CC BY
43
6. Prandtl L. Bemerkungen zur Theorie der freien Turbulenz // Z. angew. Math. und Mech. 1942. Vol. 22, no. 5. P. 241-243.
7. ANSYS CFX-Solver Theory Guide. ANSYS CFX Release 11.0 // ANSYS, Inc. Southpointe 275 Technology Drive Canonsburg : PA 15317, 2006. 312 p.
8. Sato Y. and [et al.]. Momentum and heat transfer in two-phase bubbly flow // International Journal of Multiphase Flow. 1981. Vol. 7. P. 167-178.
9. Rusche H. Computational fluid dynamics of dispersed two-phase flows at high phase fractions // Ph. D. thesis, Imperial College, London. 2002. 343 p.
10.Koncar B., Krepper E., Egorov Y. CFD Modeling of subcooled flow boiling for nuclear engineering applications // International Conference Nuclear Energy for New Europe. 2005. P. 140-154.
УДК 621.182.44
ОБРАЗОВАНИЕ НАНОСНЫХ ОТЛОЖЕНИЙ НА ПОВЕРХНОСТЯХ ТЕПЛООБМЕНА
ЖАРОТРУБНОГО КОТЛА
FIRE-TUBE BOILER HEAT EXCHANGE SURFACES FOULING FORMATION
С. В. Теребилов, А. Г. Михайлов, Е. Н. Слободина
Омский государственный технический университет, г. Омск, Россия
S. V. Terebilov, A. G. Mikhailov, E. N. Slobodina
Omsk State Technical University, Omsk, Russia
Аннотация. Рассмотрены основные виды отложений на поверхностях нагрева в котлах. Выполнено математическое моделирование процессов в жаротрубном котле, в том числе образование наносных отложений. Предложена конструкция жаровой трубы, которая позволяет снизить скорость образования наносных отложений.
Ключевые слова: образование отложений, поверхности нагрева, отложения легкорастворимых соединений, жаротрубный котел.
DOI: 10.25206/2310-9793-2018-6-3-169-173
I. Введение
При эксплуатации жаротрубных котлов на поверхностях теплообмена образуются отложения, способствующие увеличению коэффициента термического сопротивления [1-3], что приводит к увеличению температуры стенки. Повышение температуры стенки жаровой трубы может привести к разрушению и выходу котла из строя [4, 5].
Для определения влияния отложений на процесс теплопередачи запишем следующее выражение для коэффициента теплопередачи [1-3]:
k =-1-, (1)
f S S n S ln(d / d.) „ 1
—^ + — Rfi —^ + R +—
S a S fi 2nXL f a
i i i o
где Si - площадь поверхности нагрева со стороны продуктов сгорания; So - площадь поверхности нагрева со стороны теплоносителя; ai - суммарный коэффициент теплоотдачи со стороны газа; ao - коэффициент теплоотдачи со стороны теплоносителя; Я^ - термическое сопротивление слоя отложений со стороны продуктов сгорания; Rfo - термическое сопротивление слоя отложений со стороны теплоносителя; X - коэффициент теплопроводности материала стенки; di - внутренний диаметр поверхности нагрева; do - наружный диаметр поверхности нагрева.
В выражении (1) термические сопротивления отложений на внутренней и наружной поверхностях нагрева являются функциями, зависящими от теплопроводности и толщины отложений.
Из данного выражения видно, что дополнительное термическое сопротивление вносит вклад в снижение коэффициента теплопередачи.
Из анализа литературных данных [1-7] видно, что зависимости для скорости образования на поверхностях нагрева жаротрубного котла отсутствуют. Поэтому существует необходимость в их определении для учета при разработке конструкций жаротрубного котла.
В ряде работ рассмотрены вопросы образования отложений на поверхностях теплообмена в котельных установках [5, 6]. По составу выделяют следующие основные группы отложений: железооксидные отложения; ще-лочно-земельные отложения; отложения соединений меди; алюминиевые отложения; отложение легкорастворимых соединений.
