Аннотация
ООО «СПЕЦТЕПЛОБЕЛ» предложена инновационная схема вихревой интенсификации теплообмена в теплообменных аппаратах широкого назначения (котлы-утилизаторы, конденсационные тепло-утилизаторы, аппараты воздушного охлаждения и др.). Расчетно-экспериментальными исследованиями показано преимущество разработанной схемы над традиционно используемыми по тепловой эффективности. В результате эксплуатации разработанного с использованием инновационной схемы утилизатора тепла отработанных газов для ОАО «Березастройматериалы» полезная мощность системы утилизации составила 0,429 Гкал/ч. Фактический экономический эффект с момента ввода в эксплуатацию теплообменника с 11 мая 2020 года по январь 2021 года включительно составил 340 т.у.т.
Annotation
LLC «SPETSTEPLOBEL» proposed an innovative scheme of vortex heat transfer enhancement in heat exchangers for wide use (waste heat boilers, condensing heat exchangers, air coolers, etc.). Computational and experimental studies are shown the advantage of the developed scheme over those traditionally used in terms of thermal efficiency. As a result of the operation of a waste heat utilizer developed using an innovative scheme for OJSC «Berezastroymaterialy», useful capacity of the utilization system was 0.429 Gcal/h. Real economic effect since the commissioning of the heat exchanger from May 11, 2020 to January 2021, inclusive, amounted to 340 ton of fuel equivalent.
Для выполнения задач, поставленных Государственной программой «Энергосбережение» на 2021– 2025 годы, предусматривается реализация ряда мероприятий. В электро- и теплоэнергетике это связано с повышением эффективности действующих энергетических мощностей Белорусской энергетической системы на основе использования инновационных энергоэффективных технологий с учетом технической и экономической целесообразности внедрения систем утилизации теплоты отходящих газов. В свою очередь, в промышленном секторе – проведение дальнейшей модернизации и технического переоснащения производств с внедрением современных наукоемких, ресурсо- и энергосберегающих технологий, оборудования и материалов, включая модернизацию термических, литейных и гальванических производств.
Известно, что технико-экономические показатели теплосиловых установок в значительной мере определяются параметрами применяемых теплообменных аппаратов (ТА). По мере увеличения единичной мощности силовых установок все более возрастают абсолютные массо- и габаритные параметры ТА, входящих в их состав. Соответственно, нарастает важность и актуальность проблемы их совершенствования: уменьшения их размеров, массы (металлоемкости) при условии фиксированной теплопроизводительности.
В настоящее время и в перспективе один из главных, технически и экономически наиболее доступных и обоснованных путей уменьшения массы и повышения экономичности энергоустановок – это совершенствование кожухотрубчатых ТА, которое можно осуществить, прежде всего, за счет использования эффективных способов интенсификации теплообмена.
Основная часть
Для решения поставленных задач сотрудниками предприятия ООО «СПЕЦТЕПЛОБЕЛ» была решена проблема комплексной вихревой интенсификации теплообмена «ZHUKOVSKY LOOP TECHNOLOGY» SPETSTEPLOBEL» (рис. 1) и практически реализована в инновационном утилизаторе тепла отходящих газов при полном соответствии требованиям технического задания ОАО «Березастройматериалы».
Рисунок 1 – Инновационная технологическая схема
ООО «СПЕЦТЕПЛОБЕЛ» разработало конструкторскую документацию и изготовило утилизатор тепла отходящих газов (рис. 2) от печи обжига RKK 250/63, установленной в цехе №2 производственной площадки №1 ОАО «Березастройматериалы», с последующим использованием в технологическом процессе сушки керамического шликера в вертикальной сушилке АТМ-52 (рис.3).
Рисунок 2 – Утилизатор тепла отходящих газов ООО «СПЕЦТЕПЛОБЕЛ»,
объект интеллектуальной собственности
Рисунок 3 – Утилизатор на ОАО «Березастройматериалы»
Техническая сущность инновационного решения заключается в интенсификации процессов теплообмена за счет турбулизации теплоносителя при формировании вихревых структур с контролируемыми параметрами, генерация которых осуществляется созданием около поверхностей теплообменных труб тангенциальных сдвиговых напряжений при трехмерной интенсификации процессов теплообмена.
При этом обеспечивается и достигается следующее.
1. Чередующиеся последовательно соединенные и перекрестно расположенные секции теплообменных труб образуют вихревые каналы на всю глубину матрицы утилизатора, которая виртуально находится в «печке» с фиксируемым минимальным перепадом технологических температур.
2. Происходит дополнительное нагревание уже нагретого воздуха.
3. Обтекание теплообменной поверхности труб за миделевым сечением без теневых зон в кормовой части при плотности площади поверхности теплообмена на уровне значения β=100 м2/м3.
4. Выброс горячего теплоносителя в вихревые каналы из зон-узлов перекрестно расположенных труб обеспечивает дополнительную турбулизацию локальных потоков в колодцах – вихревых каналах и интенсифицирует процессы теплообмена.Для подтверждения эффективности разработанной инновационной схемы комплексной вихревой интенсификации теплообмена «ZHUKOVSKY LOOP TECHNOLOGY» SPETSTEPLOBEL» экспериментальные и промышленные исследования сопровождались расчетами, проведенными сотрудниками Института тепло- и массообмена имени А.В. Лыкова НАН Беларуси, с привлечением методов вычислительной гидрогазодинамики для численного моделирования теплообменных процессов при использовании новой инновационной схемы течения теплоносителя.
Функционирование инновационной схемы течения теплоносителя (рис. 4, а) рассматривалось на примере реализации ее в модели утилизатора. Внешние размеры модели утилизатора выбирались в масштабе 1:10 от реального. Эффективность разработанной схемы сравнивалась с известной схемой перекрестного тока теплоносителя (рис. 4, б).
