Комбіновані пристрої для утилізації тепла і очищення газів, що видаляються від теплогенераторів

Размещено на http://www.allbest.ru/

ХАРКІВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ

УНІВЕРСИТЕТ БУДІВНИЦТВА ТА АРХІТЕКТУРИ

05.23.03 - Вентиляція, освітлення та теплогазопостачання

УДК 697.32,66.074.1.022.63

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеню

кандидата технічних наук

КОМБІНОВАНІ ПРИСТРОЇ ДЛЯ УТИЛІЗАЦІЇ

ТЕПЛА І ОЧИЩЕННЯ ГАЗІВ, ЩО ВИДАЛЯЮТЬСЯ ВІД ТЕПЛОГЕНЕРАТОРІВ

Овчаренко Сергій Володимирович

Харків 2010

Дисертація є рукописом.

Робота виконана у Харківському державному технічному університеті будівництва та архітектури Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Шушляков Олександр Васильович, Харківський державний технічний університет будівництва та архітектури, професор кафедри „Теплогазопостачання, вентиляції та використання теплових вторинних енергоресурсів”

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Строй Анатолій Федорович, Полтавський національний технічний університет імені Юрія Кондратюка, завідувач кафедри „Теплогазопостачання і вентиляція”

доктор технічних наук, доцент Лук'янов Олександр Васильович, Донбаська національна академія будівництва і архітектури, професор, завідувач кафедри „Теплотехніка, теплогазопостачання та вентиляція”

Захист відбудеться „31” березня 2010 р. о 11⁰⁰ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.056.03 Харківського державного технічного університету будівництва та архітектури за адресою; 61002 м. Харків, вул. Сумська, 40.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Харківського державного технічного університету будівництва та архітектури за адресою: 61002 м. Харків, вул. Сумська, 40.

Автореферат розісланий „26” лютого 2010 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, к.т.н., доцент О.В. Гвоздецький

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми дисертаційної роботи.

Тема дисертаційної роботи є актуальною, тому що спрямована на підвищення ККД теплового та екологічної ефективності існуючих пристроїв для спалювання палива за рахунок глибокого охолодження і очищення димових газів перед викидом в атмосферу.

Розробка обладнання для утилізації тепла відхідних від генераторів теплової енергії (далі - ГТЕ) газів дозволить підвищити ККД існуючих котлів, а комплексна очистка газів за допомогою нових комбінованих з теплообмінниками пристроїв забезпечить підвищення екологічної ефективності існуючих ГТЕ. Підвищення теплового ККД за рахунок глибокого охолодження димових газів забезпечить економію палива і поліпшить екологічну обстановку в регіонах розміщення котелень.

Дана дисертаційна робота присвячена дослідженню процесів утилізації тепла за допомогою вдосконалених конструкцій трубчастих, секційних, комбінованих теплообмінників з камерами вирівнювання тиску і комбінованих теплообмінників на теплових трубах, а також процесів комплексного очищення газів перед викидом їх в атмосферу.

На підставі викладеного слід вважати, що тема дисертаційної роботи актуальна.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами і темами. Наукові дослідження теоретичного та практичного характеру виконувалися відповідно до Закону України „Про енергозбереження”, „Програми енергозбереження в житлово-комунальному будівництві”, „Комплексної державної програми енергозбереження Україні”, „Екологічно-чиста енергетика та зберігаючи технології”.

Мета і задачі роботи. Метою досліджень є підвищення ККД теплового та екологічної ефективності існуючих ГТЕ за допомогою вдосконалених конструкцій комбінованих теплообмінників-утилізаторів тепла продуктів згоряння палива.

Для досягнення поставленої мети вирішувалися такі задачі:

- на підставі аналізу нормативних документів та спеціальної технічної літератури обґрунтувати вибір способу та обладнання для підвищення ККД теплового та екологічної ефективності існуючих ГТЕ (котлів) котелень житлово-комунального господарства;

- виконати теоретичні дослідження процесів теплообміну при охолодженні продуктів спалювання палива (газів) за допомогою вдосконалених конструкцій теплообмінників;.

- дослідити вплив геометричних і аеродинамічних параметрів теплообмінника і теплообмінних потоків на ККД;

- дослідити зміни ККД котлів, обладнаних додатковими теплообмінниками;

- дослідити зміни опору теплообмінників за газом і за водою;

- досліджувати процес теплообміну в системі газ - конденсат у теплообмінниках для ентальпійного охолодження газів;

- проведення експериментальних досліджень ККД, опору та екологічної ефективності теплообмінників, порівняння розрахункових і експериментальних значень;

- розробка методики розрахунків параметрів теплообмінника і рекомендацій щодо їх застосування.

Об'єкт досліджень. Процеси тепломасообміну в нових конструкціях обладнання для котелень житлово-комунального господарства.

Предмет досліджень. Теплотехнічні характеристики процесів, що відбуваються в теплообмінниках та обладнання для очищення газів.

Методи досліджень.

Теоретичні методи досліджень процесу теплообміну між потоками газу і рідини на базі теорії теплообміну.

Експериментальні дослідження процесів теплообміну між потоками газ - рідина, розділених циліндричної перегородкою.

Наукова новизна.

- досліджено вдосконалені конструкції теплообмінників, за допомогою яких збільшені ККД генераторів теплової енергії на 6-7 % і підвищена їх екологічна ефективність за рахунок того, що теплообмінники виконані комбінованими з пристроєм для очищення газу, що забезпечує комплексну очистку газу з високою ефективністю;

- розвивається гіпотеза про хвильовий спосіб передачі енергії в тепловій трубі; запропоновано теоретичні залежності, які інтерпретують гідравлічний режим передачі енергії від випарника до конденсатора у теплових трубах за допомогою стоячих хвиль, що виникають у потоці пари;

- запропоновано розрахункові залежності ККД, аеродинамічного та гідравлічного опору нової конструкції комбінованого теплообмінника, справедливість яких підтверджена експериментально;

- запропоновано новий спосіб спалювання палива та нові конструкції генераторів теплової енергії для його реалізації, які забезпечують вигорання домішок, у тому числі бенз(а)пірену та оксидів вуглецю.

- запропоновано розрахункові залежності, які дозволяють визначити ефективність комплексного очищення за допомогою пристроїв, якими оснащені конструкції комбінованого теплообмінника.

Практичне значення отриманих результатів.

- розроблено нові конструкції теплообмінників, за допомогою яких підвищується ККД існуючих котлів котелень житлово-комунального господарства на 6-7 % та інших генераторів теплової енергії, що працюють на традиційних видах палива, що дозволяють зменшити витрату палива на 25-30% і підвищити екологічну ефективність існуючих генераторів теплової енергії;

- удосконалено методики теплотехнічного розрахунку і підбору нових конструкцій комбінованих теплообмінників-утилізаторів з пристроєм для комплексного очищення газу (Патент України № 200901637 від 25.02.2009р.);

- запропоновано новий спосіб спалювання палива з подачею віяного повітря з температурою 400°-600°С зверху на шар палива та нові конструкції генераторів теплової енергії (Патент України № 36972 від 16.04.2001 р.), які дозволяють вирішувати практичні завдання щодо зниження витрат палива за рахунок збільшення ККД ГТЕ до 97 % і використання як палива відходів сільськогосподарського виробництва, твердих виробничих і комунально-побутових відходів. Вихровий турбулентний промивач з іонізатором для комплексного очищення газу і води.

Особистий внесок здобувача.

Результати досліджень, наведені в дисертаційній роботі, отримані здобувачем самостійно.

Основний внесок здобувача полягає в:

- розробці математичної моделі процесі переносу тепла в теплових трубах теплообмінників на теплових трубах;

- створенні удосконалених методик розрахунку і підбору теплообмінників для утилізації низько потенційного тепла продуктів згорання палива, що видаляються від котлів та інших генераторів теплової енергії;

- розробці й оцінці напрямків для підвищення теплотехнічної, експлуатаційної і екологічної ефективності існуючих котлів і генераторів теплової енергії, що працюють з низьким ККД;

- розробці і дослідженні комплексу нового високоефективного обладнання для економного спалювання палива, утилізації тепла газів, що видаляються від генераторів теплової енергії, і високоефективної комплексного очищення газів від забруднюючих речовин.

Апробація результатів дисертаційної роботи.

Результати досліджень, наведені в дисертаційній роботі, доповідались на науково-технічних конференціях Харківського державного технічного університету будівництва та архітектури та на розширених наукових семінарах кафедри ТГВіТВЕР Харківського державного технічного університету будівництва та архітектури (2006-2009 рр.); на Міжнародній науково-технічній конференції Донбаської національної академії будівництва і архітектури в 2008 р.; на Міжнародних науково-практичних конференціях „Оцінка техногенного впливу на довкілля” (м. Кременчук, 2006-2009 рр.); на XVII Міжнародної науково-технічної конференції „Екологічна техногенна безпека, охорона водного та повітряного басейнів, утилізація відходів” в м. Алушта в 2009 р.; на Ш Міжнародному науковому семінарі „Методи підвищення ресурсу місцевих інженерних інфраструктур” у Харківському державному технічному університеті будівництва та архітектури в 2009 р.

Публікації.

За результатами досліджень опубліковано 11 друкованих праць, в тому числі 5 статей у спеціальних виданнях переліку ВАК України, у тому числі дві статті без співавторів, 3 патентів на винахід України.

Структура та обсяг роботи.

Дисертаційна робота у своєму складі має вступ, п'ять розділів, загальні висновки, список використаних джерел, у кількості 122 найменувань, п'ять додатків. Загальний обсяг роботи 192 сторінок основного тексту, з них 49 ілюстрацій на 47 сторінках, 8 таблиць на 6 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовується актуальність роботи, зв'язок її з науковими програмами, сформульовані мета і задачі досліджень, які дозволять забезпечити досягнення мети. Визначено об'єкт, предмет та методи дослідження, сформульовані наукова новизна і практичне значення отриманих результатів досліджень.

Перший розділ присвячено аналізу особливостей конструкцій існуючих генераторів теплової енергії (ГТЕ), причин зниження теплового ККД і низької екологічної ефективності. Розглядаються можливості підвищення теплового ККД існуючих ГТЕ, у тому числі за допомогою теплообмінників для утилізації теплоти газоподібних продуктів згоряння палива, що видаляються від котлів. Ці питання досліджувалися такими професорами, як Строй А. Ф., Лук'янов О. В., Губарь А. Ф., Тарадай О. М., Редько О. Ф. та іншими.

Наведено класифікацію існуючих теплообмінників.

Розглянуто теплообмінники з проміжними теплоносіями, а так само схеми утилізації теплоти газів за допомогою одного або декількох теплообмінників. Відзначено, що за існуючими котлами практично відсутнє обладнання для очищення газу від забруднюючих речовин.

