності теплогенератора і турбулізації потоку газоповітряної суміші.

Практичне значення отриманих результатів:

розроблено "Методику теплового розрахунку жаротрубних водогрійних теплогенераторів малої потужності";

запропоновано програмне забезпечення розрахунків на ЕОМ жаротрубних теплогенераторів і принципи їхнього конструювання, що дозволяють на основі узагальнене рівняння, яке враховує режимні фактори і теплову продуктивність, визначити характерні розміри топкових камер;

обґрунтовано концепцію проектування й експлуатації жаротрубних теплогенераторів для локального теплопостачання, що включає методи і способи, спрямовані на вибір з параметричного ряду відповідно до необхідної теплової продуктивності відповідного типорозміру теплогенератора, визначення оптимальних розмірів його топки, тепловий розрахунок теплогенератора за розробленою методикою й визначення основних характеристик технологічного процесу, що забезпечують мінімальні викиди оксидів азоту з продуктами згоряння і максимальну теплову ефективність.

Упровадження роботи здійснене: на підприємствах Регіонального управління "Донбасмонтажспецбуд" з економічним ефектом більш ніж 124 тис. грн. та під час підготовки фахівців в ДонДАБА за спеціальністю "Теплогазопостачання і вентиляція".

Особистий внесок здобувача. Наведені в дисертаційній роботі результати досліджень отримані здобувачем самостійно. Особистий внесок автора полягає в наступному:

розроблено методику проведення експериментальних досліджень процесів теплообміну в топковій камері й впливу технологічних факторів на інтенсивність утворення оксидів азоту;

вивчено залежність інтенсивності теплообміну в топковій камері жаротрубних теплогенераторів від режимних характеристик їхньої роботи і геометричних розмірів топки;

отримано окремі й узагальнені залежності інтенсивності утворення оксидів азоту при згорянні природного газу в жаротрубних теплогенераторах малої потужності від технологічних факторів топкового процесу;

розроблено математичну модель графо-аналітичного розрахунку розмірів топок жаротрубних теплогенераторів, а також алгоритм і програму її реалізації на ЕОМ;

визначено і кількісно оцінено напрямки зниження викидів оксидів азоту з димовими газами жаротрубних теплогенераторів малої потужності;

розроблено методику теплового розрахунку й конструювання жаротрубних теплогенераторів малої потужності для локального теплопостачання.

Апробація роботи. Основні результати дисертаційної роботи повідомлено, обговорено і схвалено на міжнародних науково-технічних конференціях "Екологія промислового регіону" (м. Донецьк, 1995 р.); "Машинобудування і техносфера ХХІ століття" (м. Севастополь, 2002 р.); "Актуальні проблеми механіки суцільних середовищ" (м. Мелекіно, 2002 р.); "Енергозбереження, безпека, екологія в промисловості і комунальній енергетиці" (м. Ялта, 2003 р.); на науково-практичній конференції "Донбас-2020" "Охорона навколишнього середовища й екологічна безпека (м. Донецьк, 2001 р.), а також на науково-технічних конференціях ДонДАБА (м. Макіївка, 1996, 1998, 2000 р.р.).

У повному обсязі результати і висновки дисертаційної роботи доповідалися на розширеному засіданні кафедри "Теплотехніка, теплогазопостачання й вентиляція" ДонДАБА (2003 р.).

Публікації. За матеріалами дисертаційної роботи опубліковано 7 статей у наукових журналах і збірниках, із яких 2 роботи опубліковано без співавторів.

Структура й обсяг роботи. Дисертаційна робота містить вступ, п'ять розділів, висновки, список використаної літератури з 193 найменувань на 17 сторінках і п'ять додатків на 48 сторінках. Загальний обсяг роботи - 144 сторінки основного тексту, 26 малюнків, 15 таблиць.

Основний зміст роботи

У вступі надано загальну характеристику, показано актуальність і новизну роботи, обґрунтовано вибір об'єкта і предмета досліджень, сформульовано мету й задачі досліджень.

Перший розділ присвячено аналізу стану і перспектив розвитку устаткування і природоохоронних технологій комунальних опалювальних котелень малої потужності для локального теплопостачання. Дано структуру сучасного парку теплогенераторів малої потужності, що працюють на природному газі і які експлуатуються в країнах СНД і за рубежем, показано їх енергоекологічні показники.

