CC BY
12М.И. Кулешов, канд. техн. наук, доц., А.В. Губарева, инж. Белгородский государственный технологический университет
им. В.Г. Шухова
ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫЙ ВОДОНАГРЕВАТЕЛЬ ДЛЯ АВТОНОМНЫХ СИСТЕМ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ ЖИЛЫХ, ОБЩЕСТВЕННЫХ И ПРОМЫШЛЕННЫХ ОБЪЕКТОВ
Превалирующие в настоящее время в Российской Федерации централизованные системы теплоснабжения обладают рядом недостатков, практически все из которых ликвидируются в автономных системах теплоснабжения. В последних системах с высокой эффективностью может быть использован топливосберегающий газовый водонагреватель с раздельной выработкой тепла на нужды отопления и горячего водоснабжения, разработанный в БГТУ им. В.Г. Шухова.
Как главная преемница Советского Союза, Российская Федерация является страной с высокой степенью централизации теплоснабжения. Но, как показывает опыт эксплуатации систем централизованного теплоснабжения, они имеют ряд существенных недостатков, перечисленных ниже [1].
1. В централизованных котельных используются водогрейные котлы, КПД которых по низшей теплотворной способности топлива составляет порядка 88-90%.
2. Потери теплоты во внешних тепловых сетях, о бусловленные их б ольшой пр отяженностью составляют, по меньшей мере, 15-20 %. Кроме того, протяженные трубопроводы, проходящие в черте города, характеризуются невысокой надежностью.
3. Вследствие большой затрудненности регулирования тепловых нагрузок при теплопотребителях различного назначения, подключенных к общим тепловым сетям, параметры теплоносителя, подаваемого этим теплопотребителям, зачастую не соответствуют параметрам теплоносителя, необходимым для них.
В то же время в развитых странах Западной Европы, таких как Австрия, Англия, Бельгия, Германия, широкое распространение получили автономные домовые котельные. При их использовании исключаются практически все вышеуказанные недостатки. Это обуслОвливается высокой гибкостью режимов работы автономных котельных, а также отсутствием протяженных трубопроводов.
В последнее время в энергетической политике Российской Федерации также наблюдаются тенденции к развитию автономных систем теплоснабжения с использованием современных котлов малой мощности, как зарубежных, так и отечественного производства.
Однако общим и главным недостатком существующих конструкций водотрубных и жаро -, газотруб -ных водогрейных котлов, даже лучших их образцов, является то, что их КПД, определяемый по низшей теплотворной способности топлива, а при этом не
учитывается скрытая теплота конденсации водяных паров в уходящих газах, неизбежно образующихся при окислении водородной составляющей органического топлива, составляет 90-93%, а потери тепла с уходящими газами составляют в этом случае 6-8%. А между тем на долю 2 м3 водяных паров, образующихся при сгорании 1 м3 природного газа, приходится 11-13% теплоты. Таким образом, КПД традиционных водогрейных котлов, определенный по высшей теплотворной способности топлива, составит 77-80%. Кроме того, в целях достижения на выходе из этих котлов температур продуктов сгорания на уровне 110-150°С, обусловливающих вышеуказанные значения КПД, необходимы очень развитые поверхности теплообмена. При этом имеет место снижение средней разности температур между теплоносителями при минимальных значениях коэффициентов теплопередачи от продуктов сгорания топлива к нагреваемой сетевой воде. Вследствие этого традиционные водогрейные котлы являются весьма громоздкими, металлоемкими и, как следствие, дорогими.
В данных условиях в целях повышения эффективности топливопотребления необходимо использовать теплоту конденсации в одяных пар ов. При влагосо дер -жании уходящих газов х = 0,11-0,12 кг/кгс г, их физическая теплота составляет 195-220 кДж/м3, а влажнос-тная - 315-325 кДж/м3. Если продукты сгорания природного газа охлаждаются до температуры ниже температуры точки росы, которая составляет для них 5455 °С, то будет иметь место конденсация части содержащихся в них водяных паров с выделением скрытой теплоты конденсации в работе [2].
Примером аппарата, полезно использующего теплоту конденсации содержащихся в продуктах сгорания топлива водяных паров, является топливосберегающий газовый водонагреватель (ТГВ) с раздельной выработкой воды на отопление и горячее водоснаб-
жение, принципиальная схема которого представлена на рисунке.
