Разработка и испытание водогрейного котла конденсационного типа Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

Аль-шариф А.Г. ©

Магистрант кафедры Энергетика теплотехнологии,

Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова г. Белгород; Работа - Университет технологии учебного центра и лабораторий в Багдаде, Ирак

РАЗРАБОТКА И ИСПЫТАНИЕ ВОДОГРЕЙНОГО КОТЛА КОНДЕНСАЦИОННОГО ТИПА

Аннотация

В статье рассматривается водогрейный котел конденсационного типа БГТУ им. В.Г. Шухова

Summary

This article focuses on the condensing boiler type BSTU. VG Shukhov.

Ключевые слова: система теплоснабжения, водонагреватель конденсационного котла, Keywords: heating systems, condensing water heater, boiler, condensing.

Хочу поблагодарить министерство высшего образования Ирака за постоянную поддержку.

Обзор систем теплоснабжения

Одними из важнейших систем жизнеобеспечения являются системы теплоснабжения, посредством которых осуществляется отопление и горячее водоснабжение объектов различного назначения. Особенно велико значение этих систем для районов с холодным климатом, к которым можно отнести и большую территорию России. В мире в настоящее время для теплоснабжения промышленных, гражданских и жилых зданий используется два основных типа систем теплоснабжения, а именно - системы централизованного и автономного (децентрализованного) теплоснабжения. В Российской Федерации при этом доминирующими являются централизованные системы.

Необходимо отметить, что централизованные системы теплоснабжения по виду теплового источника могут быть также разделены на два основных типа: с тепловым источником на теплофикационной электрической станции и с тепловым источником в районной или квартальной котельной соответствующей мощности. Причем в первых системах тепловая энергия, направляемая на нужды теплоснабжения, является дополнительным продуктом основного производства - генерации электрической энергии. Системы теплоснабжения с тепловым источником в районной или квартальной котельной ориентированы непосредственно на выработку тепловой энергии. При этом они характеризуются целым комплексом недостатков [3,4].

Первым из них является значительная протяженность тепловых сетей, характеризующихся значительными тепловыми потерями (более 20%) и высокой аварийностью. Кроме того, монтаж, ремонт и демонтаж участков тепловых сетей неизбежно отрицательно влияют на благоустройство городских территорий.

Вторым существенным недостатком является сложность регулирования отпуска тепла, обусловленная различными тепловыми режимами, характерными для различных потребителей. При этом может иметь место либо недостаточное обеспечение комфортных условий в отдельных объектах, либо существенный перерасход тепла.

Необходимо отметить, что коэффициент полезного действия, определенный по низшей теплотворной способности топлива, теплогенерирующих установок тепловых источников этих систем обычно не превышает 91%. Из этого следует, что при определении эффективности этих теплогенераторов по высшей теплоте сгорания топлива, величина КПД составляет порядка 80%. Кроме того, котлы, эксплуатируемые в районных или квартальных котельных, зачастую характеризуются повышенной концентрацией вредных компонентов (оксидов азота и др.) в

© Аль-шариф А.Г., 2014 г.

составе продуктов сгорания [4].

Автономные системы теплоснабжения также разделяются на две основные группы: индивидуальные (например, поквартирное теплоснабжение) и системы, тепловыми источниками в которых являются домовые или крышные котельные. При использовании для отопления и горячего водоснабжения объектов систем домового или поквартирного теплоснабжения решается большинство из указанных выше проблем: отсутствуют тепловые сети, значительно облегчается регулирование тепловых нагрузок (что в сумме может позволить сэкономить до 35% теплоты). Кроме того, в тепловых источниках автономных систем теплоснабжения, чаще всего, устанавливаются более современные теплогенераторы малой мощности,

характеризующиеся несколько большей энергоэффективностью и меньшими выбросами оксидов азота. Недостатком систем поквартирного теплоснабжения является тот факт, что в обслуживании потенциально опасного оборудования, которым является теплогенератор, задействован не квалифицированный, специально подготовленный персонал, а бытовой потребитель теплоты. Кроме того, величина КПД бытовых котлов и водонагревателей обычно имеет значения, близкие к величине КПД котлов, используемых в централизованных системах.

Вариантом существенного энергосбережения в системе теплоснабжения объектов различного назначения является автономная система теплоснабжения, в которой в качестве теплогенератора используется двухконтурный конденсационный водогрейный котел (КВК), разработанный сотрудниками БГТУ им. В.Г. Шухова [5-7].

1. Топливосберегающий газовый водонагреватель конденсационного типа БГТУ им. В.Г.

Шухова

Принципиально устройство водонагревателя показано на рис. 1. Отличительной его особенностью является наличие двух контуров: в первом - высокотемпературном (радиационной части - РЧ) - вырабатывается горячая вода для целей отопления; во втором контуре (контактнорекуперативной части - КРЧ) вырабатывается горячая вода для целей горячего водоснабжения (ГВС).