В останні роки в Україні намітилась тенденція, спрямована на децентралізацію систем теплопостачання, що вимагає створення високоефективних і маневрених теплогенераторів малої потужності (до 3,0 МВт) (А.А. Долинський, І.М. Карп, О.Ф. Редько, В.І. Соколов, С.А. Чистович), найбільш перспективними з яких є жаротрубно-димогарні котли (А.Н. Воликов, М.М. Литвиненко, О.В. Лук'янов).

Поширення теплогенераторів такої конструкції пов'язано зі зручністю виготовлення агрегатів повної заводської готовності, а устаткування котлів сучасними інтелектуальними системами автоматики забезпечує надійність їхньої роботи і високі техніко-економічні показники. Крім того, жаротрубні теплогенератори мають цілу низку додаткових переваг, до яких відносяться простота конструкції, мала трудомісткість виготовлення на простому технологічному устаткуванні, газощільність, гарні маневрені якості, невисокі вимоги до живильної води, легкість в експлуатації і підвищені екологічні характеристики. Висока газощільність котлів дозволяє працювати в режимі наддування.

В окремих конструкціях жаротрубних теплогенераторів поверхня нагрівання топкової камери сприймає до 70% загальної теплової потужності апарата. У цьому зв'язку правильний розрахунок теплообміну в топковій камері й визначення її геометричних розмірів набувають вирішального значення при створенні економічно ефективних теплогенераторів для локального теплопостачання.

Існуючі методи теплового розрахунку топкових камер (В.М Адріанов, М.І. Білокінь, А.Г. Блох, А.М. Гурвич, Г.К. Конаков, В.В. Митор, М.Б. Равич, В.В. Трохимович, С.М. Шорин) не враховують особливостей роботи жаротрубних топок, що призводить до великих помилок у визначенні техніко-економічних показників роботи апаратів. Це пояснюється тим, що всі розроблені методики, засновані на експериментальних дослідженнях теплових процесів у топках котельних агрегатів, теплова потужність яких вище в порівнянні з розглянутими теплогенераторами. Перенос теплоти в охолоджувальних камерах згоряння малого об'єму має надзвичайно складний характер, обумовлений одночасним протіканням і взаємним впливом процесів конвекції, випромінювання й теплопровідності, а також наявністю хімічних процесів горіння палива.

Одним із важливих напрямків в удосконалюванні опалювальної техніки є зниження викидів в атмосферу з продуктами згоряння палива забруднюючих речовин і, у першу чергу, оксидів азоту. Установлено, що при спалюванні природного газу оксиди азоту визначають токсичність продуктів згоряння на 90-95%. З цієї причини науково-практична діяльність по зниженню емісії оксидів азоту в атмосферу при спалюванні палива в котельних установках - один із провідних напрямків щодо забезпечення екологічної чистоти повітряного басейну.

Екологічні проблеми спалювання газоподібного палива в теплогенеруючих установках і способи зменшення викидів оксидів азоту з димовими газами відображено в працях Я. Б. Зельдовича, І. Я. Сигала, М. Л. Стаскевича, Л. М. Цирульникова, C. P. Fenimore, E. L. Merryman і ін. Відмінною рисою більшості наукових досліджень є спрямованість на вирішення проблеми для потужних джерел викидів, а дослідження в області екологічної безпеки роботи жаротрубних теплогенераторів дотепер проводяться недостатньо. Методи зниження викидів NО_х, розроблені для котлоагрегатів великої потужності (рециркуляція газів, ступінчасте підведення окислювача, каталітичне очищення і т.п.), неприйнятні для жаротрубних.

Підсумки аналізу наукових досягнень і публікацій, винаходів, нормативних і методичних документів з досліджуваної проблеми свідчать про те, що в умовах активного пошуку резервів економії паливно-енергетичних ресурсів і поліпшення екологічної обстановки перспективним напрямком є розробка й удосконалювання для устаткування опалювальних котелень житлово-комунального сектора жаротрубних теплогенераторів малої потужності, які мають високі теплотехнічні показники і характеризуються мінімальними викидами шкідливих інгредієнтів, особливо, оксидів азоту. Для створення концепцій конструювання й методів розрахунку теплогенераторів малої потужності, а також способів зниження викидів оксидів азоту з продуктами згоряння необхідне проведення додаткових теоретичних і експериментальних досліджень в умовах, що наближаються до реальних.

На основі аналітичного вивчення літературних і патентних джерел визначене коло невирішених питань, сформульовано задачі і напрямки досліджень.

У другому розділі для вирішення поставлених у дисертації задач розроблено блок-схему досліджень процесів теплопереносу й утворення оксидів азоту в топці жаротрубного теплогенератора (рис.1).

Рис.1. Блок схема комплексних досліджень

Для проведення експериментальних досліджень було створено дослідну установку жаротрубного теплогенератора, яка забезпечує:

можливість виміру температур, локальної й сумарної тепловіддачі до стінок камери згоряння, а також складу газів, у тому числі вмісту в них оксидів азоту;

симетричний щодо осі пальника розподіл палива в потоці повітря;

регулювання на зрізі пальникового пристрою заданої неповноти змішання газу з повітрям;

безупинний контроль неповноти змішання газу з повітрям на зрізі пальника при наявності палаючого смолоскипу;

установлення на зрізі пальника заданої турбулентності газоповітряного потоку.

Вимірювання температури газів, коефіцієнта надлишку повітря, неповноти змішання газу з повітрям і вмісту оксидів азоту в продуктах згоряння виконано за допомогою універсального електронного газоаналізатора-оптимізатора процесів згоряння "EcoLine Plus" виробництва фірми Evrotron (Італія). У газоаналізаторі "EcoLine Plus" використовується найбільш сучасне ноу-хау в області контролю процесу горіння й технології електрохімічних датчиків, що дозволяє з високою точністю робити виміри температури (погрішність ±0,25%) і газових компонентів (погрішність ±4%).

При експериментальних дослідженнях використано розроблений план експерименту з наступними параметрами, що змінюються: коефіцієнт надлишку повітря в топці, б_Т, у межах від 1,05 до 1,25; ступінь неповноти змішання, о, у межах від 0 до 0,8; кут установки лопаток завихрувача, ц, у межах від 0 до 45^о; відносна теплова потужність теплогенератора, N_ОТ, у межах від 0,2 до 1,0; абсолютна теплова потужність теплогенератора, N, у межах від 0,5 до 3,5 МВт; відносна довжина топки, l_Т/d_Т, у межах від 0,5 до 3,5.

Результати експериментів оброблялися на ПЕОМ методами математичної статистики з довірчою ймовірністю 0,95. Значимість коефіцієнтів рівнянь регресії і довірчий інтервал (I_в) визначалися за допомогою числа Стьюдента, адекватність математичних моделей перевірялася за допомогою числа Фішера.

У третьому розділі наводяться результати досліджень процесів теплообміну у водоохолодних топкових камерах жаротрубних теплогенераторів малої потужності. Для визначення ефективності роботи камери згоряння використане поняття числа інтегрального теплопереносу К_Т, що є функцією процесу теплообміну між потоком газу, що випромінюється і рухається, і поверхнею нагрівання камери згоряння:

, (1)

де I_ад, I_ух, I_ст - ентальпія продуктів згоряння, відповідно, при теоретичній температурі горіння паливно-повітряної суміші, при температурі газів, що ідуть із камери згоряння, і при температурі стінки у вихідному перетині, кДж.

В топкових камерах малого об'єму важливе значення має вирішення питання про діапазон оптичних властивостей топкового середовища. Склад продуктів згоряння і теоретична температура горіння в топковій камері для палива одного і того ж складу залежать від коефіцієнта надлишку повітря. Для вирішення конкретної прикладної задачі, спрямованої на вивчення променистого теплопереносу в циліндричних водоохолоджувальних топках жаротрубних теплогенераторів нами виконано дослідження, у яких оптичні властивості випромінюючого середовища варіювалися зміною коефіцієнта надлишку повітря.

Апроксимація залежності коефіцієнтів випромінювання для продуктів згоряння дозволила одержати рівняння вигляду (2):

(2)

при кореляційному відношенні R=0,894.

Цим підтверджується справедливість усереднення коефіцієнтів випромінювання за Росселандом і чисельне значення оптичної товщини шару продуктів згоряння (L_о), визначене з використанням цих коефіцієнтів випромінювання, знаходиться в межах 0,3...1…1,14. Таким чином, топкове середовище для водоохолоджувальних циліндричних камер теплогенераторів малої потужності при спалюванні природного газу не можуть бути віднесені ні до оптично тонкого (L_о<<1), ні до оптично товстого (L_о>>1). Усереднення коефіцієнтів випромінювання продуктів згоряння при розрахунках променистого теплообміну в цьому випадку повинне здійснюватися з урахуванням оптичної щільності потоку випромінюючих компонентів і діаметра топки.

