Введение к работе
Актуальность исследования. В настоящее время для подъема и укрепления экономики в России исключительное значение приобретает последовательное проведение энергетической политики, ключевым вопросом которой согласно федеральному закону РФ № 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности... » от 23 ноября 2009 г. является приоритетность энергосбережения перед наращиванием объемов добычи и производства энергоресурсов одновременно с повышением экологической эффективности.
В последнее время широкое применение в малой энергетике и ЖКХ получили блочные автоматизированные котельные (БАК) на базе водогрейных газотрубных котлов малой и средней мощности.
Теплообмен в топках малых котлов имеет существенное отличие от аналогичных процессов в топках энергетических котлов, связанное с их малыми размерами и отличиями в режимных параметрах работы, влияющими на физические условия протекания процесса, что приводит к снижению теплообмена излучением и к возрастанию доли конвекции в сложном теплообмене.
Применение вторичных излучателей (ВИ) в топках котлов усложняет расчет процесса теплообмена. В отличие от топочных газов ВИ имеет непрерывный спектр излучения, за счет чего переизлучает воспринятое от них тепло на радиационные поверхности топки с большей интенсивностью. Интенсификация теплообмена приводит к снижению максимальной температуры в ядре факела, способствуя уменьшению образования термических оксидов азота в топке котла.
Основным направлением повышения эффективности сжигания топлива является утилизация низкопотенциального тепла уходящих дымовых газов установкой за котлом высокоразвитых поверхностей нагрева. В результате охлаждения ниже температуры точки росы используется как физическое тепло дымовых газов, так и скрытая теплота парообразования содержащихся в них водяных паров.
Цель диссертационной работы - разработка методов повышения технико-экономических и улучшения экологических показателей газотрубных котлов использованием ВИ и утилизацией теплоты уходящих дымовых газов.
Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи.
Выполнен анализ особенностей видов конструкции и режимов работы газотрубных котлов, существующих методов расчета теплообмена в топках и камерах сгорания, особенностей теплообмена в топках малых котлов и способов его интенсификации, типовой тепловой схемы водогрейных БАК.
Разработана математическая модель теплообмена в цилиндрической котельной топке, учитывающая конвективную составляющую и влияние ВИ.
Предложены варианты тепловых схем БАК с утилизацией теплоты уходящих дымовых газов и разработана методика расчета коэффициента байпаси-рования «горячих» газов.
Разработан программный продукт для выполнения численных исследований влияния ВИ на теплообмен в цилиндрической топке и эффективности установки конденсационного охладителя дымовых газов (КОДГ).
Оценена адекватность математической модели теплообмена в цилиндрической топке экспериментальным результатам.
Определена технико-экономическая и экологическая эффективность предложенных технических решений.
Объектом исследования были водогрейные газотрубные котлы типа КВСА, в настоящее время широко применяемые в малой энергетике и ЖКХ; предмет исследования - влияние ВИ на процесс теплообмена в цилиндрической котельной топке и образование термических оксидов азота; способ утилизации низкопотенциальной теплоты уходящих газов.
Методы исследования. Теоретическая часть работы основана на использовании метода математического моделирования уравнений теплообмена и теплового баланса. При решении систем уравнений математической модели применялся метод итераций. Численные исследования проводились с помощью разработанного программного продукта. Экспериментальные исследования осуществлялись при выполнении режимно-наладочных испытаний котлов.
Научная новизна работы заключается в следующем.
На основе нормативного метода теплового расчета котлов разработана математическая модель теплообмена в цилиндрической котельной топке, учитывающая конвективную составляющую и влияние ВИ.
Предложены для реализации утилизационные тепловые схемы БАК, разработана методика расчета коэффициента байпасирования «горячих» газов, учитывающая конструкцию дымовой трубы (ДТ) и климатические условия.
Исследовано влияние ВИ на теплообмен в цилиндрической котельной топке и образование термических оксидов азота.
Определена эффективность установки КОДГ с учетом байпасирования части «горячих» дымовых газов.
Достоверность научных положений и результатов исследования подтверждается применением современных методов исследования, основанных на использовании нормативного метода теплового расчета котельных агрегатов, выбором сертифицированной измерительной аппаратуры, сопоставлением результатов расчетов с экспериментальными данными.
Автор защищает:
математическую модель теплообмена в цилиндрической котельной топке, учитывающую конвективную составляющую и влияние ВИ;
утилизационные тепловые схемы БАК и методику определения коэффициента байпасирования;
результаты численных исследований влияния ВИ на теплообмен в цилиндрической топке и образование термических оксидов азота;
результаты численных исследований эффективности установки КОДГ с учетом байпасирования части «горячих» дымовых газов.
Практическая ценность диссертации заключается в разработке способа снижения выбросов термических оксидов азота установкой ВИ в топке котла, методики расчета коэффициента байпасирования «горячих» дымовых газов и программного продукта теплового расчета газотрубного котла и определения эффективности установки КОДГ.
Апробация работы. Результаты исследований по теме диссертации докладывались и обсуждались на всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Проблемы теплоэнергетики» (Челябинск, 2006); 3-й международной научно-технической конференции «Энергетика, экология, энергосбережение, транспорт» (Омск, 2007); международной научно-технической конференции «Энергосбережение в тепло-, электроэнергетике и теплотехнологиях» (Омск, 2010); на расширенных заседаниях кафедры «Теплоэнергетика» ОмГУПСа (Омск, 2010) и ОмГТУ (Омск, 2010).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ (из них три статьи - в изданиях, рекомендованных ВАКом) и один патент на полезную модель.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы из 115 наименований, 10 приложений и содержит 141 страницу основного текста, 48 рисунков и девять таблиц.
