Исследование влияния аэродинамических характеристик теплообменного оборудования и схемотехнических решений систем комплексного использования теплоты на энергопотребление установок

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«РОСТОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Утверждено на заседании

кафедры отопления, вентиляции

и кондиционирования

« 16 » января 2007 г.

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ АЭРОДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ТЕПЛООБМЕННОГО ОБОРУДОВАНИЯ И СХЕМОТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ СИСТЕМ КОМПЛЕКСНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТЕПЛОТЫ НА ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЕ УСТАНОВОК

Методические указания к практическим занятиям по курсу «Энергосбережение»

Ростов-на-Дону

2007

УДК 628.1/2, 697.1.

Исследование влияния аэродинамических характеристик теплообменного оборудования и схемотехнических решений систем комплексного использования теплоты на энергопотребление установок:

Методические указания к практическим занятиям по курсу «Энергосбережение». - Ростов н/Д: Рост. гос. строит. ун-т, 20с.

Приведена методика поиска энергосберегающих компоновочных решений по размещению теплообменного оборудования в газоходах комплексных установок.

Предназначена для обучения магистров техники и технологии по программе 550110 «Системы обеспечения микроклимата зданий и сооружений»

УДК 628.1/2, 697.1.

Составитель: канд. техн. наук

Рецензент: проектный институт

«Проектпромвентиляция»

Редактор .

Темплан 2007г., поз. 206 а

Подписано в печать 21.02.07. Формат 60×84/16. Бумага писчая. Ризограф.

Уч.-изд. л. 2,0. Тираж 30 экз. Заказ

Редакционно-издательский центр

Ростовского государственного строительного университета

Ростов-на-Дону, .

© Ростовский государственный строительный университет, 2007

ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

dj -	диаметр участка газохода, м;
Fi -	площадь поперечного сечения газохода на участке, м2;
Gi -	массовый расход транспортируемой среды, кг/c;
hv -	коэффициент полезного действия нагнетателя;
Li -	объемный расход транспортируемой среды на участке, м3/с;
Lv -	объемная производительность нагнетателя, м3/c;
li-	длина участка воздуховода (газохода), м;
lпот-	работа сил сопротивления движению потока, Дж;
lтр -	коэффициент гидравлического трения;
-	механическая мощность, сообщаемая потоку в дымососе, Вт;
-	механическая мощность, расходуемая на преодоление сопротивлений движению потока на участке, Вт;
-	механическая мощность, расходуемая на преодоление сопротивлений движению потока в системе, Вт;
Рп -	полное давление транспортируемой среды, Па;
Рv -	полное давление транспортируемой среды, создаваемое дымососом, Па;
DR -	потери давления транспортируемой среды в тракте, Па;
DRi - (i+1)-	потери давления транспортируемой среды на участке, Па;
-	плотность транспортируемой среды на участке, кг/м3;
-	плотность транспортируемой среды во всасывающем патрубке дымососа, кг/м3;
-	температура продуктов сгорания °С;
w -	скорость движения транспортируемой среды, м/с;

Введение

В настоящее время начинают все чаще применять метод комбинированного комплексного энерготехнологического использования природного газа, при котором теплота продуктов сгорания газа, сжигаемого в высокотемпературных технологических агрегатах, используется в средне - и низкотемпературных промышленных установках, а также в системах отопления, горячего водоснабжения, вентиляции, кондиционирования воздуха.

Практическая реализация методов комплексного комбинированного использования теплового потенциала продуктов сгорания природного газа осуществляется посредством применения установок комплексного использования теплоты (УКИТ).

С учетом результатов исследований в данной области разработали и внедрили УКИТ в ряде отраслей промышленности, в результате чего был получен существенный экономический и экологический эффект.

Однако необходимо отметить, что многообразие технологических схем теплоиспользующих промышленных установок и особенности их эксплуатационных режимов, сложность физических явлений, сопровождающих работу УКИТ, затрудняют разработку их оптимизационных моделей. Это в свою очередь осложняет оценку энергетической и экономической эффективности принципиальных решений установок.

Одним из перспективных направлений совершенствования УКИТ является оптимизация элементов установок, формирующих совокупность потоков, осуществляющих энергетическое взаимодействие и обмен вещества между отдельными элементами установки, а также между установкой и окружающей средой. Предназначенные для оборудования конструктивные элементы УКИТ могут быть рассмотрены как специальные технические системы, осуществляющие транспортировку и изменение параметров газообразной среды - аэродинамические системы УКИТ (АС УКИТ).

