CC BY
375
УДК 697.87 А. В. Иванова
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМ ДЫМОУДАЛЕНИЯ ГАЗОВЫХ КОТЛОВ МАЛОЙ МОЩНОСТИ В УСЛОВИЯХ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУР
Выполнено исследование процессов теплообмена и изменения температуры потоков вдоль коаксиальных дымоходов в условиях низких температур наружного воздуха с помощью имитационного математического моделирования. Получены зависимости распределения температуры внутри и на выходе из дымовой трубы от скорости потока и температуры наружного воздуха.
Ключевые слова: газовый котел, коаксиальный дымоход, продукты сгорания, противоток, низкие температуры наружного воздуха, скорость потока, точка росы, конденсация, математическое моделирование, коэффициент полезного действия.
А. V Ivanova
Math modeling of smoke exhaust system
The research of the processes of heat exchange and temperature shift of the streams along coaxial flues in conditions of low outside air temperature with a help of imitational mathematical modeling is held. The dependences of temperature distribution inside and in the outlet of a chimney from the speed of flow and outside air temperature are got.
Key words: gas boiler, coaxial flue, combustion products, contra flow, low outside air temperature, flow speed, dew-point temperature, condensation, mathematical modeling, degree of efficiency.
В настоящее время наблюдается широкое использование котлов зарубежных производителей. Одним из особенностей таких котлов является низкая температура уходящих газов. Известно, что основным условием надежной работы дымовых труб является обеспечение в расчетный период эксплуатации теплового режима без образования конденсата на их внутренних поверхностях. Для соблюдения этого условия температура внутренней поверхности газоотводящей трубы t должна быть выше точки росы 1^. Важно выполнение этого условия в оголовке дымовой трубы, так как температура газов здесь самая низкая [1]:
гог > t
cm р
(і)
Анализ аварийных остановок в условиях аномально низких температур на примере Якутии показал, что одной из основных технических причин аварийной остановки теплогенераторов является работа газовоздушного тракта котла. При эксплуатации сооружений для удаления продуктов сгорания и забора воздуха для горения встречается ряд проблем,
ИВАНОВА Анастасия Викторовна - аспирант кафедры теплогазоснабжения и охраны воздушного бассейна Санкт-Петербургского государственного архитектурностроительного университета.
E-mail: [email protected]
связанных с климатическими особенностями Севера. Конструкция сооружения должна обеспечивать удаление продуктов сгорания в атмосферу во всех режимах эксплуатации.
Для организации процесса горения в топку котла необходимо подавать воздух и удалять образующиеся продукты сгорания. В жилищном строительстве требуемый для горения газа воздух, предусматриваемый через неплотности ограждающих конструкций, отсутствует в связи с климатическими условиями, требующими установки герметичных современных окон и материалов ограждающих конструкций. Это является причиной преимущественного использования котлов с закрытой камерой сгорания с забором воздуха для поддержания процесса горения непосредственно из атмосферы.
В целях энергоэффективности в котлах обычно стремятся интенсифицировать процесс горения. Это обеспечивается решением системы подачи воздуха на горение. Одной из проблем является забор холодного воздуха в зимний период при критически низких температурах (от -40 °С и ниже), что значительно влияет на КПД теплогенерирующей установки и может быть причиной аварийной остановки котла. Необходимо создать надежную систему подогрева поступающего воздуха на горение.
Одним из способов является использование коаксиальных дымовых труб, образующих системы «воздух - продукты сгорания» (LAS по международ-
ной классификации). При их эксплуатации приточный воздух для поддержания процесса горения забирается непосредственно из атмосферы и подается в топку через собственный воздушный канал, интегрированный в дымоходную систему. В такой дымоходной системе воздух для сжигания топлива транспортируется от устья дымовой трубы к топке противотоком к дымовым газам. По внутренней трубе дымохода с помощью вентилятора продукты сгорания выводятся на улицу, а по внешней коаксиальной трубе поступает воздух [2, 3]. Котлы с таким дымоходом не сжигают кислород в помещении, не требуют дополнительного притока холодного воздуха в здание с улицы. Благодаря организации противотока между воздухом и дымовыми газами происходит предварительный подогрев воздуха для горения, что позволяет увеличить КПД котла.
