Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ направлений совершенствования конструкций и мето-дов расчётов судовых котлов-утилизаторов
1.1. Тепловые потоки энергетических установок речных судов
1.2. Анализ и перспективы развития конструкций котлов-утилизаторов
1.3. Расчетные методы исследования параметров судовых котлов утилизаторов Выводы по первой главе
2. Обоснование конструктивных параметров водотрубного котла-утилизатора и математическое моделирование процессов тепломассообмена в его проточной части
2.1. Конструкция котла-утилизатора и особенности его работы
2.2. Математическое моделирование процессов тепломассопере-носа в котле-утилизаторе Выводы по второй главе 70
3. Разработка основных положений инженерной методики тепло-вого расчёта котла-утилизатора
3.1. Схема тока котла-утилизатора
3.2. Определение тепловой эффективности котла-утилизатора как комплекса противоточно и прямоточно включенных пар пе-рекрёстноточных теплообменников
Выводы по третьей главе 87
4. Расчётно-экспериментальное исследование котла-утилизатора
4.1. Результаты расчётного исследования характеристик котла-утилизатора
4.2. Результаты проектирования и испытаний натурного образца котла-утилизатора 103
Выводы по четвёртой главе 113
Заключение 115
Библиографический список 117
- Анализ и перспективы развития конструкций котлов-утилизаторов
- Расчетные методы исследования параметров судовых котлов утилизаторов Выводы по первой главе
- Математическое моделирование процессов тепломассопере-носа в котле-утилизаторе
- Определение тепловой эффективности котла-утилизатора как комплекса противоточно и прямоточно включенных пар пе-рекрёстноточных теплообменников
Анализ и перспективы развития конструкций котлов-утилизаторов
Предпосылками для развития данного направления является значительный неиспользуемый запас ВЭР; положительный опыт применения на пассажирских и грузовых судах модернизированного утилизационного оборудования, в частности, интенсифицированных теплообменников-утилизаторов, акку-муляторов теплоты, лабораторные исследования модернизированного котла КАУ-4,5 и др. Кроме того, построечная стоимость систем комплексной утилизации те-плоты на порядок ниже, чем систем утилизации с электромеханическим преобра-зованием, например на основе паротурбинных установок. В условиях ограничен-ного финансирования это является важным.
Конечной целью разработки и внедрения систем комплексной утилизации теплоты является полный отказ от сжигания топлива в автономных водогрейных или паровых котлах и обеспечении всех нужд в теплоте на речных судах за счет использования ВЭР. Для крупных судов пр. 92-016, пр. 301, пр. 302 экономия рас-хода котельного топлива может составить 80…160 тонн за навигацию.
В соответствии с концепцией работы [85], в состав системы комплексной утилизации теплоты СЭУ речного судна должны входить теплогенерирующие устройства: котел-утилизатор (паровой либо водогрейный) и теплообменники-утилизаторы, отбирающие теплоту систем охлаждения и смазывания ГД и ДГ, а также теплоту из систем наддува. Важным элементом системы комплексной ути-лизации речных судов должен быть аккумулятор теплоты. Этот аппарат необхо-дим для согласования графиков производства и потребления теплоты на судне пу-тем накопления теплоты при её избыточном производстве СЭУ и выдаче потре-бителям при недостатке ВЭР, например, при стоянке.
Теплопроизводящим оборудованием в схеме на рисунке 1.1 является подог-реватель-утилизатор 4 контура охлаждения ДГ и котел-утилизатор 2 теплоты от-работавших газов ДГ. Оба источника передают теплоту в теплоаккумулятор 3, ко-торый накапливает теплоту в режиме избытка ВЭР и отдает её в систему санитар-ной воды в период недостатка ВЭР. Следует отметить простоту и функциональ-ность данной схемы. В частности, штатная система охлаждения подвергается ми-нимальной модернизации: в контур охлаждения ДГ встраивается только подогре-ватель-утилизатор 4. Всё регулирование температуры контура охлаждения обес-печивается штатным терморегулятором. Трубная система утилизационного кон-тура охлаждения, находящаяся в аккумуляторе теплоты, может выполнять как функции зарядки, так и разрядки теплового аккумулятора 3.
