CC BY
56
УДК 51-72:536.4
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ В ГАЗОВЫХ ГОРЕЛКАХ ДЛЯ БЫТОВЫХ ПЛИТ
ТЕНЕНЕВ В.А., ГУБЕРТ А.В., МИХАЙЛОВ Ю.О., *КОРЕПАНОВ М.А.
Ижевский государственный технический университет, 426069, г. Ижевск, ул. Студенческая, 7
* Институт прикладной механики УрО РАН, 426067, г. Ижевск, ул. Т. Барамзиной, 34
АННОТАЦИЯ. Приведены результаты разработки семейства горелок для бытовых газовых плит. Разработана математическая модель процессов в горелке с учетом образования оксидов азота и углерода, показано хорошее совпадение результатов теоретических и экспериментальных исследований.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: газовая горелка для бытовых плит, математическая модель, загрязняющие вещества, коэффициент полезного действия.
Во всех конструкциях бытовых газовых плит в качестве варочных применяются пламенные многофакельные инжекционные горелки низкого давления. Основными элементами таких горелок являются: сопло, регламентирующее расход газа при номинальном давлении (номинальную тепловую мощность горелки); диффузор-смеситель, где происходит смешение выходящего из сопла газа с инжектируемым первичным воздухом; корпус горелки - полость, где завершается смешение газа с первичным воздухом. Корпус снабжен по верхнему краю огневыми отверстиями для вывода газовоздушной смеси в зону сжигания.
Расположение смесительной трубки - диффузора - вертикальное или горизонтальное, оказывает существенное влияние на габаритные, в первую очередь высотные, размеры газовых плит. Это особенно актуально, если речь идет о настольных или встраиваемых газовых плитах. Так у горелок с вертикальной смесительной трубкой расстояние от сопла до нагреваемой поверхности составляет более 120 мм. Одним из способов уменьшения высотного размера могло бы быть использование горизонтальных смесительных трубок, однако, они ухудшают инжекционную способность горелок, что связано с большой длиной газодинамического тракта, необходимого для плавного разворота потока. На рис. 1 представлена горелка фирмы ЗАВАБ (Италия) [1], основными особенностями которой являются радиально-осевая трубка Вентури (осевой конфузор-смеситель и радиальный диффузор) и забор воздуха для предварительного смешения с рабочей поверхности стола. В данной конструкции расстояние от основания горелки до поверхности нагрева составляет около 70 мм, что позволяет использовать подобные горелки во встраиваемых варочных поверхностях и обеспечивает их широкое использование в газовых плитах.
На рис. 2 приведена компоновочная схема горелки разработанной в ИжГТУ [2, 3] и также имеющей радиально-осевой канал смешения газовоздушной смеси (трубку Вентури). Её отличительной особенностью от горелок фирмы ЗАВАБ является расположение горловины трубки Вентури в осевой части и разделение диффузорной части на осевую и радиальную, что позволяет оптимизировать газодинамические процессы в трубке Вентури при развороте потока и повысить коэффициент восстановления давления. Это особенно актуально для горелок малой мощности, т.к. позволяет увеличить общую длину диффузорной части трубки Вентури и, соответственно, увеличить коэффициент восстановления давления в диффузорной части по сравнению с аналогами (горелки фирмы ЗАВАБ), в которых длина диффузорной части оказывается недостаточной из-за малого диаметрального размера горелки.
I
Рис. 1. Компоновочная схема горелки фирмы SABAF
Рис. 2. Компоновочная схема горелки ИжГТУ
Газовая горелка состоит из опоры 1 с соплом 2 для подвода газа, и находится между верхней 3 и нижней 4 поверхностями плиты. Горелка имеет рассекатель 5, выполненный в виде трубки Вентури. Рассекатель 5 состоит из конфузорной части 6, горловины 7 и верхней профилированной поверхности 8. Сверху рассекателя 5 располагается крышка 9. Верхняя профилированная поверхность 8 рассекателя 5 образует с крышкой 9 горизонтально расположенный радиальный канал 10, являющийся диффузорной частью трубки Вентури. Рассекатель 5 выше горловины 7 имеет конусную осевую диффузорную часть 11, которая переходит в верхнюю профилированную поверхность 8 по радиусной поверхности 12. Длина конусной осевой диффузорной части 11 не превышает одну треть длины конфузорной части 6 трубки Вентури. Горловина 7 расположена в осевом отверстии трубки Вентури. Конусную диффузорную часть 11 рассекателя 5 изготавливают с углом конуса а = (6^10)°.
