Совершенствование методов расчета аппаратов и установок для глубокой утилизации теплоты влажных газов и разработка мер по повышению эффективности ее использования Гаряев, Андрей Борисович

Введение к работе

Актуальность работы. Одним из способов повышения эффективности использования энергии является утилизация теплоты вторичных энергетических ресурсов (ВЭР). Среди тепловых ВЭР важное место занимают влажные газы. К ним относятся продукты сгорания влажных топлив и топлив с высоким содержанием водорода, отходящие газы различных технологических установок, влажный воздух, удаляемый из помещений системами вентиляции и другие. Потенциал энергосбережения за счет утилизации явной и скрытой теплоты влажных газов в России достигает 10 млн. т у. т. в год и в настоящее время используется недостаточно. Глубокая утилизация теплоты влажных газов в конденсационных теплоутилизаторах (КТУ) позволяет существенно повысить эффективность теплотехнических установок и получить ряд преимуществ при их эксплуатации.

Для более широкого внедрения установок для глубокой утилизации теплоты влажных газов и повышения эффективности их работы необходимо решение ряда проблем, возникающих при их проектировании и использовании. Одной из них является трудоемкость и невысокая точность методов расчета КТУ, связанная со сложностью и недостаточной изученностью протекающих в них процессов. Это приводит к неоправданному росту их материалоёмкости, либо (при дефиците поверхности) к их недостаточной тепловой производительности или к недостижению заданных значений параметров теплоносителей. В результате снижается эффективность применения теплоутилизационных установок и отсутствует возможность с необходимой точностью проводить расчеты их технико- экономических показателей.

При неправильном проектировании и эксплуатации теплоутилизационных установок возникает вероятность нежелательных режимов работы, связанных с конденсацией влаги на внутренних поверхностях дымовых труб и вентиляционных шахт, возникновением на поверхности теплообмена т.н. «сухих» зон или зон с обмерзанием поверхности. Невозможность точного определения условий, при которых возникают нежелательные режимы работы, часто приводит к неполному использованию располагаемой теплоты при эксплуатации установок, а в ряде случаев к отказу потребителей от их применения. Отсутствуют рекомендации по выбору режимных параметров теплоносителей, применению оребренных поверхностей и методов интенсификации теплообмена в КТУ.

Важным вопросом при проектировании теплоутилизационных установок является определение параметров выбрасываемых в атмосферу влажных газов, при которых концентрация вредных примесей на местности не превышала бы допустимые значения. Для его решения необходимо определить закономерности распространения влажных газов в атмосфере с учетом объемного выпадения влаги (туманообразования).

При конденсации пара из парогазовых смесей на процессы тепло- и массо- обмена влияет большое количество различных факторов, таких как наличие на поверхности теплообмена пленки конденсата, поток Стефана, изменение коэффициентов тепло- и массоотдачи за счет массового потока вещества к поверхности из пограничного слоя, изменение эффективности оребренных поверхностей при увеличении теплового потока к поверхности ребер и т.д. Вследствие широкого диапазона изменения температур, влагосодержаний и скоростей теплоносителей в КТУ, а также различия их конструкций, указанные выше факторы могут проявляться по-разному. В настоящий момент чаще всего нельзя указать условия, при которых их влияние должно быть учтено при расчете КТУ. В результате тот или иной расчетный метод часто используется без достаточного обоснования. Для правильного подбора и проектирования КТУ необходимо совершенствование методов их расчета и проведение исследований их локальных характеристик с учетом особенностей протекающих в них процессов тепло- и мас- сообмена при конденсации пара из парогазовых смесей в широком диапазоне изменения режимных параметров теплоносителей.

Целью работы является определение закономерностей процессов тепло- и массопереноса в аппаратах и установках для глубокой утилизации теплоты влажных газов в различных отраслях промышленности и в коммунальном хозяйстве, разработка и совершенствование на этой основе методов расчета таких установок и рекомендаций по повышению эффективности использования утилизируемой теплоты.

