V Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2013

В настоящее время основной целью в сфере теплоснабжения является повышение эффективности котельных установок, уровня их надёжности и ремонтопригодности в сочетании с большим сроком эксплуатации. Также остаются актуальными вопросы совершенствования теплоснабжающих систем, так как их невысокая надежность и неэффективность препятствует энергосбережению.

Указанные проблемы связаны со всеми звеньями теплоснабжения. На стадии теплогенерации одним из главных факторов является невысокая надежность и неэффективность котлов. Образование отложений солей жесткости (накипь) на теплообменных поверхностях котлов является одной из основных причин ухудшения их работы, накипеобразование ведет к тепловой и гидравлической разбалансированности, повышению аварийности и малому ресурсу работы.

Конструктивно большая доля отечественных котлов представляет собой расположенные вертикально секции, подключенные по воде параллельно, при этом в секциях жаровые трубы подключены также параллельно. Движение газов, как правило, одноходовое, либо двухходовое с разделительными стенками-экранами. Экономайзер (отработка тепла дымовых газов) встречается достаточно редко, в лучшем случае это многорядный пучок параллельно соединенных труб, который достаточно быстро забивается сажей и не работает. Работа таких котлов малоэффективна, при значительном перерасходе угля и нестабильной работе. Срок их службы из-за высокой аварийности (забивка труб отложениями солей) составляет от года до трех лет.

Для предотвращения отложений применяются различные методы, такие как магнитная обработка воды, комплексоны, ПАВ и т.д.[1]. Все они имеют свои преимущества и недостатки и применяются, по разным причинам, далеко не везде. Около 50 % котельных области имеют системы водоподготовки. Такая же обстановка и в других областях региона. Как отмечается, например, в [2], большое количество котельных в Томской области не имеют обязательных систем водоподготовки, а там, где они имеются, далеко не всегда работают эффективно, что приводит к значительному сокращению сроков службы заводских котлов. При работе на природной воде из-за отложений солей жесткости на внутренних поверхностях трубок они забиваются и котел через 2-3 сезона выходит из строя, его приходится менять. Решением проблемы было бы создание котла, обеспечивающего безаварийность и долговечность работы в условиях отсутствия (или неудовлетворительной работы) систем водоподготовки.

Такой котел разработан Ю. Киселёвым, на который вместе соавторами им получен патент [3, 4]. Суть изобретения состоит в том, что для предотвращения отложений на внутренних поверхностях теплообменных трубок значительно увеличена пристенная скорость движения воды за счет закрутки потока теплоносителя.

Закрутка потока широко применяется в теплообменных аппаратах, используемых в различных отраслях промышленности вплоть до ядерных реакторов и ракетно-космической техники. Это один из наиболее эффективных и перспективных способов интенсификации теплообмена, ее применение увеличивает коэффициент теплоотдачи в 2-2,5 раза [5].

По теории и практике закрученных потоков опубликовано большое количество работ. Теоретические и экспериментальные исследования продолжаются и в настоящее время [5]. Однако активное изучение теплообмена и динамики закрученных потоков из-за сложности проблемы не привело пока к исчерпывающему анализу всех процессов, происходящих при закрутке.

Закрутка потока может обеспечиваться разными способами: закрученной металлической лентой, вставленной по всей длине канала, пружинными спиральными вставками, внутренними спиральными ребрами, спиральными канавками, сферическими выемками и др.[5]. Всем им присущи определенные недостатки, связанные с усложнением конструкции и технологии изготовления.

Решение, предложенное Ю. Киселёвым, состоит в том, что соединение двух соседних труб в секции обеспечивается тангенциально-щелевым переходником, позволяющим создать вращательно-поступательное (спиральное) движение воды при каждом переходе. Секции между собой соединяются последовательно, образуя одну ветвь, в котле предусматриваются две ветви из нескольких последовательно соединенных секций, устанавливаемых по противоточной схеме движения воды относительно дымовых газов. Организация вращательного движения при перетекании рабочего агента (воды) в трубах позволит обеспечить лучшее перемешивание слоев воды, сократить (или полностью устранить) отложения накипи и солей жесткости на стенках труб. Данное техническое решение позволит в итоге повысить эффективность процесса теплопередачи, сократить расход топлива, обеспечить безаварийность, стабильность процесса и долговечность водогрейного котла на любом виде топлива в условиях отсутствия (или неудовлетворительной работы) систем водоподготовки.

