автореферат диссертации по строительству, 05.23.03, диссертация на тему:Разработка и исследование малогабаритных водогрейных котлов для систем автономного теплоснабжения

Г5 ОД

Сии |Ь9Ь

Па правах рукописи

ВОЛОЧАЙ Виктор Федорович

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ МАЛОГАБАРИТНЫХ ВОДОГРЕЙНЫХ КОТЛОВ ДЛЯ СИСТЕМ АВТОНОМНОГО ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ

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

Автореферат диссертации па соискание ученой степени кандидата технических наук

Ростов-на-Дону 1998

Работа выполнена в Ростовском государственном строительном университете

Научный руководитель:

Заслуженный деятель науки России, доктор технических наук, профессор Иванов Владлен Васильевич

Официальные оппоненты:

Заслуженный деятель науки и техники России, доктор технических наук, профессор Бойков Г.П.

доктор технических наук, профессор Маппгтский Ю.А.

Ведущая организация: Ставропольтеплосеть

Защита состоится РЯЖ^Л^/г^А. ]998 г. в 14 часов на заседании

диссертационного совета К063.64.02 при Ростовском государственном строительном университете по адресу: 344022, г. Ростов-на-Дону, ул. Социалистическая, 162

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ростовского государственного строительного университета

Автореферат разослан " г.

Ученый секретарь диссертационного совета

С Л. Пушешсо

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В "Основных направлениях энергетической политики Российской Федерации на период до 2010 года", утвержденных указом Президента Российской Федерации от 7 мая 1995 г. .N5472 н Федеральном Закопе "Об энергосбережении", подписанном Президентом России 3 апреля 1996 г. №28-ФЗ, указывается, что энергетическая политиха Российской Федерации исходит, кроме всего прочего, из следующих приоритетов н структурных изменений:

повышение эффективности использования топливно-энергетических ресурсов и создание необходимых условий для перевода экономики страны на энергосберегающий путь развитая;

реализация потенциала энергосбережения за счет создания и внедрения высокоэффективного топливо- и энергопотребляющего оборудования, теплоизоляционных материалов и строительных конструкций;

создание я организация серийного производства установок малой энергетики;

стимулирование производства и использования топливо- и энергопотребляющего оборудования.

Резко возросший в последние годы в нашей стране интерес к малогабаритным водогрейным котлам в системах автономного теплоснабжения объясняется прежде всего неудовлетворительным качеством централизованного теплоснабжения при явной тенденции к повышению стоимости отпускаемой теплоты.

Естественно, что такие котлы на данном этапе не могут и не должны полностью решить проблему растущих тепловых нагрузок, однако их примелете может весьма экономично дополнять развитие существующих централизованных систем.

За рубс/зсом наряду с системами централизованного теплоснабжения широкое применение тлеют системы автономного теплоснабжения на основе высокоэффективных автоматизированных теплогенераторов, обеспечивающих меньший расход топлива (на 10-30%), снижение металлоемкости в 2-5 раз, значительное сокращение сроков строительства, чем прн централизованном теплоснабжении от котельных.

Применяемые в системах децентрализованного теплоснабжения теплогенераторы в исполнении зарубежных фирм представляют собой функционально законченные газовые водогрейные аппараты, которые могут использоваться как в составе котельной для теплоснабжения группы

потребителей, так и для децентрализованного теплоснабжения с установкой непосредственно на крыше или в чердачном помещения здания. Возможна установка модулей в подвальном помещении, пристройке к зданию или на техническом этаже.

В настоящее время в населенных пунктах России применение малогабаритных водогрейных котлов в системах автономного теплоснабжения ограничено прежде всего из-за недостатка технически совершенных источников тепла. Техническое исполнение отечественных автономных теп-лоагрепггов (особенно в сравнении с зарубежными) низкое. Отставание отечественных разработок и серийного производства высокоэффективных малогабаритных водогрейных котлов определяется не только преобладавшей ранее тенденцией централизации н монополизацией в производстве теплоты, но и отсутствием качественного комплектующего оборудования.

Таким образом, учитывая важность проблемы в целом и то, что работа по созданию теплогенераторов систем автономного теплоснабжения является актуальной и соответствующей современным тенденциям, была поставлена задача провести теоретические и экспериментальные исследования с последующим внедрением новой конструкции высокоэффективного малогабаритного водогрейного котла.

Цель работы: разработка, исследование и внедрение новых малогабаритных теплогенераторов тана КВ, предназначенных для современных локальных систем отопления зданий и сооружений.

Научнау новизна диссертационной работы заключается в следующем:

1. Теоретически обоснован и экспериментально подтвержден выбор новой конструкции малогабаритного водогрейного котла типа КВа-0.25Гн для систем автономного теплоснабжения.

2. Разработаны алгоритмы и вычислительные программы для оценки выходных характеристик работы котла при изменении входных режимных параметров.

3. На основе предложенных расчетных схем выполнен параметрический анализ тепломассообмена и установлено влияние определяющих параметров тепловых процессов на эксплуатационные характеристики теплогенератора.

4. В результате натурных испытаний котлов КВа-0.25Гн и КВа-О.бЗГн получены результаты, подтверждающие эффективность их работы.

На загщгту вынаекгся следующие положегшя:

1. Новая конструкция малогабаритного высокоэффективного водогрейного котла для систем автономного теплоснабжения.

2. Алгоритмы и вычислительные программы, обеспечивающие математическое моделирование процессов тепломгссопереиоса а изучаемом теплогенераторе.

3. Результат численных эксперимиггоз, определяющее основные закономерности явлений тепло- и массообмена для наиболее характерных резэмов работы котла.