Для достижения указанной цели поставлен и решен ряд научно-технических задач, включающий:

- разработку математических моделей и прикладных программ для расчета и изучения закономерностей процессов тепло- и массообмена при течении парогазовых смесей в КТУ различного назначения и конструкций, входящих в состав теплоутилизационных установок и работающих в широком диапазоне изменения концентраций пара, температур и расходов теплоносителей;

проверку адекватности предложенных математических моделей путём сопоставления результатов расчёта с экспериментальными данными и данными натурных испытаний, полученными различными исследователями;

численное и аналитическое исследование режимов работы различных видов КТУ и влияния режимных параметров теплоносителей (расход, начальная температура и влагосодержание) на их тепловую производительность, коэффициент теплопередачи, тепловую эффективность;

определение степени влияния различных физических процессов, протекающих при движении конденсирующихся парогазовых смесей, на работу КТУ и необходимости их учета в расчетных методах при различных конструкциях аппаратов и режимных параметрах теплоносителей;

разработку инженерных методов расчета КТУ и теплоутилизационных установок, мер по повышению их эффективности за счет рационального выбора режимных параметров теплоносителей, исключения нежелательных режимов работы, изменения их конструкций и подбора конструкционных материалов;

разработку математических моделей и метода расчета распространения примеси после теплоутилизационных установок при объемной конденсации водяных паров в атмосфере.

Научная новизна.

1. 1. Разработаны математические модели для описания работы КТУ различных конструкций, в том числе гладкотрубных и оребренных калориферов и ко- жухотрубчатых теплообменников с различными схемами взаимного движения теплоносителей, пластинчатых оребренных теплоутилизаторов, гигроскопичных теплообменников. Модели позволяют исследовать особенности протекания процессов тепло- и массообмена в широком диапазоне изменения расходов и режимных параметров теплоносителей.

   2. Разработано теоретическое описание процессов тепло- и массообмена в прямоточных и противоточных поверхностных и смесительных КТУ, а также в КТУ перекрестного тока при выполнении аналогии между тепло- и массообме- ном. Получены аналитические и численные решения, позволившие найти характерные распределения температур, влагосодержаний и энтальпий теплоносителей и объяснить поведение температурных и энтальпийных кривых. Уточнены условия, при которых для расчета площади поверхности КТУ можно использовать средний логарифмический энтальпийный напор (уравнение Меркеля).

   3. Показано, что распределение эффективного коэффициента теплопередачи в КТУ может быть немонотонным. Определены характерные точки на диаграмме влажного воздуха, позволяющие определить характер изменения и условия существования экстремума эффективного коэффициента теплопередачи.

   4. Получены новые данные о характере и степени влиянии режимных параметров теплоносителей на коэффициент теплопередачи, тепловую эффективность КТУ и на образование «сухих» зон. Показана возможность образования зон с испарением конденсата в КТУ при его стекании с верхних труб и предложены модели, позволяющие рассчитать эффективный коэффициент теплопередачи в таких зонах.

   5. Впервые получены аналитические зависимости, позволяющие определить значения предельно возможного повышения КПД и экономии топлива за счет регенеративного использовании теплоты в энергетических и технологических установках при глубокой утилизации теплоты влажных газов.

   6. В предположении о выполнении аналогии между процессами тепло- и мас- сообмена впервые получены аналитические решения уравнений, описывающих перенос теплоты в пластинчатых КТУ с гладкой и оребренной поверхностью теплообмена и позволяющие определить передаваемый в них тепловой поток.

   7. На основании численных исследований определены области режимных параметров КТУ и температуры поверхности теплообмена, при которых наличие пленки конденсата, поток Стефана и массовый поток пара из пограничного слоя не оказывают существенного влияния на суммарный тепловой поток, передаваемый в кожухотрубных КТУ с горизонтальными трубками.

   8. Определены значения относительного снижения теплового потока при конденсации водяного пара из парогазовых смесей в присутствии неконденсирующихся газов с различной молекулярной массой (воздух, СО₂, СН₄) в диапазоне массовых концентраций 0-10%. Показано, что тепловые потоки, передаваемые в КТУ при конденсации смесей, содержащих одинаковые объемные концентрации воздуха, СО₂ и CH₄, могут отличаться на величину до 25%.

