CC BY
10Энергетика
УДК 697.34(075.8)
В. И. Золотов
К ВОПРОСУ О ПОСТРОЕНИИ МОДУЛЯ ЛОКАЛЬНОГО ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ
Для решения проблемы локального теплоснабжения разработан модуль на базе диспергаторпого
парогенератора и трансзвукового струйно-форсуночного аппарата, обладающий существенными
преимуществами по сравнению с аналогичными разработками.
В настоящее время наблюдается обостряющийся дефицит в обеспечении относительно дешёвой тепловой энергией промышленных предприятий и жилых районов. Традиционное централизованное теплоснабжение уже не может обеспечить решение этой проблемы ввиду значительного морального старения и физического износа оборудования, которое по данным служб Госэнергонадзора достигает 80%. Как следствие - высокие эксплуатационные расходы. Реконструкция этой сферы промышленного производства неизбежна, но реализация ее на основе старых принципов теплоснабжения требует значительных капитальных вложений и малоэффективна. Требуются новые технологии, новые принципы построения.
Выход из этой ситуации можно найти с помощью внедрения локальных систем теплоснабжения. Модуль локального теплоснабжения мощностью от единиц до нескольких десятков Гкал/ч в зависимости от теплопотребления объекта (отдельный дом, квартал, микрорайон или посёлок) обеспечивает решение проблемы отопления с помощью внутриквартальной тепловой сети ограниченной протяжённости. Сложность заключается в поисках новой технической базы для реализации этой идеи.
В качестве источника тепла чаще всего рассматриваются паровые или водогрейные котлы. Пар является очень эффективным теплоносителем. Будучи хорошо сжимаемым, он обладает прекрасными демпфирующими свойствами, но соответствующие паровые системы отопления не обеспечивают экологическую безопасность человека. Кроме того, при транспортировке на расстояния более 1000 м энергетические характеристики пара быстро снижаются. Водогрейные системы проще в эксплуатации, но используемый в них принцип качественного регулирования - изменение температуры воды в зависимости от температуры наружного воздуха - не может обеспечить одинаково комфортную температуру в помещениях разных этажей здания за счёт действия естественного гравитационного напора.
Недостатки существующих котельных агрегатов вынудили государственный межрегиональный научно-производственный центр ИНТЕХ разработать конструкцию диспергаторного парогенератора (рис. 1), значительно отличающегося от всех известных в отечественной и зарубежной практике. Главное принципиальное отличие этого аппарата заключается в том, что здесь обеспечивается нагрев воды не в жидком агрегатном состоянии, а в виде аэрозоли (холодный водяной пар) с диаметром частиц воды в 10-20 микрон. Получение аэрозоли осуществляется с помощью ультразвуковых диспергаторов, разработанных в ГМ НПЦ ИНТЕХ.
Скорость нагрева аэрозоли значительно выше скорости нагрева воды, поэтому скорость теплосъёма с нагретой поверхности жаровых труб при омывании её потоком мелкодисперсной аэрозоли значительно выше, чем при омывании этой же поверхности водой. При скорости потока аэрозоли, близкой или равной скорости потока горячих газов, нагревающих разделительную поверхность, резко возрастает коэффициент теплопередачи.
Жидкое или газообразное топливо подаётся форсунками во внешнюю камеру сгорания 1 (рис. 1), и горячие газы поступают в систему жаровых труб 2 парогенерирующей камеры. Сжигание топлива проводится при повышенном коэффициенте избытка воздуха (а=4-6). В меж-трубное пространство парогенерирующей камеры ультразвуковые диспергаторы 3 подают воду в виде аэрозоли. Теплообмен между горячими газами и водной аэрозолью происходит со зна-
чительно большей скоростью, чем между горячими газами и жидкой средой. Пар нужной температуры и необходимого давления через патрубок 4 подаётся на нагрузку. Содержание вредных выбросов в выхлопе парогенератора (СО отсутствует, содержание окислов N03, N05, N07 близко к нулю) значительно ниже установленных норм ПДК и удовлетворяет самым жестким требованиям международных стандартов.
воздух
л
т
►мій
>+=о=
вожхг
. 1 '^<.3 :
■ода
6
ЛІ
ПХЕИОЖВе газ и
тар
Рис. 1. Схема диспергат орного парогенератора
Аппарат обеспечивает преобразование воды в пар с КПД в 94%. Удельный расход энергоносителя на 5-8% меньше, чем в котельных агрегатах аналогичной мощности. Габаритные размеры в 4-5 раз меньше парового котла той же мощности.
