Исследование и разработка высокотемпературных газовых теплообменников в системах теплоснабжения

В «Основных направлениях энергетической политики Российской Федерации на период до 2010 года», утвержденных Указом Президента Российской Федерации от 7 мая 1995 г., № 472 [1], указывается, что энергетическая политика Российской Федерации исходит, кроме всего прочего, из следующих приоритетов и структурных изменений:

— повышение эффективности использования топливно-энергетических ресурсов и создание необходимых условий для перевода экономики страны на энергосберегающий путь развития;

— реализация потенциала энергосбережения за счет создания и внедрения высокоэффективного топливои энергопотребляющего оборудования, теплоизоляционных материалов и строительных конструкций;

— уменьшения негативного воздействия энергетики на окружающую природную среду.

В общих положениях Федерального закона «Об энергосбережении», принятого Государственной Думой 13 марта 1996 года [2], говорится, что «Энергосберегающая политика государства осуществляется на основе реализации федеральных и межрегиональных программ в области энергосбережения путем:

— стимулирования производства и использования топливои энергосберегающего оборудования;

— реализации экономических, информационных, образовательных и других направлений деятельности в области энергосбережения" .

Использование вторичных энергетических ресурсов (ВЭР), т. е. энергетических отходов технологических процессов, является наиболее экономичным по сравнению с остальными способами получения энергии. Такой путь позволяет сохранить постоянно дорожающее топливо, уменьшить загрязнение окружающей среды, разгрузить транспорт. Основные виды вторичных энергоресурсов это горючие ВЭР (ГВЭР) и тепловые (ТВЭР). Первые используются почти полностью, вторые — совершенно недостаточно.

Главная возможность использования ТВЭР — обеспечение теплоснабжения, т. е. покрытие тепловой нагрузки технологических нужд, питательного цикла котлов и систем испарительного охлаждения, горячего водоснабжения городов, отопления и вентиляции, кондиционирования воздуха.

Мощными источниками вторичных энергоресурсов являются промышленные печи, в которых часто сжигается природный газ. Природный газ практически не требует промежуточных теплоносителей. В требуемых количествах он может подаваться и использоваться как в газовых двигателях и турбинах, так и в отопительных установках. Универсальность природного газа как топлива обеспечивает ему широкое применение в автономных агрегатах для непосредственного нагрева изделий. Продукты сгорания природного газа, которые можно рассмотреть как высококачественный теплоноситель (в них, как правило, отсутствуют вредные примеси и твердые частицы), выбрасываются часто с высокой температурой (400 °С и выше) в атмосферу. Однако применение этих продуктов сгорания в качестве теплоносителя в «комплексе энергопотребляющих» установок могло бы дать значительный экономический эффект. Здесь под комплексом энергопотребляющих установок имеются в виду системы, в которых продукты сгорания последовательно направляются из высокотемпературного источника в среднеи низкотемпературные установки (технологическое оборудование, системы отопления, вентиляции и т. п.). такие системы принято называть системами комплексного использования теплоты продуктов сгорания природного газа.

Преимуществом систем комплексного использования теплоты продуктов сгорания является:

— при комплексном использовании теплоты, во многих случаях, можно обеспечить нужды систем отопления, горячего водоснабжения, вентиляции и кондиционирования воздуха только за счет теплоты уходящих газов от технологического оборудования;

— коэффициент использования теплоты в системах комплексного использования теплоты может быть доведен до 95% и выше;

— установки комплексного использования теплоты в значительной степени способствуют уменьшению загрязнения воздушного бассейна (уменьшение количества сжигаемого топлива и снижение температуры уходящих газов) — удельные капиталовложения в установки комплексного использования теплоты ниже, чем в добычу 1 т у.т.

Основные отрасли промышленности по количеству В ЭР кратко характеризуются следующими данными.

