Повышение эффективности судового водотрубного котла-утилизатора на основе моделирования тепловых и газодинамических процессов

1.2. Анализ и перспективы развития конструкций судовых котлов-утилизаторов Авторы ряда работ [16, 42, 59] отмечают, что выбор типа и характеристик котла-утилизатора всегда индивидуален и требует учета ряда параметров: - тип судна и район его плавания; - место размещения котла или котлов; - нужда судна в теплоте и энтальпия теплоносителей; - тип, количество и характеристики главных и вспомогательных двигателей; - род топлива для двигателей; - допустимое газодинамическое сопротивление газоходов за двигателями; - требования к глушению шума и искрогашению и др. В тоже время можно выделить ряд общих требований, характерных для КУ речных судов [30]: - высокая тепловая эффективность; - минимальные габариты и масса; - надежность; - простота и дешевизна обслуживания; - минимальные приведенные затраты; - безопасность эксплуатации; - управляемость и возможность регулирования производительности. Так же авторы рекомендуют обращать внимание на требования высокой технологичности и эргономичности котлов. Объектом исследования в данной работе является судовой водогрейный котел-утилизатор. Однако для полноты анализа с учетом преемственности ряда конструктивных решений в водогрейных и паровых котлах целесообразно рассмотреть основные типы обеих групп котлов-утилизаторов, с точки зрения удовлетворения указанным требованиям. Денисенко Н. И. и Костылев И. И. [25] выделяют четыре основных типа котлов-утидизаторов (рисунок 1.4). Рисунок 1.4 - Принципиальные схемы котлов-утилизаторов а – с естественной циркуляцией водотрубные; б – с естественной циркуляцией прямотрубные, газотрубные; в – с принудительной циркуляцией змеевиковые цилиндрической компоновки; г – с принудительной циркуляцией прямоугольной компоновки. Несмотря на значительную долю условности в данной классификации, она позволяет группировать котлы со сходными конструктивными параметрами и давать достаточно эффективную оценку их свойствам с учетом условий эксплуатации. Для формализации оценки целесообразно использовать общепринятые критерии совершенства котлов-утилизаторов. Коэффициент компактности поверхности нагрева: Кк = Апн/Vпн ; где Апн – площадь поверхности трубного пучка (по стороне газа), м2; Vпн – объем, занимаемый трубным пучком, м3. Тепловая эффективность: ку = (tгвх - tгвых)/( tгвх – tввх) где tгвх ,tгвых – температуры газов на входе и выходе котла-утилизатора, С; tввх – температура воды на входе в котел-утилизатор, С. Газодинамическое сопротивление: hку = Σihi где hi – сопротивление i-го участка проточной части КУ, Па. Относительная масса: мку = Мку/Фку где Мку – масса котла-утилизатора, кг; Фку – утилизационный тепловой поток, кВт. Для оценки параметров, трудно поддающихся формализации, таких как технологичность, простота обслуживания и т.п. воспользуемся данными наблюдений [33] механиков волжских судоходных компаний и аналитическими методами. По имеющимся данным газотрубные котлы-утилизаторы на речных судах появились впервые именно в России в 1909-1910 гг [33]. В 1912-1914 гг Коломенским заводом был разработан и широко использовался вертикальный газотрубный паровой котел-утилизатор с поверхностью нагрева 7…10 м2. В дальнейшем модернизированный на заводе «Красное Сормово» котел данной конструкции устанавливался на многие суда [33] рисунок 1.5. Рисунок 1.5 - Котёл-утилизатор Коломенского завода Особо следует отметить заслуги Российских специалистов в теоретическом обосновании эффективности утилизации теплоты отработавших газов. Одна из первых опубликованных работ, не потерявших своей актуальности до настоящего времени, нами найдена в журнале «Вестник волжского общества для надзора за паровыми котлами» №12 за 1914 год [28]. Автор работы, инженер Ю. Еленковский привёл основы теории утилизации, дал численную оценку эффективности работы утилизационной установки, предложил схему регулируемого газотрубного котла утилизатора рисунок 1.6. Рисунок 1.6 - Регулируемый газотрубный котел-утилизатор Газотрубные прямотрубные котлы-утилизаторы до настоящего времени активно применяются на флоте. Широко распространены вертикальные водотрубные котлы серии КАУ (рисунок 1.7) на судах пр. р97, р143, р131, р168, 912В и др. Котлы КАУ просты по конструкции, технологичны, неприхотливы