Конденсационный теплообменник поверхностного типа и утилизаторы теплоты

Современное развитие энергетики характеризуется значительно возросшей стоимостью энергоносителей и всех видов природных ресурсов, а также постоянно увеличивающимися трудностями охраны окружающей среды от воздействия теплогенерирующих установок (ТГУ) и промышленных предприятий. Совершенствование энерготехнологии, энергосбережение, экономия топлива и других природных ресурсов, охрана окружающей среды - являются приоритетными направлениями развития фундаментальных исследований в области энергетики.

Анализ работы газифицированных теплогенерирующих установок показывает, что одним из путей существенного повышения коэффициента использования топлива является глубокое охлаждение (ниже точки росы) продуктов сгорания в конденсационных теплоутилизаторах (КТ). В этом случае повышение коэффициента использования топлива установки на 1 % осуществляется за счет снижения температуры уходящих газов на 2-4 ℃. В КТ наряду с охлаждением продуктов сгорания происходит снижение содержания в уходящих газах оксидов азота. Однако широкое внедрение КТ поверхностного типа существенно сдерживается отсутствием теоретических разработок по тепло- и массообмену в условиях конденсации водяных паров из продуктов сгорания.

Охлаждение дымовых газов в конденсационных теплоутилизаторах ниже точки росы снижает их влагосодержание, но не исключает возможности конденсации остаточных водяных паров в наружных газоходах и в дымовой трубе. Отсутствие фундаментальных исследований в этой области не позволяет принять правильное решение в практике проектирования КТ и вызывает неуверенность эксплуатационного персонала в возможности широкого использования КТ для повышения экономичности ТГУ. Основная задача состоит в определении параметров, при которых обеспечивается надежная эксплуатация наружных газоходов и дымовых труб, отводящих в атмосферу охлажденные и частично осушенные в КТ продукты сгорания.

К числу нерешенных задач, обуславливающих медленное внедрение конденсационных теплоутилизаторов, следует отнести следующие наиболее важные:

• изучение процессов тепло- и массообмена в конденсационных теплоутилизаторах поверхностного типа с целью установления числовых значений коэффициентов теплопередачи (теплоотдачи) рекуперативных теплообменников, работающих в условиях конденсации водяных паров из продуктов сгорания при их охлаждении ниже точки росы;
• разработка и исследование способов защиты наружных газоходов и газоотводящих труб от возможности конденсации остаточных водяных паров из дымовых газов, охлажденных в КТ;
• изучение тепло- и массообменных процессов, протекающих в газоходах при движении охлажденных в конденсационных теплоутилизаторах продуктов сгорания;
• количественное изучение газоочистных возможностей конденсационных теплоутилизаторов поверхностного типа и, в частности, установление степени очистки продуктов сгорания от оксидов азота;
• оценка экономической эффективности от внедрения КТ и использования конденсата продуктов сгорания в системе теплоснабжения котельной, а также за счет сокращения производительности действующей водоподготовительной установки;
• разработка и внедрение котельных установок, в которых осуществляется комплексное использование вторичных энергетических ресурсов и схем котельных установок без ХВО.

Общие сведения

Конденсационные теплоутилизаторы поверхностного и контактного типов позволяют охлаждать продукты сгорания ниже точки росы и дополнительно использовать скрытую теплоту конденсации содержащихся в продуктах сгорания водяных паров.

Механизм тепло- и массообмена в контактном теплообменнике при соприкосновении горячих дымовых газов (ненасыщенной парогазовой смеси) с холодной водой весьма сложен. Здесь одновременно происходят процессы конвективного теплообмена, диффузии, теплообмена при изменении агрегатного состояния и теплопроводности. Коэффициент теплоотдачи от газов к воде в контактном теплообменнике и от газов к поверхности нагрева в конденсационном поверхностном теплообменнике существенно выше (при прочих равных условиях), чем при «сухом», то есть чисто конвективном теплообмене.

Принцип действия контактных теплообменников заключается в подогреве воды горячими продуктами сгорания при непосредственном их соприкосновении. Тепло- и массообмен между дымовыми газами и водой при их непосредственном соприкосновении происходит благодаря разности температур и парциальных давлений водяных паров. Поверхностью нагрева в контактных аппаратах является поверхность пленки, капель и струек воды, через которую и происходит теплообмен между газами и водой. Одновременно происходит и массообмен между теплоносителями.

В отличие от поверхностных теплообменников, подогрев воды в контактных аппаратах возможен лишь до температуры мокрого термометра tM, примерно равной температуре кипения воды при парциальном давлении паров в дымовых газах. При температуре мокрого термометра между газами и водой достигается динамическое равновесие. При этом все тепло от продуктов сгорания затрачивается на испарение воды и в виде парогазовой смеси возвращается в поток продуктов сгорания. Такой процесс называют адиабатическим испарением (без подвода и отвода тепла извне), а температура tM — температурой воды при адиабатическом испарении. Таким образом, после установления и достижения водой температуры мокрого термометра охлаждение дымовых газов происходит только за счет испарения воды при постоянной tM.

Охлаждение в контактном теплоутилизаторе дымовых газов протекает при переменном влагосодержании последних, так как происходит влагообмен между водой и газами.

Известно, что температура, при которой начинается насыщение и выпадение (конденсация) в виде росы водяных паров, содержащихся в газах, называется точкой росы tp.

Характер изменения влагосодержания уходящих продуктов сгорания зависит от соотношения температуры уходящих из теплоутилизатора газов tyx и tp. Если температура уходящих из теплоутилизатора газов t"x будет равна температуре их точки росы (t'yx=tp), то влагосодержания продуктов сгорания до и после теплоутилизатора будут примерно одинаковы (Х'ух = Х"ух). Если при использовании контактного теплоутилизатора tyx превышает tp, то в этом случае происходит повышение влагосодержания уходящих продуктов сгорания (Х'ух < Х”ух), так как после контактного теплоутилизатора газы независимо от температуры близки к полному насыщению водяными парами. В этом режиме теплоутилизатор фактически работает как контактный испаритель.

В поверхностном тепло утилизаторе в отличие от контактного увеличение температуры уходящих продуктов сгорания выше tp не приводит к повышению их влагосодержания.

Особенностью процессов глубокого охлаждения продуктов сгорания является изменение их количества вследствие конденсации части водяных паров.

Таким образом на количество выделяющегося конденсата сильно влияет влагосодержание продуктов сгорания перед теплоутилизатором и температура уходящих газов на выходе из теплоутилизатора. Одним из путей увеличения количества выделяющегося из продуктов сгорания конденсата является искусственное увлажнение дутьевого воздуха за счет нагрева его в контактном воздухоподогревателе, например, сбросной теплой водой. В этом случае дутьевой воздух достигает практически полного насыщения Увлажнение дутьевого воздуха позволяет получить дополнительный эффект в виде уменьшения содержания оксидов азота. Установлено, что с увеличением содержания водяного пара в дутьевом воздухе с 0,01 до 0,03 кг/кг с.в. содержание окислов азота снижается в 2-3 раза.

Конденсационные теплоутилизаторы поверхностного типа

Для глубокого охлаждения дымовых газов ниже точки росы до последних лет использовались в основном только контактные теплообменники. Применение контактных теплообменников обеспечивает развитую поверхность и высокую интенсивность теплообмена, превышающую на порядок коэффициенты теплоотдачи при конвективном теплопереносе. Однако при этом нагреваемая контактным способом вода поглощает из продуктов сгорания углекислоту и кислород и может приобретать коррозийно-агрессивные свойства.

Для предупреждения коррозии необходимо производить термическую деаэрацию воды в атмосферных термических или вакуумных деаэраторах. В первом случае нужно нагревать воду до 100 ℃ паром, что требует установки в котельной паровых котлов. Системы с вакуумной деаэрацией сложны и не получили широкого распространения. Необходимость деаэрации нагретой контактным способом воды может в ряде случаев затруднить ее использование.

Радикальным способом устранения этих затруднений является использование для глубокого охлаждения уходящих газов конденсационных теплообменников поверхностного типа. Поверхность теплообмена конденсационных теплообменников значительно более развита по сравнению с обычными экономайзерами и составляет, как и в контактных теплообменниках, сотни квадратных метров на 1 м3 объема аппарата. Коэффициенты теплоотдачи от дымовых газов к поверхностям нагрева при глубоком охлаждении, сопровождающимся конденсацией водяных паров из газов, существенно выше коэффициентов конвективной теплоотдачи и соизмеримы с коэффициентами теплообмена для контактных аппаратов. Поверхностные конденсационные теплообменники вполне конкурентоспособны с контактными теплоутилизаторами и тем более с контактно-поверхностными аппаратами.

Ранее металлические экономайзеры за котлами проектировались из условия охлаждения дымовых газов в них до температуры 140-150 °С. Это было обусловлено в основном двумя обстоятельствами:
1) технико-экономической нецелесообразностью более глубокого охлаждения газов при имевшем место соотношении цен на топливо и металл;
2) возможностью коррозии теплообменных поверхностей выпадающим конденсатом при охлаждении газов до температуры ниже точки росы.

В настоящее время положение существенно изменилось и стало экономически целесообразным глубокое охлаждение дымовых газов в результате резкого повышения цен на топливо и тепловую энергию и появления более совершенных конструкций металлических теплообменников, в частности биметаллических.

Конденсационные котлы и экономайзеры изготовляют из различных материалов. Общим условием для всех конденсационных теплообменников поверхностного типа является высокая коррозионная стойкость, поскольку выделяющийся из продуктов сгорания конденсат имеет кислую реакцию. Для изготовления конденсационных теплообменников применяют нержавеющую сталь, чугун, медь, биметаллические трубы (сталь-алюминий), полимерные материалы и даже керамику. Применение коррозионно-стойких материалов позволило создать конденсационные теплообменники также для утилизации теплоты уходящих газов жидкого топлива.

Теплообменные поверхности конденсационных теплообменников имеют высокий коэффициент оребрения и являются компактными. Теплотехнические показатели поверхностных теплообменников, в которых должна происходить конденсация водяных паров из дымовых газов, во многом определяются температурой нагреваемого теплоносителя. Если в теплообменнике нагревается вода, то для конденсации водяных паров из дымовых газов необходимо, чтобы температура стенки теплообменника была ниже точки росы.

При нормальной эксплуатации котла коэффициент избытка воздуха в продуктах сгорания природного газа составляет 1,2-1,3, точка росы таких газов равна 53-55 ℃. Отсюда следует, что для работы теплоутилизатора в режиме конденсации всей его конвективной части, требуется, чтобы температура нагрева воды в конвективном пакете не превышала 50 °С.

Рис. Схема утилизации теплоты продуктов сгорания с использованием конденсационного поверхностного теплообменника 1-теплоутилизатор; 2-сетчатый фильтр; 3-распределительный клапан; 4-каплеуловитель; 5-гидропневматичекое обдувочное устройство.