Эффективность работы данной схемы определяется, в первую очередь, теп-ловой эффективностью утилизационных устройств 4 и 2. Заметим, что предпри-ятиями системы речного флота высокоэффективные утилизаторы до сих пор се-рийно не выпускаются.
В качестве теплообменников-утилизаторов используются охладители дизе-лей. Тепловая эффективность этих аппаратов составляет всего 0,17….0,22, что не-достаточно. Отечественные котлы-утилизаторы также отличаются низким КПД, например, тепловая эффективность водогрейных котлов-утилизаторов серии КАУ кау=0,18…0,28 [85].
С целью увеличения эффективности работы системы комплексной утилиза-ции теплоты в схему может быть включен подогреватель-утилизатор. Так в рабо-те [85] приведена схема экспериментальной установки с подогревателем-утилизатором, котлом-утилизатором и аккумулятором теплоты (рисунок 1.2).
Данная схема обеспечивает эффективный отбор и использование вторичной теплоты дизель-генераторной установки. При этом на нужды теплоснабжения или подогрева санитарной воды, может быть использовано до 90% вторичной теплоты ДГ. Аккумулятор теплоты позволяет согласовать между собой графики производ-ства и потребления тепловых потоков.
Схема может быть применена не только в составе дизель-генераторной ус-тановки, но и в комплексе с главными двигателями.
В теплофикационных системах утилизации могут применятся не только во-догрейные котлы, но и паровые. Так на теплоходах пр. 301 и пр. 302 установлены паровые утилизационные котлы серии AKS1,0-16. Эти котлы используют теплоту отработавших газов дизель-генераторов с двигателями 6NVD26/20 для производ-ства пароводяной смеси, которая насосами подается в пароводяной барабан авто-номного парового котла (рисунок 1.3).
Расчетные методы исследования параметров судовых котлов утилизаторов Выводы по первой главе
На основании выводов раздела 1 данной работы целесообразно выработать технические требования к перспективному судовому котлу-утилизатору: - котёл должен иметь прямые трубы для осуществления ревизии, обслуживания и ремонта теплообменной поверхности; - в котле должно быть обеспечено поперечное обтекание труб газами для повы-шения коэффициентов теплоотдачи и теплопередачи; - целесообразно применение многоходовой схемы по газовой стороне для увели-чения скорости газов; - целесообразно применение многоходовой схемы по водяной стороне для увели-чения скорости течения воды; - котёл должен иметь осевую компоновку для компактного вертикального разме-щения в шахте машинного отделения (МО) или горизонтального размещения под подволоком МО; - котёл должен иметь съёмные крышки водяных полостей и лючки обслуживания газовых полостей.
В связи с указанными требованиями значительный интерес вызывает схема воздухоохладителя судового газотурбинного двигателя (рисунок 2.1), приведён-ная в книге [71].
Конструкция на рисунке 2.1 благодаря организации многократного тока по межтрубному пространству в необходимой мере позволяет увеличить скорость одного теплоносителя и получить тем самым повышенное значение коэффициен-та теплопередачи. Кроме того, она удовлетворяет требованию прямолинейности труб.
С учётом положительных свойств схемы на рисунке 2.1 авторами [53] пред-ложен вариант её модификации применительно к требованиям, предъявляемым к котлам-утилизаторам. Новая схема котла-утилизатора представлена на рисунке 2.2. Рисунок 2.2 - Многоходовой перёкрёстноточный котёл-утилизатор с прямыми трубами
В нашей работе на базе схемного решения [54] предложено оформить кон-структивное исполнение и организовать течение теплоносителей как показано на рисунке 2.3.
