Теплообмен при конденсации пара из продуктов сгорания в теплообменниках с большой степенью оребрения

Актуальность темы

Насущной задачей народного хозяйства России является оптимизация топливно-энергетического баланса, которая в свою очередь, требует обеспечения экономически эффективной работы отраслей топливно-энергетического комплекса в целом. В настоящее время общая структура генерации в России выглядит следующим образом: на тепловые электрические станции (ТЭС) приходится 66,5%, 17,7% - на гидроэлектростанции и 15,8% -на атомные электростанции. Потребление газа в энергетике уже достигло объемов, намеченных энергостратегией на 2020 г. В частности, на европейской территории России на газе вырабатывается более 80% электроэнергии. В этих условиях максимальное внимание следует уделять интенсивному внедрению энергосберегающих технологий. Весьма перспективным направлением представляется внедрение парогазового цикла на ТЭС, повышающего общий КПД до 55% вместо существующих 35−40%. Однако это направление сопряжено с огромными затратами на производство, приобретение и установку газотурбинных агрегатов, сочетающихся с действующим парогенерирующим оборудованием. Данные мероприятия требуют значительных инвестиций в отрасль, источники которых находятся, в основном, за рубежом.

Между тем, использование дополнительных источников повышения эффективности использования тепла на ТЭС не требует столь значительных затрат. Так, снижение потерь тепла с уходящими газами энергетических котлов (превалирующей величины) может повысить эффективность использования топлива на 6 — 8%. Охлаждение дымовых газов ниже температуры точки росы позволяет использовать тепло конденсации водяных паров и, тем самым, повысить эффективность до 12%. Эти показатели указывают на перспективу экономии природного газа в стране, в стоимостном выражении соизмеримую с суммарными расходами на его транспортировку.

Проведенные до настоящего времени и опубликованные в научно-технической литературе отдельные примеры реализации аппаратов глубокого охлаждения дымовых газов энергетических котлоагрегатов и исследования их параметров не содержат описания кинетики конденсации пара на охлаждающих поверхностях и надежных расчетных соотношений, которые могут быть положены в основу разработки инженерных методов расчета и оптимизации конструкции аппаратов. В связи с этим обстоятельством сформулированы следующие задачи, составляющие цель настоящей работы:

1. Провести экспериментальное исследование теплообмена при конденсации водяного пара из парогазовой смеси, содержащей до 20% пара (по объему) на стандартных оребрённых трубках, используемых в типовых калориферах, в том числе:

• определение характера конденсации пара и его влияния на течение газа в межреберных каналах;

• определить количественную связь концентрации водяного пара в исходной смеси с величиной эффективного коэффициента теплоотдачи;

• разработка метода уменьшения каплеуноса с охлаждающей поверхности.

2. Разработка методики расчета теплообменных аппаратов с оребренны-ми трубками для охлаждения дымовых газов энергетических котлов ниже температуры точки росы на основе обработки экспериментального материала.

Научная новизна работы заключается в следующем: 1. Экспериментально установлено, что конденсация водяного пара из парогазовой смеси с начальной объёмной концентрацией до 20% на горизонтальных и вертикальных трубках с большой степенью оребре-ния имеет не пленочный характер, как считалось до сих пор, а капельный или капельно-пленочный.

2. На основе обобщения экспериментальных данных получены зависимости для расчета коэффициента теплоотдачи при конденсации водяного пара из парогазовой смеси с начальной объёмной концентрацией до 20% на поверхности стандартной трубки с большой степенью оребрения.

3. Обнаружено влияние образующегося конденсата на гидродинамику потока парогазовой смеси, исключающее возможность применения условий аналогии процессов теплои массобмена при конденсации на трубках с большой степенью оребрения.

Практическая ценность работы:

1. Обоснована и предложена методика расчета ребристых теплообменников, предназначенных для охлаждения уходящих газов ниже температуры точки росы, и обеспечивающих в результате этого повышение КПД котлов на 6−10%.

2. Каплеунос из поверхностных теплообменников, не уменьшая коэффициент теплопередачи, приводит к охлаждению продуктов сгорания и повышению их влагосодержания вследствие испарения капель. Предложен метод расчета этого явления, которое необходимо учитывать при проектировании отводящих газоходов и дымовой трубы.

