Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние вопроса и анализ данных об эксплуатации воздухоподогревателей из стеклянных труб 11
1.1« Применение СВП как один из способов повышения эффективности использования сернистого топлива 11
1.2. Мзст СВП котельной установке и особенности конструкции 15
1.3. Обзор существующих уетановок СВП, их развитие и классификация 20
1.4. Исследование влияния температурных параметров, загрязнения и разрушения стеклянных труб на эф фективность работы СВП 25
1.5. Анализ существующих рекомендаций по расчету коэффициентов теплоотдачи при поперечном и продольном обтекании пучков труб 34
1.6. Постановка задачи и цели исследования 38
2. Исследование тешюобшна в пучке стеклянных труб при при поперечном й продольном внутреннем обтеканий воздушным потоком 41
2.1. Описание экспериментальной установки 42
2.2. Мзтодика проведения и обработки результатов опытов 47
2.3. Результаты опытов по изучению теплообмена в пучке стеклянных труб при поперечном и продольном внутреннем обтекании 51
2.4. Основные выводы 56
3. Исследование аэродинамики пучка стеклянных труб 58
3.1. Описание экспериментальной установки и методики проведения эксперимента 59
3.2. Определение влияния выступов торцевых участков труб за плоскость трубной доски на аэродинамическое сопротивление СВП 62
3.3. Основные выводы 67
4. Промышленные испытания и статистические исследования установок воздухоподогревателей из стеклянных труб .. 68
4.1. Описание объекта исследования и методики прове дения испытания 68
4.2. Результаты промышленного испытания установки СВП 76
4.3. Расчетные нагрузки и напряжения в стеклянных трубах теплопередающей поверхности воздухопо догревателя 83
4.4. Анализ статистических данных о разрушении стек лянных труб 89
4.5 Основные выводы 93
5. Исследование пршностных характеристик стеклянных труб экспериментальным методом 97
5.1. Описание экспериментальной установки и методики определения разрушающих напряжений в стеклянных трубах 98
5.2. Сопоставление экспериментальных и статистических данных о разрушении стеклянных труб 104
6. Оптимизация установок свп и их эконошческая эффективность 107
6.1. Обоснование выбора определяющих параметров СВП и его тепловой баланс 107
6.2. Обобщенная методика расчета ОВП при оптимальных конструктивных и режимных параметрах 120
6.3. Анализ распространенных способов защиты ТВП от низкотемпературной сернокислотной коррозии 12?
6.4. Анализ структуры затрат и оценка экономического эффекта применения СВП 133
6.5 Основные выводы І40
Заключение 143
Литература 147
Приложение
- Исследование влияния температурных параметров, загрязнения и разрушения стеклянных труб на эф фективность работы СВП
- Результаты опытов по изучению теплообмена в пучке стеклянных труб при поперечном и продольном внутреннем обтекании
- Определение влияния выступов торцевых участков труб за плоскость трубной доски на аэродинамическое сопротивление СВП
- Расчетные нагрузки и напряжения в стеклянных трубах теплопередающей поверхности воздухопо догревателя
Введение к работе
На ХХУП съезде КПСС отмечалось, что развитие научно-технического прогресса должно в полной мере соответствовать уровню развития современного социалистического общества и должно происходить с ускорением перевода советской экономики на путь интенсификации [I].
Теплоэнергетика, как отрасль народного хозяйства, во многом определяет успешное и динамичное развитие экономики етраны в целом Одной из важнейших проблем современной теплоэнергетики является проблема эффективного использования топлива в котлах малой и средней мощности, которые являются многочисленными базовыми установками сиетем теплоснабжения, промышленной теплоэнергетики и до настоящего времени имеют ощутимое значение для тепловых электростанций.
Отечественная теплоэнергетика имеет замечательную особенность, которая заключается в применении для топяивоиспользую щих установок широкого спектра органических топлив, включая низкосортные и сернистые. В Основных направлениях экономического и социального развития СССР на 1986-1990 годы и на период до 2000 года [2] предусматривается дальнейшее совершенствование топливного баланса при тенденции использования углей месторождений Восточной Сибири, а также природного газа, однако доля использования в качестве энергетического топлива сернистого мазута и сернистых углей, например Львовско-Волын-ского и Донецкого месторождений, останется значительной на бу дущий обозримый период времени.
