Фиалко Н. М., Степанова А. И., Навродская Р. А., Пресич Г. А. Комплексные подходы для анализа эффективности воздухонагревателя теплоутилизационной системы // Международный научный журнал "Интернаука". - 2019. - №10.
Технические науки
УДК 621.036.7
Фиалко Наталья Михайловна
доктор технических наук, член-корреспондент НАН Украины
Институт технической теплофизики
Национальной академии наук Украины
Fialko Natalia
Doctor of Technical Science,
Corresponding Member of the NAS of Ukraine
Institute of Engineering Thermophysics of
National Academy of Sciences of Ukraine
Степанова Алла Исаевна
кандидат технических наук
Институт технической теплофизики
Национальной академии наук Украины
Stepanova Alla
Candidate of Technical Science
Institute of Engineering Thermophysics of
National Academy of Sciences of Ukraine
Навродская Раиса Александровна
кандидат технических наук
Институт технической теплофизики
Национальной академии наук Украины
Navrodskaya Raisa
Candidate of Technical Science
Institute of Engineering Thermophysics of
National Academy of Sciences of Ukraine
Пресич Георгий Александрович
кандидат технических наук
Институт технической теплофизики
Национальной академии наук Украины
Presich Georgiy
Candidate of Technical Science
Institute of Engineering Thermophysics of
National Academy of Sciences of Ukraine
КОМПЛЕКСНЫЕ ПОДХОДЫ ДЛЯ АНАЛИЗА ЭФФЕКТИВНОСТИ ВОЗДУХОНАГРЕВАТЕЛЯ ТЕПЛОУТИЛИЗАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ
INTEGRATED APPROACHES FOR ANALYZING THE EFFICIENCY OF THE AIR HEATER OF HEAT RECOVERY SYSTEM
Аннотация. На основе комплексных подходов исследуются причины возникновения эксергетических потерь и области их локализации в воздухонагревателе теплоутилизационной системы котельной установки. Определяется вклад каждого из диссипаторов эксергии и системы соединительных трубопроводов в эксергетические потери. Анализируются условия, при которых обеспечивается минимальный уровень эксергетических потерь.
Ключевые слова: воздухонагреватель теплоутилизационной системы, эксергетические потери, эффективность теплоутилизационного оборудования.
Summary. On the basis of complex approaches, the causes of exergy losses and the areas of their localization in the air heater of the heat utilization system of the boiler plant are investigated. The contribution of each of the exergy dissipators and the system of connecting pipelines to the exergy losses is determined. The conditions under which the minimum level of exergic losses is ensured are analyzed.
Key words: air heater of heat recovery system, exergy losses, efficiency of heat recovery equipment.
Разработка высококачественного теплоутилизационного оборудования для энергетических установок различного типа предполагает применение комплексных методик исследования эффективности и оптимизации теплоутилизационных систем, основанных на современных подходах к решению проблемы. Методы эксергетического анализа могут быть использованы для анализа эффективности энергетических установок различного типа [1-2]. Однако отсутствие соответствующей формальной процедуры [3] значительно ограничивает широту применения указанных методов. В настоящей работе используются методы эксергетического анализа в рамках комплексной методики, включающей также методы термодинамики необратимых процессов. Методика позволяет установить причины возникновения эксергетических потерь и области их локализации в воздухонагревателе теплоутилизационной системы котельной установки, а также определить значения параметров, в пределах которых обеспечивается минимальный уровень эксергетических потерь.
Эксергетические потери являются одной из причин снижения эффективности теплоутилизационных систем и их отдельных элементов. Такие потери связаны с гидродинамическим сопротивлением при движении теплоносителей, с необратимыми процессами при теплообмене между теплоносителями, с процессами теплопроводности. На базе комплексной методики, основанной на методах эксергетического анализа и термодинамики необратимых процессов, исследованы потери эксергетической мощности в воздухонагревателе теплоутилизационной системы котельной установки для котла ВК-21-М2. Рассматривалось семь режимов работы котла, при этом нагрузка котла изменялась от максимальной до минимальной в соответствии с ее изменением в течение отопительного периода.
Потери эксергетической мощности, связанные с необратимыми процессами при теплообмене между теплоносителями, с процессами теплопроводности и с гидродинамическим сопротивлением при движении теплоносителей, характеризовались соответствующими диссипаторами эксергии:
G – массовый расход теплоносителя, кг/с; Q – тепловая мощность, кВт; T – температура, К; Tст1 (Tст2) – температура стенки со стороны дымовых газов (воздуха), К; α1 – коэффициент теплоотдачи от дымовых газов к стенке, кВт/м2 К; α2 – коэффициент теплоотдачи от стенки к воздуху, кВт/м2 К; δ – толщина стенки, м; λ – коэффициент теплопроводности, кВт/м К; – коэффициент гидравлического сопротивления; – плотность. Индексы нижние: дг-дымовые газы; воз- воздух; ст – стенка.
