Енергетична та екологічна ефективність водогрійних котлів малої потужності

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ХАРЧОВИХ ТЕХНОЛОГІЙ

05.14.06 - Технічна теплофізика та промислова теплоенергетика

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Енергетична та екологічна ефективність водогрійних котлів малої потужності

Боднар Лілія Анатоліївна

Київ - 2010

Дисертацією є рукопис

Робота виконана у Вінницькому національному технічному університеті

Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент

Степанов Дмитро Вікторович

Вінницький національний технічний університет,

доцент кафедри теплоенергетики, м. Вінниця

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, доцент

Лук'янов Олександр Васильович

Донбаська національна академія будівництва і

архітектури, завідувач кафедри “Теплотехніка,

теплогазопостачання і вентиляція”, м. Макіївка

кандидат технічних наук, професор

Титар Сергій Семенович.

Одеський національний політехнічний університет,

професор кафедри “Теплові електричні станції і

енергозберігаючі технології”, м. Одеса

Захист відбудеться «2» червня 2010 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 26.058.05 при Національному університеті харчових технологій за адресою:

01033, м.Київ, вул. Володимирська, 68, аудиторія А - 311

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці НУХТ за адресою

01033, м.Київ, вул. Володимирська, 68.

Автореферат розісланий «30» квітня 2010 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради К 26.058.05 В. М. Філоненко

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА ДИСЕРТАЦІЙНОЇ РОБОТИ

Актуальність теми. Велике значення для нашої держави має проблема енергозбереження. Виробництво побутової опалювальної техніки потужністю до 100 кВт досить сильно розвинене в багатьох країнах світу, в тому числі і в Україні. Виходячи із загальноприйнятих тенденцій енергозбереження і ефективного використання теплогенерувального обладнання в конструюванні та виготовленні сучасних побутових котлів (як на природному газі так і на твердому паливі) для автономного опалення та гарячого водопостачання необхідно забезпечити високий ККД, невеликі габарити та масу котла. Тому проблема розробки високоефективних теплообмінних елементів є актуальною. Швидкий темп виробництва опалювальних котлів випереджає науково - технічне забезпечення їх розробки. Загальні науково - обґрунтовані принципи розробки водогрійних котлів малої потужності (ВКМП) в літературі не зустрічаються. Недостатньо приділена увага рекомендаціям по їх тепловому, аеро- та гідродинамічному розрахунку. Крім того, проблема інтенсифікації теплообміну в жаротрубних пучках водогрійних котлів недостатньо вивчена, відсутні залежності для розрахунку інтенсифікованого теплообміну. В зв'язку з великою різноманітністю ринку опалювального обладнання як на твердому паливі так і на природному газі виникає необхідність у оцінці характеристик такого обладнання не лише в аспекті екологічної і енергетичної ефективності під час експлуатації, а й на повному життєвому циклі. Тому дослідження в цьому напрямку є актуальними і необхідними.

Зв'язок роботи з науковими програмами, темами. Тема дисертації відповідає напрямку досліджень кафедри теплоенергетики Вінницького національного технічного університету. Матеріали дисертаційної роботи є розділами держбюджетної теми 82-Д-276 “Зменшення шкідливих викидів в навколишнє середовище в підсистемах енергозабезпечення систем біоконверсії” (№ держ. реєстрації 0105U002425). Автором виконано підрозділ теми “методологія систематизації наявної інформації по шкідливих викидах та методах їх зменшення. Результати систематизації”. Та держбюджетної теми 82 - Д - 312 “Зменшення техногенного навантаження на навколишнє середовище енергозберігаючих систем утилізації органічних відходів” (№ держ. реєстрації 0108U000667). Автором виконано підрозділи теми “Систематизація інформації про методи визначення техногенного навантаження на навколишнє середовище та способи його зменшення”, “Переваги процесу газогенерації над прямим спалюванням відходів деревини”.

Мета і задачі дослідження. Мета роботи - розробка методів та засобів ресурсо- та енергозбереження в котлах малої потужності на традиційних та альтернативних паливах з врахуванням техногенного навантаження на навколишнє середовище.

Для досягнення поставленої мети вирішено такі задачі:

Аналітичний огляд інформації по котлах малої потужності, методах їх розрахунку та оцінки ефективності.

Систематизація інформації по котлах малої потужності на альтернативних паливах.

Розробка методу оцінки ефективності котлів малої потужності на традиційних та альтернативних паливах з врахуванням життєвого циклу.

Розробка математичної моделі водогрійного жаротрубного котла малої потужності на традиційних та альтернативних паливах.

Розробка експериментального стенду та проведення досліджень роботи водогрійного котла малої потужності

Експериментальні дослідження процесів інтенсифікації теплообміну в круглому каналі. водогрійний котел альтернативний

Розробка критеріїв оцінки ефективності жаротрубного пучка ВК з інтенсифікацією теплообміну.

Розробка рекомендацій по проектуванню водогрійних котлів малої потужності на традиційних та альтернативних паливах.

Об'єкт дослідження - теплогідродинамічні процеси в елементах жаротрубного водогрійного котла малої потужності.

Предмет дослідження - енергетична та екологічна ефективність водогрійних котлів малої потужності.

Методи дослідження - аналітичні і експериментальні дослідження процесу інтенсифікації теплообміну в круглому каналі теплообмінника та в жаротрубному елементі водогрійного котла малої потужності, обробка результатів досліджень у вигляді критеріальних рівнянь з використанням методів прикладної статистики.

Наукова новизна.

Набули подальшого розвитку методи розрахунку та підвищення ефективності жаротрубних водогрійних котлів малої потужності (до 100 кВт).

Вперше в діапазоні чисел Рейнольдса, характерному для роботи водогрійних котлів малої потужності, досліджені нові оригінальні та відомі інтенсифікатори теплообміну в круглому каналі і отримана кількісна оцінка приросту тепловіддачі.

На відзнаку від відомих методик розрахунку котлоагрегатів, завдяки власним експериментальним результатам, розроблена математична модель водогрійного котла малої потужності для спалювання традиційних та альтернативних палив, що вперше враховує вплив встановлених в жаротрубному пучку нових оригінальних та відомих інтенсифікаторів на закономірності теплообміну в жаротрубному пучку, взаємозв'язок теплообміну і аеродинаміки в умовах природної тяги, умови конденсації смоли в елементах котла.

Вперше, на основі експериментальних та числових досліджень, показано, що застосування Нормативного методу теплового розрахунку котлоагрегатів для розрахунків жаротрубних водогрійних котлів малої потужності (до 100 кВт) правомірне лише з врахуванням особливостей конструкцій топок таких котлів, режимів течії газів і початкової ділянки стабілізації потоку в жаротрубному пучку.

