CC BY
12Повышение эксплуатационной эффективности работы газовых котельных в условиях низких температур
и ы в Е
г *
а о
Е Е
Иванов Виктор Наумович,
кандидат технических наук, заведующий кафедрой теплога-зоснабжение и вентиляция, ФГАОУ ВО «Северо-Восточный федеральный университет имени М.К. Аммосова», 1ду-уМ-415@mail.ru;
Иванова Анастасия Викторовна,
кандидат технических наук, доцент кафедры теплогазоснаб-жение и вентиляция, ФГАОУ ВО «Северо-Восточный федеральный университет имени М.К. Аммосова», ivanova_anastasiia@mail.ru;
Баишева Лидия Михайловна
старший преподаватель кафедры теплогазоснабжение и вентиляция, ФГАОУ ВО «Северо-Восточный федеральный университет имени М.К. Аммосова», lidiyabaisheva@mail.ru.
В данной статье приведены особенности строительства котельных в условиях резкоконтинентального климата и многолетнемерзлых грунтов. Результаты натурных исследований показали снижение эффективности работы котельных за счет поступления холодного воздуха на горение, а так же снижение эксплуатационного периода котельной за счет увеличения ореола оттайки грунта в течение ежегодного длительного отопительного периода. Разработана система комбинированного подогрева приточного воздуха для горения в горелке котла и охлаждения грунта для предохранения от оттайки грунта. Данная система позволяет понизить тепловые затраты на подогрев приточного наружного воздуха и повысить эффективность горения топлива, а также сохранить тепловой режим грунта за счет компенсации теплового воздействия основания строения на многолетнемерзлые грунты путем экранирования теплового воздействия системой трубопроводов с циркулирующим холодным наружным воздухом, что дает возможность предохранить грунт от увеличения ореола сезонной оттайки в течение длительной эксплуатации котельной.
Ключевые слова: котельная, резкоконтинентальный климат, многолетнемерзлые грунты, воздух для горения, охлаждающий эффект
В настоящее время идет активное развитие и освоение Республики Саха (Якутия). Строительство и эксплуатация различных инженерных сооружений, зданий и коммуникаций осложняется резкоконтинентальным климатом и наличием многолетнемерзлых грунтов. Резкоконтинен-тальность климата Якутии хорошо проявляется на всем ее температурном режиме: низких температурах зимы и высоких температур лета, большом размахе годовых и суточных амплитуд. Расчетная температура наружного воздуха холодной пятидневки в населенных пунктах Якутии находится в диапазоне от -42...-60°С. Особенностью района строительства является необходимость в сохранении мерзлого грунта и предупреждения оттайки.
Активное строительство и повышение уровня жизни населения определяет развитие возведения котельных сооружений. Рассматривая тепловой баланс современных газовых котельных установок основную потерю теплоты составляет теплота, уносимая продуктами сгорания, остальные составляющие теплового баланса имеют минимальное значение, в том числе потери теплоты в окружающую среду, зависящие от характеристики обмуровки котла и регламентированы производителями в стационарном режиме. Котельные в условиях многолетнемерз-лых грунтов переводят и возводят на насыпном основании с трубчатым фундаментом, с учетом легкосбрасываемых ограждений. Эксплуатация котельных характеризуется нестационарным режимом, соответственно происходит накопительная теплоотдача в грунт от основания котельной и самого котла, что приводит к образованию ореола оттайки и нарушению оси котельной. Отопительный период на территории Якутии составляет в среднем от 9... 12 месяцев, ежегодно эксплуатация котельной приводит к увеличению ореола оттайки многолетнемерзло-го грунта, что недопустимо для нормальной работы котельной и экологической составляющей сохранения многолетнемерзлых грунтов. В целях повышения надежности и эффективности работы газовых котельных в условиях низкой
температуры наружного воздуха были проведены натурные исследования их работы в условиях Республики Саха (Якутия). В качестве примера для расчетов были приняты температуры грунта в зависимости от глубины залегания и месяца года [1, 2].
