CC BY
22
УДК 697.3
КУРИЛЕНКО НИКОЛАЙ ИЛЬИЧ, канд. физ.-мат. наук, профессор, kurilenkoni@mail.ru
МИХАЙЛОВА ЛАРИСА ЮРЬЕВНА, канд. техн. наук, доцент, kurilenkoni@mail.ru
Тюменский государственный архитектурно-строительный университет,
625001, г. Тюмень, ул. Луначарского, 2
АРТАМОНОВ ПАВЕЛ АЛЕКСАНДРОВИЧ, аспирант,
kurilenkoni@mail.ru
ООО «МАКСТЕРМ»,
625047, г. Тюмень, ул. Володарского, 14
ОРГАНИЗАЦИЯ ВОЗДУШНЫХ ПОТОКОВ
ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ
БЛОЧНЫХ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ КОТЕЛЬНЫХ
Представлены основные особенности воздушного режима блочных автоматизированных котельных. Рассмотрена основная система отопления в котельных такого типа. Разработана типовая модель блок-бокса котла с дутьевой горелкой. Рассчитана нестационарная модель подогрева воздуха, поступающего на горение. Проанализированы причины перегрева верхней зоны в случае использования прямого угла атаки тепловой завесы. Предложены мероприятия по повышению равномерности распределения температуры воздуха по высоте. Показана экономическая выгода от использования предложенной системы.
Ключевые слова: воздухообмен; воздушный режим; котельные установки; автоматизированные котельные.
NIKOLAI I. KURILENKO, PhD, Professor, kurilenkoni@mail.ru
LARISA Yu. MIKHAILOVA, PhD, A/Professor, kurilenkoni@mail.ru
Tyumen State University of Architecture and Civil Engineering,
2, Lunocharskii Str., 625001, Tyumen, Russia
PAVEL А. ARTAMONOV, Research Assistant,
kurilenkoni@mail.ru
MAXTERM Company,
14, Volodarskii Str., 625000, Tyumen, Russia
UNITED AIR FLOW TO IMPROVE PERFORMANCE OF BLOCK AUTOMATED BOILER
The main features of the air mode block automated boilers. Consider the main heating system in this type of boiler . Developed typical block-box model of the boiler with blow torch. Calculated non-stationary model of heating the air entering the combustion. Analyzed the causes overheating of the upper zone in the case of direct angle of attack of the air curtain. Proposed measures to improve the temperature uniformity in height. The economic benefits from the use of the proposed system.
© Н.И. Куриленко, Л.Ю. Михайлова, П. А. Артамонов, 2014
Keywords: air exchange; air regime; boiler systems; automated boiler rooms.
В настоящее время огромное внимание уделяется вопросам энергосбережения. Одной из первостепенных задач по повышению уровня энергоэффективности является максимальное улучшение качества теплогенерирующих установок. Популярным видом источников теплоснабжения является блочно-модульная автоматизированная котельная. Такие котельные имеют ряд отличительных особенностей, таких как минимальные габариты, транспортабельность, высокая степень автоматизации, ориентирование на работу в экстремальных условиях и др. Эти особенности создают повышенные требования к деталям проектирования, в том числе системы отопления [1, 2]. Из-за большой площади теплоотдающих поверхностей (трубы, арматура, изоляция оборудования) котельная является местом с явными избытками теплоты, и вопрос об отоплении в отсутствие персонала не кажется первостепенной проблемой. Для стационарных котельных больших объемов с высокой тепловой инерцией этот вопрос действительно не актуален. В блочно-модульных котельных, как правило, мало свободного объёма, следовательно, наблюдается большая подвижность воздуха, т. к. объём воздуха, необходимый для сжигания топлива, намного превосходит количество воздуха, необходимое для обеспечения общеобменной вентиляции. Высокая подвижность воздуха и низкие температуры способствуют обмерзанию оборудования при сохранении средней температуры внутреннего воздуха на уровне нормируемых 5 °С (СНиП II-35-76 c изм.).
На сегодняшний день практика эксплуатации показала, что наиболее надежной системой отопления помещения котельной является воздушное отопление с использованием тепловентиляторов, работающих по принципу тепловой завесы.
