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»
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)
Таблица 1 – Сравнительные характеристики инновационной схемы и перекрестного тока модельного утилизатора
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.