Оптимизация рабочих процессов АС УКИТ, их принципиальных схем и конструктивных решений является важным резервом повешения энергетической эффективности установок комплексного использования теплоты продуктов сгорания природного газа.

1.  Исследование влияния аэродинамических характеристик теплообменного оборудования и схемотехнических решений УКИТ на

электропотребление установок

1.1.  Целевая функция УКИТ и принципы оптимизации энергопотребления установок

Важнейшим параметром работы УКИТ, во многом определяющим степень энергетической эффективности установки, является потребляемая ею электрическая мощность. Целевая функция УКИТ - утилизация тепловых ресурсов промышленных теплоиспользующих установок, для чего применяют дополнительное, по отношению к данным установкам, оборудование – теплообменники, линии связи, вентиляторы, насосы и др. Очевидно, что организация процесса отбора теплоты от продуктов сгорания и ее утилизации требует не только дополнительных капитальных затрат, но и влечет дополнительный расход электроэнергии. Электрическая мощность расходуется электродвигателями дымососов тракта продуктов сгорания, вентиляторами и насосами аэродинамических и гидравлических систем, сопряженных с данным трактом. Очевидно, что различные схемотехнические решения УКИТ, утилизирующей тепловые ресурсы от одной и той же промышленной теплоиспользующей установки, например, стекловаренной печи, могут различаться как капитальными затратами, так и уровнями потребляемой электрической мощности. Так, использование теплообменников с высоким аэродинамическим сопротивлением, дымососов, вентиляторов и насосов с низким КПД, нерациональная трассировка линий связи установок могут существенно повысить уровень потребления электроэнергии установкой, что, в конечном счете, снизит её энергетическую эффективность. Очевидно, что оптимизация технологических и экономических характеристик УКИТ может быть достигнута только в рамках системного подхода. При этом важнейшая роль в методологии постановки задач, способах их решения отводится методам системного анализа. Объясняется это тем, что УКИТ представляет собой совокупность различного по целевым функциям и техническим характеристикам оборудования, при этом технические характеристики отдельных элементов установки взаимосвязаны и взаимоопределяемы. Так, например, тепловые и аэродинамические характеристики теплообменников определяют аэродинамическое сопротивление тракта продуктов сгорания, их объемный расход и, как следствие, влияют на выбор дымососа и его энергетические характеристики. В свою очередь, ограниченная номенклатура дымососов накладывает дополнительные ограничения на выбор теплообменного и другого оборудования УКИТ.

Один из основоположников общей теории систем Л. фон Берталафи понимал под системой взаимосвязь элементов, находящихся в определенных отношениях друг с другом и образующих некоторое единство. К основным системным принципам он относил:

- целостность – принципиальная несводимость свойств системы к сумме свойств составляющих ее элементов и невыводимость из последних свойств целого;

- структурность – возможность описания системы через установление связей и отношений между элементами внутри системы;

- взаимозависимость системы и среды – система формирует и проявляет свои свойства во взаимодействии со средой, являясь его ведущим, активным компонентом;

- иерархичность – каждый элемент рассматривается как система по отношению к его составляющим и как подсистема по отношению к более широкой системе;

- функциональный характер системы и ее элементов – система в целом и каждый ее элемент выполняют строго определенные функции, несводимые друг к другу.

Перечисленные принципы являются универсальными и присущи любому типу систем, что создает методологическую основу для распространения методов системного анализа на широкий круг технических систем, в том числе и на промышленные установки комплексного или комбинированного использования теплоты. Конкретизируем сущность системных принципов применительно к данным установкам.

Целостность УКИТ – означает, что свойства установки как целого не могут быть сведены к сумме свойств составляющих ее элементов - теплообменников, линий связи, дымососов, вентиляторов, насосов и другого теплового и аэродинамического оборудования и, что особенно важно, невозможность выведения свойств установки как целого из свойств перечисленных выше элементов. Наличие данного системного принципа предопределяет возможность и необходимость выявления и последующего исследования интегральных свойств УКИТ. Очевидно, что принцип целостности предопределяет влияние на интегральные свойства установки ее компоновочных решений – местоположения дымососов и вентиляторов в тракте продуктов сгорания и сопряженных с данным трактом теплоиспользующих аэродинамических систем, взаимного расположения дымососов и теплообменников и др. Примером методологического использования принципа целостности УКИТ является установление явлений преобразования тепловой и механической энергий в установке и выявление ее интегральных характеристик энергетической эффективности [1].