Научно-технические проблемы, связанные с эффективным использованием топлива, особенно жидкого, отличающегося выеокой стоимостью, являются весьма актуальными в свете положений Энергетической программы СССР [3], где говорится о том, что необходимо "... с учетом новых условий развития энергетики страны осуществить коренное совершенствование структуры энергопотребления путем экономии топлива и энергии во всех сферах народного хозяйства прежде всего за счет совершенствования технологии производства, создания и внедрения энергосберегающего оборудования, машин и аппаратов,"
Сжигание в котлах серосодержащих топдив в большинстве случаев влечет за собой проявление процессов сернокислотной коррозии в конвективных низкотемпературных теплопередающих поверхностях, в первую очередь в воздухоподогревателях и приводит к повышению температуры уходящих газов. В данном случае для эффективного использования топлива необходимо наличие оптимального технического компромисса между приемлемой величиной потерь энергетически ценного тепла и обеспечением надежной работы воздухоподогревателя, а также внешних металлических газоходов котла и дымососов по условию отсутствия интенсивных коррозионных процессов, сопровождающихся эоловыми отложениями, которые приводят к снижению нагрузки котла и в ряде случаев к аварийным ситуациям.
Одним из путей решения данной многоплановой проблемы является применение неметаллических коррозионностойких материалов, например стеклянных труб, для изготовления теплопередающих поверхностей воздухоподогревателей рекуперативного типа. Такое решение способствует экономии топлива, предполагает сведение к минимуму нежелательные последствия низкотемпературной сернокислотной коррозии при длительной эксплуатации котлов и вместе с тем дает возможность более широкого применения стеклянных труб как нетрадиционного материала в котельной технике Для промышленности нашей страны стала характерной прочно устанавливающаяся тенденция вытеснения металлических труб трубами из неметаллических материалов, в том числе стеклянными при сооружении трубопроводных коммуникаций, теплообменных аппаратов и различных технологических установок Это прогрессивное направление узаконено нормативными документами Госстроя СССР [53, 83].
К настоящему времени имеется целый ряд научных работ по воздухоподогревателям со стеклянными трубами, накоплен разнообразный, не иногда противоречивый опыт их проектирования, монтажа и эксплуатации Однако до сих пор фактически отсутствует научная систематизация применяемости данных установок, еще не достаточно глубоко изучена специфика стеклянных труб в качестве основного элемента рекуперативных теплообменников, существующие методики теплотехнических расчетов не дают возможности проектирования воздухоподогревателей со стеклянными трубами с использованием принципов оптимизации как по конструктивным, так и по режимным параметрам Данная диссертация посвящена исследованию применяемости стеклянных труб для воздухоподогревателей котлов, работающих на сернистых топливах, главным образом на сернистых мазутах Работа проводилась по следующим направлениям:
системный анализ статистических данных по результатам эксплуатации действующих установок;
исследование экспериментальными методами проявления специфических свойств стеклянных труб, работающих в условиях конвективного теплообмена между газовыми средами при конкретных конструктивных параметрах;
промышленные испытания воздухоподогревателя со стеклянными трубами с целью исследования его теплотехнических характеристик и режимных параметров;
теоретическая разработка специальной методики проектирования данных установок с учетом результатов исследований и экспериментов.
Работа над диссертацией производилась автором при кафедре теплотехники и котельных установок ШСИ им. В.В.Куйбышева.
Исследовательские и экспериментальные работы на стендах производились в проектно-экспериментальном отделе ВНИПКИлегпрод-монтажа и в лаборатории ВТИ им. Ф.Э.Дзержинского. Промышленные испытания проходили на промышленной ТЭЦ г Грозного.
