автореферат диссертации по энергетике, 05.14.04, диссертация на тему:Защита промышленных и бытовых газоходов от конденсации влаги (инееобразования) на внутренней поверхности

Р Г 6 од

1

БЕЛОРУССКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ПОЛИТЕХНИЧЕСКАЯ АКАДЕНИЯ

На правах рукописи БЕЛОВ Виталий Михайлович

УДК А(043. 3)621. 1+697. 92 ЗАПШТА

ПРОМЫШЛЕННЫХ И БЫТОВЫХ ГАЗОХОДОВ ОТ КОНДЕНСАЦИЙ ВЛАГИ (ИНЕЕОБРАЗОВАНИЯ) НА ВНУТРЕННЕЙ ПОВЕРХНОСТИ

05.11.04 --Прошлешя теплоэнергетика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук.

Минск -1993

".¿"•ж-

Работа выполнена в Белорусской государственной политехнической академии и Макеевской инженерно-строительном институте. _ -

Научные руководителмг *7"- доктор, технических наук» профессор; .-л..

- ~ С.Н.Осипов, - -

' - • - канд. те%н.нау к; доцент ^ г

.г- Официальные оппоненты: - доктор технических наук, профессор

А.К.Вцуков, - 2

* ^ каадвд&т технических нау^доцэнт 1

' В .Кравец ; - . •; . • /

Ведущее предприятие - ШШИгкпрогаз^С^ "

•:-р• Защита состоится т/¿¿АР/^с-р 1993 года в л

■-.. часов на заседании специализированного совета К 056.02.09

по присуаденио ученой степени каодвдата технических наук ' в Белорусской государственной политехнической академии по

адресу: 220027. г.Минск, проспект Ф.СКорины, 65/2, «уд.201. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Бело- . русской государственной политехнической академии. '

Автореферат разослан

_1993 года

Ученый секретарь специализированного совета

дркт.техн.наук, профессор '

А^.Качан

~~ГЛ, V

ОЕЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Энергосберегающие технологии в настоящее время наиболее приорететные направления развития техники. В связи с повышением цен на энергоносители рациональное и экономное их использование приобретает все более важное значение. Поэтов все большее значение уделяется повышению коэффициента полезного действия энергоустановок, увеличению срока их службы.

Большинство установок для получения тепловой энергии' кигют дымовые трубы (газоотводящие стволы), сооружение и эксплуатация которых стоит довольно дорого.

Наиболее дешевыми и_быстровозводимыми являются металлические дымовые трубы. Однако, они быстро выходят из строя за счет коррозии, вследствие ковденсации паров продуктов сгорания на внутренних поверхностях дымовых труб. Поэтому уменьшение интенсивности коррозии стенок дымовых труб является актуальной задачей. Основной задачей уменьшения коррозии изталлических дымовых труб теплогенерирутацих установок, является предотвращение конденсации паров продуктов сгорания на поверхности. На практике это достигается путем поддержания высокой температуры (160-200 °С) газов, что уменьшает коаффициенг полезного действия теплогенери-рующкх установок.

Одной из причин нарушения нормативных условий мнкро-хлхмазд в асияых и производственных помещениях северных регионов СНГ является •ха* работа вытяжных систем вентиляции вследствии их закугюрг* снегообразной массой в верхней части канала. Разработка надежного и простого устройства (способа), предотвраацающего ннееобрезование в оголовке вытяжного вентиляционного канала и способствующего обеспече-

кип в помещениях нормальных микроклиматических условий и посвящаются отдельные главы датой работы. Настоящая работа выполнялась в рампах хоздоговорно» тематики У 66-22 Макеевского ииженерио-строительного института " Разработка и внедрение теплового режима работы систем теплоснабжения и вентиляционных выбросов жилых и производственных помещений в районах Крайнего Севера"« для Министерства коммунального хозяйства ЯАССР."

Цель работы»

Разработка способов снижения скорости коррозии металлических дымовых труб.