   9. Решена задача о нахождении концентрации примеси при распространении влажных газов в атмосфере после теплоутилизационных установок с учетом объемной конденсации водяных паров. Показано, что существуют условия, при которых объемная конденсация существенно влияет на процесс распространения примеси, поскольку увеличивает высоту подъема газовой струи.

   Практическая ценность работы.

   1. 8. 1. Разработаны математические модели, методы и программные модули, предназначенные для проектных расчетов и выбора КТУ, выпускаемых промышленностью; расчетов мероприятий по предотвращению конденсации паров в дымовых трубах и газоходах; расчета распространения примесей в атмосфере при объемной конденсации; повышения эффективности теплоутилизационных установок путем их параметрической оптимизации.

         2. Разработаны инженерные методы, позволяющие существенно упростить расчеты КТУ различных конструкций, в том числе: гладкотрубных и трубчатых оребренных КТУ, пластинчатых КТУ. Методы позволяют определить условия возникновения нежелательных режимов работы: образования «сухих» зон на теплообменной поверхности, а также зон с ее обмерзанием.

         3. Разработаны практические рекомендации по выбору режимных параметров, монтажу КТУ, применению в них оребрения и методов интенсификации теплообмена, использованию новых конструкционных материалов, позволяющие повысить эффективность утилизации теплоты.

         4. Разработана диаграмма, дающая возможность определить, в каких случаях поток Стефана, отсос массы пара из пограничного слоя и наличие пленки конденсата должны быть учтены при расчете КТУ. Диаграмма позволяет выбрать наиболее рациональный по точности и сложности метод расчета КТУ.

         Полученные в ходе работы над диссертацией результаты были использованы при выполнении НИР по аналитической ведомственной целевой программе "Развитие научного потенциала высшей школы" и федеральной целевой программе «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России». Разработанные математические модели использовались проектными организациями для расчетов и разработки конструкций КТУ и энергоаудиторскими организациями для расчетов энергосберегающих мероприятий по глубокой утилизации теплоты влажных газов.

         Научные и практические результаты работы используются в учебном процессе и в учебно-методической литературе при изучении курсов «Тепломассо- обменное оборудование предприятий», «Энергосбережение в теплоэнергетике и теплотехнологиях», в курсовом и дипломном проектировании студентами специальностей 140104 «Промышленная теплоэнергетика» и 140106 «Энергообеспечение предприятий». Материалы диссертационной работы были использованы при написании учебника и ряда учебных пособий.

         Достоверность полученных результатов обеспечивается удовлетворительными результатами сопоставления полученных в работе данных с экспериментальными данными и данными промышленных испытаний, приведенными в литературных источниках, сравнением результатов аналитических и численных расчетов с расчетами других авторов.

         Автор защищает:

         1. 8. 4. 1. Математические модели для описания процессов тепло- и массопереноса в проточных частях КТУ различного назначения и конструкций, работающих в широком диапазоне режимных параметров теплоносителй.

                  2. Установленные закономерности изменения параметров теплоносителей по поверхности КТУ и влияния режимных параметров на тепловую производительность, коэффициент теплопередачи, эффективность КТУ и на образование «сухих» зон.

                  3. Разработанные в диссертации инженерные методы расчета КТУ различных конструкций и назначения, в том числе: кожухотрубных теплообменников, глад- котрубных и оребренных калориферов с различными схемами взаимного движения теплоносителей, пластинчатых оребренных теплоутилизаторов и гигроскопичных теплообменников.

                  4. Рекомендации по выбору режимных параметров и расходов теплоносителей, конструированию и монтажу КТУ, позволяющие повысить эффективность утилизации теплоты влажных газов.

                  5. Аналитические и численные решения, позволяющие в условиях выполнения аналогии между процессами тепло- и массопереноса найти распределения температур, влагосодержаний и энтальпий теплоносителей по поверхности прямоточных, противоточных КТУ, а также КТУ перекрестного тока и объяснить поведение температурных и энтальпийных кривых.