Структурность УКИТ – использование принципа структурности УКИТ дает возможность расчленить общую задачу повышения эффективности установки на ряд частных задач – разработку принципиальных схем, создание и совершенствование теплообменного оборудования, др., а также выявить и оптимизировать связи между функциональными элементами установки.

Взаимозависимость системы и среды – предопределяет необходимость исследования комплекса вопросов, связанных с тепло-массообменными процессами взаимодействием установки с окружающей средой - потерями теплоты функциональными элементами и линиями связи установки в окружающую среду, влиянием на состояние атмосферного воздуха веществ, содержащихся в выбросах установок, воздухообменом в помещениях, обслуживаемых системами вентиляции, сопряженными с УКИТ и др.

Функциональный характер системы и ее элементов – функции установки в целом не сводятся к функциям ее отдельных элементов: теплообменников, дымососов, вентиляторов, насосов, линий связи и другого оборудования. Это дает возможность разграничить и четко сформулировать целевые функции установки и ее отдельных элементов, на базе чего оказывается возможным осуществление технических решений по реализации функциональных требований.

Следует отметить, что все перечисленные выше системные принципы находят свое отражение в методологии исследований УКИТ, в том числе заимствованных из смежных областей техники. В тоже время следует признать необходимость расширения методологической базы исследований УКИТ, основанных на применении принципа целостности установки. Связано это с тем, что, хотя и накоплен определенный опыт использования УКИТ для предприятий различных отраслей промышленности, данные установки представляют собой относительно новый класс технических теплогенерирующих и теплоиспользующих систем и, вследствие этого, очевидна необходимость выявления и практического использования сущностных интегральных признаков, присущих данному классу технических систем. А это, в свою очередь, может быть выполнено в результате исследований, базирующихся на системном принципе целостности и охватывающих проблематику, связанную с поиском и реализацией энергоэффективных компоновочных решений установок, в том числе с решением задачи определения энергосберегающих компоновочных решений при последовательном размещении теплообменников в тракте продуктов сгорания установки.

Учитывая изложенное, для оценки уровня энергетической эффективности УКИТ предлагаем использовать критерий, характеризующий затраты электроэнергии на утилизацию единицы тепловой энергии, равный отношению суммарной электрической мощности, потребляемой электродвигателями дымососов, вентиляторов и насосов установки, к величине утилизированной установкой тепловой мощности, :

. (1.1)

Чем ниже значение критерия , тем выше уровень энергетической эффективности УКИТ.

Необходимо отметить, что электропотребление установки в общем случае определяется не только аэродинамическими характеристиками ее элементов, но и электрическими характеристиками электродвигателей, однако не вызывает сомнения тот факт, что организация теплообменных и аэродинамических процессов, сопровождающих работу УКИТ, существенно влияет на значение и определяет тем самым уровень энергетической эффективности установки в целом.

Очевидно, что предлагаемый критерий нельзя рассматривать как универсальный и однозначно определяющий целесообразность того или иного схемотехнического решения установки, так как достижение минимума величины может быть достигнуто за счет увеличения капитальных затрат на устройство установки, например, за счет увеличения сверх оптимальных размеров поперечных сечений линий связи. Поэтому оценка уровня энергетической эффективности УКИТ посредством величины будет объективна в том случае, если теплообменные и аэродинамические элементы установки выбраны на основе оптимизационных условий (оптимальных скоростей продуктов сгорания или воздуха в линиях связи, в поперечных сечениях теплообменников, оптимальных скоростей воды в трубопроводах и теплообменниках водяных систем теплоснабжения).

Важно отметить, что сравнение уровней энергетической эффективности различных схемотехнических решений УКИТ посредством использования возможно только при заданности одной из величин, определяющих данный параметр, например, при заданности величины тепловой мощности, утилизируемой установкой, или заданности суммарной электрической мощности, потребляемой электродвигателями. В этом случае параметр однозначно определяет схемотехническое решение, характеризующееся большей энергетической эффективностью.

В том случае, если различные схемотехнические решения установки различаются не только значением потребляемой электрической мощности, но и величиной утилизируемой тепловой мощности, необходимо учитывать неэквивалентность этих видов энергетических ресурсов посредством сопоставления стоимости утилизированной тепловой энергии в различных вариантах.

