CC BY
23
-□ □-
Описано спробу промисловог експлуатаци розробленог контактно-модульног системи для тдивидуального обi-грiву будiвель та споруд з застосуванням низькоемсй-них апаратiв заглибленого гортня з оргатзащею бага-торазовог тверси та модуляци коливань контактуючих фаз рiзног тепловог потужностi. Приведено конструкцию i принцип роботи апаратiв, дана гх стисла техшчна характеристика. З^тавний аналiз результатiв прове-дених державних випробувань тдтвердив високу енерго-технологiчну ефективтсть запропонованог розробки
Ключовi слова: апарати заглибленого гортня, кон-денсацшш котли, тепломасообмт, енерготехнологiчна
ефективтсть
□-□
Описан опыт промышленной эксплуатации разработанной контактно-модульной системы для индивидуального обогрева зданий и сооружений с применением низкоэмиссионных аппаратов погружного горения с организацией многократной инверсии и модуляцией колебаний контактирующих фаз различной тепловой мощности. Приведена конструкция и принцип работы аппаратов, дана их краткая техническая характеристика. Приведенный анализ результатов проведенных государственных испытаний подтвердил высокую энерготехнологическую эффективность предложенной разработки
Ключевые слова: аппараты погружного горения, конденсационные котлы, тепломассобмен, энерготехнологическая эффективность -□ □-
УДК 697.244; 697.328
|DOI: 10.15587/1729-4061.2015.47459|
РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ОТОПИТЕЛЬНОЙ КОНТАКТНО-МОДУЛЬНОЙ СИСТЕМЫ С ПРИМЕНЕНИЕМ АППАРАТОВ ПОГРУЖНОГО ГОРЕНИЯ
В. Е. Никольский
Кандидат технических наук, доцент Кафедра энергетики Украинский государственный химико-технологический университет пр. Гагарина, 8, г. Днепропетровск, Украина, 49005 Е-mail: [email protected]
1. Введение
В настоящее время характеристики энергоэффективности топливоиспользования теплоэнергетического оборудования в Украине, в сопоставлении с соответствующими показателями развитых стран, низкие, энергетический парк страны требует реконструкции [1-3]. Реально оценивая состояние теплоэнергетичеи ского парка, следует отметить значительное посткризисное снижение его потенциала не только в связи с выводом из эксплуатации атомных реакторов большой мощности, но и в связи с физическим износом и моральным старением ныне действующих теплоэнергетических мощностей. Системного ввода новых мощностей на протяжении последних 20 лет не производилось. Эти обстоятельства негативно влияют на деятельность промышленности в целом.
Кроме сказанного, ужесточились требования к охране окружающей среды, действующий теплоэнергетический парк в целом им не соответствует.
В сложившихся условиях, а также в связи с общим подорожанием энергоресурсов в мире, пристального внимания заслуживают внедрение энергосберегающих техники и технологии.
В этом отношении хорошо себя зарекомендовал специфический вид теплогенерирующих устройств, работающих на основе принципа сжигания газообразного или распыленного жидкого топлива непосредственно в нагреваемой среде - аппараты погружного горения (АПГ).
©
Поэтому актуальной следует признать разработку и исследование контактно-модульной системы (КМС) с применением аппаратов погружного горения, отвечающей современным требованиям энергоэффективности и экологии для обогрева зданий жилого и промышленного назначения.
2. Анализ литературных данных и постановка проблемы
Максимальное использование энергии топлива, в том числе «скрытой» (latent) теплоты, т. е. реализация высшей теплоты сгорания, составляет важнейшую тенденцию развития современных теплоэнергетических установок. В этой связи широкое распространение получили конденсационные котлы, в том числе малой мощности [4, 5], системы с их использованием, а также теплоутилизационные установки «vapor pump» [4]. Указанные установки характеризуются КПД, превышающим 100 % по отношению к низшей теплоте сгорания.
Контактные аппараты и тепломассообменники «газ -жидкость» - основной тип аппаратов, которые используются в соответствующих установках для утилизации теплоты продуктов сгорания. В качестве жидкого теплоносителя может использоваться как вода из основного тракта, так и из отдельного контура, являясь при этом промежуточным теплоносителем, например между утилизационными аппаратами «продукты сгорания - вода в контуре» и «вода в контуре - воздух горения» [4, 6].