4. Данные натурных испытаний котла КВа-0.25Гн и его модификации КВа-О.бЗГп длл различных реаиыов работы.

5. Результаты внедрения новых конструкций малогабарэттгых водогрейных котлов в производство.

Практическая ценность и реалгаяцпя результатов исследований. Котлы КВа-0.25Гн и КВа-О.бЗГн разработаны в ГП "Спецстрой-ремоштрест" (г. Ставрополь) н внедрены в производство.

Апробация. Результаты работы были представлены на региональном межвузовском семинаре "Моделирование процессов тепло- и массообмена" ВГТУ (Воронеж, 1997); на международной научно-практической конференции "Строительство - 98" РГСУ (Ростов-на-Дону, 1998); на межвузовской научно-технической конференции "Безопасность жизнедеятельности. Охрана труда и окружающей среды" РГАСМ (Росгоя-на-Дону, 1998).

Публикации. Результаты исследований опубликованы в девяти научных работах.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка использованной литературы и приложений. Работа содержит 136 страниц, 24 рисунка, 6 таблиц. Библиография включает 102 наименования на 8 страницах.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Коротко содержание диссертации сводится к следующему.

В главе I проведен краткий обзор работ в области водогрейных котлов, применяемых в системах автономного теплоснабжения. Анализируется современное состояние вопроса, на основании чего определены цели и задачи исследования.

В главе II содержится описание конструкции котла КВа-0.25Гн и особенностей его работы.

Глава Ш посвящена математическому моделированию процессов теплообмена. Численные эксперименты выполнены для широкого диапазона изменения режимных параметров работы котла.

В IV главе изложены результаты натурных испытаний котла КВа-0.25Гн в его модификации КВа-0.63Гн.

В заключение излагаются общие выводы по проделанной работе.

В конструкции стального водогрейного автоматизированного котла типа КВа-0,25Гн реализованы принципы, обеспечивающие высокие технико-экономические показатели, сочетающиеся с простотой устройства и низкой трудоемкостью изготовления.

Малогабаритный котельный агрегат КБа-0.25Гн имеет следующие технические характеристики и параметры:

Номинальная тепловая мощность котла, МВт 0,25

Вид топлива природный газ

Давление газа, не более, МПа 0,002

Коэффициент полезного действия, не менее, % 90

Температура воды на входе в котел, не менее, К(°С) 343 {70)

Температура воды на выходе из котла, не более, К (°С) 368 (95)

Номинальный расход воды при нагреве ее на 25 °С, кг/с 2,4

Рабочее давление воды, не более, МПа 0,5

Максимальное давление воды, МПа 0,6

Минимальное давление воды, МПа оа

Гидравлическое сопротивление, не более, МПа 0,04

Сопротивление газового тракта при номинальной нагрузке, не более, Па 35

Расчетный расход топлива, не более, м'/час 30

Диапазон регулирования теплопро-изводительностн в % от номинальной 40-100

Коэффициент избытка воздуха, не более 1,07

Полная поверхность нагрева, не менее, м2 10,4

Водяной объем котла, м3 1,2

Номинальный удельный расход топлива, м3/(кВт ч) 0,11

Габаритные размеры (без газовой горелхи), мм: Длила Ширина Высота 1310 1100 2350

Масса, не более, кг 900

Масса комплекта поставки, не более, кг 1350

Удельная материалоемкость, т/МВт 4,7

Гарантийный срок со дня ввода в эксплуатацию, мес. 18

Срок службы, не менее, лет 10

Ресурс котла до среднего ремонта, час 5500

Отапливаемая площадь: 4000 - 6000, м:.

На рис. 1 и 2 представлены продольные и поперечные разрезы этого котельного агрегата.

Схема движения теплоносителей в котельном агрегате КВа-0,25Гн приведена на рис. 3.

В качестве топлива используется природный газ низкого давлений. Рабочее давление и расход газа регулируются системой автоматики, обеспечивающей экономичное сжигание топлива. Газ по газопроводу подается в блочную газовую горелху БГ-Г-0,34, расположенную в нижней части топочной камеры.

Воздух движется сверху вниз в кольцевом зазоре между кожухом и корпусом котла, нагревается и вносит физическую теплоту в топку. Это дает возможность существенно снизить тепловые потери в окружающую среду и повысить коэффициент полезного действия котла.

Пройдя воздухораспределительные каналы, воздух поступает в камеру сгорания топлива. Такой подвод воздуха

улучшает перемешивание его с газом;

создает однородную газо воздушную смесь в процессе горения топлива;

улучшает условия сгорания газа;

Рис. 1. Водогрейный котел КВа-0,25 Гн. Продольный разрез

Б-Б

1. СЬражателышй лист

2. Камера сгорания топлива

3. Опорная рама

4. Водяной патрубок

5. Водяная рубашка

6. Нижняя трубная доска

7. Радиацнонно-кодвектавяый пучок

8. Устройство для отвода продуктов сгорания топлива

9. Выходной патрубок

10. Корпус

Рис. 2. Топочная камера и радиационно-конвекгпвный пучок труб котла КВа-0,25 Гн. Поперечные разрезы

I

А

т

А

I

А А

1 ! _________I...

-нагреваемая вода

----------р воздух

----------^ топливо

---------продукта сгорания

Рис. 3. Схема процесса сжигания топлива н движения теплоносителей в котле КВа -0.25 Гн

сннггает потери теши от хгашчесгого педогсога; повышает устоЗтавостъ и кддсгягасп. работы горелки в ппфоком диапазоне регулирования тепяопроязгюднтеяьносгн.