На підставі результатів дослідження існуючих ГТЕ і теплообмінників для утилізації теплоти газів, що видаляються від існуючих ГТЕ, намічено напрямок підвищення ККД теплового та екологічної ефективності існуючих ГТЕ.

У другому розділі наведено характеристики складу, обсяг продуктів згоряння палива, зміст компонентів та концентрації забруднюючих речовин при спалюванні різних видів палива і твердих побутових відходів.

Сформульовано напрямок удосконалення теплотехнічних та екологічних характеристик генераторів теплової енергії. Запропоновано нові конструкції ГТЕ для шарового і вихрового спалювання палива. Наведено дані про дослідження нових конструкцій ГТЕ для шарового спалювання палива. При цьому встановлено, що температура газів, що видаляються від ГТЕ нової конструкції, складає 1300°-1500° С.

Для утилізації теплоти відхідних газів від ГТЕ запропоновані конструкції газоводяних і газоповітряних теплообмінників. Газоводяні теплообмінники являють собою комбіновані теплообмінники-утилізатори двох видів: комбіновані теплообмінники-утилізатори секційні трубчасті з камерами вирівнювання тиску і комбіновані теплообмінники-утилізатори на теплових трубах.

У третьому розділі містяться результати теоретичних досліджень комбінованих теплообмінників-утилізаторів теплової енергії. Запропоновано схеми установок для утилізації теплоти димових газів комбінованими теплообмінниками-утилізаторами, наведено принципи їх роботи.

На рис. 1 і 2 наведено схеми таких установок з різними конструкціями теплообмінників-утилізаторів і пристроїв для комплексного очищення газу. Утилізація тепла за допомогою теплообмінників виробляється в ентальпійному режимі, що дозволяє підвищити ККД утилізації тепла димових газів не менше, ніж на 20%.

Комплексна очистка газу здійснюється за допомогою вихрового турбулентного промивача (ВТП) або спеціальних камер мокрим способом. У якості рідини, яка зрощує, використовується вода або розчини абсорбентів.

Для якісної оцінки ефективності комплексного очищення продуктів згоряння палива запропоновано залежність:

(1)

де L_вх, Z_вх - об'ємна витрата і приведена концентрація домішок на вході в пристрій для комплексного очищення газу;

L_вих, Z_вх - об'ємна витрата і приведена концентрація домішок на виході з пристрою для комплексного очищення газу.

Відносна концентрація домішок розраховується для домішок, ефективність абсорбції які зрошуємо рідиною однакова.

(2)

де Z₁- концентрація визначаючої забруднюючої речовини;

ГДК₁; ГДК_i - гранично допустима концентрація визначаючої забруднюючої речовини і і-ої забруднюючої речовини;

Gi- маса і-ої забруднюючої речовини.

Розрахунок секційних трубчастих комбінованих теплообмінників-утилізаторів з камерами вирівнювання тиску виконується з метою визначення площі теплообмінної поверхні, а також гідравлічного та аеродинамічного опору теплообмінника.

При розрахунку теплообмінника приймаємо наступні допущення:

1. Теплообмінюючі середовища - нестислива рідина.

2. Фізичні властивості рідини постійні.

3. Втрати за рахунок дисипації енергії відсутні.

4. Теплопровідність уздовж осі каналу дорівнює нулю.

5. Процес теплообмінника - сталий і під час досліджень не змінюється.

6. Параметри потоку газу в розглянутий відрізок часу: постійний.

7. Режим течії теплообмінюючих середовищ - турбулентний.

8. Зона теплової та гідродинамічного стабілізації - відсутня.

9. Щільність теплового потоку постійна.

Відомо, що загальне рівняння теплопередачі має вигляд:

К(t_Г-t_ХГ), (3)

де q- щільність теплового потоку;

F- площа поверхні теплообміну, м;

t_Г-t_ХГ - різниця температур гарячого і охолодженого газу, ° С;

К- коефіцієнт теплопередачі, віднесений до одиниці повної поверхні теплообміну, ккал/мгод. гр.

При сталому процесі теплообміну можна записати:

F_XK_X= F_ГK_Г. (4)

Після інтегрування рівняння (3), запишемо:

Q=K·F·Дt (5)

де F_Г; F_X - площі поверхні теплообміну з боку охолоджуваного (гарячого) і холодного теплообмінюючих середовищ;

К_Г; К_X - коефіцієнти теплопередачі з боку гарячого і холодного середовищ.

Для зменшення впливу ділянок стабілізації на процес теплообміну довжину труб секції розраховуємо за формулою:

(6)

де d - діаметр поперечного перерізу труби;

h_m, с_m, н_m- ентальпія, щільність, кінематичний коефіцієнт в'язкості;

h₀ - ентальпія потоку на вході до труби;

сw, - масова швидкість, середня масова швидкість;

Re₀, Pr₀ - значення критеріїв Рейнольдса і Прандтля на вході;

р=Р/Р_пр- приведений тиск; S_q - периметр труби, що обігрівається;

q_c - щільність теплового потоку на поверхні стінки.

Питома витрата димових газів визначаємо аналітичним шляхом за формулою:

L_д.г.=L_г[k₁+k₂Q_i^r+(б-1)(k₃+k₄Q_i^r)]· (7)

де L_Г - секундна витрата натурального палива, кг/с;

t_Д.Г.- температура димових газів, °С;

k_i- коефіцієнти, підібрані для кожного виду палива;

- найнижча теплота згорання натурального палива, МДж/кг;

б- коефіцієнт надлишку повітря.

