Совершенствование высокотемпературных рекуператоров как способ повышения эффективности использования топлива в нагревательных печах

Краткое описание

НАЦИОНАЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ НАУК УКРАИНЫ
ИНСТИТУТ ГАЗА

На правах рукописи

КУДРЯВЦЕВ ВЛАДИМИР СЕРГЕЕВИЧ

УДК 662.994:621.8.035

Совершенствование высокотемпературных рекуператоров как способ повышения эффективности использования топлива в нагревательных печах

Специальность 05.14.06
техническая теплофизика и промышленная теплоэнергетика

ДИССЕРТАЦИЯ

На соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель
д.т.н., профессор
заслуженный деятель науки и техники Украины СОРОКА Б.С.

Киев 2013

СОДЕРЖАНИЕ
Условные обозначения. 3
ВВЕДЕНИЕ.. 4
Актуальность проблемы.. 5
Современное состояние проблемы: 5
Связь работы с научными программами отдела (Института) 6
Цель и задачи исследований. 7
Объект исследований. 7
Предмет исследований. 7
Методы исследования. 8
Научная новизна. 8
Практическое значение результатов. 9
Апробация результатов (Конференции, семинары) 11
Публикации. 11
РАЗДЕЛ 1
ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ (ОБЗОР) 12
1.1. Выбор способа интенсификации теплообмена. 17
1.2. Интенсификация теплообмена путем использования вторичных излучателей. 18
1.3. Аналогия процессов переноса теплоты и потерь напора. 20
1.4. Интенсификация теплообмена за счет вставок в каналах, заполненных излучающе-поглощающей средой (непрозрачным газом) 22
1.5. Интенсификация теплообмена в каналах, заполненных диатермической средой. 25
1.6. Теплогидравлическая эффективность рекуператора. 28
1.7. Современные требования к рекуператору. 32
РАЗДЕЛ 2
ОЦЕНКА ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТОПЛИВНЫХ ПЕЧЕЙ. АНАЛИЗ ВОЗМОЖНОСТЕЙ СОКРАЩЕНИЯ РАСХОДА ТОПЛИВА ЗА СЧЕТ УТИЛИЗАЦИИ ТЕПЛОТЫ УХОДЯЩИХ ГАЗОВ.. 33
2.1. Энергетическая эффективность использования топлива в печах с учетом утилизации теплоты 35
2.1.1. Тепловой баланс «идеальной печи». 35
2.1.2. КПД использования топлива ηf и теплоты ηH для случаев «идеальной печи». 37
2.1.3. Совместное рассмотрение системы «печь - рекуператор». 38
2.2. Энергетическая эффективность использования различных топливо - окислительных смесей: исходные положения и методология анализа. 40
2.3. Методология оценки энергетической эффективности. 41
2.4. Использование компьютерных программ для оценки энергетической эффективности при варьировании состава топливной смеси и параметров. 45
2.5. Оценка надежности результатов расчетов с использованием программного продукта FUEL” 49
РАЗДЕЛ 3
ОРГАНИЗАЦИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ.. 53
3.1.Экспериментальная установка. 53

