CC BY
14УДК 536.248.2: 532.529.5
Д.М. Лукьянченко, аспирант, С.С. Топорен, к.т.н., О.Н. Зайцев, д.т.н., проф.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ
ГОРЕНИЯ В ТЕПЛОГЕНЕРИРУЮЩИХ УСТАНОВКАХ МАЛОЙ
МОЩНОСТИ
Национальная академия природоохранного и курортного строительства, Симферополь
Аннотация. В статье приведены данные по распределению скорости, температуры и давления в предложенной конструкции вихревой топки. Выявлен эффект Ранка-Хилша при сжигании газа в области низких давлений (до 10 кПа), что подтверждено экспериментальными данными и предложено применение этого вихревого эффекта в топках жаротрубных отопительных котлов малой мощности для сглаживания колебаний тепловой нагрузки потребителя.
Ключевые слова: отопительный котел малой мощности, эффект Ранка-Хилша, термопара, тепловоспринимающая поверхность.
Анотащя. У статп наведено даш щодо розподшу швидкосп, температури i тиску в запропонованш конструкцп вихрово! топки. Виявлено ефект Ранка-Хшша при спалюванш газу в област низьких тисюв (до 10 кПа), що тдтверджено експериментальними даними i запропоновано застосування цього вихрового ефекту в топках жаротрубних опалювальних котлiв мало! потужностi для згладжування коливань теплового навантаження споживача.
Ключовг слова: опалювальний котел мало! потужносп, ефект Ранка-Хiлша, термопара, поверхня, що сприймае тепло.
Abstract. The article presents data on the distribution of velocity, temperature and pressure in the vortex of the proposed design of the furnace. The effect Ranque-Hilsch gas combustion at low gas pressures (10 kPa), which is confirmed by experimental data and the proposed application of the vortex effect in the furnaces of fire-tube boilers of small capacity for smoothing of the heat load of the consumer.
Key Words: the boiler is a low power, Ranque-Hilsch, thermocouple, surface which receives
heat.
Введение. Изношенность тепловых сетей и низкое качество тепловой энергии, предоставляемой потребителю, побуждает последнего отказываться от централизованного теплоснабжения в пользу децентрализованного. Также централизованное теплоснабжение очень инерционным с точки зрения его особенностей (задержка поставки тепла в начале отопительного периода и его отключение в конце). Эта проблема решается установкой индивидуальных теплогенерирующих установок на примере зарубежного опыта, когда основная внимание уделяется не капитальным затратам, но эксплуатационными.
Анализ публикаций. Выполненные в последние годы исследования показали, что теплогенерирующие установки большую часть времени работают не в номинальном режиме, учитывая особенности подбора оборудования. Наиболее перспективным направлением является повышение коэффициента использования топливных ресурсов за счет повышения КПД
теплогенерирующих установок в нестационарных режимах путем усовершенствования аэродинамики топок котлов при взаимодействии закрученных потоков. Но в настоящее время не существует методик расчета влияния максимума температур в топке в жаротрубных теплогенераторах, а современные исследования не решили окончательно эту проблему.
Цель и постановка задач. Исследования, направленные на повышение КПД теплогенерирующих установок в нестационарных режимах путем усовершенствования аэродинамики топок котлов по управлению максимумом температур в топках жаротрубных теплогенераторов мощностью от 100 кВт до 300 кВт.
Методика исследования. Для решения поставленной задачи был разработан и изготовлен экспериментальный стенд для исследования огневых процессов, в основу которого положена вихревая топка в изоляции с двумя тангенциальными подводами (рис. 1).
Топливо-воздушная смесь в топочное пространство поступала с помощью двух горелок Бунзена с коэффициентом избытка воздуха 1,05-1,1 через два тангенциальных патрубка.
Кроме замеров температуры уходящих дымовых газов через дроссель и диафрагму, температуры термопар по поверхности (по длине) топки проводилась качественная оценка распределения линий тока по объему топки. Оба разноименно закрученных факела взаимодействуют друг с другом, вихревое ядро, а, следовательно, максимум температур максимально приближены к пристенному слою. Анализ распределения температуры по длине тепловоспринимающих поверхностей (рис. 2, рис. 3) показал, что при постоянной величине расхода газа перераспределением потоков дымовых газов возможно добиться приближения максимума температур к стенкам топки, а, следовательно, увеличение градиента температур «дымовые газы - рабочее тело» и теплонапряженности топочного пространства.