Диссертационная работа ставит своей задачей показать целесообразность и технико-экономическую обоснованность применения воздухоподогревателей из стеклянных труб в котлах с целью повышения эффективности использования топлива и внедрения неметаллических материалов в теплоэнергетику На защиту выносится:
1. Результаты системного анализа применяемости стеклянных труб для воздухоподогревателей с выявлением определяющих режимных параметров и конструктивных характеристик.
2. Результаты исследования теплообмена и аэродинамических характеристик в пучке стеклянных труб с учетом промышленных испытаний.
3. Результаты статистических и экспериментальных исследований прочностных свойств стеклянных труб.
Методика оптимизации проектных решений воздухоподогревателей со стеклянными трубами.
Основное содержание диссертации изложено в публикациях [39, 40} 41, 42, 43, 44, 45, 71, 87], отдельные результаты работ по диссертационной теме докладывались на научно-теоретических конференциях ШСИ им. В.В.Куйбышева и Туркменского политехнического института в 1983 и 1984 годах.
Автор выражает свою искреннюю благодарность научному руководителю - кандидату технических наук, доценту кафедры теплотехники и котельных установок ШСИ им. В.В.Куйбышева Б.А.Пермя-кову за неоценимую помощь в написании диссертации.
Автор выражает свою признательность заведующему проектно-экспериментальным отделом ВНИШШлегпродмонтажа Е.И.Езерскому за содействие в изготовлении и наладке лабораторных стендов Автор выражает свою признательность инженерно-техническим работникам и эксплуатационному персоналу Объединенной Грозненской ТЭЦ (ст. № I), принимавшим непосредственное участие в организации и проведении промышленных испытаний.
Исследование влияния температурных параметров, загрязнения и разрушения стеклянных труб на эф фективность работы СВП
Как правило, ТВП является обязательным элементом для паровых котлов малой и средней производительности и имеет значительную металлоемкость. Его масса составляет в среднем 20$ массы металла всего котла [її]. Для локализации повреждаемости ТВП от интенсивной сернокислотной коррезии, которая в большинстве случаев сопровождается значительными, весьма труд ноу даляешш, эоловыми отложениями [35, 36, 37] , применяются съемные секции, у которых теплопередающая поверхность работает при температуре ниже температуры точки росы серной кислоты. Эти секции заменяются по мере их коррозионного износа, который происходит, как правило, за 1-1,5 года. Обычно съемные секции составляют от 15 до 30$ массы ТВП, при этом получается, что за 15-20 лет эксплуатации котла, работающего на сернистом топливе, на замену только съемных секций может потребоваться количество металла равнее всей его металлической массе.
По данным [5, 6, 22, 95] установлено, что при нормальных избытках воздуха в топочной камере котла достичь приемлемой скорости коррозии стенки трубы ТВП не более 0,2 мм/год удается, если поддерживать температуру стенки теплопередающей поверхности не ниже 140С. Эту температуру стенки возможно достичь при помощи предварительного подогрева холодного воздуха, поступающее в ТВП.
В настоящее время разработан и внедрен целый ряд способов предварительного подогрева холодного воздуха для поддержания минимальной температуры стенки ТВП выше температуры точки росы серной кислоты, наиболее распространенными из которых являются следующие: подогрев холодного воздуха при помощи рециркуляции горячего воздуха во всасывающую линию дутьевого вентилятора; подогрев холодного воздуха в паровых калориферах; каскадный подогрев холодного воздуха; подогрев холодного воздуха в секциях ТВП с эмалиевымн покрытиями.
Достоинства и недостатки каждого из этих способов далее будут рассмотрены более подробно.
В данной диесертациенной работе рассматривается применение воздухоподогревателей из стеклянных труб(СВП) для котлов, работающих на сернистом топливе.