З огляду на те, що число інтегрального теплопереносу (К_Т) оцінює ефективність роботи топкової камери в цілому, тобто визначає співвідношення кількості теплоти, сприйнятої поверхнею нагрівання в топці, і гранично можливої за умови охолодження до температури теплосприймальної поверхні, експериментальне дослідження теплообміну в топковій камері було проведено з метою вивчення впливу на К_Т технологічних параметрів спалювання палива і геометричних характеристик топок.

Зональні теплові потоки (q_нi) при різних значеннях б_Т і теплової напруги топки (q_V) помітно знижуються на початковій ділянці топки і далі практично стабілізуються (рис. 2).

Це явище, що характерне для різних значень б_Т и q_V, приводить в кінцевому результаті до підвищення сумарного середнього питомого теплового потоку () від газів на стінку топки (рис.3).

Рис. 2. Зміна зональних теплових потоків q_нi по довжині камери згоряння:

1 - б_Т=1,05, q_V =1500 кВт/м³; 2 - б_Т=1,25, q_V =1500 кВт/м³;

3 - б_Т=1,05, q_V =750 кВт/м³; 4 - б_Т=1,25, q_V =750 кВт/м³

Рис. 3. Середні питомі теплові потоки на поверхню камери згоряння в залежності від її відносної довжини при б_Т=1,05:

1 - q_V=750 кВт/м³;

2 - q_V =970 кВт/м³;

3 - q_V =1230 кВт/м³;

4 - q_V =1470 кВт/м³;

5 - q_V =1710 кВт/м³

Залежність між і q_V апроксимується для б_Т=1,05 окремим рівнянням (3):

при R=0,823. (3)

Зростання середнього теплосприймання топки зі збільшенням її довжини носить загасаючий характер і подальше збільшення l_Т/d_Т більш ніж 3,5 стає малоефективним, а розвиток теплосприймальної поверхні за рахунок збільшення l_Т/d_Т стає нераціональним.

За результатами багатофакторного експерименту отримано математичну модель для коефіцієнта інтегрального переносу теплоти, що має наступний вигляд:

при R=0,934. (4)

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

У четвертому розділі розглянуто фактори, що визначають інтенсивність генерації оксидів азоту (NО_х) у топках жаротрубних теплогенераторів. На рис. 4 подано узагальнені результати досліджень впливу на вихід NО_х із димовими газами коефіцієнта надлишку повітря і теплової потужності водогрійних теплогенераторів сучасних типів, теплопродуктивністю від 1,6 до 46,5 МВт, включаючи жаротрубні. Отримані дані свідчать про однозначний вплив на рівень емісії NО_х коефіцієнта надлишку повітря і при зниженні останнього до 1,05 для теплогенераторів усіх випробуваних типів має місце значне зменшення вмісту NО_х у димових газах, що для жаротрубних теплогенераторів КВ-ГМ-1,6 із водоохолоджувальною топкою в 2 рази менше, ніж для водотрубних водогрійних котлів середньої потужності.

Рис. 4. Вплив коефіцієнта надлишку повітря в топці на вихід оксидів азоту:

1- КВ-ГМ-1,6;

2- КВ-ГМ-1,6

3- ВК-21;

4- ВК-32;

5- ДЕ-6,5-14ГМ;

6- КВ-ГМ-23,26-150;

7- ПТВМ-30М

Підвищення емісії NО_х зі збільшенням відносного теплового навантаження жаротрубних теплогенераторів (рис. 5) показує, що чим менше теплова напруга в зоні активного горіння палива, тим більше умовний час перебування вихідних компонентів у ній і менше вихід оксидів азоту.