Список литературы

1. Утилизация теплоты уходящих продуктов сгорания с повышением начальной температуры исходных компонентов горения важнейшее направление повышения эффективности использования и экономии топлива в промышленных печах. Выполнен термодинамический анализ эффективности использования топлива ( КПД ηп ) в условиях подогрева воздуха горения (окислителя) и соотношения «окислитель: горючее». Для расчета КПД ηп использования топлива применен подход Карно где в качестве определяющего параметра принята избыточная полная энтальпия теплоносителя продуктов сгорания при Тпр в качестве «холодного» источника, при ТТ - в качестве «горячего». Установлено, что роль подогрева воздуха с позиций экономии топлива тем значительней, чем выше температура процесса (энергетического, технологического) Тпр и резко возрастает по мере приближения Тпр к теоретической температуре горения, когда КПД использования топлива ηf → 0. Поэтому роль температуры подогрева воздуха горения Тп с повышением и понижением коэффициента избытка воздуха от стехиометрического (α =1.0) возрастает.
2. Впервые на основе систематических исследований выполнен анализ формирования температурных полей и полей давления в высокотемпературных трубчатых теплообменниках, в т.ч. с криволинейными участками, а также при использовании вставок вторичных излучателей внутри труб.
3. Впервые разработана и реализована для высокотемпературных петлевых рекуператоров методология одновременных сравнительных испытаний аппаратов традиционной и модернизованной с внутренними вставками конструкции в условиях специально созданного компьютеризированного огневого стенда и его обеспечение соответствующими оригинальными программными продуктами собственной разработки.
4. С использованием больших статистических массивов экспериментальной информации установлены основные закономерности теплообмена и изменения гидравлического сопротивления в трубчатых теплообменниках со вставками, а также определены их преимущества по сравнению с традиционными гладкотрубными рекуператорами.
Установлено, что теплообменное усовершенствование рекуператоров с целью достижения максимума температуры подогрева теплоносителя (воздуха), сопровождается опережающим ростом гидравлического сопротивления воздушного тракта, а аналогия Рейнольдса не выполняется.
5. Благодаря установленной экспериментально возможности повышения температуры подогрева воздуха для горения на 100 К и больше и соответствующему снижению температуры стенок труб, удалось создать новую (модернизованную) конструкцию рекуператора для промышленных печей, который обеспечивает дополнительную 7 - 12 % экономию топлива при общем сокращении затрат газа до 30% и увеличивает срок службы рекуператора не менее чем в 2 раза.
6. Предложены критерии теплотехнического и гидравлического совершенства рекуператоров в форме абсолютных и относительных избыточных величин температур, потерь давления, симплексов и комплексов из соответствующих характеристик, которые позволяют сопоставить между собой разные конструкции теплообменных аппаратов и выполнить оптимизацию рекуператора для условий эксплуатации печи.
По указанным критериям в качестве оптимальной выбрана и запатентована конструкция трубчатого рекуператора со вставками в форме креста (в сечении), на прямых и изогнутых участках труб.
7. Проведено обобщение теплообменных характеристик рекуператоров со вставками внутри трубы в форме критериального уравнения Nurec = f(Rerec) с введением дополнительного комплекса, включающего отношение температур и площадей теплообменных поверхностей. Установлено, что увеличение поверхности вторичных излучателей обеспечивает интенсификацию результирующего теплообмена.
8. Предложенные в работе конструкции трубчатых рекуператоров с промежуточными излучателями приняты к рассмотрению рядом промышленных предприятий Украины, России и дальнего зарубежья как оптимальные утилизаторы теплоты промышленных печей с целью их дальнейшего внедрения.