в эксплуатации. Благодаря лёгкому доступу к теплообменной поверхности из стальных труб размером 45х4, легко могут быть очищены от сажистых отложений. В то же время котлы КАУ имеют и серьёзные недостатки: - низкий коэффициент теплоотдачи по газовой среде 10…20 Вт/(м2*К) и, как следствие, при относительно небольшой теплообменной поверхности (А={1,7; 4,5; 6,0}м2), низкую тепловую эффективность КАУ = 0,15…0,25; Рисунок 1.7 - Утилизационный автоматизированный водогрейный котел марки КАУ-6 1 – кран для спуска гудрона из приемной камеры 2; 3 – изоляция и обшивка корпуса котла 6; 4 – механизм привода газовой заслонки 5; 7 – трубки котла (45х4 мм) - малую глубину регулирования утилизируемого теплового потока из-за негерметичности газового поворотного шибера; - перегрев нагреваемой воды в режиме малого потребления теплоты из-за неудачного расположения байпаса внутри котла. В котлах-утилизаторах серии КУВ (рисунок 1.8) последний недостаток исправлен. Рисунок 1.8 - Водогрейный газотрубный утилизационный котел КУВ-75 В них применена более газоплотная поворотная шибер-заслонка с внешним байпасом. Однако тепловая эффективность увеличена очень незначительно. Тепловая эффективность котлов КУВ КУВ = 0,17…0,29. Относительная масса котлов КАУ и КУВ велика и составляет 12…20 кг/кВт. Существуют схемы утилизационных газотрубных котлов с горизонтальным расположением труб (рисунок 1.9). Однако, сколько-нибудь значительных преимуществ они не дают. Увеличение тепловой эффективности, улучшение массо-габаритных и других показателей может быть достигнуто путем применения водотрубных схем. Рисунок 1.9 - Горизонтально-газотрубный утилизационный котел При этом положительный результат достигается благодаря следующим факторам: - в водяных схемах используется поперечное обтекание газами теплообменных труб, характеризующееся значительно большим значением коэффициента теплоотдачи по газовой стороне; - в водотрубных котлах можно применять теплообменные трубы меньшего диаметра, например, ø22х2,0; ø22х3,0; ø25х2,5 мм вместо ø45х4,0; ø42х3,5 и т.п., что обеспечивает снижение массы и придаёт компактность трубным пучкам; - в них лучше организована циркуляция и увеличены скорости течения воды, что в целом обеспечивает снижение температур металла труб и трубных решёток, способствует уменьшению накипеобразования; - в водотрубных котлах благодаря гибкости труб малого диаметра лучше организуется компенсация температурных расширений, что способствует увеличению надёжности. Так, известна конструкция вертикального водотрубного утилизационного котла с естественной циркуляцией (рисунок 1.10) [43]. Рисунок 1.10 - Вертикальный водотрубный котел-утилизатор Благодаря поперечному обтеканию труб газовым потоком коэффициент теплоотдачи увеличен в 2,5 раза по сравнению с движением газа в трубах при одинаковых скоростях. В таких котлах используются трубы Ø22х3; Ø18х2,5 из сталей марок 20, 20К, 20П. Большое распространение на флоте получили цилиндрические водотрубные котлы-утилизаторы со спиральными гладкотрубными змеевиками, например, котлы серии КУП (рисунок 1.11) [43]. Змеевиковая компоновка трубной системы обеспечивает снижение массы и габаритов котла-утилизатора, даёт возможность размещения котла в ограниченном пространстве, например, в шахте машинного отделения. Котел имеет возможность регулировки производительности, допускает резкие скачки температуры рабочих газов. Относительная масса этих котлов хотя и лучше, чем у газотрубных, тем не менее весьма значительна МКУП = 5…9 кг/кВт. В эксплуатации змеевиковых котлов отмечаются следующие недостатки: - низкая ремонтопригодность; - затрудненная очистка труб от сажи и накипи. Рисунок 1.11 - Утилизационный котел КУП 19,5 Тепловая эффективность водотрубных котлов, эксплуатирующихся на речных судах остаётся недостаточно высокой: КУП = 0,2…0,3 [37]. Котлы КУП (рисунок 1.12) для крупных морских судов имеют лучшие показатели: МКУП = 2,1…5 кг/кВт; КУП = 0,3…0,54. Следует отметить, что эти котлы имеют прямоугольную компоновку змеевиков, с экономайзерами и пароперегревателями. Используются они в системах глубокой утилизации теплоты [37]. Рисунок 1.12 - Схема утилизационного котла КУП 700 Производимый такими котлами пар подаётся в объединённую систему пара и конденсата. Авторы книги [37] не считают такое решение удачным. Они отмечают, что «в этом