Результаты расчетов диссипаторов эксергии, суммарного диссипатора эксергии и общих потерь эксергетической мощности в воздухонагревателе приведены в таблице 1.
Таблица 1
Результаты расчетов диссипаторов эксергии при различных режимах работы котла
|
Параметр |
Режимы работы котла |
||||||
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
|
|
Q, кВт |
71,5 |
59,1 |
46,3 |
35,4 |
52,9 |
39,5 |
23,8 |
|
Rαдг, кВт |
4,96 |
3,80 |
2,69 |
1,86 |
2,85 |
1,88 |
0,91 |
|
Rλ, кВт |
0,88 |
0,61 |
0,38 |
0,23 |
0,49 |
0,28 |
0,11 |
|
Rαвоз, кВт |
7,66 |
5,61 |
4,05 |
2,70 |
4,17 |
2,66 |
1,26 |
|
RGдг, кВт |
0,52 |
0,37 |
0,24 |
0,15 |
0,49 |
0,31 |
0,13 |
|
RGвоз, кВт |
0,28 |
0,20 |
0,14 |
0,09 |
0,30 |
0,20 |
0,08 |
|
KRαдг, % |
34,6 |
35,8 |
35,8 |
36,9 |
34,3 |
35,25 |
36,7 |
|
KRλ, % |
6,1 |
5,8 |
5,1 |
4,5 |
5,9 |
5,3 |
4,3 |
|
KRαвоз, % |
53,5 |
53,0 |
54,0 |
53,7 |
50,2 |
49,9 |
50,4 |
|
KRGдг, % |
3,6 |
3,5 |
3,2 |
3,0 |
5,9 |
5,8 |
5,2 |
|
KRGвоз, % |
2,0 |
1,9 |
1,9 |
1,8 |
3,6 |
3,7 |
3,3 |
|
Rсум, кВт |
14,3 |
10,6 |
7,5 |
5,0 |
8,3 |
5,3 |
2,5 |
|
Eобщ, кВт |
16,0 |
11,9 |
9,0 |
5,6 |
9,0 |
5,7 |
2,6 |
Как видно из таблицы, наибольшие потери эксергетической мощности в воздухонагревателе и соответственно наибольший относительный вклад K в суммарные потери Rсум, связаны с теплоотдачей от стенки к воздуху, наименьшие потери и вклад связаны с гидродинамическими потерями при движении воздуха. Эти характеристики остаются примерно постоянными при изменении теплопроизводительности Q. Потери эксергетической мощности в воздухонагревателе, характеризующиеся диссипаторами эксргии Rαдг и Rαвоз, больше (в 5-25 раз) потерь, характеризующихся диссипаторами Rλ, RGдг, RGвоз, для всех режимов работы котла. С уменьшением теплопроизводительности котла эксергетические потери, определяемые теплоотдачей от стенки к воздуху и от дымовых газов к стенке, существенно уменьшаются (на 3-5кВт), при этом уменьшение потерь, связанных с теплопроводностью и движением теплоносителей, незначительно. Сравнительный анализ суммарных эксергетических потерь, связанных с процессами теплопередачи и гидродинамическими потерями, и общих потерь в воздухонагревателе Eобщ позволил выделить потери эксергетической мощности, приходящиеся на систему соединительных трубопроводов. Эти потери составили от 4% до 10%. Таким образом, наиболее эффективным для общего снижения потерь эксергетической мощности в воздухонагревателе является снижение потерь, связанных теплоотдачей от стенки к воздуху. Изучены закономерностей влияния на диссипаторы эксергии коэффициента теплоотдачи от стенки к воздуху (рис.1).
Проанализированы закономерности изменения диссипаторов эксергии, связанных с теплоотдачей от стенки к воздуху при изменении коэффициента теплоотдачи. Увеличение коэффициента теплоотдачи от стенки к воздуху приводит к росту эксергетических потерь. Для значений коэффициента теплоотдачи (0,04-0,06) кВт/м2К этот рост незначителен, дальнейшее увеличение коэффициента теплоотдачи приводит к более существенному росту потерь. Определена область изменения коэффициента теплоотдачи от стенки к воздуху, в рамках которой обеспечивается минимальный уровень потерь эксергетической мощности. Оптимальная область изменения коэффициента теплоотдачи от стенки к воздуху составляет – 0,04-0,06 кВт/м2К.
Рис. 1. Зависимость диссипаторов эксергии R от коэффициента теплоотдачи со стороны воздуха αвоз: а) - режимы 1-4; б) - режимы 5-7; 1 - Rαдг; 2 - Rαвоз; 3 - Rλ; 4 - RGдг; 5 - RGвоз
Выводы. Установлены причины возникновения эксергетических потерь и области их локализации в воздухонагревателе теплоутилизационной системы котельной установки.
Литература