В рассекателе 5 выполнены огневые отверстия 13. Между верхней поверхностью 3 плиты и нижним краем рассекателя 5 образован кольцевой зазор 14 для подвода воздуха. На цилиндрической части опоры 1 может быть выполнено отверстие 15 для дополнительного поступления воздуха.
Газовая горелка работает следующим образом.
Газ из сети поступает в сопло 2 и смешивается в конфузорной части 6 с воздухом, эжектируемым через зазор 14 между рассекателем 5 и верхней поверхностью 3 плиты и через отверстие 15 в цилиндрической части опоры 1. Газ из сети смешивается с воздухом и образуется газовоздушная смесь.
После прохождения газовоздушной смеси через горловину 7 трубки Вентури замедление потока и восстановление давления газовоздушной смеси происходит в диффузоре, состоящем из конусной осевой диффузорной части 11, переходящей в горизонтальную диффузорную часть (горизонтальный радиальный канал 10) по радиусной поверхности 12. Диффузор спрофилирован таким образом, чтобы обеспечивать максимальную степень повышения давления для заданного типа газа и мощности горелки. Газовоздушная смесь через огневые отверстия 13 поступает в зону горения.
МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПРОЦЕССОВ В ГАЗОВОЙ ГОРЕЛКЕ
Истечение из сопла
Скорость подачи газа через сопло форсунки диаметром О определяется по формуле
2К
К -1
ях
К, -1
1-
Ро +АР
, У
(1)
где Я,, Т, К, - газовая постоянная, температура и показатель адиабаты горючего газа; Ар, р0 - перепад давления на сопле и атмосферное давление; <2 - коэффициент расхода
Р Р
сопла. Плотность газа р, = ——, воздуха ру = 0
Смешение горючего и воздуха в трубке Вентури
Из условия сохранения импульса потока в трубке Вентури выражение, связывающее диаметры сопла и цилиндрической части трубки Вентури имеет вид [4]
1
<1
1 + N р Рг
(1 + N),
(2)
где N - объемная доля воздуха в воздушно-газовой смеси на выходе из трубки Вентури; р - плотность воздуха.
Величина N определяется через коэффициент избытка окислителя а и стехиометрическое соотношение компонентов (горючего и окислителя) £.
N =
ар
Pv
(3)
Связь между расходом газа Gg и мощностью горелки Qtd задано уравнением Gg = РгН0, где Н0 - теплота сгорания. С другой стороны Gg =ж—рУ . Расход смеси
4
К
о
газа и воздуха в трубке Вентури равен Gv = Gg (1 + 5а) . При движении по трубке, нагретой до температуры Т№, температура газовой смеси Т повышается на величину
Т =Т+ ДТ,
ДТ = аТ - Т0)
где а = ^¿а;
GvCp + 0,5а
К
Lv -*-0
аv = ; d„
(4)
(5)
Ш„ = <
0,15 Rev, Rev < 2000 4,06 -10-^е, - 6,6, 2000 < Re, < 10
,4 .
0,21Re,0
Re, > 104
(6)
Re, =
(7)
К, Д, ср - теплопроводность, динамическая вязкость, теплоемкость газовоздушной смеси.
Движение газовоздушной смеси под крышкой
Дальнейшее повышение температуры смеси до величины Т2 произойдет при обтекании крышки горелки с температурой Тк .
Т = Т + (Тк - Т )ехр
( а (dk2 - ^) л
4^
(8)
где ак вычисляется по формулам (5 - 7); dk, dvd - диаметры крышки и выходного сечения трубки Вентури.
Горение в пламени
Газовоздушная смесь поступает через отверстия в крышке в зону горения. Зона горения делится на три основные части [5, 6].
1. Коническая область - соответствует горению предварительно подготовленной смеси
d V
газа и воздуха. Длина данного конуса Хсоп где d2 - диаметр отверстия в крышке;
2 Vf
V20,Vf - скорость истечения из отверстия и скорость распространения пламени.
V = 4С2
г оп
Ре
( \ 1 +
Ре
20 72 ' Р2 , лт
лp2d2 1 + N
у
Температура горения в этой зоне
Тс = Т + f
( н л Т - Т + м н
V СР у
, (1 + м) .. дrpv .. 5-М
f = ---, М = N—, Mf =-
1 + 5 Ре ^ (1 + М)
Tf - адиабатическая температура продуктов сгорания.
