Водогрійні конденсаційні теплоутилізатори із застосуванням нанокомпозиційних матеріалів для газоспоживальних опалювальних котлів

В умовах дефіциту в Україні власних енергоресурсів, зокрема природного газу, актуальним є подальший розвиток енергоощадних технологій для котельних установок у комунальній теплоенергетиці (Do- linsky, et al., 2014; Zimin, et al., 2008; Fialko, et al., 2000, 2003). Підвищення ефективності використання палива в цих установках зазвичай реалізується шляхом утилізації теплоти відхідних газів. Широке впровадження в котельнях теплоутилізаційних технологій із глибоким охолодженням цих газів і використанням теплоти пароутворення стримується низкою проблем, пов'язаних здебільшого з недостатньою ефективністю устаткування систем теплоутилізації, його значними габаритами та вартістю, а також з необхідністю захисту газовідвідних трактів та стокових комунікацій цих котелень від корозійного руйнування, спричиненого утворюваним під час глибокого охолодження газів кислим конденсатом (Fialko, et al., 2014).

Використання в теплоутилізаційних технологіях нових прогресивних матеріалів на основі полімерних мік- ро- і нанокомпозитів (Kim, et al., 2016; Dinzhos, et al., 2014; Dolinskiy, et al., 2015a, 2015b), що характеризуються низкою унікальних властивостей у плані теплової ефективності, міцності та корозійної стійкості, дасть змогу значною мірою вирішити зазначені проблеми.

Мета дослідження полягає у теплофізичному обґрунтуванні використання полімерних мікро- і нано- композиційних матеріалів для виготовлення теплообмінних поверхонь водогрійного теплоутилізаційного устаткування котельних установок комунальної теплоенергетики.

Матеріал і методи дослідження. Дослідження виконували при використанні для котельних установок теплоутилізаційних технологій із глибоким охолодженням відхідних газів. Схему котельної установки, оснащеної відповідною системою теплоутилізації з використанням водогрійного устаткування, наведено на рис. 1. Димові гази від котла надходять у водогрійний теплоутилізатор 2, де охолоджуються при нагріванні зворотної тепломережної води системи теплопостачання. Температура 4в цієї води згідно з тепломереж- ним графіком зазвичай змінюється в межах 30-70 °С, що відповідає режиму роботи котла в інтервалі температур 4с навколишнього середовища -20 - +8 °С.

Рис. 1. Принципова схема котельної установки з водогрійним теплоутилізатором: 1) котел; 2) теплоутилізатор; 3) газопідігрі- вач; 4) димова труба; 5) димосос; 6) збірник конденсату

Зі зменшенням температури 4в < 50 °С відбувається охолодження димових газів нижче від точки роси водяної пари, що міститься в газах, і конденсація частини цієї пари на теплообмінних поверхнях теплоутилізатора, тобто реалізується конденсаційний режим його роботи. Утворений конденсат для газового палива зазвичай має водневий показник рН в межах 5-6. З огляду на це, наведена теплоутилізаційна система для відвернення конденсатоутворення у газовідвідному тракті оснащується газопідігрівачем 3, в якому відбувається підсушування охолоджених в теплоутилізаторі димових газів шляхом їх підігрівання. Необхідний рівень цього підігрівання визначається умовами охолодження газів у відвідних каналах та димовій трубі 4. Утворений конденсат надходить до збірника 6, а далі - систему відведення конденсату, яка може оснащатись нейтралізатором.

Перспективність використання полімерних мікро- і нанокомпозитів для виготовлення елементів теплоути- лізаційних установок, що працюють в умовах впливу агресивного конденсату, пов'язана з підвищеною корозійною стійкістю цих композитів. Окрім цього, останні, маючи близькі теплопровідні властивості з традиційними аналогами - корозійностійкими сталями, можуть мати переваги над цими аналогами і за масогабаритними, ціновими показниками тощо.

У роботі виконано порівняльний аналіз основних характеристик водогрійних теплоутилізаторів із полімерних мікро- і нанокомпозитів та традиційних матеріалів. Характеристики теплообмінних поверхонь з полімерних мікро- і нанокомпозитів порівнювали з відповідними показниками для поверхонь, що зазвичай застосовують у таких ситуаціях. Ці зіставлення проводили за умови однакових теплогідравлічних режимів роботи теплообмінних апаратів, тобто за тих самих теплопродуктивностей, діапазонів робочих температур і тисків, витрат теплоносіїв тощо. При цьому порівняльний аналіз виконували в діапазоні зміни від 30 до 100 % навантаження котла згідно з температурою навколишнього середовища 4с за тепломережним графіком з температурним перепадом 70-95 °С. Теплопродуктивність котла, температура його відхідних газів та ККД, коефіцієнт надлишку повітря в номінальному режимі становили 2 МВт, 160 °С, 92 % та 1,1 відповідно. До того ж враховували, що за регламентом зі зменшенням навантаження котла до 50 % відбувається його переведення в номінальний режим роботи з подальшим зниженням навантаження згідно з підвищенням температури 4с. За цих умов у котельні відповідно зменшується кількість котлів, що працюють.