Последние являются «паровыми насосами» или аппаратами «vapor pump» и служат для возвращения в основной процесс тепловой энергии продуктов сгорания через воздух горения путем нагрева и увлажнения последнего.
Способ, основанный на контактном нагреве в АПГ воды как конечного или промежуточного теплоносителя, по-видимому, является наиболее универсальным, экономичным и энергоэффективным для отопления промышленных и жилых строений при использовании природного газа как топлива. При этом удается свести потери энергии к минимуму, как за счет практического отсутствия теплотрасс, так и благодаря возможностям обеспечить низкую температуру уходящих продуктов сгорания путем максимальной утилизации их теплоты [7].
Высокие показатели энергоэффективности использования топлива в энерготехнологических установках с применением АПГ обусловило их широкое использование в различных отраслях промышленности. Большинство установок с вмонтированными в них АПГ применяются для выпаривания агрессивных и кристаллизующихся растворов, термического обезвреживания сточных вод [8]. Научные разработки в этом направлении осуществлялись УКРНИИХИММАШем (Украина), Национальным техническим университетом Украины «Киевский политехнический институт» (Украина), Национальным техническим университетом «Харьковский политехнический институт» (Украина), Москов-т ским энергетическим институтом, Свердловским филиалом НИИХИММАШа (Россия).
В последние десятилетия в развитых странах прослеживается тенденция использования АПГ в качестве самостоятельных высокоэффективных теплогенерирую-щих устройств для производственных и коммунальных целей [5, 9-11]. Активно работают над созданием систем индивидуального обогрева зданий и сооружений на основе АПГ известные фирмы «Nordak» (Англия), «Ozark-Mahoning» (США), «Gas de France» (Франция и др.)
В государственном высшем учебном заведении «Украинский государственный химико-технологический университет» совместно с Институтом газа НАН Украины разработана контактно-модульная система (КМС) индивидуального обогрева зданий и сооружений различного назначения с применением низкоэмиссионных аппаратов погружного горения (АПГ) различной тепловой мощности [12].
3. Цель и задачи исследования
Цель исследований - разработка и исследование контактно-модульной системы с применением аппаратов погружного горения, отвечающей современным требованиям энергоэффективности и экологии для обогрева зданий жилого и промышленного назначения.
В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:
1. Изготовить аппараты погружного горения, один из которых оборудован системой многократной инверсией контактирующих фаз, другой - устройством для модуляции колебаний контактирующих фаз.
2. Провести стендовые испытания изготовленных аппаратов с целью тестирования их на различных диапазонах тепловой нагрузки, определить энергоэффективность их работы и экологические показатели.
3. Выполнить монтаж контактно-модульной системы с испытанными аппаратами.
4. Определить и зафиксировать в рабочем регламенте режимно-технологические параметры устойчивой тепловой работы смонтированной и введенной в эксплуатацию контактно-модульной системы при различных соотношениях топливо - окислитель, с учетом минимальных расходов топлива и выбросов загрязняющих веществ в атмосферу.
5. Выполнить сопоставительный анализ показателей энергоэффективности разработанной контактно-модульной системы с лучшими образцами конденсационных и водогрейных котлов ведущих мировых производителей.
6. На основе полученных данных исследований сертифицировать разработанную контактно-модульную систему на право применения в различных энерго-тех-нологических системах промышленности и сельского хозяйства, а также для обогрева промышленных, сельскохозяйственных и жилых комплексов.
4. Описание объекта исследований
Разработанная КМС была введена в эксплуатацию для обогрева производственных помещений, принадлежащих ООО «Данверс» (г. Кривой Рог, Украина), специализирующегося на изготовлении промышленных металлоконструкций. Тепловая мощность КМС - 1 МВт (100 м3/ч потребляемого природного газа). Площадь обогреваемых помещений - 13000 м2, высота - 8 м. Кроме обогрева производственных помещений эта же установка обеспечивает подогрев технической воды для промывочных ванн, объемом 150 м3 с температурой 45-60 °С для промывки изготавливаемых изделий после обработки в травильных ваннах.
С целью интенсификации процессов тепломассоб-мена, проходящих в КМС, один из установленных АПГ оборудовали системой организации многократной инверсии контактирующих фаз [13], другой - устройством для модуляции колебаний контактирующих фаз [14]. Кроме того, установку оборудовали дополнительным контактным теплообменником для утилизации теплоты отходящих продуктов сгорания путем частичного подогрева воды, поступающей из системы отопления (рис. 1).