Газы поступают через входной патрубок 1 в канал 2, образованный трубной системой 3. Поскольку в средней части котла установлена непроницаемая перего-родка 4, газы разворачиваются в радиальном направлении и проходят кольцевой трубный пучок между теплообменными трубами и попадают в периферийный кольцевой канал 5, образованный наружным рядом труб и цилиндрическим кор-пусом 6. По данному периферийному каналу газовый поток перетекает в кормо-вую часть котла, где под действием перепада давления между периферийной по-лостью и центральной полостью 7 выходного участка котла проходят через труб-ный пучок в направлении оси котла и через выходной патрубок 8 удаляются на-ружу. Таким образом, газ совершает радиально-реверсный ток через кольцевой трубный пучок.
Водяные полости организованы короткими обечайками 9 с фланцами 10 к которым герметично крепятся кольцевые крышки 11. Многоходовое движение воды обеспечивается установкой радиальных перегородок 12 в водяных полостях. Предварительный расчёт показывает, что для достижения эффективных скоростей в трубах целесообразно организовать 4…8 ходов по воде.
Предложенное конструктивное исполнение и схема обеспечивает ряд до-полнительных преимуществ: - благодаря радиально-реверсному току газа число рядов труб может быть уменьшено в два раза по сравнению с одноходовой схемой, что при высокой теп-ловой эффективности обеспечит уменьшение наружного диаметра котла и улуч-шит условия его компоновки; - более двух ходов по газу организовывать нецелесообразно с целью сохранения низкого газодинамического сопротивления котла; - в периферийную кольцевую полость газы попадают после передачи более поло-вины теплоты нагреваемому теплоносителю и имеют достаточно низкую темпе-ратуру (около 200 С). В связи с этим температура металла корпуса значительно ниже, чем у известных водотрубных котлов, что обеспечивает пониженные тер-мические напряжения и способствует достижению высокого ресурса котла; - корпус котла находится под низким давлением, температура корпуса ниже тем-пературы окалинообразования углеродистой стали, в связи с чем толщина металла корпуса может быть значительно уменьшена в сравнении с аналогами и достигну-то снижение массы котла.
В то же время оригинальная конструкция предложенного котла-утилизатора требует решения ряда вопросов: - для данного сложного типа тока в литературе не найдено готовых решений для расчёта тепловой эффективности и среднего температурного напора в интеграль-ной форме; - неизвестен закон распределения скорости и температуры газового потока по трубному пучку по осевой координате и по рядам трубок. Знание этого распреде-ления необходимо для нахождения определяющих скоростей и температур; - не определено соответствие течения в кольцевом трубном пучке течению в ис-следованных вариантах, по отношению к которым в справочной литературе при-ведены зависимости для определения коэффициентов теплоотдачи.
Экспериментальное исследование, на основании которого могли бы быть найдены ответы на данные вопросы, чрезвычайно сложно и в полном объёме на данном этапе не выполнимо. Решение поставленных вопросов должно быть най-дено путём разработки математической модели котла-утилизатора с распределен-ными параметрами на базе совместного решения дифференциальных уравнений тепло- и массопереноса и моделирование неизотермического течения теплоноси-телей в проточной части котла.
Математическое моделирование процессов тепломассопере-носа в котле-утилизаторе
Условие перемешивания теплоносителей определяет использование формул (3.23)-(3.26). С учётом конструкций рассматриваемого котла-утилизатора можно считать, что теплоноситель (mcp)max – вода, абсолютно не перемешан, т.к. он дви-жется внутри пучка параллельных труб. Теплоноситель (mcp)min – газ частично перемешивается по ходу движения в межтрубном пространстве. В какой мере происходит смешение, может дать экспериментальное исследование, либо чис-ленное моделирование потока.
