3334

УДК 658.567

М.В. Малеваный, студент; Р.А. Пивоваров, студент; И.В. Жемчужников, студент

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ГАЗООЧИСТНОЙ УСТАНОВКИ НА ОСНОВЕ РАЗНОТЕМПЕРАТУРНОГО КОНДЕНСАЦИОННОГО ФИЛЬТРА

Аннотация: рассмотрена установка для очистки воздуха от загрязнений на основе разнотемпературного конденсационного фильтра, выявлены особенности её работы на основании результатов теоретических и экспериментальных исследований. Предложен вариант компактной конструкции фильтра, позволяющий увеличить эффективность газоочистки

Ключевые слова: конденсация, фильтр, газоочистка, температура, тепломассообмен, эффективность

Сжатый воздух широко используется в производстве, в частности для питания пневматических и пневмогидравлических систем.

Компоненты загрязнений сжатого воздуха можно разделить на три группы: твёрдые загрязнения, влагу (вода и компрессорное масло в жидкой и паровой фазе, растворы кислот и щелочей), газообразные соединения. Наибольшую часть загрязнений составляют вода и твёрдые примеси [1].

Значительная часть твёрдых и жидких загрязнений вносится в линию нагнетания компрессора вместе с атмосферным воздухом при отсутствии фильтра на входе или при плохой его работе [1–2].

Воздействие загрязнений на пневмосистему подразделяется на физическое, химическое и электролитическое. Физическое воздействие загрязнений заключается в абразивном износе проточной части компрессоров и пневмодвигателей, повреждении и заклинивании трущихся деталей из–за коррозионных явлений и отложений, закупорке отверстий и сопел влагой, льдом, твёрдыми частицами и др. Выход из строя пневмоустройств по этой причине составляет до 80 % от общего числа отказов, а износ лопаточного аппарата турбокомпрессоров увеличивается с 2 до 7 раз [2].

Несовершенство газоочистительного оборудования обуславливается отсутствием универсальной установки, способной давать высокую степень очистки газов с различными степенью загрязнения, размерами отделяемых частиц и другими факторами, влияющими на выбор оборудования для очистки газа.

161

Перспектива использования универсальных газоочистных установок, основным узлом которых является фильтр с разнотемпературным рабочим каналом, подтверждается многочисленными экспериментальными и теоретическими исследованиями, отражёнными в работах [3–7] и др.

Рассмотрим принципиальную установку на основе разнотемпературного конденсационного фильтра. Основными узлами установки (рис.1) являются компрессор 1, увлажнитель 7, подогреватель 10, разнотемпературный конденсационный фильтр 22 (рис. 2), влагоотделитель 17. Фильтр выполнен в виде цилиндрической ёмкости, внутри которой двумя поверхностями (горячей и холодной стенками) образован канал для прохода газового потока [6]. Пространство между неподвижной горячей стенкой 3 и корпусом фильтра 1 заполнено горячей водой, требуемая температура которой достигается с помощью электронагревателей. Холодная стенка канала фильтра 5 может перемещаться по специальным направляющим и фиксироваться в заданном положении, определяющем ширину канала. Необходимая температура холодной поверхности обеспечивается изменением параметров и расхода проточной холодной водой, проходящей через коробчатую ёмкость. Коробчатая ёмкость соединяется с трубопроводом холодной воды 6 съёмным эластичным элементом. Для сбора и измерения количества выделяемого конденсата в нижней части камеры предусматривается система отвода конденсата 7. Сжатый воздух, вырабатываемый компрессором, подавался в разнотемпературный фильтр, в котором происходила конденсация влаги. Часть конденсата улавливалась в фильтре, а оставшаяся часть – в расположенном за ним влагоотделителе. Комплект, состоящий из увлажнителей и подогревателя, позволял изменять влажность и температуру воздушного потока в широком диапазоне. Изменение расхода и давления сжатого воздуха осуществлялось с помощью регулирующих задвижек и настройки компрессора.

В процессе экспериментальных исследований изучались закономерности тепломассообмена в фильтре для использования их при разработках промышленных разнотемпературных конденсационных фильтров для осушения больших количеств газовых потоков или для очистки газообразных промышленных выбросов [7].

