CC BY
127
УДК 62-9
А. Г. МИХАИЛОВ Э. Э. НОВИКОВА С. В. ТЕРЕБИЛОВ
Омский государственный технический университет
РАСЧЕТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДЛЯ РЕВЕРСИВНОЙ ТОПКИ ГАЗОТРУБНОГО КОТЛА
Рассматривается классификация газотрубных котлов как источников теплоты для автономных систем теплоснабжения и особенности их конструкции. Приводятся результаты численных расчетов с использованием модели турбулентного горения тепловых процессов в реверсивных топках с различным профилем для газового топлива. Наиболее высокие средние температуры газовой смеси в объеме и плотности тепловых потоков на стенке соответствуют реверсивной топке с профилем эллипс.
Ключевые слова: газотрубный котел, реверсивная топка, горение, температура, плотность теплового потока.
Котлы применяются как источники пара, для отопления зданий и питания технологического оборудования в промышленности, а также машин и турбин, приводящих в действие электрогенераторы. В зависимости от назначения котельные агрегаты (котлы) подразделяют на отопительные, ото-пительно-производственные и производственные. Отопительные водогрейные котлы устанавливают в отопительных котельных, они вырабатывают горячую воду с температурой 90 — 200 °С, которая используется для обеспечения тепловой энергией систем отопления, вентиляции и горячего водоснабжения.
Промышленные котельные агрегаты, устанавливаемые в производственных и отопительно-произ-водственных котельных (соответственно это производственные и отопительно-производственные котлы), вырабатывают насыщенный пар или перегретый пар с температурой до 450 °С и давлением до 4 МПа, который используется в технологических процессах разных отраслей промышленности, а также для обеспечения тепловой энергией систем отопления, вентиляции и горячего водоснабжения [1—4]. Соответственно, газотрубные котлы разделяются на следующие типы: водогрейные и паровые. По расположению: горизонтальные, вертикальные. По конструкции жаровой трубы: с гладкими или волнистыми жаровыми трубами. По количеству жаровых труб: с одной или с двумя жаровыми трубами. По наличию экономайзера: с экономайзером, без экономайзера. По режиму эксплуатации: работающие в базисном режиме; работающие в маневренном режиме. По ходу дымовых газов: с оборотом дымовых газов (реверс) в жаровой трубе, с двойным ходом дымовых газов, с тройным ходом дымовых газов.
Рассмотрим этот вопрос подробнее. Горячие газы, образующиеся в камере сгорания, проходят через реверсивную камеру и затем через трубы малого диаметра, составляющие второй ход (рис. 1), и, наконец, через второй пучок труб, который обра-
зует третий ход (рис. 2). В некоторых конструкциях котлов реверсивных топок третий ход исключен, что может дать преимущество по габаритам котлов [1, 2] .
Несмотря на многообразие заявленных характерных признаков классификации газотрубных котлов в развитии современной подобной техники малой и средней мощности, можно выделить следующие общие направления: повышение энергетической эффективности путем всемерного снижения тепловых потерь и наиболее полного использования энергетического потенциала топлива; уменьшение габаритных размеров котельных агрегатов за счет интенсификации процесса сжигания топлива и теплообмена в топке и поверхностях нагрева; снижение токсичных (вредных) выбросов (СО, ИОх, ЗОх); повышение надежности работы котельного агрегата [1].
Наряду с выбором теплогенератора для децентрализованных систем теплоснабжения, актуальными задачами являются расчет процессов тепломассопереноса и определение способов интенсификации его в элементах конструкции котла при одновременном действии излучения и конвекции. Поэтому дальнейший материал будет посвящен рассмотрению вопроса расчета процесса те-плопереноса в топках газотрубных котлов малой и средней мощности. Анализ литературных источников показывает, что доля конвективного переноса в проточной топке достигает 20 — 30 % в общем теплопереносе от факела к стенке [4, 5]. Поэтому для изучения подобных процессов дальнейшие расчетные исследования проводились для реверсивной топки газотрубного котла с использованием уравнений газовой динамики [5].
Ниже приводятся результаты расчетов по к-е модели турбулентного горения с учетом излучения реагирующих газов (модель излучения Р1) с использованием программного комплекса АИБУБ-СРХ, выполненных для различных профилей реверсивной топки газотрубного котла мощностью 200 кВт
Рис. 1. Двухходовой котел с реверсивной камерой сгорания: Рис. 2. Трехходовой котел:
d — диаметр камеры сгорания, 1 — длина камеры сгорания d — диаметр камеры сгорания, 1 — длина камеры сгорания,
(для расчета размеров пламени), Ц — толщина изоляции 11 — длина жаровой трубы до поворотной камеры для
котла, Ц — минимальная длина пламенной трубы горелки расчета размеров пламени, Ц — толщина изоляции котла (от фланца крепления горелки)
Ч-^
Ь
Рис. 3. Геометрические характеристики профилей расчетных моделей: эллипс — а = 0,135 м, Ь = 0,095 м; круг — а = 0,46 м
Рис. 4. Зависимость средней температуры газовой смеси в топке от скорости окислителя
Рис. 5. Зависимость средней плотности теплового потока на стенке от скорости окислителя
(рис. 3). Длина топки — 1 метр. Топливо — природный газ, окислитель — воздух. Скорость подачи метана постоянна (40 м/с), скорость подачи окислителя — переменна.