случае затрудняется техническое обслуживание вспомогательного котла, который практически постоянно находится под давлением в горячем состоянии, кроме того, возможно возникновение чрезвычайных ситуаций» [37]. Следует отметить, что котлы КУП 700, КУП 1500 и другие устанавливаются на морских судах с мощными энергетическими установками и большим потреблением пара. В связи с этим, сложность конструкции и дороговизна этих котлов не является критическими в эксплуатации. Прямое перенесение конструктивных решений, использованных в котлах КУП на котлы речных судов, по нашему мнению, нецелесообразно по следующим причинам: - относительно высокая начальная стоимость и высокие эксплутационные затраты приведут к снижению экономических эксплуатационных показателей СЭУ; - при коротком навигационном периоде речных судов срок окупаемости сложных котлов типа КУП будет высоким. Опрос механиков речных судов с паровыми утилизационными котлами показывает [83], что эффективность котлов как парогенераторов невысока. Это объясняется несколькими причинами. Во-первых, дизель-генераторы большую часть времени работают на частичных нагрузках в интервале 60…75%. При этом отработавшие газы имеют температуру значительно ниже расчетной (250…270С). Во-вторых, плотные змеевиковые трубные пучки из-за слабой возможности очистки от накипных и сажистых отложений, как правило, сильно загрязнены и имеют низкий коэффициент теплопередачи. В результате паровые котлы-утилизаторы фактически работают в водогрейном режиме. Значительный положительный эффект, с точки зрения улучшения массогабаритных показателей котлов-утилизаторов, может быть получен путём использования оребрённых теплообменных труб. При этом низкий коэффициент теплоотдачи по газовой стороне компенсируется высоким значением площади оребрённой поверхности. Как правило, оребрённые трубные системы имеют низкое газодинамическое сопротивление, что так же является положительным. Примеры результатов применения оребрённых труб можно найти в [68]. На рисунке 1.13 показана эскизная компоновка оребрённых труб в котле UNEX G. Рисунок 1.13 - Схема расположения трубной системы в котле UNEX G 1 – рёбра; 2 – оребрённые змеевики; 3 – пароводяной коллектор; 4 – изоляция; 5 – водяной коллектор; 6 – пароводяной коллектор; 7 – 1-я секция; 8 – водяной коллектор; 9 – перегородка; 10 – 2-я секция Оребрение трубы применяется и на российских котлах. Например на котле КУП 1100 [68]. Однако, использование оребрённых труб сопровождается и отрицательными последствиями. Так, оребрение ухудшает ремонтопригодность трубной системы. Значительно затрудняется очистка труб от накипных отложений. Особенно это касается участков калачей с разворотом на 180. Наибольшие неприятности при использовании оребренных труб связаны с заносом межрёберных промежутков несгоревшими остатками дизельного топлива и масла. Удаление их очень затруднено из-за их высокой вязкости и адгезии к металлу. Химические пожаробезопасные растворители воздействуют на них очень слабо. Органические активные растворители могут быть применены только в безопасных условиях, характерных для специализированных предприятий. Существуют и другие проблемы обеспечения нормальной эксплуатации оребрённых змеевиковых труб. Так в [25] приводятся данные об усиленной коррозии змеевиков в участках калачей, а также о низкотемпературной коррозии рёбер. Одним из современных направлений улучшения основных эксплуатационных показателей котельной техники является поиск и внедрение методов интенсификации теплоотдачи [46, 66, 70, 73]. Применительно к котлам-утилизаторам наибольший интерес вызывают методы пристенной интенсификации теплоотдачи путем формирования на поверхности труб кольцевых канавок-выступов и сферических лунок [46, 66]. Значительный эффект интенсификации теплопередачи получен на трубах объёмно-витого профиля [70]. Имеется большое число данных о применении различного рода завихрителей [46, 66,70]. С точки зрения технологичности и удобства применения в котлах утилизаторах, на наш взгляд, перспективно использование результатов работы [46]. Автором предложено профилировать теплообменные трубы котлов образованием систематической структуры лунок на поверхности труб с образованием сферических выступов внутри труб. Это обеспечивает увеличение коэффициента теплоотдачи как внутри, так и снаружи труб. Поиск