Основними показниками для порівняння ефективності теплообмінних поверхонь слугували: питома теплопродуктивність Q* (теплопродуктивність на одиницю маси вказаної поверхні) та відносний об'єм V* (об'єм поверхні на одиницю утилізованої теплоподуктивнос- ті). Ця теплопродуктивність Q характеризує теплову ефективність водонагрівача, а відносний об'єм V* є важливим показником компактності теплоутилізаційно- го устаткування. Значення показника V* набуває особливого значення за умови обмежених площ котелень і має враховуватися під час проектування систем тепло- утилізації.

Стосовно конструкційних характеристик теплообмінних поверхонь, то для водогрійних теплоутилізато- рів як традиційні поверхні розглядали пучки гладких і плоскоовальних оребрених труб із нержавіючої сталі, а також пучки оребрених біметалевих труб (зі сталевою основою з вуглецевої сталі та алюмінієвим оребрен- ням). У разі застосування полімерних композитів при розгляді використовували гладкотрубні пучки.

Для вказаних пучків внутрішній діаметр труб приймали 25 мм, товщину стінок труб сталевих та з полімерних композитів - 3,5 мм. Висота оребрення із алюмінію становила 11 мм, а міжреберний крок -

3,5 мм. Геометричні параметри плоскоовальних труб приймали згідно з даними (Р^теппу, 2007).

Композит, необхідний для водогрійного теплоутилі- затора, вибирали, по-перше, зважаючи на те, що максимальна температура експлуатації робочої поверхні не має перевищувати значення найбільшої температури стінки теплообмінної поверхні, і, по-друге, коефіцієнт теплопровідності цих матеріалів повинен визначатися згідно з вимогами щодо необхідних значень теплопровідності таких поверхонь.

Щодо застосовуваних полімерних композитів, то їхні коефіцієнти теплопровідності змінювались під час розрахунків у діапазоні 0,2-30 Вт/(мК). Перше з вказаних значень відповідає коефіцієнту теплопровідності ненаповненої полімерної матриці, друге - нержавіючої сталі.

Результати дослідження. Характерні результати виконаних досліджень наведено на рис. 2, що ілюструє залежність питомої теплопродуктивності та відносного об'єму водогрійних теплоутилізаторів від режиму роботи котла впродовж періоду опалення відповідно до температур навколишнього середовища -20 - +10°С.

Як видно з рис. 2, а, характер залежності Q* = /^нс) має спільні особливості для всіх розглянутих типів водогрійних теплоутилізаторів. А саме, з підвищенням інс від -20 до -5 °С величина Q* зменшується, що зумовлено зниженням навантаження котла до 50 %. За інс ~ - 5 °С різко зростає питома теплопродуктивність тепло- утилізаторів завдяки переводу котла в номінальний режим роботи і відповідному зростанню витрати і температури димових газів на вході в теплоутилізатор. Подальше підвищення температури Інс призводить до зниження величини Q* через зменшення навантаження котла. Варто зазначити, що інтенсивність вказаного зниження Q* істотно відрізняється для різних типів утилізаторів.

носного об'єму V* (б) водонагрівача від температури навколишнього середовища 1нс при застосуванні поверхонь теплообміну з різними пучками труб: 1-3) із нанокомпозитів (X = 30, 5,

1 Вт/(мК)); 4) із ненаповненого полімеру (X = 0,2 Вт/(мК));

5) біметалевих оребрених труб (X = 200 Вт/(мК) для алюмінію і X = 40 Вт/(мК) для вуглецевої сталі); 6, 7) гладких труб і плоскоовальних труб з оребренням із нержавіючої сталі (X = 30 Вт/(м-К))

Як свідчать дані, наведені на рис. 2 (а), найбільші значення питомої теплопродуктивності Q* в усьому діапазоні зміни температури навколишнього середовища відповідають теплоутилізатору з полімерного композиційного матеріалу, коефіцієнт теплопровідності якого дорівнює 30 Вт/(мК). Найнижчими значеннями Q* характеризуються теплоутилізатори, що компонуються гладкотрубними пучками з нержавіючої сталі. При цьому величини Q* для вказаних теплоутилізаторів відрізняються у 4-6 разів.

Привертає увагу той факт, що відмінності у значеннях питомої теплопродуктивності Q* для полімерних композитів з X = 30 Вт/(мК) та 5 Вт/(мК) є незначними і не перевищують 7 %. Це пояснюють відносно невеликим термічним опором стінки теплоутилізатора з полімерного матеріалу порівняно з термічним опором тепловіддачі з боку димових газів.

Згідно з отриманими даними, питома теплопродуктивність Q* для теплоутилізаторів з усіх розглянутих полімерних композитів (X = 30; 5; 1 Вт/(мК)), враховуючи ненаповнений композит (X = 0,2 Вт/(мК) є вищою, ніж для теплоутилізаторів з нержавіючої сталі (гладкот- рубні та оребрені пучки), що пов'язано з її високою питомою вагою. Теплоутилізатори з біметалевих оребре- них труб характеризуються істотно вищими значеннями Q*, ніж теплоутилізатори з нержавіючої сталі. Це зумовлено високою тепловою ефективністю біметалевих труб та їхньою меншою питомою вагою.