В соответствии с положениями [4, 5] для районов с холодным климатом канал подачи воздуха должен иметь такую конструкцию и тепловую изоляцию, которые обеспечивали бы отсутствие накопления влаги в нем. Температура на внутренних поверхностях должна быть выше температуры точки росы. При сжигании природного газа конденсация влаги на стенках дымохода начинается при температуре стенки ниже 55-57 °С (точка росы продуктов сгорания метана). Наличие большого количества воды внутри дымовых труб создает серьезные проблемы при
температуре наружного воздуха -40 °С и ниже. А также температура на поверхности помещения, граничащей с шахтой, достигает температуры точки росы, вследствие чего происходит конденсация влаги воздуха помещения.
Для рассмотрения данных проблем было выполнено математическое моделирование коаксиальной системы дымоудаления с помощью программного пакета инженерного моделирования Ansys Fluent.
Геометрическая модель была выбрана, как стандартная коаксиальная труба типа «труба в трубе», выполненная из стали.
Расчеты проводились для коаксиальных труб с перекрестным током. На рисунках 1-3 представлены расчетные схемы.
Расчетные схемы рассчитывались при эксплуатации в газовом котле мощностью 30 кВт. Расчеты выполнялись для различных температур наружного воздуха в диапазоне скорости продуктов сгорания от 2-8 м/с.
В передаваемых файлах Ansys Fluent приведена полная постановка задачи: указаны свойства всех материалов, граничные условия, свойства солвера, определены поверхности для отображения результатов и т. д.
На рисунке 4 представлен графический результат математического моделирования стандартной стальной коаксиальной трубы. Начиная с входного
д Воздух tB=20
Г—> ■о 3
1000
Рис. 1. Первая расчетная схема - гладкая труба
к
//// Л / / / /
дг — tB о см и Зоз ¿1 ДУХ / О LO і II X
к/ ш.. к N
„ 200 400 400
1ПОП
Рис. 2. Вторая схема - выход коаксиальной дымовой трубы через ограждающую конструкцию
Рис. 3. Третья схема - выход коаксиальной дымовой трубы с изменением уклона оголовка трубы дымовых газов
Рис. 4. Распределение температур внутри дымохода по сечениям с шагом в 10 см
Рис. 5. Распределение температуры по выбранному направлению по нижней (относительно силы тяжести) части трубы, слева - котел, справа - окружающая среда
■ нпе-' гтаа
3.10е+02 3.00е+02 2.90е+02 2.80е+02 2.70е+02
Static Temperature 2.вое+о2 (к)
2.5De+02 2.40е+02
2.2De+02 -\------*-1--------1------.-1--------1--------.-1-------*-1
0 D.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2
Position (m)
Static Temperature
Рис. 6. Распределение температуры по выбранному направлению по верхней (относительно силы тяжести) части трубы
Рис. 7. Вид сбоку. Сила тяжести направлена сверху вниз. Слева - внутренняя труба, справа - наружная
отверстия для холодного воздуха, заканчивая сечением, ассоциированным с газовым котлом. Осредненная по площади сечения трубы температура воздуха, подаваемого в котел, равна 261.12 Кельвинов или минус 12,12 °С.
Если мысленно ввести термометр в область, заполненную воздухом, и проводить его вдоль дымохода, то термометр зафиксирует следующее изменение температуры (рис. 5, 6).
Распределение температуры по поверхностям стальных труб, из которых состоит дымоход, представлен на рисунке 7.
Изменение температуры по нижней части дымовой трубы подчиняется закону нормального распределения, по верхней части трубы кривая изменения температуры за счет плотности поднимается и по мере остывания опускается вниз. За счет силы тяжести поступающий холодный воздух для горения настилается по нижней зоне коаксиальной трубы.