Предложить инженерную методаху расчета снижения скорости коррозии гаэоотводнщвго ствола и повышение коэффициента полез- -мого действия теплогенерирующих установок.

Разработка устройств для предотвращения инееобразования : в оголовках вытяжных вентиляционных систем и обеспечение нормального микроклимата в жилых и производственных помещениях.

Создание математической модели на ПЭВМ, позволяющей в условиях эксплуатации моделировать конденсацию влаги и инееобразования на поверхности газохода.

Научная новизна.

В работе представлен подробный анализ условий инееобразования на поверхности бытовых и промышленных газоходах на основании которого предложены новые способы я устройства, предотвращающие инееобраэование ("Устройство для конденсации влаги из вентиляционного воздуха" Мкл* Р 24 Р 7/02 а.с. 3*1359561, Тпособ предотвращения закупорки оконечности оголовка вентканала" Мкл^ £ 24 С 7/02 положительное решение о ввдаче авт.св.» "Вытяжное устройство" Мкл4 Р 24 С 7/02 положительное решение о ввдаче авт. св. заявка 1М934866/29)

Предложен метод расчета на ПЭВМ изменения температуры

г,-., ти к& газа и псгерхнссти газ':«х'»Ал, а такчс псзиожногс к^яи-•-ества кска~неирувдойсм влаги по длине.

Выполнено экспериментальное исследование пи нарастании .

слоя инен на поверхности с;, отрицательной температурой.

предложена методика та с чета необходимей температуры ухо- ;

дяцик газ-'г- для снижении коррозии металлических газоотведя-щих стволов теплегенерирущих установок с учетом изменения ... параметрсв наружного воздуха.

В результате гроведеннкх исследований показано, что допустимое понижение температуры уходящих дымовых газов • позволяет увеличить коэффициент полезного действия'тепло-генерирующих установок на 7+ 8% Практическая ценность работы.

Предложенные способы снижения скорости коррозии металлических газоотводящих стволов теплогенерирующих установок могут быть использованы на существующих энергоустановках, а при проектировании новых позволяют использовать металлические газоотводищке стволы вместо кирпичных и железобетонных. При этом благодаря снижению температуры дымовых газов возможно повышение коэффициента полезного действия теплогенерйругк щих установок, что дает экономию энергоресурсов. Данные предложения могут реализовываться во всех регионах СНГ.

Получена зависимость для определения температуры поверхности газохода и количества'сконденсировавшейся на ней влаги.

Предложены способы предотвращения инееобразования на . ' \ поверхности вытяжннх бытовых и промышленных газоходов, при- . менение которых в Северных регионах с суровым климатом обес-, печит нормальные климатические условия в жилых и производ- }

ственных помещениях.

* Исследована кинетика процесса инееобразования на внут-

ренней поверхности оголовка вентиляционного канала в зависимости от гидродинамических факторов и состояния газа.

Реализация работы.

Разработанное "Вытяжное устройство"по предотвращению'/ инееобразования внедрено в Зырянском производственном управлении жмлищно-коммунального хозяйства Саха Якутии, Зырянском заводе строительных материалов и Ленском объединении речного пароходства.

На защиту выносится.

Способ снижения скорости коррозии металлических газоот-водящих стволов теплогенерируюцих установок с увеличением коэффициента полезного действия энергоустановох.

Способы и устройства по предотвращению инееобразования в оголовках бытовых и промышленных газоходов.

Методика учета конденсации влаги и изменения температуры на поверхности газохода.

Результаты окспериментальных исследований, позволяющие определять толщину инея.

Апробация работы.

Материалы диссертационной работы докладывались на конференциях профессорско-преподавательского состава 1967-1993 г.г. в Белорусской государственной политехнической академии и-Макеевском инженерно-строительном институте; на научно-технической конференции кафедры "Теплогазоснабжение" Белорусской государственной политехнической академии; на областной научно-практической отраслевой конференции молодых ученых и специалистов Донецкого научного центра АН УССР; на научно-технической конференции Челябинского политехнического института.