Отже, як показали проведені дослідження, за таким важливим показником теплової ефективності, як питома теплопродуктивність водогрійні теплоутилізатори з полімерних композитів мають істотні преваги над теп- лоутилізаторами з нержавіючої сталі.

На рис. 2 (б) наведено дані щодо відносного об'єму водогрійних теплоутилізаторів для різних температур навколишнього середовища. Ці залежності мають якісно однаковий характер для різних типів теплоутилізато- рів. При цьому даний характер є протилежним тому, що має місце для залежності Q* = _Д/нс). Наведені дані свідчать про те, що найбільшою компактністю (найменшими значеннями V*) характеризуються пучки біметалевих труб. Дещо поступаються їм за компактністю пучки із плоскоовальними трубами з нержавіючої сталі. Величини V* для гладкотрубних пучків з нержавіючої сталі та майже всіх розглянутих полімерних композитів відрізняються неістотно та приблизно в три рази перевищують відповідні значення для пучків біметалевих труб. Щодо пучків труб з ненаповненого полімеру, то вони є найбільш габаритними і менш компактними в 1,6-2,4 раза, ніж відповідні пучки з полімерних композитів.

За результатами виконаних досліджень можна зробити висновок, що водогрійні теплоутилізатори з полімерних композитів за компактністю поступаються теп- лоутилізаторам з оребрених труб. Цю обставину потрібно брати до уваги під час проектування теплоутилі- заційних систем у котельнях, обмежених за площею.

Проведено також дослідження щодо визначення максимальної температури теплообмінної поверхні водонагрівача при компонуванні її з полімерних мікро- і нанокомпозитів (рис. 3). Цю температуру, як відомо, потрібно враховувати у виборі складу композиту.

Як свідчать результати розрахунків (див. рис. 3), максимальні значення температури /поах поверхні стінок водогрійних теплоутилізаторів є відносно невисокими і близькими до температури нагріваної води. У діапазоні зміни температури димових газів у номінальному режимі /н від 150 до 200 °С вказані максимальні температури не перевищують 75 °С. Для всіх типів теп- лоутилізаторів з полімерних композитів наявне незначне зростання максимальної температури теплообмінної поверхні зі збільшенням рівня температур /н . З отриманих результатів досліджень максимальних температур стінок водогрійних теплоутилізаторів випливає, що матрицею для полімерних композитів може бути поліетилен з відносно низькою максимальною температурою експлуатації (115 °С). Щодо наповнювача цього полімеру, то для забезпечення відповідного коефіцієнта теплопровідності полімерного мікро- та нанокомпозиту можна застосовувати різні матеріали. В інституті розроблено типоряд полімерних мікро- і нанокомпозитів, призначених для застосування в теплоутилізаційному устаткуванні фоіішку, еі аі., 2015).

Рис. 3. Залежність максимальної температури /Повх поверхні теплообміну водонагрівача від температури /? відхідних газів котла в номінальному режимі котла при застосуванні повер¬хонь теплообміну із нанокомпозитів з різними коефіцієнтами теплопровідності: 1 - X = 30 Вт/(мК), 2 - 5 Вт/(мК), 3 - 1 Вт/(м-К), 4 - 0,2 Вт/(м-К)

Відповідно до цього типоряду в табл. наведено значення концентрацій різних наповнювачів (мікрочастинок алюмінію А1 та вуглецевих нанотрубок ВНТ) для розглянутих у роботі значень теплопровідності теплообмінної поверхні водонагрівачів із мікро- та наноком- позитів при застосуванні полімерною матрицею поліетилену (ПЕ).

Табл. Характеристики полімерних мікро- і нанокомпози¬тів для теплообмінних поверхонь водогрійного теплоутилізаційного устаткування

Висновки

1. Виконано аналіз ефективності застосування полімерних мікро- і нанокомпозитів для теплообмінних поверхонь водогрійних теплоутилізаторів відхідних газів котельних установок за різних значень теплопровідності зазначених матеріалів.

2. Проведено зіставлення таких характеристик теплообмінних поверхонь, як теплопродуктивність Q* на одиницю маси теплообмінної поверхні та об'єм V* на одиницю її теплопродуктивності для пропонованих тепло- утилізаторів з нанокомпозиційних матеріалів і традиційних аналогів. Встановлено, що за питомою теплопродуктивністю Q* пропоновані теплоутилізатори перевищують аналоги з корозійностійкої сталі в 2-7 разів.

3. За значеннями робочих температур теплообмінної поверхні теплоутилізаторів з композиційних матеріалів показано, що полімерною матрицею для наповнення мікро- та нанокомпозитами може слугувати поліетилен.

теплоутилізаційний газоспоживальний опалювальний котельний

Перелік використаних джерел