Интенсификация радиационно-конвективного теплообмена воздухонагревателей
Увеличение стоимости энергоносителей (с приближением цен на них к мировым) поставило в ряд актуальнейших задачу по снижению расхода энергоносителей как в промышленных технологических процессах, так и для целей отопления производственных, вспомогательных зданий и сооружений. Одним из направлений ощутимого снижения расхода энергоносителя является уход от централизованных систем отопления и переход на автономные. Применение конвективного воздушного отопления с помощью воздухонагревателей и радиационных излучателей позволяет отказаться от централизованных котельных. Общий к. п. д. таких систем на вновь построенном предприятии - не более 70% и понижается до 20-30% по мере их эксплуатации.
К недостатку конвективного способа отопления следует также отнести необходимость обогрева всего объема отапливаемого помещения. Однако несмотря на недостатки, отказаться от этого способа отопления не представляется возможным по ряду причин.
Во-первых, на многих промышленных предприятиях рабочие места организованы так, что образующиеся в процессе производства вредные вещества частично или полностью попадают в отапливаемое помещение, и утилизация их осуществляется устройством приточно-вытяжной вентиляции в соответствии с требованиями СНиП 2.04.05-91 и санитарных правил и норм (СанПиН). Очевидно, что с целью отопления помещений целесообразно приточный воздух подогревать.
Во-вторых, в ряде случаев (для малых цехов) целесообразно применять конвективный способ отопления.
Повышение эффективности конвективных систем отопления может быть достигнуто путем:
- сжигания газа непосредственно в теплообменниках - воздухонагревателях без промежуточного теплоносителя (пара или горячей воды), которые устанавливаются непосредственно в отапливаемом здании, совместив теплогенерирующую установку - воздухонагреватель с теплопотребляющим -тапливаемым помещением, исключив при этом теплотрассы;
- за счет использования тепла нагретого воздуха, поданного в отапливаемое помещение рециркуляцией или рекуперацией с целью подогрева холодного воздуха, забираемого вне здания и подаваемого на нагрев или горение.
Применение конвективного воздушного отопления с помощью воздухонагревателей и радиационных излучателей позволяет отказаться от систем паро-водяного отопления (централизованных котельных) дорогостоящих и ненадежных при низких температурах наружного воздуха.
Проведенный комплекс исследовательских и опытно-конструкторских работ, направленных на разработку высокоэффективных способов использования газа как топлива, интенсификацию радиационно-конвективного теплообмена в газовых поверхностных нагревателях и реализованных в воздухонагревателях (ВРК), позволяет решать задачи автономного эффективного энергосбережения.
Отличительной особенностью газо-использующих теплогенерирующих устройств (котлы, рекуперативные воздухонагреватели и т. п.) является наличие большого топочного объема, предназначенного для сжигания в нем газа с целью генерирования высокотемпературных продуктов сгорания, которые затем подаются на теплообменные конвективные поверхности.
Конвективный теплообмен является основным в таком газоиспользующем оборудовании, чем и объясняется большое количество исследований, направленных на получение высокоэффективной конвективной теплообменной поверхности, обеспечивающей повышение коэффициента теплоотдачи без значительного увеличения энергетических затрат на преодоление ее гидравлического сопротивления при прокачке теплоносителя или нагреваемой среды.
Рассмотрим схему теплообмена между цилиндрической топкой и нагреваемой газовой средой.
Воздух омывает цилиндрическую излучающую трубу топки и воспринимает излучением относительно малую часть тепла, т.к. содержит незначительное количество компонентов, поглощающих лучистую энергию.
Основная часть тепла излучается на стены. Это тепло передается конвекцией от стен к воздуху с малым коэффициентом теплоотдачи в силу из продольного омывания. Коэффициент конвективной теплоотдачи для труб диаметром 300-350 мм, поперечно обтекаемых потоком воздуха со скоростью 10м/с, составляет 30-35 Вт/кв. мoК.