Надежная и эффективная работа системы теплообеспечения здания в значительной степени зависит от теплотехнических и эксплуатационных характеристик теплогенератора, обеспечивающего тепловой энергией системы отопления, вентиляции и горячего водоснабжения. В настоящее время существует широкий выбор индивидуальных газовых котлов. В связи с повышением требований к условиям комфортности, экологичности и энергосбережения аппаратов развитие техники и технологий позволили усовершенствовать процессы горения, конструкции теплогенерирующих установок и вспомогательного оборудования. Производители газовых котлов представляют обязательный паспорт технических характеристик своей продукции, регламентирующих теплопроизводительность и КПД.
Мощность котла подбирают в зависимости от необходимой тепловой нагрузки на нужды систем отопления, вентиляции, горячего водоснабжения и собственных нужд котельной. Однако в процессе эксплуатации в северном климате при достижении расчетной температуры нарушаются условия нормальной работы котла, в результате теплопроизводительность и КПД котлов не достигают рекомендованных производителями значений. Это приводит к увеличению потребления природного газа и неэффективности материального вложения в приобретаемые современные энергоэффекивные котлы в вязи с невозможностью реализация их потенциала. Основной причиной нарушения их работы в условиях эксплуатации при особо низких температурах наружного воздуха является холодный воздух, необходимый для горения. Результаты натурного обследования работы котельных показали увеличенное потребления природного газа, понижение КПД котла, связанное с нарушением условий работы котла, которое наблюдается при достижении температуры наружного воздуха -35...-40°С, что составляет основную часть отопительного периода и продолжается в течение 4-6 месяцев.
При эксплуатации котельных в условиях низких температур одной из основных причин снижения коэффициента полезного действия котельных является недостаток либо несоответствие качества (параметров) воздуха, необходимого для горения.
Влияние на процесс сжигания газа количества кислорода в воздухе видно из стехиометри-ческого уравнения горения метана - основного
компонента природного газа [3, 4]. При этом скорость химической реакции может быть записана:
ж — ксн4 е"- [СИ4 ][ \,
(1 )
где К - константа химической реакции; Е -энергия активации, постоянная величина для каждой реакции; Я - удельная газовая постоянная; Т - абсолютная температура в зоне горения; [СН4], [02] - компоненты, участвующие в реакции горения.
При снижении концентрации кислорода, т.е. при загазованности воздуха кухни продуктами сгорания газа, скорость реакции горения уменьшается, что приводит к увеличению длины пламени и неполноте сгорания газа.
Уп
V — ' п.с. т^п.с.
к0 — к0--к0
иг иг п _ у иг
к-- т • (1 - О , (2)
где т — ¥0г/¥С0г - это отношение объема
кислорода, затраченного на сжигание 1 м газа, к объему углекислоты, образовавшейся при сгорании 1м3 газа; к0 - содержание кислорода в
воздухе - 21%; КП'с' - содержание кислорода в
продуктах сгорания.
Кроме концентрации кислорода, на качество процесса горения из формулы (1) видно влияет температура в зоне горения. Скорость ее достижения определяется начальными температурами исходных элементов топлива и окислителя. В работе [5, 6] приведена зависимость скорости горения от температуры смеси. При гомогенном горении определяющей составляющей интенсификации диффузионного и химического процесса горения является температура воздуха, поступающего на горение. Натурные исследования котельных, эксплуатируемых в условиях Якутии, показали, что воздух в необходимом количестве для процесса горения не успевает прогреться до положительных температур, регламентированных для паспортных значений работы котла. При поступлении воздуха с низкой температурой появляется опасность образования холодной зоны внутри конструкции котла, что нарушает нормальную работу котла и снижает эффективность его работы, а в некоторых случаях может привести к остановке.
В [4] предложен графоаналитический метод определения количества теплоты, необходимого на нагрев воздуха, поступающего на горение, и дополнительного расхода природного газа по безразмерному параметру Л0, учитывающего
мощность рассчитываемого теплогенератора:
4—, (3)
3 3
б
£
3
т П
4
где к - коэффициент теплопередачи через стенку дымовой трубы, Вт/(мК); Л - высота дымовой трубы, м ; Кн° - теоретически необходимый объем воздуха для сжигания 1 м3 газа, м3/м3; ат - коэффициент избытка воздуха в топке; св - теплоемкость воздуха, кДж/(кгК); В -расход топлива, м3/ч.
