автореферат диссертации по строительству, 05.23.03, диссертация на тему:Повышение энергоэффективности газовых теплогенерирующих установок малой мощности (до 100 кВт) в условиях Крайнего Севера

На правах рукописи

ИВАНОВА Анастасия Викторовна

ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ ГАЗОВЫХ ТЕПЛОГЕНЕРИРУЮЩИХ УСТАНОВОК МАЛОЙ МОЩНОСТИ (ДО 100 КВТ) В УСЛОВИЯХ КРАЙНЕГО СЕВЕРА

Специальность 05.23.03 — Теплоснабжение, вентиляция, кондиционирование воздуха, газоснабжение и освещение

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 2 ДЕК 2013

Санкт-Петербург 2013

005543310

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет» на кафедре теплогазоснабжения и вентиляции

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

Комина Галина Павловна

Официальные оппоненты: Чеботарев Виктор Иванович,

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Ростовский государственный строительный университет», профессор кафедры отопления, вентиляции и кондиционирования;

Аржаева Наталья Владимировна,

кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет архитектуры и строительства», доцент кафедры теплогазоснабжения и вентиляции

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный

архитектурно-строительный университет»

Защита диссертации состоится 25 декабря 2013 г. в 1600 часов на заседании диссертационного совета Д 212.223.06 при ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет» по адресу: 190005, г. Санкт-Петербург, 2-я Красноармейская ул., д. 4, зал заседаний диссертационного совета (аудитория 219).

Телефакс: (812) 316-58-72 Email: rector@spbgasu.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет».

Автореферат разослан 22 ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент

(А4 и<ям»»"

' Пухкал Виктор Алексеевич

I. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. В настоящее время в Республике Саха (Якутия) идет активная газификация населенных пунктов. Актуальным стало внедрение автономного теплоснабжения, что связано с удаленностью систем централизованного теплоснабжения и повышением требований к энергосбережению и уровню комфортности помещений. Согласно действующей региональной программе «Газификация населенных пунктов и обеспечение надежности объектов газового хозяйства Республики Саха (Якутия) на 2012-2016 гг.» ежегодно планируется газифицировать 8-10 населенных пунктов, в среднем необходимо установить 4000-5000 бытовых газовых теплогенераторов ежегодно.

В климатических условиях Крайнего Севера важной задачей является повышение надежности и эффективности теплогенерирующих установок, являющихся источником теплообеспечения. Подбор газовых теплогенераторов малой мощности по современным нормативным данным не требует расчета и ограничивается лишь типовыми классификациями, где основным критерием является мощность. Такой подход к выбору источника теплообеспечения не учитывает особенности климата, что особенно важно для таких регионов как Якутия.

Практика показывает, что теплогенераторы импортных и отечественных производителей не приспособлены для работы при низких температурах наружного воздуха. Анализ аварийных остановок котельных показал, что наибольшее количество перебоев теплообеспечения наблюдается с ноября по февраль, в период наиболее низких температур воздуха. Одной из основных причин аварийной остановки отопительных теплогенераторов является неудовлетворительная работа дымоходной системы, связанная с забором холодного воздуха для горения, в период при температурах наружного воздуха от -40 "С и ниже. Подача в топку воздуха с отрицательной температурой влияет на КПД теплогенерирующей установки и приводит к повышению расхода топлива. В целях энергосбережения, а также исключения и предупреждения аварийных остановок теплогенерирующих установок был впервые проведен системный анализ работы газовых теплогенераторов и их дымоходных систем.

Степень разработанности темы исследования. Теоретическими основами работы стали исследования, посвященные работе котельных установок: М.М. Щеголева, Ю.Л. Гусева, И.З. Аронова, В.М. Фокина, A.A. Кудинова,

A.Н. Воликова и др.; работы, направленные на изучение вопросов автономного теплоснабжения и проблем повышения эффективности работы теплообменников и водонагревателей малой мощности: П.А. Хаванова, В.М. Полонского,

B.Е. Удовенко, В.М. Кейс, A.JI. Лондон, С.Л. Карамалиева и других авторов.

Цель и задачи исследования.

Цель исследования - повышение надежности и эффективности работы газовых теплогенераторов малой мощности (до 100 кВт) путем разработки методики создания и развития расчетных условий эксплуатации котлов с учетом особенностей климатического воздействия на примере Республики Саха (Якутия), иссле-

дование процессов теплообмена в дымоходной системе газовых теплогенераторов малой мощности в условиях аномально низких температур.

Задачи исследования:

1. Оценка влияния параметров климатических условий на работу теплогене-рирующих установок и проведение натурных обследований систем автономного теплоснабжения в условиях Крайнего Севера.

2. Экспериментальные исследования в стендовых условиях работы газовых теплогенераторов и влияние низких температур окружающего воздуха на процессы выработки тепловой энергии.

3. Разработка методики и обоснование динамики изменения температуры в дымоходных системах.

4. Создание рациональной структурной схемы дымоходной системы с использованием теплоты уходящих газов и имитационное математическое моделирование на программном комплексе ANSYS FLUENT.

5. Разработка методики расчета изменения температуры дымовых газов после остановки теплогенератора.

Объектом исследования являются газовые теплогенерирующие установки малой мощности (до 100 кВт) и их дымоходные системы для отвода продуктов сгорания.

Предметом исследования являются системы отвода продуктов сгорания и обеспечения притока воздуха, необходимого для горения в условиях аномально низких температур.

Научная новизна исследования заключается в следующем:

1. На основе статистического анализа параметров наружного климата, экспериментальных исследований и натурных обследований действующих газовых теплогенераторов малой мощности разработан графоаналитический метод расчета количества теплоты и расхода газа, с учетом условий работы при низких температурах.