- ' ■ ~

Публикации.

Основное содержание диссертации опубликовано в 6 печатных работах-.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, • списка использованной литературы и приложения..Содержание работы изложено на 163 страницах машинописного текста, в том числе 34 страницы приложения. Графический материал представлен на 41 рисунке, список использованной литературы содеркит 90 наименований работ. ' .

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

В введении дано обоснование актуальности теш и определена цель диссертационной работы.

Первая глава диссертации посвящена литературному обзору исследований процессов конденсации влаги и закупорке промышленных и бытовых газоходов снегообразной массой, приведен анализ параметров наружного воздуха в условиях низких температур и его влияние на микроклимат жилых и производственных помещений.

Произведен анализ суцествухжцге способов и устройств, предотвращающих: инееобразование на внутренней повер<ности газоходов, обеспечивающих нормальные микроклиматические условия в помещениях.

Определены факторы, влияющие на скорость коррозии металлических газостводящих стволов теплогенерируючих установок вследствии конденсации паров продуктов сгорании.

Установлено, что закупорка вытяжных вентиляционных ка-ннхсв приводит к ухудшению -теплсфизических и санитарно-гигиенических свойств строительных конструкция и отрицательно

влияет на микроклимат помещений, а известные способы и устройства очень дороги и малоэффективны. Конценсация влаги на внутренней поверхности газоотводящих стволов уменьшает их срок службы.

На основании поставленной цели выявлена целесообразность в данной работе и сформулированы ее основные задачи:

-»разработка способа и устройств снижающих скорость коррозии металлических газохбдОй с одновременным повышением коэффициента теплоэнергетической установки;

- разработка простого и надежного способа и устройств, предотвращающих инееобразование в оголовке вытяжного вентиляционного канала;

- разработка программы численного расчета определения температуры поверхности газохода и количества сконденсировавшейся влаги на ней с применением ПЭВМ;

- установление зависимости по определению толщины слон инея на поверхности газохода.

Во второй главе рассмотрен анализ процесса тепломассообмена на внутренней поверхности газохода, которая выражается эмпирической зависимостью р форке- критериального уравнения

Определено влияние параметров газа на процесс инееобра-зованил (скорость двихениг- газа, температура и влажность). Рост слоя инея на поверхности газохода во времени описывается ди£феое»»:1иальнкм уравнением

Коофф-ицкенты Сг и С* зависят от массовой скорости и относительной влажности

(I)

(2)

б

Сг-С'г + О.МЗ? fafj • СЗ)

я определяются экспериментально, на основании чего предложена более простая зависимость ^„'^f^J •

Определена оптимальная температура 70°С - 90°С внутренней поверхности газоотводящих стволов теплогенерирующих установок, при которой наблодается минимальная скорость коррозии. На температуру поверхности газоходов сильное влияние оказывает температура удаляемого газа, определяемая по уравнению:

<4)

и коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности к воздуху, зависящий от скорости ветра.

Проведен критический анализ существующих конструкций, обеспечивающих снижение коррозии стенок газоходов, что дало основание для разработки более простых и надежных способов' увеличения срока службы металлических газоотводящкх стволов \теплогенерирующкх установок.

В третьей главе представлен расчет и описание экспериментальной установки, методика проведения экспериментов и их результаты. Схема экспериментальной установки показана на (рис. I), которая изготовлена из холодильного агрегата КШ-24О/и/с , в качестве холодной поверхности использован испаритель холодильника, выполненного в ввде трубы диаметром 100 мм и покрытого с наружной стороны тепловой изоляцией. Воздух в установку подавался вентилятором. Скорость дп;-г*.уку.л воздуха изморилась теркс-анемсмотром ЗА-5 с диапазоном кзме-тений 0,2 + Е.,0 м/с, а ее значение регулировалось скоростью врак«ни- еектил.-!тсра. Температура погсрхнссти испопител • и потека воздуха измерялась х р о л ъ к n п ?? л е в ьл.ги тегмсплкп"/ с

гольтмртром постоянного т^ка !Л 1516. Злагность í?o-

даваемого воздуха измерялась психрометром аспирационным типа / — . МВ-4М,' Толщину, слоя инея определяли методом зондирования по высоте газохода - • —

Рис. I Схема~окспор1*.йэнтальной установки по определению толщины образовавшегося инея.

