Теплообмін при плівковій конденсації в конденсаційних економайзерах
| dc.contributor.advisor | Новаківський, Євген Валерійович | |
| dc.contributor.author | Неділько, Андрій Володимирович | |
| dc.date.accessioned | 2026-07-03T08:27:27Z | |
| dc.date.available | 2026-07-03T08:27:27Z | |
| dc.date.issued | 2026 | |
| dc.description.abstract | 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. | |
| dc.description.abstractother | Nedilko A. V. Heat Transfer during Filmwise Condensation in Condensing Economizers. – Qualification scientific work submitted as a manuscript. The dissertation for the degree of Doctor of Philosophy in the specialty 142 – Power Engineering Machinery. – National Technical University of Ukraine “Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute”, Ministry of Education and Science of Ukraine, Kyiv, 2026. The dissertation is devoted to the study of heat–transfer and heat–and–mass–transfer processes during the filmwise condensation of water vapor in surface condensing economizers designed for the recovery of heat from the flue gases of power and hot–water boilers. The relevance of the study is determined by the growing need to improve the energy efficiency of boiler plants, reduce heat losses with exhaust gases, and increase the degree of utilization of low–grade thermal energy. Under current conditions of increasing fuel costs and stricter requirements for energy saving and environmental performance, the use of condensing heat– recovery equipment is one of the promising approaches to improving the overall thermal efficiency of boiler units. At the same time, the effective application of such equipment is constrained by the complexity of the coupled heat– and mass–transfer processes in the condensation zone, by the non–uniformity of thermal conditions along the heat–transfer surface, and by insufficient consideration of local condensation characteristics in engineering calculation methods. Foreword substantiates the relevance of the dissertation topic, formulates the aim and objectives of the study, defines the object and subject of the research, describes the methods used, and presents the scientific novelty and practical significance of the obtained results. The purpose of the dissertation is to improve approaches to the calculation, analysis, and optimization of heat transfer during the filmwise condensation of water vapor in surface condensing economizers in order to increase the efficiency of flue–gas heat recovery from power and hot–water boilers. First chapter analyzes the current state of the art in the application of condensing economizers and identifies the main scientific and engineering problems associated with their design and operation. The section reviews the general principles of condensing heat recovery, the main types of condensing heat exchangers, and the materials used for manufacturing condensing equipment under corrosive operating conditions. Special attention is paid to thermal schemes involving condensing economizers in boiler plants, as well as to the protection of chimneys and flue ducts against the corrosive effects of condensate. The analysis of literature sources and engineering solutions has shown that the major factors limiting the efficiency of condensing economizers are the non–uniformity of heat transfer along the tube bundle, changes in boiler operating conditions, insufficient consideration of the local onset of water–vapor condensation, and the imperfect structural arrangement of the heat–transfer surface in the phase–transition zone. It is shown that an increase in the efficiency of such equipment requires a differentiated consideration of the non–condensing and condensing parts of the heat–transfer surface, since the mechanisms of heat transfer in these zones differ substantially. On the basis of the first section, the aim and objectives of the dissertation research were specified. The second chapter presents the methodology for the thermal calculation of a condensing economizer, developed and substantiated in the dissertation. The proposed methodology takes into account the variation of flue–gas parameters and working–fluid parameters along the tube bundle, the change in heat–transfer regimes, and the position of the onset of filmwise condensation under different boiler load conditions. This approach makes it possible to move from an averaged description of the process to a local analysis of heat transfer within individual tube rows. The calculation procedure includes determining the composition and thermophysical characteristics of the flue gases, calculating the water–vapor content and condensate formation, establishing the thermodynamic parameters of the organic working fluid, preparing the heat balance of the condensing heat exchanger, determining its geometric characteristics, and calculating the principal heat–transfer parameters. Particular attention is paid to the evaluation of local heat–transfer coefficients on both sides of the heat–transfer surface: convection and condensation on the flue–gas side, and convection and boiling on the side of the organic working fluid. Such a methodology makes it possible to identify the local thermal conditions in the apparatus more accurately and to determine the position and extent of the condensation zone depending on the operating mode of the boiler unit. Third chapter presents the results of the thermal calculation of the condensing economizer according to the methodology developed in the previous section for different boiler load conditions. As a result of the calculations, heat fluxes, local and average heat–transfer coefficients, overall heat–transfer coefficients, and the effective area of the heat–transfer surface were determined. The variation of flue–gas temperature and other flue–gas parameters along the heat–transfer surface was analyzed in detail. The obtained results made it possible to establish regularities in the change of thermal characteristics under different operating conditions and to determine the local position of the onset of water–vapor condensation. It was found that the onset of condensation occurs on the 20th, 21st, or 22nd tube row depending