2. Для оптимизации работы дымоходных систем разработана и обоснована математическая модель трехпоточной системы, в результате чего получена зависимость изменения температуры воздуха, подаваемого в камеру сгорания теплогенератора.

3. Предложена принципиальная схема дымоходной системы с использованием комбинированного подогрева воздуха, подаваемого в камеру сгорания, повышающая эксплуатационную эффективность теплогенерирующей установки. Получено решение о выдаче патента на полезную модель на заявку №2013123387/03 (034443) от 22.05.2013 г.

4. Получена аналитическая зависимость расчета изменения температуры дымовых газов после остановки теплогенератора, позволяющая выявить временные и тепловые ограничения по обеспеченности ремонтно-восстановительных работ в условиях аномально низких температур, что повышает надежность работы теплогенератора.

Методологической основой диссертационной работы послужили комплекс методов анализа свойств и возможностей теплообмена для повышения эффек-

тивности работы газовых теплогенераторов в условиях аномально низких температур наружного воздуха; статистическая обработка данных, методов математического моделирования, экспериментальных методов, имитационного моделирования процессов теплообмена в дымоходных системах.

Область исследования соответствует требованиям паспорта научной специальности ВАК: 05.23.03 — «Теплоснабжение, вентиляция, кондиционирование воздуха, газоснабжение и освещение» по следующим основным направлениям: п. 2 «Технологические вопросы теплогазоснабжения, вентиляции и кондиционирования воздуха», п. 3 «Создание и развитие эффективных методов расчета и экспериментальных исследований систем теплоснабжения, вентиляции, кондиционирования воздуха, газоснабжения, освещения, защиты от шума».

Практическая ценность и реализация результатов исследований. Выполнены натурные исследования работы газовых теплогенераторов малой мощности в условиях Крайнего Севера. Разработана принципиальная схема дымоходной системы с комбинированным подогревом воздуха для условий с аномально низкими температурами наружного воздуха для повышения эксплуатационной эффективности и надежности газовых теплогенерирующих установок. Предложены расчетные зависимости изменения температуры дымовых газов после остановки теплогенератора, позволяющие выявить временные и тепловые ограничения по обеспеченности ремонтно-восстановительных работ в условиях аномально низких температур Якутии.

Результаты исследования внедряются на объектах ОАО «Ленагаз» (г. Якутск), проводятся работы по изоляции дымовых труб, планируется внедрение интенсификации нагрева воздуха, необходимого для горения. Данные работы представлены в отчете о выполнении научно-исследовательской работы (НИР) на тему «Исследование повышения надежности и эффективности работы газовых котлов малой мощности в условиях аномально низких температур на примере Республики Саха (Якутия)» по гранту № 1П-13 СПбГАСУ (2013 г.).

Получено решение о выдаче патента на полезную модель на заявку №2013123387/03 (034443) от 22.05.2013 г.

Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе кафедрой «Теплогазоснабжение и вентиляция» инженерно-технического института Северо-Восточного федерального университета.

Апробация работы. Основные положения и результаты доложены и обсуждены на XI Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов (г. Нерюнгри, 2010); 68-й научной конференции профессоров, преподавателей научных работников, инженеров и аспирантов СПбГАСУ (г. Санкт-Петербург, 2011); 64-й Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы современного строительства» (г. Санкт-Петербург, 2011); II Всероссийской научно-практической конференции «Современные проблемы строительства и жизнеобеспечения: безопасность, качество, энерго- и ре-сурсосбережение»г (г. Якутск, 2011); Международной конференции «Современные инновационные технологии изысканий, проектирования и строительства

в условиях Крайнего Севера» (г. Якутск, 2012); Международном конгрессе «Наука и инновации в современном строительстве — 2012» (г. Санкт-Петербург, 2012); II Международном конгрессе «Актуальные проблемы современного строительства» (г. Санкт-Петербург, 2013).

Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 9 печатных работах, в том числе 2 работы опубликованы в изданиях, входящих в перечень ведущих рецензируемых научных журналов, утвержденный ВАК РФ. Получено решение о выдаче патента на полезную модель на заявку №2013123387/03 (034443) от 22.05.2013 г.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав с выводами по каждой из них, общих выводов. Диссертация содержит 146 страницы машинописного текста, 16 таблицы, 35 рисунков, 52 формулы, 5 приложений и список использованной литературы из 142 наименований работ отечественных и зарубежных авторов.

Во введении определена проблема и обоснована актуальность проводимых исследований, сформулированы цель и задачи, научная новизна и практическая значимость.

В первой главе проведен анализ статистических исследований и выявлена роль параметров наружного климата на работу теплогенерирующих установок и использование газовых котлов малой мощности в условиях Крайнего Севера. Приведено обоснование основных проблем эксплуатации.

Во второй главе определены научно-методологические основы работы теплогенерирующих установок, методика теплового расчета, режимы регулирования работы газовых теплогенераторов малой мощности и особенности работы дымоходных систем в условиях низких температур. Представлена математическая модель динамики изменения температуры в дымоходных системах.

В третьей главе представлены натурные обследования работы газовых теплогенераторов малой мощности. Определены особенности процессов отвода продуктов сгорания и подачи воздуха, необходимого для горения при низких температурах. Приведены результаты лабораторных экспериментальных исследований в стендовых условиях.

В четвертой главе обоснованы и получены решения для повышения эффективности работы дымоходных систем. Разработана структурная схема дымоходной системы с использованием теплоты уходящих газов и проведено имитационное математическое моделирование на программном комплексе ANSYS FLUENT. Предложена методика расчета изменения температуры дымовых газов после остановки теплогенератора в условиях аномально низких температур.

II. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ H РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ ДИССЕРТАЦИИ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ

1. На основе статистического анализа параметров наружного климата, экспериментальных исследований и натурных обследований действующих газовых теплогенераторов малой мощности разработан графоаналитиче-

ский метод расчета количества теплоты и расхода газа, с учетом условий работы при низких температурах.

