Сравнительный анализ эксплуатационных характеристик снегоплавильных установок с различными типами теплообменников

Одной из важнейших социальных задач муниципальных образований является содержание дорог и территорий в зимний период для исключения паралича транспортной системы и затруднительного передвижения пешеходов.

Интенсивность снежных осадков за зиму 2023/2024 года значительно превысила показатели за период 2022/2023 года, так, согласно отчету МУП «ПАД», отвечающего за содержание дорог и территорий г. Набережные Челны, на 1 марта 2024 года совершено более 74,4 тыс. рейсов и вывезено 1,3 млн. куб.м. снега, когда за аналогичный предыдущий период совершено 37,6 тыс. рейсов и вывезено 504 тыс. куб.м. снега.

Вывоз снега в городе Набережные Челны осуществлялся на несколько снегосвалок и полигонов, а именно вдоль проезда Тозелеш, в районе карьера у Элеваторной Горы и между проспектом «КАМАЗа» и Автосборочным проездом.

В прошлом году действовало всего две снегосвалки, в связи с быстрой заполняемостью, городскими властями принято решение открыть еще одну, за 52-м микрорайоном.

Вывоз снега на снегосвалки решает основную задачу, но является неэффективным по нескольким причинам:

1. Затраты на транспортировку снега

Как правило, снегосвалки располагаются за городской чертой, поэтому для доставки снежной массы из места вывоза до полигона необходимо преодолеть значительное расстояние, что обусловлено значительными финансовыми затратами.

2. Нагрузка на транспортную инфраструктуру

При обильных снегопадах вывоз снега на полигон, провоцирует образование транспортных заторов в городской черте [1].

3. Экологический аспект

В среднем содержание сульфатов в снежной массе превышает предельно допустимую концентрацию в 10 раз, хлоридов в 15 раз, концентрация токсичных металлов, таких как железо, литий, цинк, марганец, медь, молибден, кобальт, кадмий в 1,5 до 330 раз.

Таким образом, традиционный метод уборки снежной массы с городских пространств является устаревшим и все больше получает распространение применение снегоплавильных установок.

Существует множество видов снегоплавильных установок, в данной статье рассмотрим два варианта исполнения теплообменных аппаратов стационарных снегоплавильных установок, а именно с использованием змеевика из стальных труб и жаровой трубы.

Змеевик из стальных труб

Для снегоплавильной установки производительностью 40 куб.м/ч был рассчитан теплообменный аппарат, выполненный из стальной трубы в виде змеевика, представленный на рисунке 1.

Рис. 1. Теплообменник стационарной снегоплавильной установки на органическом топливе

Змеевик имеет 4-секции, каждая по 20 м, диаметр витка 0,8 м. По змеевику движется теплоноситель на основе этиленгликоля с температурой на входе в установку 90 ⁰С и на выходе 40 ⁰С. Нагрев этиленгликоля осуществляется в газовом котле мощностью 1,2 МВт. Расчет основных параметров теплообменника приведен в таблице 1.

Таблица 1

Расчет параметров змеевикового теплообменника

Наименование параметра	Греющая среда (этиленгликоль)	Нагреваемая среда (снег-вода)
Средняя температура, °С	65	8,2
Расход,	5,37	3,33
Плотность,	980,6	999,9
Кинематическая вязкость,	0,447	1,306
Теплопроводность,	0,664	0,574
Теплоемкость,	4,182	4,190
Критерий Прандтля для среды,	2,74	9,52
Средняя скорость,	1,5	-
Число Рейнольдса	120469,80	-
Критерий Рэлея	-	5485543,11
Число Нуссельта	346,01	26,13
Коэффициент теплоотдачи,	6399,74	1014,11
Коэффициент теплопередачи,	121,33
Площадь поверхности теплообмена,	118

Приведенная конструкция теплообменника имеет ряд недостатков. Во-первых, в связи с малым коэффициентом теплопередачи, площадь поверхности теплообменного аппарата получается большой, что приводит к необоснованному увеличению массогабаритных характеристик установки. Во-вторых, исполнение змеевика выполнено из нестандартных изделий, что затрудняет его массовое производство.

Рассмотрим вариант использования в качестве теплообменника жаровую трубу.

Рис. 2. Теплообменник – жаровая труба стационарный снегоплавильной установки

Конструкция снегоплавильной установки с жаровой трубой (рисунок 2) имеет сходство с жаротрубным котлом. В качестве теплообменного аппарата выступает жаровая труба, диаметром 400 мм и длиной 3 м. После поворотной камеры продукты сгорания попадают в дымогарные трубы первого хода, которые выполнены из стальных труб диаметром 60 мм и длиной 2,8 м, расположенные вокруг жаровой трубы в количестве 20 шт. Аналогично расположены и дымогарные трубы диаметром 89 мм третьего хода.

Тепловой расчет жаротрубного котла обычно разделяют на две составляющие – это расчет топки и расчет пучка дымогарных труб. Это вызвано тем, что эти части имеют различные геометрические параметры, а теплообмен между продуктами сгорания и стенками котла имеет различный характер – в топке это, преимущественно, излучение, а в пучке дымогарных труб конвекция. Расчет теплообмена в топке жаротрубного котла основывается на нормативном методе теплового расчета котельных агрегатов [2]. В таблице 2 приведены результаты расчета площадей основных поверхностей теплообмена снегоплавильной установки путем применения нормативного метода теплового расчета жаровых котлов.

Таблица 2

Площади поверхностей теплообмена в жаровой трубе

Общая площадь поверхностей теплообмена при использовании жаровой трубы в 3,94 раза меньше, чем площадь поверхностей теплообмена змеевикового теплообменника, что указывает на лучшие массогабаритные характеристики жаровой трубы в качестве теплообменника для снегоплавильной установки.