on boiler load. This variability is explained by changes in the inlet flue–gas temperature and the excess–air coefficient, which affect the dew–point temperature, the position of the onset of condensation, and the length of the condensation zone. Thus, the dissertation demonstrates that the thermal performance of the condensing economizer is significantly influenced not only by the total thermal load but also by the local distribution of thermal and mass–transfer processes along the heat–transfer surface. In addition, the third section considers the integration of the condensing economizer into an Organic Rankine Cycle (ORC) system. The possibility of using the recovered low–grade heat of flue gases for additional electricity generation is substantiated. The working fluid for the ORC system was selected on the basis of thermophysical, thermodynamic, and environmental criteria. As a result of the comparative analysis, ammonia (R717) was found to be the most expedient working fluid in the investigated temperature range. The main parameters of the ORC cycle were determined, and the energy effect of integrating the condensing economizer with the ORC system was evaluated. For a 100 MW power unit, the implementation of the ORC system provides an additional electric power output of 2.14 MW. This result confirms the technical feasibility of utilizing low–potential flue–gas heat for additional electric–power generation and broadens the functional role of the condensing economizer as an element of an integrated energy–recovery system. In the fourth chapter is devoted to the optimization of the heat–transfer surface area of the condensing economizer and to the techno–economic assessment of the proposed design solutions. Different design options for the condensing part of the heat exchanger were considered, including the use of finned and smooth tubes. Their thermal performance was compared and analyzed with regard to the specific heat–transfer mechanisms in the dry and condensing zones. It is shown that the use of finned tubes is justified in the non–condensing section, where convective heat transfer dominates and finning effectively intensifies heat exchange. However, in the condensation zone, where latent heat release and accompanying mass–transfer effects are decisive, the benefits of finning become limited. Under these conditions, replacing finned tubes with smooth tubes leads only to a minor reduction in thermal performance while significantly reducing material consumption and manufacturing cost. Therefore, the proposed structural division of the heat–transfer surface into a finned non– condensing section and a smooth condensing section is both thermally justified and economically advantageous. The performed techno–economic assessment confirms that such an approach improves the overall feasibility of the condensing economizer design and can be recommended for practical implementation. Scientific novelty of the outcome. The dissertation presents results obtained for the first time, namely: • For the first time, the patterns of variation in local and average heat–transfer characteristics along the heat–transfer surface of a condensing economizer depending on boiler load were established, which made it possible to determine the position of the onset of water–vapor condensation on individual tube rows and to substantiate the division of the heat– transfer surface into non–condensing and condensing sections. • New quantitative relationships were obtained between the thermal output of the boiler unit, flue–gas parameters, the amount of generated condensate, and the useful thermal capacity of the condensing economizer, which makes it possible to assess the efficiency of flue–gas heat recovery for different operating modes of existing equipment. • Scientific approaches to describing heat transfer during the filmwise condensation of water vapor from flue gases in surface condensing economizers were further developed by taking into account the non–uniformity of heat transfer along the tube bundle, variations in boiler operating conditions, and the local position of the condensation zone. • For the first time, the expediency of optimizing the heat–transfer surface of a condensing economizer by using finned tubes in the non–condensing zone and smooth tubes in the condensation zone was substantiated, which ensures a reduction in material consumption with only a minor change in thermal performance. • The approach to using recovered flue–gas heat within an ORC system was further developed through the determination of rational working–fluid parameters and the assessment of the energy effect of integrating the condensing economizer with the Organic Rankine Cycle. | |
| dc.format.extent | 154 с. | |
| dc.identifier.citation | Неділько, А. В. Теплообмін при плівковій конденсації в конденсаційних економайзерах : дис. … д-ра філософії : 142 Енергетичне машинобудування / Неділько Андрій Володимирович. - Київ, 2026. - 154 с. | |
| dc.identifier.uri | https://ela.kpi.ua/handle/123456789/82100 | |
| dc.language.iso | uk | |
| dc.publisher | КПІ ім. Ігоря Сікорського | |
| dc.publisher.place | Київ | |
| dc.subject | конденсаційний економайзер | |
| dc.subject | теплообмін | |
| dc.subject | тепломасообмін | |
| dc.subject | плівкова конденсація | |
| dc.subject | утилізація теплоти | |
| dc.subject | ORC | |
| dc.subject | оребрення | |
| dc.subject | енергоефективність | |
| dc.subject | condensing economizer | |
| dc.subject | heat transfer | |
| dc.subject | heat and mass transfer | |
| dc.subject | filmwise condensation | |
| dc.subject | heat recovery | |
| dc.subject | flue gases | |
| dc.subject | Organic Rankine Cycle | |
| dc.subject | finning | |
| dc.subject | energy efficiency | |
| dc.subject.udc | 621.181 | |
| dc.title | Теплообмін при плівковій конденсації в конденсаційних економайзерах | |
| dc.title.alternative | Heat Transfer during Filmwise Condensation in Condensing Economizers | |
| dc.type | Thesis Doctoral |
Файли
Контейнер файлів
1 - 1 з 1
Ліцензійна угода
1 - 1 з 1
Ескіз недоступний
- Назва:
- license.txt
- Розмір:
- 8.98 KB
- Формат:
- Item-specific license agreed upon to submission
- Опис: