автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.09, диссертация на тему:Термосифонные теплообменники типа "газ-газ" для рекуперации тепла запыленных дымовых газов

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЯНОЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

Нагуманов Артур Халитович

ТЕРМОСИФОННЫЕ ТЕПЛООБМЕННИКИ ТИПА "ГАЗ-ГАЗ" ДЛЯ РЕКУПЕРАЦИИ ТЕПЛА ЗАПЫЛЕННЫХ ДЫМОВЫХ ГАЗОВ

Специальность 05.04.09 "Машины и агрегаты нефтеперерабатывающих

и химических производств

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель, д.т.н., проф. Халимов А.Г. Научный консультант, д.т.н., проф. Зайнуллин P.C.

Уфа 1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

Основные обозначения. 5

Введение. 8 1. Состояние техники и технологии рекуперации тепла

на предприятиях народного хозяйства 11

1.1. Теплообменные устройства, применяемые для рекуперации тепла отходящих дымовых газов 19

1.2 Краткое описание процесса рекуперации тепла с запыленными газовыми средами 27

1.3. Выбор и обоснование перспективных конструкций рекуперативных термосифонных теплообменников типа "газ-

газ" 29

1.4. Выбор и обоснование конструктивных элементов термосифонного теплообменника типа "газ-газ" 33

1.5. Выводы по главе. 42

2. Теория расчета и конструирования термосифонных теплообменников типа "газ-газ" 43

2.1. Конструктивное решение теплообменных аппаратов

для чистых и запыленных сред 43

2.1.1. Выбор формы и геометрических размеров аппарата 43

2.1.2. Конструкция термосифонного элемента 45

2.1.3. Несущая конструкция воздухоподогревателя 47

2.1.4. Способы крепления термосифонов в трубном пучке 48

2.1.5. Способы герметизации трубной решетки 50

2.1.6. Модульная конструкция термосифонного теплообменника 53

2.2. Методика проектного расчета термосифонного теплообменника 58

2.2.1.Методические рекомендации к расчету теплообменника 58

2.2.2. Математическая модель термосифонного теплообменника 60

2.2.3. Подбор и обоснование промежуточного теплоносителя 65

2.2.4. Принципы разбиения теплообменника на модули. 70

2.3. Выводы по главе 72

3. Расчет напряженно-деформированного состояния и ресурса термоциклической долговечности термосифонных элементов 73

3.1. Постановка задачи 73

3.2. Состояние работы термосифонов при неравномерном температурном воздействии 76

3.3. Алгоритм расчета термоциклической долговечности термосифонов из однородного материала 83

3.4. Элементы из биметаллов в равномерном температурном поле 85

3.5. Элементы из биметаллов в поле неравномерных температур 91

3.6. Оценка ресурса при теплосменах 95

3.7. Определение допустимых параметров теплосистемы 99

3.8. Исследование термоциклической долговечности биметаллического термосифона 100

3.9. Выводы по главе 106

4.Практика внедрения термосифонных теплообменников

типа "газ-газ" 107

4.1. Модульные термосифонные воздухоподогреватели, работающие в запыленной среде содового производства 107

4.1.1. Схема опытно-промышленной установки 108

4.1.2. Конструктивные и теплотехнические характеристики теплообменника 110

4.1.3. Результаты опытно-промышленых испытаний 114

4.1.4. Особенности испытаний модульного теплообменника в условиях производства керамзитового гравия. 117

4.2.Применение термосифонных теплообменников в теплогенераторах. 120

4.2.1. Автоматическое управление теплогенераторами на

базе малоканальных микропроцессоров. 124

4.3. Выводы по главе. 130

5. Основные выводы и результаты. 131

Литература. 133

ОБОЗНАЧЕНИЯ

1 - температура, К(°С);

Л1 - перепад температур, К(°С);

Р - давление, Па;

АР - аэродинамическое сопротивление, Па; а - коэффициент теплоотдачи,

Вт/(м -К);

к - коэффициент теплопередачи, Вт/(м -К); X - коэффициент теплопроводности, Вт/(м-К); с - теплоемкость, Дж/(кг-К); Р - коэффициент теплового расширения, 1/К; г - термическое сопротивление, м -К/Вт; т - теплота фазового перехода, Дж/кг;

- тепловой поток, Вт;