Использование СВП для предварительного подогрева холодного воздуха позволяет решить комплекс вопросов по повышению эффективности использования топлива, снижению металлоемкости и увеличению надежности котлов. Этот комплекс можно подразделить на отдельные составляющие: увеличение кпд котла путем снижения температуры уходящих газов до оптимального уровня, что достигается увеличением температурного напора на "холодной" стороне СВП, увеличением коэффициента использования теплопередающей поверхности при уменьшении загрязнений и, в экономически обоснованных случаях, развитием воздухоподогревательной поверхности за счет СВП; экономия электроэнергии на привод тягодутьевых машин при уменьшении доли рециркуляции горячего воздуха, уменьшении перетечек воздуха в газовый тракт при отсутствии коррозии труб ТВП, уменьшении аэродинамического сопротивления по газовому тракту при отсутствии забивания труб "холодной" части ТВП эоловыми отложениями; уменьшение расхода металла и трудозатрат на реновацию съемных секций ТВП; устранение ограничения нагрузки котла из-за перегрузки дымососов.
В зависимости от вида сжигаемого топлива, условий эксплуа тации и конструкции котла, величина экономии по каждой из вышеперечисленных составляющих будет иметь различное значение, но при современной конъюнктуре цен на топливо и металл справедливым будет утверждение, что доминирующей статьей экономии является уменьшение потери тепла с уходящими газами, а на котлах, не оборудованных воздухоподогревателями, эта статья экономии является единственной
Результаты опытов по изучению теплообмена в пучке стеклянных труб при поперечном и продольном внутреннем обтекании
В процессе проведения целевых опытов по уточнению определения коэффициентов теплоотдачи теплопередающей поверхнсти ОВП на моделях с натуральным конструктивным исполнением получен ряд значений среднего по поверхности коэффициента теплоотдачи по внешней и внутренней сторонам трубного пучка.
Опыты на поперечном обтекании стеклянных труб с определенной геометрией коридорного пучка происходили при расчетных скоростях движения среды W = 2,8...8,2 м/с, при этом число Рейнольca находилось в интервале Re = (7,7...22,7)»10 . Такой режим соответствует реальным условиям эксплуатации действующих установок СВЇЇ.
Коэффициент пропорциональности в критериальном уравнении вида (2,1) рассчитывался для каждого отдельного опыта по формуле: С2 = 0,98 - поправка на число рядов пучка труб теплообменника экспериментальной установки.
Значения данного коэффициента за исключением опытов, давших "промахи", находится в интервале 0,206,,,0,215, среднегеометрическая его величина составляет 0,21. На рис. 2.4 показаны кривые по завиеимости Nu = -f (Re), построенные по уравнению вида (2.1) для максимального и минимального значений коэффициентов пропорциональности и поправочного коэффициента на геометрию коридорного пучка, приведенных в [59] и [54]. Здесь же представлена кривая, построенная по результатам эксперимента. Как видно из рисунка, экспериментальная кривая отчетливо занимает промежуточное положение.
Теплообмен при продольном внутреннем обтекании пучка стеклянных труб изучался при изменении скорости движения потока в пределах W = 39,8...68,9 м/с и числа Рейнольдса Re « (9,5... ...I6,5) I0 ;, что соответствует форсированнему режиму работы теплопередающей поверхности СВП. Данный режим выбран для получения более достоверных результатов, позволяющих выявить влияние шероховатости поверхности труб на интенсивность теплообмена.
Коэффициент пропорциональности в критериальном уравнении вида (2.2) также рассчитывался для каждого отдельного опыта по s Co = 1,07 - поправочный коэффициент на входной участок трубы при -І/& « 28,4, рассчитанный по данным [54].
Рассматриваемый ряд значений коэффициентов ограничивается числами 0,0142...0,0159. Среднегеометрическая величина коэффициента пропорциональности - 0,015. Кривые по зависимости Nu.e-f (Re), построенные на основании нормативных и экспериментальных данных, показаны на рис. 2.5 При сопоставлении положения расчетной и экспериментальной кривой видно, что теплоотдача стеклянных труб ощутимо меньше теплоотдачи металлических.
Погрешность в вычислении значений коэффициентов пропорциональности критериальных уравнений при данной методике проведения эксперимента является максимальной погрешностью функции измеренных величин и определяется точностью измерительных приборов. Составляющая относительной погрешности функции от измерения динамического напора воздушного потока с учетом степенней зависимости в формулах (2.3), (2.10), (2.II) не превышает 2% при поперечном и 1,6$ при продольном обтекании. Измерения температуры производились с относительной погрешностью до 1% для термопар и до 0,4$ для лабораторных термометров. Геометрические параметры вычислены с относительной погрешностью 0,3$.