(9)
2. Зона пламени, где выполняется стехиометрическое соотношение компонентов. Температура в этой зоне равна Т^
3. Зона, где происходит подмешивание окружающего воздуха струей продуктов горения. В этой зоне течение имеет струйный характер, искажаемый влиянием свободной конвекции.
Линии тока описываются дифференциальными уравнениями
ох
— = и;
Ш (П)
Оу
= V,
Ог
где х, у, I - пространственные координаты и время; и, V- компоненты вектора скорости:
и =
4G7 (р(Е)Х , Ог г~2-2
—сап +А _ = щ = ^и2 + V2;,
пр/О2 г
Г1 л
4
ч 4 ,
V = ^ —-—4-т^ + АV ;
т ^ У 1 + V 4 У
£ = -; Г2 = 0,0845г; V,. = ^ 1
г2' ' т Ог 2яр/ '
где г - расстояние от центра струи; G - расход массы струи.
Поправки скорости Аи, Аv учитывают плавучесть горячей струи.
А и =
2&(Т - То^,_ 2^г(Т12 - То)
, Аv =
cos вТп V sin вТп
о
Тп = Т, ^сап; = * .
Начальные условия для системы дифференциальных уравнений: I = 0; и = V соб^; V = V sin^; угол наклона выходных отверстий в крышке. Увеличение расхода струи описывается уравнением
ОС Ог
— = 0,36р. V О2. (12)
При нахождении над горелкой на высоте нагреваемого сосуда температура струи снижается за счет теплообмена с сосудом на величину АТ.
ОАТ 2пТ2 г
12 (Т^ = 0)-Т-АТ), (13)
где ак - коэффициент теплоотдачи со стенками сосуда. Количество тепла, передаваемого сосуду равно
= 2ж\ак(ТЦ2 -АТ-Т)хох . (14)
Отношение тепла полученного нагреваемым сосудом к теплоте сгорания топлива позволяет определить коэффициент полезного действия (КПД) горелки.
Образование оксидов
При горении смеси газа и воздуха образуются загрязняющие вещества, основными из которых являются оксиды углерода и азота (СО, N0^, содержание которых в продуктах сгорания не должно превышать предельно допустимых концентраций. Равновесные значения концентраций компонентов продуктов сгорания определяются термодинамическим расчетом в зависимости от коэффициента избытка воздуха и температуры. Для учета конечной скорости химических реакций в продуктах сгорания вместо уравнений химической кинетики для СО, N0x можно решать уравнение вида [7]:
йс 1 * —= — (ci - сг.) или Л т.
^ = — (с* - с.) (15)
аг н'т
где с. - концентрация вещества; . = 1, 2 соответственно для СО, N0^ т. =
Г Т Xе
Т
- харак-
терное время; Г/ Т2 - эмпирические коэффициенты; с* - равновесные концентрации. Начальными условиями для уравнений являются с. = с*, t = 0. Коэффициенты Г/, Т2 и в определяются на основании решения системы уравнений химической кинетики, описывающих процесс горения углеводородов на воздухе. В данном случае использовались результаты, полученные в работах [9, 10].
Одними из самых важных конструктивных параметров, влияющих на процесс горения, и в первую очередь на КПД горелок и образование загрязняющих веществ, являются размер (диаметр) огневых отверстий и угол наклона огневых отверстий к горизонтальной плоскости.
В табл. 1 приведены результаты расчетов по влиянию размера огневых отверстий на КПД горелки, а в табл. 2 - по влиянию угла расположения огневых отверстий на КПД горелки.
Из результатов, представленных в табл. 1, видно, что увеличение диаметра огневых отверстий приводит к росту КПД горелки, т.к. скорость выхода газов из огневых отверстий уменьшается, время пребывания газов в высокотемпературной зоне - возрастает, что одновременно приводит и к уменьшению содержание угарного газа в продуктах сгорания.
Результаты расчетов (табл. 2) показывают, что расположение огневых отверстий под углом приводит к росту КПД за счет приближения пламени к поверхности нагрева.
Однако, увеличение угла и приближения пламени к поверхности нагрева приводит также к ускорению его остывания, за счет более интенсивного теплообмена с обогреваемой поверхностью и, соответственно, снижению времени пребывания газов в высокотемпературной зоне, что приводит к увеличению содержания СО в продуктах сгорания.
Из результатов расчетов следует, что увеличение КПД горелок до 70 % нежелательно из-за повышения содержания угарного газа в продуктах сгорания.