Стоимость утилизированной тепловой энергии, , определяется на основе расчета, исходя из капитальных затрат на устройство установки, срока их окупаемости, эксплуатационных расходов и пр., поэтому для каждого из рассматриваемых вариантов величина будет индивидуальной, а условию оптимальности будет соответствовать вариант с минимальным значением .

Критерий можно представить в виде:

, (1.2)

где - соответственно электрические мощности, потребляемые дымососом тракта продуктов сгорания, насосами и вентиляторами первой и n – й системами утилизации теплоты, сопряженных с трактом продуктов сгорания.

Из последней зависимости следует, что решение проблемы снижения расхода электроэнергии УКИТ может быть реализовано в направлении решения ряда локальных задач по повышению энергетической эффективности тракта продуктов сгорания и теплоиспользующих систем, сопряженных с данным трактом.

2.  Исследование и разработка энергосберегающих схем размещения теплообменного оборудования в трактах продуктов сгорания установок

Одной из задач, составляющих проблему оптимизации схемотехнического решения УКИТ, является выявление влияния характеристик теплообменных процессов, протекающих в теплообменных устройствах установки, на расход электроэнергии электродвигателем дымососа.

Характерная особенность УКИТ в том, что утилизация теплового потенциала продуктов сгорания осуществляется ступенчато, теплообменники устанавливаются в тракте продуктов сгорания установки последовательно и, следовательно, работают при разных значениях температур продуктов сгорания во входных патрубках теплообменников и различных температурных напорах теплообменивающихся сред. При этом температуры продуктов сгорания во входных патрубках теплообменников изменяются в пределах от 1100 до 150 оС. Это обусловливает необходимость использования в УКИТ различных по конструкции и принципу работы теплообменников, в том числе гладкотрубных типа «труба в трубе», с оребренными теплообменными поверхностями, контактных и др. Следует отметить, что в процессе проектирования и расчета теплообменных устройств УКИТ используют преимущественно методики, заимствованные из смежных областей техники и содержащие ряд допущений, нуждающихся в дополнительных обоснованиях. Прежде всего это относится к аэродинамическому расчету тракта продуктов сгорания и, в частности, к определению потерь давления продуктов сгорания в теплообменниках при их работе в режимах, которые не отражены в технических характеристиках теплообменных устройств.

Для выявления закономерностей, определяющих потери давления продуктов сгорания в теплообменниках, установленных в тракте продуктов сгорания УКИТ, исследуем потери давления теплоотдающей среды в теплообменнике типа «труба в трубе» (рис. 1).

Рис. 1. Схема процесса в теплообменнике типа «труба в трубе»

Когда течение сопровождается подводом теплоты к потоку, изменением геометрической высоты центра сечения канала, наличием сил трения и силы тяжести, преобразования энергии в потоке описываются дифференциальным уравнением Бернулли в усредненных по сечению канала переменных [2]:

. (2.1)

Применительно к неизотермическому потоку несжимаемой жидкости в горизонтальном канале постоянного поперечного сечения интегрирование уравнения (2.1) дает известный результат [3]:

. (2.2)

Последнее уравнение приводится к виду:

. (2.3)

Двучлен , применительно к рассматриваемому случаю, представляет собой полную механическую энергию единицы объема [4], называется полным давлением и обозначается Рn. Вследствие этого, изменение величины полного давления газа между сечениями 1 и 2 соответствует потерям давления газа на участке между указанными сечениями

, (2.4)

Величина в последней формуле характеризует потери давления транспортируемой среды между сечениями 1 и 2, отнесенные к скорости потока во входном сечении теплообменника, с учетом изменения значений полного давления потока в результате термодинамических процессов, сопровождающих теплообмен между транспортируемой и окружающей средой [5].

Установим факторы, определяющие первое слагаемое в формуле (2.4).

Работа сил сопротивления движению газа в трубе на участке , рис. 2.1, при отсутствии местных сопротивлений равна:

. (2.5)

Потери давления газа на участке dx, обусловленные действием сил сопротивления движению ,

. (2.6)

или

. (2.7)

В простейшем случае, когда отношение температурных напоров теплообменивающихся сред не превышает 2 , что характерно для условий работы теплообменников в УКИТ,

, (2.8)

допустимо принимать линейное распределение температур теплоносителя по длине теплообменника [5], тогда:

, (2.9)

где (2.10)

и формула (2.7) принимает следующий вид:

. (2.11)

Потери давления газа, обусловленные действием сил сопротивления его движению на участке 1-2, , определятся зависимостью

. (2.12)

Общие потери давления на участке 1-2 ы

, (2.13)

где - площадь поперечного сечения теплообменного канала.

