CC BY
22
УДК 621. 181. 123
РАСЧЕТНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ ИЗМЕНЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ РАБОТЫ ГАЗОТРУБНОГО КОТЛА
CALCULATION STUDIES OF THE AMBIENT TEMPERATURE VARIATION INFLUENCE ON THE GAS TUBE BOILER EFFICIENCY
Е. Н. Слободина1, В. А. Кихтенко1, А. Г. Михайлов1, В. К. Гаак2, И. А. Степашкин1,
'Омский государственный технический университет, г. Омск, Россия 2Омский государственный университет путей сообщения, г. Омск, Россия
E. N. Slobodina1, V. A. Kikhtenko1, A. G. Mikhailov1, V. K. Gaak2, I. A. Stepashkin1
'Omsk State Technical University, Omsk, Russia 2Omsk State Transport University, Omsk, Russia
Аннотация. В данной статье рассмотрено влияние изменения температуры окружающего воздуха на эффективность работы газотрубного водогрейного котла, работающего в системе теплоснабжения. Построены графики зависимости расхода топлива, температуры в пристеночном слое конвективного пучка со стороны газов, аэродинамических потерь по длине дымогарных труб в конвективном пучке от температуры окружающей среды. Представлены основные расчетные формулы, использованные для расчета, а также температурный график работы системы теплоснабжения в зависимости от температуры окружающей среды.
Ключевые слова: теплоснабжение, водогрейный котел, газотрубный котел, газообразное топливо, аэродинамические потери.
DOI: 10.25206/2310-9793-7-3-32-37
I. Введение
Система теплоснабжения представляет собой взаимосвязанный комплекс источника теплоты, тепловых сетей и потребителей тепловой энергии. К системам теплоснабжения в основном присоединены три вида тепловой нагрузки: отопление, вентиляция и горячее водоснабжение. Эти нагрузки имеют различные сезонные и суточные графики потребления [1].
Тепловая нагрузка абонентов меняется в зависимости от множества факторов. Отопление и вентиляция относятся к сезонным нагрузкам и зависят в основном от температуры наружного воздуха, а также от направления и скорости ветра, солнечного излучения, влажности воздуха и т. п. Горячее водоснабжение относится к круглогодичной нагрузке и зависит от благоустройства жилых и общественных зданий, состава населения и распорядка рабочего дня, а также от режима работы коммунальных предприятий [2].
Для регулирования количества теплоты от данного потребителям существуют температурные графики. На температурном графике представлены кривые температур в прямом и обратном трубопроводах, которые меняются в зависимости от температуры окружающей среды [2].
В качестве источника теплоты в децентрализованных системах теплоснабжения применяются водогрейные котлы. В данной работе рассмотрен газотрубный водогрейный котел, работающий на газообразном топливе и обладающий заданными техническими характеристиками (КПД, номинальная мощность, площади теплопроводящих поверхностей). Также режимом работы системы теплоснабжения заданы некоторые величины, влияющие на эффективность работы газотрубного котла (температура воды на входе в котел, температура воды на выходе из котла, расход сжигаемого газообразного топлива) [3].
II. Постановка задачи
Для расчетов используется газотрубный водогрейный котел со следующими характеристиками (рис. 1):
- номинальная мощность 500 кВт;
- КПД котла 92.6 %;
- тепловоспринимающая площадь топочной камеры 5.36 м2;
- тепловоспринимающая площадь дымогарных труб (конвективного пучка) 9.68 м2;
- расход топлива в номинальном режиме работы 54.2 м3/ч;
- постоянный расход воды через котел 17.2 т/ч.
3 9 11
Рис.1. Схематическое изображение газотрубного котла 1 - топочная камера (жаровая труба); 2 - патрубок входа воды в котел; 3 - обмуровка; 4 - выход дымовых газов; 5 - поворотная камера; 6 - опора; 7 - дымогарные трубы; 8 - пространство, заполненное водой; 9 - крепление; 10 - технологическое отверстие; 11 - патрубок выхода воды из котла
Целью данного исследования является определение эффективности работы газотрубного водогрейного котла при изменении режима работы системы теплоснабжения.
III. Теория
Основой расчета является нормативный метод теплового расчета котла. В общем случае тепловосприя-тие поверхностей нагрева определяется из уравнения теплообмена в жаровой трубе, представленное в данном виде, исходя из закона Стефана-Больцмана:
Q'л = °т ■ ■ Vi
[Т4- Т*) ■ 10
-а
(1)
где Q \ - тепловосприятие поверхностей нагрева; ат - интегральный коэффициент теплового излучения жаровой трубы; со - коэффициент излучения абсолютно черного тела, равный 5.67-10-8 Вт/(м2-К4); фэ - коэффициент тепловой эффективности поверхностей нагрева; ¥ст - площадь поверхности стенок, ограничивающих жаровую трубу; Т - средняя температура продуктов сгорания в жаровой трубе; Тср - средняя температура поверхности нагрева [4].
Рассчитывается действительная температура на выходе из жаровой трубы по формуле:
$т — ■
T
( з л0'6
5-67 ^СрКтаТТс
- 273
M
ср ст
10 V BpVccp ,
+1
(2)
В ходе расчета конвективных поверхностей нагрева основными являются уравнения теплопередачи и теплового баланса [4].
Уравнение теплопередачи
Ят = К • Н М / Бр (3)
Уравнение теплового баланса
В данных уравнениях К - коэффициент теплопередачи нагреваемой поверхности; Ж - температурный напор; Вр - расчетный расход топлива; Н - площадь расчетной нагреваемой поверхности; ф - коэффициент сохранения теплоты; I' I" - энтальпии продуктов сгорания на входе в пучок дымогарных труб и на выходе из него [5]. КПД брутто водогрейного котла можно определить по уравнению прямого баланса:
О ■ (г - г ) = -■ 100 ,
1бР ор в
^ р в вк
где Ов - расход воды через котел; Ввк - расход топлива водогрейным котлом; Ррр - располагаемая теплота; 1г.в, 1х.в - энтальпии горячей и холодной воды [5].
Для определения сопротивления трения шероховатых труб в условиях теплообмена используется формула
(6)
где X - коэффициент сопротивления трения, который зависит от относительной шероховатости стенок канала и числа Яе; I, - длина и эквивалентный диаметр канала; т - скорость потока; р - плотность газа; Тст и Т - средние по участку газохода температуры стенки и текущей среды [6].
IV. Результаты экспериментов
Режим работы системы теплоснабжения задается температурами воды в прямом и обратном трубопроводах. Эти температуры зависят от температуры окружающего воздуха (рис. 2).
Рис. 2. Температурный график 95/70
В системе теплоснабжения вода нагревается котлом в результате сжигания природного газа. Для поддержания температуры воды в прямом и обратном трубопроводах в соответствии с температурным графиком необходимо изменять расхода топлива (рис. 3).
Снижение расхода топлива с ростом температуры окружающей среды связано со снижением разницы температур между водой в прямом и обратном трубопроводах. В результате этого снижается необходимая мощность котла на нагрев воды.
с
о
I-
О х и га о.
П П1
П ЛИЙ
о лпд
п ЛТП
-35 -30 -25 -20 -15 -10 -5
Температура окружающей среды, °С
ю
Рис. 3. График зависимости расхода топлива от температуры окружающей среды В результате изменения режима работы газотрубного котла меняется температура стенки (рис. 4).
Рис. 4. График зависимости температуры стенки конвективного пучка со стороны газов от температуры окружающей среды
В результате изменения температуры, стенки труб конвективного пучка меняются аэродинамические потери по длине труб (рис. 5).
Рис. 5. График зависимости аэродинамических потерь от температуры стенки со стороны газов
V. Обсуждение результатов
С повышением температуры окружающей среды разница температур между водой в прямом и обратном трубопроводах снижается (рис. 2). Расход воды через котел остается постоянным в связи с использованием качественного способа регулирования количества теплоты, отдаваемого потребителям. В связи с этим можно сделать вывод, что при повышении температуры окружающей среды снижается мощность, необходимая потребителям. Для соблюдения теплового баланса между количеством теплоты, отданным при сжигании топлива и принятым нагреваемой водой, необходимо снижать расход топлива. Изменение расхода топлива в зависимости от режима работы системы теплоснабжения представлено на рис. 3.
Рисунок 4 характеризуется тем, что при повышении температуры окружающей среды в соответствии с температурным графиком происходит снижение расхода топлива. Из-за постоянного расхода воды через котел и снижения ее температуры на входе, температурный напор между водой на входе в котел и продуктами сгорания увеличивается, изменяя количество переданной теплоты. Вследствие чего температура уходящих газов становится ниже по сравнению с температурой уходящих газов при работе котла в режиме с меньшей температурой окружающей среды. Из-за снижения температуры уходящих газов и воды на выходе из котла температура стенки снижается.
Изменение аэродинамических потерь в конвективном пучке газотрубного котла рассчитаны по (6) (рис. 5). Основной величиной, влияющей на аэродинамические потери, является скорость движения газов, возведенная в квадрат. Скорость движения газов, в свою очередь, зависит от расхода топлива, который определяется режимом работы системы теплоснабжения в зависимости от температуры окружающей среды.
VI. Выводы и заключение
Эффективность работы котла зависит от режима работы системы теплоснабжения, что доказано расчетными исследованиями.
1.При снижении температуры окружающего воздуха на 1 градус расход топлива необходимо увеличить
на 3%.
2.При снижении температуры окружающего воздуха на 1 градус температура стенки трубы конвективного пучка увеличивается в пределах 1.7 градуса.
