Development of an efficient water-heating waste heat boiler

Introduction.

Problems of waste gas heat recovery are relevant in the course production activities. Secondary thermal energy resources are the most widely spread type of energy waste. Efficient recovery of waste heat will reduce energy costs. The building of a cafeteria, that has a water-heating waste heat boiler (WHB) represents a widely spread type of industrial buildings in eastern countries, where hot water and heating can be provided by using heat waste recovered from groups of tandoor furnaces. The purpose of the research is to study unsteady convective flows of heat passing through the pipe of a tandoor heat exchanger and to develop a simple design of a small-sized, easy to manufacture, economical and safe model of a water heating device for the needs of the national economy.

Materials and methods.

The research is based on a comprehensive methodology employed to study, analyze and generalize thermophysical processes based on the study of convective unsteady heat flows in heat exchanger pipes of tandoor furnaces.

Results.

The research result represents higher thermal efficiency of the WHB installed in the building of a cafeteria due to the heating, accumulation and heat transfer by vertical finned steel heat-exchanger pipes in the cylindrical boiler in the course of convective heating by the outlet gas used as the heat carrier without returning heat to the water heating boiler.

Conclusions.

The cafeteria building has scientifically and practically grounded design of a WHB tandoor group, which is a vertical cylindrical tank filled with water, in which vertical outlet heat exchange pipes are placed. Heat, emitted during the operation of tandoors, is used to bake flatbreads and bread by burning wood, coal, natural gas or electric heaters. This heat heats boiler sections to supply hot water to consumers and heat the building premises. The method of finned pipes extends the field of application of the device, increasing the coefficient of heat capacity and heat exchange, as well as the capacity of equipment.

1. Курбангалеев А.А., Тазюков Ф.Х., Батталов А.Ф., Еникеева С.Р., Лившиц С.А., Лебедев Р.В. Модель движения потока газа в трубе с диафрагмой при ламинарном режиме течения // Научно-технический сборник «Вести газовой науки». 2021. № 3 (48). С. 261-268.

2. Сухоцкий А.Б., Сидорик Г.С. Экспериментальное исследование теплоотдачи однорядного пучка из оребренных труб при смешанной конвекции воздуха // Энергетика. Известия высших учебных заведений и энергетических объединений СНГ. 2017. Т. 60. № 4. С. 352-366. DOI: 10.21122/1029-7448-2017-60-4-352-366

3. Мадышев И.Н., Санников И.В. Сравнение различных методов интенсификации конвективного теплообмена в трубах при турбулентном течении жидкости // Вестник Технологического университета. 2021. Т. 24. № 3. С. 71-75.

4. Kapustenko P., Arsenyeva O., Fedorenko O., Kusakov S.Integration of low-grade heat from exhaust gases into energy system of the enterprise // Clean Technologies and Environmental Policy. 2022. Vol. 24. Issue 1. Pp. 67-76. DOI: 10.1007/s10098-021-02082-3

5. Бойко Е.А. Котельные установки и парогенераторы : учебное пособие. Красноярск : ФАО РФ ГОУВПО КГТУ, 2005. 292 с.

6. Валиулин С.Н., Пискулин В.Г., Шабаров В.В. Проектирование водотрубного котла-утилизатора на базе численного моделирования тепловых и гидрогазодинамических процессов // Вестник Астраханского государственного технического университета. Серия: Морская техника и технология. 2014. № 1. С. 48-54.

7. Зыков А.К. Паровые и водогрейные котлы: эксплуатация и ремонт : справоч. пособие. 2-е изд. перераб. и доп. М. : НПО ОБТ, 2006. 113 с.

8. Лощаков И.И., Ромахова Г.А., Трещев Д.А. Характеристики котла-утилизатора парогазовых установок // Известия Российской академии наук. Энергетика. 2009. № 3. С. 117-123.

9. Малков Е.С., Шелыгин Б.Л. Разработка расчетных моделей котла-утилизатора для анализа эффективности сжигания дополнительного топлива // Вестник Ивановского государственного энергетического университета. 2013. № 1. С. 15-18.

10. Gubarev A.V., Golovkov M.A., Dyachuk D.S., Bychikhin S.A. Methods and devices of heat wasted gases utilization from stationary engines of internal combustion // Journal of Physics: Conference Series. 2018. Vol. 1066. P. 012018. DOI: 10.1088/1742-6596/1066/1/012018

11. Zapolskaya I.N., Vankov Yu.V., Zverev O.I., Rotach R.R. The impact of the transition of hot water “preparation” by means of individual heating stations on the Kazan energy system // E3S Web of Conferences. 2019. Vol. 124. P. 05012. DOI: 10.1051/e3sconf/201912405012

12. Webb R.L. Principles of enhanced heat transfer. Wiley : New York, 1994. 246 р.

13. Kraus A.D., Aziz A., Welty J. Extended Surface Heat Transfer. John Wiley & Sons Inc., 2001. 1105 p.

14. Попов И.А., Махянов Х.М., Гуреев В.М. Физические основы и промышленное применение интенсификации теплообмена. Интенсификация теплообмена / под общ. ред. Ю.Ф. Гортышова. Казань : Центр инновационных технологий, 2009. 509 с.

15. Новичков С.В., Бурденкова Е.Ю. Использование теплоты уходящих газов котла-утилизатора бинарной ПГУ для обогрева тепличного хозяйства // Энергобезопасность и энергосбережение. 2020. № 3. С. 20-24. DOI: 10.18635/2071-2219-2020-3-20-24

16. Стерхов К.В. Исследование естественной циркуляции в вертикальном котле-утилизаторе : автореф. дис. … канд. техн. наук. М., 2017. 20 с.

17. Ениватов А.В., Артемов И.Н., Савонин И.А. Оптимизация тепловой схемы котельной с утилизатором тепла дымовых газов // Инженерный вестник Дона. 2018. № 1 (48). С. 12.

18. Зубова А.О. Актуальность утилизации теплоты дымовых газов // Инженерные и социальные системы : сб. науч. тр. 2019. С. 106-111.

19. Горфин О.С., Яблонев А.Л., Щербаков И.П. Теплоутилизаторы и очистители дымовых газов ТЭЦ // Энергия: экономика, техника, экология. 2019. № 2. С. 33-39. DOI: 10.7868/S0233361919020058

20. Dumitrescu C., Rădoi R., Cristescu C., Dumitrescu L. Experimental model of a combined thermal system for efficient use of renewable energies // INMATEH Agricultural Engineering. 2020. Vol. 60. Issue 1. Pp. 287-294. DOI: 10.35633/inmateh-60-32

21. Бураков А.А. Система охлаждения уходящих газов // Научный лидер. 2021. № 42 (44). С. 318-321.

22. Тимофеев С.В. Тригенерация на твердом топливе для автономного обеспечения // Вестник науки и образования. 2019. № 18 (72). С. 42-47.

23. Патент RU № 2382287 C1. Водогрейный теплофикационный котел-утилизатор / С.А. Петриков, А.С. Тарасов, Е.Р. Спильник, Г.Е. Рузаев. Заявка № 2008132142/06 от 06.08.2008.