ORCID: 0000-0003-2649-0901 (Mykhailo Bozhenko)
В Україні сьогодні в експлуатації знаходяться багато водогрійних котелень систем централізованого та помірно-централізованого теплопостачання з котлами типу КВ-ГМ, в яких температура відхідних газів при спалюванні природного газу складає 140 – 190 о С, а коєфіцієнт корисної дії (ККД) коливається від 90, 5 до 92,5 % [1].
Зниження температури відхідних газів та підвищення ККД котлів можливе при використанні поверхневих чи контактних утилізаторів теплоти, в яких за рахунок охолодження димових газів можна нагрівати, наприклад, воду власних потреб котельні (сиру чи хімічно підготовлену) тощо.
Одним з ефективних теплоутилізаторів є контактний теплообмінний апарат з активною насадкою (КТАН – утилізатор), який відноситься до теплообмінників рекуперативно – змішувального типу. Сам апарат складається із корпуса, камери зрошення, активної насадки і сепараційного пристрою. В складі утилізаційної установки також є бак, фільтр і насос зрошувальної води [2]. В блоці активної насадки можуть нагріватися два або більше потоків води зовнішніх споживачів. Температура димових газів на виході з утилізатора може бути меншою за температуру точки роси димових газів, тобто від димових газів відводяться потоки так званої «явної» і «прихованої» теплоти. Для виключення конденсації водяних парів з охолоджених димових газів в газовому тракті котла і димовій трубі частина продуктів згоряння обводиться поза утилізатором, яка потім підмішується до охолоджених димових газів, в результаті температура суміші повинна бути не меншою за 60 о С.
Як приклад, розглянемо водогрійну котельню в м. Львові тепловою потужністю 25 МВт, в якій встановлено чотири котли КВ-ГМ-6,5. Витрата хімічно підготовленої води для підживлення теплової мережі складає Gхво = 3 кг/с, а сирої на водопідготовку – Gс.в = 3,6 кг/с.
Для нагрівання сирої і хімічно підготовленої води замість теплообмінників, в яких нагрівальним середовищем є вода після котлів, пропонується встановити КТАНи-утилізатори, які ефективно працюють за паровими та водогрійними котлами при спалюванні в них природного газу.
За технічними характеристиками одного з водогрійних котлів КВ-ГМ-6,5 обрані витрата природного газу (Bк = 830 м3/год) і температура відхідних димових газів ( tг`153 о С) [1].
За заданим складом природного газу визначені теоретичний об’єм повітря на його спалювання (Vºпов = 9,91 м3/м3) та теоретичні об’єми утворених димових газів, м3/м3: (трьохатомних газів VºRO2 = 1,06; азоту VºN2 = 7,84; водяних парів VºH2O = 2,2) [3].
В подальших розрахунках брали коефіцієнт надлишку повітря за котлами (αвідх = 1,15), вологовміст повітря (dпов = 0,01 кг/кг с.п), вологовміст палива
(dпл = 0,01 кг/кг с.пл), і за методикою [3] визначили: дійсний об’єм водяної пари в димових газах ( VH2O = 2,22 м3/м3), дійсний об’єм димових газів (Vг = 12,6 м3/м3), масу сухих димових газів ( Gгc = 13,79 кг / м3), вологовміст димових газів на виході з котла – на вході в теплоутилізатор ( dг` = 0,129 кг/кг с.г).
Ентальпію димових газів на виході з котлів – на вході в утилізатори, кДж/кг, визначали за формулою [3]
де cс.г і cп – теплоємність сухих димових газів і водяної пари в димових газах відповідно, кДж/(кг∙К).
В розрахунках брали cс.г = 1 кДж / (кг∙К), а cп = 1,97 кДж / (кг∙К), тоді
величина hг`= 514,4 кДж/кг.
Масову витрату сухих димових газів на виході з котла, кг/с, визначали за формулою [3]
З урахуванням наведених вище величин Bк і Gгc, величина Lгc= 3,18 кг/с.
Згідно з рекомендаціями, за котлом КВ-ГМ-6,5 можливе встановлення утилізатора КТАН-0,8 УГ номінальною теплопродуктивністю Qк.т = 0,8 МВт, а при їх встановленні за всіма котлами в котельні можлива номінальна теплопродуктивність КТАНів становитиме ΣQк.т = 3,2 МВт.
Необхідне навантаження споживачів власних потреб котельні, МВт, визначали за формулою [3]
де св – теплоємність води, кДж / (кг∙К); t'с.в і t''с.в – температури сирої води на вході в насадку утилізатора і виході з неї відповідно, о С; t'хво і t'хво – температури хімічно підготовленої води на вході в насадку утилізатора і виході з неї відповідно, о С.
Беремо св = 4,19 кДж / (кг∙К), а температури потоків води, що нагрівається в насадці, за рекомендаціями розробників утилізаторів: t'с.в = 5 о С, t''с.в = 20 о С, t'хво = 20 о С, t''хво = 50 о С, тоді величина Qсп = 0,68 МВт.
З порівняння величин ΣQкт і Qсп видно, що для нагрівання води власних потреб котельні достатньо КТАН-утилізатор встановити за одним з водогрійних котлів.
Порівняння величин Qсп і Qк.т для одного котла показує, що Qкт < Qсп, тому беремо дійсну теплопродуктивність встановленого за котлом КТАНа (Qке) такою, що дорівнює тепловому навантаженню споживачів, тобто Qк.е = Qсп.
Методом послідовних наближень визначили температуру димових газів за утилізаторам t''г = 45 о С, а за [3] для цієї температури обчислюємо ентальпію h''г= 189,92 кДж/кг та вологовміст d''г= 0,056 кг/кг с.г, і визначаємо коефіцієнт обвода (характеризує частку витрати димових газів, які пропускаються через утилізатор)
Величина цього коефіцієнта становить ηоб = 0,645.
Основні технічні характеристики обраного КТАНа-0,8УГ: дійсна площа поверхні теплообміну насадки F = 31,2 м2; площа поперечного перерізу утилізатора за напрямком руху димових газів sпрг= 0,39 м2; площа поперечного перерізу трубок насадки для руху води, що нагрівається sпрв= 0,0055 м2.
Об’ємну витрату димових газів в активній насадці, м3/с, визначали за формулою
де  - середня температура димових газів в активній насадці, о С.
Згідно з рекомендаціями [2] = 70 о С, тоді величина V = 2,36 м3/с.
За методикою [3] визначали еквівалентну витрату води, що нагрівається в насадці (G екв = 3,53 кг/с); швидкість продуктів згоряння в активній насадці (v г = 6,05 м/с); швидкість води в трубках насадки (ω в = 0,64 м/с); коефіцієнт тепловіддачі від димових газів до зовнішньої поверхні трубок насадки (α г = 424,6 Вт/(м 2∙К)); коефіцієнт тепловіддачі від трубок насадки до води, що нагрівається, при середній температурі води  = 27, 5 о С і внутрішньому діаметрі трубок насадки для обраного утилізатора d вн = 21 мм, (α в = 2954,7 Вт/(м 2∙К)); дійсний коефіцієнт теплопередачі при коефіцієнту використання поверхні нагрівання φ = 0,9, товщині стінкок трубок насадки δ ст = 2 мм і теплопровідності матеріалу трубок λ ст = 45 Вт/(м∙К), (k д = 328,7 Вт/(м 2∙К)); середній температурний напір для протитечійної схеми руху теплоносіїв (  = 66,7 о С).
З рівняння теплопередачі визначили необхідну площу теплопередавальної поверхні насадки (Fк.е = 31 м2), а розбіжність дійсної і необхідної площі поверхні нагрівання складає 0,6 %, що задовольняє умовам вибору за кінцевою температурою димових газів після теплоутилізатора.
Кількість утилізованої теплоти димових газів за опалювальний сезон при встановленні КТАНа за одним з котлів КВ-ГМ-6,5, ГДж/рік, визначали за формулою [3]
де tвн – температура внутрішнього повітря опалюваних приміщень, о С;
tср.о - середня температура зовнішнього повітря за опалювальний період, о С;
tр.о - розрахункова температура зовнішнього повітря на опалення, о С; nо – тривалість опалювального періоду, діб.
В розрахунках брали tвн = 20 о С, а за кліматологічними даними для м. Львова визначили tср.о = 0,4 о С, tр.о = - 19 о С, nо = 179 діб, тоді величина енергетичного ефекту становитиме Qут.оп = 5286 ГДж/сезон. З урахуванням вартості одиниці теплоти за даними Львівтеплоенерго 2089,83 грн/ГКал (498,77 грн/ГДж) економічна ефективність утилізації димових газів за одним водогрійним котлом КВ-ГМ-6,5 складе 2636498 грн/сезон.
СПИСОК ВИКОРИСТАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ
1. Алабовський О.М. Проектування котелень промислових підприємств: курсове проектування з елементами САПР : навч. посібник для студентів вузів із спец. «Промислова теплоенергетика» / О.М. Алабовський, М.Ф. Боженко, Ю.В. Хоренженко. – Київ : Вища школа, 1992. – 207 с.
2. Аронов И.З. Контактный нагрев воды продуктами сгорания природного газа / И.З. Аронов. – 2-е изд., перераб. и доп .– Л. : Недра, 1990. – 280 с.
3. Боженко М.Ф. Енергозбереження в теплопостачанні : навч. посіб./ М.Ф.Боженко, В.П. Сало. - Київ. : НТУУ «КПІ», 2008. – 268 с.
|
Голосування 
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License
Знайшли помилку? Виділіть помилковий текст мишкою і натисніть Ctrl + Enter