Теплообмен при конденсации пара из продуктов сгорания в теплообменниках с большой степенью оребрения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.14.04, кандидат технических наук Путрик, Сергей Борисович

• Путрик, Сергей Борисович
• кандидат технических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат технических наук Путрик, Сергей Борисович

СПИСОК ОБОЗНАЧЕНИЙ.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ.

1.1. Опыт применения оребренных поверхностей для охлаждения дымовых газов.

1.2. Теоретические исследования тепло и массообмена при конденсации пара из парогазовых смесей.

1.3. Экспериментальные исследования тепло и массообмена при конденсации пара из парогазовых смесей.

1.4. Выводы и задачи исследований.

ГЛАВА 2. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА.

2.1. Экспериментальная установка.

2.2. Метрологическое обеспечение исследования.

2.3. Методика проведения эксперимента.

2.4. Алгоритм обработки опытных данных.

2.5. Организация визуальных наблюдений за поведением конденсата между ребрами.

ГЛАВА 3. ВИЗУАЛЬНЫЕ И РАСЧЕТНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ.

3.1. Результаты визуальных наблюдений.

3.2. Отекание конденсата с вертикальной оребренной трубки с продольной канавкой.

3.3. Влияние уноса конденсата на температуру газов за теплообменником. 60 Выводы.

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛООБМЕНА ПРИ КОНДЕНСАЦИИ ПАРА ИЗ ПАРОГАЗОВОЙ СМЕСИ.

4.1. О возможности применения аналогии процессов тепло и массобмена.

4.2. Результаты экспериментальных исследований.

4.3. Обобщение экспериментальных данных и их обсуждение.

Выводы.

ГЛАВА 5. ПРОБЛЕМЫ УНОСА КОНДЕНСАТА И РАСЧЕТА КОНДЕНСАЦИОННОГО ТЕПЛОУТИЛИЗАТОРА.

5.1. Методика расчета теплообменного аппарата.

5.2. Возможность применения абсорбирующего материала.

Выводы.

ГЛАВА 6. ОПЫТНО-ПРОМЫШЛЕННОЕ ИСПЫТАНИЕ

ТЕПЛООБМЕННИКА.

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «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 тепло- и 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.

Заключение диссертации по теме «Промышленная теплоэнергетика», Путрик, Сергей Борисович

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 тепло- и 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.

104

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Путрик, Сергей Борисович, 2007 год

1. Система отвода и предотвращения уноса конденсата / А.П. Баскаков, С.Б. Путрик И Патент РФ на полезную модель № 51167. Б.и., 2006, № 03.

2. Путрик С. Б. Унос конденсата из ребристых теплообменников и способы его предотвращения / А.П. Баскаков, С.Б. Путрик II Научные труды X отчетной конференции молодых ученых сб. статей. Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2006. 4.2. С.228-232

3. Путрик С.Б. Расчет температурно-влажностного режима газоотводя-щего тракта с учетом уноса из теплоутилизаторов / А.П. Баскаков, С.Б. Путрик II Промышленная энергетика. 2006. № 9. С. 36-39.

4. Sulliven R.E. The Timken Company's Canton plant utilizes a condensing heat exchanger to recover boiler stack heat to preheat makeup water / R.E. Sulliven II ASHRAE J. 1985. V. 27. № 3. P. 73-75

5. Stadelmann M. Untersuchungen iiber Gas-Kondensationskessel / M. Stadelmann II Gas Warm Int. 1983. №11. S. 459-464.

6. Высокоэффективные модульные газовые котлы «Classic» // Энергосбережение. 2005. № 3. С. 46.

7. Ferroli S. p. A. профессионалы индустрии тепла // АВОК. 2005. № 4. С. 46-47.

8. Установка утилизации тепла дымовых газов / Н.Ф. Свиридов и др. // Новости теплоснабжения. 2002. № 8. С. 30-33.

9. АроновИ. 3. Контактный нагрев воды продуктами сгорания природного газа. Л.: Недра, 1990. 280 с.

10. Портной М.Ф. Использование тепла продуктов сгорания котлов, работающих на газообразном топливе / М.Ф. Портной, А.А Клоков // Промышленная энергетика. 1985. № 6. С. 11-12.

11. Кудинов А.А. Энергосбережение в газифицированных котельных установках путем глубокого охлаждения продуктов сгорания / А.А. Кудинов, В.А. Антонов, Ю.Н. Алексеев II Теплоэнергетика. 2000. № 1. С. 59-61.

