Монография Попов т3

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи

вканалах теплообменного оборудования

8.3.Анализ возможности повышения эффективности серийных мазутоподогревателей типа ПМ при их модернизации посредством интенсификации теплообмена

«Энергетическая стратегия России на период до 2020г.» предусматривает производство определяющей части выработки электроэнергии – 70 % – на газомазутных и угольных ТЭС. Энергосбережение рассматривается в качестве основной экономической задачи деятельности ТЭК. Согласно прогнозу Института систем энергетики СО РАН (2002 г.) объем потребления мазута на ТЭС и котельных в 2020 г. составит 30 млн. т.у.т./г. Значительные объемы использования топочного мазута в теплоэнергетике убеждают в том, что проблема энергосбережения при эксплуатации мазутных хозяйств ТЭС актуальна в настоящее время и в перспективе. В частности, заслуживает внимания вопрос организации экономичного функционирования мазутоподогревателей за счет совершенствования конструкций этих аппаратов в процессе разработки новых образцов или при модернизации действующих на ТЭС мазутоподогревателей.

Теплогидродинамическое, а следовательно и технико-экономическое совершенство мазутоподогревателя можно оценить с помощью простого и ясного критерия – энергетического коэффициента М.В.Кирпичева − E = Q / N , где Q

– теплопроизводительность, N – мощность прокачивания мазута. Такая форма коэффициента E справедлива для подогревателя в целом, т.к. коэффициент теплоотдачи пара αn значительно больше, чем аналогичный коэффициент для мазута αn >> αм . Эффективному варианту мазутоподогревателя соответствует

наибольшая величина параметра E. Следовательно, основная и принципиальная задача проектирования или модернизации подогревателя должна заключаться в обеспечении максимального коэффициента E.

Известно, что в мазутоподогревателях термическое сопротивление теплоотдачи со стороны мазута 1/ αм в 10–100 раз превышает термосопротивление

1/ αn со стороны пара. Соответственно, коэффициент теплопередачи К от пара

к мазуту фактически ограничен величиной коэффициента теплоотдачи мазута K ≈ αм . Это обстоятельство является серьезным недостатком конструкции всех

существующих типов мазутоподогревателей. Рациональные интенсификаторы теплоотдачи мазута способны минимизировать указанный недостаток, повысить значение коэффициента αм , увеличить удельный теплосъем (на 1 м2 по-

верхности теплообмена) и теплопроизводительность аппарата, существенно поднять эффективность мазутоподогревателя (т.е., увеличить коэффициент E).

Прогресс в истории развития техники мазутоподогревателей неразрывно связан с поиском теплогидравлически продуктивных, экономически и технологически обоснованных способов интенсификации теплоотдачи мазута в каналах

479

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

обсуждаемых аппаратов. Предложен и испытан достаточно широкий спектр интенсификаторов теплоотдачи. Для вязких жидкостей с большим числом Прандтля (Pr >>1) при малых числах Рейнольдса (Re) рифленые трубки (Англия)

обеспечивают увеличение коэффициента α в 2–2,5 раза. Позитивный по теплообмену эффект показали в опыте каналы с искусственной шероховатостью поверхности. При испытаниях промышленных образцов мазутоподогревателей в Башкирэнерго выяснилось, что толщина теплового пограничного слоя в потоке мазута достигает 1–8 мм (в обычной серийно производимой трубке с внутренним диаметром dв = 32 мм). Для интенсификации процесса теплоотдачи в та-

ких случаях необходимо воздействовать на достаточно обширную пристенную зону течения, поэтому в рассматриваемой ситуации может быть эффективен интенсификатор в форме спирально закрученной ленты, вставленной в трубу, – ретардер. Действительно, ретардер, монтируемый в трубе с натягом, увеличивает коэффициент теплопередачи к мазуту в 1,4–1,7 раз (по сравннию с пустой гладкой трубой). По результатам исследований влияния диаметра и длины труб на теплообменные свойства мазутоподогревателей специалисты Башкирэнерго пришли к заключению: для улучшения качества подогревателей необходимо уменьшить диаметр труб (по сравнению с серийными) до dв =12 −14 мм, а

длину – сократить до 1 м. Вывод совпадает с основополагающими соображениями теории теплообмена. Возможность практического использования труб малого диаметра обоснована существованием технологии очистки мазутоподогревателей «на ходу». Более 20 лет в системе Башкирэнерго эксплуатируются цельносварные модульные подогреватели серии ПМБ с самоочисткой мазутных трубок в течение всего срока работы, осуществляется подогрев мазута до 170 °С. В Башкирэнерго разработан секционный мазутоподогреватель с трубами 18×3 мм, длиной 1 м, скорость мазута 1,8 м/с, 20 секций обеспечивают подогрев мазута от 80 до 160 °С. Скорость движения мазута в трубах подогревателей необходимо поддерживать на уровне w = 1–1,5 м/с. При пониженной скорости (w < 1 м/с) резко увеличивается интенсивность загрязнения поверхности, в течение короткого промежутка времени гидросопротивление аппарата (из-за загрязнения) возрастает в 5–10 раз, а теплоотдача (теплопроизводительность) недопустимо падает, что требует существенного сокращения периода времени между чистками оборудования. Кроме того, необходимо учитывать связь параметров w и αм .