В результате анализа проведенных натурных исследований были определены фактические теплотехнические характеристики теплогенераторов в рабочих режимах. Испытания проводились при естественных климатических условиях и в зависимости от температуры наружного воздуха были разделены на два диапазона. Первый диапазон составляет от -25 до -35 °С и характеризует осенне-весенний отопительный период в условиях Якутии, а также расчетные параметры отопительного периода производителей и западных регионов России. Второй, от -40 до -50 °С, соответствует зимнему периоду. Параметры работы теплогенераторов соответствуют регламентируемым данным в технических условиях агрегата.

При исследовании работы котлоагрегатов во втором диапазоне наблюдается повышение расхода топлива и объема уходящих газов, что влияет на эффективность работы теплогенераторов. Практика эксплуатации газовых теплогенераторов малой мощности в системах индивидуального отопления г. Якутска показывает, что при температуре наружного воздуха -40 °С и ниже происходит обмерзание дымовых труб. Это приводит к нарушению нормальной работы теплогенераторов, отключению автоматикой подачи газа и прекращению теплообеспечения. Запуск теплогенератора при таком состоянии дымохода затруднителен, а в некоторых случаях невозможен.

При естественной тяге разрежение в топке и газоходах создается дымовой трубой за счет разности плотностей атмосферного воздуха и продуктов сгорания, а воздух, необходимый для горения, поступает из помещения за счет разрежения, создаваемого дымовой трубой. На рисунке 1 приведен график зависимости величины располагаемого гравитационного давления от температуры наружного воздуха при различной высоте дымовой трубы. В сравниваемых системах условия работы теплогенераторов идентичны, приняты одинаковые мощности теплогенераторов, диаметры дымоходов и вид топлива.

Расчетные данные, приведенные, на рис. 1 показывают, что величина располагаемого гравитационного давления в зимний период в условиях Якутии увеличивается на 7...30 % по сравнению с расчетными температурами населенных пунктов средней полосы России. При изменении температуры за отопительный период его величина изменяется в условиях средней полосы России максимально на 30 %, а в условиях Якутии изменения доходят до 200 %.

С изменением наружной температуры изменяется располагаемое гравитационное давление и количество уходящих газов соответственно, в условиях средней полосы России изменения достигают 15 %, а в условиях Якутии от 25 до 40 %. При повышении тяги увеличивается количество вторичного воздуха, поступающего в топку, что приводит к химическому недожогу и снижению КПД теплогенератора. При особо низких температурах оголовок дымовой трубы покрывается инеем, что приводит к образованию наледи и прекращению тяги.

-60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10

Температура наружного воздуха, °С

Рис. 1. График зависимости величины располагаемого гравитационного давления и объема уходящих газов в дымовой трубе от температуры наружного воздуха при высоте дымохода: I-4 м; II — 6 м; III — 8 м; 1У-10м;У-12м

В настоящее время широко внедряется строительство зданий с повышенными теплозащитными конструкциями и стеклопакетами на окнах, имеющими высокую герметичность. Это приводит к проблемам обеспечения комфортного микроклимата, в помещении происходит нарушение требуемого воздухообмена. При натурном обследовании в помещении наблюдалось опрокидывание вытяжной вентиляции и образование конденсата, что приводит к нарушению работы горелок газовых плит, газовых теплогенераторов и возможности отравления.

Если количество кислорода в воздухе уменьшено, то полнота сгорания газа не может быть обеспечена. Известно, что для сгорания 1 м3 природного газа требуется 2 м3 кислорода в составе воздуха, при этом образуется 1 м3 диоксида углерода, 2 м3 водяных паров и 7,5 м3 азота. Изменение во времени концентрации любого компонента в воздушной среде может быть найдено из балансового дифференциального уравнения этого компонента в помещении при условии, что за время Л концентрация изменяется на с1к\

■ + Упс к„с, - У„нтк) = У„Лк, (1)

где Уетт — объем воздуха, удаляемого из помещения и поступающего в помещение, м3/ч; кр кпс, к — концентрация компонента в атмосферном воздухе, в помещении и продуктах сгорания соответственно; Упс — объем продуктов сгорания, м3/ч; К — объем помещения, м3.

Влияние на процесс сжигания газа количества кислорода в воздухе видно из стехиометрического уравнения горения метана — основного компонента природного газа. При этом скорость химической реакции может быть записана:

£

№^Ксне ЯТ[СН<\02}, (2)

где К - константа химической реакции; Е - энергия активации, постоянная величина для каждой реакции; /? - удельная газовая постоянная; Т- абсолютная температура в зоне горения; [СЯ,], [02] - компоненты, участвующие в реакции горения.

При снижении концентрации кислорода, т. е. при загазованности воздуха кухни продуктами сгорания газа, скорость реакции горения уменьшается, что приводит к увеличению длины пламени и неполноте сгорания газа.

где т = У0г/УС02 - это отношение объема кислорода, затраченного на сжигание 1 м3

газа, к объему углекислоты, образовавшейся при сгорании 1 м3 газа; К0о_ -

содержание кислорода в воздухе -21%; К- содержание кислорода в продуктах сгорания.

Таким образом, в условиях Якутии следует использовать теплогенераторы с закрытой камерой горения, которые не зависят от вентиляции помещения, в котором они установлены.

Анализ тепловых балансов теплогенераторов показал, что наибольшие потери теплоты происходят с уходящими дымовыми газами и объемом воздуха. Поэтому величина энтальпии воздуха оказывает составляют 15...30 %. Объем природных газов незначителен по сравнению с существенное влияние на величину калориметрической температуры горения топлива. В нормативной литературе при тепловом расчете котлоагрегата, температура воздуха подаваемого на горение, принимается равной 25 °С, при проектировании в расчетах принимается равной 0 °С. В теплогенераторах малой мощности воздух, подаваемый на горение, не проходит специального подогрева. При закрытой камере сгорания воздух подается непосредственно снаружи, не успевая достичь расчетной температуры.