162

зацией. Также подмечено, что эффективность процесса очистки в конденсационном фильтре повышается с увеличением расхода и давления газа в разнотемпературном канале. Но в то же время, при дальнейшем увеличении скорости газового потока в фильтре может наблюдаться значительный унос аэрозольных примесей ввиду того, что они не будут успевать осесть в рабочем канале. Это приведёт к резкому снижению эффективности очистки такого аппарата.

Согласно работе [4] разнотемпературный конденсационный фильтр эффективнее производит очистку потока газа, когда рабочий режим характеризуется наличием преобладающего начального участка гидродинамической и тепловой стабилизации в отличии от режима, когда наблюдается развитая гидродинамическая и тепловая стабилизация.

Рис. 2. Разнотемпературный конденсационный фильтр:

1 – корпус; 2 – подвод и отвод горячей воды; 3 – горячая стенка; 4 – поток в камере; 5 – емкость холодной воды; 6 – трубопроводы холодной воды; 7 – спуск конденсата

Учитывая имеющиеся замечания, а также исходя из экспериментальных и теоретических исследований, целесообразным вариантом является использование разнотемпературного конденсационного фильтра, имеющего следующую конструкцию (рис. 3).

Предлагаемый разнотемпературный фильтр содержит корпус 1, с газовым трактом 2, образованным витками цилиндрической спирали 3, нагреваемым цилиндром 4, установленным в центральной

164

части упомянутой спирали, и охлаждаемыми стенками корпуса 5. Стенки корпуса 5 содержат полость полость 6 со штуцерами подвода 7 и отвода 8 охлаждающей воды. Между витками цилиндрической спирали 3 и охлаждаемыми стенками корпуса 5 для возможности безпрепятственного стекания конденсата имеется зазор 9. Газовый тракт 2 соединен с подводящим 10 и отводящим 11 штуцерами для подвода и отвода очищаемого газа. С обоих торцов корпус закрыт крышками 12 и 13, в которых установлены подводящие 7, 10 и отводящие 8, 11 патрубки. На крышке 13 имеется штуцер 14 для отвода конденсата.

Рис. 3. Предлагаемый разнотемпературный конденсационный фильтр

Рис. 4. Предлагаемый разнотемпературный конденсационный фильтр в аксонометрии

165

Предложенный разнотемпературный конденсационный фильтр работает следующим образом (рис. 4).

Очищаемый газ подаётся в подводящий патрубок 10 и далее поступает в газовый тракт 2, образованный витками цилиндрической спирали 3, нагреваемым цилиндром 4, установленным в центральной части упомянутой спирали, и охлаждаемыми стенками корпуса 5, при этом ширина газового тракта 2 равна его высоте. Стенки корпуса 5 содержат полость 6 со штуцерами подвода 7 и отвода 8 охлаждающей жидкости. Очищаемый газ проходит по разнотемпературному газовому тракту 2, образованному витками цилиндрической спирали 3, горячим цилиндром 4, установленным в центральной части упомянутой спирали, и холодными стенками корпуса 5. В упомянутом разнотемпературном газовом тракте 2 происходит конденсация водяных паров на ядрах конденсации, например, механических примесях, газовых ионах и на поверхности самопроизвольно образующихся зародышей, и их рост до размеров капель. Конденсат стекает через зазор 9 под действием силы тяжести и отводится из корпуса через штуцер 14. Далее очищенный газ подаётся в отводящий патрубок 11 и выводится из корпуса 1 наружу для дальнейшего использования.

Данная конструкция позволяет сохранить принцип работы исходного фильтра, при этом уменьшая его габаритные размеры. Спиральная организация очищаемого потока способствует увеличению зоны контакта очищаемого потока с разнотемпературной камерой и созданию вихревых потоков из–за центробежных сил и трения о стенки разнотемпературного канала, создающих дополнительные условия для соприкосновения и увеличения конденсирующихся частиц.