Черная металлургия по количеству и температурному потенциалу ВЭР занимает в промышленности первое место вследствие характера и большого масштаба производства. При огнетехнических процессах плавления и нагрева металла температуры его и продуктов сгорания, отводимых от теплообменной зоны рабочей установки, являются высокими. Значит, коэффициент использования теплоты сжигаемого топлива низок, т. е. количество ТВЭР большое. Велико и количество ГВЭР при получении чугуна, производстве кокса. Вследствие высокой температуры получаемого кокса имеет место и значительный выход ТВЭР. Черная металлургия расходует около 12% всей топливодобычи страны и около 15% электроэнергии, потребляемой промышленностью, что также требует много топлива. Использование ГВЭР обеспечивается почти полностью, что дает экономию условного топлива около 30 млн. т/год, а уровень утилизации ТВЭР совершенно недостаточен.

Нефтепереработка и нефтехимия по количеству В ЭР занимает второе место (после черной металлургии), расходует более 30 млн. т условного топлива в год.

Химическая промышленность по количеству ВЭР находится на третьем ^ месте, расходует более 30 млн. т/год условного топлива и около 10% электроэнергии, потребляемой всей промышленностью. В себестоимости продукции энергетическая составляющая близка к 30%.

Газовая промышленность бурно развивается вследствие быстрого наращивания добычи природного газа, в основном в Западной Сибири. Отрасль расходует очень большое количество топлива на собственные нужды, прежде всего для газотурбинного привода компрессоров перекачивающих станций. Протяженность газопроводов и число их значительны, поэтому необходимая мощность компрессоров * перекачивающих станций весьма велика. Соответственно большим является и количество ТВ ЭР в виде физической теплоты выхлопных газов турбин с температурой 200.300 °С и других газомоторных двигателей. Мощный источник ТВЭР — физическая теплота отходящих газов сжигания сероводорода в цехах очистки газа и получения серы на газоперерабатывающих заводах.

В машиностроении ГВЭР практически нет, ТВЭР намного меньше, чем в цветной, а тем более в черной металлургии. Но все же в тепловом балансе ^ предприятий использование ТВЭР может занимать значительное место. Возможная экономия условного топлива за счет использования ТВЭР в машиностроении может составить 2,5 млн. т/год. Расход топливно-энергетических ресурсов и выход ТВЭР больше для предприятий тяжелого, энергетического и транспортного машиностроения, меньше — для среднего. Преобладающая часть годового расхода теплоты затрачивается на отопление и вентиляцию (около 75%), меньшая — на технологические нужды (около 25.

Подавляющее большинство ВЭР этой отрасли относится к тепловым в температурном диапазоне от 400 до 1400 °C при расходе теплоносителя (почти всегда продуктов сгорания) от 500 до 10 000 м /ч от отдельной технологической установки. В таблице 1 приведены основные характеристики промышленных печей, которые являются источниками тепловых вторичных энергетических ресурсов.

Таблица 1.

Промышленные печи — источники тепловых вторичных энергетических ресурсов.

Тип печи Температура в рабочем пространстве, °С Средняя температура уходящих газов, °С КПД печи, % Потери теплоты с уходящими газами, %.

Нагревательные кузнечные:

Камерные 1300−1450 1100−1200 10−15 55−65.

Проходные 1300−1450 700−1200 30−40 30−45.

Термические:

Камерные 850−1100 800−950 15−20 35−50 проходные 850−1100 500−700 25−35 25−35.

Для плавки:

Алюминиевого литья 700−800 500−700 30−43 40−50.

Вагранки 1100−1350 1000−1100 20−30 50−60.

Печи на машиностроительных предприятиях в основном небольшие, и количество их в цехах часто значительно, что, как безосновательно считается, затрудняет организацию использования ТВЭР. Однако утилизация ТВЭР машиностроительных предприятий в действительности весьма проста, обычно она осуществляется легче и дешевле, чем в других отраслях промышленности.

