3035

На правах рукописи

КОЧЕВА Марина Алексеевна

ИССЛЕДОВАНИЕ ОПЫТНО-ПРОМЫШЛЕННОЙ УСТАНОВКИ ПО ОТБОРУ ТЕПЛОТЫ ФАЗОВОГО ПЕРЕХОДА ПРОДУКТОВ СГОРАНИЯ ПРИРОДНОГО ГАЗА

Специальность 05.23.03. - Теплоснабжение, вентиляция, кондиционирование воздуха, газоснабжение и освещение

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Нижний Новгород

2000

Работа выполнена в Нижегородском государственном архитектурностроительном университете

Научные руководители:

кандидат технических наук, профессор Шанин Б. В.,

кандидат технических наук, доцент Крамаренко П.Т.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Хаванов П.А.

кандидат технических наук, чл. корр. PAEH Спиридович Е.А.

Ведущая организация - ОАО "Нижегородский Сантехпроект" г. Нижний Новгород

Защита состоится " 2000 г. в час на заседании диссертационного совета Д.064.09.04 в Нижегородском государственном архитектурно-строительном университете по адресу: 603600, г. Нижний Новгород, ул. Ильинская, 65

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Нижегородского

государственного архитектурно-строительного университета.

/

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Экономия топливно-энергетических ресурсов и охрана окружающей среды - две важнейшие проблемы, решению которых во всем мире уделяется большое внимание. Темп роста потребности энергии значительно опережает темпы прироста топливных ресурсов. По расчетам специалистов мировое потребление энергии с 1986 года по 2030 год увеличится втрое. При этом обостряется проблема изменения климата на планете.

Исходя из этого положения, перед энергетикой страны ставится задача неотложного решения проблем, связанных с повышением энергетической и экономической эффективности газоиспользующих установок.

На основании Указа Президента РФ от 18.09.92г. "О мерах по улучшению расчетов за продукцию теплоэнергетического комплекса" Администрацией Нижегородской области было разработано и утверждено Положение о газоснабжении в Нижегородской области 17.03.94 г. № 33, а так же в соответствии с Указом Президента РФ от 7.05.95 № 472 «Об основных направлениях энергетической политики и структурной перестройки топливноэнергетического комплекса Российской Федерации на период до 2010 года», постановлением Правительства РФ от 2.11.95 № 1087 «О неотложных мерах по энергосбережению» разработаны в целях обеспечения рационального и эффективного использования природного газа.

Одним из направлений энергосбережения является максимальное использование теплоты продуктов сгорания. Продукты сгорания природного газа можно рассматривать как качественный теплоноситель и использовать его в комплексных ступенчатых установках, включающих в свою схему низкотемпературныетеплообменники.

Работа посвящена исследованию опытно-промышленной установки по

' •'

отборускрытойтеплотыводяныхпаровпродуктовсгоранияприродногогаза

в конденсационных теплообменных аппаратах и разработке инженерной методики по расчету таких теплообменников.

Охлаждая продукты сгорания до температуры ниже температуры точки росы при подсчете по отношению к высшей теплоте сгорания природного газа КПД использования потенциала топлива может быть доведен примерно до 95-97%. Кроме этого комплексное использование теплоты продуктов сгорания способствует уменьшению загрязнения воздушного бассейна (уменьшение количества сжигаемого топлива и снижение температуры уходящих газов

ивлагосодержания), а удельные капиталовложения в эти установки ниже, чем

вдобычу 1 тонны условного топлива.

При комплексном использовании дожигательных устройств и предложенных установок достигается снижение вредных выбросов в атмосферу.

Цель работы: - Разработка инженерных методик по расчету конденсационных теплообменных аппаратов по отбору скрытой теплоты водяных паров продуктов сгорания на основе экспериментальных исследований опытнопромышленной установки.

Задачи: - Экспериментальные исследования тепло- и массообмена при конденсации водяных паров содержащихся в продуктах сгорания в зависимости от режимных и конструктивных параметров конденсационного теплообменного аппарата.

-Обработка экспериментальных данных полученных при исследовании опытно-промышленной установки и получение инженерной методики расчета такихтеплообменников.

-Определение рациональной температуры продуктов сгорания после опытно-промышленной установки.

Научная новизна: - Разработана физико-математическая модель процессов тепло- и массообмена в конденсационных теплообменных аппаратах по отбору скрытой теплоты парообразования водяных паров продуктов сгорания природного газа.