Радиационная часть водонагревателя конструируется по аналогии с современными водогрейными котлами жаротрубно-дымогарного типа. Контактно-рекуперативная часть представляет собой пенно-барботажный скруббер с установленным в его корпусе трубным пучком. Внутри труб трубного пучка протекает нагреваемый теплоноситель, не загрязняемый компонентами, входящими в состав продуктов горения топлива, а по межтрубному пространству проходит двухфазный восходящий поток конденсат - продукты горения природного газа. Принципиальным отличием КРЧ является то, что в этом аппарате одновременно достигается решение двух задач: 1 - возможен максимальный (практически полный) отбор тепла от уходящих газов; 2 - температура теплоносителя, утилизирующего теплоту газа, может достигать теоретического максимума - температуры мокрого термометра газа на его входе в КРЧ.

Рис. 1. Принципиальная схема устройства и работы конденсационного водогрейного котла:

1 - конденсационный водогрейный котел; 2 - водо-водяной подогреватель; 3 - бак-аккумулятор; РЧ -радиационная часть; КРЧ - контактно-рекуперативная часть; АЧ - адиабатная часть; ПГ - природный газ; В - воздух; , - отопительная вода обратная и прямая, соответственно; , - вода на горячее водоснабжение холодная и горячая, соответственно; УГ - уходящие газы; К - конденсат; QO, РГВ -теплота на отопление и горячее водоснабжение, соответственно.

Организация движения теплоносителей в КРЧ позволяет переохладить уходящие газы, полезно используя до 80% скрытой теплоты конденсации содержащихся в продуктах горения водяных паров. В случае необходимости выработки большего количества горячей воды для ГВС, чем номинально возможно получить в контактно-рекуперативной части КВК (>25% от общей тепловой производительности агрегата), недостающая часть горячей воды вырабатывается во вспомогательном поверхностном водо-водяном подогревателе 2 (рис.1). В теплое время года, когда отопительная нагрузка отсутствует, вся теплота, вырабатываемая в радиационной части КВК, используется для нагрева воды на ГВС в подогревателе 2. Система отопления, при этом, отключена.

2. Стенд конденсационного водогрейного котла В этом испытательном стенде теплообменник 2, в котором охлаждается отопительная вода, движущаяся в замкнутом контуре, является имитатором системы отопления. Водоводяной подогреватель 3 используется для регулирования соотношения теплоты, направляемой системой на покрытие отопительной нагрузки и нагрузки на горячее водоснабжение.

Межтрубное пространство радиационной части КВК, а также теплообменника 2 и подогревателя 3 заполняется умягченной водой. При этом в отопительном контуре имеет место постоянная циркуляция греющего теплоносителя. Через трубное пространство контактно-рекуперативной части КВК постоянно протекает водопроводная вода. Охлаждение отопительной воды в теплообменнике 2 и подогревателе 3 осуществляется посредством направления

в их трубное пространство холодной воды Вх и

dX .

°гвс

В ходе проведения испытаний вода,

нагреваемая в подогревателе 3, затем смешивается с потоком воды, нагреваемой в контактнорекуперативной части и сбрасывается в канализацию. Вода, нагреваемая в теплообменнике 2, также сбрасывается в канализацию.

На рис.3 изображена принципиальная схема тепловых и материальных потоков конденсационного водогрейного котла (КВК), топливосберегающего газового водонагревателя. Синими стрелками изображена система холодного водоснабжения; красными - прямая система

отопления и горячая вода в поверхностях нагрева; красно-синими - система горячего водоснабжения; красным пунктиром - обратная система отопления от потребителя; синекрасными - система сбросной воды от потребителя в канализацию; зелеными - система конденсата; желтыми - система газоснабжения; синим пунктиром - система подачи воздуха к горелке котла; серыми - система выхлопа уходящих газов.

Рис. 2. Принципиальная схема испытательного стенда конденсационного водогрейного котла:

1 - конденсационный водогрейный котел; 2 - теплообменник охлаждения отопительной воды; 3 - водоводяной подогреватель - бойлер; - теплота, полезно усвоенная в контактно-рекуперативной части; ВХ -охлаждающая вода; РЧ - радиационная часть; КРЧ - контактно-рекуперативная часть; АЧ - адиабатная часть; ПГ - природный газ; В - воздух; , - отопительная вода обратная и прямая, соответственно; , -вода на горячее водоснабжение холодная и горячая, соответственно; УГ - уходящие газы; К -конденсат; QО, - теплота на отопление и горячее водоснабжение, соответственно.