Если канал для перемещения продуктов сгорания в теплообменнике содержит распределенные по длине канала сопротивления [6], например пучки труб, то последняя формула принимает следующий вид:

, (2.14)

где - коэффициент аэродинамического сопротивления канала, отнесенный к единице его длины.

Если в канале до и после поверхности теплообмена содержатся местные сопротивления, то формула (2.14) должна быть дополнена величинами, учитывающими дополнительные потери давления в местных сопротивлениях:

, (2.14)

где - соответственно суммы коэффициентов местных сопротивлений в канале до и после поверхности теплообмена;

, (2.15)

, (2.16)

где , , - соответственно площади поперечного сечения входного и выходного патрубков.

Формулы (2.13), (2.14) и (2.16) можно обобщить зависимостью вида

. (2.17)

Величины и в последней формуле являются характеристиками аэродинамического сопротивления соответственно участка от входного патрубка теплообменника до сечения с температурой продуктов сгорания, равной , и участка от сечения с температурой продуктов сгорания, равной , до выходного патрубка. Данные характеристики сопротивления отнесены к массовому расходу продуктов сгорания в теплообменнике и равны:

для зависимости (2.13)

; ; (2.18)

для зависимости (2.14)

; ; (2.19)

для зависимости (2.16)

; . (2.20)

Зависимость (2.17) определяет потери давления продуктов сгорания в теплообменнике, применительно к условиям, характерным для установок комплексного и комбинированного использования теплоты. Используем данную зависимость для определения энергосберегающих компоновочных решений по размещению теплообменников в УКИТ.

Рассмотрим участок тракта продуктов сгорания установки, в котором последовательно установлено n теплообменников и дымосос (рис. 2).

Рис. 2. Схема участка тракта продуктов сгорания УКИТ,

включающего дымосос и n теплообменников

В качестве исходных примем следующие характеристики системы:

-  режим стационарный;

-  ;

-  температуры продуктов сгорания на участках заданы:

- плотность продуктов сгорания на участках тракта не зависит от давления и является функцией только их температуры: ;

-  потери давления продуктов сгорания в теплообменниках и линиях связи описываются квадратичным законом сопротивления;

-  задана сумма характеристик аэродинамических сопротивлений теплообменников, установленных в тракте продуктов сгорания;

. (2.21)

Определим зависимость величины механической мощности, потребной для перемещения продуктов сгорания по тракту, от аэродинамических характеристик теплообменников при соблюдении представленных выше исходных данных.

При квадратичном законе сопротивления, потери давления в газоходах тракта, представленного на рис. 1, без учета аэродинамического сопротивления теплообменников, , отображаются формулой:

. (2.22)

Механическая мощность, подводимая к продуктам сгорания в дымососе и расходуемая на преодоление сопротивлений движению продуктов сгорания по газоходам, соединяющим теплообменники,

, (2.23)

где - объемный расход продуктов сгорания на входе в дымосос.

Общие потери давления продуктов сгорания в теплообменниках, можно определить, используя формулу (2.17)

(2.24)

Механическая мощность, подводимая к продуктам сгорания в дымососе и расходуемая на преодоление сопротивлений движению продуктов сгорания в теплообменниках,

. (2.25)

Очевидно, что в рамках принятых допущений , и являются величинами постоянными, так как массовые расходы продуктов сгорания и их температуры на участках газоходов, соединяющих теплообменники, являются величинами постоянными. Поэтому при вариации аэродинамических характеристик теплообменников изменяются только величины и , причем минимуму соответствует минимум .

Таким образом, задача поиска сочетания аэродинамических и тепловых характеристик теплообменников, при которых система, представленная на рис.1, характеризуется минимальными энергозатратами на транспортировку продуктов сгорания по тракту и сводится к минимизации величины , определяемой выражением (2.24) и, следовательно, к условию

. (2.26)

Решение последнего уравнения относится к проблематике раздела математики, изучающего сочетания и перестановки, и может быть найдено на основе использования методов дискретного анализа.

Для облегчения поиска решения уравнения (2.26) заменим систему из n последовательно расположенных теплообменников (рис. 2.) , эквивалентной ей по аэродинамическому сопротивлению системой, содержащей 2 n теплообменников, при этом каждый теплообменник, составляющий первоначальную систему, заменяется двумя последовательно расположенными теплообменниками, суммарное аэродинамическое сопротивление которых равно аэродинамическому сопротивлению базового теплообменника (рис. 3).