- Проведены экспериментальные исследования коэффициентов тепло- и массообмена при конденсации водяных паров из продуктов сгорания природного газа при реальных режимах работы котельной установки.

Апробация работы: Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

-Всероссийском семинаре "Региональные проблемы энергосбережения

ипути их решения" Нижний Новгород: Нижегородский ГТУ, 1998 г.

-Научно - практической конференции ДОАО «ГИПРОГАЗЦЕНТР» - "Обеспечение безопасности объектов газовой промышленности на стадии проектирования, строительства и эксплуатации" Нижний Новгород, Нижегородский дом ученых. 1998 г.

-Научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава, аспирантов и студентов РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина Москва

-Всероссийском семинаре и выставке "Региональные проблемы энергосбережения и пути их решения".НИЦЭ, Н.Новгород, 1998 г.

-Основные положения диссертации опубликованы в 9 печатных рабо-

тах.

Связь темы диссертации с планом основных научно-

исследовательских работ: - Работа выполнена в рамках региональной науч- но-технической программы "Системы энергосбережения и технологии освоения нетрадиционных возобновляемых источников энергии" ПТ.447-1.2. "Разработка энергосберегающих методов использования природного газа в строительном и промышленном комплексах", "Разработка и внедрение энергосберегающих методов использования природного газа в котельных" № 89/10, 710/Т, 710/Т/89/10, Нижегородского Государственного архитектурностроительного университета

Практическая значимость: - Разработаны инженерные методики на основе экспериментальных исследований опытно-промышленной установки при проектировании теплогенерирующих установок.

Автор защищает: - Теплофизическую модель процессов тепло- и массообмена по отбору скрытой теплоты от продуктов сгорания природного газа

вконденсационном оребренном теплообменном аппарате.

-Инженерную методику расчета и конструирования конденсационных теплообменных аппаратов по отбору скрытой теплоты водяных паров содержащихся в продуктах сгорания природного газа.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций: -

Достоверность результатов экспериментальных исследований, проведенных

автором, обосновывается использованием стандартных методик измерения и

анализом погрешностей измеряемых величин.

Личный вклад автора в работу. - Разработаны:

-Теплофизическая модель процессов тепло- и массообмена по отбору скрытой теплоты от продуктов сгорания природного газа в конденсационном оребренном теплообменном аппарате.

Методика проведения опытов, проведены экспериментальные исследования, обработка полученных результатов эксперимента, получены обобщенные имперические зависимости.

-Инженерная методика расчета конденсационных тепломассообменных аппаратов.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, основных выводов. Общий объем работы — 201 страница в том числе: 135 страниц машинописного текста - основная часть, список использованной литературы на 14 страницах - 212 наименований из них 48 зарубежных авторов, приложения на 52 страницы - 10 таблиц и 27 рисунков.

Содержание работы.

Впервой главе дается краткий обзор современных водогрейных устройств с конденсацией водяного пара из парогазовых смесей, рассмотрены основные характеристики отечественных и зарубежных установок.

Анализ работ по водогрейным устройствам с конденсацией водяного пара из продуктов сгорания показал, что схемы, в которых осуществляется конденсация водяного пара, содержащегося в продуктах сгорания, на поверхности теплообмена имеет, преимущество по сравнению с контактными теплообменниками, в том, что нагреваемая вода не подвергается загрязнению продуктами сгорания.

Внастоящее время существует подавляющее количество теплогенерирующих установок, работающих по двухступенчатой схеме: котел - экономайзер, что не позволяет использовать скрытую теплоту водяных паров продуктов сгорания. Поэтому возникает необходимость в разработке конденсационного теплообменного аппарата, который использовался бы как третья ступень схемы и позволял отбирать скрытую теплоту.

Продукты сгорания природного газа представляют собой парогазовую смесь с начальным содержанием водяных паров около 20% и содержанием неконденсирующихся газов в смеси около 80%. Известные зависимости для коэффициентов тепло- и массообмена при конденсации пара из парогазовых смесей получены для смесей с максимальным содержанием около 10% по объему неконденсирующихся газов при омывании поверхностей конденсаторов паровых турбин. Данные результаты не могут использоваться для расчета конденсационных теплообменных аппаратов по отбору скрытой теплоты водяных паров из продуктов сгорания природного газа. Это определило задачи исследований проведенных при выполнении настоящей работы.

