CC BY
10Губарев А. В., инж., Кулешов М. И., канд. техн. наук, доц.
Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова
ВАРИАНТЫ КОМПОНОВКИ РАДИАЦИОННОЙ ЧАСТИ КОНДЕНСАЦИОННОГО _ВОДОГРЕЙНОГО КОТЛА*_
Рассмотрены различные варианты расположения радиационной части конденсационного водогрейного котла, а также компоновки ее поверхностей нагрева. Для наиболее предпочтительного варианта компоновки предложено размещать и-образные дымогарные трубы в трубной решетке не радиально, а под некоторым углом к радиусу окружности осей дымогарных труб. Произведен вывод формулы для определения максимального угла поворота дымогарных труб.
Ключевые слова: топливосбережение, конденсационный водогрейный котел, схема движения газов, угол поворота труб._
В настоящее время в Российской Федерации наблюдаются тенденции к увеличению числа автономных котельных малой тепловой мощности для теплоснабжения потребителей различного назначения. В качестве топлива в таких котельных используется природный газ. По сравнению с централизованными системами, в которых источником тепловой энергии является квартальная или районная котельная большой мощности, системы с автономными котельными выгодно отличаются отсутствием протяженных тепловых сетей, более быстрым и дешевым регулированием отпуска тепла котельной, наиболее адекватным, кроме того, потребностям абонентов, а также значительным снижением выбросов в атмосферу загрязняющих веществ с уходящими газами [1]-[3].
Использование в автономных котельных теплогенераторов с глубоким охлаждением продуктов горения топлива, таких, как разработанный в БГТУ им. В.Г. Шухова конденсационный водогрейный котел (КВК), позволит дополнительно экономить до 15 % природного газа на
выработку тепловой энергии за счет использования скрытой теплоты конденсации содержащихся в продуктах сгорания водяных паров [1], [2].
Основными узлами КВК (рис. 1) являются высокотемпературная радиационная часть (РЧ), адиабатная часть (АЧ) и контактно-рекуперативная часть (КРЧ) [4]-[6]. Радиационная часть конструируется по аналогии с современными жаротрубно-дымогарными водогрейными котлами. Основными ее элементами являются жаровая труба и конвективный пучок дымогарных труб. В РЧ производится сжигание природного газа в жаровой трубе и нагрев воды на нужды отопления. В АЧ продукты сгорания, выходящие из радиационной части, адиабатно охлаждаются до температуры мокрого термометра. В контактно-рекуперативной части происходит глубокое охлаждение дымовых газов до температуры порядка 35 °С и конденсация большей части содержащихся в них водяных паров. Отбираемая при этом теплота идет на нагрев воды для горячего водоснабжения, протекающей по трубам трубного пучка КРЧ.
Рис. 1. Варианты расположения радиационной части конденсационного водогрейного котла: а - горизонтальное расположение; б - вертикальное расположение; 1 - радиационная часть (РЧ); 2 - контактно-рекуперативная часть (КРЧ); 3 - адиабатная часть (АЧ); 4 - газовая горелка Возможны два основных варианта распо- ством горизонтального расположения РЧ явля-ложения радиационной части КВК: горизон- ется возможность применения любых промыш-тальное и вертикальное (рис. 1). Преимуще- ленных газовых горелок, в то время как в случае
вертикального расположения РЧ можно использовать лишь ограниченный спектр газогорелоч-ных устройств, т.к. большинство выпускаемых горелок не допускает рабочего положения "горелка над факелом" [4]. В то же время в процессе работы топок горизонтальной компоновки неизбежно происходит деформация факела, т.е. факел по длине жаровой трубы "задирается" вверх. При этом наблюдается неравномерный нагрев по сечению жаровой трубы и трубной решетки, следствием чего является неравномерное температурное удлинение образующих жаровой трубы и, соответственно, возрастание температурных напряжений в ней и в РЧ в целом. Это обстоятельство может привести к серьезным авариям или даже к полному выходу котла из строя. Топкам котлов с вертикальным расположением РЧ указанный недостаток не присущ. Поэтому даже при необходимости использования специальных горелочных устройств наиболее предпочтительным представляется вертикальное расположение РЧ.