1. Сорока Б.С. Интенсификация теплообменных процессов в топливных печах/ Борис Семенович Сорока - Киев 1992; Научная мысль. -413 с.
2. Выбросы вредных веществ в атмосферу по видам экономической деятельности. Газета «2000», №12 (311).-С.Е4
3. Seong B.G. High-temperature corrosion of recuperators used in steel mills / Seong B.G., Hwang S.Y., Kim K.Y. //Surface and Coatings Technology, vol. 126, issues 23, 2000. P. 256265.].
4. Weineсk Н. "Industriekuier Wochenausg. Tech und Forsch" 1959. Bd 12 № 29, с389,390, 392.
5. Smith D.P. Design of recuperators to preheat combustion air for energy efficiency in furnace operations/ D.P. Smith // Industrial Heating, 1991. Vol. LVIII, No. 2. P. 26-28.
6. KALFRISA ENERGIA Y MEDIO AMBIENTE 50720 Zaragoza SPAIN[Electronic resource] www.kalfrisa.com
7. Eastern Equipment & Engineers Pvt. Ltd. [Electronic resource] 7B, K.S. Roy Road 700 001 Kolkata, India Phone: +91 33 22430468/69,Fax: +91 33 22487130,http://www.recuperators.in central@recuperators.in
8. ENCON CORPORATION [Electronic resource] http://www.encon.co.in/encon-contactus.html
9. Корпорация Шень-У Конвективные рекуператоры. [Electronic resource]
Shenniu Road 18，Machikou Town, Changping District, Beijing
102200 Адрес в Интернет:：www.shenwu.com.cn
10. Biro A.G. Computing of Furnace Operations/ A.G. Biro// -Budapest: Biro Engineering.-1994.-221 pp.
11. ALSTOM Power Energy Recovery[Electronic resource] P.O. Box1395, Wexbord PA15090 Printed in USA CTR/01/1,500 www.amschack.com
12. Ключников А. Д. Высокотемпературные теплотехнологические процессы и установки/ А. Д. Ключников //Москва; Энергоатомиздат. 1989.
13. Григорьева В.А. Промышленная теплоэнергетика и теплотехника/ В.А. Григорьева и В.М. Зорина Справочник. Книга 4- Энергоатомиздат. 1991.
14. Хмельницкий. Р.З. Стальные рекуператоры. Расчеты и основы проектирования/ Р.З. Хмельницкий - М., МЭИ. 1975
15. Тебеньков Б.П. Рекуператоры для промышленных печей/ Б.П. Тебеньков- М. Металлургия 1975.
16. Лисиченко В. А. Математическое моделирование теплообмена в печах и агрегатах/ Лисиченко В. А., Волков В.В., Гончаров А.Л.-Киев. Наукова думка. 1984.
17. Семенко H.A., "Организация теплоиспользования и энерготехнологическое комбинирование в промышленной огнетехнике"/ H.A.Семенко - М. "Энергия" 1976.
18. Grundlagenuntersuchung zur Entwicklung und Optimierung keramischer Rekuperatorbrenner/ Brune M., Boss M., Flamme M., Lynen A. et al.// Gas Warme Int., 1998. J. 47, H. 6. P.332-341.
19. Chudnovsky Y. Dimpled tube technology for heat transfer enhancement in chemical industry process heaters/ Chudnovsky Y,. Kurek S., Kozlov A // Presentation to Natural Gas Technologies II” Conference, 9-11 th February, 2003. GTI (USA), 2003. T04117.
20. Сорока Б.С. Интенсификация тепломассообменных процессов при сжигании топлива в печах / Б.С. Сорока 1. Развитие теории топливных печей и топочных процессов// Экотехнологии и ресурсосбережение. - 2006, №5.-С.3-15.
21. Сорока Б.С. Интенсификация тепломассообменных процессов при сжигании топлива в печах / Б.С.Сорока 2.Увеличение результирующего теплового потока и экономия топлива на основе интенсификации теплообмена в печах и топках// Экотехнологии и ресурсосбережение. - 2006, №6. - С.3-16.
22. Жукаускас А.А. Конвективный перенос в теплообменниках/ А. А. Жукаускас - М.: Наука. - 1982 - 472с.
23. Интенсификация теплообмена. Успехи теплопередачи, 2/ [Вилемас Ю.В., Воронин Г.И., Дзюбенко Б.В. и др.] Под.ред. проф А.А. Жукаускаса и проф. Э.К. Калинина. Вильнюс: Моксалас. - 1988. - 188с.