При снижении температуры воздуха, подаваемого на горение, и увеличении коэффициента избытка воздуха резко снижается калориметрическая температура. Изменения параметров воздуха понижают калориметрическую температуру от 6.20 % и более. Для достижения абсолютной температуры горения и требуемой тепловой мощности затрачивается дополнительная теплота на подогрев поступающего воздуха. В результате увеличивается расход природного газа или при нормированном расходе не обеспечивается необходимая тепловая мощность, что снижает КПД котла.
В то же время еще одной особенностью эксплуатации котельной на многолетнемерзлых грунтах является то, что независимо от технических характеристик котла является, со временем, каждый отопительный сезон ореол оттайки увеличивается. Данный процесс влияет на основание котельной и приводит к смещению от центральной оси и нарушению работы котельной.
В данной работе рассматривается концептуально-технологическая комплексная система сохранения мерзлого грунта и предварительного бестопливного нагрева воздуха, необходимого для горения котельной. За счет разности температур грунта и наружного воздуха в зимний период, воздух для горения, проходя через охладительную систему трубопроводов, охлаждая грунт - по ходу движения нагревается. На рис. 1 представлена схема распределения изотерм в грунте [7, 8].
У Ы в Е
г
*
а б Е Е
Комбинированная система предназначена для предварительного подогрева приточного воздуха за счет разности температур грунта и наружного воздуха в зимний период. Холодный воздух, проходя через систему трубопроводов, охлаждает грунт, предохраняет его от оттайки и по ходу движения нагревается до температуры нормальной работы приточных устройств.
Холодный наружный воздух забирается и проходит через систему охладительных труб, расположенных в насыпном фундаменте котельной на глубине сезонной оттайки многолет-немерзлых грунтов и состоят из ряда труб с шагом, обеспечивающим образование сплошного массива экранирующего примыкающий к фундаменту слой грунта от теплового воздействия.
При прокладке трубопровода в грунте, он представляет собой определенное термическое сопротивление. В массиве неограниченного пространства грунта действуют сосредоточенные линейные источники тепла. Согласно второму закону термодинамики наиболее нагретое тело отдает свою тепловую энергию более холодному. В таком случае, холодный воздух, проходя через трубопровод, будет принимать тепловую энергию от грунтов, тем самым охлаждая до средней отрицательной температуры [9, 10]. Таким образом, трубопровод, проложенный в толще грунта, не будет отрицательно влиять на тепловой режим грунтов.
Холодный воздух, проходя через трубопровод, будет принимать тепловую энергию от грунта, тем самым охлаждая до средней отрицательной температуры и предотвращения увеличения ореола оттайки грунта при длительной эксплуатации котельной. В процессе движения воздуха по каналам системы через стенки каналов происходит теплообмен от температуры ^ до температуры ^ и в приемное помещение поступает нагретый воздух.
На основе известных зависимостей теплового баланса с допустимыми упрощениями [8]:
Г" = I - (1 - Г') • е
в гр \ гр в /
к грЛ)у Lв Рвсв
гр
Рис. 1. Схема распределения изотерм в грунте
(4)
где dQв - изменение отрицательного стока теплоты, Вт; dQГp - изменение теплового потока от источника теплоты, Вт; Ь - расход воздуха, м3/ч; св, рв - теплоемкость и плотность воздуха соответственно, кДж/(кг К); кгр - линейный коэффициент теплопередачи от грунта воздуху, Вт/(мК); tгp, ^ - температура грунта и воздуха соответственно,°С.
Данное уравнение позволяет рассчитать температуру воздуха после прохождения через толщу грунта и в любом сечении трубопровода в зависимости от его длины.
Нагретый воздух через систему воздуховодов подается к пространству всасывания возду-
ха горелки котлоагрегата. В переходный режим отопительного периода (осенне-весеннего сезона) система оснащается байпасным воздуховодом, либо для проведения ремонтных работ. Также данный воздуховод может служить как дополнительный источник для приемного помещения через распределительно-приемную решетку. В случае недостатка необходимого воздуха приемное помещение оснащается приточными решетками наружного воздуха. Во время окончания отопительного периода и отсутствия тепловыделений от котлоагрегатов и в целях предотвращения увеличения оттайки многолет-немерзлых грунтов в летний период данная система отключается до следующего начала отопительного периода.
Таким образом, система комбинированного подогрева приточного воздуха и охлаждения грунта позволяет бестопливным способом нагреть воздух, тем самым понизить тепловые затраты на подогрев приточного наружного воздуха и повысить эффективность горения топлива. Также, позволяет сохранить тепловой режим грунта за счет компенсации теплового воздействия основания строения на многолетнемерзлые грунты путем экранирования теплового воздействия системой трубопроводов с циркулирующим холодным наружным воздухом, что предохраняет грунт от увеличения ореола сезонной оттайки в течение длительной эксплуатации котельной.
Литература
1. Гаврилова М.К. Климат Центральной Якутии / М.К. Гаврилова. - Якутск: Кн. изд-во, 1973.
- 119 с.
2. Балобаев В.Т. Прогноз изменения климата и мощности мерзлых пород Центральной Якутии до 2020 года / В.Т. Балобаев, Ю.Б. Скачков, Н.И. Шендер // География и природные ресурсы. -2009. - №2. - С. 50-56.
3. Комина Г.П. Газоснабжение. Горение газов / Г.П. Комина, А.Л. Шкаровский, Е.Е. Мариненко.
- Волгоград: ВолгГАСУ. 2010. - 124с.
4. Иванова А.В. Повышение энергоэффективности газовых теплогенерирующих установок малой мощности (до 100 кВт) в условиях Крайнего Севера : дис. ... канд. тех. наук : 05.23.03 : защищена 25.12.13 : утв. 16.06.14 / Иванова Анастасия Викторовна. - СПб.: СПбГАСУ., 2013. 146 с.
5. Полежаев Ю.В. Законы горения / Ю.В. Полежаев. - М.: Энергомаш, 2006. - 352 с.
6. Полежаев Ю.В. Методы интенсификации горения газообразных топлив / Ю.В. Полежаев // Труды пятой Российской национальной конференции по теплообмену. В 8 томах. Т.1. Общие проблемные доклады. Доклады на круглых столах. - М.: Издательский дом МЭИ, 2010. - С. 5254.
7. Ионин А.А. Теплоснабжение / А.А. Ионин, Б.М. Хлыбов, В.Н. Братенков, Е.Н. Терлецкая. -M.: Стройиздат, 1982.
8. Иванов В.Н. Повышение эксплуатационной эффективности работы систем рекуперации в условиях Крайнего Севера / В.Н. Иванов, А.В. Иванова, Л.М. Баишева // Промышленное и гражданское строительство. - 2016. - №8. - С. 7580.
9. Чертищев В.В. Расчет полей температур и тепловых потоков в неподвижной среде методом конечных элементов / В.В. Чертищев, В.Вл. Чертищев // Известия АлтГУ. - 2011. - №1-2. С. 176-180.
10. Тарасова В. А., Харлампиди Д. Х., Шер-стюк А. В. Моделирование тепловых режимов совместной работы грунтового теплообменника и теплонасосной установки / В.А. Тарасова, Д.Х Харлампиди, А.В. Шерстюк // ВЕЖПТ. - 2011, -№8 (53). - С. 34-40.
Increasing operational efficiency of work of gas boilers in
the conditions of low temperatures Ivanov V.N., Ivanova A.V., Baisheva L.M.
North-Eastern Federal University named after M.K. Ammosov In this paper considered the features of building boiler houses in the conditions of the sharply continental climate and permafrost soils. The results of field observation showed a decrease in the efficiency of boiler operations due to the arrival of cold air for combustion, as well as a decrease in the operating period of the boiler house due to an increase in the deforestation halo during the annual long heating season. Developed the system of combined heating of the fresh air for combustion in the boiler burner and cooling of the ground to protect against deforestation. This system allows to reduce the heating costs for heating the fresh air and improve the efficiency of fuel combustion, as well as to keep the thermal regime of the ground at the expense of the ground by compensating for the thermal effect of the base of the structure on the permafrost soils by shielding the thermal effect of a system of pipelines with circulating cold outside air, which makes it possible to protect the ground from increasing the halo of seasonal defrost during long operation of the boiler house. Key words: boiler house, extreme continental climate,
permafrost soil, air for combustion, cooling effect References
1. Gavrilova M.K. Klimat Central'noj Jakutii [Climate of Central Yakutia] / M.K. Gavrilova. - Jakutsk: Kn. izd-vo, 1973. - 119 p. [in Russian]
2. Balobaev V.T., Skachkov Ju.B., Shender N.I. Prognoz izmenenija klimata i moshhnosti merzlyh porod Central'noj Jakutii do 2020 goda [Prediction of climate change and the power of permafrost Central Yakutia to 2020] / V.T. Balobaev, Ju.B. Skachkov, N.I. Shender // Geografija i prirodnye resursy [Geography and natural resources]. -2009, - № 2. - P. 50-56. [in Russian]
3. Komina G.P. Gazosnabzhenie. Gorenie gazov / G.P. Komina, A.L. Shkarovskij, E.E. Marinenko. - Volgograd: VolgGASU, 2010. - 124 p. [in Russian]
4. Ivanova A.V. Povyshenie energoeffektivnosti gazovyx teplogeneriruyushhix ustanovok maloj moshhnosti (do 100 kvt) v usloviyax Krajnego Severa [Increase of energy efficiency of gas heat generating plants of low power (up to 100 kW) in the conditions of the Far North] : dis. ... of PhD in Engineering : 05.23.03 : defense of the thesis 25.12.13 : approved / Ivanova Anastasiya Victorovna. - Saint-Petersburg: SPbGASU, 2013. - 146 p. [in Russian]
3 3
б R t* £
3
R m
i
5. Polezhaev Yu.V. Zakony goreniya [Combustion laws] / Yu.V. Polezhaev. - M.: Energomash, 2006. - 352 p.
6. Polezhaev Yu.V. Metody intensifikacii goreniya gazoobraznyx topliv [Methods of intensification of combustion of gaseous fuels] / Yu.V. Polezhaev // Trudy pyatoj Rossijskoj nacionalnoj konferencii po teploobmenu. v 8 tomax. t.1. obshhie problemnye doklady. doklady na kruglyx stolax [Proceedings of the Fifth Russian National Conference on Heat Transfer. In 8 volumes. T.1. Common problem reports. Presentations at round tables.]. - M.: Izdatelskij Dom MEI, 2010. - P. 52-54. [in Russian]
7. lonin A.A. Teplosnabzhenie [Heat supply] / A.A. lonin, B.M. Xlybov, V.N. Bratenkov, E.N. Terleckaya. - M.: Strojizdat, 1982. [in Russian]
8. Ivanov V.N. Povyshenie ekspluatacionnoj effektivnosti raboty sistem rekuperacii v usloviyax krajnego severa [Increasing operational efficiency of the recovery systems in the conditions of Extreme North] / V.N. Ivanov, A.V. Ivanova, L.M. Baisheva // Promyshlennoe i grazhdanskoe stroitel'stvo [Industrial Engineering]. - 2016. - №8. - P. 75-80. [in Russian]
9. Chertishhev V.V. Raschet polej temperatur i teplovyh potokov v nepodvizhnoj srede metodom konechnyh jelementov [Calculation of temperature fields and heat flows in the fixed environment Finite] / V.V. Chertishhev, V.Vl. Chertishhev // Izvestija AltGU. - 2011. - №1-2. - P. 176180. [in Russian]
10. Tarasova V. A. Modelirovanie teplovyh rezhimov sovmestnoj raboty gruntovogo teploobmennika i teplonasosnoj ustanovki [Simulation of thermal modes of teamwork ground heat exchanger and heat pump system] / V.A. Tarasova, D.H. Harlampidi, A.V. Sherstjuk // VEZhPT, -2011. - №8 (53). - P. 34-40. [in Russian]
U
a E
5 *
a
6 E E