Но насколько эффективна работа этой системы? Для анализа эффективности построим математическую модель типового блок-бокса с установленным в нем котлом мощностью 3 МВт. Моделирование процесса основано на методе конечных элементов [3-5] и решении уравнения неразрывности согласно уравнению
^ + р) = 0, (1)
ot
где р - плотность среды, кг/м3; t - время, с; U - вектор скорости, м/с;
Закон сохранения импульса описывается уравнением
0Up) + V(Up®U) = -Vp + Vx + SM , (2)
ot
вле
тензор напряжения, описывается уравнением
где p - абсолютное давление, Па; SM - объемный источник массы, кг/м2-с3; т -
чг 2,
t = |(vU + (VUу - 35VU), (3)
где ц - динамическая вязкость, Пас; 5 - функция Кронекера; Т - температура, К; Изменение энергии в момент времени находится согласно уравнению
6(phtot) + d( p)
I tot' + V-i dt dt
+ V(UphM) = V(XVT) + V(U x) + + S
(4)
где Нш - полная энтальпия, зависящая от статической энтальпии в соответствии с формулой
Выражение V(U x) отображает работу вязких напряжений и называется вязкостным компонентом работы. Оно моделирует внутренний нагрев вязкости в жидкости и в нашем случае имеет незначительный эффект, которым можно пренебречь.
Выражение USM отображает работу внешних источников импульса, в расчете ими пренебрегаем; SE - объемный источник энергии, кг/м-с3.
Габариты котла получим усреднением габаритов котлов аналогичной мощности различных производителей, таких как WOLF, Viessmann, LOOS и др. Габарит типового бокса выбираем из условий соблюдения транспортных габаритов, габаритов котла, горелки, минимизации капитальных затрат и нормативных расстояний перед взрывным клапаном и горелкой (ПБ 10-574-03). Габариты типового котла мощностью 3,0 МВт - 4700x2230x2400 мм, габариты типового бокса: длина - 8000 мм, ширина - 3000 мм, высота стоек -3000 мм, высота по коньку кровли - 3900 мм. Вытяжной вентилятор, установленный под коньком крыши, обеспечивает однократный воздухообмен. Теп-ловентилятор выбран производства фирмы Kroll, расход которого равен 1,65 кг/с, а мощность зависит от температуры по эмпирическому закону, выведенному на основе данных завода-изготовителя:
где Q - тепловая мощность калорифера, кВт; Твх.к - температура на входе в калорифер, °С.
Расход воздуха на горение - 1,335 кг/с.
Задача является нестационарной с полным интервалом времени в 900 с и шагом в 10 с. Начальные условия: температура внутреннего воздуха -5 °С, абсолютное давление - 0,1013 МПа.
Логическим оператором включения и выключения системы отопления является информация о температуре воздуха, поступающего в горелку: если температура воздуха меньше 5 °С, то тепловентилятор включается, если же в конце временного шага температура не становится ниже заданного значения, то тепловентилятор не включится. Результатами вычисления в конце каждого временного шага являются:
T Outlet - температура воздуха, удаляемого из помещения, K;
T Volum - среднеобъемная температура по боксу, K;
T Вигпег - температура воздуха, поступающего в горелку, K;
T Kroll - температура на выходе из тепловентилятора, K;
G Kroll - расход через калорифер, кг/с.
htt = h +1U2.
tot 2
(5)
ßK = -0,6 • Твх.к + 65,
(6)
Для анализа эффективности работы тепловентилятора как тепловой завесы рассчитаем при различной температуре наружного воздуха случай, когда угол атаки завесы будет перпендикулярен оси приточной решетки. Усредненные за интервал измерения результаты изображены синими маркерами на рис. 1-3.
Как видно из полученных результатов, при перекрестном направлении потоков в распределении температуры в котельной наблюдается перегрев верхней зоны, который характеризуется разностью величин T Outlet (воздух, удаляемый вытяжным вентилятором из верхней зоны) и T Burner (воздух, забираемый горелкой из нижней зоны) и линейно возрастает с уменьшением температуры наружного воздуха (рис. 1). Также необходимо заметить, что еще одной характеристикой возрастания температурного градиента с понижением температуры наружного воздуха является кривая, отображающая разницу между T Volum и T Burner (рис. 2).