Огличяггсяьпыш! оссбгкпосЕЕгш котельного агрегата КВа-0Д5Гн йзлзкпся:

отсугсткхг пзрулнсЗ тсшгоесй изоляция за счет применения кольцевого воздушного зазора для подогрета воздуха; нодоохлаздггшя шера сгсрснзя топлива;

рацнональвое онывание теявспзпрагеаных поверхностей пагрсва за счет использования перекрестного дзижепня ппгрегггмон соды в мезг-трубпом прострзлстпе пучжа;

газо плотность огрзздэсщях стен;

качественное смешение газа и воздуха, обеспечивающего минимальный химический недоког и незначительный выброс вредных продуктов сгорания в атмосферу;

эффективное использование езмотягп благодаря однонаправленному (енгоу вверх) движению дымовых газов;

интенсификация теплообмена в раднацноннемсонвекгнвном пучке труб благодаря установке спиральных турбулизаторов дымовых газов внутри труб.

Надежность и минимальные затраты в эксплуатации делают хотел КВа-0,25Гн весьма удобным как доя потребетелей, так и для изготовления. Простота конструкция дает возможность изготовлять его па предприятиях, ие располагающих сложным специализированным технологическим оборудованием. Это способствует ускоренному внедрению водо-гргйшк ештгоз данного тппа в з^сплузтацвснпую прзхтху.

Дальнейшая работа над конструкциями котлов стальных водогрейных автоматизированных типа КВа-Гн привела к созданию ыоднфнкзщга ¡нгпга КВэ-0,25Гп.

Это - котел КВа-0,63Гн с большей тешюпрошводнгельностью - 630 кВт. Отапливаемая площадь: 10500 - 12000, ы2.

Разработка новых высокоэффеетнгных конструкций водогрейных котлов вызывает необходимость проведения много вариантных тепловых расчетов как конструкторского, так п поверочного характера.

Математическое моделирование процессов тепломассообмена в малогабаритных водогрейных котлах типа КВа осуществлялось, по существу, на основе нормативного и численного методов расчета. Первый метод по-

зволял определять интегральные характеристики работы котла, второй -оценить динамику процессов переноса.

Блок-схема алгоритма расчета представлена на рис. 4.

Рис. 4. Блок-схема расчетного алгоритма

В блоке 1 осуществляется ввод исходных конструктивных и теплотехнических характеристик.

Блок 2 производит определение состава и объемных долей компонентов дымовых газов. Здесь же на основе решения уравнения теплового баланса находится коэффициент полезного действия когда и расход топлива.

В блоке 3 приведены расчетные соотношения для нахождения энтальпий дымовых газов в зависимости от температуры.

Блок 4 содержит итерационный алгоритм вычисления температуры продуктов сгорания на выходе из топочной камеры.

Блок 5 контролирует завершение итерационного процесса расчета с заданной степенью точности.

В блоке 6 решаются уравнения радиационно-конвеетивного теплообмена, описывающие процессы теплопсреноса между дымовыми газами я нагреваемой водой в трубном пупсе . При этом учитываются зависимости коэффициента теплопередачи и теплоемкости газов от температуры газового потока.

Блох 7 контролирует достижение продуктами сгорания требуемого по условиям теплового баланса значения температуры уходящих газов.

Вывод результатов численного моделирования тепловых процессов производится в блоке 8.

В процессе численных экспериментов с помощью ЭВМ решались уравнения тепломассообмена в камере сгорания и система дифференциальных уравнений тешгопереноса для радиационно-конвектнвного пучка

О,

ах ах

Ос (рВУс{&)

Здесь 9 - температура продуктов сгорания, °С\ / - температура нагреваемой воды, 1С, X - продольная координата, .и; к - коэффициент теплопередачи, Втфг2 %), Л - внутренний диаметр труб, д; л - число труб радиацшлшо-конвекшвного пучка; <ж - расход нагреваемой воды, кг/с; с -теплоемкость воды, Дж/(!<гС1С), Ус - объемная теплоемкость дымовых газов, Д^/(мгсС).

На рис. 5 представлены графики изменения температур продуктов сгорания и нагреваемой воды при движении теплоносителей в котле КВа-0,25Гн. Абсцисса графиков - координата ДГ, характеризующая изменение длины радиационно-конвехтшшого пучка труб, ордината - температуры теплоносителей / и 9.

Моделирование тепловых режимов проведено в широком диапазоне тепловых нагрузок котельного агрегата. Кривые 1-6 соответствуют зиаче-

8,° С

Рве. 5. Изменение температур давдозых газов «9 н нагреваемой воды I в раднадиошю-ЕонаектнЕлом пучке.

иням теплопроизводигельности котла КВа-0,25Гн С?=100, 150, 200, 250, 300, 350 кВт.

К матогабаритным котельным агрегатам предъявляются повышенные требования по размерам, компактности и массе. Одним из эффективных путей сокращения габаритных размеров теплообменных аппаратов является уменьшение поверхности нагрева за счет интенсификации теплообмена. Особое место здесь занимает закрутка газового потока з трубах с помощью различных спиральных вставок (турбулпзатсроз). При этом существенно возрастает коэффициент теплоотдачи. Именно такой путь искусственной турбулнзацин потока газа и использован в радиацяонко-ксивективиом пучке труб котла КВа-0,25Гн.

Увеличение коэффициента теплоотдачи учитывается параметром спиральных турбулизаторов, представляющим собой отношение чисел Нуссельта

E=Num/Nu,

тп '

где числа Нуссельта Num и Nil относятся соответственно к трубам со спиральными турбулизаторами и без них.