Рисунок 4 – Рассматриваемые схемы течения: инновационная (а), перекрестный ток (б)
Для моделирования теплообменных процессов решались осредненные по Рейнольдсу уравнения Навье–Стокса, уравнение неразрывности и уравнение энергии в формулировке для энтальпии. Для замыкания уравнений Рейнольдса использовалась k-ω модель переноса сдвиговых напряжений Ментера. Теплофизические свойства воздуха и отходящих газов задавались в зависимости от температуры и давления. Расчет прекращался по достижении невязками значений 10 (в минус четвертой) – для уравнения неразрывности, 10 (в минус восьмой степени) – для уравнения энергии.
Для обеих схем течения теплоносителя предполагалось, что в трубы входит воздух при температуре 298 K, а внешнее обтекание осуществляется продуктами сгорания природного газа при температуре 448 K. Площадь теплопередающей поверхности была фиксированной для обеих схем течения. Массовый расход воздуха и отходящих газов задавались, исходя из того факта, что рассматривалась модель утилизатора в масштабе 1:10.
На рисунке 5 представлено распределение температуры T по поверхности труб для инновационной схемы и перекрестного тока. При использовании инновационной схемы поверхность труб имеет температуру с малым перепадом, в отличие от перекрестного тока, при применении которого наблюдается существенно неравномерный нагрев труб, что может приводить к их термической деформации.
Рисунок 5 – Распределение температуры T, K по теплопередающей поверхности: инновационная схема (а), перекрестный ток (б)
На рисунке 6 представлено распределение коэффициента теплоотдачи от отходящих газов к трубам, α=q/(T-Tвоздух), q – плотность теплового потока, Т – температура теплоотдающей поверхности, Твоздух – температура подаваемого в утилизатор воздуха. Инновационная схема, в отличие от перекрестного тока, отличается более равномерным распределением коэффициента теплоотдачи, величина которого близка к осредненному значению, указанному в таблице 1.
Рисунок 6 – Распределение коэффициента теплоотдачи по поверхности труб: инновационная схема (а), перекрестный ток (б)
На рисунке 7 представлены результаты моделирования внешнего обтекания труб потоком газа. Линии тока окрашены значениями температуры. При реализации перекрестного тока трубы были расположены в коридорном порядке и основной поток двигался в межтрубном пространстве (в коридорах). Таким образом, потери давления невелики, а кормовая часть каждой трубы из-за отрыва потока вносит минимальный вклад в теплоотдачу всего пакета труб (таблица 1). При реализации инновационной схемы трубы размещены в форме решетки со сдвигом каждого полотна труб относительно друг друга. Такая компоновка труб приводит, с одной стороны, к некоторому росту потерь давления, но с другой стороны – к турбулизации потока отходящих газов, а следовательно – и к росту теплоотдачи (таблица 1).
Рисунок 7 – Обтекание теплопередающей поверхности потоком газа в модельном утилизаторе. Линии тока окрашены значениями температуры T, K: инновационная схема (а), перекрестный ток (б)
В таблице 1 приведено сравнение обеих схем по интегральным тепловым и аэродинамическим параметрам. Потери давления в рассмотренном модельном утилизаторе с инновационной схемой хотя и превышают потери давления при перекрестном токе теплоносителя, однако коэффициент преобразования модельного утилизатора η, определяемый как отношение перепадов температур по трактам воздуха и отходящих газов η=∆Тгаз/∆Твоздух , показывает, что инновационная схема более эффективно передает тепло по сравнению с перекрестным током, а осредненный по площади теплопередающей поверхности коэффициент теплоотдачи примерно в 1,6 раза выше по сравнению с перекрестным током.
Таблица 1 – Сравнительные характеристики инновационной схемы и перекрестного тока модельного утилизатора
Промышленная апробация
В результате эксплуатации утилизатора тепла отходящих газов ООО «СПЕЦТЕПЛОБЕЛ» на ОАО «Березастройматериалы» полезная мощность системы утилизации составила 0,429 Гкал/ч. Фактический экономический эффект с момента ввода в эксплуатацию теплообменника с 11 мая 2020 года по январь 2021 года включительно составил 340 т.у.т. (Письмо ОАО «Берёзастройматериалы» № 761 от 12.02.2021).
Заключение
В качестве расширения направлений применения энергосберегающей технологии ООО «СПЕЦТЕПЛОБЕЛ» следует отметить строительную сферу и ЖКХ, литейные и гальванические производства. Разработанная инновационная схема интенсификации теплообмена ООО «СПЕЦТЕПЛОБЕЛ» может быть использована при проектировании котлов-утилизаторов для нагрева воды за счёт теплоты уходящих дымовых газов, используемой в качестве промежуточного теплоносителя для отопления и горячего водоснабжения жилых, производственных и административных зданий. Разработка конденсационных тепло-утилизаторов требует повышения коэффициента использования топлива путем глубокого охлаждения (ниже точки росы) продуктов сгорания и обеспечения надежной эксплуатации наружных газоходов и дымовых труб, отводящих в атмосферу охлажденные и частично осушенные продукты сгорания; использования конденсата продуктов сгорания в системе теплоснабжения котельной, и сокращения производительности действующей водоподготовительной установки. Кроме того, схема комплексной вихревой интенсификации теплообмена ООО «СПЕЦТЕПЛОБЕЛ» востребована в аппаратах воздушного охлаждения для охлаждения газов и жидкостей, конденсирования паровых и парожидкостных средств в технологических процессах химической, нефтехимической, нефтеперерабатывающей, нефтяной и газовой отраслей промышленности.