24. Коваленко Л.М. Теплообменики с интенсификацией теплоотдачи. Москва / Л.М. Коваленко, А.Ф. Глушков -Энергоатогиздат 1986.
25. Маслия Ю.;. Теплообмен в трубах с внутренним оребрением/ Ю.Маслия, Нандакумар -Теплопередача № 2.1976.
26. Леонтьев А.И.,Теория тепломассообмена/ под.ред. А.И.Леонтьева. - М.: Высшая школа. - 1979. - 495с.
27.Günter S. Gegenuberstellung des feuerungstechnishen Wirkungsgrades von gasbeheeizten Mantelstrahlheizrohren mit Rekuperatoren aus Keramik oder Stahl/ Günter S., Sun J. // Gas Warme Int. - 2002 (51), Nr.8. - S. 348-352 (Incl. LBE/ECO MAX)
28. Сигал И.Я., Защита воздушного бассейна при сжигании топлива/ И.Я Сигал - Издание второе, перераб. и доп.. - Л.: Недра, Ленинградское отд-ие. -1988 - 312 с.
29. Demchenko V., The organization of internal recirculation of smoke gases in reversive water-cooled chamber of combustion of boilers for their modernization. - In: Advanced Combustion and Aerothermal Technologies. Environmental Protection and Pollution Reductions./[ V.Demchenko, A.Dolinsky, A.Sigal] Edited by N.Syred, A. Khalatov. - NATO Science for Peace and Security Series - C: Environmental Security. - Dordrecht, Netherland: Springer. - 2007. - P.299-315.
30. Soroka B.S. Analysis of the effect of intermediate emitters on the heat exchange in system with distributed tubular receivers / B.S. Soroka, L.I.Val, R.M. Shpilski // 7th Conference on Thermogrammetry and Thermal Engineering, 5-7 June 1991. - Budapest: MATE - P.225-228.
31. Winger C. Innovative Energy Savings in Continuous Annealing Furnace/ C.Winger, R.Hardy //Industrial Heating. -2008, August. - Vol. LXXV, Nu.8. -P.52-55.
32. Кейс, Конвективный тепло- и массообмен, издательство "Энергия". 1972.
33. Антуфьев В.М. Эффективность различных форм конвективных поверхностей нагрева./ В.М. Антуфьев - M.-JI.Энергия, 1966.-184с.
34. Berger R. Combustion of purge gases from industrial furnace/ R. Berger // Heat Processing. - 2008, October. - Vol. 6. - Issue 4. - P.292-295.
35. Unique Feature of North American Series 8485 Convection Type Recuperators/ North American Mfg Co: Sheet 8485-7. - 1982. Nov. - 1p.
36. Ващенко А.И. Интенсификация внутреннего теплообмена в высокотемпературных металлических рекуператорах/ А.И Ващенко., Л.А.Шульц, Н.П. Селезнев - В кн.: Тезисы докладов Всесоюзной конференции по повышению производительности и экономичности нагревательных печей. - Днепропетровск: Дмети. -1967. - С.322 - 324.
37. Исследование теплообмена в трубах с плоскими вставками/[ - В кн.: Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики / [Титор С.С., Димитров А.Д., Пядухов В.А., Лисинецкий С.А.] Тезисы докладов 6-ой Международной школы-конференции. Алушта. - 2008.-С.88-89.
38. Патент 22983 A, Украина, F23 L 15/04. Рекуператор / Сорока Б.С., Карп И.Н., Шандор П. и др. - 05.05.1998.
39. Soroka B. Advanced conception, new designs and simulation of high temperature steel tube recuperators/ B.Soroka, P. Sandor // preprints of the 6th European Conference on Industrial Furnaces and Boilers, Lisbon-Estoril, Portugal, 02-05 April 2002, INFUB. - Volume II Furnace and Boiler operation”. - 11 pp.
40. Воронин Г.И. Эффективные теплообменники / Г.И. Воронин, Е.В. Дубровский - М.: Машиностроение, 1973. 96с.
41. Tanbour E.Y., Rahmani R.K. Experimental study of natural convection heat transfer in a vertical pipe with a stationary inserts/ E.Y.Tanbour, R.K. Rahmani Proceedings of 2008 ASME Summer Heat Transfer Conference (HT 2008), August 10-14, 2008, Jacksonville, Florida, USA. - 6pp.