Использование предлагаемой конструкции фильтра позволит уменьшить габаритные размеры фильтра, увеличить длину рабочего тракта и повысить эффективность работы газоочистной установки.

Также стоит отметить, что для предлагаемого варианта конструкции разнотемпературного фильтра в настоящий момент проводятся дополнительные исследования, анализ которых более полно отобразит его эффективность.

Литература 1. Кудрявцев, А.И. Очистка сжатого воздуха для пневматиче-

ских систем и приводов станков, прессов литейных и других машин:

166

отраслевой руководящий материал / А.И. Кудрявцев, А.П. Пятидверный. – М.: НИИМАШ, 1969. – 132 с.

2.Кузнецов, Ю.В. Сжатый воздух / Ю.В. Кузнецов, М.Ю. Кузнецов. – Екатеринбург: УрОРАН, 2007. – 2–е изд., перераб. и доп. – 499 с.

3.Черниченко, В.В. Универсальный разнотемпературный фильтр для очистки газовых выбросов / В.В. Черниченко, И.И. Зварыкин, П.А. Солженикин, В.Г. Стогней // Вестник Воронежского государственного технического университета. – 2013. – Т. 9. – № 6–2. – С. 12–14.

4.Ряжских, В.И. Совершенствование инженерной методики расчета разнотемпературного конденсационного фильтра / В.И. Ряжских, Г.Г. Воронов, П.А. Солженикин, В.Г. Стогней // Вестник Воронежского государственного технического университета. – 2014.

–Т. 10. – № 1. – С. 107–109.

5.Ряжских, В.И. Кинетическая модель появления и осаждения капель жидкости в разнотемпературном канале при движении потока / В.И. Ряжских, А.И. Павелко, П.А. Солженикин, В.Г. Стогней // Вестник Воронежского государственного технического университета. – 2013. – Т. 9. – № 6–2. – С. 4–7.

6.Ряжских, В.И. Математическая модель тепломассообменного процесса в конденсационной камере / В.И. Ряжских, В.Г. Стогней, П.А. Солженикин, В.В. Черниченко // Системные проблемы надежности, качества, информационных и электронных технологий в инновационных проектах (Инноватика – 2006): материалы Международной конференции и Российской научной школы. Часть 5. – М.: Радио и связь, 2006. – Т. 2 – С. 74–78.

7.Солженикин, П.А. Моделирование тепломассообмена и совершенствование конструкции аппарата для очистки промышленных газов от аэрозольных включений: дис. … канд. техн. наук / П.А. Солженикин. – Воронеж: Воронежский государственный технический университет, 2008. – 179 с.

Воронежский государственный технический университет

167

УДК 697.331

Р.И. Патрахин, студент; Ю.Н. Агапов, д.т.н., профессор

ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ ВОДОГРЕЙНЫХ КОТЛОВ МАЛОЙ МОЩНОСТИ

Аннотация: в данной статье рассматриваются основные направления развития котлов малой мощности и проведён анализ существующих способов интенсификации теплообмена в этих котлах. Приведена зависимость, показывающая влияние промежуточных излучателей на теплообмен в конвективных поверхностях водотрубных котлов

Ключевые слова: котлы малой мощности, энергоэффективность, поверхность нагрева, интенсификация, лучистый теплообмен, промежуточные излучатели

В настоящее время в связи со значительными объёмами нового строительства существует тенденция развития систем теплоснабжения с применением автономных котельных, оборудованных преимущественно котлами малой мощности. В большинстве отопительных котельных используются водотрубные котлы, выпускаемые как крупными котельными заводами, так и небольшими котлостроительными фирмами. Однако, при этом часто возникают проблемы, связанные с необходимостью применения природоохранных мероприятий.

Котельная техника малой мощности развивается в основном по трём направлениям: повышение энергетической эффективности за счёт наиболее рационального использования топлива; интенсификация теплообменных процессов в различных элементах котлов; снижение вредных выбросов в атмосферу.