Рис. 5. Залежність концентрації оксидів азоту в димових газах від відносної теплової потужності котлів:

1- ВК-32;

2- ВК-21;

3- КВ-ГМ-1,6-95СН

Характер залежності виходу NО_х від неповноти змішання газу з повітрям у пальнику (о) свідчить про те, що при різних значеннях коефіцієнта надлишку повітря має місце однакова якісна залежність NО_х від о, що характеризується підвищенням емісії оксидів азоту з поліпшенням якості змішання. Приріст концентрації NО_х при зменшенні о до 0,2 відбувається менш інтенсивно в порівнянні з її збільшенням при зниженні о від 0,2 до 0, що призводить до приросту концентрації NО_х у газах, що ідуть, приблизно на 45% від сумарного збільшення концентрації NО_х у всьому інтервалі зміни від 0,8 до 0. При зміні о від 0,2 до 0 має місце підвищена інтенсифікація процесу згоряння газу з одночасним погіршенням тепловіддачі від факела через зменшення його світності, що призводить до підвищення температури факела. Відповідно до термічної теорії утворення оксидів азоту в цьому випадку різко збільшується концентрація NО_х у продуктах згоряння палива. Тому якість змішання газу з повітрям у пальнику доцільно підтримувати на рівні не нижче від 0,2.

Аналіз результатів досліджень з зниження вмісту NО_х у димових газах шляхом регулювання ступеня неповноти змішання газу з повітрям і при уведенні водяної пари в факел показує, що зменшення концентрації NО_х при зміні о більш ефективно, ніж вплив водяної пари. З цього випливає, що уведення водяної пари в факел доцільно застосовувати у випадку, коли розміри топки не дозволяють здійснювати регулювання процесу горіння зміною неповноти змішання газу з повітрям у пальнику, що необхідно враховувати при конструюванні й розрахунку топкової камери теплогенераторів.

Результати досліджень показують, що при збільшенні кута установки лопаток завихрувача пальника (ц) спричиняє до зростання концентрації NО_х у газах. Причому, при о=0,8 це збільшення є максимальним і практично нівелюється при о<0,2. Це пояснюється тим, що закручування газоповітряного потоку, збільшуючи турбулентність у факелі, усуває при о>0,2 вихідну нерівномірність розподілу природного газу в потоці повітря. Підвищення кута установки лопаток завихрувача пальника приводить до істотного скорочення довжини факела, що обумовлює можливість зменшення довжини топкової камери. Тому визначення ступеня змішання газу з повітрям у пальнику повинно виходити з умов співвідношення економічних і екологічних показників.

У п'ятому розділі обґрунтовано необхідність розробки методики теплового розрахунку жаротрубних теплогенераторів. Показано, що в циліндричних водоохолоджувальних топках котлів малої потужності зменшується оптична товщина випромінювального та поглинального шару, продуктів згоряння, що обумовлено зменшенням розмірів топкового простору, унаслідок чого знижується в складному процесі частка променистого теплообміну і зростає внесок конвекційного теплопереносу. У цьому випадку умови радіаційного теплообміну описуються з урахуванням оптичної щільності потоку випромінюючих газів коефіцієнтом поглинання продуктів згоряння, усередненим за Росселаному ().

При конструюванні водоохолоджувальних циліндричних топок жаротрубних теплогенераторів однією з основних задач є визначення оптимальних діаметра й довжини камери згоряння палива. Аналізом теплообмінних процесів у жаротрубній камері згоряння встановлено доцільність комплексного визначення довжини й діаметра топки залежно від теплової продуктивності теплогенератора (N) і коефіцієнта К_Т. У цих умовах необхідно повною мірою використовувати об'єм топкового простору і забезпечити рівномірне теплове навантаження поверхні топки. Довжина, діаметр і площа нагрівання топки повинна бути погоджена з довжиною й площею нагрівання конвекційної частини. На основі математичної моделі, що включає рівняння (4), емпіричне рівняння (5), що визначає вплив розмірів топкової камери на її теплову ефективність роботи:

, (5)

і теоретично отриманих рівнянь (6) та (7) для визначення поверхневої щільності теплового потоку (q_Т) і теплової напруги об'єму топки (q_V):

; (6)

, (7)

розроблений алгоритм і програма розрахунку оптимальних характерних розмірів топок жаротрубних котлів "FAKEL" мовою TURBOBASIK. Це є базою для створення параметричного ряду топок жаротрубних теплогенераторів різних за тепловою продуктивністю в межах від 0,4 до 3,2 МВт, що доцільно використовувати при конструюванні джерел теплоти для локального теплопостачання.