Рис. 3. Схема, эквивалентная по аэродинамическому сопротивлению схеме, представленной на рис.2:

1, i, n – порядковые номера базовых теплообменников;

1, 2, 2i-1, 2i, 2n-1, 2n – порядковые номера теплообменников в эквивалентной схеме

Зависимости между аэродинамическими сопротивлениями базовых и модифицированных теплообменников (рис. 3), имеют следующий вид:

- для первого базового теплообменника:

; (2.27)

; (2.28)

; (2.29)

- для i – базового теплообменника:

; (2.30)

; (2.31)

; (2.32)

- для n – го базового теплообменника:

; (2.33)

; (2.34)

. (2.35)

С учетом последних формул представим зависимость (2.26) в виде:

. (2.36)

Для конкретизации постановки задачи представим характеристики аэродинамического сопротивления теплообменников в виде последовательности , а температуры продуктов сгорания на входе в теплообменники в виде последовательности . Это позволяет сформулировать задачу следующим образом.

Требуется найти решение задачи минимизации суммы парных произведений членов двух последовательностей положительных чисел и .

Приведем один из возможных вариантов решения данной задачи, представленный в [7].

Покажем, что если найдутся две пары чисел и , такие, что и , то значение суммы попарных произведений можно уменьшить, заменив их парами и . Так как

(2.37)

то, раскрывая скобки, получим

. (2.28)

Поскольку число возможных перемещений равно 2т, то есть конечное число, то начиная с любого расположения за конечное число шагов заканчивается процесс улучшений на расположении, которое дальше улучшить невозможно. Это расположение соответствует сопоставлению возрастающей последовательности и убывающей последовательности . На достижении данного расположения и достигается минимум.

Найденное решение уравнения (2.26) позволяет сделать следующие выводы.

Температуры продуктов сгорания на входе в последовательно расположенные теплообменники тракта представляют собой убывающую последовательность, поэтому условию минимизации механической мощности, затрачиваемой на транспортировку продуктов сгорания по теплообменникам, соответствует положение о том, что характеристики аэродинамического сопротивления теплообменников должны представлять собой возрастающую последовательность. Из этого следует, что теплообменники, установленные на высокотемпературных участках тракта, должны характеризоваться минимальными значениями характеристик аэродинамического сопротивления. В них не допускается использовать конструктивные элементы, интенсифицирующие теплообменные процессы за счет увеличения аэродинамического сопротивления теплообменников. В максимальной степени этому условию соответствуют гладкотрубные теплообменники типа «труба в трубе» и радиационные рекуператоры. В то же время в теплообменниках, расположенных на низкотемпературных участках тракта, допустимо использовать как оребренные поверхности, так и различные способы интенсификации теплообмена, в том числе посредством турбулизации потока.

Вторым направлением снижения расхода электроэнергии дымососами тракта продуктов сгорания природного газа является использование высокотемпературных продуктов сгорания, отводимых от плавильных печей, в качестве теплоносителя в других технологических установках производственного цикла изготовления стеклянных изделий, в частности, в модифицированных печах отжига. Характерной особенностью данного технологического оборудования является минимальное значение скорости движения теплового агента в поперечном сечении теплообменного канала и, как следствие, малое значение интегральной характеристики аэродинамического сопротивления. Данный способ использования высокотемпературных продуктов сгорания отвечает не только технологическим требованиям, но и соответствует сформулированным выше положениям по экономии электроэнергии дымососами тракта продуктов сгорания, что позволяет рекомендовать его к применению при разработке установок комплексного использования теплоты продуктов сгорания природного газа на предприятиях по производству стеклянных изделий.

3.  Снижение энергопотребления дымососами тракта

продуктов сгорания при модернизации УКИТ

Устройство и модернизация УКИТ можно проводить в двух направлениях. Первое - связано с комплексным решением задачи утилизации теплоты продуктов сгорания посредством разработки и реализации оптимального схемотехнического решения установки. При этом создается единый комплекс теплообменного, аэродинамического, гидравлического и другого оборудования, составляющего УКИТ. Второе - связано со ступенчатой реализацией УКИТ, причем на первой стадии в тракте продуктов сгорания устанавливаются теплообменники, предназначенные для отбора теплоты от высокотемпературных продуктов сгорания, а на последующих стадиях - теплообменники, отбирающие теплоту от средне - и низкотемпературных продуктов сгорания. Очевидно, что изложенные в разделе 2 принципы поиска энергосберегающих компоновочных решений теплообменного оборудования применимы в том случае, если реализация УКИТ осуществляется по первому направлению.