42. All-Halbouni A. Kontinuierliche Luftstufung: Ein neuer Weg zur Beherrschung des Verbrennungs und Schadstoffverhaltens von Gasflammen/ A. All-Halbouni // Gas Warme. 2000. 49J. H. 4/5. S. 207212.
43. Варнатц Ю. Горение (физические и химические аспекты, моделирование, эксперименты, образование загрязняющих веществ)/ [Ю.Варнатц, У.Маас, Р Диббл] пер. с англ. Г.Л. Агафонова. // М.: Физмат, 2003. 347 с.
44. Сорока Б.С. Методология термодинамического анализа использования топлива с применением математического и компьютерного моделирования / Б.С.Сорока, В.С.Кудрявцев // Сб. наукових праць ІПМЕ випуск 48, Киев, Институт проблем моделирования в энергетике им. Г.E. Пухова НАН Украины, Киев2008. P. 26 34.
45. Сорока Б.С. Сжигание природного газа с недостатком окислителя. Часть III. Сажеобразование при сжигании газа в условиях, обеспечивающих пониженный выход NOx / Б.С. Сорока // Экотехнологии и ресурсосбережение. 2005, №3. С.815.
46. Warmetechnische Begriffe und Erlauterungen (Teil 4) //GASWARME International (56) Nr. 6/2007. S. 445 446.
47. Трусов Б.Г. «TERRA» / Б.Г. Трусов - Программа термодинамического расчета состава фаз произвольных гетерогенных систем, а также их термодинамических и транспортных свойств. 2002г.
48. Глушко В.П. Термодинамические свойства индивидуальных веществ. Справочник в 4 т. / Под ред. акад. В.П. Глушко М.: Наука, 19781982.
49. Промышленная теплоэнергетика и теплотехника. Спровочник. Энергоавтомиздат. 1983.
50. Карп И.Н. Продукты сгорания природного газа при высоких температурах (состав и термодинамические свойства) / И.Н. Карп, Б.С. Сорока и др. -Техника” Киев. 1967. 382с.
51. Пригожин И. Современная термодинамика. От тепловых двигателей до диссипативных структур / [И.Пригожин, Д.Кондепуди] Пер. с англ. Ю.А.Данилова и В.В.Белого п/ред. А.П.Агеева. М.: Мир. 2002. 461 с.
52. Wärmetechnische Daten und Begriffe. Erdgas Datenblatt //GASWÄRME Intern//. (56) Nr. 6/2007. S 444.
53. Иссерлин А. С. Основы сжигания газового топлива. //Справочное руководство// Недра 1980, 272с.
54. Сорока Б.С. Анализ эффективности использования топлива и энергии с применением математического и компьютерного моделирования / Б.С.Сорока, В.С.Кудрявцев, Р.С. Карабчиевская // Сб. трудов конференции «SIMULATION 2008», May14 16, Kiyv, Институт проблем моделирования в энергетике им. Г.E. Пухова НАН Украины. T. I, Киев 2008. P. 337 344.
55. HEAT PROCESSING ISSUE 1 2010
56. Soroka B. Development of tube recuperators of new generation for high-temperature combustion air preheating / B.Soroka, V.Kudryavtsev, V.Zgurskyi, P.Sandor // Wydanie Międzynarodowa Konferencja NaukowoTechniczna: Efektywność Energetyczna 2009. 2123 września, Krakow, Insytut Nafty i Gazu NR162, 2009, pp. 143 147.
57. Sandor P. Heat Transfer Intensification within Tube Recuperator by Inserting Secondary Emitters Inside air Channels/ P.Sandor, B.Soroka, V.Kudryavtsev, V.Zgurskyy // Abstracts 16th International Conference on Thermal Engineering and Thermogrammetry (THERMO) 13 July, 2009, Budapest, Hungary, MATE, 2009, pp. 34 35.
58. Soroka B. Development of new concept and design of high temperature tube recuperators / Soroka B., Sandor P., Kudryavtsev V., Zgurskyi V. // Proceedings: 8th International Symposium on High Temperature Air Combustion and Gasification, July57, 2010, Poznan, Poland, P.285-393.