/
Рис. 1 Экспериментальный стенд с теплоизоляционным кожухом 1 - тангенциальный подвод; 2 - диафрагма; 3 - дроссель; 4 - тепловая изоляция; 5 - хромель-копелевые термопары.
Затем была проведена серия опытов для различных расходов газа (18кг/ч, 30кг/ч и 45кг/ч). В каждой из серий опытов для каждого из расходов также газа изменялось положение дросселя. Проанализировав распределение температур по длине тепловоспринимающей поверхности (рис. 4.7 - 4.9) определили наличие вихревого эффекта: за счет перераспределения дымовые газы у периферии, выходящие через дроссель, имели более высокую температуру, чем дымовые газы на оси топки, выходящие через диафрагму. Причем чем больший расход газа устанавливался в серии опытов, тем устанавливалась большая разница температур дымовых газов через дроссель и диафрагму.
Анализ распределения поля скоростей и температур в топочном пространстве показал, что расположение максимума температур смещается в пристенный слой, а минимум - на оси топки, очевидно, как следствие температурного торможения. На основании полученных распределений полей температуры и скорости предложена усовершенствованная модель котла с поворотом факела и отводом продуктов сгорания в торцах камеры, соответственно, осевым и коаксиальным, которая позволяет более рационально использовать генерируемое тепло для нескольких типов потребителей. Общий вид камеры сгорания приведен на рис. 7.
Распределение температуры на тепловоспринимающих поверхностях
150
100
4 6
Степень открытия дросселя
-1 термопара
2 термопара
3 термопара
4 термопара
5 термопара
6 термопара
7 термопара
250
т 200
50
0
0
2
8
0
Рис. 2 Результаты экспериментальных исследований изменения температуры при
различной степени открытия дросселя
Распределение температур на тепловоспринимающих поверхностях
Номер термопары
—♦—Дроссель закрыт Открыт на 2 витка Открыт на 4 витка Открыт на 6 витка Открыт на 8 витка Открыт на 10 витков
Рис. 3 Результаты экспериментальных исследований изменения температуры при
различной степени открытия дросселя
Рис. 4 Результаты экспериментальных исследований изменения температуры при различной степени открытия дросселя. Расход газа 18кг/ч. (Ось абсцисс - термопары, ось ординат - температура соответствующей термопары)
Рис. 5 Результаты экспериментальных исследований изменения температуры при различной степени открытия дросселя. Расход газа 30кг/ч. (Ось абсцисс - термопары, ось ординат - температура соответствующей термопары)
Рис. 6 Результаты экспериментальных исследований изменения температуры при различной степени открытия дросселя. Расход газа 45кг/ч. (Ось абсцисс - термопары, ось ординат - температура соответствующей термопары)
Рис. 7 Предложенная модель топки жаротрубного котла мощностью от 100 до 300 кВт.
При полностью закрытом дросселе предложенная модель работает как двухходовой котел с инверсионной топкой - весь объем дымовых газов
выходит через диафрагму. Максимум температур находится в центре топочного объема. Два закрученных потока продуктов горения взаимодействуют между собой, образуя единый поток дымовых газов, достигающий дросселя и под действием центробежных сил и вытесняемый новыми порциями дымовых газов через диафрагму. При снижении отопительной нагрузки необходимо снизить тепловую мощность теплогенерирующей установки. Однако при этом снижается КПД теплогенерирующей установки [112, 113, 115]. Для предотвращения этого открывается дроссель - часть дымовых газов уходит через кольцевую щель дросселя, а часть - через диафрагму. При этом, благодаря вихревому эффекту и взаимодействию закрученных потоков дымовые газы с большей температурой находятся в пристенном слое, интенсифицируя теплообмен с рабочим телом. Дымовые газы, выходящие через диафрагму, имеют несколько меньшую температуру, чем выходящие через дроссель.