В том случае, если производится модернизация УКИТ путем установки в тракте последовательно с существующими теплообменниками дополнительных, необходимо выявить факторы, определяющие влияние режимов работы теплообменников на энергопотребление дымососа.

Теплообменники УКИТ являются устройствами, в которых происходит изменение термодинамических параметров теплообменивающихся сред – полного давления и объемного расхода, что в свою очередь, определяет аэродинамические характеристики тракта продуктов сгорания и в конечном счете – потребление электроэнергии электродвигателем дымососа. Установка в тракте продуктов сгорания дополнительного теплообменника, работающего в режиме охладителя, обусловливает разнонаправленное влияние факторов, определяющих энергопотребление дымососа тракта. При G=const, установка дополнительного теплообменника приводит к увеличению потерь давления продуктов сгорания в тракте, что вызывает необходимость увеличения полного давления дымососа и, как следствие, увеличение потребляемой им мощности. В то же время охлаждение продуктов сгорания в теплообменнике вызывает уменьшение объемного расхода продуктов сгорания на входе в дымосос, что, в общем случае, способствует уменьшению мощности, потребляемой дымососом.

Рассмотрим тракт продуктов сгорания (рис. 4).

Рис. 4. Схема тракта продуктов сгорания УКИТ с одним теплообменником: 1 – печь; 2 – теплообменник;

3 – дымосос; 4 - дымовая труба

При отключенном теплообменнике и транспортировке продуктов сгорания по байпасному каналу механическая мощность, подводимая к потоку в дымососе,

. (3.1)

При подключении теплообменника, перекрытии байпасного канала и сохранении массового расхода продуктов сгорания в результате изменения их температуры после теплообменника до температуры , объемный расход продуктов сгорания становится равным , а потери давления в тракте продуктов сгорания . При этом:

, (3.2)

где - потери давления продуктов сгорания между сечениями 2-го и 3-го тракта при пропуске продуктов сгорания через теплообменник;

- потери давления продуктов сгорания между сечениями 2-го и 3-го тракта при пропуске продуктов сгорания через байпас;

- изменение потерь давления продуктов сгорания на участке тракта после сечения 3 вследствие изменения удельного объема продуктов сгорания в результате их охлаждения в теплообменнике.

Величину можно установить, исходя из следующего. Потери давления тракта продуктов сгорания между сечениями 3-го и 4-го определяются следующей зависимостью:

, (3.3)

где - эквивалентные диаметры газоходов на участках тракта между сечениями 3 и 4;

- соответственно коэффициенты трения, местного сопротивления на участках и их длины;

- характеристика сопротивления тракта продуктов сгорания между сечениями 3-4.

Используя последнюю зависимость, выражение для определения можно представить в следующем виде:

. (3.4)

Общие потери давления в тракте продуктов сгорания

. (3.5)

С учетом зависимости (3.5) выражение для определения требуемой механической мощности для перемещения продуктов сгорания по тракту при переменной температуре продуктов сгорания после теплообменника, принимает следующий вид:

. (3.6)

Последнее выражение устанавливает зависимость величины механической мощности, потребной для транспортировки продуктов сгорания по тракту, от температуры продуктов сгорания после теплообменника.

Установим условия, при которых

, (3.7)

что соответствует условию, при котором установка теплообменника в тракте продуктов сгорания не повышает величину механической мощности, потребной для их транспортировки по тракту.

. (3.8)

Обозначим суммарные потери давления продуктов сгорания на всех участках тракта кроме теплообменника

. (3.9)

С учетом последнего выражения зависимость (3.8) приводится к виду:

. (3.10)

Из зависимостей (3.9) и (3.10) можно получить величину аэродинамического сопротивления теплообменника, при котором его установка в существующий тракт продуктов сгорания не приводит к увеличению механической мощности, потребной для транспортировки продуктов сгорания по тракту:

. (3.11)

Рассмотрим вариант установки в тракт продуктов сгорания второго теплообменника (рис. 5).

При установке в тракте продуктов сгорания второго теплообменника изменяется температура продуктов сгорания на входе в дымосос, поэтому при сохранении массового расхода продуктов сгорания, объемный расход дымососа изменяется до величины .

