Теплообмін при плівковій конденсації в конденсаційних економайзерах
Вантажиться...
Дата
2026
Науковий керівник
Назва журналу
Номер ISSN
Назва тому
Видавець
КПІ ім. Ігоря Сікорського
Анотація
Неділько А. В. Теплообмін при плівковій конденсації в конденсаційних економайзерах. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 142 – Енергетичне машинобудування. – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Міністерство освіти і науки України, Київ, 2026. Дисертаційна робота присвячена дослідженню процесів теплообміну при плівковій конденсації водяної пари в поверхневих конденсаційних економайзерах, що застосовуються для утилізації теплоти димових газів енергетичних і водогрійних котлів. Актуальність роботи зумовлена необхідністю підвищення енергоефективності котельних установок та зменшення втрат теплоти з відхідними газами за рахунок використання конденсаційних режимів теплообміну. У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, сформульовано мету й завдання дослідження, визначено об’єкт і предмет дослідження, охарактеризовано використані методи, наведено наукову новизну та практичне значення отриманих результатів. Метою дисертації є удосконалення підходів до розрахунку, аналізу та оптимізації теплопередачі під час плівкової конденсації водяної пари в поверхневих конденсаційних економайзерах з метою підвищення ефективності утилізації теплоти димових газів енергетичних і водогрійних котлів. В першому розділі проаналізовано сучасний стан застосування конденсаційних економайзерів та визначено основні наукові й інженерні проблеми, пов’язані з їх проєктуванням і експлуатацією. Розділ містить огляд загальних принципів конденсаційної теплоутилізації димових газів, основних типів конденсаційних теплообмінників, а також матеріалів, що застосовуються для виготовлення конденсаційного обладнання в умовах корозійного впливу робочого середовища. Особливу увагу приділено тепловим схемам із включенням конденсаційних економайзерів у котельні установки, а також питанням захисту димових труб і газоходів від корозійного впливу конденсату. Аналіз літературних джерел і технічних рішень показав, що основними чинниками, які обмежують ефективність конденсаційних економайзерів, є нерівномірність теплообміну вздовж пучка труб, зміна режимів роботи котла, недостатнє врахування локального початку конденсації водяної пари та недосконала конструктивна організація поверхні теплообміну в зоні фазового переходу. Показано, що підвищення ефективності такого обладнання потребує диференційованого розгляду безконденсаційної та конденсаційної частин поверхні теплообміну, оскільки механізми теплопередачі в цих зонах істотно відрізняються. На підставі результатів першого розділу було уточнено мету та завдання дисертаційного дослідження. В другому розділі наведено методику теплового розрахунку конденсаційного економайзера, розроблену та обґрунтовану в дисертації. Запропонована методика враховує зміну параметрів димових газів і робочого тіла вздовж пучка труб, зміну режимів теплообміну та положення початку плівкової конденсації за різних навантажень котла. Такий підхід дає змогу перейти від усередненого опису процесу до локального аналізу теплопередачі в окремих рядах труб. Процедура розрахунку включає визначення складу та теплофізичних характеристик димових газів, розрахунок вмісту водяної пари та утворення конденсату, встановлення термодинамічних параметрів органічного робочого тіла, складання теплового балансу конденсаційного теплообмінника, визначення його геометричних характеристик і розрахунок основних параметрів теплопередачі. Особливу увагу приділено оцінюванню локальних коефіцієнтів тепловіддачі з обох боків поверхні теплообміну: при конвекції та конденсації з боку димових газів, а також при конвекції та кипінні з боку органічного робочого тіла. Така методика дає змогу точніше визначати локальні теплові умови в апараті та встановлювати положення й протяжність зони конденсації залежно від режиму роботи котельного агрегату. В третьому розділі наведено результати теплового розрахунку конденсаційного економайзера за методикою, розробленою в попередньому розділі, для різних режимів навантаження котла. У результаті розрахунків визначено теплові потоки, середні коефіцієнти тепловіддачі, загальні коефіцієнти теплопередачі та ефективну площу поверхні теплообміну. Детально проаналізовано зміну температури димових газів та інших параметрів вздовж поверхні теплообміну. Отримані результати дали змогу встановити закономірності зміни теплових характеристик за різних режимів роботи та визначити локальне положення початку конденсації водяної пари. Встановлено, що початок конденсації припадає на 20–й, 21–й або 22–й ряд труб залежно від навантаження котла. Така варіативність пояснюється зміною температури димових газів на вході та коефіцієнта надлишку