Прислать материал
Разработка и исследование автономной системы теплоснабжения с высокоэффективным источником теплоты
На основании выполненного анализа особенностей конструкций и режимов работы вакуумных котлов, особенностей теплопереноса в конвективных поверхностях нагрева, и способов его интенсификации необходимо:
1. Разработать методику расчета вакуумного котла с учетом процессов кипения и конденсации в разреженном объеме нагреваемого теплоносителя.
2. Рассмотреть возможность применения интенсификаторов в конвективных поверхностях с целью повышения энергоэффективности вакуумного котла.
3. На основе расчетных данных выбрать область рациональных значений рабочих давлений и геометрических характеристик полости с разрежением, соответствующих максимальным значения КПД газотрубного котла.
4. Предложить схему автономной системы теплоснабжения с высокоэффективным источником теплоты.
5. Определить техническую и экономическую эффективность предложенных технических решений.
Климатические условия в России предопределяют теплоснабжение как наиболее социально значимый и наиболее топливоемкий сектор экономики: в нем потребляется примерно 40 % энергоресурсов, более половины этих ресурсов приходится на коммунально–бытовой сектор.В настоящее время теплоснабжение является одним из перспективных и составляет 28 % от выработки всей тепловой энергии в России. Главными достоинствами децентрализованных систем теплоснабжения является: возможность потребителя самостоятельно регулировать температурный режим исходя из своих ощущений теплового комфорта; сокращение потребности в природном газе в несколько раз, что позволяет снизить затраты на теплоснабжение конечных потребителей; экологическая эффективность.
Выполнен обзор конструкций вакуумных котлов, отмечены достоинства и недостатки. Проведены расчетные исследования процессов кипения и конденсации в разреженном объеме вакуумного котла, выявлены особенности процессов при давлении ниже атмосферного. Предложен метод интенсификации процесса кипения. Тепловой расчет вакуумного котла выполнен с использованием нормативного метода, который дополнен аналитическим и численным расчетом процессов кипения и конденсации в разреженном объеме котла. Произведен сравнительный анализ схемы водоподготовки с использованием классического жаротрубного котла и вакуумного котла. Выполнен технико-экономический анализ предложенных технических решений, получены предварительные технико-экономические показатели котла после модернизации.
Расчеты с использованием различных методик позволили выявить единую закономерность изменения коэффициента теплоотдачи в связи с изменением давления. При уменьшении давления коэффициент теплоотдачи уменьшается, что приводит к снижению интенсивности теплообмена, что приводит к снижению КПД всего агрегата.
Наиболее эффективный метод интенсификации теплообмена в зоне кипения теплоносителя является организация этого процесса в системе капиллярных щелевых каналов. Применения Данного метода позволяет увеличивать коэффициент теплоотдачи по сравнению с кипением жидкости на гладкой поверхности. Капиллярные щелевые каналы могут быть образованы путем снабжения поверхности теплообмена системой ребер, размещаемых со стороны кипящего теплоносителя. В этом случае речь идет не только об увеличении площади поверхности теплообмена со стороны кипящей жидкости, но и о существенном увеличении коэффициента теплоотдачи от поверхности ребра.
При использовании данного метода основной задачей является рациональный выбор геометрических параметров ребра (высота, толщина, щелевой зазор между ребрами), при этом необходимо строгое соблюдение условия, при котором величина щелевого зазора между ребрами (l0) не будет превышать величины капиллярной постоянной кипящей жидкости.
Задачи по кипению, для получения наиболее точных результатов, необходимо решать в трех мерной постановке с использованием программного комплекса ANSYS CFX.
Среднее расхождение значений коэффициентов теплоотдачи, полученных при расчетном моделировании процесса теплообмена при кипении при численном и аналитическом расчетах, находится в пределах от 2 до 10 % при изменении давления от 60 до 101 кПа.
Расчет котла производился нормативным методом, который дополнен значениями коэффициентов теплоотдачи в объеме с разрежением с использование методики кипения RPI.
При проведении сравнительного анализа вакуумного котла с классическим жаротрубным котлом выявлено влияния снижения давления в зоне кипения на конвективную площадь поверхности нагрева.
Совместное решение вопросов интенсификации процессов кипения (оребрение) и конденсации позволяют уменьшить тепловые потери и повысить КПД вакуумного котла, и сократить расходы на топливные ресурсы, по предварительным расчетам экономия топлива находится в пределах 3 % .
Использование вакуумного котла упрощают схему теплоснабжения, за счет отказа от непрерывной водоподготовки котловой воды.
Использование вакуумного газотрубного котла с учетом проведенной модернизации при рабочем давлении 60,80 кПа приводит к уменьшению издержек на топливо и водоподготовку, что благоприятно сказывается на себестоимости электроэнергии и чистый прибыли от модернизации, при этом срок окупаемости данного технического решения, который составляет 2,07 года, подтверждает рентабельность капиталовложений в данный инвестиционный проект.
2. Слободина, Е.Н. Вопросы выбора газотрубных котлов как источников теплоты для автономного теплоснабжения / Е.Н. Слободина. – Сборник научных трудов по материалам Международной научно – практической конференции. Наука, образование, общество: Проблемы и перспективы развития. 2014. – с. 134–136..
3. Корнеев С.Д. Влияние теплофизических свойств материала оребренной поверхности на выбор ее оптимальных геометрических характеристик/С.Д. Корнеев, Е.Л. Пименова, A.M. Костюков, В.М. Кирсанов, С.Я. Эфендиев. – Москва: Известия МГИУ. 2006.– № 1 (2).
4. Inc. ANSYS. ANSYSCFX-Solver Theory Guide, 12.1 edn., November 2009.