У проекті теплообмінників розрахунки виконувалися для труб з чорної сталі, нержавіючої сталі і сплаву МНЖ-5.

Кількість труб в модулі теплообмінника розраховували за формулою:

n=L/(3600·F·н) (8)

де L - об'ємна витрата продуктів згоряння палива, м/л;

F - площа поперечного перерізу труби, м;

V - швидкість газу в трубах, м/с.

Одним з визначальних факторів, що впливає на процес теплопередачі через циліндричні стінки труб, є коефіцієнт тепловіддачі від газу до стінки труби б₁. Для перевірки розрахунок б₁ виконувався двома способами.

Перший спосіб розрахунку. Задається рекомендованим значенням критеріїв St і Pr:

StPr^2/3 = 0,0031. (9)

де

St=a₁/с·C_p·н (10)

Pr=м·C_p/л (11)

де м, н- коефіцієнти динамічної і кінематичного в'язкості;

л - коефіцієнт теплопровідності;

б₁ - коефіцієнт температуропроводності;

с, c_p- щільність і теплоємність газу.

З (10) та (11) знаходимо б₁. Тоді коефіцієнт теплопередачі через стінку буде дорівнювати:

(12)

де d₁, d₂ - внутрішній і зовнішній діаметри труб;

1/a₁; 1/a₁ - термічний опір внутрішнього і зовнішнього прикордонного шару.

Другий спосіб розрахунку. При турбулентному течії газу 4·10³<Re<5·10⁶ тепловіддача від газу до круглої трубі характеризується критерієм .

(13)

де - коефіцієнт опору тертя при ізотермічному течії в гладких трубах.

При, Re<10⁵, о=(111Re):

K=1+900/Re (14)

Ш- коефіцієнт, що враховує змінні властивості газу.

Ш=(м_c/м_r), (15)

де м_C і м_r - коефіцієнти динамічної в'язкості при температурі стінки і середній температурі середовища.

Безрозмірний коефіцієнт тепловіддачі дорівнює:

Nu= ad/л, (16)

де б - коефіцієнт тепловіддачі; d - діаметр труб.

Звідки

a₁=Nu·л/d. (17)

Кількість - Вт - теплоти, що відбирається від газу, можна розрахувати за формулою:

Q=L·с·c(t_Н - t_К )/3,6, (18)

де L- об'ємна витрата газу; с; с - щільність і теплоємність газу;

t_Н;t_К - початкова і кінцева температура газу.

Витрату охолоджуючої рідини розраховуємо по відомій залежності:

G=Q/(c(t_ЖК - t_ЖН )с_Ж), м³/год. (19)

Перевірочні розрахунки двома варіантами показали добрий збіг результатів. Відмінність отриманих даних не перевищувало 1,5%. За розрахункове значення б₁ приймаємо найменше.

Так як кількість і параметри газів залежать від періоду року, то теплообмінники слід виготовляти у вигляді модулів, з яких можуть комплектуватися теплообмінники необхідної продуктивності за теплом.

Незалежно від форми теплообмінника еквівалентний по опору діаметр теплообмінника знаходимо за формулою:

d_э=2·а·b/(a+b), (20)

де а і b - сторони прямокутного перерізу теплообмінника, м.

Опір за газом секційного трубчастого теплообмінника-утилізатора:

ДP_r=ДP_вх + ДP_секц.1 + ДP _секц.2 +…+ ДP _секц.n + ДP_вих (21)

де - опір входу, секцій і виходу потоку .

Або, ДP_r =о_Гпр· (22)

де - наведений коефіцієнт місцевих опорів, що відноситься до швидкості н_r;

Значення о_Гпр залежить від режиму течії газу і конструкції теплообмінника. Якщо о_Гпр розрахований щодо різних швидкостей газу (у трубах або в газоході), о_Гпр будуть мати різне значення. Про межі турбулентного режиму значення о_Гпр залежить тільки від конструкції теплообмінника.

Опір теплообмінника по воді залежить від схеми розташування рядів труб, від конструкції теплообмінника.

ДP_вх=о_В.пр.·н²_В·с_В/2, (23)

ДP_вых=о·н²_В·с_В/2, (24)

Розрахунок теплообмінника на теплових трубах (ТТТ) включає вибір теплових труб (ТТ) та визначення кількості теплових труб, а також вибір схеми монтажу труб.

Вибір теплових труб здійснюється з урахуванням їх потужності утилізації тепла, умови їх експлуатації, наявності вібрації, температури газу і навколишнього середовища, ступеня іонізації та інших факторів.

Вибір матеріалу труб і рідини, якою наповнюються ТТ, здійснюється з урахуванням виключення виділення в ТТ газів, що не конденсуються, дифузії цих газів з ТТ і зміни складу рідини.

Практичний і науковий інтерес представляє процес передачі енергії з зони випаровування в зону конденсації теплової труби. У зоні випаровування в тепловій трубі рідина може перебувати при температурі нижче температури кипіння, у стані бульбашкового або плівкового кипіння.

При кипінні з рідини виділяються парові бульки (бульбашкове кипіння) або обсяг пара (при плівковому кипінні). Відрив і схлопування бульбашок або виділення обсягу пара з рідини відбувається дискретно. Цей процес викликає дискретне підвищення тиску в обсязі теплової труби, зайнятому парою. Таке підвищення тиску поширюється у вигляді хвилі. Цей факт відзначається такими авторами як Кривоносів Г. О., Онищенко І. М., Лондон О. Л., Дрейцер Г. А., тощо.