Простое периодическое вдоль труб пережатие (частичное смятие) стенок труб существенно интенсифицирует теплоотдачу мазута в трубах (испытания в Башкирэнерго, 1987 г.). Поверхность теплообмена уменьшается в 2,3 раза, а масса – в 1,57 раз по сравнению с серийным подогревателем. При работе ин-

480

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

тенсифицированного аппарата на расчетном режиме обеспечивается его самоочистка.

Термосопротивление со стороны пара в мазутоподогревателях относительно мало. Однако интенсификация теплоотдачи пара может внести некоторый позитивный вклад в увеличение коэффициента теплопередачи. Например, наклон горизонтального пучка труб на 3–5° относительно плоскости горизонта стимулирует ускоренное стекание конденсата с наружной поверхности труб, коэффициент К возрастает примерно на 10 %.

Кафедра ПТЭ КГЭУ совместно с Татэнерго провели промышленные испытания серийного мазутоподогревателя типа ПМ-10-120, в трубах которого для интенсификации теплоотдачи мазута помещались спиральные проволочные вставки, диаметр проволоки 5 мм. Условия опытов: Re = 50 – 450, Pr = 1050 – 1300. Теплоотдача в интенсифицированном аппарате возрасла по сравнению с серийным гладкостенным вариантом в αм / αмгл = 4,5 −6,8 раз, а коэффициент

сопротивления подогревателя увеличился только в ε/ εгл= 2–3,5 раза. Положи-

тельная роль интенсификации теплообмена в этом случае очевидна.

В мазутоподогревателях типа ПМР, разработанных совместно ТКЗ, ЦКТИ и ИТТФ НАНУ, осуществлен целый ряд мероприятий для интенсификации теплопередачи между паром и мазутом. Мазут протекает в кольцевом канале, внутренняя труба которого имеет продольные ребра. Поток мазута подогревается паром со стороны внутренней и наружной труб. «Трубный пучок» аппарата сформирован из множества кольцевых каналов, число ходов мазута – восемь. Количество кольцевых каналов в каждом последующем ходе уменьшается пропорционально снижению вязкости подогреваемого мазута, что позволяет при неизменных потерях давления по ходам увеличивать скорость мазута, а, следовательно, наращивать коэффициент αм и снижать скорость загрязнения

поверхности теплообмена. Конструкция ПМР обладает хорошими массогабаритными и теплогидравлическими показателями, эффективность (коэффициент E) ПМР выше, чем ПМ. Однако подогреватели ПМР имеют ряд негативных качеств. Конструкция (и сборка) ПМР существенно усложнены по сравнению с традиционной кожухотрубчатой конструкцией аппаратов типа ПМ. Подогреватель ПМР содержит 4 трубных доски, единичный нагревательный элемент ПМР состоит из 3 соосных труб, из них 2 имеют консольное, одностороннее крепление в трубных досках. Консольное крепление труб может служить причиной вибрации и фреттинг-износа «трубного пучка». Продольные ребра на внутренней трубе значительно увеличивают поверхность трения для потока мазута. Ребра быстро загрязняются, соответственно, тепловая эффективность их падает, а гидросопротивление кольцевого канала нарастает. Подогрев мазута со стороны наружной трубы малоэффективен, т.к. эта труба не снабжена интенси-

481

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

фикаторами теплоотдачи мазута. В целом конструкция ПМР не может рассматриваться как вполне совершенная.

Краткий обзор истории внедрения в конструкцию мазутоподогревателей различных способов интенсификации теплообмена подтверждает принципиальную справедливость такого направления развития техники подогревателей.

При больших расходах мазута на энергоблок для подогрева жидкого топлива в энергетике наиболее широко используются конструктивно и технологически отработанные кожухотрубчатые мазутоподогреватели ТКЗ типа ПМ, наименее металлоемкие по сравнению с остальными типами подогревателей (исключая ПМР) и достаточно надежные в эксплуатации.

