Підвищення ефективності комбінованих теплоутилізаційних систем газоспоживальних котельних установок

The results of studies of the efficiency of use in heat-recovery technologies of gas-fired heating boilers of advanced combined heat recovery systems intended for heating water for heat supply systems and chemical water-purification and combustion air are presented. The scheme of the proposed heat-recovery system is given and its effectiveness is analyzed on the basis of the results obtained. Studies were carried out for the TVG-8 water-heating boiler at various modes of its operation according to the heat graph of the boiler house depending on the environment temperature during the heating period. The following key parameters were determined under the conditions considered for the respective heat-recovery exchangers: heat output, increase the coefficient the use heat of fuel of boiler (CUHF) and the amount of condensate formed in the system at normalized values of water consumption for recharge heating networks. According to the obtained basic indicators, a comparative analysis of the proposed heat-recovery systems and the well-known complex systems with heating only the return heat-network water and combustion air has been carried out. It has been established that the application of the proposed heat-recovery system allows the flue gases of the boiler plant to be cooled more deeply by to the installation of a cold water heater for chemical water-purification system. This increases the thermal power Q and the amount of condensate Gk in the system by 5.2 ÷ 14.5 % and 7.3 ÷ 13.7 %, respectively, compared to a system without a water heater for chemical water-purification system. It is shown that the improvement of the known system with an additional heat-exchanger designed for preheating cold water for chemical water-purification system (CWPS) allows, through deeper cooling of the exhaust-gases of a boiler plant, increasing its CUHF by 9.4 % maximum, which is 0.5 % more compared to lack with the absence of heating of water on the CWPS.Викладено результати досліджень ефективності використання в теплоутилізаційних технологіях газоспоживальних опалювальних котелень удосконалених комбінованих систем утилізації теплоти, призначених для нагрівання води систем теплопостачання та хімічного водоочищення і повітря на горіння. Дослідження виконано для водогрійного котла ТВГ-8 за різних режимів його роботи згідно з тепловим графіком котельні залежно від температури навколишнього середовища в опалювальний період. Визначено в розглянутих умовах для відповідних теплообмінників-теплоутилізаторів такі основні параметри, як: теплопродуктивність, приріст коефіцієнта використання теплоти палива КВТП котла та кількість утвореного в системі конденсату за нормованих значень витрати води на підживлення теплових мереж. За отриманими основними показниками проведено порівняльний аналіз пропонованих систем теплоутилізації та відомих комбінованих систем з нагріванням тільки зворотної тепломережної води та дуттьового повітря. Показано, що доповнення відомої системи додатковим теплообмінником, призначеним для попереднього нагрівання холодної води на хімводоочищення (ХВО), дає змогу шляхом глибшого охолодження вихідних газів котельної установки підвищити її КВТП максимально на 9,4 %, що на 0,5 % більше порівняно з відсутністю нагрівання води на ХВО