Во второй главе представлена физико-математическая модель процес-

сов тепломассообмена в конденсационном аппарате.

В установках утилизации теплоты используются, в качестве рабочего вещества, влажные продукты сгорания, которые представляют собой гетерогенную бинарную (пар, дымовые газы) систему. Процессы теплообмена в таких установках часто сопровождаются конденсацией пара из влажных продуктов сгорания на поверхности теплообменника, либо испарением жидкости. Наличие поперечного потока вещества влияет на характер течения жидкости в пограничном слое, изменяя гидродинамические условия, а также тепло- и массоперенос.

Основными характеристиками процесса тепло- и массопереноса для α-

модели являются коэффициенты переноса αt и αd. Найдено соотношение между этими коэффициентами для двух предельных случаев: развитого турбулентного и ламинарного движения жидкости.

Процессы тепло- и массопереноса в пограничном слое вблизи стенки носят сложный характер, при развитом турбулентном движении вблизи стенки существует "вязкий" подслой, где процессы тепло- и массопереноса осуществляются не только турбулентными образованиями (молями), но и в результате диффузии. Визуальные наблюдения показывают, что на внешней границе "вязкого" подслоя постоянно происходят разрушения структуры течения, развиваются продольные вихри, которые затем уносятся из пристенного подслоя. На смену им поступают турбулентные массы (моли) из внешней области пограничного слоя.

В случае турбулентного пограничного слоя тепло- и массоперенос осуществляется только турбулентными образованиями. Количество вещества, переносимого из ядра потока к поверхности тепло- и массообмена (j=jn+jr). отличается от количества вещества, переносимого молями в обратном направлении(j'=j'π+jr),намассупара jп.пов.,конденсирующегосянаповерхности или массу жидкости, испаряющейся с нее. Если влагосодержание в ядре потока dя, а у поверхности dпов, то:

Конвективный перенос теплоты, связанный с перемещением масс вещества определен по аналогии с формулой (3):

qяв =j*cп.с *(tя-tпов)*(1+t/(tя-tпов)) (1 - j' c'π.c/j cп.с)). (4) С другой стороны, в соответствии с а- моделью потоки теплоты и мас-

сы могут быть определены следующим образом:

qЯВ = αt . (tя - tпов),

jп.пов = αd . (dЯ - dпов) .

Решая совместно уравнения (3),(4) и (5),(6), получим:

αt=j . Сп.с [ 1+ [tПОВ/ (tЯ - tпов)] . [ 1 - j'. C'π .c /j . Cп.с] ] = j .сп.с • Кt, ,

α d = j • [ 1+ [dп о в /(dя - dпов)] [ 1 - j'/j ] ] =j . Kd .

Из формул (7) и (8) ясно, что:

Для аппаратов, КСк в первом приближении принято j'/j l и с'/cв поэтому для процессов тепло- и массопереноса в таких аппаратах Kt=1 Kd=1. Следовательно, для случая чисто молярного переноса

вующих применимости соотношения (10), все процессы тепло- и массообмена могут быть определены одним коэффициентом αt(или ad) в виде:

В тех случаях, когда поперечный поток конденсирующегося или испа-

ряющегося вещества значителен (теплообменные аппараты, используемые в теплоэнергетике),Kt1 и Kd l, то происходит некоторое отклонение от соотношения Льюиса.

10

После рассмотрения чисто молярного переноса рассмотрен второй крайний случай, наблюдаемый при ламинарном движении жидкости, когда процессы обмена полностью определяются только молекулярным переносом.

Общее давление смеси в поперечном сечении пограничного слоя остается постоянным. Парциальные давления компонентов меняются, вследствие этого возникают встречные диффузионные потоки пара jn и сухих продуктов сгорания jr, причем jπ=-jr. Поверхность раздела фаз (пленка жидкости) проницаема для пара и непроницаема для сухих продуктов сгорания (полупроницаемая поверхность), навстречу потоку сухих продуктов сгорания, исходя из закона сохранения масс компонентов, возникает конвективный поток смеси - поток Стефана jcф:

jcφ = -jπ.c р/рr=jπ. р/рr, (11) где p=pπ+pr (здесь рп и рг плотность соответственно пара и продуктов

сгорания).

Поток Стефана полностью компенсирует поток сухих продуктов сгорания, но одновременно вызывает дополнительный к диффузионному конвек-

тивный перенос пара:

Диффузионный и конвективный потоки пара могут быть определены следующим образом: