Раціональні методи інтенсифікації теплообміну в газотрубних котлах

Abstract

В роботі проведено дослідження ефективності інтенсифікації теплообміну в газотрубному теплообміннику водогрійного котла, проведено порівняльний аналіз отриманих результатів. Показано, що для газотрубних водогрійних котлів проблема інтенсифікації теплообміну особливо актуальна, оскільки від інтенсивності теплообміну в теплообміннику залежить температура відхідних газів та коефіцієнт корисної дії. Проведено огляд літературної інформації, який показав, що в сучасних газотрубних котлах в основному використовуються інтенсифікатори, виконані у вигляді спіральних дротових вставок, скручених навколо своєї осі металевих пластин, кільцевої чи спіральної накатки, виштамповок різної форми, що дозволяє руйнувати прикордонний шар і турбулізувати пристінні шари газового потоку. 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.

Досліджено вплив геометричних параметрів інтенсифікатора на коефіцієнт тепловіддачі з боку газів, температуру димових газів на виході з котла та на зростання гідравлічного опору в газотрубному теплообміннику. Показано, що конвективний коефіцієнт тепловіддачі після встановлення інтенсифікаторів збільшується в 1,7…2,94 рази при зростанні втрат тиску в 2,24…3,11 разів порівняно з варіантом без інтенсифікації теплообміну при цьому коефіцієнт корисної дії котла збільшився на 10,8 – 13 %. 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 газотрубном теплообменнике водогрейного котла, проведен сравнительный анализ полученных результатов. Показано, что для газотрубных водогрейных котлов проблема интенсификации теплообмена особенно актуальна, поскольку от интенсивности теплообмена в теплообменнике зависит температура отходящих газов и коэффициент полезного действия. Проведен обзор литературной информации, который показал, что в современных газотрубных котлах в основном используются интенсификаторы, выполненные в виде спиральных проволочных вставок, скрученных вокруг своей оси металлических пластин, кольцевой или спиральной накатки, выштамповок различной формы, что позволяет разрушать пограничный слой и турбулизировать пристенные слои газового потока. В рамках курсового проектирования разработана конструкция теплогенератора на щепе древесины с расчетной мощностью 550 кВт. Для данной конструкции проведены численные исследования влияния установления интенсификатора на показатели работы котла на полном и частичном нагрузке.

Исследовано влияние геометрических параметров интенсификатора на коэффициент теплоотдачи со стороны газов, температуру дымовых газов на выходе из котла и на рост гидравлического сопротивления в газотрубном теплообменнике. Показано, что конвективный коэффициент теплоотдачи после установки интенсификатора увеличивается в 1,7 ... 2,94 раза при росте потерь давления в 2,24 ... 3,11 раз по сравнению с вариантом без интенсификации теплообмена при этом коэффициент полезного действия котла увеличился на 10,8-13%. 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 paper, the study of the effectiveness of heat exchange intensification in the gas-tube heat exchanger of a water-heating boiler was carried out, a comparative analysis of the results was carried out. It is shown that for heat pump gas boilers the problem of heat transfer intensification is especially important, since the temperature of the exhaust gases and the efficiency coefficient depend on the heat transfer intensity in the heat exchanger. The review of literary information has shown that in modern gas-tube boilers the intensifiers are mainly used in the form of spiral wiring inserts, twisted around the axis of metal plates, ring or spiral coil, extrusion of different shapes, which allows to destroy the boundary layer and turbulize the surface layers gas flow. As part of the course design, a heat generator design for 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.

The influence of geometrical parameters of the intensifier on the coefficient of heat transfer from the gases, the temperature of the flue gases at the outlet from the boiler and on the growth of the hydraulic resistance in the gas tube heat exchanger have been investigated. It is shown that the convective coefficient of heat transfer after the establishment of intensifiers is increased in 1,7 ... 2,94 times with the growth of pressure losses in 2,24 ... 3,11 times compared with the option without intensification of heat exchange, while the efficiency of the boiler increased by 10,8 - 13 %. It is noted that when choosing a method for intensifying the heat exchange in a boiler for solid fuel and parameters of the 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.