Можно ожидать, что наилучшее приближение может быть получено при использовании формулы (3.26). В дальнейшем, отклонение реального результата и расчетного значения можно учесть введением коэффициента смешения газового потока. Формально это можно выполнить следующим образом. Представим реальное значение тепловой эффективности элементарного пе-рекрёстноточного теплообменника как некое среднее значение п, вычисленное по формулам (3.23) и (3.26). Влияние перемешивания учтём коэффициентом «весомости» результата расчёта по каждой из формул (3.23) и (3.26) Кп = 0…1,0;
Поскольку в рассматриваемой конструкции котла-утилизатора течение га-зового теплоносителя осесимметричное, коэффициент Кп для всех участков по-верхности теплообмена, продуваемых газами в одном направлении можно считать одинаковым (рисунок 3.1).
Определение Кп – задача, которая должна решаться на базе численного ме-тода расчёта параметров течения в трубном пучке. Однако расчёты показали, что для условий течения в котле-утилизаторе рассматриваемой конструкции с попе-речными перегородками в межтрубном пространстве при характерных значениях S = 3,5…5,5; R = 12…25; N = 0,08…0,04 величины тепловой эффективности, рас-считанные по формулам 3.23, 3.26, 3.27, различаются в относительном выражении не более, чем на 0,4 %. В связи с этим в данной работе влиянием перемешивания потока в трубном пучке решено пренебречь.
Расчет концевых температур в последующих по течению воды парах эле-ментарных теплообменников (5-6) и (7-8) (на примере рисунка 3.4) может быть выполнен по полученным формулам (3.10), (3.11), (3.21), (3.22). При этом необхо-димо присваивать значения выходных температур воды предыдущей пары вы-ходным температурам последующей пары т. е. t422 = t521
Входные температуры газа для температурных теплообменников 2, 3, 6, 7 и т. д. принимаем равными t221 = t321 = t621 = t721, поскольку при разделении осе-симметричного газового потока на части его входные температуры будут одина-ковыми. На базе полученных соотношений и при использовании подходов, опи-санных в [66] разработана методика поверочного расчёта котла-утилизатора но-вой конструкции. Блок схема поверочного расчёта котла-утилизатора приведена на рисунке 3.7.
Блок №1 формируется на основе предварительных расчетов и конструиро-вания. Тепловой поток может быть определён по известным методам, например [66]. На основе данных блока определяется величина снижения температуры га-зового теплоносителя при течении в кольцевом канале между наружным корпу-сом и трубным пучком.
Блок №2 содержит сведения о роде жидкого нагреваемого теплоносителя (вода, этиленгликоль, высококипящие жидкости и др.), о составе газового тепло-носителя (массовые доли N2, O2, CO, CO2, SO2, NOx, H2O).
В Блоке № 7 вычисляются определённые температуры для выполнения на-чального расчетного приближения. В основу вычислительных процедур заложены идеи, изложенные в книге Бажана П.И. [66] в разделе «Алгоритм ускоренного ин-тервально-итерационного расчёта» Автор [66] предлагает определять концевые температуры на каждом интервале разбиения теплообменника на элементарные части по формулам вида
При этом автор [66] рекомендует на первом этапе принимать величины раз-биения равными. В задачах данной работы, для условий котла утилизатора, соот-ношение полных теплоемкостей нагреваемого и греющего теплоносителя весьма велики и составленной N= 10…20. По предварительным расчётам в котлах рас-сматриваемого типа тепловая эффективность каждого элементарного теплооб-менника как в противоточной, так и в прямоточной паре в данном случае значи-тельна и составляет = 0,65…0,75. Для этих условий, действительно, тепловые потоки каждой пары (рисунок 3.4) с погрешностью не более 5% можно считать одинаковыми. Например, при разбиении поверхности котла по количеству ходов воды на 4 В тоже время существует возможность уточнения результатов и уменьше-ния количества итераций дальнейшим делением теплового потока каждой пары на две неравные части для каждого элементарного теплообменника . Для ука-занных параметров N= 10…20; = 0,65…0,75 по результатам расчетов может быть принято = 0,75 ; = 0,25 , где 1 и 2 индексы очередности элементарных теплообменников по ходу течения газа.