Конденсація пара в ТТ у зоні конденсації відбувається також дискретно. При конденсації пара виділяється прихована теплота пароутворення, при цьому температура поверхні зони конденсації підвищується, тому конденсація припиняється. Через деякий інтервал часу температура поверхні конденсації відновлюється і конденсація поновлюється. Цей процес формує зустрічну хвилю в обсязі пара. Взаємодія зустрічних хвиль утворює стоячі хвилі.

Таким чином, процес передачі енергії з зони випаровування в зону конденсації імовірно реалізується за допомогою стоячих хвиль. Частота і амплітуда цих хвиль може змінюватись в залежності від щільності теплового потоку від газу до випарника.

Відповідно до досліджень Кривоносова Г. О. і Онищенко І. М. випаровування рідини може припинятися, якщо температура пари буде дорівнює або вища за температуру рідини. Після того, як температура (і тиск) пара знизиться, процес кипіння і випаровування рідини відновиться. Таку схему випаровування-конденсації вказані вище автори назвали релаксаційною.

Щільність теплового потоку при бульбашковому кипінні можна розрахувати за відомою формулою:

(25)

де C_q- функція від тиску; щ- частота відриву бульбашок;

r- прихована теплота пароутворення; D₀ - відривний діаметр міхура;

с_n - щільність пара; n - кількість бульбашок, що виділилися в випарнику.

Радіус відриву бульбашок дорівнює:

R_o=0,6gф². (26)

де ф- тривалість зростання бульбашок; g- прискорення вільного падіння.

Частота відриву бульбашок:

щ=1/ф₀+ф_р (27)

Число бульбашок, що відірвалися, дорівнює:

 (28)

де d- внутрішній діаметр випарної частини теплової труби.

При q=q_кип, розрахованому за (25), перенесення тепла від випарника до конденсатора - конвективним способом. При q>q_кип - перенесення енергії за допомогою стоячих хвиль. Якщо q>q_кип - релаксаційний режим, при цьому передача енергії відбувається за допомогою стоячих хвиль.

Умови настання релаксаційного режиму в тепловій трубі можна розрахувати за допомогою аналітичних залежностей.

Маса пари, що надійшов від випарника в теплову трубу, дорівнює:

(29)

де Дm - маса пару; Дф - час; r- прихована теплота пароутворення;

N_or- кількість теплоти, що підводиться до випарника.

Швидкість збільшення кількості молекул в обсязі теплової труби можна розрахувати за формулою:

(30)

де Дn - кількість молекул пари в обсязі ТТ; W- потужність теплової енергії;

N_a- число Авогадро; M - молекулярна маса рідини;

r- прихована теплота пароутворення.

Потужність теплової енергії, що передається від випарника до конденсатора, дорівнює:

(31)

де - коефіцієнт, що характеризує процес переносу теплової енергії.

Час, протягом якого тиск у випарнику ТТ досягне тиску поблизу конденсатора, можна розрахувати за формулою:

(32)

де S; L- площа поверхні і довжина теплової труби.

Час перенесення тепла до конденсатора:

(33)

Час, протягом якого кипіння в ТТ не буде:

(34)

Час, протягом якого кипіння в ТТ відновиться:

(35)

Якщо коливання стоячих хвиль замінити коливаннями умовної мембрани, коливання мембрани можна уявити аналітичної залежністю:

(36)

Розглядаючи процес коливання умовної мембрани площею dу, представимо її масу в наступному вигляді:

M=сdу (37)

де с - щільність умовної мембрани.

Застосовуючи закон Ньютона до матеріальної точці мембрани dу, отримаємо:

(38)

де x,y - координати.

Позначимо , тоді:

(39)

Для тривимірної задачі рівняння (39) набуде вигляду:

(40)

Початковим рівнянням для рівняння (40) є:

(41)

Крайовим умовою для (41) є:

U|_r=0, (42)

де U|_r дає значення функції U(x,y,t) в точках контуру Г у будь-який момент часу ф.

Знаючи масу мембрани і прискорення, можна розрахувати силу, з якою стоячі хвилі (умовна мембрана) будуть штовхати стовп пари від випарника до конденсатора.

Значення частоти і амплітуди коливання стовпа пару (умовної мембрани) можуть бути визначені експериментально.

Для зменшення часу релаксаційного режиму були внесені зміни в конструкцію теплової труби. У дисертації наведені схеми конструкції ТТ, рекомендованих для використання в теплообмінниках-утилізаторах тепла димових газів.

У четвертому розділі містяться результати експериментальних досліджень ГТЕ і комбінованих теплообмінників-утилізаторів теплової енергії димових газів.

Експериментальна установка включає генератор теплової енергії нової конструкції, камеру змішання, модуль комбінованого теплообмінника-утилізатори та пристрій для комплексного очищення газу. Для очищення шламу від зважених домішок передбачені гідроциклон, фільтри касетні, бак-відстійник локальної системи оборотного водопостачання.

Принцип роботи експериментальних установок полягає в наступному. В ГТЕ нової конструкції спалюється паливо (дрова). Продукти згорання з температурою t надходять в камеру змішування, де гази змішуються з зовнішнім повітрям, а температура суміші знижується, відповідно, до 160°; 170°; 180° С. Частина газу з високою температурою відводиться на технологічні потреби, а суміш надходить в комбінований теплообмінник-утилізатор.

Ефективність роботи ГТЕ нових конструкцій залежить від конструкції ГТЕ та виду палива. При спалюванні дубових дров ККД ГТЕ становить 97,33%.