Рис.5. Схема УКИТ с двумя последовательно расположенными теплообменниками: 1- печь; 2, 5 – теплообменники,

3 – дымосос, 4 – дымовая труба

Объемные расходы , и связаны зависимостями:

, (3.12)

. (3.13)

Потери давления в тракте продуктов сгорания данной системы определяются зависимостью:

. (3.14)

Механическая мощность, необходимая для транспортировки продуктов сгорания,

(3.15)

или

. (3.16)

Обозначим суммарные потери давления продуктов сгорания на всех участках тракта, кроме теплообменника 2:

. (3.17)

Тогда

. (3.18)

Отсюда

. (3.19)

При установка в тракте второго теплообменника не приводит к увеличению механической мощности, потребной для транспортировки продуктов сгорания, соответствующее соблюдению этого условия значение

аэродинамического сопротивления второго теплообменника определяется следующей зависимостью:

. (3.20)

Обобщим зависимости (3.11) и (3.20) на случай установки в тракте продуктов сгорания n теплообменников (рис. 6).

Рис. 6. Схема тракта продуктов сгорания с n последовательно установленными теплообменниками.

1 – печь, 2 – первый теплообменник, 3 – дымосос,

4 – дымовая труба, 5 – n – й теплообменник

Если в тракте продуктов сгорания установлено n теплообменников (рис. 6), то используя описанную выше методику, получим следующие зависимости, определяющие условия, при которых установка каждого последующего по ходу движения продуктов сгорания теплообменника не приводит к увеличению величины механической мощности, необходимой для транспортировки продуктов сгорания по системе:

. (3.21)

При установка в тракте каждого последующего теплообменника не приводит к увеличению механической мощности, потребной для транспортировки продуктов сгорания. Соответствующее соблюдению этого условия значение аэродинамического сопротивления n-го теплообменника определяется следующей зависимостью:

. (3.22)

Зависимость (3.22) позволяет определять пороговые значения аэродинамических сопротивлений теплообменников при их поочередной установке в тракте продуктов сгорания при модернизации установки.

Проанализировав зависимости (3.11), (3.20) и (3.22), можно сделать вывод о том, что принципиально возможно получить дополнительный энергосберегающий эффект, связанный с сокращением расхода электроэнергии электродвигателем дымососа при установке в тракте дополнительных теплообменников. Для этого необходимо соблюдать неравентства (3.11), (3.20) и (3.22).

Выводы

Принципиальные особенности методики поиска энергосберегающих компоновочных решений по размещению теплообменного оборудования в трактах комплексных установок заключаются в следующем:

1.  При последовательной установке теплообменников в тракте продуктов сгорания, аэродинамические и энергетические характеристики тракта определяются не только соответствующими характеристиками теплообменников, но и их взаимным расположением в тракте;

2.  При заданных значениях характеристик аэродинамического сопротивления последовательно установленных теплообменников, минимальным значением аэродинамического сопротивления характеризуется компоновочное решение, отвечающее условию (2.26) и соответствующее размещению теплообменников с минимальными значениями характеристик аэродинамического сопротивления на высокотемпературных участках тракта, а теплообменников с повышенными значениями аэродинамических характеристик – на низкотемпературных участках;

3.  Принципиально возможно получить дополнительный энергосберегающий эффект, связанный с сокращением расхода электроэнергии электродвигателем дымососа при установке в тракте дополнительных теплообменников. Необходимым условием этого является соблюдение неравенств (3.11), (3.20) и (3.22).

4.  Получены зависимости (3.21) и (3.22), устанавливающие требования к аэродинамическому сопротивлению теплообменников при модернизации теплообменных систем тракта продуктов сгорания.

Литература

1.  , Новгородский анализа энергетических характеристик отопительно-вентиляционных систем //Известия высших учебных заведений. Строительство. – 2003. - №9. С. 105-109.

2.  Вукалович . - М.: Энергоиздат, 19с.

3.  Вулис газовых потоков. - М.: Энергоиздат, 19с.

4.  Фабрикант . Ч. 1. - М.-Л.: Госиздат техн.-теор. лит., 19с.

5.  , , Сукомел . - М.: Энергоиздат, 19с.

6.  Кутателадзе и гидродинамическое сопротивление. Справочное пособие. - М.: Энергоиздат, 19с.

7.  Ромадановский анализ. - СПб.: Невский Диалект, БХВ - Петербургс.