Вперше використана методологія оцінювання життєвого циклу (LCA) для визначення ефективності водогрійних котлів малої потужності на традиційних і альтернативних паливах та для розробки критеріїв оцінки ефективності інтенсифікаторів теплообміну в жаротрубних пучках котлів.

Практичне значення та реалізація результатів досліджень.

Результати роботи є основою для розробки та вдосконалення ВКМП на традиційних та альтернативних паливах.

Розроблена методика розрахунку ВКМП, яка враховує інтенсифікацію теплообміну, режим течії газів, початкову ділянку стабілізації потоку в жаротрубному пучку.

Результати дисертаційної роботи впроваджені в процесі створення газогенераторних котлів на ЗАТ “Мотор - Січ” ДП “Лебединський моторобудівний завод”

Результати наукових досліджень використовуються для проведення лекційних та практичних занять, в курсовому та дипломному проектуванні для підготовки студентів спеціальності 7.090510 “Теплоенергетика” в рамках дисципліни “Тепломасообмін”, “Котельні установки промислових підприємств”, “Проектування теплоенергетичних та теплотехнологічних установок”.

Створені в процесі досліджень фізичні та математичні моделі використані в лабораторних роботах для підготовки студентів спеціальності 7.090510 “Теплоенергетика” в рамках дисципліни “Тепломасообмін”, “ Котельні установки промислових підприємств”.

Особистий внесок здобувача. Наведені в дисертаційній роботі результати досліджень отримані здобувачем самостійно. У наукових працях автора, що опубліковані у співавторстві, здобувачу належать: систематизація залежностей, які можуть бути використані для теплових розрахунків конвективної частини водогрійних котлів малої потужності [1]; розробка математичної моделі інтенсифікованого теплообміну та проведення числових досліджень при різних способах інтенсифікації теплообміну в жаротрубному елементі котла [2]; обробка експериментальних даних, проведення числових досліджень та аналіз результатів досліджень [3-4]; систематизація інформації по роботі котлів на твердому паливі та аналіз отриманих результатів [5]; огляд літературної інформації по відомих вітчизняних і закордонних методах оцінки екологічної ефективності обладнання з точки зору його життєвого циклу [6]; оцінка впливу життєвого циклу котла на навколишнє середовище при роботі на різних видах палива, аналіз та узагальнення результатів досліджень [7]; розробка критеріїв для оцінки інтенсифікованого теплообміну в жаротрубних пучках котлів та проведення числових досліджень із використанням розроблених критеріїв [8]; проведення експериментальних досліджень, розробка методики обробки дослідних даних, аналіз і узагальнення експериментальних даних [9]; розробка методики і проведення експериментальних досліджень по дослідженню інтенсифікованого теплообміну в газоводяному теплообміннику, аналіз і узагальнення результатів досліджень, розробка залежностей для розрахунку інтенсифікованого теплообміну в круглих каналах [10]; огляд патентної інформації, аналіз переваг та недоліків аналогу і прототипу, числові дослідження щодо можливого ефекту інтенсифікації теплообміну [11]; огляд патентної інформації, аналіз переваг та недоліків аналогу і прототипу, числові дослідження щодо можливого ефекту інтенсифікації теплообміну [12]; огляд патентної інформації, аналіз переваг та недоліків аналогу і прототипу, ідея встановлення електронагрівників в водяній рубашці [13].

Апробація роботи. Положення роботи викладені на науково - технічних конференціях професорсько - викладацького складу, співробітників та студентів університету за участю працівників науково-дослідних організацій та інженерно - технічних працівників підприємств м. Вінниці та області в 2005 - 2009 роках; на 13-ій Міжнародній конференції з автоматичного управління - Автоматика - 2006 (м. Вінниця, 2006 р.); на IX Міжнародній конференції “Контроль і управління в складних системах (КУСС-2008)” (м. Вінниця, 2008 р.); на 5-ій Міжнародній науково-практичній конференції “Проблеми економії енергії” (м. Львів, 2008 р.); на науково - технічній конференції “Енергозбереження в галузях національного господарства” (м. Вінниця, 2009 р.); на Всеукраїнському семінарі молодих учених та студентів “Еколого - економічні аспекти теплоенергетики” (м. Рівне, 2009 р.)

Публікації. За матеріалами дисертаційної роботи опубліковано 13 друкованих праць. З них 10 наукових праць в журналах, що входять до переліку ВАК України, 3 патенти України на корисну модель.

Обсяг та структура роботи. Дисертаційна робота містить вступ, чотири розділи, висновки, список літератури із 162 найменувань, додатки. Загальний обсяг роботи - 142 сторінки основного тексту, 48 малюнків, 9 таблиць

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність роботи, сформульовано мету і задачі дослідження, визначено об'єкт та предмет дослідження, методи дослідження, наукову новизну і практичне значення, наведено відомості про апробацію та впровадження результатів роботи.

У першому розділі розглянутий сучасний стан розробки водогрійних котлів малої потужності до 100 кВт на природному газі та твердому паливі. Показано, що на сьогоднішній день немає загальних принципів розробки водогрійних котлів потужністю до 100 кВт. Аналіз відомої літератури показав недостатність інформації по теплових та аеродинамічних розрахунках інтенсифікованого теплообміну в жаротрубних котлах малої потужності, а також недостатню кількість даних про дослідження показників роботи котлів малої потужності з інтенсифікацією теплообміну. Необхідно відзначити, що методологічною базою в цьому напрямку є дослідження таких вчених як В. М. Антуф'єв, М. В. Кірпічов, Е. В. Дубровський, Е. К. Калінін, Л. М. Коваленко, Г. А. Дрейцер, В. К. Щукін, В. К. Мігай та ін. Проаналізовано сучасні методи оцінки екологічної ефективності водогрійних котлів малої потужності і показано, що існуючі методи оцінки ефективності котлів малої потужності побудовані на техніко - економічних показниках і обмеженнях по шкідливих викидах під час роботи котлів. Оскільки процес виробництва теплоти є найбільшим джерелом забруднення навколишнього середовища, то такі методи, на нашу думку, недостатньо враховують екологічні характеристики котла.

Другий розділ присвячений опису експериментальних установок, методик проведення досліджень і обробки експериментальних даних.

Під час створення експериментальної установки був проведений огляд літературної інформації по вже існуючих експериментальних стендах, проаналізований і використаний досвід відомих дослідників. Для дослідження інтенсифікації теплообміну в круглому каналі газоводяного теплообмінника з L/d=17,8 створено експериментальний стенд (рис.1), який дозволяє моделювати процеси тепловіддачі від газового середовища в каналі з різними інтенсифікаторами теплообміну та без них.