Экспериментальные исследования на специально разработанном стенде и успешный опыт эксплуатации опытно-промышленных образцов новых водогрейных котлов (длительная, в течение 10 лет работа без накипеобразования, что подтверждает вырезка образцов на трубах действующих котлов – внутренняя поверхность чистая, гладкая) доказывают эффективность данных котлов с закруткой потока с помощью тангенциально-щелевого перехода. Водогрейный котел успешно прошел испытания в котельной №1 поселка Новостройка Кемеровского района в отопительный сезон 2005-2006 гг.; также такие котлы работают в других посёлках Кемеровского района и в гг. Кемерово и Белово.

Для выбора оптимальных параметров необходимо исследовать работу таких котлов в различных режимах. Кроме экспериментальных исследований, для которых требуется новый стенд, планируется выполнение компьютерного моделирования процессов закрутки с целью более глубокого анализа происходящих явлений и дальнейшего совершенствования котлов, не требующих водоподготовки. Такое моделирование может быть выполнено на основе программного комплекса Solidworks с модулем гидрогазодинамического конечно-элементного анализа Flow Simulation. В настоящее время в этой программе проводится исследование гидродинамических процессов закрутки, поведения жидкости, получение зависимостей от напоров, диаметра труб и параметров тангенциально-щелевых переходов. В частности, установлено, что поток после тангенциального перехода уплотняется, далее происходит его распрямление и перемешивание слоев воды по сечению трубы.

К задачам по исследованию и совершенствованию нового котла относится также вопрос расширения возможностей с точки зрения применяемого топлива. В настоящее время данный котел работает на угле, в перспективе же необходимо обеспечить возможность использования жидкого, в том числе, водоугольного топлива, а также газообразного, причем не только природного газа, но и генераторного газа, синтез-газа, биогаза. Последнее особенно актуально для сельской местности, где наиболее рациональна установка таких котлов (из-за отсутствия водоподготовки) и где имеется большое количество отходов сельскохозяйственного производства. В этом случае, к технико-экономическим преимуществам данного котла добавится еще и экологический эффект. Наконец, еще одной серьезной задачей в рамках данного направления является изучение возможности применения рассмотренного способа борьбы с накипеобразованием и для паровых котлов, что также весьма актуально.

Литература

1. Рыженков В.А., Волков А.В., Лукин М.В. О работе теплоснабжения и опыте реализации ПАВ-технологии для реновации системы отопления здания школы в Воркуте // Промышленная энергетика. 2012. № 6. С.16-20.

2. Привалихин Г.К., Артамонцев А.И., Лебедев Б.В. О состоянии водоподготовки на предприятиях малой энергетики // Промышленная энергетика. 2012. №6. С.26-27.

3. Киселев Ю.Е., Сливной В.Н. Безнакипный водогрейный котел// Энергетическая безопасность России. Новые подходы к развитию угольной промышленности: труды международной научно-практической конференции – Кемерово: Сибирское отделение Российской академии наук, Кемеровский научный центр СО РАН, Институт угля СО РАН, Институт углехимии и химического материаловедения СО РАН, кузбасский государственный технический университет, ООО КВК «Экспо-Сибирь», 2012-298с

4. Киселев Ю.Е., Гецман А.Е., Никитенко М.С. Котел водогрейный. Патент № 2341732 от 20.12.2008 г

5. Леонтьев А.И., Олимпиев .В. Потенциал энергосбережения различных способов закрутки потока и дискретно шероховатых каналов // Известия РАН. Энергетика. 2010. № 1. С.13-49.

Код для цитирования: Скопировать