повітря, які впливають на температуру точки роси, положення початку конденсації та довжину зони конденсації. Таким чином, у дисертації показано, що теплова ефективність конденсаційного економайзера істотно залежить не лише від загального теплового навантаження, а й від локального розподілу процесів тепло– і масообміну вздовж поверхні теплообміну. Крім того, у третьому розділі розглянуто інтеграцію конденсаційного економайзера в систему органічного циклу Ренкіна (ORC). Обґрунтовано можливість використання утилізованої низькопотенційної теплоти димових газів для додаткового вироблення електричної енергії. Робоче тіло для ORC–системи було обрано на основі теплофізичних, термодинамічних та екологічних критеріїв. У результаті порівняльного аналізу аміак (R717) визначено як найбільш доцільне робоче тіло в досліджуваному температурному діапазоні. Визначено основні параметри ORC–циклу та оцінено енергетичний ефект інтеграції конденсаційного економайзера із системою органічного циклу Ренкіна. Для енергоблоку потужністю 100 МВт впровадження ORC–системи забезпечує додаткову електричну потужність 2,14 МВт. Цей результат підтверджує технічну доцільність використання низькопотенційної теплоти димових газів для додаткового вироблення електроенергії та розширює функціональну роль конденсаційного економайзера як елемента інтегрованої системи енергоутилізації. Четвертий розділ присвячено оптимізації площі поверхні теплообміну конденсаційного економайзера та техніко–економічному оцінюванню запропонованих конструктивних рішень. Розглянуто різні варіанти виконання конденсаційної частини теплообмінника, зокрема із застосуванням оребрених і гладких труб. Їхні теплотехнічні характеристики порівняно та проаналізовано з урахуванням специфічних механізмів теплообміну в сухій і конденсаційній зонах. Показано, що використання оребрених труб є доцільним у безконденсаційній ділянці, де переважає конвективний теплообмін і оребрення ефективно інтенсифікує тепловіддачу. Проте в зоні конденсації, де визначальними є виділення прихованої теплоти та супровідні масообмінні ефекти, переваги оребрення стають обмеженими. За таких умов заміна оребрених труб на гладкі призводить лише до незначного зниження теплової продуктивності, водночас істотно зменшуючи матеріаломісткість і вартість виготовлення. Тому запропонований конструктивний поділ поверхні теплообміну на оребрену безконденсаційну ділянку та гладку конденсаційну ділянку є як теплотехнічно обґрунтованим, так і економічно доцільним. Проведена техніко–економічна оцінка підтверджує, що такий підхід підвищує загальну доцільність конструкції конденсаційного економайзера і може бути рекомендований для практичного впровадження. Наукова новизна одержаних результатів. В дисертаційній роботі наведено результати, які отримано вперше, а саме: 1. Вперше обґрунтовано доцільність застосування аміаку як робочого тіла для ORC циклу, інтегрованого як надбудова до існуючих газотурбінних енергоблоків. 2. Дістала подальшого розвитку теорія застосування ORC циклів як надбудови до традиційних газових енергоблоків, з урахуванням вибору робочого тіла та раціональних термодинамічних параметрів циклу. 3. Вперше для досліджуваного конденсаційного економайзера встановлено закономірності зміни усереднених по рядах теплообмінника коефіцієнтів тепловіддачі вздовж теплообмінної поверхні залежно від режиму навантаження котельного агрегату, що дало змогу визначити положення початку конденсації водяної пари на окремих рядах труб та обґрунтувати поділ поверхні на безконденсаційну і конденсаційну зони. 4. Отримано нові кількісні залежності між тепловою потужністю котельного агрегату, параметрами димових газів, витратою утвореного конденсату та корисною тепловою потужністю конденсаційного економайзера, які дають змогу кількісно оцінювати ефективність утилізації теплоти димових газів для різних режимів роботи діючого обладнання. 5. Отримала подальший розвиток теорія розрахунку та оцінювання теплотехнічної ефективності конденсаційного економайзера, що враховує взаємозв’язок навантаження котельного агрегату, параметрів димових газів, витрати утвореного конденсату та корисної теплової потужності економайзера в різних режимах роботи, а також нерівномірність теплообміну вздовж трубного пучка та локальне положення зони конденсації.
Опис
Ключові слова
конденсаційний економайзер, теплообмін, тепломасообмін, плівкова конденсація, утилізація теплоти, ORC, оребрення, енергоефективність, condensing economizer, heat transfer, heat and mass transfer, filmwise condensation, heat recovery, flue gases, Organic Rankine Cycle, finning, energy efficiency
Бібліографічний опис
Неділько, А. В. Теплообмін при плівковій конденсації в конденсаційних економайзерах : дис. … д-ра філософії : 142 Енергетичне машинобудування / Неділько Андрій Володимирович. - Київ, 2026. - 154 с.