II. Постановка задачи
В жаротрубных котлах, где вода и пароводяная смесь движется только за счет свободной конвекции, рыхлые натриевые отложения (легкорастворимых соединений) оседают на верхней поверхности жаровой тубы и труб газотрубных пучков, а также в нижней части котла. Причем при интенсивном отложении расстояние между нижней образующей жаровой трубы и днищем котла может полностью забиться отложениями и жаровая труба может перегреться, что приведет к потере прочности металла и выходу котла из строя. Чтобы этого избежать, необходимо осуществлять периодическую продувку, причем не только в паровых котлах, но и в водогрейных жаротрубных котлах. При среднем солесодержании подпиточной воды на уровне 350 - 500 мкг/кг и сверхнормируемой величины подпитки водогрейных котлов (2 - 3 % от расхода сетевой воды), расстояние между жаровой трубой и днищем котла в 250 мм забивается примерно за 2 года работы. При подпитке более 5 % выход из строя котла может произойти за один сезон. Рыхлые отложения на верхней поверхности жаровой трубы и на газотрубных конвективных пучках, особенно в районе поворотной камеры, существенно снижают теплообмен и приводят к перегреву труб и трубной доски [4]. Периодическая продувка не сможет удалить отложения с верхней части жаровой трубы и труб котла. Поэтому для удаления отложений с этих поверхностей нагрева необходимо периодически останавливать котел и через смотровой люк проводить очистку жаровой трубы и труб газотрубного пучка водовоздушной струёй. При нормативной подпитке котлов менее 0,75 % от объёма воды в час, такую очистку можно проводить один раз в 1 - 2 года. При сверхнормативной подпитке (большинство старых коммунальных котельных, где отсутствует горячее водоснабжение или сильно изношены тепловые сети), подобную очистку необходимо проводить один раз в 1 - 2 месяца работы котлов. Многие импортные котлы не имеют смотровых люков, через которые можно чистить котлы, и поэтому их очистка сильно затруднена. Для продления срока службы таких котлов необходимо либо обессоливать воду (данный метод принят в европейских странах) либо использовать двухконтурную схему теплоснабжения и исключить потери воды в котловом контуре.
На основе численного эксперимента возможно предложить конструктивные изменения в жаровом котле для снижения скорости образования наносных отложений и определения прогнозируемого места скопления для последующего удаления. Расчетная схема изображена на рис. 1.
ТяЛ-Ш' Т„=П1Г:Л~/
Рис. 1. Расчетная схема водяного объема жаротрубного котла
Математическая модель, описывающая процессы в жаротрубном котле, включает модель образования накипи, модель движения наносных отложений, модель горения топлива, модель теплообмена от продуктов сгорания к стенке и от стенки к теплоносителю разработана при следующих основных допущениях [9,11]: окислитель - воздух; реагирующий газ - метан; теплота от продуктов сгорания к стенке передается молекулярной диффузией, конвекцией и излучением; внутри погранслоя градиент давления равен нулю; суммарный перенос теплоты на границе раздела стенка - жидкость осуществляется за счет конвекции, а газ - стенка за счет конвекции и излучения; основные виды отложений на теплообменной поверхности - накипь и наносные отложения. Моделирование процесса осаждения шламовых частиц на поверхностях нагрева жаротрубного котла выполнялось в программном комплексе Ansys CFX [8].
III. Теория
Рассмотрим закономерности динамики движения системы твердых частиц, находящихся в котловой воде. Для моделирования процесса движения шламовых частиц используется многофазная модель, в которой в потоке движутся частицы шлама. Движение шламовых частиц представляется как совокупность шламовых частиц с индивидуальными характеристиками, движение которых рассматривается с использованием нестационарных дифференциальных уравнений для отдельной частицы шлама и состоят из уравнений скорости, положения, массы и температуры [8].
Движение шламовой частицы вычисляется с использованием выражения для текущей координаты xt и учитывает шаг по времени dt:
x.
= < + v°piSt.
(2)
где индексы «о» и «п» соответствуют предыдущей и новой переменной во времени соответственно и vp i -скорость частицы шлама.
Предполагается, что каждая шламовая частица движется в сплошном потоке - жидкой среде. Действующие силы на шламовые частицы создают ускорение шламовой частице из-за отличных скоростей последней и потока. Так же эти силы действуют и на поток. Для таких частиц можно записать уравнение:
m„
dt
= Fd + FB + Fr + FVM + Fp + Fba ,
(3)
в правой части уравнения находятся следующие силы: ¥а - сила аэродинамического сопротивления; ¥В -подъёмная сила; Ек - сила, обусловленная вращательным движением; Еум - сила, обусловленная ускорением частицы относительно жидкости; ЕР - сила, обусловленная градиентом давления; ЕВА - сила Бассэ.
IV. Результаты экспериментов В процессе численного эксперимента и конструктивных изменений (поперечное оребрение жаровой трубы) получены данные о зависимости скорости образования наносных отложений на поверхности жаровой трубы, от концентрации частиц (рис. 2). Данные зависимости были получены для жаротрубного котла мощностью 200 кВт с жаровой трубой dвн х 5 = 0,46 х 0,01 м.
Рис. 2. Зависимость скорости образования наносных отложений от концентрации частиц в теплоносителе: 1 - гладкая поверхность жаровой трубы; 2 - оребренная поверхность жаровой трубы
Из рис. 2 видно, что использование поперечного оребрения жаровой трубы приводит к снижению скорости образования отложений.
V. Обсуждение результатов Снижение скорости образования наносных отложений на жаровой трубе происходит за счет более интенсивных конвективных процессов в межреберном объеме, подробное описание которых рассмотрено ниже (рис. 3).