водонагревателя: 1 - радиационная часть (РЧ); 2 - контактно-рекуперативная часть (КРЧ); 3 - адиабатная часть (АЧ); 4 - обратная отопительная вода; 5 - прямая отопительная вода; 6 - холодная вода; 7 - горячая вода на нужды горячего водоснабжения; 8 - топливо; 9 - воздух;
10 - уходящие газы
Данный водогрейный котел может служить для целей теплоснабжения жилых, общественных и промышленных теплопотребителей [3], [4]. Он представляет собой теплогенератор, состоящий из радиационной части (РЧ), адиабатной части (АЧ) и контактно-рекуперативной части (КРЧ). При этом в радиационной части производится выработка горячей воды на цели отопления, а в контактно-рекуперативной части - на нужды горячего водоснабжения. Продукты сгорания природного газа, сжигаемого в топке РЧ, покидают радиационную часть с температурой значительно более высокой, чем температура уходящих газов на выходе из водогрейных котлов, обеспечивая тем самым увеличение средней разности температур между теплоносителями по сравнению с традиционными котлами. Кроме того, коэффициент теплопередачи в РЧ принимает максимально возможные значения, что обусловлено максимальными величинами коэффициента теплоотдачи от газов к поверхности теплообмена (за счет высоких значений радиационной составляющей теп-лопереноса). Далее продукты сгорания адиабатно охлаждаются в АЧ до термовлажностного равновесия при температуре мокрого термометра, а затем в КРЧ в восходящем газожидкостном потоке в эмульгированном режиме охлаждаются до температуры 1 « 30-35°С, отдавая, тем самым, скрытую теплоту конденсации большей части водяных паров. При этом теплосодержание уходящих газов на выходе из ТГВ будет находиться в пределах 110-125 кДж/кгсг, что состав-
ляет 4-4,5% значения высшей теплоты сгорания топлива.
Таким образом, автономные системы теплоснабжения, использующие топливосберегающие газовые водонагреватели, обладают рядом преимуществ перед централизованными системами теплоснабжения:
1. Более высокий (на 15%) КПД по высшей теплотворной способности топлива водонагревателей с раздельной выработкой воды на отопление и горячее водоснабжение.
2. При установке предлагаемых котлов непосредственно в объектах теплопотребления устраняются дорогостоящие и малонадежные внешние тепловые сети и, соответственно, 15-20% тепловых потерь в них.
3. Повышение адекватности выработки теплоты нуждам потребителей в течении суток в любое время года, вследствие чего дополнительно экономится порядка 15 % топлива.
При этом общее топливосбережение при использо-в ании водонагрев ателей с р аздельной выр аботкой тепла на отопление и горячее водоснабжение составляет 45-50% при повышении комфортности теплопотребителей.
Дополнительными достоинствами предлагаемых котлов являются их меньшие габариты в плане (в 2-3 раза) и более низкая материалоемкость (в 1,3-1,5 раза), чем у лучших известных пр ототипов.
Основные блоки и агрегаты разработанного топли-восберегающего газового водонагревателя прошли экспериментальную проверку как в лабораторных, так и в промышленных условиях, что подтвердило их высокие технико-экономические показатели, и защищены рядом патентов Российской Федерации.
В настоящее время разработана рабочая документация на опытно-промышленный образец водонагревателя тепловой мощностью 250 кВт, а также стенд его испытаний и начато его изготовление.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Лихтер Ю. М. Автономное теплоснабжение зданий / Ю. М. Лихтер, В. А. Константинов // Энергетик. - 1995. - №4. - С. 9-10.
2. Бухаркин Е. Н. Резервы повышения экономичности газовых водогрейных котлов / Е. Н. Бухаркин // Энергосбережение и водоподготовка. - 2002. - № 4. - С. 39 - 42.
3. Почупайло Б.И. Об эффективности раздельной выработки тепла на отопление и горячее водоснабжение в рамках одного водогрейного агрегата / Б.И. Почупайло, М.И. Кулешов, Б.П. Васильев, А.В. Губарев, С.В. Березкин // Новости теплоснабжения. - 2004. - №4. - С. 32-33.
4. Кулешов М.И. Топливосбережение в теплоснабжении гражданских и промышленных объектов / М. И. Кулешов, А. В. Губарев, С. В. Березкин // Энергосбережение и водоподготовка. - 2004. - №4. - С. 28-29.