Повітря, вентилятором 1, подається в повітропідігрівник, який складається з камери нагріву повітря 2 і електричного нагрівника 3. Напруга на нагрівник подається і регулюється через блок 4 живлення ЛИПС-68, навантаження контролюється лабораторним амперметром Э59 і вольтметром Щ4313. Витрата повітря регулюється шаровим краном 5, який встановлений перед повітро-підігрівником, і вимірюється ротаметрами РМ4 і РМ0,4. Нагріте в повітропідігрівнику до потрібної температури повітря повітропроводом 6, який виготовлений з труби dy32, подається в теплообмінний елемент, який складається з вертикального круглого каналу 7, внутрішнім діаметром 42 мм, по якому рухається повітря, і водяної рубашки 8 з еквівалентним діаметром для проходу води 11 мм. У вертикальний канал 7 закріплюються інтенсифікатори теплообміну 15. Вода з мережі у водяну рубашку подається через нижній штуцер 9 і, нагріваючись, виходить через верхній штуцер 10. Витрата мережної води регулюється краном 11 і вимірюється за допомогою мірного бака. Температури повітря на вході і виході з теплообмінного елемента вимірюються термометрами 12 з ціною поділки 0,1 °С, які встановлені до і після теплообмінного елемента. Втрати тиску повітря в теплообмінному елементі вимірюються за допомогою мікроманометра 13 типу ММН з діапазоном вимірювання 5…1960 Па. Для зменшення падіння температури повітря в повітропроводах через втрати теплоти в навколишнє середовище, вони покриті шаром ізоляції 16 товщиною 9 мм з коефіцієнтом теплопровідності л=0,038 Вт/(м·К).

Величина середнього по поверхні теплообміну коефіцієнта теплопередачі визначається з основного рівняння теплопередачі. Величину експериментального середнього по поверхні коефіцієнта тепловіддачі з боку повітря визначали з коефіцієнта теплопередачі.

Максимальна очікувана похибка визначення теплового потоку до 7 %, температурного напору до 8 %, коефіцієнта тепловіддачі з боку повітря складає - до 17,8 %.

Для дослідження показників роботи ВКМП з інтенсифікацією теплообміну створена експериментальна установка 2 (рис. 2).

Система відведення теплоти, яку генерує котел 1, складається з теплообмінника поверхневого типу 2, циркуляційного насоса 3, трубопроводів прямої та зворотної котлової води 4, обладнаних шаровими кранами 5, та лічильника марки СК 15Г - 01 для вимірювання витрати води через водяну порожнину котла 6. Температура прямої котлової води вимірюється термометром 7 марки ТЛ-5 ГОСТ 215 - 73 з діапазоном вимірювання (-30°С до 70 °С) та ціною поділки 0,5°С. Температура зворотної води вимірюється термометром марки ТТЖ - М з діапазоном вимірювання (0°С до 100 °С) та ціною поділки 1°С.

Природний газ газопроводом 8 діаметром dy15 подається на пальники котла. Витрата газу вимірюється лічильником 9 марки G4PA КАЗ 2002 р, і регулюється краном 10. Димові гази після котла виводяться димовою трубою 11, в якій виконаний технологічний отвір для розміщення зонда газоаналізатора 12.

В процесі проведення досліджень вимірювались такі параметри: температура відхідних газів, °С; температура прямої та зворотної води, °С; витрата газу, м3/с; витрата води, м3/с; вміст кисню у відхідних газах, %; тиск газу на вході в блок пальників, Па; час проведення експерименту; вміст СО у відхідних газах, мг/м3 ; вміст СО2 у відхідних газах, %; вміст NOx у відхідних газах, мг/м3 .

Очікувані похибки основних величин складають: витрати палива 0,15…0,2 %; температури відхідних газів 0,5%; вміст СО і NOx у газах 1,2…2,4 % і 0,5…1,9% відповідно, коефіцієнта надлишку повітря 0,3…0,7%. Водогрійний котел складається з основних частин: топки, жаротрубного елемента, трубної дошки, кожуха, блоку пальників. Теплотехнічні випробування проведені з такими варіантами конструкції елементів апарата (рис. 3): висота топки 235 мм, жаротрубний пучок висотою 410 мм без вставок (рис. 3, а); висота топки 235 мм, в жаротрубному пучку розташовані вставки, які складаються із вставки з щілинами і шайб, рис. 3, б); висота топки 235 мм, в жаротрубному пучку розташована вставка з отворами у вигляді щілин, верхня кришка вставки на 50 мм нижче верхньої точки жарової труби, рис. 3, в); пальниковий блок розташовано нижче на 19 мм, висота топки складає 254 мм, в жаротрубному пучку розташована вставка з отворами у вигляді щілин (верхня кришка вставки на 50 мм нижче верхньої точки жарової труби, рис.3, г).

У третьому розділі наведені результати експериментальних та числових досліджень теплообміну в круглому каналі газоводяного теплообмінника та водогрійного котла потужністю 32 кВт на природному газі.

Для розробки нових конструкцій і режимів роботи водогрійних котлів малої потужності (ВКМП) потрібна математична модель теплових, гідравлічних та аеродинамічних процесів, що відповідає умовам їх роботи. Математична модель теплового та аеродинамічного розрахунку ВКМП складається з модулів: модуль розрахунків об'ємів продуктів згорання; модуль розрахунків теплового балансу і витрати палива; модуль розрахунків теплообміну в топці; модуль розрахунків теплообміну в жаротрубному пучку; модуль розрахунків температури стінки труби та інтенсифікатора теплообміну; модуль аеродинамічного розрахунку ВКМП; модуль розрахунків температури конденсації продуктів згорання та смоли.

Для підвищення ефективності роботи пучка і котла в цілому сучасні виробники ВКМП застосовують різноманітні інтенсифікатори теплообміну. Нормативний метод теплового розрахунку котлоагрегатів не містить рекомендацій по розрахунку інтенсифікованого теплообміну. Ця обставина вимагає проведення експериментальних досліджень.

Під час побудови математичної моделі розрахунків інтенсифікованого теплообміну в жаротрубному пучку прийняті такі спрощення:

розрахунки проводяться за середньою температурою димових газів в елементі (математична модель із зосередженими параметрами);

теплофізичні параметри димових газів обрані для таких умов: барометричний тиск В = 760 мм.рт.ст; середній парціальний тиск вуглекислого газу -= 0,13, водяних парів -= 0,11, азоту -= 0,76;

вважаємо, що температура інтенсифікатора значно більша температури стінки труби Ті >> Ттр;

вплив забруднень на теплообмін враховується коефіцієнтом Ш=0,7…0,9 (в залежності від конструкції котла);

нерівномірність розподілу димових газів по перерізу жаротрубного каналу не враховується.

В жаротрубному елементі (ЖЕ) з інтенсифікованим теплообміном відбувається складний теплообмін. Теплова енергія до стінки ЖЕ переноситься конвекцією бк.ст., випромінюванням від димових газів бв.г.ст., і випромінюванням від інтенсифікатора бв до стінки ЖЕ До інтенсифікатора теплота передається конвекцією бк.і. і випромінюванням від димових газів бв.г.і.

В стаціонарному режимі кількість теплоти, що передається конвекцією і випромінюванням від димових газів до вставки, рівна кількості теплоти, що передається випромінюванням від вставки до стінки труби.

, (1)

де tі , tст, tг - середня температура стінки інтенсифікатора, ЖЕ та середня температура димових газів відповідно, єС.

Описані механізми використані при моделюванні процесів теплообміну в жаротрубному пучку з різними типами інтенсифікаторів.

Перед проведенням основної серії експериментів по інтенсифікації теплообміну було досліджено теплообмін в круглому каналі газоводяного теплообмінника і показано, що відхилення експериментальних даних по теплообміну від розрахованих за відомими залежностями складає до 20 %. Дані відхилення пов'язані з особливостями теплообміну в умовах перехідного та ламінарного режиму руху і з конструкцією експериментального теплообмінного стенду і прототипу - жаротрубного водогрійного котла, а саме відсутністю початкової ділянки стабілізації потоку.

Для коротких труб, довжина яких менша 50·d, тепловіддача дещо вища, ніж для довгих. Всі відомі нам літературні джерела для випадку L/d < 50 пропонують поправкові коефіцієнти на початкову ділянку для турбулентного і ламінарного (в'язкісно - гравітаційного) режимів. Для перехідного режиму недостатньо надійних залежностей для розрахунку, а поправок на початкову ділянку нами не знайдено. Про необхідність враховувати початкову ділянку стабілізації потоку зазначено в роботах закордонних авторів: Д. Нешумаєва, J. Yrjola. Для поправкового коефіцієнта записаного у вигляді

(2)

закордонні автори пропонують різні коефіцієнти с і m. Hausen запропонував коефіцієнти с = 1, m = 2/3, Grass с = 2,3, m = 1; Mills - с = 2,4, m= 0,68. J. Yrjola шляхом експериментальних досліджень котла на біомасі потужністю 50 кВт з L/d = 19,1 отримав коефіцієнти с = 5,7, m = 0,6. Дослідження проведені нами, показали, що найменші розходження між експериментальними даними по теплообміну в гладкому каналі газоводяного теплообмінника і розрахунковими виявились при використанні поправкового коефіцієнту, що запропонував Mills.

Здобувачем досліджено, проаналізовано та узагальнено ефективність тепловіддачі від газового середовища до стінки каналу в ламінарному та перехідному режимах для таких інтенсифікаторів (рис.4): дрота, скрученого дрота, стрічкової вставки, пластини, зігнутої пластини, вставки оригінальної конструкції з круглими отворами та прямокутними щілинами.

В дослідах температурний напір змінювався в межах 22,8…80 °С, витрата повітря 0,26…12 м3/год. Експериментальні дослідження проводились в недостатньо вивченому діапазоні Re=300-5600, характерному для роботи ВКМП.

Як показали результати досліджень найефективнішими в усьому діапазоні зміни параметрів є пластина, зігнута пластина та скручена стрічка. На графіках рис. 5, 6 критерії Re і Nu віднесені до діаметра труби без врахування загромадження її інтенсифікаторами.

За допомогою пакета програм прикладної статистики Statistica 7, методом Гаусса - Ньютона нами узагальнено результати експериментальних досліджень по ефективності зігнутої пластини (рис. 4, д) і запропоновано критеріальні рівняння:

- для ламінарного режиму з коефіцієнтом детермінації R=0,994, b/s=0,69…1,14

; (3)

- для перехідного режиму з коефіцієнтом детермінації R=0,986, b/s=0,69…1,14

. (4)

Рівняння (3), (4) рекомендуються для розрахунку теплообміну в круглих каналах теплообмінників, в тому числі і в жаротрубних водогрійних котлах. В рівняннях (3), (4) визначальним розміром є діаметр труби без врахування загромадження каналу пластиною, визначальною температурою - середня температура потоку, визначальна швидкість - середня швидкість потоку без врахування інтенсифікатора.

На рис.7 наведені результати експериментальних досліджень ефективності вставок оригінальної конструкції з круглими отворами і прямокутними щілинами.

Узагальнення результатів експериментальних досліджень наведені в таблиці 1.

Таблиця 1

Узагальнення результатів дослідження

№	Інтенсифікатор	Режим руху повітря
		Ламінарний (Re=300 - 2300 )	Перехідний (Re=2300-5500)
		Nui/Nuгл	ДРі/ ДРгл	Nui/Nuгл	ДРі/ ДРгл
1	Пластина	1,67 - 1,79	1,13 - 1,33	1,39 - 1,67	1,16 - 1,33
2	Скручена стрічка s/d=4,1	2,16 - 4,36	в 2 - 2,2	1,66 - 2,16	1,35 - 1,65
3	Зігнута пластина з b/s=0,67	2,24 - 3	1,62 - 6	2,24 - 2,27	1,29 - 1,62
4	Зігнута пластина з b/s=1,13	3,57 - 5,3	2,64 - 7,79	2,74 - 3,57	2,64 - 2,74
5	Вставка оригінальної конструкції з круглими отворами	1,12 - 1,685	2,77 - 7,8	1,685 - 1,37	2,77 - 4,57
6	Вставка з прямокутними щілинами	1,98 - 2,11	2,77 - 6,7	1,49 - 2,11	3,26 - 3,8

Вставки із прямокутними щілинами і круглими отворами по ефективності майже однакові. Їх застосування є більш доцільним в ВКМП на природному газі з вимушеною тягою. Як видно з таблиці 1, інтенсифікація конвективного теплообміну дає кращі результати в ламінарній області. В жаротрубних пучках котлів інтенсифікатори забезпечать додатковий теплозйом за рахунок випромінювання від нагрітих вставок.