3.При снижении температуры окружающего воздуха на 1 градус аэродинамические потери по длине труб конвективного пучка увеличиваются в пределах 0.4 Па.
Источник финансирования. Благодарности
Работа выполнена в рамках НИР № 19075В «Молодой ученый ОмГТУ».
Список литературы
1. Rainer Schach (Prof. Dr.-Ing.), Anna-Elisabeth Wollstein-Lehmkuhlab. Decentralized heat supply with seasonal heat storage systems // Comparison of different heating systems. Energy Procedia. 2018. Vol. 155. Р. 320-328.
2. MaJ. Li C., Liu F., Wang Y., Liu T., Feng X. Optimization of Circulating Cooling Water Networks Considering the Constraint of Return Water Temperature //Journal of Cleaner Production. 2018.
3. Köfingera M., Basciottia D., Schmidt R. Reduction of return temperatures in urban district heating systemsby the implementation of energy-cascades // Energy Procedia. 2017. Vol. 116. Р. 438-451.
4. Annaratone D. Steam Generators. Description and design. Heidelberg: Springer Berlin, 2008. 427 p.
5. Bisetto A., Del Col D., Schievano M. Fire Tube Heat Generators: Experimental Analysis And Modeling // Applied Thermal Engineering. 2015. Vol. 78. Р. 236-247.
6. Тепловой расчет котлов (нормативный метод). СПб. 1998. 256 с.
УДК 621. 181. 123
ОСОБЕННОСТИ ТЕПЛООБМЕНА В ТОПОЧНОЙ КАМЕРЕ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ РАЗЛИЧНЫХ ВИДОВ УГЛЯ
FURNACE CHAMBER HEAT EXCHANGE PECULIARITIES IN USING DIFFERENT TYPES OF COAL
Е. Н. Слободина1, И. А. Степашкин1, А. Г. Михайлов1, Б. А. Семенов2, В. А. Кихтенко1
'Омский государственный технический университет, г. Омск, Россия 2Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю. А., г. Саратов, Россия
E. N. Slobodina1, I. A. Stepashkin1, A. G. Mikhailov1, B. A. Semenov2, V. A. Kikhtenko1
'Omsk State Technical University, Omsk, Russia 2Yu. A. Gagarin Saratov State Technical University, Saratov, Russia
Аннотация. В статье рассмотрены виды теплопереноса в топочной камере и влияние значений зо-лового остатка на тепло, выделившееся и воспринятое в топке. Проведен анализ влияния различных марок углей (Камышанского, Талдинского и Экибастузского месторождений) со значением золового остатка от 16,4 до 43% на теплоту сгорания в топке. Рассмотрено влияние величины золового остатка на значение тепла, воспринятого в топочной камере, которая является определяющей характеристикой эффективности работы котла. Приведена графическая зависимость количества тепла, воспринятого в топочной камере, от золового остатка для различных видов твердого топлива.
Ключевые слова: твердое топливо, котел, золовый остаток, теплота сгорания.
DOI: 10.25206/2310-9793-7-3-37-40
I. ВВЕДЕНИЕ
В паровых котлах большой мощности широкое применение нашел факельный метод сжигания топлива, т. е. сжигание топлива, поступающего из горелочных устройств в свободном объеме топочной камеры, ограниченной экранированными теплоизолирующими стенами, в виде факела внутри топочного объема [1].
Выбор углей для сжигания на омских ТЭЦ должен рассматриваться с учетом возможности сжигания других марок топлива; надежности работы котельного агрегата на новом топливе; безопасности обслуживания существующего тракта топливоподачи при использовании данного топлива; эффективности очистки дымовых газов существующей системой газоочистных сооружений. В настоящей работе определяющим фактором для выбора угля является эффективность работы топочной камеры.
При решении данного вопроса рассматриваются ближайшие регионы по обеспечению углем теплоисточников омской энергосистемы - Кузнецкий, Экибастузский угольные бассейны.
II. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
В зависимости от вида сжигаемого топлива топочные экраны воспринимают 40-50% полного количества теплоты, отдаваемой рабочей среде в котле в целом и в остальных поверхностях нагрева. Эффективность сжигания твердого топлива в камерных топках определяется теплотой, воспринятой в топочной камере, которая зависит от низшей теплоты сгорания топлива QE и количества теплоты, воспринятого в топочной камере QЛ. Задача - определить теплоту сгорания топлива, количество теплоты, воспринятого в топочной камере и объем продуктов сгорания с учетом специфики сжигания углей Кузнецкого, Экибастузского месторождений, различных по химическому составу [2].
III. ТЕОРИЯ
Одной из основных характеристик любого вида топлива является теплота сгорания, т. е. количество теплоты, которое может быть получено при полном сгорании единицы массы или объема топлива. Эта теплота определяется химическим составом топлива. В топочной камере одновременно происходят процессы горения топлива, радиационный и конвективный теплообмен между заполняющей средой и поверхностями нагрева.