В результате проведенного исследования нами разработан графоаналитический метод определения количества теплоты, необходимой на нагрев воздуха, поступающего на горение, и дополнительного расхода природного газа теплогенераторов малой мощности (рис. 2). Для определения безразмерного параметра Ад, учитывающего мощность рассчитываемого теплогенератора, предложена формула:

где к - коэффициент теплопередачи через стенку дымовой трубы, Вт/(м-К); Ъ - высота дымовой трубы, м ; V" - теоретически необходимый объем воздуха для сжигания 1 м3 газа, м3/м3; аТ - коэффициент избытка воздуха в топке; св - теплоемкость воздуха, кДж/(кг-К); В - расход топлива, м3/ч.

Для любой температуры наружного воздуха определяется калориметрическая температура процесса горения. Затем, учитывая мощность рассчитываемого теплогенератора по безразмерному параметру Аа, определяется количество теп-

(3)

А} " У°наТс,В'

(4)

Мощность теплогенератора подбирается в зависимости от суммарных теп-лопотерь отапливаемого здания. В процессе эксплуатации при низких температурах наружного воздуха нарушаются условия нормальной работы теплогенератора, так как поступление холодного воздуха в камеру сгорания снижает тепло-производительность и КПД теплогенератора. Начало нарушения условий работы теплогенератора наблюдается при достижении наружной температуры порядка -35...—40 °С в течение 4...6 месяцев.

Для повышения эффективности работы теплогенерирующих установок в условиях Крайнего Севера наиболее рационально подогревать поступающий воздух, необходимый для горения, путем использования вторичных энергоресурсов — утилизации теплоты дымовых газов. При этом в пиковые режимы теплообеспе-чения потребителей энергии продуктов сгорания недостаточно. Появляется необходимость в интенсификации теплообмена и использовании дополнительного источника теплоты. Схема разработанной установки с комбинированным подогревом приведена на рис. 4.

г У

А г

1в V 1 /г

-у Лу \ / \

у 1 / '.

сЮк-З . у ¿Ок. ■ \dQKi /

.........................А.......................

Рис. 4. Расчетная схема дымовой трубы с комбинированным нагревом воздуха

На основе известных зависимостей тепловой баланс комбинированной коаксиальной трубы с допустимыми упрощениями, имеет следующий вид:

~<1<2, = с1<2г + с1<2ж, ж2, = о,с,л,

'¿<2,. = кМ'г-'.)<Ь>, (5)

где с1<2е - изменение теплосодержания воздуха, необходимого для горения, Вт; ¿(¿г dQж - изменение теплового потока, передаваемого через конструкцию дымовой трубы от продуктов сгорания и воды соответственно, Вт; Ое— количество воздуха, кг/с; к., к — линейный коэффициент теплопередачи от продуктов сгорания и воды соответственно, Вт/(м-°С); * - температура продуктов сгорания, °С; 1ж — температура воды, "С; !й - температура воздуха, °С, Хн - температура наружного воздуха, °С.

Интенсификация передачи тепла дымовых газов через стенку производится за счет винтового оребрения на стороне движения воздушного потока. Что позволяет увеличить площадь теплообмена и повышение теплопередающей характеристики за счет закручивания потока. Дополнительным источником тепла в пиковые режимы является теплообменник, по которому циркулирует вода или незамерзающая жидкость. В остальное время данная схема является дополнением к турбулизации потока воздуха поступающего для горения. Схема устройства для газового теплогенератора малой мощности с закрытой камерой сгорания при расчете системы «воздух-продукты сгорания» с соосными каналами представлена на рис. 6.

а)

О

h

Рис. 6. Схема дымоходной системы с комбинированным нагревом воздуха: а - общий вид; б - разрез А-А; в - разрез Б-Б

Устройство состоит из двух герметичных цилиндрических оболочек с диаметрами D1 и D2, расположенных по принципу «труба в трубе» с разделением каналов для рабочих сред. По внутренней трубе проходят продукты сгорания, в межтрубное пространство поступает наружный воздух необходимый для горения. Для интенсификации теплопередачи на наружной поверхности внутренней трубы предусмотрено непрерывное по длине винтовое оребрение. Для дополнительного подогрева воздуха в пиковые режимы зимнего периода эксплуатации предусматривается дополнительный спиральный водяной теплообменник. В ка-

ANSYS

Contours of Static Temperature (It)

Apr 29,2013

ANSYS FLUENT 12.0 (3d, dp. pbns, spe, ske)

Рис. 8. Распределение температур по внутренней оребренной трубе

ANSYS

Contours of Static Temperature (к)

Apr 29,2013

ANSYS FLUENT 12.0 (3d, dp. pbns, spe, ske)

Рис. 9. Распределение температур по центральному вертикальному сечению конструкции дымохода

проживающих людей и оборудования. При эксплуатации в условиях Крайнего Севера наибольший интерес вызывают процессы охлаждения и нагрева помещений. Из анализа аварийных остановок газовых теплогенераторов в Якутии вос-

Зависимость изменения длительности до начала образования наледи после остановки теплогенерирующей установки позволяет определить временные ограничения по обеспеченности ремонтно-восстановительных работ в зависимости от температуры наружного воздуха.

Влияние температуры наружного воздуха при остановке теплогенератора на изменение температуры остаточных дымовых газов представлена на рис. 10. Анализ графика показывает, что наибольшее влияние на длительность периода до начала образования наледи оказывает изоляция дымовой трубы. Таким образом, из уравнения (12) можно оценить временные и тепловые ограничения по обеспеченности ремонтно-восстановительных работ в условиях Крайнего Севера.