Функция данных переменных и параметров, полученная при подстановке в выражения (2.10) и (2.II) формул (2.3), (2.4), (2.7), (2.8), имеет суммарную относительную погрешность, не превышающую \% при поперечном и 3,5$ при продольном обтекании. Результаты проведенных опытов показывают на целесообразность учета специфики исполнения теплопередающей поверхности воздухоподогревателя с определенной геометрией коридорного пучка из стеклянных труб с шероховатостью внутренней поверхности стенок другого порядка по сравнению с металлическими трубами. При поперечном обтекании коридорного пучка с фиксированной скоростью потока на интенсивность теплообмена определяющее влияние оказывает величина относительного продольного шага труб, что видно из формулы (1.3), но по данным исследований, приведенных о к в [58] для значений числа Рейнольдса в интервале Re» 10 ...2-10 э куда подпадает проведенный эксперимент, интенсификация теплообмена при уменьшении относительного продольного шага труб коридорного пучка происходит до определенного предела, а затем теплообмен ухудшается. Поэтому коэффициент пропорциональности критериального уравнения теплообмена, полученный на сновании экспериментальных данных, можно рекомендовать только для коридорных пучков труб 0 45 мм с относительным продольным и поперечным шагом, которые мало отличаются от значений S,/d « 2,1 и S2/ct= 1,33. Коэффициент теплоотдачи для газового потока при условии Рг 0»7 и после подстановки известных величин в критериальное уравнение, что допустимо для инженерных расчетов, можно определить по формуле
Определение влияния выступов торцевых участков труб за плоскость трубной доски на аэродинамическое сопротивление СВП
Специальная и нормативная литература [II, 69, 70] приводит рекомендации для расчета местного сопротивления для ТВП по внут ренней стороне, который зависит от отношения площади живого сечения пучка труб и общей площади трубной доски. Формула, позволяющая рассчитать аналитически коэффициент местного сопротивления входа-выхода трубного пучка согласні [70], записывается следующим образом:
В [бі] указаны дискретные значения коэффициента местного сопротивления при входе в канал с прямыми выступающими кр@мка-ми, величина которого определяется, в основном, длиной выступа и соотношением с ним толщины стенки кромки. На основании данных рекомендаций представляется весьма затруднительным составление аналитической или дискретной зависимости коэффициента местного сопротивления входа-выхода в пучок труб СВП, так как в первом случае не учитывается наличие выступа, а во втором случае не учитывается отношение FM/F . Для этой цели наиболее приемлемым будет графоаналитический метод обработки полученных результатов эксперимента.
Суммарный коэффициент сопротивления пучка стеклянных труб для серии из п опытов определялся из выражения: - Коэффициент сопротивления трения в пучке стеклянных труб при внутреннем обтекании воздухом рассчитывался согласно рекомендациям [69] по формуле:
Из таблицы видно, что среднее значение коэффициента сопротивления, получение» экспериментальным 0 и расчетным путем -р , имеет хорошую сходимость, их значения отличаются всего на д$ . Это позволяет предполагать, что для раечета потерь на трение в пучке труб СВП, имеющих среднюю шероховатость на порядок меньше, чем трубы ТВП, возможно применять общепринятую методику [69, 70]# При обработке результатов дальнейших опытов аэродинамическое сопротивление трению определялось расчетным путем Коэффициент местного сопротивления для пучка с различной длиной выступа за плоскость трубной доски определялся из выражения:
Б приложении 5 представлены результаты опытов по определению коэффициентов местного сопротивления, а на рис. 3.2 показана зависимость средней величины J от величины выступов труб за плоскость трубной доски, что при увеличении величины выступа от О до 150 мм возрастает почти на 30$. Особенно резкое его возрастание наблюдается при изменении выступа от 0 до 40 мм.