Э - диаметр трубы с оребрением, м; с! - диаметр неоребренной трубы, м; Ы - внутренний радиус трубы, м;

- высота ребер, м;

§ - толщина стенки трубы, м; ф, © - угол;

Б - поверхность теплообмена, м2;

V - расход теплоносителя, кг/с; W - скорость потока, м/с;

О'п.н. - коэффициент поверхностного натяжения, Н/м;

V - коэффициент кинематической вязкости, м2/с; р - плотность, кг/м3;

со - степень заполнения термосифона; ъ - число термосифонов, шт;

Е - модуль упругости, МПа;

а - напряжение, МПа;

ц - коэффициент Пуассона;

вх - деформация текучести;

8о - относительная термодеформация;

Эр - относительное рабочее напряжение;

а - размер зоны пластического растяжения, м;

Ь - размер зоны пластического сжатия, м;

N - число термоциклов, шт;

Т - время, с;

Критерии и безразмерные комплексы. ап.н.ё(рж ~Рп) - устойчивости Кутателадзе;

Р

к

р - I - давления;

Рг =

лК.н£(Рж - Рп.)

Рп.

Л

- фруда;

Ч^ж. У

13

Ста - ^г- _ Галлелея;

V

ж.

В0=(1/8 - Бонда;

Яе = - Рейнольдса;

V

N11 = а^5пн- - Нуссельта;

Кг = ——г - фазового превращения; Сж.^-и

Символы

ж - жидкость; п - пар;

пр - предельный; кр - критический; раб - рабочий; кип - кипения; н - насыщения; опт - оптимальный; ст - стенка;

е - испарительная зона термосифона; 8 - относится к поперечному сечению; а - транспортная зона термосифона; с - конденсационная зона термосифона; р - растяжения; т - текучести; В теплообменнике:

1 - газовый канал теплообменника;

2 - воздушный канал теплообменника; В биметаллической трубе:

0 - начальное значение;

1 - свойства первого металла;

2 - свойства второго металла.

ВВЕДЕНИЕ.

Нынешний этап экономического развития страны характеризуется возрастанием роли рыночных критериев работы предприятий, таких как себестоимость, цена, рентабельность, прибыль. Существенное значение на них оказывает энергетическая составляющая затрат в составе себестоимости продукции, которая для некоторых предприятий доходит до 60-80 % [74].

Многие теплоэнергетические установки, такие как котельные, нагревательные печи нефтеперерабатывающих заводов, барабанные печи предприятий строительной индустрии имеют незначительный к.п.д., и как следствие высокую себестоимость тепловой энергии.

Среди основных источников потерь тепловой энергии:

1. Несовершенство конструкций теплоэнергетических установок;

2. Потери с отходящими дымовыми газами;

3. Потери при транспортировании теплоносителей по коммуникационным сетям.

Наиболее перспективным подходом, дающим существенное снижение потерь тепловой энергии, является разработка и внедрение аппаратов по утилизации тепла отходящих дымовых газов. Большинство нагревательных печей нефтеперерабатывающих заводов не оборудованы такими установками, особенно это характерно для предприятий использующих сернистое топливо. Протекающая в утилизаторах сернокислотная коррозия приводит к разрушению конструктивных элементов аппаратов.

Актуальной проблема утилизации тепла становится для производств с сильно запыленными отходящими дымовыми газами. При ограниченном запасе тяги характерно налипание частиц на тепловоспроизводящую поверхность, в результате чего уменьшаются коэффициенты теплоотдачи, и возрастает аэродинамическое сопротивление рекуперативных аппаратов. Эта про-

блема особенно характерна при утилизации тепла на предприятиях по производству соды и строительной индустрии. До сих пор не разработаны устройства, обеспечивающие продолжительный цикл рекуперации тепла с допустимым сохранением первоначальной эффективности аппарата.

Сравнительный анализ существующих рекуперативных установок, их поведение в условиях сернокислотной коррозии и запыленных сред, показало, что наиболее перспективными являются теплообменные аппараты, построенные на базе двухфазных термосифонов. Рекуперативные аппараты на основе отдельных теплопроводящих элементов позволяют создавать различные по назначению, производительности, конструктивному оформлению устройства. Таковыми из них являются разборные устройства, построенные по модульному принципу, которые нашли отражение в данной работе.