КМС работает следующим образом: охлажденная вода из системы отопления через патрубок 6 поступает в емкость 1 с установленными в ней АПГ 2,3, разделенными водонепроницаемыми перегородками 5. Проходя поочередно через погруженные нагреватели 2,3, вода нагревается до температур 70-85 °С. Встроенные в КМС АПГ могут работать в автономном режиме, так и одновременно при повышенной нагрузке, когда работа только одного из них не обеспечивает требуемый подогрев и расход воды. Водонепроницаемые перегородки 5 установлены с целью предотвращения попадания охлажденной воды в зону забора АПГ и патрубок подачи воды в систему отопления 7.
Дымовые газы (II), охлажденные до 100-120 °С, поступают в теплообменник, где контактируют с встречным потоком обратной воды из системы (IV). В результате, температура уходящих продуктов сгорания понижается до 60 0 С и ниже, что еще более повышает КПД установки. Горячая вода (III) направляется через патрубок 7.
— продукты сгорания
- теплоноситель из сети, поступающий на подогрев
— подогретый теплоноситель в АПГ
- подогретый теплоноситель, поступающий в сеть
Рис. 1. Принципиальная схема контактно-модульной системы с аппаратами погружного горения для обогрева промышленный зданий и сооружений:
1 — емкость, заполненная теплоносителем; 2 — АПГ с многократной инверсией контактирующих фаз; 3 — АПГ с модуляцией контактирующих фаз; 4 — теплообменный аппарат контактного типа; 5 — водонепроницаемая
разделительная перегородка; 6 — подвод жидкости к КМС; 7 — выход подогретого теплоносителя; 8 — сепарационные решетки; 9 — реагирующее клапанное контактное устройство; 10 — уровень жидкости
5. Методика эколого-теплотехнических испытаний
С привлечением Республиканского сертификационного испытательного Центра отопительного оборудования (Киев, Украина) проведены государственные эко-лого-теплотехнические испытания данного устройства. Некоторые результаты испытаний внесены в табл. 1. Сопоставительный анализ результатов проведенных исследований разработанной системы обогрева (КМС) с лучшими образцами конденсационных котлов ведущих зарубежных производителей, приб веден в табл. 2. Кроме того, в табл. 1 даны характеристики испытаний тепловой работы современного водогрейного котла бесконтактного нагрева Buderus Logano C334XZ (Германия), предназначенного для децентрализованного теплоснабжения, установленного на СТО автомобилей ЧП «Аэлита-Моторс» (г. Днепропетровск, Украина).
Таблица 1
Результаты эколого-теплотехнических испытаний КМС с применением низкоэмиссионных АПГ и водогрейных котлов
бесконтактного нагрева Buderus Logano C334XZ
Наименование параметра Размерность Обозначение Фактическое
КМС на основе АПГ Buderus Logano С334XZ
Нагрузка о/ % - 96,4 106,0
Тепловая мощность кВт Оп 615,0 98,2
Расход воды м3/с G 0,0046 0,0028
Расход газа по счетчику м3/с ^ч 0,0159 0,0030
Расход газа, приведенный к н. у. нм3/с Vn 0,0172 0,0031
Температура воды на входе в нагреватель °С T 1 вх 40,5 37,0
Температура газа, поступающего на горение °С T 1 г 20 20
Температура отходящих газов °С T 1 вых.г 53,2 168,0
Температура воздуха, поступающего на горение °С T п 21,9 17,0
Температура воды на выходе из нагревателя °С T вых 82 46
Давление газа на входе МПа P с вх 0,0000108 0,3300000
Давление газа перед счетчиком кПа P ггд 17,00 2,49
Давление газа перед горелкой кПа P с гп 12,500 1,344
Давление воздуха перед горелкой кПа P с пп 7,5 -
Давление в топке кПа Рт 7,52 -
Разрежение за нагревателем Па Рк 347,00 0,98
Содержание в сухих продуктах:кислорода % O2 4,3 9,2
двуокиси углерода о/ % CO2 9,4 6,6
Содержание в сухих продуктах сгорания, приведенных к а=1 и н. у. оксида углерода мг/м3 CO2 48,2 47,4
оксидов азота мг/м3 NO2 56,8 220,0
Коэффициент избытка воздуха - а 1,23 1,53
КПД по прямому балансу О/ % Пир 98,0 91,3
Таблица 2
Сопоставительный анализ показателей работы систем отопления с использованием АПГ и конденсационных котлов
Тип нагревательного устройства Т 1 вых> °С °С Т 1 вх! °С % Источник
КМС на основе аппаратов погружного горения с инверсией и модуляцией фаз 70 45 29 108,9 Показатели исследований
82 53 40,5 98,0
КМС на основе аппаратов погружного горения с комбинированной системой утилизации теплоты 85 55 35,4 107,5 [15]
88 70 50,9 102,1
Конденсационные котлы Ultra Gas AM codens (50) 26 23 - 109,2 [5]
30 25 - 108,0
40 30 - 106,1
Конденсационные котлы Ultra Gas AM codens (50) 40 30 - 109,4 [9, 10]
Конденсационный котел AFATEC Corolla 40 30 - 106,0
80 60 - 96,0 [11]
Примечание: Твых,°С - температура воды на выходе из отопительной системы; Тпр,°С - температура воды на входе в систему; Твх,°С - температура продуктов сгорания на выходе из отопительной системы.
