Підвищення енергоефективності водогрійних котлів за допомогою інтенсифікації теплообміну

Abstract

В роботі проведено дослідження ефективності інтенсифікації теплообміну в газотрубному теплообміннику водогрійного котла, проведено аналіз отриманих результатів. Відзначено, що для газотрубних водогрійних котлів проблема інтенсифікації теплообміну особливо актуальна, оскільки коефіцієнт тепловіддачі від газів до стінки в каналах без інтенсифікації досить малий, а від інтенсивності теплообміну в теплообміннику залежить температура відхідних газів та коефіцієнт корисної дії. Проведено огляд літературної інформації, який показав, що в сучасних водогрійних котлах малої і середньої потужності використовуються інтенсифікатори: дротові вставки різноманітної конфігурації, кільцеві канавки, спіральні вставки, стрічкові завихрювачі, шнекові турбулізатори, пластини різної конфігурації, комбіновані методи. В рамках курсового проектування розроблено конструкцію теплогенератора на щепі деревини з розрахунковою потужністю 550 кВт. Для даної конструкції проведено числові дослідження впливу встановлення інтенсифікаторів на показники роботи котла на повному та частковому навантаженні. Для дослідження енергетичних характеристик котла розроблено математичну модель, яку доповнено залежностями для розрахунку інтенсифікованого теплообміну в теплообміннику котла. Досліджено вплив встановлення інтенсифікатора на температуру димових газів на виході з котла та на коефіцієнт корисної дії. Показано, що найбільше зменшення температури відхідних газів спостерігається для інтенсифікатора у вигляді скрученої стрічки, комбінованого методу, інтенсифікатора оригінальної конструкції та зігнутої пластини з різними геометричними параметрами. Зазначено, що при виборі способу інтенсифікації теплообміну в котлі на твердому паливі та параметрів інтенсифікаторів, необхідно провести детальний тепловий і аеродинамічний розрахунок при зміні теплової потужності котла і оцінити діапазони раціональної роботи, за яких виключатиметься значне охолодження димових газів, а ефект від встановлення інтенсифікаторів буде перевищувати затрати на подолання додаткового гідравлічного опору в теплообміннику.

В работе проведено исследование эффективности интенсификации теплообмена в газотрубных теплообменнике водогрейного котла, проведен анализ полученных результатов. Отмечено, что для газотрубных водогрейных котлов проблема интенсификации теплообмена особенно актуальна, поскольку коэффициент теплоотдачи от газов к стенке в каналах без интенсификации достаточно мал, а от интенсивности теплообмена в теплообменнике зависит температура отходящих газов и коэффициент полезного действия. Проведен обзор литературной информации, который показал, что в современных водогрейных котлах малой и средней мощности используются интенсификаторы: проволочные вставки различной конфигурации, кольцевые канавки, спиральные вставки, ленточные завихрители, шнековые турбулизаторы, пластины различной конфигурации, комбинированные методы. В рамках курсового проектирования разработана конструкция теплогенератора на щепе древесины с расчетной мощностью 550 кВт. Для данной конструкции проведения численные исследования влияния установления интенсификаторов на показатели работы котла на полном и частичном нагрузке. Для исследования энергетических характеристик котла разработана математическая модель, которую дополнен зависимостями для расчета интенсифицированного теплообмена в теплообменнике котла. Исследовано влияние установления интенсификатора на температуру дымовых газов на выходе из котла и на коэффициент полезного действия Показано, что наибольшее уменьшение температуры отходящих газов наблюдается для интенсификатора в виде скрученной ленты, комбинированного метода, интенсификатора оригинальной конструкции и изогнутой пластины с различными геометрическими параметрами. Отмечено, что при выборе способа интенсификации теплообмена в котле на твердом топливе и параметров интенсификаторов, необходимо провести детальный тепловой и аэродинамический расчет при изменении тепловой мощности котла и оценить диапазоны рациональной работы, при которых исключаться значительное охлаждение дымовых газов, а эффект от установки интенсификаторов будет превышать затраты на преодоление дополнительного гидравлического сопротивления в теплообменнике.

In the work the research of the efficiency of the heat exchange intensification in the gas-tube heat exchanger of the water heating boiler was carried out, the analysis of the obtained results was carried out. It was noted that for heat pump gas boilers the problem of heat transfer intensification is especially important, since the coefficient of heat transfer from gases to the wall in the channels without intensification is rather small, and the temperature of the waste gases and the efficiency coefficient depend on the heat transfer intensity of the heat exchanger. The review of literary information, which showed that in modern water-heating boilers of small and medium power intensifiers are used: wired inserts of various configurations, ring grooves, spiral inserts, band swirls, screw turbulators, plates of different configurations, combined methods. As part of the course design, the design of a heat generator on wood chips with a rated power of 550 kW was developed. For this design, numerical studies of the influence of the installation of intensifiers on the performance of the boiler on the full and partial load are carried out. To study the boiler's energy characteristics, a mathematical model has been developed, which is supplemented with dependencies for the calculation of the intensified heat transfer in the boiler heat exchanger. Influence of installation of the intensifier on the temperature of flue gases at the output from the boiler and on the efficiency coefficient is investigated. It is shown that the greatest reduction of the temperature of the exhaust gases is observed for the intensifier in the form of a twisted tape, a combined method, an intensifier of the original construction and a bent plate with different geometric parameters. It is noted that when choosing a method for intensifying heat exchange in a boiler for solid fuels and parameters of intensifiers, it is necessary to carry out a detailed thermal and aerodynamic calculation when changing the boiler's thermal power and to estimate the ranges of rational work, which will exclude significant cooling of flue gases, and the effect of installing the intensifiers will exceed the cost of overcoming the additional hydraulic resistance in the heat exchanger.