Результаты моделирования второй модели, прямое сопло, представлены в таблицах 1-3, столбцы соответствуют температуре окружающей среды (-30, -40, -50 градусов Цельсия), а строки - скорости потока (2, 4, 6 и 8 м/с соответственно). Описание,
Таблица 1
Распределение температур по вертикальному сечению. Сила тяжести направлена вниз
приводимых данных идет в названии таблицы изображений. При малых скоростях выхода дымовых газов увеличивается восходящий поток, что снижает рассеивание дымовых газов и может привести к попаданию их в верхние этажи. Параметры температуры наружного воздуха влияют на рассеивание только при малых скоростях движения дымовых газов. Увеличение скорости свыше 6 м/с не изменяет эпюру распределения температуры, таким образом, дальнейшее повышение скорости не целесообразно. Распределение температур по поверхности наружной засасывающей трубы зависит от скорости движения
дымовых газов и мало зависит от температуры окружающей среды. Изоповерхность нулевой температуры зависит от скорости движения дымовых газов и параметров температуры наружного воздуха, особенно при низких скоростях движения.
Третья модель коаксиальной трубы с соплом под углом 45°. В каждой из представленных таблиц 4-5 столбцы соответствуют температуре окружающей среды (-30, -40, -50 градусов Цельсия), а строки -скорости потока (2, 4, 6 и 8 м/с соответственно). Коаксиальная труба с соплом под углом 45° сужает и удлиняет эпюру изменения температуры потока
Таблица 2
Распределение температур по поверхности наружной засасывающей трубы
Таблица 3
Изоповерхность нулевой температуры, вид сбоку (потенциальная область образования наледи)
Таблица 4
Распределение температур по вертикальному сечению. Сила тяжести направлена вниз
Таблица 5
Изоповерхность нулевой температуры (вид сбоку)
дымовых газов, что чуть снижает образование конденсата на выходе.
Таким образом, математическое моделирование коаксиальной системы дымоудаления газовых котлов, выполненное с помощью программного пакета инженерного моделирования ЛшуБ, показывает, что температура дымовых газов зависит от скорости движения газов и параметров температуры наружного воздуха. При низких температурах наружного воздуха коаксиальная труба с соплом под углом 45° мало влияет на обледенение, она более пригодна для антизадувания.
Л и т е р а т у р а
1. Кудинов А. А., Зиганшина С. К. Энергосбережение в теплоэнергетике и теплотехнологиях. - М.: Машиностроение, 2011. - 374 с.
2. Удовенко В. Е. Автономное теплоснабжение. Системы дымоудаления: Справочное пособие / В. Е. Удовенко, Е. Х. Китайцева, К. Е. Паргунькин; под общ. ред. Е. Х. Ки-тайцевой. - М.: ЗАО «Полимергаз», 2006. - 280 с.
3. Schidel Quadro Система воздух-газ (LAS). - М.: ООО «Шидель», 2008. - 44 с.
4. EN 1443: 2003 Chimneys. General requirements. -Publication date 2003 - 10 - 31. - CEN, 2003. - 24 p.
5. EN 13384-1: 2002 Chimneys. Thermal and fluid dynamic calculation methods. Chimneys serving one appliance. - Publication date 2002 - 12 - 23. - CEN, 2002. - 100 p.
УДК 621.311.1
А. С. Нестеров, Г. И. Давыдов, П. Ф. Васильев
АЛЬТЕРНАТИВНОЕ РЕШЕНИЕ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ АРКТИЧЕСКОЙ ЗОНЫ РЕСПУБЛИКИ САХА (ЯКУТИЯ)
Предлагается вариант централизованного электроснабжения Севера, что сократит объемы завоза, обеспечит надежное энергоснабжение объектов Минобороны России, ограничит темпы роста тарифов на электрическую и тепловую энергию для населения и промышленности и, главное, создаст условия для устойчивого социально-экономического развития арктических улусов, восстановления горнодобывающей промышленности в отдаленных топливно-дефицитных районах.
Ключевые слова: анализ электроснабжения децентрализованной зоны Республики Саха (Якутия), централизованное электроснабжение промышленных центров Севера Якутии, линия Хандыга - Усть-Куйга - Томтор.
НЕСТЕРОВ Андрей Сергеевич - ведущий инженер ИФТПС имени В. П. Ларионова СО РАН.
Е-таН: [email protected]
ДАВЫДОВ Геннадий Иванович - м. н. с. ИФТПС имени
В. П. Ларионова СО РАН.
Е-mail: [email protected]
ВАСИЛЬЕВ Павел Филиппович - к. т. н., м. н. с. ИФТПС имени В. П. Ларионова СО РАН.
Е-mail: [email protected]