Существенное сокращение затрат и потерь происходит при получении тепловой энергии на месте ее потребления. Практически исключаются затраты на транспортирование теплоносителей по коммуникационным сетям. В нашем случае источником тепла является энергия, полученная от сжигания природного газа. Преобразование энергии горения происходит в теплоэнергетической установке - теплогенераторе, где теплопередающим устройством является теплообменник, нагревающий теплоноситель (воздух или воздух и воду) для промышленных нужд и отопления. Наиболее рациональными для этих целей также являются теплообменники, построенные на базе двухфазных термосифонов. Теплогенераторы полностью автоматизированы, имеют надежную защиту при возникновении аварийных ситуаций.

Проведенные теоретические и практические испытания позволили предложить в качестве конструктивного элемента для изготовления двухфазного термосифона бывшие в употреблении элементы с алюминиевым оребрением от аппаратов воздушного охлаждения. Ресурсы этих отработан-

ных элементов составляют сотни тонн в год только с одного нефтеперерабатывающего завода.

На основании теоретических исследований разработаны конструкции теплообменников типа "газ-газ", которые были изготовлены и установлены для утилизации тепла дымовых газов за печью П-6 цеха кальцинации №1 АОЗТ "Сода", за печью обжига керамзита ООО "ДСК" ОАО "КПД". Создана серия теплогенераторов для получения тепловой энергии.

Работа проводилась в соответствии с Государственной научно-технической программой - по заданию Госкомитета Республики Башкортостан по науке, высшему и среднему профессиональному образованию "Разработка новейших технологий и материалов для машиностроения и ап-паратостроения" - раздел "Аппаратостроение" 1996-1999 г.г. по заказу АОЗТ "Сода" и ООО "ДСК" ОАО "КПД" согласно технологическому регламенту. Научная новизна работы.

1) Создана математическая модель модульного термо сифонного теплообменника для работы в запыленных и агрессивных средах;

2) решена задача рационального синтеза конструктивных элементов модульного термосифонного теплообменника со сменными блоками на основе отдельных теплопроводящих элементов в пространстве для рекуперации тепла запыленных и агрессивных дымовых газов;

3) сформулированы принципы деления трубного пучка термосифонного теплообменника на сменные модули;

4) разработаны расчетные методы оценки долговечности термосифонных элементов с учетом цикличности изменения рабочих условий эксплуатации и свойств теплоносителя.

Практическая ценность работы.

Разработана энергосберегающая технология утилизации тепла залы-

ленных и агрессивных дымовых газов.

Предложена конструкция термосифонного теплообменника типа «газ-газ» модульного типа со сменными блоками, даны рекомендации по проектированию и эффективному применению, описаны конструкции новых теп-лообменных аппаратов на основе термосифонов.

1. СОСТОЯНИЕ ТЕХНИКИ И ТЕХНОЛОГИИ РЕКУПЕРАЦИИ ТЕПЛА НА ПРЕДПРИЯТИЯХ НАРОДНОГО ХОЗЯЙСТВА

Успешное решение задач экономного использования топливно-энергетических ресурсов во многом определяется уровнем использования вторичных энергоресурсов промышленного производства. Основным видом вторичных энергоресурсов в промышленности являются тепловые ресурсы, важное место, среди которых занимает теплота отходящих газов теплоэнергетических и технологических агрегатов, физическая теплота основной продукции и отходов.

Для утилизации теплоты отходящих газов в различных отраслях промышленности применяются различное теплоутилизационное оборудование (котлы-утилизаторы, воздухоподогреватели, газо-газовые и газо-жидкостные теплообменники традиционных конструкций).

На предприятиях нефтеперерабатывающей промышленности используют в основном два способа утилизации сбросного тепла продуктов сгорания топлива - установка после технологических печей котла-утилизатора (или экономайзера) либо воздухоподогревателя. Выбор того или иного способа определяется конкретными условиями энергоснабжения технологических установок.

Температура продуктов сгорания топлива перед котлом-утилизатором обычно составляет 400-600 °С, при этом вырабатывается пар в основном

низких параметров (1,4 МПа), КПД котлов-утилизаторов, как правило составляет (40-60 %) [28]. Температура продуктов сгорания за большинством котлов-утилизаторов не может быть ниже 200-220 °С. Это определяется температурой питательной воды (при наличии экономайзера) и минимальным (экономически оправданным) температурным напором, причем с повышением давления вырабатываемого пара температура газового потока за котлом-утилизатором повышается, что также приводит к снижению КПД.