Оптимальные параметры турбулизаторов подбирались таким образом, чтобы достичь эффективного соотношения между ростом коэффициента теплоотдачи и уменьшением аэродинамического сопротивления. Для котла КВа-0,25Гн з качестве основного принято значение параметра тур-бултштора Е~ 1,6.

Рнс. 6 показывает зависимость температуры уходящих газов от теп-лопрокзводителытостн коша КВа-0,25Гн. Абсциссой графика является теплопроизводаггелыюсть аппарата Q, ординатой - температура уходящих газов В качестве параметра выбрана величина Е. Величина этого показателя при проведении расчетов составляла £=1,0; 1,2; 1,4; 1,6; 1,8; 2,0 - кривые 1-6 соответственно.

Расчет был проведен при коэффициенте избытка воздуха О=1 для природного газа Ставропольского месторождения. Такой выбор топлива обусловлен тем, что приемочные испытания котла проводились для данного газа, и это дало возможность сравнить результата численного моделирования с экспериментальными данными.

Точка А на рис. 6 соответствует данным приемочных испытаний котла КВа-0,25Гн. Опытное значение температуры уходящих газов при ко-

Рис. 6. Влияние параметра спиральных турбулизаторов Е на температуру уходящих газов

Г},% 95-

64

03-

92

01

го

89' 68 87 86

100 150 200 250 300 Q кgm

Рис. 7. Влияние параметра спиральных турбулизаторов Е на коэффициент полезного действия т]

эффицнеяте избытка воздуха а = 1, £=1,6 и теплопроизводятельности 0=237 кВт составляло 199,8 °С, расчетная величина этой температуры по данным математического моделирования при аналогичных условиях равна 195 °С.

Особое внимание при проведении численных экспериментов было обращено на выбор теплопроизйодигелыюстн копи, при которой удельный расход топлива на выработку 1 МДэс тепла мишшалеп, а коэффициент полезного дейсткяя котла махсшаален.

Согласно результатам приемочных испытаний котла КВэ-0,25Ги, при {2=237 кВт содержание оксида углерода СО в сухих уходящих газах в пересчете на коэффициент избытка воздуха, равный единице, составило О мг/м3. Такое значение тепловой производительности отвечает минимальной величине потерь тепла от химического недожога (]3. При других значениях теплопроизводигельности О потери тепла от химического недожога <73 будут больше.

Анализ экспериме!гталыгых данных, относящихся к водогрейным котлам, подтверждает существование максимума функции Т=т]{0).

Построение зависимости т^=Т](0) основано на использовании уравнений

7=1004ду1-^ %, Яг-Яг (0)1.%, д3 =100(а+Ьб+с^2), %, Я, =0,5%,

входящих в блок 2 схемы расчетного алгоритма (рис. 4). Потери тепла с уходящими газами Цг в зависимости от температуры Э ^ вычислялись в

блоке 2 на основе разностного решения системы уравнений раднационно-конвектавного теплообмена трубного пучка в блоке 6.

Константы а, Ь, с уравнения <?з=<7з({?) находились опытным путем и приблизительно равны а=0,08125; Ь=-6,857 10й кВтс-1,4465 10"6 кВт "2. При таких значениях а, Ь и с величина ^=0, когда £7=237 кВт.

Несмотря на известную условность принятой расчетной модели, она дает возможность оценить оптимальные условия работы котла ЮЗ а-

0,25Гн, когда коэффициенты полезного действия максимальны, а удельные расходы топлива на единицу производимой теплоты минимальны.

Рис. 7 иллюстрирует влияние тештопроизводительност котла на характер изменения коэффициента полезного действия. Кривые 1-6 соответствуют параметрам £=1,0; 1,2; 1,4; 1,6; 1,8; 2,0.

Характерной чертой этих графиков является наличие экстремума, показывающего, что в интервале теплопроговодительносгей Q=150-250 кВт коэффициент полезного действия принимает наиболее высокие значения и изменяется при всех прочих одинаковых параметрах менее, чем на ±0,5%.

Величина Q=250 кВт этого интервала и была выбрана в качестве номинальной теплопроизводительности кстла КВа-0,25 Гн.

Точка А на графиках нанесена по результатам тех же приемочных испытаний котла КВа-0,25Гн, отмеченных выше. Опытное значение коэффициента полезного действия котла при коэффициенте избытка воздуха СС=\ и теплопроизводительности (2=237 кВт составило 92,5 %, расчетная величина на основе математического моделирования при аналогичных условиях - 92,4 %.

Были также определены зависимости удельного расхода топлива на выработку 1 МДж теплоты. Расчеты показали, что в диапазоне 0=150-250 кВт величина удельного расхода топлива принимает наиболее низкие значения, изменяясь менее, чем на ±0,5%.

В таблице приведены некоторые результаты приемочных испытаний котла КВа-0,25Гн и результаты сертификационных испытаний котла КВа-0,63Гн.

Испытания проведены Испытательным центром бытовой газовой аппаратуры и газового оборудования (ИЦ Г АО, г. Саратов).