59. Исаченко В.П. Теплопередача/ В.П., Исаченко В.А.Осипова, А.С.Сукомел Изд.2-е.-М.; Энергия.-1969.-440с.
60. Кудрявцев В.П., Краткий курс высшей математики / В.П.Кудрявцев, Б.П. Демидович Изд.седьмое.- М.: Наука,Физматлит.-1989.-655с
61. Хаузен Г. Теплопередача при противотоке, прямотоке и перекрестном токе/ Г.Хаузен Пер. с нем. - М.: Энергоиздат,1981. - 384 с ил.
62. Преображенский В.П. Теплотехнические измерения и приборы / В.П. Преображенский - М.: «Энергия», 1978. 704 с.
63. Кремлевский П. П. Расходомеры и счетчики количества / П. П. Кремлевс- кий Л.: Машиностроение, 1975.
64. Мигай В.К. Повышение эффективности современных теплообменников / . В.К. Мигай - Л.: Энергия, 1980
65. Ялгода Интенсификация теплообмена в перекрестно-точном кожухотруб- ном теплообменнике за счет использования излучающих стенок / Ялгода, Акай, Мори. //Теплопередача. М.: Мир, 1984. № 7. С. 40-46.
66. Мигай В.К. Моделирование теплообменного энергетического оборудования / В.К.Мигай - Ленинград ЭНЕРГОАТОМИЗДАТ Ленинградское отделение 1987 254с.
67. Адрианов В. Н. Основы радиационного и сложного теплообмена / В. Н. Адрианов М.: Энергия, 1972.
68. Вопросы конвективного и радиационно-кондуктивного теплообмена /
Под ред. Б. С. Петухова. М.: Наука, 1980.
69. Калинин Э.К. Интенсификация теплообмена в каналах/ Э.К. Калинин, Г.А.Дрейцер, С. А.Ярхо - М. Машиностроение. 1972.
70. Cone C. Energy Management for Industrial Furnaces New York: John Wiley and Sons, 1980 201 pp.
71. D.Trimis New ceramic heat exchangers with enhanced heat transfer properties for recuperative gas burners / D.Trimis, V. Uhlig et.al. -Heat Processing 2011, (9), issue 2. P.183 187.
72. Левченко Г. И. Оребрение поверхности нагрева котлоагрегатов / Г. И.Левченко, А. М.Копелиович, И. Д. Лисейкин, В. К. Мигай, В. С Назаренко- М: Энергоатомиздат, 1986.
73. Кривешко. А.А; Теплоотдача и сопротивление труб с внутренним прерывистыми оребрением / А.А. Кривешко.; А. А.Черняков. Теплообмен- М.М.Ф.1992.
74. Soroka B. Simplified design method of efficiency’s and NOx yield’s evaluation at the industrial furnaces under replacement of type of combustible gas/ Soroka B., Sandor P.// Proceedings of the VII International Scientific Conference on Combustions and Heat Technics: University of Miscolc, 1998, May 27-29, Miscolc.- 1998. Р.103-113.
75. Жук Н.П. Курс теории коррозии и защиты металлов/ Н.П. Жук - Металлургия 1976
76. Soroka B. Enhancement of high temperature heat transfer by means of arrangement the secondary emitters within the tubes/ B.Soroka, P. Sandor et al. // Industrial Heat Engineering. 2003, №4. P.349 352.
77. Брюханов O.Н. Aeродинамика , горение и теплообмен при сжигании топлив /. O.Н.Брюханов, B.С.Maстрюков Санкт Петербург. Недра” Изд. Дом. 1994. 317 с.
78. Heat recovery and fuel savings // Reprinted with permission from Combustion Technology Manual, Fifth Edition, 1994, published by the Industrial Heating Equipment Association, Arlington, VA 22209. - Industrial Heating. 1999. vol.LXVI, No.12. p.99.
79. Sandor P. Combined power and environmental optimization of the fuel type by reheating and thermal treatment processes. / Sandor P., Soroka B. Paper P-713: Proceedings of the 21st World Gas Conference Gas, the energy for the 21st century”, Nice, June, 6-9, 2000 // Working Committee 7. IGU. 2000. 15 pp.

80. Tomechek J.. Radiation characteristics of high temperature tubular heat recuperators / J. Tomechek, T. Wisnewski.// Gas Warme Int. 1995. 44. Heft 10. - S.487-492.