Экономия условного топлива за счет использования ВЭР может составлять более 115 млн. т/год, причем на ТВЭР приходится около 63 млн. т. (таблица 2) [75].

Таблица 2.

Возможная экономия условного топлива за счет использования ВЭР, млн. т/год (по литературным данным).

Отрасль промышленности Утилизация ВЭР.

ТВЭР ГВЭР Всего.

Черная металлургия 20 30 50.

Цветная металлургия 2 0,6 2,6.

Машиностроение 2,5 — 2,5.

Химическая промышленность 10,5 4,5 15.

Нефтепереработка и нефтехимия 11 10 21.

Газовая промышленность 12 3 15.

Целлюлозно-бумажная промышленность 1,5 4 5,5.

Промышленность строительных материалов 1,75 — 1,75.

Пищевая промышленность 2 — 2.

Итого 63,25 52,1 115,35.

Разумеется, приведенные цифры приближены.

Как отмечено в [3] недостаток соответствующей переработки ГОСТов, СНиПов и Правил технической эксплуатации не способствует внедрению проектов повышенной энергоэффективности. Это обусловлено тем, что энергоэффективные решения не закладываются в проекты, пока нет утвержденной методики. Кроме того, новые нормативные документы должны определять требования не только к элементам конкретной конструкции, но и ко всей конструкции в целом.

В установках комплексного использования теплоты продуктов сгорания природного газа, наряду с разнообразными конвективными теплообменниками, применяются гладкотрубные теплообменники для нагрева воды высокотемпературной газовой средой. Этот тип теплообменников имеет ряд достоинств, которые способствуют его широкому применению в практике:

— простая и соответственно дешевая конструкция;

— вариация поверхности нагрева возможна в большом диапазоне;

— реализация разработок возможна собственными силами любого промышленного предприятия.

Необходимой предпосылкой для создания и широкого внедрения таких теплообменных аппаратов является наличие достаточно простых и надежных способов расчета процессов нагрева жидкостей с применением ЭВМ и соответствующим программным обеспечением.

Цель работы заключается в повышении эффективности использования топливно-энергетических ресурсов, посредством применения высокотемпературных теплообменных устройств систем теплоснабжения, использующих теплоту вторичных энергоресурсов.

В представленном исследовании получены простые, но обладающие необходимой для инженерной практики точностью методы приближенного расчета процессов радиационно-конвективного нагрева жидкостей высокотемпературной газовой средой.

Основные требования к полученным в работе методам исследования заключались в простоте и доступности расчетчикам, в широком диапазоне охвата задач переноса, поставленных теорией и практикой, в гарантии опытного подтверждения результатов методов.

Программа исследований была выполнена в три этапа. На первом этапе проведено изучение ряда инженерных задач нестационарного радиационноконвективного нагрева, когда температура жидкости на входе в канал менялась вместе со временем.

Второй этап состоял в получении данных по распределению температур и тепловых потоков для стабилизированного течения.

Разработанная методика позволяла эффективно проводить как поверочные, так и конструкторские расчеты теплообменников.

Третий подход учитывал особенности радиационно-конвективного нагрева в термическом начальном участке канала.

Проведенное сравнение с экспериментальными и проектными данными высокотемпературных аппаратов утилизации теплоты систем теплоснабжения показало вполне удовлетворенное схождение с теоретическими результатами.

Научная новизна работы заключается в следующем:

— уточнена математическая модель процессов теплопереноса при стационарном и нестационарном радиационно-конвективном нагреве жидкостей в трубах;

— по результатам численных экспериментов получены значения обобщенных переменных, характеризующих процессы переноса теплоты от высокотемпературной газовой среды к нагреваемой воде;

— получены экспериментальные зависимости влияния определяющих параметров на значение и распределение температур в нагреваемой жидкости;

— получены закономерности процесса радиационно-конвективного нагрева жидкостей в каналах с использованием моделей стержневого и ламинарного течений.