Удосконалення технічних рішень теплоутилізаційного устаткування котелень

The results of studies on the effectiveness of the use in heat-recovery technologies for gas-fired heating boilers of advanced condensation heat-recovery exchangers of the exhaust-gases of boilers are presented. The proposed heat-recovery exchangers are designed for heating water in heating systems, chemical water-purification systems and other needs by cooling exhaust-gases, in some operating modes below the dew point of water vapour, contained in gases. The heat exchange surface of recovery-exchangers is composed of bundles of finned bimetallic pipes (steel base and aluminium fins) with structural features, namely: with intensification of heat transfer on the inner surface of these pipes. In this case, exhaust-gases blow round the fin surface, and the movement of water, which is heated, is carried out inside the pipes. Such a constructive solution makes it possible to enhance heat transfer inside the pipe and, as a result, to intensify the process of condensate formation in the deep cooling zone of exhaust-gases (condensation part of the heat-recovery exchanger). For this zone, the rational geometric parameters of the pipes and flow turbulators on the inner surface were determined from the condition that the thermal resistance from the exhaust-gas and water in the condensation zone of the heat-recovery exchanger is equal. The studies were carried out using experimental data on heat transfer and hydrodynamics during deep cooling of the exhaust-gases of boiler plants and in pipes with ring flow turbulators for typical modes of heat-recovery equipment of boiler plants. Based on the results of the studies, the optimal ratios of the parameters of the steel base of the pipe and the flow turbulators are determined, which provide a significant intensification of heat transfer with a relatively moderate increase in aerodynamic resistance in the condensation part of the tube bundle of the heat-recovery exchanger. It is shown that the use of the proposed pipes improves heat transfer by slowing down the process of scale formation due to turbulization of the near-wall layer of heated water. The data on the thickness of deposits on the inner surfaces of the pipes of the heat-recovery exchanger, which is composed of pipes with and without flow turbulators, are compared. It is shown that the relative decrease in the thickness of deposits for pipes with flow turbulators increases with time and can exceed 2.Наведено результати досліджень щодо застосування в конденсаційних водогрійних теплоутилізаторах систем глибокої утилізації теплоти відхідних газів котельних установок пучків оребрених біметалевих труб певної конфігурації, а саме: з інтенсифікаторами (турбулізаторами) теплообміну всередині сталевих труб та з зовнішнім алюмінієвим оребренням. При цьому димові гази омивають оребрену поверхню, а рух нагріваної води здійснюється усередині труб. Використання таких труб дає змогу посилити теплообмін на внутрішній частині труб, що особливо важливо для конденсаційної зони теплоутилізатора, де відбувається інтенсифікація теплообміну, і з боку димових газів в разі їх охолодження нижче температури точки роси водяної пари та її конденсації. Для конденсаційної зони трубного пучка визначали раціональні геометричні параметри сталевих труб і турбулізаторів потоку на їхній внутрішній поверхні за умови рівності термічних опорів з боку димових газів і води. За результатами виконаних досліджень визначено оптимальні співвідношення параметрів сталевої труби і турбулізаторів потоку, що забезпечують значну інтенсифікацію теплообміну за відносно помірного росту аеродинамічного опору. Показано, що застосування пропонованих труб поліпшує також теплообмін і шляхом уповільнення процесу накипоутворення за рахунок турбулізації пристінного шару нагріваної води. Так відносне зменшення товщини відкладень для труб з турбулізаторами потоку порівняно з гладкими трубами зростає з часом і в деяких режимах перевищує значення 2

Застосування повітряного методу за¬побігання конденсатоутворенню в газовідвідних трактах котелень

The results of studies of the efficiency of use in the heat-recovery technologies of gas-fired heating and industrial boiler plants of the air method to prevent condensate formation in the gas exhaust ducts are presented. The boiler installations, equipped with hot-water heat-recovery exchangers, designed to heat the return heat-network water and other water are considered (for hot water system, technological use, water purification system and other consumers). The authors have researched heat and humidity state in chimneys of different types at used to reduce humidity and increase the temperature of exhaust-gases of dry and heated air from the air-heater of the boiler at different operating modes of boilers. Herewith, different modes of operation of the boilers during the heating period were considered with the values of the exhaust-gas temperature in the nominal mode of 160 and 200 °С and the temperature of the admixed air 150 and 250 °С. These values correspond to the practical range of variation of the parameters during the operation of the respective boilers. The main parameters of the corrosion protection systems for chimneys were determined under the conditions considered, which ensure the prevention of condensate formation in them while observing the regulatory regimes of operation of these chimneys. Namely, by the values of the obtained temperatures of the inner surface of the mouth of the chimney and the dew point of exhaust-gases were calculated necessary to prevent condensation formation of the proportion of mixing of heated air, depending on the temperature of the air. The comparative analysis of the effectiveness of the use of the considered method of anticorrosive protection of gas-exhaust ducts for heat-recovery plants for various purposes has been carried out. It is shown that the use of the method of mixing heated air in heat-recovery technologies of boilers prevents condensation formation in chimneys with different fractions of air in exhaust-gases. The value of this share depends on the mode of operation of the boiler, the purpose of recovered heat, the characteristics of the chimney and other factors.Викладено результати дослідження ефективності використання в теплоутилізаційних технологіях газоспоживальних опалювальних та промислових котелень повітряного методу відвернення конденсатоутворення у газовідвідних трактах. Розглянуто котельні установки з глибоким охолодженням відхідних газів, оснащені водогрійними теплоутилізаторами, призначеними для нагрівання зворотної тепломережної води та води іншого призначення. Досліджено за різних режимів котлів тепловологісний стан у димових трубах різного типу під час використання для зниження вологості та підвищення температури вихідних газів сухого та нагрітого повітря від повітронагрівача котла. Визначено в розглянутих умовах основні параметри систем антикорозійного захисту димових труб, що забезпечують відвернення в них конденсатоутворення за дотримання нормативних режимів експлуатації цих труб. За значеннями одержаних параметрів виконано порівняльний аналіз ефективності застосування розглянутого методу антикорозійного захисту газовідвідних трактів для різних теплоутилізаційних установок. Показано, що використання в теплоутилізаційних технологіях котлів методу підмішування нагрітого повітря забезпечує відвернення конденсатоутворення в димових трубах з різною часткою цього повітря у вихідних газах. Величина цієї частки залежить від режиму роботи котла, призначення утилізованої теплоти, характеристики димової труби тощо

HEAT METHODS OF THE GAS-ESCAPE CHANNELS OF BOILER INSTALLATIONS BY HEAT-UTILIZATION TECHNOLOGIES APPLICATION

Виконано розрахункові дослідження щодо відвернення конденсатоутворення в газовідвідних трактах котельних установок під час використання методів: часткового байпасування відхідних газів повз теплоутилізатор, підмішування до димових газів після теплоутилізатора нагрітого повітря, підсушування цих газів шляхом їхнього нагрівання у поверхневих теплообмінниках та методу теплоізоляції димових труб. Наведено принципові схеми котельних установок у разі застосування систем теплоутилізації відхідних газів з використанням вказаних методів захисту газовідвідних трактів. Показано ефективність методу байпасування у широкому практичному діапазоні зміни основних визначальних параметрів. Для повітряного методу виявлено закономірності зміни тепловологісного режиму в газовідвідному каналі котельні залежно від температури нагрітого підмішуваного повітря і його частки в загальній витраті димових газів. Встановлено залежності потрібних для запобігання конденсатоутворенню рівнів підігріву димових газів від режимних параметрів котлів і типу димової труби для методу підсушування відхідних газів. Наведено дані щодо ефективності застосування для металевої та залізобетонної без футерування димових труб комплексу теплових методів, зокрема, підсушування димових газів і зовнішньої теплоізоляції корпусу труби. За результатами порівняльного аналізу ефективності зазначених теплових методів відвернення конденсатоутворення визначено межі раціонального застосування кожного з них.Выполнены расчетные исследования относительно предотвращения конденсатообразования в газоотводящих трактах котельных установок при использовании методов: частичного байпасирования отходящих газов мимо теплоутилизатора, подмешивание к дымовым газам после теплоутилизатора нагретого воздуха, подсушивание этих газов путем их нагревания в поверхностных теплообменниках и метод теплоизоляции дымовых труб. Приведены принципиальные схемы котельных установок при применении систем теплоутилизации отходящих газов с использованием указанных методов защиты газоотводящих трактов. Показана эффективность метода байпасирования в широком практическом диапазоне изменения основных определяющих параметров. Для воздушного метода выявлены закономерности изменения тепловлажностного режима в газоотводящем канале котельной в зависимости от температуры нагретого подмешиваемого воздуха и его доли в общем расходе дымовых газов. Установлена зависимость необходимых для предотвращения конденсатообразования уровней подогрева дымовых газов от режимных параметров котлов и типа дымовой трубы для метода подсушивания отходящих газов. Приведены данные относительно эффективности применения для металлической и железобетонной без футеровки дымовых труб комплекса тепловых методов, в частности, подсушивания дымовых газов и внешней теплоизоляции корпуса трубы. По результатам сравнительного анализа эффективности указанных тепловых методов предотвращения конденсатообразования определены границы рационального применения каждого из них.The article is devoted to research on the thermophysical substantiation of the application of thermal methods for the prevention of condensation formation in gas-escape tracks of gas-consuming boilers of municipal heat power engineering equipped with systems of deep utilization of exhaust gases. Considered such known thermal methods as: partial bypassing exhaust gas of the boiler past the heat utilizer, mixing with the heat utilizer of cooled gases the air, heated in the air heaters of the boiler, the drying of these gases in special heat exchangers, gas heaters, and also external thermal insulation of the chimney. To determine the effectiveness of these thermal methods, extensive parametric studies have been carried out at the standard operating conditions of the heating boilers for different types of chimneys: metal, brick, reinforced concrete with lining and without it. Influence regularities on heat and humidity condition in these chimneys are determined by such defining parameters as the boiler load, the exhaust gases temperature in the nominal regime, initial temperature of heating water in heat utilizer, the excess air factor and the thermophysical characteristics of the thermal insulation material. It is shown that the bypass method is effective for brick and reinforced concrete with lining of chimneys. For metal and reinforced concrete without lining of chimneys, this method is effective only at high levels of exhaust gas temperature behind the boiler in nominal mode and higher values of boiler load. Regarding the air method, the influence of the temperature of heated submerged air and its share in the total flow of flue gases on the heat and humidity regime in the gas-duct boiler-house was carried out. For the drying method, the dependencies required for the prevention of condensation formation of the heating levels of exhaust gases from the boiler parameters and type of the chimney are established. It is proposed and grounded application of thermal methods for metal and reinforced concrete without lining of chimneys, in particular, drying of exhaust gases and external thermal insulation of the pipe shell. As a result of the comparison of the efficiency of the considered thermal methods of condensation deviation, the limits of rational use of each of them are determined