Експериментальні дослідження інтенсифікованого теплообміну в жаротрубному водогрійному котлі було проведено на експериментальному стенді (рис. 2). Водогрійний котел потужністю 32 кВт складається з топки, блоку пальників, жаротрубного пучка, димоходу. Жаротрубний пучок набраний з 24 жаротрубних елементів внутрішнім діаметром 41 мм довжиною 410 мм.

Під час досліду без використання вставок заміряна температура газів на виході з котла становила 366°С, а розрахований на цю температуру коефіцієнт корисної дії (ККД) котла - 65,5%. Встановлення інтенсифікаторів оригінальної конструкції дозволило знизити температуру відхідних газів до 93°С, а ККД сягнув 94,2%. Відповідно потужність котла зросла з 24,6 кВт до 35 кВт. Тобто збільшення корисної потужності становить 42 % без збільшення габаритів котла і з незначним збільшенням маси котла. Основні результати експерименту та розрахунку котла наведені в таблиці 2.

Таблиця 2

Основні результати експерименту та розрахунку котла

Назва величини	Розмірність	Номер досліду
		1 (рис.3, а)	2 (рис.3, б)	3 (рис.3, в)	4 (рис.3, г)
			а	б		а	б
Експериментальна температура відхідних газів	°С	366	93	91	158	171	188
ККД котла	%	65,5	94,2	94,25	90,08	89,2	88,28
Експериментальна теплова потужність пальника	кВт	37,57	37,52	37,52	37,52	38	38
Теплова потужність котла	кВт	24,6	35,3	35,4	33,8	33,91	33,56
Коефіцієнт зайвини повітря в топці		2,41	1,54	1,56	1,55	1,56	1,53
Розрахункова температура димових газів на виході з топки	°С	722,7	832	830,5	830,8	831,3	833,6
Розрахункова потужність топки	кВт	11,1	16,9	16,7	16,8	16,9	17,2

Отримані експериментальні результати були співставлені з даними, що отримані в числовому експерименті з використанням розробленої математичної моделі. За результатами досліджень визначено, що розрахункова температура відхідних газів в першому досліді на 100°С вища за експериментальну. Тобто реальна інтенсивність теплообміну значно краща, ніж розрахована за відомими залежностями. В першому наближенні розрахунок топки проводився згідно Нормативного методу з спрощеннями запропонованими нами, а розрахунок конвективного пучка за відомими залежностями для ламінарного руху димових газів. Врахування поправкового коефіцієнту Міллса на вплив початкової ділянки стабілізації потоку привело до розходження між виміряною і експериментальною температурою відхідних газів до 5%.

Тому для якісного аналізу експериментальних результатів за допомогою Нормативного методу необхідно ввести поправку на теплообмін в жаротрубному елементі.

На підприємстві ЗАТ “Мотор-Січ” ДП “Лебединський моторобудівний завод” були проведені налагоджувальні випробування газогенераторного котла (рис.9) потужністю 40 кВт. В результаті експерименту вимірювались температури димових газів на виході з котла та екологічні показники котла. Нами проведений тепловий розрахунок котла. Топка котла виконана двокамерною із сталі та кераміки. Між камерою завантаження і камерою допалювання розташоване сопло для газифікації. Продукти згорання видаляються за допомогою витяжного вентилятора. Конвективна частина котла складається з 30 труб діаметром 58/51 мм і довжиною 0,57 м. Вологість деревини 45%, = 9,23 МДж/кг, навантаження котла 40 кВт. Температурний режим води 70/50 С. ККД котла знаходився в межах 82,5 - 84 %. Витрата палива знаходилась в межах 18,8 - 19,5 кг/год.

Розрахунок теплообміну в топці базується на рекомендаціях НМ з спрощеннями, які більш повно відображають конструктивні особливості газогенераторних ВКМП. Розрахункова температура на виході з топки складає 563 - 730,6 єС. Так, як котел новий, то коефіцієнт забруднення поверхні прийнятий ш=0,95.

Здобувачем порівняні експериментальні і розрахункові дані температури димових газів на виході з котла (рис.10). Розрахунок конвективного коефіцієнта тепловіддачі проводився за формулою Міхеєва для ламінарного режиму з врахуванням поправкового коефіцієнта (2).

Формула без поправки дає найбільші розходження між розрахунковими та експериментальними значеннями температури димових газів на виході з жаротрубного пучка (до 40 %). Для інженерних розрахунків таких котлів з достатньою точністю, на даному етапі досліджень, можна користуватись методикою розрахунку топки запропонованою нами, а для визначення критерія Нуссельта пропонується користуватись загальновідомою формулою Міхеєва для ламінарного режиму з поправкою на початкову ділянку запропонованою Міллсом.

У четвертому розділі наведено практичну реалізацію результатів досліджень. На основі систематизації існуючої інформації по котлах та опалювальних печах на твердому паливі потужністю до 100 кВт та розробленої математичної моделі спроектовані водогрійні котли малої потужності, що можуть працювати на традиційних та альтернативних паливах, та їх комбінаціях. Це дозволяє досягти високої надійності, енергетичної і екологічної ефективності виробництва теплової енергії. До розгляду були прийняті конструкції котлів, що дозволяють спалювати деревину, природний газ та біогаз. ККД зазначених котлів знаходиться на рівні 88,5…92,8 % в залежності від конструкції котла і типу палива.

Для оцінювання техногенного навантаження протягом життєвого циклу котла використаний програмний продукт SimaPro 7.1, в основі якого покладена методологія LCA (life cycle assessment). Для проведення оцінки котла розроблена система формування початкових даних, показана на рис. 11.

На основі детальних теплотехнічних розрахунків спроектованого котла із використанням відповідних математичних моделей і баз даних з досвіду експлуатації і проектування такого обладнання визначаються основні показники котла: масогабаритні та енергетичні. Проміжними даними в системі оцінювання є формування даних по кількості необхідних транспортних перевезень матеріалів, деталей, вузлів котла та умов виготовлення котла (технологічна проробка). В умовах сучасного виробництва ВКМП транспортні витрати та рівень технологічної проробки максимально оптимізовані і відрізняються для різних виробників, на нашу думку, незначно. Попередні оцінки показали, що складові перевезень та рівня проробки в загальному техногенному навантаженні займають до 5%. Тому на даному етапі досліджень ці складові не враховані.

Розроблена система оцінки використана для порівняльного аналізу життєвого циклу жаротрубних теплогенераторів при роботі на природному газі, вугіллі, деревині та теплогенератора з газифікацією деревини. Виявлено, що найбільший вплив на людське здоров'я, якість екосистеми, та вичерпання ресурсів має етап експлуатації теплогенератора, а саме спалювання палива.