3. Результаты испытаний промышленного теплообменника-утилизатора, установленного за паровым котлом производительностью 15 т/ч, подтвердили возможность существенной экономии топлива за счет конденсационной составляющей теплоты уходящих газов.

Автор защищает.

1. Результаты экспериментального исследования теплообмена при конденсации водяного пара из парогазовой смеси в области малых концентраций (до 20% объемных) на оребренной трубке с большой степенью оребрения.

2. Результаты обобщения экспериментальных данных по исследованию теплообмена.

3. Положение о том, что в диапазоне выполненных исследований конденсация имеет капельный или капельно-пленочный характер.

4. Методику расчета поверхностных ребристых теплообменников при охлаждении продуктов сгорания ниже температуры точки росы водяного пара.

5. Результаты расчета температуры дымовых газов за теплообменником, с учетом испарения унесенных капель.

Апробация работы. Материалы диссертации были представлены на: Международной научно-технической конференции «80 лет Уральской теплоэнергетике. Образование. Наука» (Екатеринбург, 2003) — XIV Школе-семинаре молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А. И. Леонтьева (Рыбинск, 2003) — V-й российской научно-технической конференции «Энергосбережение в городском хозяйстве, энергетике, промышленности» (Ульяновск, 2006) — Н-м Международном конгрессе «Пече-трубостроение: тепловые режимы, конструкции, автоматизация и экология» (Москва, 2006) — XVI Школе-семинаре молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А. И. Леонтьева (Санкт-Петербург, 2007).

Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 9 печатных работах [1−9], из них 2 статьи в источниках, рекомендованных ВАК, в том числе получен 1 патент РФ на полезную модель.

Личный вклад автора заключается в разработке способа и метода комплексного экспериментального изучения конденсации водяного пара из парогазовой смеси в области малых концентраций (до 20% объемных) на оребренной трубке, в разработке методики и программы расчета поверхностных ребристых теплообменников при охлаждении продуктов сгорания ниже температуры точки росы, в разработке методики расчета температуры газов после теплообменника с учетом испарения унесенных капель.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и приложений, изложена на 121 страницах машинописного текста и содержит 4 таблицы, 48 рисунков и библиографический список из 65 наименований.

Основные результаты, полученные в диссертационной работе:

1. Экспериментально установлено, что конденсация водяного пара из парогазовой смеси с начальной объемной концентрацией до 20% на горизонтальных и вертикальных трубках с большой степенью оребрения имеет не пленочный характер, как считалось до сих пор, а капельный или капельно-пленочный.

2. На основе обобщения экспериментальных данных получены зависимости для расчета коэффициента теплоотдачи при конденсации водяного пара из парогазовой смеси с начальной объемной концентрацией до 20% на поверхности стандартной трубки со степенью оребрения (р=4,1.

3. Обнаружено влияние образующегося конденсата на гидродинамику потока парогазовой смеси, исключающее возможность применения условий аналогии процессов теплои массобмена при конденсации на трубках со степенью оребрения ^=14,7.

4. Обоснована и предложена методика расчета ребристых теплообменников, предназначенных для охлаждения уходящих газов ниже температуры точки росы, и обеспечивающих в результате этого повышение КПД котлов на 610%.

5. Каплеунос из поверхностных теплообменников, не уменьшая коэффициент теплопередачи, приводит к охлаждению продуктов сгорания и повышению их влагосодержания вследствие испарения капель. Предложен метод расчета этого явления, которое необходимо учитывать при проектировании отводящих газоходов и дымовой трубы.

6. Результаты испытаний промышленного теплообменника-утилизатора, установленного за паровым котлом производительностью 15 т/ч, подтвердили возможность существенной экономии природного газа (до 385 тыс. м3/год) за счет конденсационной составляющей теплоты уходящих газов.

В заключение автор выражает благодарность научному руководителю профессору А. П. Баскакову, а также заведующему кафедрой промышленной теплоэнергетики профессору В. А. Мунцу за полезные дискуссии, и доценту А. В. Мудреченко за помощь в работе.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.