На сегодняшний день из-за ускорения процесса индустриализации, увеличения энергозатрат на добычу и транспортировку природных ресурсов, объем энергопотребления непрерывно увеличивается. Основными аспектами для повышения экономичности энерготехнологических установок являются: снижение вредных выбросов в атмосферу, повышение энергетической эффективности за счет рационального использования топлива, интенсификация теплообменных процессов в различных элементах котлов [1]. Технико-экономические показатели теплоэнергетических установок в значительной мере определяются параметрами теплообменного оборудования, поэтому возрастают важность и актуальность проблемы их совершенствования: сокращения размеров и массы (металлоемкости) теплообменных аппаратов, снижения мощности прокачивания теплоносителей через аппарат при условии фиксированной теплопроизводительности. Очевидно, что в настоящее время и в перспективе один из главных технически и экономически наиболее доступных и обоснованных путей уменьшения массы и повышения экономичности энергоустановок — это совершенствование теплообменного оборудования, которое можно осуществить благодаря использованию эффективных способов интенсификации теплообмена.
Интенсификация теплообмена и повышение энергетической эффективности представляют большой интерес и имеют огромное значение для жаротрубных котлов малой и средней мощности, которые широко применяются в децентрализованных системах теплоснабжения. Это наиболее доступный, технически и экономически обоснованный путь совершенствования теплообменного оборудования, в результате которого возникает возможность уменьшить массогабаритные характеристики котлоагрегатов, не изменяя их тепловую мощность, или прибегнуть к повышению тепловой мощности котлов, сохраняя массогабаритные характеристики.
В элементах жаротрубных котлов теплоперенос осуществляется, прежде всего, конвективным и радиационным (лучистым) теплообменом. Методы интенсификации конвективного теплообмена направлены на снижение термического сопротивления пристеночных слоев сред при конвективном теплообмене в основном путем аэродинамического воздействия на газовый поток, в ходе которого происходит его искусственная турбулизация, что способствует увеличению коэффициента теплоотдачи. Увеличение лучистой составляющей теплопереноса не ведет к турбулизации газового потока, а, следовательно, не связано с дополнительными затратами энергии. Излучение изменяет формирование пограничного теплового слоя у поверхности трубы и исключает подобие теплообмена и гидравлического сопротивления.
В основном реконструкции подвергается жаротрубный элемент, а интенсификация процессов теплопереноса в топке редко встречается и мало изучена, хотя большая часть теплоты выделяется именно в топке, которая занимает значительный объем котла. Интенсификация теплообмена в топке может улучшить энергоэффективность, экологические характеристики и массогабаритные показатели котла (КПД возрастает на 1–3 %, выбросы СО уменьшаются в 5 раз, NO x — в 2 раза). В обоих случаях суммарное количество теплоты, поглощаемое или отдаваемое поверхностью, пропорционально эффективной площади поверхности теплообмена. Но в условиях радиационного теплообмена, в отличие от конвективного, действуют другие физические процессы теплопереноса, подходы к конструированию и методам расчета развитых поверхностей теплообмена [2].
Задача определения эффективности различных методов и устройств интенсификации теплоотдачи является комплексной и достаточно трудной из-за ее многообразия критериев. многокритериальности, которая включает в себя не только теплогидравлическую эффективность, но и экономические, производственные факторы, надежность и безопасность. В большинстве случаев при использовании методов интенсификации теплоотдачи разработчики теплообменных аппаратов кроме выполнения технических условий и обеспечения заданных рабочих характеристик теплообменников ставят перед собой такие цели, как повышение тепловой мощности, снижение температурного напора и уменьшение массогабаритных характеристик. Методы интенсификации направлены на снижение термического сопротивления пристенных слоев в теплообменнике, способствуя повышению коэффициента теплоотдачи с увеличением площади его поверхности или без него [3].
На сегодня существует масса способов увеличения коэффициента теплоотдачи. Воздействие непосредственно на поток рабочей среды относится к активным методам интенсификации, среди которых можно выделить основные:
— вибрация поверхности с различной частотой;
— интенсификация теплообмена с помощью механических средств;
— пульсация потока теплоносителя; воздействие на поток электростатических полей;
— отсос потока, основанный на удалении пара при пузырьковом или пленочном кипении, или на удалении жидкости через пористую поверхность теплообмена при однофазном течении.
Пассивные методы характеризуют воздействие на саму поверхность теплообмена. Основными способами пассивного воздействия являются:
— применение шероховатых поверхностей (различных типов рифлений, канавок, выступов);
— применение развитых поверхностей (оребренных труб, пластинчатых теплообменников);
— применение устройств, интенсифицирующих теплообмен за счет турбулизации пограничного слоя;
— применение устройств, закручивающих поток в ядре потока вдоль оси;
— подмешивание к потоку газа твердых частиц и капель жидкости, которые образуют разбавленные или плотные смеси.
Комбинирование методов интенсификации, при котором применяются два или более из перечисленных выше методов одновременно, является наиболее эффективным подходом. Разные методы интенсификации подходят для разных областей применения. Например, для газовых теплообменников часто используются развитые поверхности, а для жидкостных — турбулизаторы потока.