AZ °С
Тн, °С
Рис. 1. Зависимость разности Т Outlet и Т Burner от температуры наружного воздуха
При этом, учитывая данные по доле времени работы тепловентилятора (рис. 3), можно сделать вывод, что при перекрестной системе организации подогрева воздуха наблюдается плохое перемешивание потоков от калорифера и от приточной решётки. В результате этого воздух из перегретой верхней зоны отводится непосредственно в атмосферу, что плохо согласуется с необходимостью энергосбережения.
Проблема перегрева верхней зоны и низкая температура у пола для котельных достаточно актуальна. В первую очередь это связано с требованием нормативной документации об установке приточных решеток позади котла. Компактность котельной и сравнительно небольшая высота здания не позволяют воздуху ассимилировать тепло при движении из верхней зоны. Поток наружного воздуха, поступая в котельную неизотермической струей, обладает минимальной величиной проникновения и, настилаясь на пол, подается к го-
релке, которая осуществляет забор воздуха из нижней зоны. При заборе холодного воздуха на горение КПД котла снижается [1]. Кроме того, тепловен-тилятор не получает сигнала о выключении, тем самым расходуя тепло, которое уходит в атмосферу из верхней зоны. Все это в сумме снижает КПД всей котельной.
-50 -40 Тн, °С
-30
-20
-10
12 10 8 6 4 2 0
ДТ, °С
0
Рис. 2. Зависимость разности T Volum и T Burner от температуры наружного воздуха
Тн, °С
Рис. 3. Доля времени работы тепловентилятора в зависимости от температуры наружного воздуха
Применение системы отопления тепловентиляторами обусловлено высокой надежностью и относительно невысокими капитальными вложениями, однако, как мы видим, данная система обладает низкой эффективностью перемешивания потоков горячего и холодного воздуха. Практические наблюде-
ния за работой воздушных завес показывают, что в условиях высокой подвижности и разных плотностей потоки горячего и холодного воздуха в системах воздушного отопления не склонны к перемешиванию [6]. При поиске возможного решения этой проблемы было предложено изменять «угол атаки» тепловентилятора, однако это не давало существенного улучшения в снижении градиента изменения температуры по высоте. Было решено использовать направляющие воздуховоды с нулевым углом атаки завесы (рис. 4). Такое решение позволит использовать разную плотность горячего и холодного потоков для направленного движения наружного воздуха в зону теплоизбытков и значительного ослабления скорости струи.
Приточный канал
Контур котельной
Ь- 1
Тепловентилятор
Контур котла
Рис. 4. Принцип организации отопления котельной с использованием параллельно направленных воздушных потоков
Результаты, полученные в процессе моделирования, отображены красными маркерами на рис. 1-3. Как можно заметить, такая система дала значительное улучшение в снижении величины градиента температуры по высоте и снизила перегрев верхней зоны, при этом параметры воздуха на входе в горелку абсолютно идентичны варианту с перекрестной организацией воздушного потока. Обращает на себя внимание характер зависимости, представленной на рис. 1. В отличие от случая с использованием перпендикулярного направления потоков, где наблюдается линейная характеристика, параллельная организация движения воздуха характеризуется параболической кривой с точкой экстремума в значении аргумента минус 25 °С. Данный график наглядно показывает значительный рост эффективности системы с понижением температуры наружного воздуха, демонстрируя повышение равномерности распределения температуры воздуха по высоте как следствие наибольшей ассимиляции тепла помещения котельной. Кроме этого, благодаря ассимиляции теплоизбытков верхней зоны, снизилась доля использования системы отопления по времени (см. рис. 3). Время использования тепловентилятора является величиной, напрямую отображающей количество тепла, идущего на нагрев воздуха. Другими словами, снижение доли времени работы теплокалорифера уменьшает расходы тепла на собственные нужды, т. е. повышает общий КПД
котельной. Часовая экономия газа, рассчитанная на теплотворную способность, равную 36000 кДж/м3, при использовании параллельно направленных воздушных потоков в зависимости от температуры наружного воздуха отображена на рис. 5. При этом наибольший экономический эффект достигается при температуре наружного воздуха, равной -30 °С.