I - испаритель; 2 - емкость для изменения влажности воздуха; 3 - вентилятор; 4 - агрегат КШ-240/л^А ; 5 - ДАТР; б - теплоизоляция, г'-тт" ■

По данным эксперимента построены кривые изменения толщины слоя инея во времени (рис. 2) которые имеют эмпирическую зависимость в/да

Г

")• (5)

¿Су

Рис. 2

Параметры т и п зависят сг относительной влажности и скорости воздуха. 3 данной работе исследовании проводились при относительной влажности Еоздуха 30-60% и скорости его движешь. 0,2 - 2,0 м/с, как наиболее типичные параметры воздуха в вытяжных вентиляционных каналах жилых и производственных помещений. При обработке данные методом математической статистики получены эмпирические зависимости !"=/(т] и /'»/ТУ/

д

(рис. 3 и рис. 4 ), которые показывают, что в указанной диапазоне скорости движения воздуха последняя не оказывает заметного влияния на процессы инееобразования.

-I

м

/

/

У /

У ГУ.

4о 4о ¡с *о Л> *о

Рис. 3 Значение величины т • /ууу

7-i.se /

•V

V

30 40 50 ' 60 70 60 90

Рис. 4 Значакяа величины я *)

Введя полученные значения величин /г/ и /г в уравнение (5), можно его записать в ввде

У' '(б) .

По уравнению толщину слоя инея в любой момент времени можно определять только по одноцу параметру, а именно, по значению относительной влажности воздуха .Относительное средне квадратиче с кое отклонение расчетных значений толщины намерзшего слоя инея от экспериментальных составляет не более 4%.

Предложена математическая модель с применением ПЭВМ для определения температуры потока газа и внутренней поверхности газохода,.которая дает: I) изменение температуры потока газа

л*

(7)

2)

20

15 10

изменение температуры поверхности газохода

4 , Св)

Графическое изменение температуры потока газа и поверхности газохода показано на (рис.5).

V ■ 1

N 1 1 1

\ Ч !

1 2

1 : 1 ( ^^ / / 1 1

1 гЧ ! 1 —г-н- 1 ) £

-о -10,

1 .-.о ч О о . о

гмс. .1; Изменение температуры газа - I и поьерчнссти

гаэохсда - 2 по длине канала

Выполнены расчеты количества конденсирующейся влаги на поверхности газохода с применением ПЭВМ, представленные на (рис .6) -

: ' 30 / .

25 20 15 10.

5

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 ' 50 • Рис.6 Зависимость коеденсации влаги на поверхности газохода по длине.

Проведен анализ исследования температурных полей в ограждениях помещений методом электроаналогии, основываясь на который можно сделать вывод, что нарушение работы вентиляции жилых и производственных помещений сильно ухудшает тепловлаж-ностные свойства наружных ограадающих конструкций (особенно угловых). — - -

В четвертой главе проведены исследования по сохранности защитного слоя железобетонных дымовых труб в зависимости от параметров агрессивности среды. Результаты этих исследований представлены на (рис .7).

Приведен анализ изменения температуры поверхности мотал-лического газоотводящеРо ствола т^плогенарирувщих установок

Рис. 7 Время сохранности.защитного слоя бетона

дымовой трубы тегаюгенерирующей установки , • водоцемэнтноы отношении 0,4

-----ВЦ отношении 0,5

содержание I - 0,053 ; 2 - 0,30^; 3 - 0,501; 4 - 0,70л; 5 - 0,95 %.