Наименование показателя, единица измерения Значение и допуск показателя, номер требования НТД Результат испытаний КВа: 0,25Гп 0,63Гн

Содержание оксида углерода в сухих уходящих газах в пересчете на коэффициент избытка воздуха, равный единице, мг/м3 не более 130 ГОСТ 10617-83 п.2.21 0 56,07

Содержание оксидов азота в сухих уходящих газах в пересчете на коэффициент избытка воздуха, равный единице, мг/м3 не более 250 ГОСТ 10617-83 п.2.21 58,60 58,558

Температура продуктов сгорания на Не менее 160

выходе га котла, "С ГОСТ 10617-83 199,8 206,2

п. 1.6

Приемочные испытания котла КВэ-0,25Гн н сертификационные котла КВа-0,63Гн показали, что эти котлы соответствуют требованиям ГОСТ 10617-83 "Котлы отопительные теплопрсизводоггелыюсгью от 0,10 до 3,15 МВт. Общие технические условия", ГОСТ 21204-33 "Горелки газовые промышленные. Классификация. Общие технические требования, маркировка и хранение", ГОСТ Р 50591-93 "Агрегаты тепловые газопотребляющие. Горелхи газовые промышленные. Предельные нормы кондешрация НОх в продуктах сгорания", а также "Правилам устройства и безопасной эксплуатации паровых котлов с давлением пара не более 0,07 МПа (0,7 кгс/см2), водогрейных котлов и водоподогревателей с температурой нагрева воды не выше 388 К (115 °С)".

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Обзор отечественной и зарубежной научно-технической литературы показал, что одним из перспективных направлений в решении задачи повышения экономичности использования топливно-энергетических ресурсов является применение высокоэффективных автоматизированных малогабаритных теплогенераторов в системах автономного теплоснабжения. Однако, несмотря на несомненные успехи в производстве водогрейных котлов в системах автономного теплоснабжения за рубежом, создание и внедрение таких котлов в России находятся, по существу, в начальной стадии.

2. На основании теоретических исследований разработана и внедрена в производство новая конструкция малогабаритного водогрейного котла с интенсифицированным теплообменом для индивидуальных систем теплоснабжения Это котлоагрегат КВа-0,25Гн и его модификация - котел КВа-0,63Гн.

3. Проведено математическое моделирование процессов теплообмена для котла КВа-0,25Ги. В результате численных экспериментов установлены основные режимные параметры, полоаительио влияющие на тепловую эффективность аппарата и его производительность.

4. Приемочные испытания котла КВа-0,25Гн и сертификационные котла КВа-0,63Гн показали, что эти котлы соответствуют требованиям

ГОСТ 10617-83, ГОСТ 21204-83, ГОСТ Р 50591-93, а также "Правилам устройства и безопасной эксплуатации паровых котлов с давлением пара не более 0,07 МПа (0,7 кгс/см2), водогрейных котлов и водоподогревате-лей с температурой нагрева воды не выше 388 К (115°С)"

5. Осуществлено внедрение разработанных котлов КВл-0,25Гн и КВатО,63Гн в производство.

Основное «игрщши днссертящш отршио в следующих рабош:

1. Волочай В.Ф., Иванов В.В. Разработка конструкций н теплотехнические испытания котлов КВ-0,25Гн и КВ-0,63Ги // Моделирование процессов тепло- и массообмена: Тез. докл. регион, межвуз. семинара Воронеж: ВГТУ, 1997. С. 14.

2. Волочай В.Ф., Дунин й.Л. Расчет и анализ теплообмена в элементах поверхностен нагрева теплогенераторов // Моделирование процессов тепло- н массообмена: Тез. докл. регион, мегевуз. семинара. Воронеж: ВГТУ, 1997. С.13.

3. Волочай В.Ф., Иванов В.В. Анализ тепловых режимов теплогенераторов типа КВа // Международная научно-практическая конференция "Строительство - 98": Тезисы докладов. - Ростов н/Д: Рост. гос. строит, ун-т, 1998. - С.98-99.

4. Волочай В.Ф., Дуннн И.Л. Динамика переноса тепла в водогрейных теплообменниках // Международная научно-практическая конференция "Строительство - 98": Тезисы докладов. - Ростов н/Д: Рост. гос. строит. ун-т, 1998. - С.99-100.

5. Волочай В.Ф., Дунин И.Л., Иванов В.В. Разработка и исследование малогабаритных экологически чистых водогрейных котлов для автономного теплоснабжения //. Межвузовский сборник научных трудов "Безопасность жизнедеятельности. Охрана труда и окружающей среды". Вып. 2. - Ростов н/Д: Рост. гос. академия с.-х. машиностроения, 1998. -С.47-48.

6. Волочай В.Ф., Дунин И.Л. Водогрейный котел КВа-0,25Гн // Информационный листок Ростовского ЦНТИ, №206-98, серия Р 67.53.21, 1998.

7. Дунин И.Л., Волочай В.Ф. Котельный агрегат КВа-0,63Гн // Информационный листок Ростовского ЦНТИ, №207-98, серия Р 67.53.21, 1998.

8. Волочай В.Ф., Дуннн ИЛ., Иванов В В. Математическое моделирование тепловых режимов водогрейных котлов. - М, 1998. - 19с. - Деп. в ВШШТИ 22.06.98, №1901-В98.

9. Волочзй В.Ф., Дунин И.Л., Иваяоз В В. Численная схема расчета теплообмена в водогрейных котлах. - М., 1993. - 13с. - Деп. в ВИНИТИ 22.06.93, №1902-В98.

ЛР № 020818 от 20.09.93. Подписано в печать 28.08.98. Формат 60x84 1 /]б. Бумага писчая. Ризограф. Уч.-нзд.л. 1,0. Тираж 75 экз. Заказ /9О

Редакционио-издательский центр Ростовского государственного строительного университета.