Общие выводы

Теоретические и экспериментальные исследования, а также результаты натурных обследований позволили решить ряд задач в энергосбережении и надежности работы автономных теплогенерирующих установок малой мощности, эксплуатируемых в климатических условиях Крайнего Севера и сделать следующие выводы:

1. На основе исследования влияния параметров климатических условий и анализа аварийных остановок газовых теплогенераторов в Республике Саха (Якутия) определено, что при достижении температуры наружного воздуха -40 °С и ниже в атмосфере наблюдается сильный ледяной туман, что способствует ине-еобразованию на оголовке дымовых труб и развитию наледеобразования.

2. Разработан графоаналитический метод определения количества теплоты и расхода газа, дополнительно затрачиваемого на обогрев воздуха, необходимого для горения, который позволил оценить условия эксплуатации газовых теплогенераторов при аномально низких температурах.

3. Проведенные исследования на экспериментальном стенде газового теплогенератора с закрытой камерой сгорания и раздельной подачей воздуха позволили определить температуру благоприятных условий его работы. Установлено, что при температуре воздуха, поступающего в контур теплогенератора, —15 °С и ниже элементы теплогенератора подвергаются температурным напряжениям, что может привести к отказу.

4. Построена математическая модель трехпоточной системы для расчета динамики изменения температуры воздуха, подаваемого в камеру сгорания теплогенератора.

5. Разработана энергоэффективная схема подачи воздуха в топку теплогенератора с использованием комбинированного подогрева, получено решение о выдаче патента на полезную модель на заявку №2013123387/03 (034443) от 22.05.2013 г. С помощью программного комплекса ANSYS FLUENT определено, что температура воздуха повышается на 20...30 %, что значительно влияет на надежную и эффективную работу котла.

6. Разработана и научно обоснована аналитическая зависимость расчета изменения температуры дымовых газов после остановки теплогенератора, позво-

ляющая выявить временные и тепловые ограничения по обеспеченности ремон-тно-восстановительных работ в условиях аномально низких температур, что повышает надежность работы теплогенератора

7. Исследования и научные разработки, выполненные в рамках диссертационной работы, используются в учебном процессе, при курсовом и дипломном проектировании.

III. ОСНОВНЫЕ НАУЧНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИОННОГО ИССЛЕДОВАНИЯ: публикации в периодических научных изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Иванова, A.B. Исследование газовых котлов малой мощности для эксплуатации в условиях Крайнего Севера Z A.B. Иванова ZZ Вестник гражданских инженеров. - 2012. -№ 6 (35). - С. 102 - 106 (0,25 п.л.).

2. Иванова, A.B. О надежности эксплуатации газовых котлов малой мощности в условиях Северо-Востока России Z A.B. Иванова, В.Н. Иванов, B.C. Тихонов ZZ Промышленное и гражданское строительство. - 2013. - № 8. - С. 51-53 (0,13 п.л.).

Патент:

3. Решение о выдаче патента на полезную модель от 17.09.2013. Дымовая труба с комбинированным нагревом воздуха. Заявка № 2013123387Z03 (034443) от 22.05.2013. Авторы: A.B. Иванова, В.Н. Иванов.

публикации в других изданиях:

4. Иванова, A.B. Тепловлажностный режим наружных многослойных стеновых конструкций в условиях Якутии Z A.B. Иванова ZZ Материалы XI Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов, посвященная 75-летию Высшего образования в Якутии и 35-летию города Нерюнгри Z Нерюнгри: Технический институт (ф) ЯГУ. - 2010. - С. 124-127 (0,19 п.л.).

5. Иванова, A.B. Анализ влияния климатических условий Якутии на бесперебойную работу теплогенераторов Z A.B. Иванова, Г.П. Комина ZZ Материалы 64-й Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы современного строительства» Z СПб: СПбГАСУ. - 2011. - С. 300-303 (0,19 пл.).

6. Иванова, A.B. Проблемы автономного теплоснабжения в условиях Севера Z A.B. Иванова, В.Н. Иванов ZZ Материалы II Всероссийской научно-практической конференции, посвященной 55-летию инженерного образования в Республике Саха (Якутия) «Современные проблемы строительства и жизнеобеспечения: безопасность, качество, энерго- и ресурсосбережение» Z Якутск: Издательский дом СВФУ. - 2011. - С. 33-36 (0,19 пл.).

7. Иванова, A.B. Анализ потерь теплоты индивидуальных жилых домов в условиях Севера Z A.B. Иванова, В.Н. Иванов ZZ Международная конференция «Современные инновационные технологии изысканий, проектирования и строительства в условиях Крайнего Севера» Z Якутск: Издательство ООО «Смик-мас-тер. Полиграфия». - 2012. - С. 265-269 (0,25 п.л.).

8. Иванова, A.B. Методические основы проведения испытаний газовых котлов малой мощности для Крайнего Севера Z A.B. Иванова, Г.П. Комина ZZ Материалы Международного конгресса посвященного 180-летию СПбГАСУ «Наука и инновации в современном строительстве - 2012» Z СПб: СПбГАСУ. - 2012. — С. 176-178 (0,13 п.л.).

9. Иванова, A.B. Анализ работы дымоходов газовых котлов малой мощности в эксплуатационных условиях Крайнего Севера Z A.B. Иванова, Г.П. Комина,

B.Н. Иванов II Науковский вюник буд1вництва Z Харьков: ХНУБА. — 2013. - №72. -

C. 282-285 (0,19 п.л.).

Компьютерная верстка И. А. Яблоковой

Подписано к печати 20.11.13. Формат 60x84 1/16. Бум. офсетная. Усл. печ. л. 1,4. Тираж 120 экз. Заказ 175. Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет.