оптимальных геометрических соотношений показал возможность увеличения коэффициента теплоотдачи данным методом в 1,6…2,0 раза, при росте сопротивления в 1,6…2,5 раза. Важным технологическим достоинством метода луночной интенсификации теплопередачи труб является то, что профилировка выполняется со стороны наружной поверхности труб внутрь. Это позволяет использовать такие трубы при монтаже котлов точно так же как и гладкие. Соответственно, известные компоновочные решения, в том числе рассмотренные выше, сохраняются. На основании анализа известных конструктивных решений можно сделать следующие выводы: - перспективы совершенствования судовых котлов-утилизаторов связаны не с одним каким-либо физическим показателем, а с улучшением комплекса характеристик. В первую очередь это тепловая эффективность, газодинамическое сопротивление, показатели надёжности и габариты; - с учётом того, что свойствам высокой тепловой эффективности, компактности и мощности в последние годы уделяются большое внимание на водном транспорте большое распространение получают котлы-утилизаторы водотрубного типа; - дальнейшего улучшения эксплуатационных характеристик котлов-утилизаторов можно достичь путём использования новых методов интенсификации теплоотдачи, применением эффективных схем тока теплоносителей, оптимизации конструктивных параметров в направлении технологичности изготовления, простоты обслуживания и ремонта, обеспечения необходимых с точки зрения надёжности температурных режимов работы материалов котлов.

Похожие:

	Термины и определения Технические требования на поставку комплектного водогрейного котла-утилизатора (кув) горизонтального		Типовая инструкция по пуску из различных тепловых состояний и останову... Инструкция предназначена для инженерно-технического персонала тепловых электростанций. Настоящая Инструкция выпускается вновь. Из...
	На поставку парового водотрубного котла дквр-4-13гм для нужд Акционерное общество «Марийский машиностроительный завод», именуемое в дальнейшем		Типовая инструкция по технической эксплуатации систем транспорта... Инструкция предназначена для персонала организаций, осуществляющих эксплуатацию тепловых сетей в составе организаций и предприятий,...
	6 июля 1998 года Вводится в действие Инструкция предназначена для персонала организаций, осуществляющих эксплуатацию тепловых сетей в составе организаций и предприятий,...		Рабочая программа дисциплины «Имитационное моделирование» Направление подготовки «Имитационное моделирование» являются получение теоретических знаний по имитационному моделированию и приобретение практических навыков...
	Основным направлением развития машиностроения является повышение... Это обеспечивается совершенствованием существующих и внедрения новых видов оборудования, технологических процессов и средств их механизации...		Примерная программа профессионального модуля техническая эксплуатация... Примерная программа профессионального модуля разработана на основе Федерального государственного образовательного стандарта по специальностям...
	Минимальный перечень документов и информации по энергоблокам тепловых... Типы турбины и котла, входящих в состав энергоблока, основные технические характеристики энергоблока, турбины, котла, в том числе...		Инструкция по сборке кожуха Описание котла Производить эксплуатацию котла только после изучения и ознакомления указаниями по эксплуатации котла
	ИМ. К. Д. Памфилова Повышение эксплуатационной надежности магистральных и внутриквартальных тепловых сетей		К городской целевой программе «Энергосбережение и повышение энергетической... Информационная система в области энергосбережения и повышения энергетической эффективности 5
	Последняя редакция коллективный договор бюджетного учреждения Чувашской Республики Бу «рссмп» Минздравсоцразвития Чувашии, направлен на повышение социальной защищенности работников, на обеспечение стабильности и...		Котла паспорт котла При передаче котла другому владельцу вместе с котлом передается настоящий паспорт
	Руководство по эксплуатации паспорт Перед установкой котла необходимо обратить особое внимание на п. 4 «Меры безопасности», п. 6 «Монтаж котла и системы отопления»,...		Руководство по эксплуатации паспорт Перед установкой котла необходимо обратить особое внимание на п. 4 «Меры безопасности», п. 6 «Монтаж котла и системы отопления»,...