При установке вторичной теплообменной поверхности воздушный поток омывает цилиндрическую топку и снимает конвекцией с ее поверхности такое же количество тепла, как и в случае без вторичной теплообменной поверхности.
Но теперь тепловой поток от цилиндрической топки передается излучением не только по стенам, но и по вторичным теплообменным поверхностям, которые эффективно его отдают конвекцией нагреваемому воздушному потоку. Поэтому суммарный коэффициент теплоотдачи будет значительно выше.
Применение вторичных поверхностей позволяет уменьшить общую поверхность цилиндрических нагревателей, работающих при одной и той же температуре.
Основными методами интенсификации конвективного теплообмена являются:
- увеличение поверхности теплообмена путем использования вторичных развитых поверхностей теплообмена;
- гидродинамическое воздействие на поток с целью его искусственной турбулизации;
- уменьшение определяющих геометрических размеров поверхности теплообмена;
- механическое воздействие на поверхность теплообмена.
Исследования, проведенные с цилиндрическими телами, позволили сделать следующие выводы:
- коэффициент конвективной теплоотдачи при поперечном обтекании значительно выше, чем при продольном;
- при прочих равных условиях величина коэффициента конвективной теплоотдачи обратно пропорциональна линейному размеру омываемой поверхности;
- в случае обтекания цилиндра малого диаметра может быть получен такой же тепловой эффект, как и при обтекании цилиндра относительно большего диаметра, но и при меньших скоростях движения потока.
Величина коэффициента конвективной теплоотдачи для проволоки 1-2 мм достигла 230-350 Вт/кв. м·К при скорости потока 10 м/сек. в диапазоне температур от 20 до 1000 0С [2].
Поверхность, представляющая упорядоченное сочетание цилиндрических тел малого диаметра, является весьма эффективной.
Сетка, сплетенная из цилиндрической проволоки, является наиболее просто выполняемой теплообменной поверхностью, реализующей указанные выше преимущества.
Кроме того, при использовании таких поверхностей в теплообменных аппаратах сочетаются два метода интенсификации конвективного теплообмена: уменьшение определяющих геометрических размеров поверхности теплообмена и гидродинамическое воздействие на поток с целью его искусственной турбулизации.
Проведенные исследования легли в основу комплекса опытно-конструкторских работ, основной целью которых являлось:
- создание газоиспользующего оборудования, позволяющего перейти промышленным предприятиям на автономное теплоснабжение;
- решение ряда технологических задач, связанных с рациональным использованием топливно-энергетических ресурсов.
Для сравнения рассмотрим технические характеристики воздухонагревателей без вторичных поверхностей теплообмена - ТГГ, ГПВ, ГГВ, и с вторичными поверхностями теплообмена (сеткой) - ВРК.
В воздухонагревателях ВРК в зависимости от расположения ступеней теплообменника, радиационной и конвективной по отношению к нагреваемому потоку воздуха, конструктивно просто реализуется прямоточная или противоточная схемы теплообмена.
При этом обеспечивается возможность высокотемпературного подогрева воздуха (до 200 0С) при к. п. д. не менее 90%.
Итак, при использовании вторичных поверхностей теплообмена (в рассмотренных случаях - сетчатых) увеличивается коэффициент полезного действия воздухонагревателя, уменьшаются его габаритные размеры, обеспечивается возможность высокотемпературного подогрева воздуха для использования его в технологических процессах сушки.
Литература:
1. Курбанов А. З. Энергосберегающее оборудование для автономных комплексных систем теплоснабжения промышленных предприятий. - Тверь, из-во "ГЕРС", 2001 г.
2. Кирпичёв М. В. О наивыгодной форме поверхностей нагрева. - М., ЭНИН, 1970 г.
| Автор: Л. Г. Мостовая Дата: 24.03.2005 Журнал Стройпрофиль 2-1-05 Рубрика: энергосбережение Внимание: Публикация является архивной и на текущий момент может быть не достоверной. |