344022, Ростов н/Д, ул. Социалистическая, 162

РОСТОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

ВОЛОЧАЙ ВИКТОР ФЕДОРОВИЧ

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ МАЛОГАБАРИТНЫХ ВОДОГРЕЙНЫХ КОТЛОВ ДЛЯ СИСТЕМ АВТОНОМНОГО

ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ

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

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -Заслуженный деятель науки России, доктор технических наук, профессор В.В. Иванов

Ростов-на-Дону - 1998

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

ПРИНЯТЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ. ............................. 3

ВВЕДЕНИЕ............................................. е

ГЛАВА I. КРАТКИЙ ОБЗОР РАБОТ. ПОСТАНОВКА

ЗАДАЧИ И ЦЕЛИ ИССЛЕДОВАНИЙ........... /з

ГЛАВА П. ЭЛЕМЕНТЫ КОНСТРУКЦИИ И ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ МАЛОГАБАРИТНОГО ВОДОГРЕЙНОГО КОТЛА КВа-0,25 Гн................... 37

ГЛАВА III. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛООБМЕНА В МАЛОГАБАРИТНОМ КОТЛЕ КВа-0,25 Гн.................... sv

3.1. Расчетная схема............................. jv

3.2. Результаты численных экспериментов процессов теплообмена при различных условиях работы котла КВа-0,25 Гн................................. es

ГЛАВА IV. РЕЗУЛЬТАТЫ НАТУРНЫХ ИСПЫТАНИЙ

КОТЛА КВа-0,25 Гн И ЕГО МОДИФИКАЦИИ КВа-0,63 Гн................................. 82

4.1. Результаты приемочных испытаний котла

КВа-0,25 Гн................................. 82.

4.2. Результаты сертификационных испытаний котла КВа-0,63 Гн................................. s¿

ВЫВОДЫ.............................................. /оа

ЛИТЕРАТУРА........................................... но

ПРИЛОЖЕНИЯ.......................................... //з

ПРИНЯТЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

В

с й

Е

К

ст

в

к м

п

в

а

в.

рк

&

Чг

- расход топлива

- удельный расход топлива на единицу производимого тепла

- теплоемкость

- диаметр

- параметр спиральных турбулизаторов

- поверхность стен топочной камеры

- расход нагреваемой воды

- коэффициент теплопередачи

- коэффициент, учитывающий относительное положение ядра факела по высоте топочной камеры

- число труб радиационно-конвективного пучка

- теплопроизводительность котла

- лучистое тепловосприятие топочной

камеры, отнесенное к расходу топлива

- тепловосприятие радиационно-конвективного

пучка, отнесенное к расходу топлива

- суммарное тепловосприятие поверхностей

нагрева котла, отнесенное к расходу топлива

- потери тепла с уходящими газами

м3/с

о

м / Дж

Дж/(кг С) м

м1 кг! с Вт/(м2 С)

Вт

Дж/ м: Дж! м1

Дж/м %

- потери тепла от химического недожога %

- потери тепла от наружного охлаждения

котельного агрегата %

I - температура нагреваемой воды °С

¿0 - температура нагреваемой воды на входе

в радиационно-конвективный пучок ° С

t(i) - температура нагреваемой воды в произвольной

узловой точке / разностной схемы ° С

Та - абсолютная адиабатная температура

горения

К

Ус - объемная теплоемкость дымовых

газов Дж/(м3 ° С)

X - продольная координата М Ах - длина шага численного интегрирования

разностных уравнений м

Лхшп - длина минимального шага, соответствующего

заданной точности расчета М

(X - коэффициент избытка воздуха

£т - степень черноты топки

(р - коэффициент сохранения тепла

7] - коэффициент полезного действия котла %

19 - температура продуктов сгорания ° С

- температура продуктов сгорания

на выходе из топочной камеры ° С

Зух - температура уходящих газов ° С

i90 - температура продуктов сгорания на входе

в радиационно-конвективный пучок ° С

$(/) - температура продуктов сгорания в произвольной

узловой точке i разностной схемы ° С

^ср - средний коэффициент тепловой эффективности

__Л 4

СТq - постоянная Стефана-Больцмана Вт/(м -К )

Nu - число Нуссельта

ВВЕДЕНИЕ

В "Основных направлениях энергетической политики Российской Федерации на период до 2010 года", утвержденных указом Президента Российской Федерации от 7 мая 1995 г. №472 [1] и Федеральном Законе "Об энергосбережении", подписанном Президентом России 3 апреля 1996 г. №28-ФЗ [2], указывается, что энергетическая политика Российской Федерации исходит, кроме всего прочего, из следующих приоритетов и структурных изменений:

повышение эффективности использования топливно-энергетических ресурсов и создание необходимых условий для перевода экономики страны на энергосберегающий путь развития;

реализация потенциала энергосбережения за счет создания и внедрения высокоэффективного топливо- и энергопотребляющего оборудования, теплоизоляционных материалов и строительных конструкций;

создание и организацию серийного производства установок малой энергетики;

стимулирование производства и использования топливо- и энергопотребляющего оборудования.

Резко возросший в последние годы в нашей стране интерес к малогабаритным водогрейным котлам в системах автономного теплоснабжения объясняется прежде всего неудовлетворительным качеством централизованного теплоснабжения при явной тенденции к повышению стоимости отпускаемой теплоты. При общем годовом расходе условного топлива на нужды теплоснабжения в России и странах СНГ примерно 700 млн. т. сверхнормативные непроизводительные потери составляют 150 млн. т. [68]. В результате реализации концепции централизованного теплоснабжения городов от городских и районных котельных теплоноситель поступает в системы ото-

пления и горячего водоснабжения от котельных, значительно удаленных от потребителей (нередко на десятки километров), в большинстве случаев по подземным теплотрассам. При этом потери в грунт составляют более 50% производимой теплоты [47].

За рубежом наряду с системами централизованного теплоснабжения широкое применение имеют системы автономного теплоснабжения на основе высокоэффективных автоматизированных теплогенераторов, обеспечивающих меньший расход топлива (на 10-30%), снижение металлоемкости в 2-5 раз, значительное сокращение сроков строительства, чем при централизованном теплоснабжении от котельных.