Ефективність роботи комбінованих трубчастих теплообмінників-утилізаторів (див. рис. 3, 4) теплової енергії залежить від обсягу і параметрів охолоджуваних газів, а також від витрат і параметрів охолоджуваної рідини і розраховується за формулою:

(43)

При сталому режимі роботи з урахуванням теплоти, яку вносить потік води в теплообмінник, запишемо:

Q_Гвх - Q_Гвих=Q_Ввих - Q_Ввх, (44)

де Q_Гвх; Q_Гвих - кількість тепла, що газ, відповідно, вносить і виносить з теплообмінника;

Q_Ввих;Q_Ввх - кількість тепла, що потік води, відповідно, вносить і виносить з теплообмінника.

Тоді

(45)

З (43) та (45) видно, що чим нижче температура газу на виході з теплообмінника і температура води на вході в теплообмінник, тим вище ККД теплообмінника.

У Додатку Б дисертації наведені графіки залежності ККД теплообмінників від визначальних параметрів, а також формули апроксимації графіків та міру точності експериментальних і розрахункових даних.

При використанні як палива лушпиння соняшника необхідно враховувати, що в зоні містяться лужні метали (калій і натрій). При високій температурі лужні метали знаходяться в пароподібному стані. У котлах температура газу знижується, пари металів конденсуються і залаковують теплообмінні поверхні. З метою зменшення температури золи та підвищення експлуатаційної надійності котлів запропоновані вихрові ГТЕ.

Запропонований спосіб реконструкції котлів дозволяє експлуатувати газові котли (без зміни конструкцій теплообмінних поверхонь і пальників) при спалюванні в нових ГТЕ твердих видів палива.

Екологічна ефективність комбінованих теплообмінників-утилізаторів при уловлюванні водорозчинних компонентів (при охолодженні газів в ентальпійном режимі) та їх очищення за допомогою вихрових турбулентних промивачів становить 93-99,8 %.

Лабораторні дослідження теплових труб виконані на спеціальному стенді. У процесі експериментальних досліджень за допомогою осцилографа реєстрували параметри хвиль у тепловій трубі.

На підставі досліджень встановлено, що частота хвиль становила 500 Гц, а довжина хвилі, що виникає в стовпі пара, - 0,66 м.

Залежність теплового ККД теплообмінника на ТТТ від об'ємної витрати та температури газу представлена на рис. 5 і 6. Як видно з графіка, зі збільшенням об'ємної витрати збільшується ККД ТТТ. Таке збільшення з 59 % при об'ємній витраті 0,6 м/с до 72 % при витраті 1,2 м/с слід пояснити збі-льшенням щільності підводження теплового потоку і зміною умов обтікання конденсатора.

Зі збільшенням витрат охолоджуючої рідини в 2,5 рази теплової ККД ТТТ збільшується більш, ніж на 10 %. Таке збільшення ККД без зміни щільності теплового потоку, що підводиться до випарника, може забезпечити граничне максимальне значення ККД. Подальше збільшення витрати охолоджуючої рідини не впливає на значення ККД теплообмінника.

Щоб виключити або зменшити тривалість релаксаційного періоду роботи ТТ, була запропонована конструкція теплової труби з завіхрителем для відділення крапельної рідини і конусом для збільшення площі поверхні конденсатора.

У п'ятому розділі наведені удосконалені методики розрахунку комбінованих теплообмінників-утилізаторів теплоти продуктів згоряння палива.

На підставі результатів досліджень дані рекомендації та визначена галузь застосування теплообмінників різних конструкцій. У тому числі комбіновані секційні трубчасті теплообмінники з камерами вирівнювання тиску рекомендовані для охолодження димових газів, що видаляються від ГТЕ, які працюють на всіх видах палива, за умови, що в газах не містяться отруйні компоненти.

Для утилізації теплоти димових газів, що містять отруйні компоненти, рекомендовані комбіновані теплообмінники-утилізатори на теплових трубах.

Наведені схеми компонування обладнання (ГТЕ, теплообмінників-утилізаторів і пристроїв для очищення газу) для утилізації тепла газів, що видаляються від ГТЕ.

При використанні запропонованих схем реконструкції котлів тільки за рахунок використання відходів сільськогосподарської продукції витрати на паливо за рік знижуються:

при використанні лушпиння соняшника на 2743072 грн.;

при використанні брикетів лушпиння соняшника на 9767466 грн.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

1. На підставі аналізу літературних джерел встановлено, що ККД існуючих генераторів теплової енергії не перевищують 50-70 %, а коефіцієнт корисної дії технологічних ГТЕ промислових підприємств не перевищує 25 %. Для підвищення ефективності використання теплової енергії запропоновано комплекс обладнання - генератор теплової енергії, комбіновані теплообмінники-утилізатори нової конструкції, промивач, за допомогою якого можна підвищити ККД і екологічну ефективність існуючих генераторів теплової енергії.

2. Встановлено, що у складі газів, які очищуються, містяться забруднюючі речовини, що відрізняються за складом, агрегатним станом, за впливом на біологічні об'єкти та іншими властивостями. Для очищення охолоджуваних газів запропоновано способи та обладнання, які забезпечують комплексну очистку газів перед викидом їх в атмосферу з ефективністю більше 99,6% від зважених і не менш 97% від газоподібних домішок.

3. Уточнено механізм процесу передачі енергії від випарника до конденсатора теплових труб. Запропоновано математичні залежності для розрахунку процесу передачі енергії пари в теплових трубах. Запропоновано удосконалені конструкції теплових труб, виконані лабораторні дослідження, підтверджений хвильовий характер передачі енергії.