На основании проведенных расчетов были разработаны конструкции семейства горелок (рис. 2) мощностью 1 кВт, 1,7 кВт и 2,1 кВт для использования в бытовых газовых плитах, в том числе во встраиваемых варочных поверхностях.
Таблица 1
Влияние диаметра огневых отверстий на КПД и положение струи
Положение струи
d1, мм
КПД,%
2,6
64,5
2,4
61,2
50 60
2,2
59,1
50 60
110
Влияние угла расположения огневых отверстий на КПД и положение струи
Таблица 2
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ОТРАБОТКА ГОРЕЛОК
Испытания разработанных горелок были проведены на Чайковском заводе газовой аппаратуры (ЧЗГА, г.Чайковский, Пермская обл.), выпускающем бытовые газовые и электрические плиты под маркой «Дарина».
Из результатов экспериментальной отработки горелок (табл. 3) видно, что по сравнению с горелками фирмы ЗАВАБ разработанные горелки имеют сопоставимый КПД и выбросы оксидов азота, но по содержанию угарного газа СО горелки ЗАВАБ не укладываются в требования ГОСТ Р 50696-94 [10], а разработанные горелки не только соответствуют требованиям ГОСТ, но и по содержанию угарного газа в 1,5 - 2 раза превосходят зарубежные аналоги.
Таблица 3
Результаты экспериментальных исследований горелок
Параметр Горелки И [жГТУ Горелки SABAF ГОСТ Р 50696-94
2,1 кВт 1,7 кВт 1,0 кВт 2,4 кВт 1,7 кВт 1,0 кВт
CO, об.%
- полная мощность 0,007 0,009 0,006 0,013 0,012 0,007 0,01
- половинная мощность 0,016 0,018 0,025 0,03 0,025 0,06 0,03
NO, мг/м3 160 160 170 160 150 170 250
КПД, % 66 65 63 65 65 64
Таким образом, разработана математическая модель, достаточно хорошо описывающая процессы в газовых горелках для бытовых газовых плит и разработано семейство горелок различной мощности.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. SABAF S.p.A. URL: http:\\www.sabaf.it (дата обращения 11.11.2009).
2. Патент РФ № 44369. Газовая горелка. 10.03.2005.
3. Евразийский патент № 006513. Газовая горелка. 29.12.2005.
4. Успенский В.А., Кузнецов Ю.М. Струйные вакуумные насосы. М. : Машиностроение, 1973. 144 с.
5. Зверев И.Н., Смирнов Н.Н. Газодинамика горения. М. : Изд-во Моск. ун-та, 1987. 307 с.
6. Вулис Л.А., Ярин Л.П. Аэродинамика факела. Л. : Энергия, 1978. 216 с.
7. Пирумов У.Г., Росляков Г.С. Газовая динамика сопел. М. : Наука, 1990. 368 с.
8. Корепанов М.А. Математическое моделирование процессов термической переработки элементов РДТТ: дис. канд. техн. наук. Ижевск, 1997. 162 с.
9. Губерт А.В., Корепанов М.А., Михайлов Ю.О. Исследование процессов образования загрязняющих веществ при горении // Химическая физика и мезоскопия. 2007. Т.9, №3, С.219 -230.
10. ГОСТ Р 50696-94 Плиты газовые бытовые. Общие технические условия.
THE PROCESS INVESTIGATION IN GAS BURNERS FOR COOKING HOBS
Tenenev V.A., Gubert A.V., Mikhailov Yu.O., *Korepanov M.A. Izhevsk State Technical University, Izhevsk, Russia
*Institute of Applied Mechanics, Ural Branch of the Russian Academy Sciences, Izhevsk, Russia
SUMMARY. The results of designing of set of gas burners for cooking hobs are presented. The mathematical model of processes in gas burners according to formation of nitrogen and carbon oxides is created. An good agreement of theoretical and experimental researches are shown.
KEYWORDS: gas burners for cooking hobs, mathematical model, pollutants, efficiency.
Тененев Валентин Алексеевич, доктор физико-математических наук, профессор, профессор кафедры "Высшая математика" ИжГТУ
Губерт Александр Викторович, кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры ТДУ ИжГТУ, е-mail: app@istM.rM
Михайлов Юрий Олегович, доктор технических наук, профессор, проректор ИжГТУ по инновационной работе
Корепанов Михаил Александрович, кандидат технических наук, доцент, старший научный сотрудник ИПМ УрО РАН, тел. (3412) 20-34-76, e-mail: ipm@udman.ru