190005, Санкт-Петербург, 2-я Красноармейская ул., д. 4. Отпечатано на ризографе. 190005, Санкт-Петербург, 2-я Красноармейская ул., д. 5.

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный

университет»

На правах рукописи

0^201455-512 '

ИВАНОВА Анастасия Викторовна

ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ ГАЗОВЫХ ТЕПЛОГЕНЕРИРУЮЩИХ УСТАНОВОК МАЛОЙ МОЩНОСТИ (ДО 100 КВТ) В УСЛОВИЯХ КРАЙНЕГО СЕВЕРА

Специальность 05.23.03 - Теплоснабжение, вентиляция, кондиционирование воздуха, газоснабжение и освещение

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент Г.П. Комина

Санкт-Петербург 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ 4

Глава 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ 10

ТЕПЛОГЕНЕРИРУЮЩИХ УСТАНОВОК В ЗДАНИЯХ В УСЛОВИЯХ СЕВЕРО-ВОСТОКА РОССИИ

1.1. Роль параметров климата на работу теплогенерирующих 10 установок

1.2. Автономное теплоснабжение и анализ конструктивных 21 особенностей современных теплогенерирующих установок

систем теплообеспечения

1.3. Особенности эксплуатации теплогенерирующих установок в 28 условиях Северо-Восточной России

Глава 2. НАУЧНО-МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ 36

РАБОТЫ ТЕПЛОГЕНЕРИРУЮЩИХ УСТАНОВОК

2.1. Особенности процессов горения в котлах малой мощности 36

2.2. Основы теплотехнических расчетов теплогенерирующих 41 установок

2.3. Методы и оценка интенсификации теплообмена 51

2.4. Методы регулирования 56

2.5. Методика расчета темпа охлаждения дымовых газов 60

Глава 3. НАТУРНЫЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ 66

ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ТЕПЛОГЕНЕРИРУЮЩИХ УСТАНОВОК СИСТЕМ ТЕПЛООБЕСПЕЧЕНИЯ ЗДАНИЙ В УСЛОВИЯХ КРАЙНЕГО СЕВЕРА 3.1. Натурное обследование работы газовых теплогенераторов 66

малой мощности в Республике Саха (Якутия)

3.2. Экспериментальные исследования газовых теплогенераторов 84 малой мощности

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА РЕШЕНИЙ ПО ПОВЫШЕНИЮ 91 ЭФФЕКТИВНОСТИ ГАЗОВЫХ ТЕПЛОГЕНЕРИРУЮЩИХ УСТАНОВОК МАЛОЙ МОЩНОСТИ СИСТЕМ ТЕПЛООБЕСПЕЧЕНИЯ ЗДАНИЙ

4.1. Разработка дымовой трубы с комбинированным 91 подогревателем коаксиального рекуператора

4.2. Математическое моделирование систем дымоудаления при 96 помощи пакета программ ANSYS FLUENT

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 110

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 112

Приложение 1 126

Приложение 2 130

Приложение 3 145

Приложение 4 146

Приложение 5 147

ВВЕДЕНИЕ

АКТУАЛЬНОСТЬ. В настоящее время в Республике Саха (Якутия) идет активная газификация населенных пунктов. Актуальным стало внедрение автономного теплоснабжения, что связано с удаленностью систем централизованного теплоснабжения и повышением требований к энергосбережению и уровню комфортности помещений. Согласно действующей региональной программе «Газификация населенных пунктов и обеспечение надежности объектов газового хозяйства Республики Саха (Якутия) на 2012 -2016 гг.» ежегодно планируется газифицировать 8-10 населенных пунктов, в среднем необходимо установить 4 ООО - 5 ООО бытовых газовых теплогенераторов ежегодно.

В климатических условиях Крайнего Севера важной задачей является повышение надежности и эффективности теплогенерирующих установок, являющихся источником теплообеспечения.

Практика показывает, что теплогенераторы импортных и отечественных производителей не приспособлены для работы при низких температурах наружного воздуха. Анализ аварийных остановок котельных показал, что наибольшее количество перебоев теплообеспечения наблюдается с ноября по февраль, в период наиболее низких температур воздуха. Основной технической причиной аварийной остановки теплогенераторов является неудовлетворительная работа дымоходной системы, связанная с забором холодного воздуха для горения, в период при температурах наружного воздуха от -40 °С и ниже. Подача в топку воздуха с отрицательной температурой влияет на КПД теплогенерирующей установки и приводит к повышению расхода топлива. В целях энергосбережения, а также исключения и предупреждения аварийных остановок теплогенерирующих установок был впервые проведен системный анализ работы газовых теплогенераторов и их дымоходных систем.

Степень разработанности темы исследования. Теоретическими основами работы стали исследования, посвященные работе котельных установок М.М.

Щеголева, Ю.Л. Гусева, И.З. Аронова, В.М. Фокина, A.A. Кудинова, А.Н. Воликова и др.; работы, направленные на изучение вопросов автономного теплоснабжения и проблем повышения эффективности работы теплообменников и водонагревателей малой мощности П.А. Хаванова, В.М. Полонского, В.Е. Удовенко, В.М. Кейс, А.Л. Лондон, С.Л. Карамалиева и других авторов.

ЦЕЛЬ ИССЛЕДОВАНИЯ - повышение надежности и эффективности работы газовых теплогенераторов малой мощности (до 100 кВт) путем разработки методики создания и развития расчетных условий эксплуатации теплогенераторов с учетом особенностей климатического воздействия на примере Республики Саха (Якутия), исследование процессов теплообмена в дымоходной системе газовых теплогенераторов малой мощности в условиях аномально низких температур.

Задачи исследования:

1. Оценка влияния параметров климатических условий на работу теплогенерирующих установок и проведение натурных обследований систем автономного теплоснабжения в условиях Крайнего Севера.

