Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время все более широкое применение находит автономное (децентрализованное) теплоснабжение. Оно особенно развито в тех регионах России, где нет недостатка в сетевом (природном) газе и имеется достаточно развитая система газоснабжения. В качестве источников теплоты для данных систем теплоснабжения используются, в том числе, и жаротрубные котлы. В целом эти системы обеспечивают более высокий уровень теплового комфорта и создают дополнительные возможности для энергосбережения. На сегодняшний день вопросы теплообмена в жаротрубном котле со стороны как продуктов сгорания, так и теплоносителя мало изучены. Также остаются малоизученными процессы образования отложений в жаротрубных котлах, которые значительно влияют на надежность работы и энергетическую эффективность жаротрубного котла. В соответствии со сказанным существует необходимость в совершенствовании конструкции жаротрубного котла для повышения надежности и эффективности работы.
Объектом исследования являются жаротрубные котлы с развитыми поверхностями теплообмена.
Предметом исследования является процесс передачи теплоты от продуктов сгорания к водному теплоносителю через развитую поверхность теплообмена с учетом возможного процесса образования отложений.
Целью работы является исследование процессов теплообмена в жаротрубном котле с учетом качества водного теплоносителя для повышения энергоэффективности котла.
Задачи исследования:
-
Разработать методику теплового расчета жаротрубного котла, учитывающую физико-химический механизм горения топлива, процессы теплообмена со стороны продуктов сгорания и со стороны теплоносителя, а также геометрические характеристики поверхностей нагрева жаровой трубы и газотрубного пучка.
-
Определить зависимость скорости образования отложений на поверхности нагрева жаротрубного котла и разработать методику определения межпромывочного интервала.
3. Разработать методики экспериментального исследования процессов
сложного теплообмена в газовых каналах, омываемых теплоносителем, и
процесса образования накипи на поверхностях нагрева. Осуществить
сравнительный анализ результатов численного решения с экспериментальными
данными.
4. Предложить рекомендации для выбора рациональных геометрических
характеристик поверхностей нагрева жаровой трубы и газотрубного пучка по
результатам технико-экономического обоснования.
Научная новизна:
-
Разработана методика теплового расчета жаротрубного котла, учитывающая скорость образования отложений на поверхностях нагрева со стороны теплоносителя и геометрию поверхности нагрева жаровой трубы.
-
Предложена зависимость скорости образования отложений на поверхности нагрева жаротрубного котла.
3. На основе численного эксперимента выявлены зоны максимальных
плотностей теплового потока в жаровой трубе, которые превышают среднюю
плотность теплового потока более чем в три раза.
4. На основе технико-экономических расчетов определены рациональные
геометрические характеристики оребренной жаровой трубы и обосновано
применение оребренной поверхности цилиндрической жаровой трубы для
повышения энергетической эффективности жаротрубного котла.
Практическая значимость работы:
1. Предложена методика расчета межпромывочного интервала
жаротрубного котла с учетом качества теплоносителя и конструкции жаровой
трубы.
-
Обосновано использование оребрения жаровой трубы котла для повышения эффективности и увеличения межпромывочного интервала.
-
Результаты исследований внедрены в учебный процесс кафедры «Теплоэнергетика» ОмГТУ.
-
Результаты исследования внедрены на предприятии МП г. Омска «Тепловая компания».
-
Обоснована необходимость в повышении требований к качеству подпиточной воды до значений концентрации солей жесткости равных 20-100 мкг-экв/кг.
6. Показано, что применение жаротрубного котла с оребренными
поверхностями нагрева снижает себестоимость выработки тепловой энергии на
4,54 %.
Диссертационная работа выполнена в рамках следующих НИР:
– госбюджетная фундаментальная НИР 7.1102 Ф «Теоретическое исследование и разработка высокоэффективного газотрубного котла малой мощности»;
– НИР 14114В «Интенсификация теплообмена в цилиндрической топке газотрубного котла с использованием внутреннего оребрения»;
– НИР 15119В «Повышение экономичности и экологической эффективности газотрубного котлоагрегата малой мощности»;
– НИР 16127В «Модернизация конструкции газотрубного котла с целью снижения образования отложений на поверхностях нагрева».
Методология и методы исследования. Численные исследования выполнены по предложенным методикам с использованием прикладной программы Ansys CFX. Для оценки достоверности результатов численного
исследования произведено их сравнение с результатами экспериментальных исследований.
Положения, выносимые на защиту:
1. Методика расчета жаротрубного котла с оребренной цилиндрической
жаровой трубой с учетом качества водного теплоносителя.
-
Закономерности процессов теплообмена со стороны продуктов сгорания и со стороны теплоносителя в жаротрубном котле.
-
Результаты технико-экономического обоснования предложенных технических решений.
4. Рекомендации для выбора рациональных геометрических
характеристик поверхности нагрева жаровой трубы.
Апробация результатов исследования. Результаты диссертационной работы доложены на международных научных и научно-практических конференциях и симпозиумах: «Россия молодая: передовые технологии – в промышленность» (Омск, 2008, 2009); «Динамика систем, механизмов и машин» (Омск, 2009), «Модернизация жилищно-строительного комплекса в субъектах Сибирского Федерального Округа» (Омск, 2011); «Омский регион – месторождение возможностей» (Омск, 2011); «Техника и технологии: новые перспективы развития» (Москва, 2011); VIII Международный симпозиум «Фундаментальные и прикладные проблемы науки» (Непряхино Челябинской обл., 2013); «Техника и технология нефтехимического и нефтегазового производства» (Омск 2015, 2017)
Публикации. По теме диссертации опубликовано 26 печатных работ, в том числе 9 статей в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК, 5 статей в зарубежных изданиях, имеются 1 патент на полезную модель и 1 свидетельство о регистрации программы ЭВМ.
Объём и структура диссертации. Материалы диссертации изложены на 142 страницах основного текста, включающего 54 рисунка и 7 таблиц. Работа состоит из введения, пяти глав с выводами, заключения, списка использованных источников из 105 наименований.