Применяемые в системах децентрализованного теплоснабжения теплогенераторы в исполнении зарубежных фирм представляют собой функционально законченные газовые водогрейные аппараты, которые могут использоваться как в составе котельной для теплоснабжения группы потребителей, так и для децентрализованного теплоснабжения с установкой непосредственно на крыше или в чердачном помещении здания. Возможна установка модулей в подвальном помещении, пристройке к зданию или на техническом этаже.

По мнению директора ВНИИГСа, доктора технических наук Чистови-ча С.А., в нашей стране для условий раздельного производства тепловой и электрической энергии значительно более широкое применение должны получить системы децентрализованного теплоснабжения от местных (домовых) котельных, главным образом с использованием газовых модулей с единичной тепловой мощностью от 0.1 до 4-5 МВт. Эффективное решение задачи отопления и горячего водоснабжения малоквартирных зданий усадебной застройки может быть достигнуто применением автономных двух-функциональных теплогенераторов на газовом, жидком и твердом топливе мощностью до 30-40 кВт [68].

Внедрение систем децентрализованного теплоснабжения: не требует дефицитных труб, теплоизоляционных и строительных материалов, т.е. не сокращает программу строительства и реконструкции традиционных систем теплоснабжения, а дополняет ввод мощностей по источникам теплоты прежде всего за счет производства на предприятиях, ранее не работавших для нужд жилищно-коммунального хозяйства;

исключает отвод земельных площадей под сооружение котельных, ТЭЦ, тепловых сетей, что должно учитываться в экономических расчетах;

не только обеспечивает собственно экономию топлива за счет высокого КПД и автоматизации отпуска теплоты, но и благодаря организованному учету расхода теплоты (топлива) дает возможность внедрения действенного хозяйственного механизма управления энергосбережением;

требует более квалифицированного обслуживания, но в тоже время создает предпосылки для внедрения новых, более совершенных организационных форм в жилищно-коммунальном хозяйстве (арендный подряд, сервисное обслуживание и пр.), что особенно актуально в условиях приватизации;

дает возможность существенного снижения затрат на внутридомовые системы отопления за счет перехода на трубы меньшего диаметра, применения неметаллических материалов, пофасадно разделенных систем и т.п.;

расширяет масштабы использования нетрадиционных и возобновляемых источников энергии, ограниченного трудностями совмещения с системами централизованного теплоснабжения [31].

Естественно, что такие системы на данном этапе не могут и не должны полностью решить проблему растущих тепловых нагрузок, однако их применение может весьма экономично дополнять развитие существующих централизованных систем.

В настоящее время в населенных пунктах России применение малогабаритных водогрейных котлов в системах автономного теплоснабжения ограничено прежде всего из-за недостатка технически совершенных источников тепла. Техническое исполнение отечественных автономных теплоагрега-тов (особенно в сравнении с зарубежными) низкое. Отставание отечественных разработок и серийного производства высокоэффективных малогабаритных водогрейных котлов определяется не только преобладавшей ранее тенденцией централизации и монополизацией в производстве теплоты, но и отсутствием качественного комплектующего оборудования.

Проанализируем возможные пути выхода из создавшегося положения. Первый, самый простой путь - закупать оборудование за рубежом. Однако, крайне высокая стоимость импортного оборудования делает это маловероятным. Например, при цене теплового центра мощностью 50 кВт фирмы «Стеамратор» (Финляндия) 23 тыс. долл. США с учетом транспортных расходов, таможенного сбора и налога на импортную продукцию покупатель должен будет заплатить за него более 28 тыс. долл., поскольку фирма берет на себя выполнение проекта системы отопления и горячего водоснабжения (в привязке к дому), монтаж и наладку оборудования, причем обязательным условием является применение только импортного оборудования [47].

Другой наиболее реальный путь - продолжать работы по совершенствованию аналогичного оборудования отечественного производства.

Таким образом, учитывая важность проблемы в целом, и то, что работа по созданию теплогенераторов систем автономного теплоснабжения является актуальной и соответствующей современным тенденциям, была поставлена задача провести теоретические и экспериментальные исследования с последующим внедрением новой конструкции высокоэффективного малогабаритного водогрейного котла.

Цель работы: разработка, исследование и внедрение новых малогабаритных теплогенераторов типа КВ, предназначенных для современных локальных систем отопления зданий и сооружений.

Программа исследований была выполнена в 3 этапа.

1. Разработана новая конструкция водогрейного котла для систем автономного теплоснабжения типа КВа-0.25Гн (котел водогрейный, автоматизированный, газовый).

2. Второй этап состоял в математическом моделировании процессов тепломассообмена в изучаемом теплогенераторе. В результате численных экспериментов установлены основные режимные параметры, положительно влияющие на тепловую эффективность аппарата и его производительность. Даны практические рекомендации по интенсификации процессов теплообмена и компоновке поверхностей нагрева.

3. Третий этап включал проведение натурных испытаний котла КВа-0.25Гн и его модификации КВа-О.бЗГн на соответствие ГОСТов и Правил устройства и безопасной эксплуатации паровых котлов с давлением пара не более 0.07 МПа, водогрейных котлов и водонагревателей с температурой нагрева воды на выходе не выше 388 К. В результате испытаний находились следующие параметры: теплопроизводительность, коэффициент полезного действия, температура продуктов сгорания на выходе из котла, максимальная температура нагреваемой воды. Для указанных котлов определены расход топлива и количество нагреваемой воды. Проводился также анализ продуктов сгорания и найдено содержание оксида углерода и оксидов азота в сухих уходящих газах.