Установка характеризуется повышенной надёжностью работы, безопасностью: при испытаниях макетного образца попытки смоделировать аварийную ситуацию были безуспешными. Внешняя камера сгорания, отсутствие воды в жидком агрегатном состоянии в зоне высоких температур снимают потенциальную угрозу взрыва, характерную для всех существующих котельных агрегатов. Немаловажным обстоятельством является и тот факт, что аппарат нечувствителен к содержанию солей в диспергируемой воде. Ультразвуковая обработка воды в диспер-гаторе разрушает кристаллическую решётку солей жёсткости и переводит их в растворимое гелеобразное состояние. Обратное превращение происходит примерно через 50-65 часов. Но повторная обработка диспергатором обратной воды из теплосети с периодом в несколько часов поддерживает гелеобразное состояние растворимых солей, исключая их отложение в парогенерирующей камере, в теплотрассе и в тепловых приборах, т.е,, таким образом, отпадает необходимость наличия химводоподготовки.
Разработана техническая документация на 2 варианта исполнения парогенератора мощностью 1 МВт - для технологических целей промышленного предприятия при температуре пара в 340°С и для систем отопления на пар при температуре 180°С. На Верхнесалдинском металлургическом производственном объединении изготовлены два опытных образца таких парогенераторов, которые в ближайшее время будут испытаны и затем переданы в эксплуатацию.
С парогенератора пар направляется на нагрев воды, используемой в системах отопления как наиболее удобный теплоноситель. Одними из перспективных теплообменных аппаратов активного типа являются пароводяные трансзвуковые струйно-форсуночные аппараты (ТСА)-транссоники, являющиеся теплообменниками прямого смешивания.
Конструктивно трансзвуковой струйно-форсуночный аппарат представляет из себя двухвходовую систему (рис. 2). На один из входов 1 через регулятор давления подаётся рабочий пар. На второй вход 2 через регулятор давления подаётся вода из обратного трубопровода тепловой сети. Пар через расширяющееся сверхзвуковое сопло (сопло Лаваля) с большой скоростью поступает в камеру смешения 3, в которую через кольцевую диафрагму, образованную наружной поверхностью парового сопла и внутренней поверхностью конфузорной части камеры смешения, поступает со второго входа обратная вода.
Смешение пара с водой в конфузорной части аппарата в суживающемся канале приводит к образованию однородной двухфазной среды, в которой резко снижается скорость звука (до 5-
10 м/с). При этом скорость движения двухфазного потока (50-100 м/с) оказывается значительно выше скорости звука в среде. В цилиндрической части камеры смешения происходит полная конденсация пара в воде, среда становится однофазной, скорость звука в однофазной среде многократно увеличивается (1500 м/с). В момент преобразования двухфазной среды в однофазную возникает скачок уплотнения (скачкообразное изменение давления, плотности и температуры среды). Скорость движения однофазной среды становится значительно ниже скорости звука в жидкой среде. Поток жидкости из камеры смешения поступает в диффузор 4, который выравнивает скорость потока по сечению и повышает статическое давление на выходе аппарата. Потенциальная составляющая энергии пара (тепло) при конденсации полностью передаётся непосредственно воде, нагревая её. Кроме того, дополнительное тепло, возникающее при скачке уплотнения, тоже передаётся воде. С выхода аппарата после диффузора горячая вода поступает в подающий трубопровод системы отопления и горячего водоснабжения.
обратная в ода
Р и с. 2. Схема трансзвукового струйно-форсуночного аппарата
Температура и расход горячей воды зависят от давления пара и могут регулироваться в широких пределах, обеспечивая оптимальное качественно-количественное регулирование в системе отопления.
Таким образом, трансзвуковые струйно-форсуночные аппараты позволяют создать установки теплоснабжения, использующие энергию пара, для реализации двух функций:
1) функции интенсивного теплообменника с высоким (94-97%) КПД при прямой передаче энергии «пар-вода»;
2) функции перекачивающего устройства в силу создаваемой разницы давления между выходом и входом, исключая необходимость использования электрических центробежных сетевых насосов.
При этом несомненными эксплуатационными преимуществами ТСА являются малые габариты (длина до 700 мм при диаметре до 125 мм в зависимости от выходной мощности), отсутствие механических движущихся, трущихся или вращающихся частей, простота эксплуатации и высокая ремонтопригодность. Подбор нужной выходной мощности установки производится выбором типоразмера аппарата и, в случае необходимости, параллельным включением нескольких аппаратов. Первая установка теплоснабжения мощностью 8 Гкал/ч была сдана в эксплуатацию в октябре 1996 г. на Самарском комбинате керамических материалов. Капитальные затраты на её строительство оказались в 2.5 раза ниже, чем при проектировании по типовой схеме на рекуперативных теплообменниках. Расход газа снизился в 2.3 раза. Далее были пущены установки на Самарском булочно-кондитерском комбинате, в микрорайоне № 8 г. Жигулёв-ска Самарской области. В октябре 2001 г. пущена в эксплуатацию установка на заводе «Уралцемент» в г. Коркино Челябинской области мощностью 30 Гкал/ч для отопления завода и посёлка. Отзывы везде положительные.
