RESEARCH OF MULTI-COMPONENT HEAT CARRIERS AND DEVELOPMENT OF TECHNICAL MEANS OF THEIR RECEIVING

Full Text

Внедрение энергосберегающих технологий в промышленности является частью энергетической стратегии России на период до 2030 г. Ежегодный объем потребления газового топлива в РФ в течение последнего десятилетия превышает отметку 450 млрд. м3 [1]. Значительная доля природного и сжиженного углеводородного газа расходуется промышленностью на различные технологические нужды: сушка и нагрев материалов, производство пара для установок по переработке сырья, выпаривание растворов, отопление помещений и др. Стремление максимально полно использовать теплоту, выделяющуюся при сгорании углеводородных топлив, а также существенно уменьшить массогабаритные параметры теплогенерирующей техники и ограничения на темп принятия нагрузки привело к реализации идеи применения смесительных теплогенераторов, в которых вода и образующийся водяной пар контактируют с продуктами сгорания непосредственно в объеме, заполненном продуктами полного сгорания природного газа. При этом образуется газопаровая смесь (ГПС) - теплоноситель, получаемый путем полного сжигания углеводородного топлива с последующим вводом в высокотемпературные продукты сгорания мелко распыленной воды в количестве до 40-45 % от массы продуктов сгорания, с последующим ее испарением и перемешиванием до образования однородной газопаровой смеси. Возможность повышения эффективности теплотехнологий за счет применения такого рода теплоносителя обосновывается на следующих сторонах применения газопаровых смесей: 1. Отсутствие либо значительное снижение потерь с уходящими газами, так как последние являются одним из компонентов данного теплоносителя. В качестве примера можно привести сопоставление Градостроительство и архитектура | 2018 | Т. 8, № 4 134 ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СТАНЦИИ И ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ подогрева нефтепродуктов в емкости с использованием ГПС, и применяемой в настоящее время технологии, при которой в качестве теплоносителей используются пар и горячая вода, поставляемые котельной [2]. Рекомендуемая температура уходящих газов tух на выходе из котлов различных типов при работе на природном газе принимается равной 120 °С [3], при этом потери с уходящими газами в окружающую среду составляют 3-4 % теплоты, полученной в результате сгорания топлива. При использовании ГПС в качестве теплоносителя, при температуре на выходе из тракта теплообменника tух = 50 °С, потери теплоты с уходящими газами представляется возможным снизить до 2-2,5 %, при одновременном обеспечении высоких значений коэффициента теплоотдачи от теплоносителя к стенке теплообменного аппарата. Интенсификация теплообмена достигается за счет частичной конденсации водяных паров, содержащихся в газопаровой смеси. 2. Процесс формирования теплоносителя происходит за счет тепломассообмена в объеме, где происходит перемешивание смешивающихся сред (капельной жидкости и газа), ввиду чего уравнение теплопередачи имеет вид [2]: Q = kvVΔt, (1) где kv - объемный коэффициент теплопередачи, связанный эмпирическими зависимостями, определяемыми для конкретного типа аппарата, с тонкостью распыла; V - полезный, или активный объем смесительной камеры; Δt - средняя разность температур теплоносителей. Данное обстоятельство предопределяет снижение массы и компактность теплогенерирующих устройств, вырабатывающих газопаровые теплоносители, что позволяет размещать их непосредственно в зоне потребления теплоносителя: в нефтедобывающей скважине, на входном трубопроводе технологической установки или сосуда и т. п., а также изготавливать теплогенераторы в конфигурации мобильных установок и ручного инструмента. 3. В случае, если технологическим процессом предусматривается конденсация теплоносителя, полезно используется скрытая теплота фазового перехода водяных паров, входящих в состав газопаровой смеси. 4. Возможность получения широкого диапазона температур теплоносителя (его теплосодержания) без изменения давления, путем регулирования отношения количества впрыскиваемой воды к расходу дымовых газов. В проведенном исследовании рассматривался процесс формирования газопаровых смесей, в которых водяной пар находится выше линии насыщения, т. е. такая смесь может рассматриваться как смесь идеальных газов. При фиксированном давлении температура газопаровой смеси находится в зависимости от количества воды, подведенной к продуктам сгорания в камере смешения. При неизменной производительности горелки увеличение массового расхода впрыскиваемой воды ведет к увеличению массового расхода смеси при одновременном снижении ее энтальпии. Выражение энтальпии газопаровой смеси имеет вид: h = hпсrпс + hвпrвп , (2) где hпс и hвп - соответственно энтальпии (при температуре и давлении сформировавшейся смеси) влажных продуктов сгорания в составе ГПС и перегретого пара, полученного при испарении впрыскиваемой воды; r - массовые доли соответствующих компонентов смеси. В качестве примера в работе исследовались ГПС на основе продуктов сгорания пропан-бутановой смеси с соотношением компонентов 50:50. Расчетным путем была получена зависимость температуры ГПС от