Котлы КВа-0.25Гн и КВа-О.бЗГн разработаны в ГП "Спецстройремонтгрест" (г. Ставрополь) и внедрены в производство.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем.

1. Теоретически обоснован и экспериментально подтвержден выбор новой конструкции малогабаритного водогрейного котла типа КВа-0.25Гн для систем автономного теплоснабжения.

2. Разработаны алгоритмы и вычислительные программы для оценки выходных характеристик работы котла при изменении входных режимных параметров.

3. На основе предложенных расчетных схем выполнен параметрический анализ тепломассообмена и установлено влияние определяющих параметров тепловых процессов на эксплуатационные характеристики теплогенератора.

4. В результате натурных испытаний котлов КВа-0.25Гн и КВа-О.бЗГн получены результаты, подтверждающие эффективность их работы.

Диссертационная работа состоит из четырех глав, выводов и приложений. Коротко ее содержание сводится к следующему.

В главе I проведен краткий обзор работ в области водогрейных котлов, применяемых в системах автономного теплоснабжения. Анализируется современное состояние вопроса, на основании чего определены цели и задачи исследования.

В главе II содержится описание конструкции котла КВа-0.25Гн и особенностей его работы.

Глава III посвящена математическому моделированию процессов теплообмена. Численные эксперименты выполнены для широкого диапазона изменения режимных параметров работы котла.

В IV главе изложены результаты натурных испытаний котла КВа-0.25Гн и его модификации КВа-О.бЗГн.

В заключение излагаются общие выводы по проделанной работе.

На защиту выносятся следующие положения.

1. Новая конструкция малогабаритного высокоэффективного водогрейного котла для систем автономного теплоснабжения.

2. Алгоритмы и вычислительные программы, обеспечивающие математическое моделирование процессов тепломассопереноса в изучаемом теплогенераторе.

3. Результаты численных экспериментов, определяющие основные закономерности явлений тепло- и массообмена для наиболее характерных режимов работы котла.

4. Данные натурных испытаний котла КВа-0,25 Гн и его модификации КВа-0,63 Гн для различных режимов работы.

5. Результаты внедрения новых конструкций малогабаритных водогрейных котлов в производство.

Работа выполнена в ГП "Спецстройремонттресте" (г. Ставрополь) и на кафедре теплогазоснабжения Ростовского Государственного строительного университета.

Расчеты процессов тепломассопереноса проведены на ЭВМ типа ЮМ РС АТ с процессором РепЦшп (тактовая частота -133 МГц).

Внедрения осуществлены в (приложения):

МП "Теплосеть" г. Ставрополя,

МП "Теплосеть" г. Изобильного Ставропольского края,

МП Труновского МП ЖКХ с. Донского Ставропольского края,

Агростроительном предприятии "Благодарненское" г. Благодарного

Ставропольского края,

ТОО "Цемент" г. Ставрополя

ГЛАВА I. КРАТКИЙ ОБЗОР РАБОТ. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ И ЦЕЛИ ИССЛЕДОВАНИЙ

Основные положения и особенности работы котельных установок, включая водогрейные котлы, принципиальные схемы, перспективы развития и пути повышения эффективности приведены в книгах Д.Я. Борщова [8-9], Е.Ф. Бузникова, А.К. Крылова, Л.А. Лесниковского [11], Е.Ф. Бузни-кова, К.Ф. Роддатиса, Э.Я. Берзинзша [12], Ю.Л. Гусева [22], Г.Н. Делягина, В.И. Лебедева, Б.А. Пермякова [23], Р.Г. Заха [26], H.A. Киселева [30], B.C. Левашова [37], Ю.М. Липова, Ю.Ф. Самойлова, Т.В. Виленского [39], И.И. Павлова, М.Н. Федорова [46], A.C. Попова, И.Л. Дунина [48], К.Ф. Роддатиса, [53], К.Ф. Роддатиса, А.К. Полтарецкого [54], К.Ф. Роддатиса, Я.Б. Соколовского [55], Л.Н. Сидельковского, В.Н. Юренева [60], В.И. Трембовля и др. [66], Е.П. Шубина, Б.И. Левина [70], М.М. Щеголева, Ю.Л. Гусева, М.С. Иванова [71], А.Е. Этуса [72] и др.

В настоящей главе дан краткий обзор работ по водогрейным котлам, применяемым в системах автономного теплоснабжения.

Модульный газовый нагреватель отечественного производства для оборудования крышных котельных, а также для отопления и горячего водоснабжения малоэтажных жилых и общественных зданий в городской и сельской местности разработан впервые УкрНИИинжпроектом в 1980 г.

[7].

Основными элементами модульного водонагревателя МГВ-ПГ-1 являются (рис.1.1.): котел 4, собранный из двух секций, инжектор, стабилизатор и тройник (основные детали котла отлиты из алюминиевого сплава), датчик температуры 5, датчик перегрева 6, сигнальное реле 7, датчик пламени 3, клапан-отсекатель 9, нуль-регулятор 10, вентилятор с заслонкой 11, защитно-декоративный кожух 1.

Труб. „2" клВ

Электросеть ~220 В

Труб. „2" клВ

Рис. 1.1. Водонагреватель газовый малогабаритный МГВ-ПТ-1

/2Г

Техническая характеристика водонагревателя МГВ-ПГ-1.

Номинальная тепловая мощность, кВт (ккал/ч)....... 38 (33000)

Номинальное давление газа перед прибором, кПа

(мм вод.ст.)...................................................................1,27 (130)

КПД (при = 8500ккал / м3), %.............................90-93

Параметры теплоноси