2. Экспериментальные исследования в стендовых условиях работы газовых теплогенераторов и влияние низких температур окружающего воздуха на процессы выработки тепловой энергии.

3. Разработка методики и обоснование динамики изменения температуры в дымоходных системах.

4. Создание рациональной структурной схемы дымоходной системы с использованием теплоты уходящих газов и имитационное математическое моделирование на программном комплексе ANSYS FLUENT.

5. Разработка методики расчета изменения температуры дымовых газов после остановки теплогенератора.

Объектом исследования являются газовые теплогенерирующие установки малой мощности (до 100 кВт) и их дымоходные системы для отвода продуктов сгорания.

Предметом исследования являются системы отвода продуктов сгорания и обеспечения притока воздуха, необходимого для горения в условиях аномально низких температур.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА исследования заключается в следующем:

1. На основе статистического анализа параметров наружного климата, экспериментальных исследований и натурных обследований действующих газовых теплогенераторов малой мощности разработан графоаналитический метод расчета количества теплоты и расхода газа, с учетом условий работы при низких температурах.

2. Для оптимизации работы дымоходных систем разработана и обоснована математическая модель трехпоточной системы, в результате чего получена зависимость изменения температуры воздуха, подаваемого в камеру сгорания теплогенератора.

3. Предложена принципиальная схема дымоходной системы с использованием комбинированного подогрева воздуха, подаваемого в камеру сгорания, повышающая эксплуатационную эффективность теплогенерирующей установки. Получено решение о выдаче патента на полезную модель на заявку №2013123387/03 (034443) от 22.05.2013 г.

4. Получена аналитическая зависимость расчета изменения температуры дымовых газов после остановки теплогенератора, позволяющая выявить временные и тепловые ограничения по обеспеченности ремонтно-восстановительных работ в условиях аномально низких температур, что повышает надежность работы теплогенератора.

Методологической основой диссертационной работы послужили комплекс методов анализа свойств и возможностей теплообмена для повышения эффективности работы газовых теплогенераторов в условиях аномально низких температур наружного воздуха; статистическая обработка данных, методов математического моделирования, экспериментальных методов, имитационного моделирования процессов теплообмена в дымоходных системах.

Область исследования соответствует требованиям паспорта научной специальности ВАК: 05.23.03 - «Теплоснабжение, вентиляция, кондиционирование воздуха, газоснабжение и освещение» по следующим основным направлениям: п. 2 «Технологические вопросы теплогазоснабжения, вентиляции и кондиционирования воздуха», п. 3 «Создание и развитие эффективных методов расчета и экспериментальных исследований систем теплоснабжения, вентиляции, кондиционирования воздуха, газоснабжения, освещения, защиты от шума».

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ и реализация результатов исследований. Выполнены натурные исследования работы газовых теплогенераторов малой мощности в условиях Крайнего Севера. Разработана принципиальная схема дымоходной системы с комбинированным подогревом воздуха для условий с аномально низкими температурами наружного воздуха для повышения эксплуатационной эффективности и надежности газовых теплогенерирующих установок. Предложены расчетные зависимости, позволяющие выявить временные и тепловые ограничения по обеспеченности ремонтно-восстановительных работ в условиях длительного отопительного периода.

Результаты исследования внедряются на объектах ОАО «Ленагаз» (г. Якутск), проводятся работы по изоляции дымовых труб, планируется внедрение интенсификации нагрева воздуха, необходимого для горения. Данные работы представлены в отчете о выполнении научно-исследовательской работы (НИР) на тему «Исследование повышения надежности и эффективности работы газовых теплогенераторов малой мощности в условиях аномально низких температур на примере Республики Саха (Якутия)» по гранту № 1П-13 СПбГАСУ (2013 г.).

Получено решение о выдаче патента на полезную модель на заявку №2013123387/03 (034443) от 22.05.2013 г.

Результаты диссертационной работы использованы в учебном процессе кафедрой «Теплогазоснабжение и вентиляция» инженерно-технического института Северо-Восточного федерального университета.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные положения и результаты доложены и обсуждены на XI Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов (г. Нерюнгри, 2010); 68-й научной конференции профессоров, преподавателей научных работников, инженеров и аспирантов СПбГАСУ (г. Санкт-Петербург, 2011); 64-й Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы современного строительства» (г. Санкт-Петербург, 2011); II Всероссийской научно-практической конференции «Современные проблемы строительства и жизнеобеспечения: безопасность, качество, энерго- и ресурсосбережение» (г. Якутск, 2011); Международной конференции «Современные инновационные технологии изысканий, проектирования и строительства в условиях Крайнего Севера» (г. Якутск, 2012); Международном конгрессе «Наука и инновации в современном строительстве -2012» (г. Санкт-Петербург, 2012); II Международном конгрессе «Актуальные проблемы современного строительства» (г. Санкт-Петербург, 2013).

НА ЗАЩИТУ ВЫНОСЯТСЯ: графоаналитический метод расчета количества теплоты и расхода газа, с учетом условий работы при низких температурах; математическая модель трехпоточной системы, в результате чего получена зависимость изменения температуры воздуха, подаваемого в камеру сгорания теплогенератора; результаты натурных и экспериментальных исследований технического состояния теплогенерирующих установок систем теплообеспечения зданий в условиях Крайнего Севера; принципиальная схема дымоходной системы с использованием комбинированного подогрева воздуха, подаваемого в камеру сгорания, повышающая эксплуатационную эффективность теплогенерирующей установки; методика расчета изменения температуры дымовых газов после остановки теплогенератора, позволяющая выявить временные и тепловые ограничения по обеспеченности ремонтно-восстановительных работ в условиях аномально низких температур, что повышает надежность работы теплогенератора.

ПУБЛИКАЦИИ. Материалы диссертации опубликованы в 9 печатных работах, в том числе 2 работы опубликованы в изданиях, входящих в перечень

ведущих рецензируемых научных журналов, утвержденный ВАК РФ. Получено решение о выдаче патента на полезную модель на заявку №2013123387/03 (034443) от 22.05.2013 г.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертация состоит из введения, четырех глав с выводами по каждой из них, общих выводов. Диссертация содержит 146 страницы машинописного текста, 16 таблиц, 35 рисунков, 52 формулы, 5 приложений и список использованной литературы из 142 наименований работ отечественных и зарубежных авторов.

Автор благодарит кандидата технических наук, доцента Г.П. Комину за ценное научное руководство.

Автор благодарит сотрудников Балтийского концерна «BaltGaz» за содействие в организации экспериментальных стендовых исследований и лично С.А. Перфильева за ценные практические советы, учтенные в процессе выполнения диссертационной работы.

Автор благодарит инженерно-технический институт СВФУ, УГРС ОАО «Сахатранснефтегаз», ГУЛ «ЖКХ PC (Я)», ОАО «Ленагаз» за помощь в сборе данных и организации натурных обследований.

Автор благодарит сотрудников отдела прикладного программного обеспечения департамента информационно-вычислительных технологий СПбГПУ за помощь в выполнении математического имитационного моделирования на программе ANSYS FLUENT.

Глава 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТЕПЛОГЕНЕРИРУЮЩИХ УСТАНОВОК В ЗДАНИЯХ В УСЛОВИЯХ

СЕВЕРО-ВОСТОКА РОССИИ

1.1. Роль параметров климата на работу теплогенерирующих

установок

Теплогенерирующие установки могут быть использованы как самостоятельный источник тепловой энергии для объектов промышленности и жилищно-коммунального хозяйства [30]. Особая роль и место системы теплоснабжения в общей инфраструктуре инженерного обеспечения жилого фонда формируется в северных регионах с длительным отопительным периодом и большими энергозатратами на цели отопления зданий. Концентрация нагрузок теплоснабжения на базе мощных источников теплоты с последующим распределением нагрузки по сети потребителей обеспечивает значительные преимущества социального и технико-экономического порядка [110].

Теплогенерирующая установка является основным элементом системы отопления и горячего водоснабжения. Качественная и надежная работа всей системы зависит от опыта связи проектных решений с особенностями климата и окружающей среды [40, 66, 70]. Информация о параметрах наружного воздуха является одним из наиболее важных составляющих при решении задач теплообеспечения и комфорта здания.

Достоверные сведения о климате служат надежной предпосылкой создания комфортных условий здания с учетом экономного подхода к топливно-энергетическим ресурсам.

Основными потребителями теплоэнергии являются холодные регионы. Холодные регионы Земли охватывают 1/4 часть суши. Максимальная температура наружного воздуха обычно приходится на июль, а минимальная - на январь. Холодные регионы в России составляют, примерно 11 млн. кв. м (материк и крупные арктические острова), т.е. 2/3 страны. В область холодного климата страны входят 1/3 европейской части, 2/3 Сибири, 9/10 Дальнего Востока [23].

В [2, 3, 9, 45, 125] показана необходимость учета местных особенностей климата при проектировании. Анализ параметров наружного воздуха некоторых населенных пунктов расположенных на северной части России приведен в таблице 1.1.

Таблица 1.1.

Параметры наружного воздуха населенных пунктов России

Населенный пункт t °С t °С t °С Vcp, м/с Отопит период ельный ['„<8 °С)

t °С 1оп5 ^ z, сутки

Москва -28 -42 37 3,8 -3,1 214

Санкт-Петербург -26 -36 34 2,8 -1,8 220

Мурманск -27 -39 33 5,6 -3,2 275

Воркута -41 -52 31 5,8 -9,1 306

Новосибирск -39 -50 38 3,9 -8,7 230

Норильск -51 -53,1 32 6 -14,6 302

Красноярск -40 -53 36 3,8 -7,1 234

Магадан -29 -35 26 5,2 -7,1 288

Якутск -54 -64 38 1,9 -20,6 256

Оленек -57 -63 36 2,3 -17,7 290

Нюрба -52 -62 36 2,2 -17,7 263

Ленек -49 -57 36 2,8 -14,2 259

Тикси -44 -50,5 34,3 4,8 -13,4 365

Верхоянск -59 -68 36 1 -24,1 279

Оймякон -60 -68 33 0,9 -24,3 286

Алдан -42 -51 35 2,8 -13,3 267

Нерюнгри -45 -61 34,8 2,6 -16,5 270

Примечание: tup - температура воздуха наиболее холодной пятидневки, обеспеченностью 0,92. °С; /„„„ - абсолютная минимальная температура воздуха, °С; tmax - абсолютная максимальная температура воздуха, °С; vcp - средняя скорость ветра за отопительный период, м/с; ion - средняя температура воздуха за отопительный период, °С; z - продолжительность отопительного периода, сут.

Расчетная температура наружного воздуха, равная температуре холодной пятидневки обеспеченностью 0,92 в населенных пунктах Якутии находится в диапазоне от = -42...-60 °С, а в остальных северных регионах России изменяется от 1н = -26...-51 °С, что составляет разницу в 10... 15 °С. Средняя скорость ветра за отопительный период в Якутии зависит от места нахождения населенного пункта. В материковой части характерны малые скорости ветра, прибрежной части Якутии наблюдается увеличение скорости. Большие годовые амплитуды температур воздуха являются характерной особенностью климата Якутии. Абсолютные амплитуды температуры воздуха изменяются в п. Тикси -84,8 градусов до 104 градусов в Верхоянске, в г. Якутске амплитуда