Рис. 3. Принципиальная схема тепловых и материалы

4. Выводы по экспериментальным данным

В процессе испытаний после организации указанной выше циркуляции теплоносителей в топку КВК организуется подвод природного газа и воздуха, осуществляется воспламенение топливовоздушной смеси и выход на режимные параметры процесса горения. Фиксируются расходы природного газа и воздуха. После перехода работы котла в установившийся режим производятся замеры давлений теплоносителей, температур продуктов сгорания после радиационной части, уходящих газов, а также отопительной воды и воды на нужды горячего

водоснабжения на входе в водонагреватель (потоки В0 и ВрВС) и на выходе из него (потоки gn

и gr ). Кроме того, измеряется расход конденсата, генерируемого в контактно-ГВС

рекуперативной части КВК. Затем производится изменение нагрузки котла путем увеличения или уменьшения расхода топлива и описанная выше процедура повторяется.

Измерение расходов, температур и давлений всех теплоносителей, указанных на рис. 2, производится соответствующими приборами, прошедшими поверку.

Основные расчетные и измеренные параметры, определяющие эффективность КВК конденсационного типа, приведены в табл. 2.

Таблица 2

Основные расчетные и фактические технические параметры КВК

. п/п Nb Наименование параметра Единиц ы измерен ИЙ Величины параметров Примечания

расчетные фактические

1 1 Расход природного газа нм3/ч 23,5 11,0-23,28

2 1 Коэффициент избытка воздуха - 1,1 1,09-1,14

3 Температура $ отопительной воды: прямой/обратной °с 95/60 (75—105)/(50—65) Температуры варьируются расходами охлаждающей Вх и отопительной Во воды

4 ^ Температура уходящих газов (после КРЧ) °с 35 20—45 Температура варьируется расходом воды для ГВС через КРЧ

5 . Температура воды для 5 ГВС: начальная/конечная °с -10/55 -10/(40-64)*' Температура варьируется расходом воды для ГВС через КРЧ

6 Температура продуктов горения после РЧ и перед КРЧ 3 °с 250 (Qj=43%) 370 (&=100%) 177 (62=46%) 340 (&=97%) Объясняется несколько завышенной поверхностью теплообмена РЧ

7 7 Доля тепла, полезно усваиваемая в КРЧ*2 % 22,6 18,3-19,65 Некоторое понижение значения данного показателя объясняется несколько завышенной поверхностью теплообмена РЧ

8 Потери тепла с 3 уходящими газами % 3,88 1,74-6,4

9 ^ Тепловой КПД по высшей теплоте сгорания топлива*3 % 96,12 98,26-93,6

10 У Расход генерируемого конденсата при номинальной нагрузке л/ч -30 -30

11 Удельный расход 1 природного газа: у КВК у традиционных котлов НМ 1ГК - 112 136

12 1 Габариты: длинахширинахвысота М 1,1x1,0x2,2 1,1x1,0x2,2 В 1,5 раза меньше аналогов

13 i .. Масса КГ 460 460 В 1,6 раза меньше аналогов

*По действующим нормам и ГОСТ РФ температура воды для ГВС регламентируется 55-

60°C;

*2 Учитывались только потери тепла с уходящими газами

*3За 100% принята полная энтальпия влажного газа при коэффициенте а=1,1 и адиабатной

(калориметрической) температуре t _ i895°C,/ = Ъ220кДж/кгсА

Литература

1. OECD/IEA. 2007. Energy Balances of non-OECD countries. 2004-2005.

2. Башмаков И.А Анализ основных тенденций развития систем теплоснабжения в России и за рубежом [Электронный ресурс].

Систем. требования: AdobeAcrobatReader. URL: http://www.cenef.ru/file/Heat.pdf (дата обращения: 26.01.2013).

3. Кожевников В.П., Кулешов М.И.,. Губарев А.В О преимуществах перехода от централизованного к индивидуальному теплоснабжению жилых, общественных и промышленных зданий // Промышленная энергетика. 2009. № 5. С. 7-9.

4. Нурмеев Б. К. Сравнительная оценка загрязнения атмосферы при сжигании органического топлива в тепловых источниках // Промышленная энергетика. 2004. №7. С.51-54.

5. Кулешов М.И., Губарев А.В., Березкин С.В. Топливосбережение в теплоснабжении гражданских и промышленных объектов // Энергосбережение и водоподготовка. 2004. №4. С.28-29.

6. Пат. 2270405 РФ, МПК7 F 24 Н 1/00, F 24 Н 1/10. Водогрейный котел Кулешова М.И. / Кулешов М.И. [и др.]. - Заявл. 15.07.04; опубл. 20.02.06. Бюл. №5 (II ч.).

7. Пат. 2378582 РФ, МПК7 F 24 Н 1/00. Водогрейный котел / Кулешов М.И., Кожевников В.П., Губарев А.В. -

Заявл. 29.10.08; опубл. 10.01.10. Бюл. №1.