В современных условиях функционирования ТЭК, при отсутствии необходимых объемов инвестиций на кардинальное техническое перевооружение ТЭС и обострении проблемы энергосбережения, следует признать актуальной задачу модернизации эксплуатируемых мазутоподогревателей ПМ посредством внедрения в конструкцию целесообразных интенсификаторов теплообмена с целью повышения эффективности аппаратов ПМ, в частности, по сравнению с подогревателями ПМР.

Цели данной работы следующие. Выполнить анализ возможностей повышения эффективности серийных мазутоподогревателей типа ПМ за счет внедрения в их конструкцию относительно нового способа интенсификации теплообмена ламинарного потока высоковязкой жидкости – дискретных выступов (а также применения известных интенсификаторов теплоотдачи мазутаретардеров). Анализ провести с помощью математических экспериментов (на компьютере) на основе математической модели повышенной точности для подогревателя ПМ. Сопоставить эффективность серийного ПМ, интенсифицированных вариантов ПМ и аппарата ПМР. Представить рекомендации для совершенствования конструкций подогревателей ПМ.

Трубный пучок подогревателя, например, ПМ – 4030, набран из труб диаметром 38 × 2,5 мм, длиной 10 м, мазут совершает в трубах 12 ходов и подогревается до 95° (125 °С).

Алгоритм теплогидравлического расчета серийных и интенсифицированных аппаратов ПМ основывался на известной литературе. Математическая (численная) модель подогревателя ПМ* построена по типу модели , которая использовалась для анализа маслоохладителей типа МБ. Объем ПМ разбивался на ряд малых взаимосвязанных элементов, число которых равно 12×136 (где 12

– количество ходов мазута, а 136 – число элементов вдоль аппарата). Единичный элемент содержит совокупность отрезков всех труб в одном ходе мазута с потоком мазута в них и прилегающим к ним снаружи объемом пара. Тестовые расчеты, табл.8.1, удовлетворительно согласуются с паспортными данными

482

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

( t' ; t'' – температура мазута на входе и выходе; ∆p – потери давления в потоке

мазута).

Таблица 8.1 Результаты расчетов и паспортные данные для ПМ–40–30

Расчеты показывают: в каналах мазутоподогревателей, по мере подогрева мазута, особенно в условиях интенсификации теплообмена, ламинарный режим течения топлива переходит в турбулентный. В работах установлено, что теплогидравлически наиболее выгодными интенсификаторами теплообмена как в ламинарном, так и в турбулентном режиме являются дискретные поперечные кольцевые выступы, регулярно расположенные вдоль канала. Только в последнее время выяснилась высокая эффективность интенсификации ламинарной теплоотдачи вязких жидкостей с помощью поперечных выступов. При интенсификации теплоотдачи турбулентных потоков выступами достижимые эффекты характеризуются примерным равенством α / αгл ≈ ξ/ ξгл, а в ламинарном тече-

нии может быть реализовано существенное неравенство α / αгл >> ξ/ ξгл. Про-

стая технология формирования выступов в трубе – накатка, в процессе которой на наружной поверхности трубы образуются кольцевые канавки, интенсифицирующие теплоотдачу пара на горизонтальной трубе в 1,3–2,5 раза. Учитывая высокие свойства выступов (и канавок) в качестве интенсификаторов, математические эксперименты по исследованию интенсификации теплообмена в ПМ проводились именно с поперечными выступами и, для сравнения, с ретардерами. Исследование проведено в диапазоне геометрических параметров интенсификаторов, справедливом для эмпирических расчетных уравнений подобия. Конструкция, размеры подогревателя и расход мазута соответствовали паспортным значениям. Некоторые результаты матэкспериментов для ПМ-40-30 представлены в табл.8.2 и 8.3 (в которых используются следующие обозначения: d – диаметр горла выступа; t – шаг выступов; S – шаг закрутки ретардера).

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

Таблица 8.3

Из табл.8.2 и 8.3 следует существенная зависимость эффективности подогревателя (Е) от параметров интенсификаторов: d / dв; t / dв; S/ dв. В изучен-

ном интервале шаг выступов ( t / dв ) в большей мере влияет на эффективность, чем высота выступов (d / dв). Шаг закрутки ретардера (S/ dв) определяющим

образом влияет на коэффициент Е. Характер зависимости величины E от параметров выступов и ретардера ясен из табл. 2 и 3. Лучший вариант аппарата с выступами в 2,1 раз эффективнее, чем с наиболее продуктивным ретардером ( Eв / Eр = 2,1). Эффективность серийного образца ПМ-40-30 равна Eгл = 204,5 .