На первом этапе расчета вычисляются теплофизические характеристики те-плоносителей. Для воды: Для газов: По формулам и таблицам [66], где t – определяющая температура из Блока № 7, рассчитывается значения чисел Re и Pr, определяющие размеры и подбира-ются формулы для расчета коэффициентов теплоотдачи по греющему и нагре-ваемому теплоносителем для каждой операции каждого элементарного теплооб-менника [66]. В Блоке №9 выполняется расчёт коэффициентов теплоотдачи в пределах элементарного теплообменника коэффициент теплоотдачи по данным Блока № 8 с учетом характера натекания на трубы газового теплоносителя.
В Блоке № 10 вычисляются по известным формулам [66] полные теплоём-кости теплоносителей, их соотношения N и R, число единиц переноса теплоты S для каждой итераций каждого элементарного теплообменника. В Блоке № 11 вычисляются значения тепловой эффективности h для теку-щего номера элементарного теплообменника с учётом поправок на перемешива-ние потока газа при течении сквозь трубный пучок по формулам 3.23…3.26 и 3.27 В Блоке № 12 вычисляются выходные температуры для текущего номера элементарного теплообменника по формулам 3.10, 3.11, 3.21, 3.22, 3.1, 3.2, 3.12, 3.13 Счётчик итераций программируется на количество итераций, обеспечиваю-щих требуемую разверку. Расчёт показал, что достаточно двух итераций. В Блоке № 13 выполняется расчёт концевых температур парных комплексов по формулам 3.10, 3.11, 3.21, 3.22 после уточнения определяющих температур и теплофизических характеристик в Блоке № 7 и цикле 7-12.
На выходе Блока № 13 установлен вычислитель разверки 14 с логической составляющей, направляющий расчёт на следующую итерацию в случае недопус-тимой величины разверки . Целесообразно допуст. В случае допустимой величины разверки в Блоке № 15 идёт печать резуль-татов, либо следующая итерация данных в расчётные блоки гидравлических, га-зодинамических и других расчетов (в данной схеме не показаны).
Определение тепловой эффективности котла-утилизатора как комплекса противоточно и прямоточно включенных пар пе-рекрёстноточных теплообменников
С целью экспериментальной проверки правильности выполненного анализа, выводов, расчетных формул и методики разработан натурный образец котла-утилизатора новой конструкции и проведены его испытания в составе теплогене-рирующей установки на эксплуатирующимся объекте.
Котёл-утилизатор проектировался для совместной работы с двигателем Cat-erpillar G3508 при номинальных проектных параметрах газов перед котлом tг = 430 С; mtг = 3294 кг/ч. При проектировании использовались выводы раздела 4.1 данной работы. В частности, приняты рекомендуемые скорости газа во вход-ном патрубке и при поперечном течении в трубной системе. Выбрано число рядов труб – 8. Длина трубного пучка 1,5 м. По принятой системе обозначения это ко-тёл-утилизатор 250х8х1,5. Трубки котла-утилизатора имеют размер dтр = 20 мм при толщине стенки 1,0 мм. Материал трубок, трубных решёток, корпуса и эле-ментов крепления сталь коррозионно-стойкая 12Х18Н10Т. Выбор материала обу-словлен требованиями обеспечения ресурса 15…25 лет в условиях возможного конденсатообразования в трубном пучке ввиду высокой расчётной тепловой эф-фективности котла и, соответственно, низкой температуры газов на выходе.
В центральном канале установлена поперечная перегородка, теплоизолиро-ванная кремне-мулитовым волокном. На корпусе предусмотрен линзовый ком-пенсатор температурных расширений. Трубки в трубных решётках закреплены методом вальцовки и снаружи концы трубок обварены. Это необходимо для ис-ключения проникновения кислого конденсата в зазор между трубками и трубной решеткой. Две водяные камеры закрыты кольцевыми крышками из стали 3сп. Крышки съёмные и позволяют выполнять осмотр и очистку водяной полости кот-ла-утилизатора. Для обдувки трубного пучка по газовой стороне на корпусе пре-дусмотрены два лючка диаметром 150 мм. Общий вид котла 250х8х1,5 показан на рисунке 4.6.
С учётом выводов раздела 2 данной работы для обеспечения равномерности распределения газа по трубной системе на входе в центральный канал установле-на система дефлекторов, которая предназначена для торможения потока с восста-новлением динамического напора и разворота потока в радиальном направлении. Дефлекторы перед установкой показаны на рисунке 4.7. Входной участок с де-флекторами показан на рисунке 4.8.
Вид входного участка котла показан на рисунке 4.10. Количество ходов по воде – 4. Габаритные размеры спроектированного котла-утилизатора: длина от флан-ца входного до фланца выходного 2120 мм, диаметр корпуса наружный 610 мм, диаметр патрубков входа и выхода газов внутренний 250 мм. Масса котла-утилизатора 690 кг. Расчётная теплопроизводительность 290 кВт.
Измеряемый параметр Обозначение Ед. изме-рения Средство измерения, метрологическая характеристика Температура газа на входе в КУ ТГ1 С Преобразователь термоэлектрический ДТП КО25Л-0100.320.И, диапазон измерения -40…+800С, по-грешность ±1% Температура газа на выходе из КУ ТГ2 С Температура воды на входе в КУ ТВ1 С Термометр сопротивления ДТС 035Л-100.М.1.050.Идиапазон измерения -50…+180 С погрешность ±1% Температура воды на выходе из КУ ТВ2 С Давление газа на вхо-де в КУ РГ1 Па Датчик избыточного давления КУРАНТ-ДИ МПКБ.406233.002 диапазон измерения 0…30 кПа предел дополнительной погрешности 1% Давление газа на вы-ходе из КУ РГ2 Па Давление воды на входе в КУ РВ1 кПа Преобразователь давления ПД100-ДИ1,0М-1,0.И.11 диапазон измерения 0…1,0 МПа, погрешность 1% Давление воды на вы-ходе из КУ РВ2 кПа Расход газа объёмный РГО м3/с Расходомер газа ультразвуковой FLOWSIC 100-M-AC диапазон измерения 0…3,0 м3/с, погрешность 0,5%
Расход воды объём-ный РВО м3/с Счётчик электромагнитный MAG B1 ARCON Ду80 диапазон измерения 0…0,06 м3/с, погрешность 0,5%
Давление антифриза на выходе из двигате-ля РД1 кПа Преобразователь давления ПД100-ДИ 1,0И-1,0.И.11 диапазон измерения 0…1,0 МПа, погрешность 1%
Давление антифриза на входе в двигатель РД2 кПа Температура антифри-за на выходе из двига-теля ТД1 С Термометр сопротивления ДТС 035Л-100.М.1.050.Идиапазон измерения -50…+180 С, погрешность ±1% Температура антифри-за на входе в двига-тель ТД2 С Испытание котла-утилизатора проводились при работе генераторной установки по нагрузочной характеристике со ступенями нагрузки . Для фиксации параметров при гарантированно стационарном тепловом ре-жиме перед измерениями делалась выдержка 20 мин. Каждое измерение повторя-лось 6 раз с интервалом 5 мин.
Сравнение экспериментальных и расчётных данных показывает хорошую сходи-мость результатов: теоретические значения не выходят из доверительного интервала эксперимента. Но если иметь ввиду, что на всех 3-х режимах экспери-ментальные значения на 1,5…2,0 % ниже расчётных и считать это неучтённой за-кономерностью, то этот результат можно отнести на несоответствие модели и ре-ального котла-утилизатора.
На базе разработанной методики поверочного расчёта котла-утилизатора новой конструкции и экспериментальной проверки его характеристик в настоящее время с участием автора данной работы на предприятии ООО «Гидротермаль» (г. Н. Новгород) разработан типоразмерный ряд котлов-утилизаторов водотруб-ных интенсифицированных водогрейных (КУВИв).