Для интенсификации теплообмена в жаротрубных котлах малой и средней мощности наиболее распространенными устройствами, которые реализуют принцип перемешивания (турбулизации) потока теплоносителя служат турбулизаторы, которые значительно увеличивают коэффициенты теплоотдачи (до 10 раз для однофазных теплоносителей). Турбулизаторы заменяют необходимость установки более сложных и дорогих компонентах, таких как экономайзеры и воздушные подогреватели. Они легко изготавливаются, монтируются и демонтируются, не требуют дополнительных эксплуатационных затрат. Современные турбулизаторы, разработанные для минимизации потерь давления и предотвращения осаждения сажи, легко демонтируются для профилактических работ благодаря пружинным затворам.
На рисунке приведены примеры наиболее распространенных видов интенсификаторов.
Рис. 1. Интенсификаторы теплообмена (турбулизаторы потока): а) малые диафрагмы и выступы в трубах; б) трубы с волнистой осью; в) внутреннее оребрение; г) спиральные накатки; д) кольцевые накатки; е) пружинные проволочные вставки; ж) закручивающие лопатки, скрученные ленты; з) трубы типа конфузор-диффузор; и) спиральные профилированные трубы
Основным типом турбулизаторов, используемых в дымогарных трубах котлов, являются поверхностные интенсификаторы, выполненные в виде спиральных проволочных вставок, кольцевой или спиральной накатки, выштамповок различной формы. Устройства, закручивающие поток в каналах, создают вторичную циркуляцию, что дополнительно повышает теплообмен, увеличивая интенсификацию теплоотдачи в 1,8–5 раз. При течении кипящих теплоносителей увеличение критических тепловых потоков возможно до 100 %. Турбулизаторы работают, разрушая пограничный слой и турбулизируя пристенные слои газового потока, что способствует более эффективному перемешиванию теплоносителя и увеличению теплоотдачи от теплообменной поверхности. Экономия тепловой мощности при использовании турбулизаторов позволяет обеспечить необходимую тепловую мощность при меньших расходах теплоносителя и затратах на прокачку. Эффективность котлов с турбулизаторами может достигать 92–96 % [4, 5].
За рубежом методы интенсификации теплообмена используются гораздо шире, чем в России, что создает технологический разрыв и отставание от мировых тенденций. Анализ мирового опыта, изучение и адаптация зарубежных технологий и решений поможет быстро и эффективно внедрить передовые методы. Важно донести до предприятий и специалистов информацию о преимуществах интенсификации, ее потенциальной экономической выгоде и возможностях улучшения характеристик оборудования. Создание собственных отечественных разработок, учитывающих специфику российского теплообменного оборудования и условий эксплуатации, позволит добиться максимальной эффективности.
В целом, для повышения эффективности теплоэнергетики в России необходимо:
— информирование и обучение посредством проведения семинаров, конференций, публикация статей о преимуществах интенсификации;
— финансовая поддержка научных исследований, направленных на разработку новых методов и технологий интенсификации теплообмена;
— создание стимулов для предприятий, применяя программы государственной поддержки, налоговых льгот для предприятий, внедряющих инновационные технологии;
— развитие сотрудничества с зарубежными компаниями для обмена опытом и технологиями с лидерами в области интенсификации теплообмена.
— разработка нормативной базы — создание стандартов и требований к теплообменному оборудованию, стимулирующих внедрение эффективных методов интенсификации.
Для внедрения новых технологий необходимы четкие расчеты и доказательства технико-экономическое обоснование целесообразности их применения. Интеграция результатов научных исследований в практику — ключ к созданию инновационных технологий в области интенсификации теплообмена, главная цель которой — не просто увеличение теплоотдачи, а достижение оптимального баланса между теплопередачей и гидравлическим сопротивлением для повышения КПД и минимизации затрат.
Литература:
- Семенова Н. С., Шмелева С. Е., Суконкина Ю. Ю., Готулева Ю. В. Повышение энергоэффективности водогрейных котлов малой мощности // Материалы XI Международной студенческой научной конференции «Студенческий научный форум» — URL: https://scienceforum.ru/2019/article/2018011124?ysclid=m8bofft2bj462213780 (дата обращения: 16.03.2025).
- Мавджудова Ш. С. Повышение эффективности конвективного теплообмена в котлах малой мощности // Молодой ученый. — 2019. — № 13 (251). — С. 78–80. — URL: https://moluch.ru/archive/251/57608/ (дата обращения: 16.03.2025).
- Батраков П. А., Атрахименок Д. И., Мухаметшина Е. А. Методы интенсификации теплообмена в топках газотрубных котлов малой и средней мощности // Вопросы энергетики. — 2016. — № 1; — URL: https://energo.esrae.ru/ru/1–20 (дата обращения: 16.03.2025).
- Попов И. А., Яковлев А. Б., Щелчков А. В., Рыжков Д. В. Интенсификация теплообмена — рациональный способ повышения эффективности газотрубных котлоагрегатов // Энергетика Татарстана. — 2010. — № 4 (20). — С. 8–15.
- Попов И. А., Гортышов Ю. Ф., Олимпиев В. В. Промышленное применение интенсификации теплообмена — современное состояние проблемы (обзор) // Теплоэнергетика. — 2012. — № 1. — С. 3–14.