На рис. 4 изображено изменение средних температур в зависимости от скорости окислителя при постоянном расходе топлива для топок различных профилей — эллипса и круга. Во всем исследуемом интервале данных величин наблюдается изменение температур. Причем максимум достигается в области, соответствующей полному сгоранию топлива.
Очевидно, что интенсивность сжигания природного газа определяется, в том числе и скоростью его смешения с воздухом. Причем большие значения температур соответствуют топке с профилем эллипс. Изменение формы поперечного сечения с круга на эллипс приводит к деформации поля скоростей и, как следствие, к увеличению последних.
Температура газовой смеси в топочном объеме является определяющим параметром для определения эффективности работы котла в целом. Также при тепловом расчете данного агрегата необходимо
определить количество теплоты, переданное теплоносителю. На рис. 5 изображено изменение средних значений плотностей теплового потока д на граничной поверхности в зависимости от скорости окислителя при постоянном расходе топлива для топок различных профилей — эллипса и круга. Во всем исследуемом интервале данных величин изменение величины д определяется законом изменения температур в объеме. Поэтому максимальные значения этих величин соответствуют топке с профилем эллипс.
Выводы.
1. Численное решение уравнений, входящих в к-е модель турбулентного горения, позволяет определить значения тепловых характеристик работы топки.
2. На основе полученных данных можно утверждать, что вариации формы профиля топки приводят к изменению её тепловых характеристик — температуры газовой смеси в объёме и плотности теплового потока на стенке.
3. Данные величины являются начальными данными при расчете эффективности работы газотрубного котла.
Библиографический список
1. Соколов, Б. А. Паровые и водогрейные котлы малой и средней мощности / Б. А. Соколов. — М. : Академия, 2008. — 128 с.
2. Брюханов, О. Н. Газифицированные котельные агрегаты / О. Н. Брюханов, В. А. Кузнецов. - М. : ИНФРА-М, 2005. -329 с.
3. Липов, Ю. М. Котельные установки и парогенераторы / Ю. М. Липов,
Ю. М. Третьяков. — М. — Ижевск : НИЦ Регулярная и хаотическая динамика, 2005. — 592 с.
4. Михайлов, А. Г. Вопросы выбора теплогенераторов / А. Г. Михайлов,
Д. С. Романенко, С. В. Теребилов // Омский научный вестник. Сер. Машины, приборы и технологии. — Омск : ОмГТУ. — 2008. — № 2 (68). — С. 54 — 56.
5. Михайлов, А. Г. Методы расчета теплообмена в топках котлов / А. Г. Михайлов // Омский научный вестник. Сер. Машины, приборы и технологии. — Омск : ОмГТУ. — 2008. — № 3 (70). — С. 81—84.
МИХАИЛОВ Андрей Гаррьевич, кандидат технических наук, доцент (Россия), заведующий кафедрой теплоэнергетики.
НОВИКОВА Эллина Эдуардовна, студентка гр. Б-411 энергетического института. ТЕРЕБИЛОВ Сергей Викторович, старший преподаватель кафедры теплоэнергетики. Адрес для переписки: sergyjxxx@ya.ru
Статья поступила в редакцию 10.09.2015 г. © А. Г. Михайлов, Э. Э. Новикова, С. В. Теребилов
УДК 621181123 А. Г. МИХАЙЛОВ
Е. Н. СЛОБОДИНА С. В. ТЕРЕБИЛОВ
Омский государственный технический университет
ВОПРОСЫ ТЕПЛООБМЕНА
ПРИ КОНДЕНСАЦИИ В РАЗРЯЖЕННОМ
ОБЪЕМЕ ВАКУУМНОГО КОТЛА
Продолжительное время процессам конденсации при работе теплотехнического оборудования не уделялось должного внимания, предполагалось, что процесс не нуждается в применении развитых поверхностей нагрева и других методов интенсификации. В статье отображены результаты исследования влияния процесса конденсации в разряженной полости на эффективность работы вакуумного котла. Изучение процесса конденсации в разряженной полости позволит выделить недостатки и подобрать рациональные методы интенсификации теплообмена.
Ключевые слова: вакуумный котел, конденсация, теплоотдача, давление, коэффициент полезного действия.
Рационализировать использование и достигнуть экономически оправданной эффективности использования энергетических ресурсов возможно благодаря разработке и внедрению новых технологий и оборудования. В качестве такого оборудования для систем автономного теплоснабжения рассматривается вакуумный водогрейный котел, который не требует больших материальных затрат при экс-
плуатации, прост в конструкции и безопасен в использовании.
Вакуумный водогрейный котел — это герметичная емкость, наполненная определенным количеством хорошо очищенной воды (рис. 1). Особенность работы котла заключается в том, что в котел при первом запуске после монтажа единственный раз заливается химически очищенная вода.