На основі проведених у цій роботі теоретичних і експериментальних досліджень розроблено "Методику теплового розрахунку газотрубних теплогенераторів малої потужності для локального теплопостачання", яку затверджено Асоціацією "Укренергоспецмонтаж". Ця методика проектування жаротрубних теплогенераторів базується на вирішенні задачі оптимізації співвідношення довжини жарової труби топки і її діаметра для визначеної теплової потужності теплогенератора. Методика містить у собі вибір коефіцієнта надлишку повітря в жаротрубній топці, що забезпечує високі енергоекологічні показники, розрахунки об'ємів ентальпій повітря й продуктів згоряння палива, розрахунок теплового балансу теплогенератора, установлення визначальних розмірів камери згоряння палива графо-аналітичним способом і за допомогою ЕОМ за програмою "FAKEL", визначення конструкції конвекційної частини теплогенератора, розрахунки теплообміну в топці і конвекційному пучку.

Методи і способи підвищення теплової й екологічної ефективності жаротрубних теплогенераторів упроваджено у виробництво при створенні котлів марки КВ-ГМ-1,6-95СН і розробці технології їхньої експлуатації з річним економічним ефектом, отриманим на підприємствах Регіонального управління "Донбасмонтажспецбуд", більш ніж 124 тис. грн.

Висновки

Теоретичними й експериментальними дослідженнями обґрунтовано методи і способи підвищення теплової ефективності жаротрубних теплогенераторів і зниження ними викидів оксидів азоту, що полягають в оптимізації розмірів топкової камери й установленні раціональних технологічних параметрів спалювання природного газу на основі розробки методики теплового розрахунку, адаптованої для котлів малої потужності.

Установлено, що для водоохолоджувальних циліндричних топкових камер теплогенераторів малої потужності при спалюванні природного газу топкове середовище повинне розглядатися не як оптично тонке й усереднення коефіцієнтів випромінювання продуктів згоряння в розрахунках процесу променистого теплообміну необхідно робити з урахуванням оптичної щільності потоку випромінюючих компонентів і діаметра топки.

Уперше отримане узагальнене рівняння розрахунку теплообміну у водоохолоджувальних циліндричних камерах згоряння при спалюванні природного газу враховує вплив на число інтегрального теплопереносу коефіцієнта надлишку повітря, критерія Бугера, відношення довжини топки до її діаметра і теплової продуктивності котлоагрегатів.

Для жаротрубних теплогенераторів найбільш раціональними значеннями характеристик топкового процесу, що забезпечують мінімальну емісію оксидів азоту при заданій тепловій потужності, є: коефіцієнт надлишку повітря - 1,05; неповнота змішання газу з повітрям у пальнику не менш за 0,2 і кут установки лопаток завихрувача не більш ніж 15^о..

Базуючись на результатах експериментальних досліджень і теоретичних залежностях поверхневої щільності теплового потоку і теплової напруги об'єму топки від її розмірів, потужності теплогенератора і числа інтегрального теплопереносу, розроблено математичну модель теплообміну в циліндричних топкових камерах жаротрубних теплогенераторів, яка є основою для розробки графо-аналітичного методу конструювання топкової камери жаротрубних теплогенераторів, алгоритму і програми розрахунку на ЕОМ "FAKEL" її діаметра й довжини за умови оптимізації цих розмірів.

Розроблену "Методику теплового розрахунку газотрубних теплогенераторів малої потужності для локального теплопостачання" розглянуто й затверджено на державному рівні Асоціацією "Укренергоспецмонтаж".

Запропонований параметричний ряд жаротрубних теплогенераторів з тепловою потужністю від 0,4 до 3,2 МВт за конструкційними характеристиками, коефіцієнтом корисної дії і питомими капітальними і експлуатаційними витратами рекомендується застосовувати при створенні джерел теплоти для локального теплопостачання, один із варіантів якого був використаний у розробленому й освоєному виробництвом теплогенераторі КВ-ГМ-1,6-95СН номінальною потужністю 1,6 МВт з економічним ефектом більш ніж 124 тис. грн. на рік.

Список опублікованих робіт за темою дисертації

Губарь С.А., Удовиченко З.В., Губарь И.В. Теплообмен в трубных пучках с промежуточным пленочным теплоносителем // Інженерні системи та техногенна безпека у будівництві. Вісник ДонДАБА. - Макіївка, 2001 - №6(31). - С.108-110.

Здобувачем запропонована модель оцінки факторів, які впливають на ефективний коефіцієнт теплообміну.

Флер М.З., Губарь С.А., Лукьянов А.В. К вопросу об определении размеров топки теплогенераторов с жаровой трубой // Коммунальное хозяйство городов. Научно-технический сборник. Серия: Архитектура и технические науки. Вып 38.- К.: Техніка, 2002. - С.179-182.

Здобувачеві належить формула для визначення коефіцієнта інтегрального переносу теплоти і номограма до визначення розмірів циліндричної жаротрубної топки.

Губарь С.А. Выбросы оксидов азота отопительными котлоагрегатами малой мощности // Коммунальное хозяйство городов. Научно-технический сборник. Серия: Технические науки. Вып.42. - К.: Техніка, 2002. - С.136-138.

Здобувачем експериментально визначено залежність концентрації NO_х в димових газах котлів від коефіцієнта надлишку повітря у топці та відносної потужності теплогенераторів.

Губарь С.А., Лукьянов А.В., Флер М.З. Теплообмен в топочных камерах теплогенераторов с жаровой трубой // Науково-технічний збірник "Вентиляція, освітлення та теплогазопостачання". - К.: КНУБА, 2002. - Вип. №4. - С.46-48.

Здобувачем розглянуто питання вибору оптимального співвідношення довжини жарової топки та її діаметра відповідно до теплової потужності теплогенератора.

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

Здобувачеві належить формула для визначення числа Нуссельта.

Губарь С.А. Влияние технологических факторов работы жаротрубных теплогенераторов малой мощности на выход оксидов азота с продуктами сгорания // Вісник Східноукраїнського національного університету ім. В. Даля. - 2002. - №6(52). - С.198-201.

Здобувачем розглянуто питання залежності виходу оксиду азоту з продуктами згоряння палива в жаротрубних теплогенераторах від неповноти змішання в пальнику газу з повітрям і теплонапруженості об'єму циліндричної водоохолоджуваної топки.

Губарь С.А., Качан А.В., Лукьянов А.В. Разработка параметрического ряда жаротрубных теплогенераторов для локального теплоснабжения // Інженерні системи та техногенна безпека у будівництві. Вісник ДонДАБА. - Макіївка, 2003. - №4 (41). - С.3-6.

Здобувачем виконано побудову математичної моделі теплообміну у циліндричній поточній камері згоряння та розроблено алгоритм, блок-схему моделювання теплопередачі в котлі за програмою “FAKEL” і параметричний ряд типорозмірів теплогенераторів.

Анотація

Губар С.О. Методи і способи підвищення теплової та екологічної ефективності жаротрубних теплогенераторів малої потужності для локального теплопостачання. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.03 - Вентиляція, освітлення та теплогазопостачання. - Донбаська державна академія будівництва й архітектури Міністерства освіти і науки України, Макіївка, 2004.

Сформульовано теоретичні положення відносно впливу режимних характеристик роботи жаротрубних водогрійних теплогенераторів і їх геометричних параметрів на ефективність роботи камери згоряння. Комплексними експериментальними дослідженнями, проведеними на натурній моделі жаротрубного теплогенератора потужністю 1,6 МВт і виконаними з використанням новітнього обладнання для теплових вимірів та аналізу продуктів згоряння, отримано дані, які стали основою розробки математичної моделі теплообміну в циліндричній поточній камері й обґрунтовано модель впливу на інтенсивність утворення оксидів азоту в жаротрубних теплогенераторах малої потужності коефіцієнта надміру повітря в топці, степеня перемішування газу з повітрям у пальнику, теплової потужності теплогенератора і турбулізації потоку газоповітряної суміші.

Розроблено методику та програмне забезпечення розрахунків на ЕОМ жаротрубних водогрійних теплогенераторів, а також створено концепцію їх проектування, що включає вибір згідно з потрібною тепловою продуктивністю з параметричного ряду відповідного типорозміру теплогенератора, його тепловий розрахунок за розробленою методикою та визначення основних характеристик технологічного процесу, що забезпечують мінімальний викид з продуктами згоряння оксидів азоту і максимальну теплову ефективність.

Ключові слова: жаротрубний теплогенератор, теплообмін, оксиди азоту, впливаючи фактори, математична модель, метод, спосіб, методика теплового розрахунку, параметричний ряд, топка, оптимальні розміри, енергоекологічна ефективність.

Аннотация

Губарь С.А. Методы и способы повышения тепловой и экологической эффективности жаротрубных теплогенераторов для локального теплоснабжения. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.03 - Вентиляция, освещение и теплогазоснабжение - Донбасская государственная академия строительства и архитектуры Министерства образования и науки Украины, Макеевка, 2004.

Диссертация посвящена повышению энергоэкологической эффективности жаротрубных теплогенераторов мощностью до 3,0 МВт, получивших широкое применение для локального теплоснабжения. Сформулированы теоретические положения относительно влияния режимных характеристик работы жаротрубных водогрейных теплогенераторов и их геометрических параметров на эффективность работы камеры сгорания. Комплексными экспериментальными исследованиями, проведенными на натурной модели жаротрубного теплогенератора мощностью 1,6 МВт и выполненными с использованием новейшего оборудования для тепловых измерений и анализа продуктов сгорания, экспериментально установлено, что в водоохлаждаемых жаротрубных цилиндрических топочных камерах при сжигании природного газа усреднение коэффициента излучения водяных паров и СО₂ в тепловых расчетах процесса лучистого теплообмена необходимо производить с учетом оптической плотности потока излучающих компонентов по Росселанду. Величина числа интегрального теплопереноса в топке котла определена в зависимости от коэффициента избытка воздуха, критерия Бугера, отношения длины камеры сгорания к диаметру и тепловой производительности котлоагрегата.

Разработана математическая модель теплообмена в цилиндрической топочной камере и обоснована модель влияния на интенсивность образования оксидов азота в жаротрубных теплогенераторах малой мощности коэффициента избытка воздуха в топке, степени перемешивания газа с воздухом в горелке, тепловой мощности теплогенератора и турбулизации потока газовоздушной смеси. Для жаротрубных теплогенераторов наиболее рациональными значениями характеристик топочного процесса, обеспечивающими минимальную эмиссию оксидов азота при заданной тепловой мощности, являются: коэффициент избытка воздуха - 1,05; неполнота смешения газа с воздухом в горелке не менее 0,2 и угол установки лопаток завихрителя не более 15^о.

Разработаны методика и программное обеспечение расчетов на ЭВМ жаротрубных водогрейных теплогенераторов, а также создана концепция их проектирования и эксплуатации, включающая методы и способы, направленные на выбор из полученного параметрического ряда согласно требуемой тепловой производительности соответствующего типоразмера котла, его тепловой расчет по разработанной методике и определение основных характеристик технологического процесса, обеспечивающих минимальный выброс с продуктами сгорания оксидов азота и максимальную тепловую эффективность.

Результаты работы внедрены в производство с годовым экономическим эффектом более 124 тыс. грн.

Ключевые слова: жаротрубный теплогенератор, теплообмен, оксиды азота, влияющие факторы, математическая модель, метод, способ, методика теплового расчета, параметрический ряд, топка, оптимальные размеры, энергоэкологическая эффективность.

Abstract

Gubar S.A. Methods and ways of raising thermal and ecological efficiency of heat-tube generators for local heat supply. - The manuscript.

The dissertation on competition of a scientific degree of Cand. Tech. Scien. on a specialisty: 05.23.03 - Ventilation, illumination and heat-gas supply. - Donbass State Academy of Civil Engineering and Architecture, Ministry of Education and Science of Ukraine, Makeyevka, 2004.

Theoretical statements concerning influence of regime characteristics of operating heat-tube water generators and its geometrical dimensions on efficiency of burners operation are formulated. Complex experimental investigations are carried out on the basic of the natural model of heat-tube generators of 1.6 MW power. New equipment for thermal dimension and analyses of combustion products are used in the experiment. The data obtained served as the base for the development of mathematical model of heat exchange in cylindrical burner. The model of influence of air surplus in the burner, ratio of gas and air in the burner, thermal power of heat generator and turbulization of air-gas stream on the intensivity of forming oxides nitrogen in generators of low power is provided.

The technique and computing of heat tube water generator are worked out. The author developed the design concept including the choice of standard boiler size according to the needed thermal capacity from parametric series, its thermal design according to the worked out technique and definition of the main characteristics process, providing minimum flow-out of nitrogen oxides with products of combustion and maximum thermal efficiency.

Key words: heat-tube generator, heat exchange, nitrogen oxides, influence factor, mathematical model, method, technique of thermal design, parametric series, burner, optimum dimensions, energetical and ecological efficiency.

Размещено на Allbest.ru

...