по его высоте.

На основании этих данных было установлен, что металлические газоотводящие стволы моздо разделить на два класса. К первому классу относятся гаэоотводнщие металлические стволы высотой до 30 метров. Для них характерно то, что температура поверхности в осноркск определяется скоростью ветра.

Температура потока удаляемого газа по высоте практически не меняется, однако, вследствии изменения коэффициента теплоотдачи от наружной поветкности металлического газоотводящего ствола к наружному воздуху для поддержания оптимальной температуры поверхности ?0-90°С необходимо изменять температуру потока удаляемого газа в зависимости от скорости ветра (рис. 8). ' ' -

260

220

180

140

100

- -

«г'-А V

// »"■У- -

!/

( , , ,. *5 "Л

I 2 3. 4 5 6-

Рис. В Требуемая температура газа в мэталличесхом газоотподм:??« стволе в зависимости от скорости ветра для поддержания, оптимальной температуры поверхности.

На основании вышеуказанного предложен способ изменения температуры уходящего газа путем подогрева его в основании газоотводящего'строла при увеличении скорости ветра.

Газоотводищие стволы высотой бсдео 30 метров относяхо^у^,.. _ %

ко второму классу. Эти газоходы характеризуются тем, что температура поверхности определяется температурой газового по-тоха которая изменяется по высоте. Для стволов. высотой более 30 метров предложена конструкция металлической дымовой трубы (см. рис. 9), обеспечивающая оптимальную температуру поверх ности, что обеспечивает минимальную ее коррозию.

Ш зона

П зона

I зона Воздух

777—>77

И—

Воздух

I

£

/ 3

-777

Дымовые газы

Рис. 9 Конструкция газоотрсдяцего ствола

1 - металлический га^оотво^гглЯ строл;

2 - котух; 3 - те ал с ваг изоляция

Дыуорч - труба ькполненл с н л ;л-»к!.г>.г кс тупсои, хит о руг? ?а-годает газоотрог,; "МЯ ствол от вог>п.еР.стви.и ветра, а в кольцевой зазор подается воздух с'еспечу.ватаций поддержание оптимальней температуры пс?<?г*н'.ст'<; г. • рссоте. Но вместе дю*. гаг труба разбят'ь на т.у. т.'Н1:. Ь р"1' ■ 1 ченч воздух >

и-

е толъгрзой зазор, нагревает«: и охлаждает поверхность тру- ' • бы до температуры 70+90°С. Во второй зоне поддерживается баланс равновесия между теплоотдачей от поверхности, дымовой -.. - трубы и тепловосприятиеы воздуха, проходящего", в кольцевом зв- •.. * зоре , чтобы температура поверхности дымовой трубы находилась.'■ в интервале 70+90°С. В третьей зоне нагретый воздух отдает тепло поверхности трубы поддерживая температуру поверхности . '.'.7-\ в оптимальном режиме. Наружную поверхность трубы первой и .С третьей зоны целесообразно применять оребренной для лучшего . теплообмена между воздухом и дымовыми газами. На рис. 10 -пред- . ставлена графическая зависимость расхода воздуха,. подаваемого в кольцевой зазор, для климатических условий Республики Беларуси от температуры подаваемого воздуха. '

20 . . . 10 О -10

-го . .

-зо ■

б 7 8 9 10 II 12 Рис. .10.

Указанна.; конструкция дубовой трубы на 20-25ь дороже, но срок слугбь: ее в 3-4 раза больше и кроме стсго коэффициент полезного действие теплогенериручтеП установки увеличивайся

на за счет, снижения температуры удаляемого газа.