Сочетание диспергаторного парогенератора и установки теплоснабжения на базе транссо-ника позволяет скомпоновать модуль локального теплоснабжения, где третьим необходимым компонентом должна быть микропроцессорная система автоматического управления работой всего комплекса. Отмеченные характеристики составных компонент позволяют получить результирующий кпд модуля около 90%, повышенную надёжность работы, малый размер необходимой производственной площади. Исключена необходимость наличия узла химводоподго-товки и электрических центробежных сетевых насосов. Модуль теплоснабжения на 2 МВт занимает площадь в 16 м2. Экономические показатели его можно оценить по стоимости первичного энергоносителя, например, газа в себестоимости получения 1 Гкал тепла.
По данным «Регион-газа» цена природного газа среднего давления (без НДС) с учётом роста тарифа в настоящее время составляет 726 руб. за 1000 м^. С учётом НДС - 871.2 руб. за 1000 м3. Удельная теплота сгорания газа - 8500 ккал/м^. Следовательно, энергетический потенциал, выделяющийся при сжигании 1000 м^ природного газа, равен 8500000 ккал или 8.5 Гкал. Это количество энергии используется на нагрев воды с кпд 0.9, т.е. 8,5 Гкал х 0.9 = 7.65 Гкал. Значит, на получение 7.65 Гкал израсходовано 871,2 рубля. Отсюда стоимость газа в себестоимости выработки тепла составит 871,2 : 7.65 = 113.9 руб./Гкал. Результирующая стоимость тепла будет определяться заработной платой персонала (она минимальна ввиду работы модуля в автоматическом режиме), накладными расходами, величиной заложенной прибыли, налогами. Можно ожидать её на уровне 140-150 руб./Гкал,
Микропроцессорная система управления модулем обеспечивает качественно* количественное регулирование процесса теплоснабжения, т.е. в зависимости от температуры наружного воздуха меняется температура горячей воды и её расход. Этим достигается большая комфортность температурного режима помещений на всех этажах отапливаемого здания. Температура в служебных помещениях в ночные часы, в выходные дни поддерживается на существенно более низком уровне, обеспечивая снижение эксплуатационных расходов. Нормальный температурный режим восстанавливается в течение часа перед началом рабочего дня. Локальное построение системы позволяет снять привычное ограничение на температуру обратной воды в 70°С Используя соответствующий алгоритм управления, можно стабилизировать ее на уровне 55-60°С, допуская снижение необходимого расхода горячей воды. В итоге возникает возможность при проектировании уменьшать диаметры труб в теплотрассах, экономя металл.
Что касается работы тепловых сетей, то ГМ НПЦ ИНТЕХ разработал технологию внешнего и внутреннего эмалирования труб с защитой сварных швов теплотрасс от коррозии в полевых условиях, что увеличивает стоимость труб вдвое. Этим гарантируется нормальная их работа в течение 40-50 лет вместо 4-6-ти. С целью обеспечения гидро- и теплоустойчивости тепловых сетей разработана методика их наладки путём моделирования процессов теплоснабжения на ЭВМ. определения необходимых величин гидравлических сопротивлений для всех узловых точек сети с одновременной их установкой на теплотрассах.
Дополнительную информацию можно получить: тел.: (8-8482) 35-01-09 (E-mail: pliss(«iavtograd,ru) или тел, (8-8462) 37-09-87. E-mail: zolotovvpiVimail.ru.
ЬИЬЛИОГРАФИЧКСКИЙ список
I 11Л1.:юфикании 11 тепловые сети: Учеб, для вузов / Е.Я. Соколов: М.: Энергоатомизлат. 1982. 360 с.
2. Соколов Е.Я.. Зингер II. М. Струйные аппараты. М.: Эн ер го атом из дат, 1989, 352 с.
.V ГодОапшс К Ф. Нол та ре и кий А.Н. Справочник по котельным установкам малой производительности - Пол рсл К Ф Ролдатиса. М.: ')пер[ оатомиздат. 1989. 488 с.
Статья поступила « редакцию 2’ аа,3ус:па 2004 г.
УДК 621.315 В.Н. Митрошип
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛОПЕРЕНОСА ПРИ ОХЛАЖДЕНИИ ЭКСТРУДИРОВАННОЙ КАБЕЛЬНОЙ ЖИЛЫ С УЧЕТОМ ФАЗОВЫХ ПРЕВРАЩЕНИЙ ПОЛИМЕРНОЙ ИЗОЛЯЦИИ
Предлагаете» уточненная модель для расчета температурных тлей экструдированных кабельных жги с изоляцией из полиэтилена высокого давления низкой плотности (ПЭНП) в процессе охлаждения проводов при их изготовлении. Разработанная модель учитывает преобразование фаз. имеющее место при охлаждении пластмассы, и связанные с uu.\t значительные тепловыделения при фазовом переходе, обусловленные кристаллизацией полимера.
Одной из важнейших технологических операций производства кабелей с пластмассовой изоляцией является операция изолирования. При изготовлении кабелей с полиэтиленовой изоляцией ее наложение осуществляется на экструзионных линиях, содержащих помимо червяч-