Эколого-теплотехнические испытания проводились в соответствии с методическим пособием «Методическое пособие по проведению комплексных эколого-теплотехнических испытаний котлов, работающих на газе и мазуте», разработанным Институтом газа Академии наук Украины. Конечный результат проведения эколого-теплотехнических испытаний -установление режимных параметров работы котлов с учетом минимально возможных расходов топлива и выбросов загрязняющих веществ в атмосферу.
6. Результаты исследований разработанной контактно-модульной системы и их сопоставительный анализ
Анализ данных, приведенных в табл. 1, указывает, что к достоинству установленной КМС на основе АПГ с инверсией и модуляцией колебаний контактирующих фаз прежде всего следует отнести высокий энергетический КПД - 98 % (по прямому балансу), или ~108,3 % (по отношению к низшей теплоте сгорания Цир), при высоком подогреве теплоносителя - 82 °С (при Твх=40,5 °С). Это превышает на 2 % энергетический КПД конденсационных котлов AFATEC Corolla (табл. 2), использующих глубокую утилизацию теплоты продуктов сгорания. Известно, что с ростом температуры подогрева теплоносителя энергетический КПД процесса нагрева снижается, т. к. при этом повышается температура уходящих газов (Тух). Например, энергетический КПД конденсационных котлов группы Ultra Gas AM codens (50) и Ultra Gas codens 500 при невысоком подогреве теплоносителя до 26-40 °С составляет 106-109 %. С ростом температуры подогрева теплоносителя до 80 °С их энергетический КПД понижается до 96 %, как показывают расчеты и показатели работы конденсационных котлов AFATEC Corolla. КМС на основе низкоэмиссионных АПГ с инверсией и модуляцией колебаний контактирующих фаз имеют преимущество в том, что при высоких температурах подогрева теплоносителя (70-80 °С) их энергетический КПД выше указанных котлов и составляет 102-108 % (по отношению к низшей теплоте сгорания).
При невысоком подогреве теплоносителя в водогрейных котлах Buderus Logano С334XZ 46 °С (при температуре теплоносителя на входе 37 °С) их энергетический КПД не превышает 91,3 %. С увеличением температуры подогрева теплоносителя до 60-70 °С следует ожидать падение их энергетического КПД до 70-80 %.
7. Обсуждение результатов выполненных исследований
Выполненные исследования на разработанной и введенной в эксплуатацию котельной установке доказали высокую энергетическую эффективность разработанной КМС при использовании их в системах отопления зданий и сооружений. Высокая энергетическая эффективность КМС на основе низкоэмиссионных АПГ в широком диапазоне температур нагрева водяного теплоносителя достигается за счет:
- использования теплоты конденсации влаги продуктов сгорания;
- оптимизации температурного режима системы;
- выбора оптимальных температур теплоносителя на входе и выходе из установки;
- обеспечения эффективного тепломассообмена применением многократной инверсии и модуляции контактирующих фаз (продукты сгорания - нагреваемая жидкость);
- достижения полной автоматизации ведения и контроля теплового режима работы КМС;
- обеспечения низких показателей вредных веществ в отходящих газах.
Разработанная и апробированная КМС по эффективности не уступает лучшим аппаратам конденсационных котлов ведущих мировых производителей, а по показателям топливоиспользования - превосходит.
8. Выводы
Разработана, введена в эксплуатацию и исследована отопительная контактно-модульная система, оборудованная низкоэмиссионными аппаратами погружного горения, установленной тепловой мощностью 200-2000 кВт и выше (в зависимости от потребности в генерируемой теплоте).
