Исследование процессов тепло-и массообмена в поверхностных теплообменниках при глубоком охлаждении влажных продуктов сгорания

Размещено на http://www.allbest.ru/

Исследование процессов тепло-и массообмена в поверхностных теплообменниках при глубоком охлаждении влажных продуктов сгорания

д.т.н. А.П. Баскаков,

д.т.н. В.А. Мунц.,

к.т.н. Н.Ф. Филипповский,

Р.Н. Галимулин, аспирант,

И.С. Пальчиков, аспирант,

Уральский Государственный Технический университет - УПИ, кафедра ПТЭ

Увеличение стоимости газообразного топлива и лимитирование газоснабжающими организациями объемов его потребления делает выгодным более глубокое охлаждение продуктов сгорания в отопительных и энергетических котлах. Конденсация водяных паров, содержащихся в уходящих газах, на охлаждающих поверхностях интенсифицирует теплообмен, увеличивает теплосъем с поверхностей нагрева и при определенных параметрах охлаждающей среды позволяет осушить продукты сгорания, исключив выпадение росы на внутренних поверхностях газоходов и дымовой трубы.

В настоящее время газы выбрасываются из котлов с температурой 120 - 200 ^ОС (в некоторых случаях и выше), что приводит к повышенным ненормативным расходам топлива на выработку тепловой энергии. Между тем, при сжигании природного газа экономически целесообразно и технически возможно снижение температуры уходящих газов до 50 - 90 ^ОС в зависимости от конкретных условий.

Охладитель дымовых газов из стальных трубок с алюминиевым оребрением

Для снижения температуры уходящих газов за паровым котлом ШБ-А7 в котельной УГТУ-УПИ, использующей в качестве топлива природный газ, был установлен ребристый теплообменник, с габаритными размерами 1857x1575x180 мм.

Его поверхность теплообмена (с учетом ребер) составляет 91,8 м².

Охладитель установлен в специально смонтированном обводном горизонтальном газоходе между воздухоподогревателем и дымососом. Для регулирования расхода уходящих газов через охладитель за последним установлен шибер. Максимальное количество газов, проходящих через охладитель, составляло 40% от общего количества уходящих из котла газов. Для отвода конденсата из газохода в его нижней части, за охладителем, врезан слив.

Целью проведения исследований было определение теплотехнических показателей охладителя при различных нагрузках котла, а также отработка практических аспектов глубокого охлаждения продуктов сгорания, прежде всего - предотвращение коррозии и забивания элементов охладителя при длительной эксплуатации.

Во время экспериментов производились замеры следующих параметров: температуры уходящих газов на входе и выходе из охладителя и перед дымососом (после смешения), расход воды через охладитель, температуры воды на входе и выходе из охладителя, количество водяных паров, сконденсировавшихся из уходящих газов (рис. 1).

На рис. 2 представлена полученная экспериментально зависимость коэффициента теплопередачи (отнесенного на оребренную поверхность) от температуры стенки охладителя и скорости дымовых газов (нагрузки котла).

Для сравнения, при испытаниях аналогичного теплообменного аппарата [1] при средней скорости газов 1,83 м/с и средней температуре стенки ~11 ОС коэффициент теплопередачи составил 48,9 Вт/м² К при значительно большей скорости воды в трубках (в три раза), что сопоставимо с результатами наших исследований.

Результаты осмотра охладителя

После остановки котла 12.05.1999 г. на ремонт визуальный осмотр ребер и внутренних поверхностей (после вскрытия) распределительно-сборных коллекторов и трубок охладителя выявил следующее:

Как на входе газов в охладитель, так и на выходе газов из охладителя алюминий покрылся белым твердым налетом. Центральная часть труб (площадью около 0,25 м²) на входе выглядела как новая. Вероятно, это связано с завихрениями газового потока перед охладителем.

В местах стыка алюминия со стальными трубками следов подтеков и течей не наблюдалось.

На входе горячих газов в охладитель в первом и втором (по ходу газов) рядах труб наблюдались незначительные следы подтеков воды в местах сварки стальных труб с трубной доской. Места подтеков находились в нижней части охладителя (1ч8 ряд трубок), куда подавалась холодная вода.

Внутренняя поверхность распределительно-сборных коллекторов и труб была покрыта железо-окисными отложениями. Сплошные отложения внешне бугристые (1ч5 мм), прочносцепленные с поверхностью металла; нижний слой черный, верхний - коричневый. В составе таких отложений содержание окислов железа обычно достигает 80 ч 90 %.