Использование воздухоподогревателей позволяет охлаждать их до температуры определяемой температурой точки росы 110-137 °С [11]. КПД тепловых установок с воздухоподогревателями может быть доведен до 92-94 % [30]. Это свидетельствует о предпочтительности последних.

Утилизировать теплоту отходящих газов можно по двум схемам: 1-"процесс-комфорт" и 2- "процесс-процесс" [66].

По первой схеме рекуперированная теплота направляется либо на отопление помещений промышленных зданий, либо на обогрев индивидуальных рабочих мест [44-69].

Принцип утилизации тепла по схеме "процесс-комфорт" показан на рисунке 1. Отработанные газы в теплообменнике нагревают воздух, который

Рисунок 1 - Схема утилизации тепла уходящих газов "процесс-комфорт". подается на обогрев производственных помещений или отдельных рабочих мест.

По второй схеме "процесс-процесс" утилизированная в теплообменнике теплота может использоваться либо в самом процессе, сбросная теплота которого утилизируется (например, на подогрев воздуха для горения) [28,11,49,56,58,80,], либо на совершение нового процесса (выработку пара для производства электроэнергии, для отопления жилых и производственных зданий и пр.) [34,58,83].

Принцип утилизации тепла по схеме "процесс-процесс" показан на рисунке 2.Отработанные газы в теплообменнике нагревают воздух который подается на горение.

Технико-экономическая эффективность возврата рекуперативной теплоты в системах "процесс-процесс" значительно выше, чем в системах "процесс-комфорт", поскольку рекуперативная тепловая энергия в первом случае может использоваться в течение круглого года.

Теплоноситель Топливо на горение

Воздухонагреватель

Воздух на

Отработанные газы

Рисунок 2 - Схема утилизации тепла уходящих газов "процесс-процесс".

Одной из главных проблем предъявляемых к воздухоподогревателям, наряду с дешевизной, ремонтопригодностью, безопасностью эксплуатации, малой металлоемкостью, является способность работы аппаратов в условиях работы с дымовыми газами, полученными от сжигания сернистого топлива. При сжигании сернистых топлив холодная часть воздухоподогревателя имеет температуру стенки ниже точки росы дымовых газов. В связи с этим про-

исходит конденсация влаги, коррозия концевых элементов конструкции, и их загрязнение.

Опасными интервалами температур стенки теплообменных аппаратов, по данным [22,23,41], являются диапазоны температуры точки росы (120150 °С) до 105-110 °С и ниже 70 °С. Работа аппарата при температурах выше точки росы снижает эффективность рекуперации тепла отходящих дымовых газов.

Системы утилизации, работающие по схеме "процесс-процесс" (рис. 2) как правило, применяются при сжигании бессернистого топлива. В противном случае со временем происходит разрушение элементов конструкции теплообменного аппарата. Иногда в целях борьбы с коррозией на холодном конце воздухоподогревателя устанавливается чугунная, эмалированная или неметаллическая поверхность [28,30].

Одним из перспективных путей уменьшения потерь от сернокислотной коррозии является деление теплообменной поверхности воздухоподогревателей на две части: основную и сменную.

Тепловая нагрузка при этом перераспределяется так, что температура стенки основной секции заведомо выше точки росы дымовых газов и, следовательно, поверхность не подвергается коррозии, а в коррозионной зоне находится только сменная секция. Раздельная конструкция воздухоподогревателя позволяет экономить по сравнению с традиционными воздухоподогревателями около 75 % металла.

Применение сменной секции дает возможность использовать источники сбросного тепла для предварительного подогрева воздуха до 70-90 °С. Температура воздуха после сменной секции 140 °С. Это обеспечивает бескоррозионный режим эксплуатации основной секции при сжигании высокосернистого мазута (точка росы 150 °С) и создает условия для поддержания

температуры стенки основной секции со стороны входа воздуха не ниже 165-170 °С.

Схема подогрева воздуха, разработанная ВНИПИНефтью, за счет использования тепла отходящих продуктов сгорания топлива технологических печей показана на рисунке 3 [27]. В основном воздухоподогревателе продукты сгорания охлаждаются до 250 °С. Наличие сменного воздухоподогревателя обусловлено порогом фазового перехода конденсирующихся в продукт