Методы исследования включали: аналитическое обобщение известных научных и технических результатов, математическое моделирование, численный эксперимент и статистическую обработку данных с применением ПЭВМ.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обоснована применением классических положениях теории тепломассообмена и аэродинамики, при моделировании изучаемых процессов, подтверждена удовлетворительной сходимостью полученных результатов исследований и расчета. На защиту выносятся:

1. Методы поверочных и конструкторских расчетов высокотемпературных теплообменных аппаратов систем теплоснабжения, которые позволяют достаточно просто и с высокой точностью находить величины температур и тепловых потоков.

2. Новые обобщенные переменные, объединяющие теплофизические характеристики процесса радиационно-конвективного нагрева жидкости в трубах с геометрическими размерами теплообменного аппарата.

3. Результаты теоретического изучения стационарных и нестационарных процессов теплообмена в трубах, учитывающие влияние излучения наружных поверхностей.

4. Данные о расчетных и проектных (экспериментальных) значениях температур и геометрических размерах, полученных для конкретных высокотемпературных теплообменных устройств систем теплоснабжения.

5. Закономерности процесса радиационно-конвективного нагрева жидкостей в каналах с использованием моделей стержневого и ламинарного течений. Особенности явлений теплообмена в начальном участке канала.

Практическая ценность и реализация результатов исследований — разработана методика для проведения поверочных и конструкторских расчетов высокотемпературных теплообменных устройств систем теплоснабжения, использующих теплоту вторичных энергоресурсов;

— определены зависимости, позволяющие определять и выбирать теплофикационный режим высокотемпературного теплообменного аппарата в реальном диапазоне изменения рабочих параметров;

— результаты работы использованы в ОАО «Озон» при проведении расчетов высокотемпературных теплообменных аппаратов;

— материалы диссертационной работы использованы кафедрой теплогазоснабжения Ростовского государственного строительного университета в курсах лекций и дипломном проектировании при подготовке инженеров по специальности 290 700 «Теплогазоснабжение и вентиляция».

Апробация. Основные результаты работы представлены:

— на Международной научно-практической конференции «Строительство-2003», Ростовский государственный строительный университет, 2003 г;

— юбилейной научно-практической конференции «Строительство-2004», Ростовский государственный строительный университет, 2004 г;

— Международной научно-практической конференции «Строительство-2005», Ростовский государственный строительный университет, 2005 г;

— XV Школе-семинаре молодых ученных и специалистов «Проблемы газодинамики и теплообмена в энергетических установках», Калужский филиал Московского государственного технического университета им. Н. Э. Баумана, 2005 г;

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка использованной литературы, содержит 160 страниц основного машинописного текста, 46 рисунков, 13 таблиц. Библиография включает 109 наименований.

ВЫВОДЫ.

В диссертационной работе изложены основы решения актуальной задачи по повышению эффективности использования топливно-энергетических ресурсов, посредством применения высокотемпературных теплообменных устройств систем теплоснабжения, использующих теплоту вторичных энергоресурсов.

1. Уточнена математическая модель процессов теплопереноса при стационарном и нестационарном радиационно-конвективном нагреве жидкостей в теплообменных аппаратах систем теплоснабжения.

2. Установлены аналитические зависимости, позволяющие определять и выбирать теплофикационный режим высокотемпературного теплообменного аппарата в реальном диапазоне изменения рабочих параметров.

3. Предложен метод параметрического анализа процессов высокотемпературного нагрева для различных видов течения жидкостей в трубах, при различных теплофизических условиях.

4. Разработан и реализован комплекс мероприятий по использованию высокотемпературных теплообменников, утилизирующих теплоту вторичных энергоресурсов, в системах теплоснабжения.

5. Разработана, экспериментально исследована и внедрена методика проведения поверочных и конструкторских расчетов высокотемпературных теплообменных устройств систем теплоснабжения, использующих теплоту вторичных энергоресурсов.