Химические параметры водопроводной (недеаэрированной) воды, используемой в качестве теплоносителя в охладителе, следующие: общая жесткость Ж_О= 1500 мкг-экв/л; общая щелочность Щ_О =1,0 мг-экв/л; содержание хлоридов СГ = 11 ч12 мг-экв/л.

Для предотвращения быстрого забивания охладителя возможны следующие варианты:

Использование теплопередающих трубок из нержавеющей стали, латуни, меди либо титана.

Применение трубок большего диаметра(хотя бы 0 16 мм вместо использованной нами в теплообменнике первого поколения 12x1,5 мм).

Использование воды лучшего качества, например сетевой.

Капитальные затраты на реализацию проекта на декабрь 1998 г. составили 70 тыс. руб. Установка теплообменника окупается за 4 мес. эксплуатации за счет получения дополнительной тепловой энергии на нужды отопления.

Теплофикационный экономайзер

В 2000 г. вместо описанного был установлен и успешно работает до настоящего времени теплофикационный экономайзер второго поколения. В теплообменнике подогревается обратная сетевая вода. Внутренней коррозии не наблюдалось, так как сетевая вода деаэрируется и обрабатывается антинакипином СК-110. Поскольку температура воды превышает температуру точки росы в продуктах сгорания (55 ^ОС), конденсации водяных паров из продуктов горения не происходило.

Охладитель из нержавеющей стали с алюминиевым оребрением на трубках охладитель дымовой экономайзер массообмен

В настоящее время спроектирован и готовится к монтажу охладитель третьего поколения - с алюминиевым оребрением на трубках из нержавеющей стали. Такой выбор материалов позволяет охлаждать дымовые газы «сырой» водопроводной водой с температурой значительно ниже температуры точки росы (5-15 ^ОС) без опасения коррозии внутренних поверхностей нагрева. Конденсат собирается в нижней части газохода в специальный карман и после декарбонизации и деаэрации используется в качестве питательной воды для котлов. Разработанная нами специальная схема включения теплообменника позволяет охладить уходящие газы до 70 ^ОС, одновременно осушая их (температура точки росы снижается до 30 ^ОС).

Установка такого теплообменника позволяет повысить КПД котла до 106 % (по низшей теплоте сгорания) и окупается по расчету за 2 мес. эксплуатации за счет выработки дополнительного тепла.

Эксперимент по тепло- и массообмену

Параллельно с экспериментами с охладителем исследовался теплообмен между продуктами сгорания природного газа на выходе из котла ШБ-А7 и поперечно обтекаемой водоохлаждаемой трубкой.

Целью исследования было нахождение зависимости коэффициента теплоотдачи от глубины переохлаждения стенки трубки ниже температуры точки росы и сравнение расчетных данных с экспериментом. Поскольку разность концентраций водяных паров в объеме и у стенки трубки невелика и теплофизические параметры газа меняются по толщине пограничного слоя несущественно, для оценки интенсивности массообмена допустимо использование аналогии процессов с тепло- и массообмена [2]. Приведенный (с учетом теплоты конденсации водяных паров) коэффициент теплоотдачи увеличивается с уменьшением температуры стенки по мере увеличения количества конденсирующегося на ней пара. При постоянной температуре стенки и концентрации водяных паров в дымовых газах доля конденсационной составляющей в приведенном коэффициенте теплоотдачи не зависит ни от скорости газов, ни от диаметра трубки.

Среднеквадратичная ошибка эксперимента составила ± 8,25% (рис. 3).

Выводы

1. Коэффициент теплоотдачи от влажных продуктов сгорания природного газа к охлаждающей стенке трубы существенно увеличивается по мере снижения температуры стенки до 30 ^ОС.

Использование аналогии процессов тепло- и массообмена для расчета суммарного теплового потока дает достаточно надежные результаты, совпадающие с данными экспериментов.

Применение ребристых биметаллических экономайзеров, включаемых в поток по разработанной нами схеме, позволяет эффективно снизить температуру уходящих газов до 70 ^ОС и ниже с конденсацией большей части содержащихся в продуктах сгорания водяных паров.

Литература

Кудинов А.А., Антонов В.А., Алексеев Ю.М. Анализ эффективности применения конденсационного теплоутилизатора за паровым котлом ДЕ-10- 14ГМ // Промышленная энергетика. 1987, № 8. С. 47 - 49.

Тепло- и массообмен. Теплотехнический эксперимент: Справочник/ Под общ. ред. В.А. Григорьева и В.М. Зорина. - М.: Энергоиздат, 1982. 512 с.

Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача. М.: Энергоиздат, 1981.

Размещено на Allbest.ru