Пятая глава посвящена разработке простых в эксплуатации и надежных устройств для предотвращения обмерзания ого- . ловка вентиляционного канала. Первое устройство работает по принципу осушения удаляемого воздуха. В канал с влажным воздухом помещают поверхность с температурой ниже точки росы, • на которой конденсируется влага, содержащаяся в воздухе (а.с. *13Ь9561). Работа второго устройства основана на способе поддержания температуры повеггпюсти газохода, где происходит инееобраэование выше 0°С за счет нагрева ее нагревательным элементом. Третье устройство основано на принципе изоляции влажного газа от стенок газохода, пристепечкы* пограничным слоем из сухого газа (положительное решение о выдаче а.с. заявка №4934866/29) . Наиболее простым в эксплуатации и дешевым является третье устройство. Экономическая эффективность от примоноккя одного устройства в Саха Якутии .V составляет 24*7,79 руб/год, ( в ценах 1991 года).

С . основные вывода

1. Разработана методика численного расчета определения температуры поверхности газохода и количества конденсировавшейся на ней влаги в зависимости от изменения параметров окружающей среды с применением ПЭВМ.

2. На основании опытнюс"данных для бытовых газоходоь получено уравнение определения толщины слоя инея во времени в зависимости от относительной влажности газа.

3. Определены параметры позволяющие снизить скорость коррозии металличесхих газоотводящих стволов, в результате чего разработан способ и конструкция,повышающая корроэмон-нуо1 стойкость шталличесхих дымовых труб с повышением ко эф-

фициента полезного действия теплогенерирующих установок.

4. Разработан ряд простых в изготовлении и эксплуатации устройств по предотвращении инееобразования в промышленных и бытовых газоходах, которые позволяют обеспечить нормальные микроклиматические условия .в помещениях и улучшат тепловлах- . костные свойства ограждающих конструкций.

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

- толщина слоя инея, м; - время, сек; -

скорость потока газа, ц/с; £ - плотность газа, кг/м3;

// - температура потока газа, °С; £ - температура наружного воздуха, °С; У - площадь поверхности газохода, ы^; Л, - сопротивление теплопередачи от газа х окружающему воздуху, град/Вт; С, - удельная теплоемкость газа, 1Дж/кг град; Уг - расход газа, кг/с; Mv.tr - коэффициенты ^определяемые экспериментально; / - относительная влажность; - температура поверхности газохода, °С;

¿г - коэффициент теплчотдачи от газа к поверхности газохода, град/Вт; £/ и ^ - коэффициенты, определяемые вычислением; Я/ и - коэффициенты,определяемые расчетом ; Мг -количество тепла отдаваемое газом на единице поверхности газохода, чДж/град; Л' - коэффициент, определяется вычислением.

Ицдексы: х -.в любой точке; вх - на входе; о-в начальный момент времени.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. С.Н.Осипов, А.Х.ДЫМНИЧ, В.И.Бежав "Микроклимат жилых помещений на крайнем Севере", Донецк, 196? г.

2. С.Н.0с]шов, В.М.Белов^ В.Ы.Староворов, Г.Е.Герасимон-

..ко "Устройство для конденсации влаги из вентиляционного воздуха", а.с. »1359581 ЫКЛ4 Р 24 Р 7/02, 1967 г.

3;'С.Н.Осипов, В.Ы.Белов "Способ предотвращения закупорки оконечности оголовка вентканала" МКЛ^ Р 24 Р 7/02, 1969 г.

. 4. С.Н.Осипов, А'.ХДымнич, В.М.Белов "Обеспечение нор-'. мального воздухообмена помещений в зимний период в условиях Крайнего Севера", Челябинск, 1990 г. .

5. С.Н.Осипов, В.М.Белов, А.Х.Дьшнич "Вытяжное устройство" ШЛ^ Р.24:Я--7/0?, положительное решение о выдача-а.с. -

, . от.16.05.92 г. заявка №4934866/29, 1992 г. ' " " ■ '

6. В.Ы.Белов "Коррозия дымовых труб", Донецк, сборник научных трудов ШСИ, 1992 г.