25 20 15 10 5 0
м3/ч
Тн, °С -60
-40
-20
0
Рис. 5. Часовая экономия газа при использовании параллельных потоков в зависимости от наружной температуры
Таким образом, повышение требований к энергосбережению заставляет менять подходы к практике проектирования и задействовать более сложный алгоритм расчетов. В настоящей статье разработана математическая модель типового блок-бокса теплопроизводительностью 3 МВт, которая наглядно продемонстрировала недочеты в существующей системе организации отопления автоматизированных котельных. Также был предложен метод ассимиляции теплоизбытков посредством параллельной организации воздушных потоков.
Библиографический список
1. Куриленко, Н.И. Особенности воздушного режима блочных автоматизированных котельных установок / Н.И. Куриленко, Л.Ю. Михайлова, П.А. Артамонов // Сб. материалов XIII Научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и соискателей ТюмГАСУ. - Тюмень, 2014.
2. Использование параллельно направленных воздушных потоков для оптимизации системы отопления блочных автоматизированных котельных / Н.И. Куриленко, А.З. Идрисов, Л.Ю. Михайлова, П.А. Артамонов // Сб. материалов Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы строительства, экологии и энергосбережения в условиях Западной Сибири». - Тюмень, 2014.
3. ANSYS HELP: Chapter 4: Mathematical Models of CFX. - Условия доступа : http://www.iesd.dmu.ac.uk/research_degrees/publications/mjc_thesis/ch4/ch4.pdf
4. Каплун, А.Б. ANSYS в руках инженера: практическое руководство / А.Б. Каплун, Е.М. Морозов, М.А. Олферьева. - М. : Едиториал УРСС, 2003. - 272 с.
5. Басов, К.А. ANSYS и LMS Virtual Lab. Геометрическое моделирование. - М. : ДМК Пресс, 2006. - С. 240.
6. Behnia, M. Numerical Study of Turbulent Heat Transfer in Confined and Unconfined Impinging Jets / M. Behnia, S. Parneix, Y. Shabany and P.A. Durbin // International Journal of Heat and Fluid Flow. - 1999. - № 20. - Р. 1-9.
References
1. Kurilenko N.I., Mikhailova L.Yu., Artamonov P.A. Osobennosti vozdushnogo rezhima blochnykh avtomatizirovannykh kotel'nykh ustanovok [Air conditions of block automated boiler plants]. Proc. 13th Sci. Conf. of Students and Young Scientists TyumGASU [Tyumen State University of Architecture and Civil Engineering]. Tyumen', 2014. (rus)
2. Kurilenko N.I., Idrisov A.Z., Mikhailova L.Yu., Artamonov P.A. Ispol'zovanie parallel'no napravlennykh vozdushnykh potokov dlya optimizatsii sistemy otopleniya blochnykh avtomatizirovannykh kotel'nykh [Using the parallel direction of air flow to optimize the heating block automated boiler]. Proc. Int. Sci. Conf. 'Relevant problems of Construction, Ecology, and Energy Saving in Western Siberia'. Tyumen', 2014. (rus)
3. ANSYS HELP: Chapter 4:Mathematical Models of CFX. Available at : http://www.iesd.dmu.ac.uk/research_degrees/publications/mjc_thesis/ch4/ch4.pdf
4. Kaplun A.B., Morozov E.M., Olfer'eva M.A. ANSYS v rukakh inzhenera: Prakticheskoe rukovodstvo [ANSYS in hands of engineer: a practical guide]. Moscow : Editorial URSS Publ., 2003. 272 p. (rus)
5. Basov K.A. ANSYS i LMS Virtual Lab. Geometricheskoe modelirovanie [ANSYS and LMS Virtual Lab. Geometric modeling]. Moscow : DMK Press, 2006. 240 p. (rus)
6. Behnia M., Parneix S., Shabany Y., and Durbin P.A. Numerical Study of Turbulent Heat Transfer in Confined and Unconfined Impinging Jets. International Journal of Heat and Fluid Flow. 1999. No. 20. Pp.1-9.