Позначення до рисунку 11: 1 - тривалість життєвого циклу котла, років; 2 - види матеріалів для виготовлення ВКМП і їх маси, кг; 3 - вид транспорту та об'єми необхідних транспортних перевезень матеріалів, деталей, вузлів, елементів ВКМП, тонно-кілометри; 4 - витрати теплової та електричної енергії для монтажу системи, МДж; 5 - витрата електроенергії, виробленої ззовні, під час етапу експлуатації котла, МДж; 6 - види та маса матеріалів, що можуть бути повторно використані, кг; 7 - кількість виробленої теплової протягом терміну експлуатації, МДж.

Для жаротрубних ВКМП з інтенсифікованим теплообміном запропоновані критерії оцінки. На нашу думку, основними показниками жаротрубного пучка, які враховують його габарити, масу та аеродинамічний опір є: питомі габарити - , ; питома маса - ,; питомий опір - , .

На основі вищенаведених показників, при умові рівності теплової потужності, запропоновані такі безрозмірні критерії. Критерій для задачі зменшення масогабаритних характеристик при сталій витраті палива і потужності має вигляд

, (6)

де V - об'єм жаротрубного пучка, м3; Qк - теплова потужність котла, кВт; Р - втрати тиску в котлі, Па; індекси - і - пучок з інтенсифікаторами; 0 - без інтенсифікаторів.

Для задачі економії палива (при сталій потужності і геометричних розмірах котла порівнюється витрата палива в котлі з інтенсифікацією теплообміну і в котлі з гладкотрубною поверхнею) критерій ефективності інтенсифікатора теплообміну може бути записаний у вигляді

, (7)

де Вр - витрата палива на котел, кг/с, м3/с; М - маса жаротрубного пучка, кг; Р - втрати тиску в пучку, Па;

На основі методології LCA та запропонованих нами критеріїв ефективності інтенсифікованого теплообміну в котлах (6), (7) отримані показники степеню в критеріях і проведено числові експерименти. Розрахунки проведені для котлів потужністю 32 кВт на природному газі та на деревині. В якості інтенсифікаторів теплообміну використана пластина, скручена стрічка, та циліндрична вставка.

Критерієм ефективності інтенсифікатора теплообміну обрано частку зменшення екологічного впливу протягом життєвого циклу теплообмінника завдяки використанню інтенсифікаторів теплообміну. Критерій пропонується визначити з використанням методології LCA

, (8)

де Кі , К0 - екологічні показники оцінки життєвого циклу у відносних одиницях Pt, що застосовуються у програмі SimaPro7.1. Серед ряду методів інтенсифікації найкращим буде метод з найменшим значенням критерію. Тобто . Це є необхідною і достатньою умовою ефективності інтенсифікатора.

Задача економії палива. В результаті проведення 59 числових експериментів виявлено, що основні параметри змінюються в таких межах:

- для спалювання природного газу - Кi / К0 = 0,586…0,926; Bp.i / Bp.0 = = 0,59…0,91; Mi / M0 = 1,2…1,45 ; Pi / P0 = 0,52…5;

- для спалювання деревини Кi / К0 = 0,82…0,96; Bp.i / Bp.0 = 0,82…0,958; Mi / M0 = = 1,17…1,44 ; Pi / P0 = 0,68…2,98.

Таким чином, за умов використання будь-якого з розрахованих інтенсифікаторів негативний вплив на навколишнє середовище зменшується. Найменша величина Кi / К0 досягається при використанні зігнутої пластини.

Як показали результати досліджень найбільший вплив на показники життєвого циклу має процес спалювання палива, а споживання електроенергії і виготовлення котла менший.

За допомогою пакета програм статистичної обробки Statistica 7.0 методом Гауса-Ньютона для котла на газовому паливі отримані такі показники степеню в формулі 7: n=0,998, m= 6,7Ч10-4, c=0,5Ч10-2. Для котла, що працює на деревині: n=1, m= 8,1Ч10-4, c=2,5Ч10-3.

Котли для твердого палива завжди масивніші, габаритніші, для їх виробництва використовуються додаткові матеріали, наприклад, кераміка. Окрім аеродинамічного опору інтенсифікатора, в розрахунках котлів на деревині враховується опір шару палива, тому споживання електричної енергії (робота вентилятора чи димососа) в таких котлах значно більше, ніж в котлах на газовому паливі і цей параметр має більший вплив.

Для задачі зменшення маси та габаритів жаротрубного пучка проведено 172 числових дослідження. Для випадку використання низьколегованої сталі і вентилятора отримано, що основні показники пучка знаходяться в такому діапазоні значень Кi / К0 =0,31…1,11; Vi/V0=0,25…0,52; Mi/M0=0,33…0,6; EEi/EE0=1,0…2,36 (EE електроенергія затрачена на зварювання пучка і роботу вентилятора на прокачування димових газів) .

Результати розрахунків показали, що величина впливу габаритних показників на величину K незначна, тому регресійний аналіз проведений без врахування цього параметру. З коефіцієнтом детермінації R = 0,814 отримана залежність

. (9)

Аналогічні числові експерименти проведені для варіанту котла з вуглецевої сталі, частково виготовленої з металобрухту. Отримано таку залежність з коефіцієнтом детермінації R = 0,84

. (10)

Як видно із отриманих результатів, параметрами, що мають найбільший вплив на протязі життєвого циклу теплообмінника є економія палива і металоємність.

Таким чином інтенсифікація теплообміну повинна розглядатись не лише як ефективний метод покращення теплотехнічних показників котла, але як спосіб зменшення екологічних наслідків від використання енергетичних та інших ресурсів протягом життєвого циклу.

Спостереження за роботою газогенераторного котла показали, що при спалюванні деревини, в котлі можуть відкладатись смоли (в димовій трубі, в теплообміннику). На основі обробки літературної інформації, виявлено, що в діапазоні концентрації смоли в димових газах від 1000 до 10000 мг/ нм3, конденсація буде відбуватись при температурі 100…135 єС. Виходячи з цього нами виділені діапазони надійної роботи газогенераторного водогрійного котла потужністю 32 кВт (рис. 9) при роботі його на деревині. Дослідження показали, що рекомендованими потужностями роботи котла є 75…100 % від номінальної. При менших навантаженнях 25…50% можливе відкладання смол в газоходах котла.

На основі результатів досліджень запропоновано програмне забезпечення в середовищі Delphi7, що дозволяє проводити тепловий розрахунок водогрійних котлів малої потужності на традиційних та альтернативних енергоносіях.

Розроблено рекомендації по проектуванню ВКМП малої потужності на традиційних та альтернативних енергоносіях.