                  6. Зависимости, позволяющие определить значения предельного КПД и экономии топлива при регенеративном использовании теплоты в теплоэнергетических и теплотехнологических установках при глубокой утилизации теплоты влажных газов.

                  7. Положение о том, что развитие поверхности путем оребрения и применение методов интенсификации теплообмена в КТУ с газообразными теплоносителями предпочтительнее производить со стороны холодного теплоносителя.

                  8. Диаграмму режимов работы КТУ, позволяющую определить степень влияния потока Стефана, отсоса пара из пограничного слоя и наличия пленки конденсата на суммарный тепловой поток, передаваемый в КТУ.

                  9. Математическую модель и метод расчета распространения примеси после теплоутилизационных установок и полученные на их основе данные о влиянии объемной конденсации паров на высоту подъема струи отходящих газов.

                  Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были доложены на следующих международных, Всероссийских и Всесоюзных конференциях: «Научные основы создания энергосберегающей техники и технологии», Москва, 1990; «Проблемы энергетики теплотехнологии», Москва, 1991; Первой, Второй, Третьей, Четвертой и Пятой Российской национальной конференции по теплообмену (РНКТ), Москва, 1994, 1998, 2002, 2006, 2010; Научно- практической конференции «Экологические проблемы крупных административных единиц мегаполисов», Москва, 1997; Научно-технической конференции «Инженерная экология - XXI век». Москва, 2000; Первой, Второй и Третьей Международной научно - практической конференции "Современные энергосберегающие тепловые технологии (СЭТТ)", Москва, 2002, 2005, 2008; Первой, Второй, Третьей и Четвертой и Пятой Всероссийской школе - семинаре молодых учёных и специалистов "Энергосбережение - теория и практика". Москва, 2002, 2004, 2006, 2008, 2010; XXV Научно-технической конференции «Москва: проблемы и пути повышения энергоэффективности», Москва, 2008; Всероссийской научно-практической конференции «Повышение надежности и эффективности электрических станций и энергетических систем», Москва, 2010.

                  Публикации. Основные научные положения и выводы изложены в 55 опубликованных работах, в том числе 12 работ опубликовано в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 2 патента на полезную модель.

                  Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, 7 глав, заключения, списка литературы, включающего 218 наименований, и приложения. Общий объём диссертации составляет 326 страниц, включая рисунки и таблицы.

                  Похожие диссертации на Совершенствование методов расчета аппаратов и установок для глубокой утилизации теплоты влажных газов и разработка мер по повышению эффективности ее использования

                  

                  Повышение эффективности использования избыточного давления природного газа на основе рационального выбора системы подогреваЖигулина, Екатерина Валериевна

                  Повышение эффективности использования углей мелкого класса в топливно-энергетическом комплексе Республики КыргызстанТекенов, Жапар

                  

                  Повышение эффективности использования теплоисточников в системе централизованного теплоснабженияЛукьянов Андрей Геннадьевич

                  Повышение эффективности использования природного газа в системах энергоснабжения с применением парогазовых и теплонасосных установокАлбул, Андрей Велининович

                  

                  Анализ структуры энергопотребления и исследование методов повышения эффективности использования энергии в условиях ЭфиопииВихиб Негуссие Мулугета

                  Повышение эффективности использования ВЭР на основе системного анализа и технико-экономической оптимизации : (На примере предприятий машиностроительного комплекса)Чугунова, Татьяна Павловна

                  

                  Повышение эффективности использования биомассы как топлива на основе газогенераторных технологийСергеев Виталий Владимирович

                  

                  Повышение эффективности централизованного теплоснабжения путем использования тепловых насосовБуртасенков Дмитрий Геннадьевич

                  Повышение эффективности сушки пряной зелени с использованием нетрадиционных источников энергииРахматов, Илхом Исматович

                  

                  Повышение эффективности работы паровых котельных при использовании когенерационных установок с винтовым двигателемРепин Александр Львович