ЕФЕКТИВНІСТЬ ПЛАСТИНЧАТИХ ТЕПЛОУТИЛІЗАТОРІВ ТЕПЛОУТИЛІЗАЦІЙНИХ СИСТЕМ

The development and application of modern integrated methods for studying the efficiency of heat recovery systems and their individual elements enables ensuring their maximum efficiency. These methods are based on a combination of methods of exergic analysis with statistical methods of experiment planning, methods of the theory of linear systems, thermodynamics of irreversible processes, etc. A method is developed for calculating the losses of exergic power in heat conduction processes for a gas-air plate heat exchanger. Losses of exergic power occur when heat is transferred through the cross-section of the heat recovery plate. The methodology is based on a complex approach combining exergy methods with methods of thermodynamics of irreversible processes. The mathematical model of the investigated processes includes the exergy equation, the balance equation of exergy and entropy, the equation of continuity, the equation of phase motion, the energy equation, the balance equation for enthalpies, the Gibbs equation and the heat equation for boundary conditions of the third kind for an unbounded plate. A plate of a gas-air plate heat exchanger was modelled as an unlimited plate thickness. When obtaining formulas for calculating the losses of exergic power, the local differential equation of the exergy balance obtained earlier was used. In this equation, one of the terms determines the losses of exergy power, which are caused by the irreversibility of the processes. Such losses are related to thermal conductivity, phase viscosity, phase-to-phase heat transfer and friction between phases. On the basis of this equation and the solution of the heat equation under boundary conditions of the third kind, formulas are obtained for calculating the losses of exergy power. Calculations of total losses of exergic power in a gas-air plate heat exchanger and losses of exergic power in heat conduction processes under various operating conditions of the boiler are performed. It is established that losses of exergic power in heat conduction processes in a gas-air plate heat exchanger make up 8.6-11.6 % of the total losses of exergy power and depend on the operating mode of the boiler. Changing in the necessary direction the thermophysical characteristics of the gas-air plate heat exchanger, it is possible to reduce the loss of exergy power.Розроблено методику розрахунку втрат ексергетичної потужності у процесах теплопровідності під час передачі теплоти через поперечний переріз пластини газоповітряного пластинчастого теплоутилізатора за граничних умов третього роду. Методику засновано на комплексному підході, що поєднує ексергетичні методи з методами термодинаміки незворотних процесів. Математична модель досліджуваних процесів включає рівняння ексергії, рівняння балансу ексергії та ентропії, рівняння нерозривності трифазної термодинамічної системи при зміні концентрації однієї з фаз, рівняння руху фаз, рівняння енергій, рівняння балансу ентальпій, рівняння Гіббса і рівняння теплопровідності за граничних умов третього роду. Для отримання формул для розрахунку втрат ексергетичної потужності використано локальне диференціальне рівняння балансу ексергії. У цьому рівнянні одна зі складових визначає втрати ексергетичної потужності, зумовлені незворотністю процесів і пов'язані з теплопровідністю, в'язкістю фаз, міжфазним теплообміном і тертям між фазами. На підставі цього рівняння і рішення рівняння теплопровідності за граничних умов третього роду для необмеженої пластини, якою моделювалася пластина газоповітряного пластинчастого теплоутилізатора, отримано формули для розрахунку втрат ексергетичної потужності. Виконано розрахунки загальних втрат ексергетичної потужності в газоповітряному пластинчастому теплоутилізаторі за різних режимів роботи котла і втрат ексергетичної потужності у процесах теплопровідності. Встановлено, що втрати ексергетичної потужності у процесах теплопровідності в газоповітряному пластинчатому теплоутилізаторі становлять 8,6-11,6 % від загальних втрат ексергетичної потужності і залежать від режиму роботи котла

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

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