На практике доказана возможность работы в одном отопительном модуле двух и более АПГ с многократной инверсией и модуляцией контактирующих фаз. Это позволяет практически обогревать объекты промышленного или жилого комплексов разных площадей и объемов.
Разработанная контактно-модульная система характеризуется высокой энергоэффективностью, экономичностью, простотой эксплуатации и отвечает современным требованиям экологии по выбросам. Расходы на обогрев зданий и сооружений при использовании разработанной контактно-модульной системы снижаются по сравнению с традиционными действующими системами обогрева отечественных и зарубежных производителей.
Разработанная контактно-модульная система прошла государственные тепло-эколого-технологические испытания. Получены технические условия на серийное ее изготовление и эксплуатацию в различных отраслях хозяйства.
Литература
1. Товажнянский, Л. Л. Основы энерготехнологии промышленности [Текст] / Л. Л. Товажнянский, О. Б. Анипко, В. А. Маля-ренко. - Харьков: НТУ «ХПИ», 2002. - 436 с.
2. Алабовский, А. Н. Аппараты погружного горения [Текст] / А. Н. Алабовский, П. Г. Удыма. - Москва: МЭИ, 1994. - 256 с.
3. Иванов, А. Через невозможное [Текст] / А. Иванов // Всеукраинская техническая газета. - Киев, 2004. - № 21.
4. Guillet, R. Vapor pump and condensing heater [Text] / R. Guillet // Gas Warme International. - 1991. - Vol. 40, № 6. - P. 248-252.
5. Haep, J. Kompakte Brennwertkessel auch bis 250KW [Text] / J. Haep, M. Nani // Gas Warme International. - 1999. -Vol. 48, № 6. - P. 365-369.
6. Падерно, Д. Ю. Интенсификация процессов очистки газов и тепломассообмена в контактных теплоутилизационных аппаратах с использованием активной ленточной насадки [Текст] / Д. Ю. Падерно, А. И. Сигал, А. В. Мележик // Труды IX Межгосударственной конференции "Проблемы экологии и эксплуатации объектов энергетики". - К.: Институт промышленной экологии, 1999. - С. 39-42.
7. Товажнянский, Л. Л. Теплоэнергетика погружного горения в решении проблем теплоснабжения и экологии Украины [Текст] / Л. Л. Товажнянский, Л. П. Перцев, В. П. Шапорев и др. // Интегрированные технологии и энергосбережение. -2004. - № 3. - С. 3-12.
8. Сорока, Б. С. Аппараты погружного горения для эффективного контактного нагрева жидкостей [Текст] / Б. С. Сорока,
A. С. Лукьянчиков, В. Е. Никольский, В. Ю. Никитин. - М.: ВНИИЭГазпром, 1989. - 56 с.
9. Haep, J. Kompakte Brennwertkessel bis 1000KW-Teil 1 [Text] / J. Haep, M. Nani // Gas Warme International. - 2000. -Vol. 49, № 4/5. - P. 228-233.
10. Haep, J. Kompakte Brennwertkessel bis 1000KW-Teil 2 [Text] / J. Haep, M. Nani // Gas Warme International. - 2000. -Vol. 49, № 11. - P. 577-579.
11. More Efficiency, Less Pollution [Text]. - Corolla Paek, AFATEC: Promotional material, Marzo, 1997. - 7 p.
12. ТУ У 29.7-02070758-001:2008. Универсальный нагреватель технологических жидкостей УНТЖ-101.01. Техническое описание [Текст]. - Днепропетровск, 2008.
13. Апарат зануреного згорання [Текст]: Ршення на видачу Пат. № 6195/ЗУ/15 Украгна / Нжольський В. 6., Задорський В. М. -вщ 15.04.2015.
14. Апарат зануреного згорання для випарювання рщини [Текст]: Ршення на видачу Пат. №6184/ЗУ/15 Украгна / Школьський
B. 6., Задорський В. М. - вщ 15.04.2015.
15. Сорока, Б. С. Система децентрализованного теплоснабжения на основе аппаратов погружного горения: термодинамический анализ пути совершенствования [Текст] / Б. С. Сорока, П. Шандор, К. Е. Пьяных, Д. В. Андриенко // Пром. теплотехника. -2001. - Т. 23, № 3. - С. 112-119.