Результаты и их анализ. Распределения радиальной и тангенциальной составляющих скорости на срезе патрубка аналогично профилям для сильнозакрученных струй, приведенных в многочисленных работах [16, 19, 20], однако следует отметить, что распределение тангенциальной скорости в отличие от более сглаженного профиля радиальной, имеет четко выраженный минимум, расположенный на границе обратных токов, что вероятно, вызвано резким расширением струи при выходе из сопла и вовлечением окружающей массы воздуха в возвратное течение на оси струи, при этом разница в скорости между центральной осью и границей области обратных токов возникает вследствие инерционности массы окружающего воздуха и максимума тангенциальной скорости, приходящегося на периферийную область.
Эволюция распределения радиальной скорости при удалении от среза подающего патрубка показывает, что максимум данной составляющей скорости зеркально меняет свое положение относительно центральной оси с шагом 0,1 м, а минимум (соответствуя области обратных токов) расширяется, уменьшаясь в абсолютном значении по мере увеличения расстояния от источника струи. Такое поведение скорости может объясняться односторонним тангенциальным подводом воздуха, что приводит к неравномерному распределению вращающейся массы вокруг оси, однако, такое возможно при замерах скорости с распределением по времени, равном угловой скорости вращения, а в данном случае замеры проводились в один промежуток времени. То есть наиболее вероятным является влияние вихревого ядра, винтовая траектория которого (во втором разделе данной работы было показано, что вихревое ядро не прямолинейно, а скручивается вокруг центральной оси закрученного потока) и, очевидно, имеет шаг, кратный диаметру патрубка.
При изменении положения максимума температур в топочном пространстве, изменяется значение критерия М (степень черноты факела, коэффициент тепловой эффективности и видимое тепловое напряжение остаются неизменными), что влияет на температуру дымовых газов на выходе из топки. При расположении максимума температур на оси топки, критерий М=0,35. Для этого значения М соответствует температура дымовых газов
1130°С. При нахождении максимума температур непосредственно у тепловоспринимающих поверхностей критерий М=0,55, что соответствует температуре дымовых газов на выходе из топки 930°С.
Анализ двух возможных положений максимума температур в топочном пространстве показал, что приближение максимума температур к стенкам топки интенсифицирует теплообмен в топочном пространстве, о чем свидетельствует снижение температуры дымовых газов на выходе из топки.
Выводы. Экспериментальные исследования процессов горения газообразного топлива в теплогенерирующих установках малой мощности (100300кВт) с тангенциальным подводом горелок в топку показали, что распределение скорости, давления и температуры в объеме топки подтверждают аналогичные теоретические распределения (расхождение не превышает 10%), при этом выявлено изменение положения максимума и минимума температур по отношению к стенкам камеры в зависимости от объема сжигаемого газа, которое обратно пропорционально степени крутки потока в горелке и обратно - углу раскрытия струи. Также получены данные по распределению скорости, температуры и давления в предложенной конструкции вихревой топки, отличающиеся тем, что выявлен эффект Ранка-Хилша при сжигании газа в области наизких давления (до 10 кПа), что подтверждено экспериментальными данными и предложено применения этого вихревого эффекта в топках жаротрубных отопительных котлов малой мощности для сглаживания колебаний тепловой нагрузки потребителя.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Вагнер Гюнтер Экономические показатели современных котельных установок. Отдельный выпуск на основе материалов из HLH36 (1985) изд. VDI GmbH, Дюссельдорф
2. Торчинский Я.М. Нормирование расхода газа для отопительных котельных. - Л.: Недра, 1991. - 163 с.: ил.
3. Адольф Мировски Материалы для проектирования котельных и современных систем отопления. - Польша: Виссманн, 2005. - 294 с.
4. Меркулов А.П. Вихревой эффект и его применение в технике: Машиностроение, 1969. - 185с.
5. Лумми А.П. Мунц В.А. Расчет жаротрубно-дымогарного котла. - ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2009
6. Алямовский А. А., Собачкин А. А., Одинцов Е. В, Харитонович А. И, Пономарев Н. Б., -СПб.: БХВ-Петербург. 2005. -800 с,: ил
7. Аэродинамика закрученной струи./Ахмедов Р.Б., Балагула Т.Б., Рамидов Ф.К.,Сакаев А.Ю./Под ред.Ахмедова Р.Б. -М.: Энергия, 1977. -240 с.
8. Гупта А., Лилли Д., Сайред Н. Закрученные потоки: Пер. с англ. - М.: Мир, 1987. -588 с.