12. Кудинов А.А. Оценка работы конденсационного теплоутилизатора в условиях комплексного использования теплоты продуктов сгорания и выпара атмосферного деаэратора / А.А. Кудинов, М.В.Калмыков // Теплоэнергетика. 2002. № 8. С. 69-72.

13. Колосков А.Ю. Исследование характеристик работы конденсатора те-плоутилизирующего контура ПГУ / А.Ю. Колосков, В. И. Шкляр,

14. B.В. Дубровская II Теплоэнергетика. 2000. № 3. С. 35-38.

15. Некоторые технико-экономические показатели контактного теплообменника с пленочными форсунками / А.В. Колдин и др. / Вестник УГТУ-УПИ №3(33): Теплоэнергетика. Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2004.1. C. 76-79.

16. Бухаркин Е.Н. К вопросу обеспечения надежных условий использования экономичных котлов с конденсационными теплоутилизаторами / Е.Н. Бухаркин // Промышленная теплоэнергетика. 1995. № 5. С. 31-34.

17. Аронов И.З. О принципах проектирования дымовых труб и боровов для газифицированных котельных с контактными экономайзерами / И.З. Аронов// Промышленная энергетика. 1969. № 6. С. 35-36.

18. Аронов И.З. Опыт эксплуатации контактных экономайзеров на Перво-уральской ТЭЦ / И.З. Аронов, Г.А. Преет II Промышленная энергетика. 1991. №8. С. 17-20.

19. Дуленин В. Трубы дымят по-новому / В. Дуленин, В Нишкевич, Ф. Кочетков II Энергетика региона. 2000. № 2. С. 20-21.

20. Наладка и эксплуатация водяных сетей: Справочник / В.И. Манюк и др.. М.: Стройиздат, 1988. 432 с.

21. Пальчиков И.С. Отчет о результатах установки и работы охладителя дымовых газов за паровым котлом ШБ-А7 в котельной ЭПК УГТУ-УПИ / И.С. Пальчиков, А.П.Баскаков, Н.Ф. Филипповский, В.А. Мунц. Екатеринбург: ГОУ ВПО «УГТУ-УПИ», 1999.

22. Исследование процессов тепло- и массообмена в поверхностных теплообменниках при глубоком охлаждении влажных продуктов сгорания / А.П. Баскаков, В.А. Мунц, Н.Ф. Филипповский, Р.Н. Галимулин II Новости теплоснабжения. 2002. № 8. С. 34-36.

23. Кунтыш В.Б. Тепловой и аэродинамический расчеты оребренных теплообменников воздушного охлаждения / В.Б. Кунтыш, Н.М. Кузнецов. С-Пб.: Энергоатомиздат, 1992. 278 с.

24. Коллинз С. Утилизация тепла с очисткой дымовых газов / С. Коллинз //Мировая электроэнергетика. 1994. № 4. С. 15-18.

25. Романов В.И. Комбинированная газопаротурбинная установка мощностью 16-25 МВт с утилизацией тепла отходящих газов и регенерацией воды из парогазового потока / В.И. Романов, В.А. Кривуца II Теплоэнергетика. 1996. № 4. С. 27-30.

26. Комплексная парогазовая установка с впрыском пара и теплонасос-ной установкой (ПГУ МЭС-60) для АО «Мосэнерго» / О.Н. Фаворский и др. // Теплоэнергетика. 2001. № 9. С. 50-58.

27. Ибрагимов Г.И. Опыт комплексного ступенчатого использования тепла продуктов сгорания газа на промышленных предприятиях / Г.И. Ибрагимов II Промышленная энергетика. 1979. № 8. С. 13-14.

28. СеменюкЛ.Г. Методика определения тепловой мощности теплоути-лизаторов / Л.Г. Семенюк II Промышленная энергетика. 1992. № 4. С. 28-31.

29. Семенюк Л.Г. Получение конденсата при глубоком охлаждении продуктов сгорания / Л.Г. Семенюк II Промышленная энергетика. 1987. №8. С. 47-50.

30. Аронов ИЗ. Внедрение конденсационных теплоутилизаторов резерв эффективности газовых котельных / ИЗ. Аронов, Н.И. Рябцев, Ю.Ф. Тихоненко II Энергосбережение. 2002. № 5. С. 58-59.

31. Бухаркин Е.Н. Энтальпийный метод расчета теплообменников контактного принципа действия / Е.Н. Бухаркин II ИФЖ. 1979. Т. XXXVII. № 1. С. 123-128.

32. Бухаркин Е.Н. К методике теплового расчета конденсационных утилизаторов тепла уходящих газов / Е.Н. Бухаркин И Теплоэнергетика. 1997. № 2. С. 41-46.

33. Холодильные машины / А.В. Бараненко, Н.Н. Бухарин, В.И. Пекарев, И.А. Сакун, JI.C. Тимофеевский; Под общ. ред. JT.C. Тимофеевского.

34. Исаченко В.П. Теплопередача / В.П. Исаченко, В.А. Осипова, А.С. Су-комел. 4-е изд., перераб. и доп. М.: Энергоиздат, 1981. 416 с.

35. Destrayaud G. Heat and mass transfer analogy for condensation of humid air in a vertical channel / G. Destrayaud, G. Lauriat II Heat and Mass Transfer. 2001. V. 37. № 1. P. 67-76.

36. Ильина Е.В. Тепломассообмен при глубоком охлаждении продуктов сгорания природного газа / А. П. Баскаков, Е.В. Ильина // Инженерно-физический журнал. 2003. Т. 76. №2. С. 88-93.

37. Берман Л.Д. К обобщению опытных данных по тепло- и массообмену при испарении и конденсации / Л.Д. Берман II Теплоэнергетика. 1980. № 4. С. 8-13.

38. Бобе Л.С. К расчету конденсации пара при поперечном обтекании труб парогазовой смесью / Л. С. Бобе, Д.Д. Малышев // Теплоэнергетика. 1971. № 12. С. 84-86.

39. Берман Л.Д. К кинетике тепло- и массообмена в газовой фазе при интенсивном испарении жидкости / Л.Д. Берман II Теоретические основы химической технологии. 1974. Т. VIII. № 6. С. 811-822.

40. Idem S.A. Heat transfer characterization of a finned-tube heat exchanger (with and without condensation) / S.A. Idem, A.M.Jacobi, V.W. Goldschmidt II J Heat Transfer. 1990. V. 112. P. 64-70.

41. Кудинов А.А. Энергосбережение в теплогенерирующих установках. -Ульяновск: УлГТУ, 2000. 139 с.

42. Ильина Е.В. Основные факторы, определяющие эффективность глубокого охлаждения продуктов сгорания в газифицированных котельных / А.П. Баскаков, Е.В. Ильина // Промышленная энергетика. 2004. № 4. С. 46-49.

43. Калмыков М. В. Совершенствование работы ТЭС путем снижения тепловых потерь котельных установок / М.В. Калмыков II Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. Казань. 2004. 16 с.

44. Преображенский В.П. Теплотехнические измерения и приборы. М.: Энергия, 1978.568 с.

45. Тепло и массообмен. Теплотехнический эксперимент / Под ред. В.А.Григорьева, В.М. Зорина. М.: Энергоиздат, 1982. 510 с.

46. Тепловой расчет котлов (нормативный метод). СПб.: НПОЦКТИ, 1998.256 с.

47. Михеев М.А. Основы теплопередачи / М.А. Михеев. M.-JT.: ГЭИ, 1956.392 с.

48. Теплообменник для охлаждения парогазовой смеси / А.П. Баскаков, В.А. Мунц, В.П. Еремеев, В.А. Косарев, Е.В. Ильина // Патент РФ на изобретение № 2253078. Б.и, 2005, № 15.

49. Черепанова Е.В. Охлаждение продуктов сгорания газообразного топлива в ребристых теплообменниках / Черепанова Е.В. II Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Екатеринбург. 2005. 154 с.

50. Легкий В.М. Локальный теплообмен одиночной поперечно-омываемой круглой трубы с внешним кольцевым оребрением / В.М. Легкий., Я.С. Жолудов, О.А. Геращенко И ИФЖ. 1976. Т. XXX. № 2. С. 274-280.

51. Жукаускас А.А. Конвективный перенос в теплообменниках / А.А. Жу-каускас. М.: Наука, 1982. 472 с.

52. Исаченко В.П. Теплообмен при конденсации. М.: Энергия, 1977. 240с.

53. Яворский Б.М. Справочник по физике / Б.М. Яворский, А.А. Детлаф. М.: Наука, 1977. 942 с.

54. Бронштейн И.Н. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов / Бронштейн И.П., Семендяев К.А. М.: Наука, 1986. 544 с.

55. ГОСТ 17.2.4.08-90 «Методы определения влажности газопылевых потоков, отходящих от стационарных источников загрязнения». М.: Государственный комитет СССР по охране природы, 1991.

56. Рябчиков А.Ю. Разработка и обоснование методов совершенствования рекуперативных теплообменных аппаратов турбоустановок / А.Ю. Рябчиков II Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук. Екатеринбург. 2006. 42 с.