Предпочтительный вариант подогревателя с ретардерами, уступая по качеству аппарату с выступами, существенно превосходит по эффективности серийный гладкотрубный ПМ: Eр / Егл = 3,6 . Технико-экономическая выгода модерниза-

ции действующих на ТЭС подогревателей ПМ-40-30 (и других аппаратов серии ПМ) посредством использования труб с выступами вполне очевидна - Eв / Егл = 7,7 . Интенсификация теплоотдачи мазута (и пара) выступами (и ре-

тардером) обеспечивает подогрев мазута в интенсифицированном ПМ-40-30 почти до температуры пара, т.е. при штатном давлении пара 1 МПа мазут может быть нагрет до t '' ≈ 200 °С. В серийном варианте ПМ при максимально допустимом давлении пара 1,3 МПа и температуре 250 °С нагрев мазута возможен только до t'' =125 °С. Предельный подогрев мазута в аппаратах ПМР равен t'' =135 °С. Интересно отметить, что в интенсифицированных подогревателях (с выступами и ретардами) за счет интенсивного прогрева мазута (и соответствующего снижения вязкости) на входной части аппаратов общее сопротивление подогревателей оказывается меньше, чем в серийном ПМ. Следовательно, как существенное увеличение коэффициента Е, так и падение сопротивления в интенсифицированных подогревателях свидетельствуют в пользу наличия значительных резервов по снижению расхода электроэнергии на собственные нужды ТЭС. Резервы возможно реализовать при внедрении интенсификаторов теплообмена в конструкцию мазутоподогревателей.

Необходимо сравнить эффективность подогревателей типов ПМ и ПМР, например, для конкретных вариантов ПМ-40-30 и ПМР – 6430. Эффективность ПМР значительно выше, чем серийного ПМ – EПМР/Егл = 3,14. Однако

484

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

интенсифицированный ПМ с выступами имеет заметно более высокое теплогидравлическое качество, чем ПМР: Ев/ЕПМР = 2,45 . Эффективность ПМ с ре-

тардерами также несколько выше по сравнению с ПМР – Ер/ЕПМР =1,15 . Сле-

довательно, применение интенсификаторов теплообмена позволяет получить максимальную эффективность модернизированных подогревателей ПМ относительно всех существующих типов серийных мазутоподогревателей. Важно, что этот результат достигается при минимальных конструктивных дополнениях (интенсификаторы), которые практически не изменяют устоявшуюся конструкцию аппаратов ПМ. Поэтому внедрение интенсификаторов в подогреватели ПМ не должно сопровождаться особыми технологическими и производственными затруднениями.

Интенсификация теплообмена открывает возможность наращивания теплопроизводительности серийных подогревателей ПМ и повышения температуры мазута на выходе аппаратов. Соответственно, эти обстоятельства содействуют решению ряда важных проблем в сфере мазутного хозяйства.

Например, в интенсифицированном ПМ разрешается практически повсеместно существующая, по некоторым устойчивым причинам, проблема недогрева мазута в мазутоподогревателях перед котлом. Одновременно исчезают сопутствующие вопросы перерасхода пара, вынужденного увеличения числа подогревателей по сравнению с проектным и прочие.

Запас по параметрам Q и t'' , образующийся в ПМ с интенсификаторами

теплообмена, позволяет увеличить период времени между чистками.

При повышенной температуре мазута на выходе интенсифицированного серийного ПМ паспортное значение t'' для котла можно сохранить посредством подмешивания относительно холодного мазута в поток топлива после ПМ. В этом случае фактический расход подогретого в ПМ мазута возрастает (по сравнению с паспортной величиной).

Выработка запасов высококачественной нефти, увеличение глубины переработки нефти, соответствующее ухудшение качества мазута все острее поднимают вопрос необходимости высокотемпературного подогрева мазута перед сжиганием в котле. Обычно t'' <150°С. Высокотемпературный подогрев до t'' =160–200°С и выше предусматривается осуществлять во вторичных мазутоподогревателях (после основных). Высотемпературный подогрев имеет следующие преимущества: более полное сжигание мазута (экономия топлива) и соответствующее снижение температуры уходящих газов; снижение уровня загрязнения и коррозии поверхностей котлов; уменьшение выбросов оксидов азота и др.; интенсификация теплоотдачи мазута в трубах подогревателей. Резуль-

485

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

таты настоящих матэкспериментов показывают, что интенсифицированные ПМ обеспечивают решение этой задачи без применения вторичных подогревателей.

В итоге можно заключить, что эффективность (экономичность) кожухотрубчатых мазутоподогревателей, в частности типа ПМ, может быть кардинально повышена при условии внедрения в их конструкцию рациональных интенсификаторов теплоотдачи мазута, в качестве которых следует использовать дискретные поперечные выступы, спиральные проволочные вставки, ретардеры.

486