ВИСНОВКИ

Результати, отримані у даній роботі, дозволяють вирішувати важливі задачі створення енергетично та екологічно ефективних водогрійних котлів малої потужності на традиційних та альтернативних паливах, що полягають в розробці методів розрахунку теплогідродинамічних процесів в елементах котлів та методів оцінки їх ефективності з врахуванням життєвого циклу.

За результатами досліджень, здійснених за темою дисертаційної роботи, одержані наступні наукові та практичні результати і висновки.

Існуючі методики теплових розрахунків котлоагрегатів і оцінки їх ефективності недостатньо відповідають особливостям сталевих водогрійних котлів малої потужності на традиційних та альтернативних паливах, що вимагає розробки теплогідродинамічних процесів в елементах таких котлів та методів оцінки ефективності з врахуванням їх життєвого циклу. Недостатність інформації для розрахунків інтенсифікованого теплообміну в жаротрубних елементах обумовлює необхідність проведення відповідних досліджень.

На основі систематизації інформації по водогрійних котлах малої потужності та аналізу існуючих методів теплового розрахунку котлоагрегатів вперше запропоновано математичну модель ВКМП для спалювання традиційних та альтернативних палив, яка дозволяє врахувати особливості і взаємозв'язок теплообміну і аеродинаміки, наявність інтенсифікаторів теплообміну в жаротрубному пучку, режими конденсації смол.

Експериментально визначені коефіцієнти конвективної тепловіддачі та гідравлічні опори для таких конструкцій інтенсифікаторів теплообміну в жаротрубних елементах як пряма, скручена та зігнута пластина, вставки оригінальної конструкції та ін. Результати отримані в маловивченому в літературі діапазоні чисел Рейнольдса Re=300…5500, що відповідає умовам роботи жаротрубних водогрійних котлів малої потужності. В результаті експериментів і числових досліджень встановлено:

експериментальні коефіцієнти тепловіддачі в круглому каналі без інтенсифікації та із вставкою скрученої пластини мають розбіжність в порівнянні із розрахунковими за відомими формулами не більше 20 %, що підтверджує адекватність установки, методик проведення дослідів та обробки результатів;

найефективнішими інтенсифікаторами тепловіддачі в круглому каналі є пряма, скручена і зігнута пластина та вставки оригінальної конструкції, при їх встановленні інтенсивність конвективної тепловіддачі і гідравлічний опір зростають відповідно в 1,3…4,3 рази та 1,13…7,8 разів в порівнянні з каналом без інтенсифікації;

для розрахунку інтенсивності тепловіддачі за умов встановлення інтенсифікаторів в круглий канал запропоновані емпіричні залежності зручні для практичного використання.

Для перевірки адекватності математичної моделі ВКМП проведене порівняння експериментальних результатів отриманих при роботі котла на газовому паливі потужністю 32 кВт і газогенераторного водогрійного котла (40 кВт) малої потужності на відходах деревини із розрахованими за розробленою моделлю. Виявлено, що розбіжність між експериментальними та розрахованими значеннями температур відхідних газів для котла на газовому паливі складають до 5%, для котла на деревині до 20 %. Це підтверджує правомірність закладених в математичну модель теплового розрахунку ВКМП спрощень та доповнень.

Для перевірки ефективності встановлення інтенсифікаторів оригінальної конструкції проведені експериментальні дослідження на ВКМП на природному газі. Виявлено, що за рахунок встановлення інтенсифікатора температура відхідних газів зменшилась на 275 єС в порівнянні із дослідом без інтенсифікації, при цьому ККД і потужність котла зросли на 44%. Концентрація NOx в газах при цьому залишалась в межах норми, а концентрація СО - зросла в 5…6 разів, що пов'язано із збільшенням аеродинамічного опору котла і відповідним зменшенням коефіцієнта надлишку повітря.

На основі експериментальних та числових досліджень показано, що застосування Нормативного методу теплового розрахунку котлоагрегатів для розрахунків жаротрубних водогрійних котлів малої потужності (до 100 кВт) правомірне лише з врахуванням особливостей конструкцій топок таких котлів, режимів течії газів і початкової ділянки стабілізації потоку в жаротрубному пучку.

На основі методології життєвого циклу (LCA) розроблена система оцінки ефективності водогрійних котлів малої потужності на традиційних та альтернативних паливах. Така система дозволяє комплексно враховувати енергетичні, екологічні та масогабаритні показники котлів.

Для визначення ефективності використання інтенсифікаторів тепловіддачі в жаротрубних каналах розроблені критерії, що враховують такі фактори як витрата палива, аеродинамічний опір, габарити та металоємність. Співставлення критеріїв із результатами, розрахованими з використанням системи оцінки життєвого циклу, дозволило отримати коефіцієнти впливу вищенаведених факторів на ефективність інтенсифікації тепловіддачі для котлів, що працюють на традиційних та альтернативних паливах.

За результатами проведених числових та експериментальних досліджень показано, що зменшення металоємності для жаротрубного пучка із встановленою прямою та скрученою стрічкою складає 19,9% в порівнянні з котлом без інтенсифікації, а для котла із зігнутою пластиною цей показник складає 10,5%. Показано, що інтенсифікація теплообміну може розглядатись не тільки як ефективний спосіб підвищення енергетичних показників котла, а й дієвий спосіб ресурсозбереження (металу).

Виявлено, що температура точки роси смоли в газогенераторному котлі на деревині знаходиться в діапазоні 100…135 С в діапазоні концентрації смоли в димових газах від 1000 до 10000 мг/ нм3. Виходячи з цього встановлені режими роботи котла потужністю 32 кВт, при яких не відбувається відкладення смол.

На базі отриманих наукових результатів розроблені рекомендації по проектуванню енерго- та екологоефективних котлів малої потужності на традиційних та альтернативних паливах.

ПУБЛІКАЦІЯ ОСНОВНИХ ПОЛОЖЕНЬ ДИСЕРТАЦІЇ

Степанов Д. В. Залежності для теплових розрахунків в жаротрубних пучків котлів малої потужності / Д. В. Степанов, С. Й. Ткаченко, Л. А. Боднар, Т. Ю. Загаєцька // Вісник Вінницького політехнічного інституту. - 2006. _ № 2. - С. 31 - 40.

Степанов Д. В. Математичне моделювання теплообмінних процесів у жаротрубному елементі водогрійного котла малої потужності / Д. В. Степанов, С. Й. Ткаченко, Л. А. Боднар // Вісник Вінницького політехнічного інституту. - 2007. - № 2. - С. 76 - 79.