На сегодняшний день предпочтительнее использовать комплексный подход для одновременного решения вопросов снижения выбросов вредных веществ и повышения энергоэффективности оборудования. В отличие от энергосбережения, энергоэффективность решает вопросы не валового снижения расхода энергии, а более рационального её использования. Одним из важных факторов, влияющим на энергоэффективность котла, является его КПД. При повышении КПД котла мощностью 1 МВт на 1 % экономится в среднем 1,7 м3/ч газового топлива, что приводит к снижению выбросов оксидов азота и углерода на 1,3 % [1].

168

Для повышения энeргоэффективности котлов применяют различные инженерные решения, которые, однако, они не всегда соответствуют современными требованиями природоохранных норм

[2].

Одним из путей повышения энергоэффективности котла без ущерба для окружающей среды является установка в элементах котла различного типа интенсификаторов теплообмена. Так, например, установка промежуточных излучателей в топках оказывает влияние как на теплотехнические, так и на экологические результаты (КПД увеличивается на 1–3 %, выбросы СО уменьшаются в 5 раз, выбросы NOх – в 2 раза) [3, 4]. В нашем случае интерес представляют конвективные поверхности нагрева, которые в водотрубных котлах малой мощности являются наиболее дорогостоящими и металлоемкими элементами.

Повышение энергоэффективности конвективных поверхностей может быть достигнуто за счёт интенсификации как конвективной, так и лучистой составляющей результирующего теплопереноса [5].

Как известно, следствием интенсификации процессов теплообмена в котлах является увеличение коэффициента теплоотдачи от продуктов сгорания к поверхностям нагрева. Поскольку в большинстве случаев интенсификация теплоотдачи связана с ростом затрат энергии на преодоление увеличивающихся аэродинамических сопротивлений, это необходимо учитывать при выборе метода её повышения.

Интенсификация конвективной составляющей теплообмена осуществляется, как правило, за счёт аэродинамического воздействия на газовый поток, в результате которого за счёт искусственной турбулизации пограничного слоя происходит уменьшение его толщины или разрушение. Реализация этих методов на практике связана с применением различных форм рёбер, шипов и других устройств, создающих закрученные, винтовые или пульсационные течения. Указанные методы, как правило, ведут к усложнению конструкции котла и прямо или косвенно связаны с повышением его аэродинамического сопротивления.

Увеличение лучистой составляющей теплопереноса не ведёт к турбулизации газового потока, а, следовательно, не связано с дополнительными затратами энергии. Излучение изменяет формирование пограничного теплового слоя у поверхности трубы и исключает подобие теплообмена и гидравлического сопро-

169

тивления. В тесных конвективных пучках труб доля излучения газового слоя незначительна. Интенсификация лучистого теплообмена здесь возможна за счёт введения специальных насадок, которые будут играть роль промежуточных излучателей. Назначение этих насадок – трансформация теплового потока, переданного к ним селективным излучением газа, излучением твёрдых тел в сплошном спектре и конвективным тепловым потоком – в сплошное излучение промежуточного излучателя. Обычно промежуточные излучатели представляют собой адиабатные поверхности. Исследованиями подтверждена возможность увеличения результирующего потока за счёт использования промежуточного излучателя более, чем на 30 % [6].

В конвективных поверхностях малых водотрубных котлов в качестве промежуточных излучателей наиболее рационально использовать тонкие стальные пластины или перфорированные листы, свободно размещённые в межтрубном пространстве. Установка таких излучателей позволит повысить коэффициент теплоотдачи практически без увеличения аэродинамического сопротивления поверхностей нагрева.

На основании теоретического исследования разработана физи- ко–математическая модель процесса сложного теплопереноса в конвективных поверхностях нагрева с промежуточными излучателями и получено уравнение подобия, отражающее влияние геометрических и гидродинамических факторов, а также оптических свойств излучающей среды на функцию интегрального теплопереноса

где ReFТ , Re F – числа Рейнольдса, характеризующие перенос импульса потока продуктов сгорания, соответственно, на стенку по-

– отношение температур стенки поверхности нагрева и газового

оттока на входе в конвективный газоход; FПИ – отношение поверх-

F

ности промежуточного излучателя к площади ограждающих стен в конвективном газоходе; ПР – приведённая степень черноты системы промежуточный «излучатель – трубы».

170