количества вносимой влаги. Диаграмма состояния газопаровой смеси приведена на рис. 1. Помимо отношения массы Δdпс подводимой воды к массе влажных продуктов сгорания, являющегося технологическим параметром процесса выработки ГПС, отображено полное влагосодержание газопаровой смеси dгпс с учетом влагосодержания продуктов сгорания, которое необходимо для конечного потребителя в случае конденсации водяных паров, и выражается как dгпс = dпс + Δdспс, (3) где Δdспс - количество влаги, подводимой при впрыске воды, в расчете на 1 кг сухих продуктов сгорания, Δdспс = Δdспс·mвл пс / mсух пс. (4) Работы по созданию компактного, высокоэффективного и надежного генератора газопаровой смеси проводились на кафедре промышленной теплоэнергетики Самарского государственного технического университета с 2008 г. На первом этапе были заложены теоретические основы формирования газопаровых смесей, определены их физические свойства и произведены лабораторные исследования на опытном образце теплогенератора [4]. На втором этапе была проведена работа по поиску конструктивных решений для промышленной установки, разработаны и научно обоснованы мероприятия по интенсификации рабочего процесса, которые привели к созданию опытно-промышленного теплогенератора (рис. 2, 3). Был предложен и прошел экспериментальную проверку метод интенсификации контактного теплообмена, заключающийся в тонком распылении воды в продуктах полного сгорания газового топлива, находящейся в состоянии перегретой жидкости [5], с последующим дроблением капель жидкости С. Ю. Коротин, А. И. Щёлоков 135 Градостроительство и архитектура | 2018 | Т. 8, № 4 Рис. 1. Диаграмма состояния газопаровой смеси (топливо - пропан-бутан технический) в диапазоне температур 150-500 °С Рис. 2. Теплогенератор газопаровой ТГ-2А Рис. 3. Полевые испытания теплогенератора ТГ-2А на мельчайшие капли, высокий темп испарения которых позволяет формировать газопаровую смесь в пределах короткой камеры. На базе прежних разработок кафедры промышленной теплоэнергетики была создана и прошла цикл испытаний специальная короткофакельная многоструйная горелка для камеры сгорания теплогенератора, обеспечивающая полное сгорание газовоздушной смеси, позволившая минимизировать ее размеры [6] при значительной тепловой мощности устройства. Разработанный в рамках НИОКР по созданию малогабаритного генератора газопаровых смесей теплогенератор ТГ-2А мощностью 115 кВт представляет собой устройство, состоящее из водоохлаждаемой камеры сгорания длиной 590 мм при калибре 49 мм, оснащенной горелкой с периферийной подачей газа, рассчитанной на работу под давлением 0,1- 3,0 кгс/см2 и имеющей водяное охлаждение, а также камеры смешения длиной 700 мм, в которой происходит тонкое распыление предварительно нагретой воды и образование паровой фазы с последующим ее перемешиванием с продуктами сгорания, находящимися в паровой фазе. Размеры камеры сгорания были выбраны из соображений обеспечения полного сгорания газового топлива, которое для подобной горелки, согласно исследованиям на экспериментальном стенде ВНИИМТ [7], достигается на длине 12 калибров. Реализованная в ходе экспериментов методика испытаний позволила определить соотношение Градостроительство и архитектура | 2018 | Т. 8, № 4 136 ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СТАНЦИИ И ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ полезно используемой и затраченной теплоты через учет расходов соответственно газопаровой смеси в выходном сечении и исходных компонентов. В выходном сечении теплогенератора был установлен регулятор, позволяющий поддерживать заданное условиями опыта давление газопаровой смеси и соответственно ее расход. В качестве топлива использовалась пропан-бутановая смесь с теплотой сгорания Qнс = 104800 кДж/кг. Результаты испытаний подтвердили корректность методики расчета формирования ГПС, а также позволили установить диапазон устойчивой работы горелки в пределах от 30 до 110 % номинальной нагрузки при условии поддержания избыточного давления в камере сгорания свыше 0,3 кгс/см2. Коэффициент полезного действия теплогенератора составил 99,5 % на режиме номинальной нагрузки и 98,5 % при нагрузке 30 %. В ходе проработки экономической стороны внедрения технологии газопарового теплоносителя проводилось технико-экономическое сравнение систем теплоснабжения технологических установок производственного объекта с тепловой нагрузкой 2,5 Гкал/ч при следующих заданных параметрах отпускаемого теплоносителя (газопаровая смесь / перегретый пар): температура - 225 °С, необходимое избыточное давление для преодоления гидравлических сопротивлений - не ниже 0,2 кгс/см2. Вывод. Результаты проведенного анализа показали, что разница в себестоимости единицы отпущенной теплоты, при применении газопаровой технологии и при теплоснабжении от паровой котельной, составляет 16,4 % (без учета непроизводительных потерь теплоты при выводе парового котла на рабочий режим), в пользу применения газопаровых технологий.

About the authors

Semyon Y. KOROTIN

Samara State Technical University

Email: vestniksgasu@yandex.ru

Anatoliy I. SHCHELOKOV

Samara State Technical University

Email: vestniksgasu@yandex.ru

References

Supplementary files