Степанов Д. В. Експериментальні дослідження теплообміну в жаротрубному водогрійному котлі / Д. В. Степанов, С. Й. Ткаченко, Л. А. Боднар // Вісник Вінницького політехнічного інституту. - 2008. - № 1. - С. 43 - 46.

Степанов Д. В. Експериментальні дослідження інтенсифікованого теплообміну в жаротрубному водогрійному котлі / Д. В. Степанов, С. Й. Ткаченко, Л. А. Боднар // Вісник Вінницького політехнічного інституту. - 2008. - № 2. - С. 44 - 47.

Степанов Д. В. Тенденції розвитку теплогенерувального обладнання на твердому паливі / Д. В. Степанов, С. Й. Ткаченко, Л. А. Боднар // Вісник Вінницького політехнічного інституту. - 2008. - № 3. - С. .46 - 49.

Степанов Д. В. Методи оцінки екологічної ефективності водогрійних котлів малої потужності з врахуванням життєвого циклу / Д. В. Степанов, С. Й. Ткаченко, Л. А. Боднар // Вісник Хмельницького національного університету. - том . - 2008. - № 6. - С. 80 - 84.

Боднар Л. А. Застосування методології оцінки впливу життєвого циклу виробу до котла малої потужності / Л. А. Боднар, Д. В. Степанов // Вісник Хмельницького національного університету. - 2009. - № 1. - С.118 - 121.

Степанов Д. В. Критерії оцінки ефективності жаротрубного пучка з інтенсифікацією теплообміну для котла малої потужності / Д. В. Степанов, Л. А. Боднар // Наукові праці Вінницького національного технічного університету. - 2008. - № 4. - Режим доступу до журн.: http://www.nbuv.gov.ua/e - journals/VNTU/2008 - 4/2008 - 4.files/uk/08dvswlc - uk.pdf.

Боднар Л. А. Експериментальні дослідження теплообміну в круглому каналі / Л. А. Боднар // Вісник Вінницького політехнічного інституту. - 2009. - №3. - С. 17 - 21.

Боднар Л. А. Ефективні методи інтенсифікації теплообміну в круглих каналах / Л. А. Боднар, Д. В. Степанов // Вісник Хмельницького національного університету. - 2009. - № 3 - С. 73 - 78.

Пат. 19637 України, МПК7 F28F1/00. Вставка для теплообмінної труби / Ткаченко С. Й., Степанов Д. В., Боднар Л. А. заявник та патентовласник Вінницький нац. техн. університет. - № 200607988; - заявл. 17.07.06.; опубл.15.12.06.; Бюл. № 12.

Пат. 21404 України, МПК7 F28F1/10. Вставка для теплообмінної труби / Ткаченко С.Й., Степанов Д.В., Боднар Л.А.; заявник та патентовласник Вінницький нац. техн. університет. - № 200610176; заявл. 25.09.06.; опубл.15.03.2007, Бюл. №3.

Пат. 32334 України, МПК7 F22B33/00, C10J3/00. Енерготехнологічна установка з газогенератором / Ткаченко С. Й., Степанов Д. В., Боднар Л. А., Пішеніна Н. В.; заявник та патентовласник Вінницький нац. техн. університет. - № 200800387; заявл. 11.01.2008.; опубл.12.05.2008, Бюл. № 9.

АНОТАЦІЯ

Боднар Л. А. Енергетична та екологічна ефективність водогрійних котлів малої потужності. - Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.14.06 - технічна теплофізика та промислова теплоенергетика. - Національний університет харчових технологій, м. Київ - 2010.

Дисертація присвячена розробці методів та засобів ресурсо- та енергозбереження в котлах малої потужності на традиційних та альтернативних паливах.

Проведені комплексні експериментальні дослідження інтенсифікації теплообміну в круглому каналі газоводяного теплообмінника та у водогрійному котлі потужністю 32 кВт. Запропоновано критеріальні рівняння для розрахунку інтенсифікованого теплообміну. Розроблена в роботі математична модель ВКМП дозволяє враховувати особливості і взаємозв'язок теплообміну і аеродинаміки, наявність інтенсифікаторів теплообміну в жаротрубному пучку, режими конденсації смол. Наведені в роботі результати дозволяють оцінювати підвищення теплотехнічних показників котла за рахунок інтенсифікації теплообміну. Розроблена на основі методології життєвого циклу система оцінки ВКМП дозволяє комплексно враховувати енергетичні, екологічні та масогабаритні показники котлів.

Ключові слова: водогрійний котел, жаротрубний пучок, інтенсифікація теплообміну, критеріальні рівняння, енергетична ефективність, екологічна ефективність, життєвий цикл, тверде паливо, природний газ.

АННОТАЦИЯ

Боднар Л. А. Энергетическая и экологическая эффективность водогрейных котлов малой мощности. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.14.06 - техническая теплофизика и промышленная теплоенергетика. Национальный университет пищевых технологий, г. Киев - 2010.

Проанализированы современные методы оценки экологической эффективности водогрейных котлов малой мощности и показано, что существующие методы оценки эффективности котлов малой мощности построены на технико - економических показателях и ограничениях по вредным выбросам во время работы котлов.

В диссертации проведены комплексные экспериментальные исследования интенсификации теплообмена в круглом канале газоводяного теплообменника и в водогрейном котле мощностью 32 кВт. Предложены оригинальные способы интенсификации теплообмена, а также критериальные уравнения для расчета интенсифицированного теплообмена.

Экспериментальные исследования в водогрейном котле показали, что рассчетные значения коэффициентов теплоотдачи значительно ниже экспериментальных. Анализ работ зарубежных авторов показал аналогичные результаты. Это свидетельствует о том, что известные зависимости для расчета коэффициентов теплоотдачи не учитывают особенности теплообмена в ВКМП.

На основании систематизации информации по водогрейным котлам малой мощности и анализа существующих методов теплового расчета котлов впервые предложено математическую модель ВКМП для сжигания традиционных и альтернативных топлив, которая позволяет учитывать особеннности и взаимосвязь теплообмена и аэродинамики, наличие интенсификаторов теплообмена в жаротрубном пучке, режимы конденсации смол.

Показано, что интенсификация теплообмена может рассматриваться не только как эффективный метод улучшения теплотехнических показателей котла, но и как способ уменьшения экологических последствий от использования энергетических и других ресурсов на протяжении жизненного цикла ВКМП.

Ключевые слова: водогрейный котел, дымогарный пучок, интенсификация теплообмена, критериальные уравнения, энергетическая эффективность, экологическая эффективность, жизненный цыкл, твердое топливо, природный газ.

...