Рис. 3. Схема распределения плотности тепловых потоков на поверхности оребренной жаровой трубы
На рис. 3 изображена схема распределения тепловых потоков на ребре жаровой трубы. Величины имеют следующее значение: д' = 64133 Вт/м2, = 39960 Вт/м2, 1ств = 138 °С; 1реб.в = 165 °С, 1стг = 146 °С, 1реб.г = 180 °С, при этом значение коэффициента теплоотдачи изменяется от 720 до 9159 Вт/(м2*К) при переходе от основания ребра к вершине.
С учетом вышесказанного получим зависимость среднего коэффициента теплоотдачи по поверхности жаровой трубы со стороны теплоносителя от ширины ребра (рис. 4) в соответствии с выражением [7]:
1
Р I , (4)
1
1Г
т 1
Р 0
где Еа - площадь поверхности осреднения.
Рис. 4. Зависимость среднего коэффициента теплоотдачи оребренной жаровой трубы со стороны теплоносителя от ширины ребра
Из рис. 4 видно, что максимальное значение соответствует ширине ребра, равной 0,054 м. Оребрение поверхности жаровой трубы приводит к снижению плотности теплового потока, а из-за повышения температуры теплоносителя между ребер процесс теплообмена с кипением теплоносителя будет начинаться при меньшей плотности теплового потока (q > 40 кВт/м2) и, в свою очередь, восходящие пузырьки усиливают конвективные явления пристеночной области и не дают шламу оседать на жаровой трубе.
VI. Выводы и заключение
Предложенная конструкция жаровой трубы котла снижает скорость образования наносных отложений до 50 % и обеспечивает скопление шлама в нижней части котла, окуда его легко удалить при помощи продувки.
Список литературы
1. Kakac S. Heat exchangers: selection, rating, and thermal design // Taylor Francis Inc, United States. 2012. 491 p.
2. Chenoweth J. M. Fouling problems in heat exchangers // Heat Transfer in High Technology and Power Engineering / Editors W. K. Yang, and Y. Mori. Washington, D. C.: Hemisphere Publishing Corp., 1987. 406 р.
3. Garrett-Price B. A., Smith S. A., Watts R. L., Knudsen J. G., Marner W. J., and Suitor J. W. Fouling of Heat Exchangers: Characteristics, Costs, Prevention, Control, and Removal // Noyes Publications, Park Ridge, New Jersey. 1985. P. 9-20.
4. Васильев А. В. [и др.]. Повышение надежности жаротрубных водогрейных котлов // Промышленная энергетика. 1998. № 7. С. 19-21.
5. Липов Ю. М., Третьяков Ю. М. Котельные установки и парогенераторы. М.-Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2003. 588 с.
6. Глебов В. П. [и др.]. Внутритрубные образования в паровых котлах сверхкритического давления. М.: Энергоатомиздат, 1983. 240 с.
7. Исаченко В. П., Осипова В. А., Сукомел А. С. Теплопередача. 3-е изд. перераб. и доп. М.: Энергия, 1975. 488 с.
8. ANSYS CFX-Solver Theory Guide. ANSYS CFX Release 11.0 // ANSYS, Inc. Southpointe 275 Technology Drive, Canonsburg : PA 15317, 2006. 312 p.
УДК 62-9
АНАЛИЗ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПРОЦЕССА ОБЕЗВРЕЖИВАНИЯ НЕФТЕЗАГРЯЗНЕННОЙ ПОЧВЫ В УСТАНОВКЕ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТЕХНОЛОГИИ
РЕАГЕНТНОГО КАПСУЛИРОВАНИЯ
ANALYSIS OF TEMPERATURE CHARACTERISTICS OF THE PROCESS NEUTRALIZATION OIL-CONTAMINATED SOIL IN INSTALLATION WITH USE OF TECHNOLOGY REAGENT
CAPSULATION
Л. О. Штриплинг, Е. Г. Холкин, А. Е. Гаглоева, С. В. Белькова
Омский государственный технический университет, г. Омск, Россия
L. O. Shtripling, E. G. Kholkin, A. E. Gagloeva, S. V. Belkova
Omsk State Technical University, Omsk, Russia
Аннотация. Рассматривается методика проведения экспериментального исследования технологического процесса обезвреживания нефтезагрязненной почвы с использованием технологии реагентного капсулирования в установке. В ходе эксперимента определены основные температурные характеристики технологического процесса обезвреживания нефтезагрязненной почвы при различных концентрациях углекислого газа в зоне обезвреживания. Полученные температурные характеристики позволяют оценить время, необходимое для осуществления процесса обезвреживания. Анализ результатов эксперимента показал, что при обезвреживании нефтезагрязненной почвы с использованием технологии реагентно-го капсулирования очень важно учитывать температурные условия окружающей среды. Для обезвреживания нефтезагрязненной почвы при отрицательных температурах окружающей среды обязательно требуется интенсивная подача углекислого газа в зону обезвреживания. Подача углекислого газа в зону