Относительная погрешность вычисления величины коэффициента местного сопротивления по формуле (3 6) зависит, в основном, от погрешности измерения статического и динамического давления воздушного потока в аэродинамической трубе максимальная относительная погрешность функции переменных и параметров в данном случае не превышает 4& В процессе проведения опытов исследованию подвергался пучок стеклянных труб длиной 750 мм, что определялось возможностями экспериментальной установки. Для реальных устаневок СВП в еуммар-ном коэффициенте аэродинамического сопротивления составляющая сопрошивления трения будет иметь большее значение прямопропорцио-нальное длине трубы, С учетом этого, применяя меіід экстраполяции, рассчитаны поправочные коэффициенты, на которые следует умножать значение нормативного коэффициента местного сопротивления входа-выхода, определяемого по [69]. Значения данных коэффициентов вычислены для стеклянных труб длиной 1,5...2,0 м.
Расчетные нагрузки и напряжения в стеклянных трубах теплопередающей поверхности воздухопо догревателя
В качестве расчетной схемы для анализа напряжений предлагается однопролетная балка с шарнирными опорами на концах, которая полностью соответствует реальной конструкции. Нагрузки, которые испытывает стеклянная труба в пучке коридорного расположения, можно подразделить на следующие: нагрузка от собственной массы и массы золовых отложений (равномерно распределенная, с максимумом напряжений в середине пролета трубы); нагрузка, вызванная перепадом температур в стенке трубы при теплообмене (с максимумом напряжений в месте наибольшего температурного напора); циклическая нагрузка, обусловленная периодическим изменением подъемной силы, действующей на пучок труб (напряжения равномерно распределены по длине трубы); нагрузка от реакции заделки в осевом направлении (напряжения равномерно распределены по джине трубы).
Весовые напряжения в трубах СВП распределены неравномерно по его объему, что связано с механизмом загрязнения и свойствами золовых отложений. В нашем случае рассматривается предельное напряженное состояние, поътому расчетными являются максимальные весовые напряжения. Они получаются при данной расчетной схеме, если ориентироваться на твердые золовые отложения при условии, что ими полностью занято пространство в направлении продольного шага, ограниченное по ширине боковыми образующими труб.
Твердые отложения продуктов сгорания сернистого мазута можно рассматривать как наиболее тяжелый случай нагружения СВП. Сыпучие, рыхлые, липкие золовые отложения продуктов сгорания как жидкого, так и твердого топлива имеют плотность, значительно меньшую.
Максимальные нормальные напряжения от весовой нагрузки для рассматриваемой расчетной схемы имеют место на верхней и нижней образующей трубы [84, 85, 86] и рассчитываются по формуле: где: q - равномерно распределенная нагрузка по длине трубы,
Н/м; і - расстояние между заделками трубы, м; W - момент сопротивления поперечного сечения трубы, м Для расчета температурных напряжений в стенке стеклянной трубы согласно [25, 79] рекомендуется следующая формула: где: оС - коэффициент линейного расширения, I/Q0; - модуль упругости, Ша; jvi - коэффициент Пуассона;
А - отношение наружного и внутреннего диаметра трубы; A tc - перепад температур в стенке стеклянной трубы, С,
Очевидно, что температурные напряжения будут иметь максимальное значение там, где имеет место наибольший температурный напор в объеме СВП. Однако для рассматриваемой расчетной схемы более рационально ориентироваться на наиболее нагруженное сечение стеклянной трубы, то есть на середину пролета, где локальный температурный напор определяется из выражений:
СВП в один и два хода соответственно, С; $ - средняя температура дымовых газов, С; t - средняя температура воздуха, С. Как правило, создание универсальных расчетных методик тре Оует некоторых допущений, которые упрощают математические вычисления и уменьшают количество исходных данных для расчета. В нашем случае целесообразно определять перепад температур в стенке трубы для случая компоновки в один ход. При этом для температуры газов в интервале 2Ю...150С и температуры воздуха в интервале ЗО...ПОС, что соответствует практической области применения СВП, расхождение значений Д"Ьу и Atrj- не превышает 1% в сторону увеличения значения расчетных напряжений. Поэтому в общем случае для определения расчетного температурного перепада в стенке трубы СВП рекомендуется формула