4. Розроблені та досліджені вдосконалені конструкції теплообмінників та запропоновані математичні залежності для розрахунку параметрів трубчатих теплообмінників, що забезпечують підвищення ККД ГТЕ на 6-7 %.

5. Встановлено, що використання нових конструкцій ГТЕ і вдосконалених конструкцій комбінованих теплообмінників-утилізаторів забезпечує підвищення до 97 % ККД, зниження кількості та концентрації забруднюючих речовин, що викидаються в атмосферу.

6. Виконані експериментальні дослідження вдосконалених конструкцій комбінованих теплообмінників-утилізаторів дозволили встановити, що тепловий ККД ГТЕ нової конструкції складає 96-97 %, комбінованих теплообмінників-утилізаторів - до 70,2 %, ефективність комплексного очищення газу - не менше 99 %.

7. Розроблено вдосконалені методики розрахунку параметрів, гідравлічного та аеродинамічного опору, теплового ККД та екологічної ефективності нових конструкцій устаткування.

8. Запропоновано нові схеми реконструкції існуючих газових котлів з переведенням їх на спільну роботу з генератором теплової енергії, що працюють на твердому паливі, наприклад, на відходах сільськогосподарської продукції або відходах ТПВ.

9. Встановлено, що заміна природного газа відходами сільскогосподарскої виробництва (брикети з лузги, соняшника тощо) для виробки 6 т/год пару дозволяє знизити витрати на 9767466 грв. на рік.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ

1. Шушляков А.В. Повышение КПД генераторов тепловой энергии как фактор повышения их экологической эффективности / А.В. Шушляков, О.Ю. Паламарчук, С.В. Овчаренко // Науковий вісник будівництва: зб. наук. пр.. - Харків: ХДТУБА, ХОТВ АБУ, 2008. - №49. - С. 285 - 295.

Особистий внесок автора: підготував матеріали для статті за результатами досліджень утилізації тепла і очищення димових газів.

2. Шушляков А.В. Децентрализованная термическая утилизация / А.В. Шушляков, С.В. Овчаренко, Г.А. Кривоносов // Зб. наук. праць: Вісник донбаської національної академії будівництва і архітектури «Інженерні системи та техногенна безпека». - Макіївка: 2008. - В. 2008-2(70), 2008. - С.78 - 81.

Особистий внесок автора: запропонував використовувати газові турбіни та двигуни нової конструкції для децентралізованої утилізації ТПВ, підготував матеріали з термічної утилізації відходів.

3. Шушляков О.В. Розрахунок теплопередачі та гідравлічного опору в теплообміннику для охолодження димових газів / О.В. Шушляков, О.Ю. Паламарчук, С.В. Овчаренко // Захист довкілля від антропогенного навантаження. - Київ - Кременчук - Харків, - 2008. - С. 38 - 44.

Особистий внесок автора: безпосередньо проводив дослідження опору теплообмінників, підготував дані до опублікування.

4. Овчаренко С.В. Экспериментальные исследования КПД генераторов тепловой энергии / С.В. Овчаренко. // Науковий вісник будівництва: зб. наук. пр.. - Харків.: ХДТУБА, ХОТВ АБУ, 2009. - №56. - С. 325 - 332.

5. Овчаренко С.В. Экономия энергии котельных при использовании трубчатого теплообменника / С.В. Овчаренко // Сб. научн. трудов «Экологическая и техногенная безопасность. Охрана водного и воздушного бассейнов. Утилизация отходов. - Харьков: УкрВОДГЕО, 2009. - С. 377 - 384.

6. Шушляков А.В. К вопросу снижения загрязнения окружающей среды продуктами сгорания топлива / А.В. Шушляков, Н.И. Проскурня, Д.А. Шушляков, С.В. Овчаренко // Людина і довкілля. Проблеми неоекології. - Харків: Видавництво ХНУ, 2009. - №11(12)-2(13). - С. 168 - 175.

Особистий внесок автора: підготував дані і оформив статтю.

7. Шушляков А.В. Снижение расходов природного газа на отопление и вентиляцию / А.В. Шушляков, О.Ю. Паламарчук, С.В. Овчаренко // Кременчуцький міський екологічний бюлетень: 2009. - в. 12. - С. 24.

Особистий внесок автора: виконав розрахунок економії газу за рахунок застосування теплообмінників для котлів різного типу.

8. Shushlyakov A. Energy and environmental efficiency promotion of thermal power generators / A. Shushlyakov, S. Ovcharenko, D. Shushlyakov, G. Krivonosov // “MOTROL” Motoryzacja I energetyka rolnichwa. - Simferopol - Lublin: 2009. - Vol. 11A. - P. 54 - 58.

Особистий внесок автора: підготував дані і оформив статтю.

9. Деклараційний патент на винахід №36972 Україна, МКИ F 24 D 5/02/ Спосіб газопроменевого опалення / Овчаренко С.В., Каспаров С.Г., Рохман В.О.; ТОВ Фірма «Україна-5». - № ua 2000031249; заявл. 02.03.2000; опубл. 16.04.01, Бюл. №3. - 3 с.

Особистий внесок автора: запропонував спосіб опалення, обґрунтував розрахунком працездатність винаходу, оформив заявку.

10. Деклараційний патент на винахід №36971А Україна, МКИ F 24 D 5/02. Пристрій для газопроменевого опалення / Каспаров С.Г., Овчаренко С.В., Рохман В.О.; ТОВ «Фірма «Україна-5». - № ua 2000031248; заявл. 02.03.2000; опубл. 16.04.01, Бюл. №3. - 3 с.

Особистий внесок автора: запропонував конструкцію променевого опалення, оформив заявку на патент.

11. Патент України № 200901637 Україна, МКИ F 28 F 1/00. Пристрій для зниження впливу фізичних чинників на забруднення атмосферного повітря / Шушляков О.В., Овчаренко С.В., Шушляков Д.О. - Заявл. 25.02.09. - Рішення № 16023 від 17.05.2009.

Особистий внесок автора: підготував формулу винаходу і обґрунтував конструкцію комбінованого трубчастого секційного теплообмінника з камерами вирівнювання тиску.

АНОТАЦІЯ

Овчаренко С.В. Комбіновані пристрої для утилізації тепла і очищення газів, що видаляються від теплогенераторів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.03 - вентиляція, освітлення та теплогазопостачання. - Харківський державний технічний університет будівництва та архітектури, Харків, 2010.

У дисертаційній роботі вирішена наукова та практична задача підвищення ККД теплового та екологічної ефективності існуючих генераторів теплової енергії. Розроблені та досліджені нові конструкції комбінованих теплообмінників-утилізаторів теплоти.

Виконано експериментальні дослідження дослідно-промислових теплообмінників. Запропоновано вдосконалені методики розрахунку комбінованих теплообмінників-утилізаторів теплової енергії димових газів.

Нові конструкції обладнання для очищення газу дозволяють очищати газ комплексним способом: одночасно в одному апараті гази очищаються від зважених і газоподібних домішок. Ефективність очищення газів від домішок становить 93-99,8 %.

Результати дисертаційної роботи впроваджені на промислових підприємствах і на підприємствах комунальної власності.

Ключові слова: комбіновані теплообмінники, нові конструкції, генератор теплової енергії, комплексна очистка газу, енергозбереження.

АННОТАЦИЯ

Овчаренко С.В. Комбинированные устройства для утилизации тепла и очистки газов, удаляемых от теплогенераторов. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.03 - вентиляция, освещение и теплогазоснабжение. - Харьковский государственный технический университет строительства и архитектуры, Харьков, 2010.

В диссертационной работе решена научная и практическая задача повышения теплового КПД и экологической эффективности существующих генераторов тепловой энергии. Разработаны и исследованы новые конструкции комбинированных теплообменников-утилизаторов теплоты продуктов сгорания топлива. Разработаны новые конструкции генераторов тепловой энергии для слоевого сжигания твердых сортов не измельченного топлива и вихревые генераторы тепловой энергии для сжигания измельченного топлива (лузги подсолнечника, шелухи гречки, опилок и др.).

Исследован процесс переноса энергии потока пара от испарителя к конденсатору в тепловой трубе и предложена модель волновой передачи энергии.

Выполнены экспериментальные исследования опытно-промышленных теплообменников, в процессе которых определены: тепловые КПД теплообменников; экологическая эффективность работы устройств для очистки газов; сопротивление теплообменников проходу газов и воды.

Предложены усовершенствованные конструкции тепловых труб и методика их расчета.

Предложены усовершенствованные методики расчета комбинированных теплообменников-утилизаторов тепловой энергии дымовых газов.

Разработаны новые схемы реконструкции существующих котлов, при которых в конструкцию котлов врезается газоход от генераторов тепловой энергии (ГТЭ) новых конструкций. В ГТЭ сжигается твердое топливо, а продукты сгорания топлива с температурой 1100°-1400° С поступают в котел для нагревания воды или получения пара. При необходимости котел может работать на природном газе.

Новые конструкции оборудования для очистки газа позволяют очищать газ комплексным способом: одновременно в одном аппарате газы очищаются от взвешенных и газообразных примесей. Эффективность очистки газов от примесей составляет 93% - 99,8%.

Использование ГТЭ новых конструкций, работающих на отходах сельскохозяйственной продукции, позволяет уменьшить затраты на топливо более, чем на восемь миллионов гривень в год при выработке 6 т/ч котлом ДКВР 6/13.

Результаты диссертационной работы внедрены на промышленных предприятиях и на предприятиях коммунальной собственности.

Ключевые слова: комбинированные теплообменники, новые конструкции, генератор тепловой энергии, комплексная очистка газа, энергосбережение.

RESUME

Ovcharenko S.V. The combined devices for heat recovery and purification of gas, extracting from heat generators. - Manuscript.

Thesis for the degree of candidate of technical sciences, specialty 05.23.03 - ventilation, lighting and Heat.- Kharkov State Technical University of Construction and Architecture, Kharkov, 2010.

This thesis addressed the scientific and practical task of improving the thermal efficiency and ecological efficiency of existing thermal power generators. New constructions of waste-heat exchangers are developed and investigated.

Experimental studies of experimental-industrial heat exchangers are implemented.

Improved methodology of calculation of waste-heat exchangers of thermal energy of smoke fumes are proposed.

New constructions of equipment for gas cleaning can clean the gas in an integrated way: simultaneously in one apparatus the gases are cleaned of suspended and gaseous impurities. The effectiveness of gas purification from impurities is 93-99,8 %.

The results of the thesis are introduced in the industrial enterprises and enterprises of communal property.

Keywords: combined heat exchangers, new constructions, heat energy generator, integrated gas cleaning, energy saving.

Размещено на Allbest.ru