Для попадания продуктов сгорания из радиационной части в адиабатную необходима организация трехходовой схемы их движения. Это может быть осуществлено несколькими способами. При первом способе дымовые газы выходят из жаровой трубы снизу в поворотную камеру, из которой они попадают в трубы второго газохода. По этим трубам продукты сгорания поднимаются вверх, где также разворачиваются на 180 попадают в трубы третьего газохода и, пройдя по ним, отводятся в адиабатную часть. При втором способе дымовые газы, достигнув дна топки, поворачивают на 180° и по периферии жаровой трубы поднимаются вверх. Здесь в полости между водоохлаждаемой крышкой жаровой трубы и верхней трубной доской продукты сгорания поворачивают на 180° и поступают в одноходовой конвективный трубный пучок, выходя из которого попадают в адиабатную часть [5].
По сравнению со второй схемой движения газов первая схема характеризуется увеличением габаритов и металлоемкости радиационной части. Кроме того, в обоих случаях необходимо предусматривать компенсирующие устройства во избежание разрушения РЧ вследствие неравномерности температурных удлинений жаровой и дымогарных труб, а также корпуса радиационной части. Самокомпенсация температурных удлинений может быть достигнута при использовании и-образных дымогарных труб (рис. 2). В этом случае продукты сгорания, покидая жаровую трубу снизу, поворачивают в поворотной камере на 180 °, поступают в и-образные дымогарные трубы и, пройдя их, попадают в адиабатную часть [6].
Рис. 2. Схема конденсационного водогрейного котла: 1 - радиационная часть (РЧ); 2 - жаровая труба; 3 -горелка; 4 - дымогарные трубы; 5 - контактно-рекуперативная часть (КРЧ); 6 - трубный пучок КРЧ;
7 - адиабатная часть (АЧ)
Эта схема обусловит некоторое увеличение диаметра радиационной части. Для уменьшения этого диаметра может быть рекомендовано располагать и-образные дымогарные трубы не ра-диально, а с поворотом на некоторый угол а относительно радиуса, пересекающего ось ближнего к центру РЧ конца трубы (рис. 3). При конструировании радиационной части КВК полезно знать максимально возможную величину этого угла поворота атах при известных:
- наружном диаметре дымогарных труб й,
- относительном шаге дымогарных труб а (отношении межцентрового расстояния соседних дымогарных труб ай к их наружному диаметру),
- диаметре окружности, пересекающей оси концов дымогарных труб, расположенных ближе к центру радиационной части В.
Для определения значения атах необходимо найти уравнение прямой, являющейся касательной к двум окружностям, ограничивающим поперечные сечения расположенных ближе к центру РЧ концов соседних и-образных дымогарных труб (рис. 4).
Рис. 3. Размещение и-образных дымогарных труб в радиационной части КВК
Рис. 4. К определению максимально возможного угла поворота дымогарных труб Известно, что уравнение касательной к графику любой функции у = /х) имеет вид
У = /(х0 )+Г (х0 Xх " х0 )> (1)
где х0 - абсцисса точки графика (в данном случае окружности), через которую проходит касательная.
Как видно из рис. 4, прямая, уравнение которой необходимо найти, проходит через точку А2, лежащую на нижней полуокружности окружности 02, а также через точку А1, лежащую на верхней полуокружности окружности 01. Для этого случая уравнения интересующих нас полуокружностей запишем в следующем виде, соответственно, для 01 и 02
У = +•
у = ь -
1
■(х
-а )2
где а и Ь - соответственно, абсцисса и ордината центра окружности 02 относительно центра окружности 01 (см. рис. 4).
Таким образом, по формуле (1) определяются уравнения касательной к окружности 0Ь проходящей через точку А1, и касательной к окружности 02, проходящей через точку А2, соответственно
а
у = -х • 1§а п
2СО8 а,,
у = -X • tgа тах -
й
2ооб а
- + ой
1 -'I
ой
+ ~Б tga т
(2)
(3)
Так как уравнения (2) и (3) являются уравнением одной и той же прямой, то, приравняв их правые части и решив получившееся уравнение, можно определить угол атах. Этот угол будет вычисляться по формуле
оа
УР2-(«/ )2 Цо2 -1)
оР
(4)
Формула (4) справедлива для случая, когда используются дымогарные трубы одного диаметра, одинаковы их высота и радиус гиба.
Исходя из вышеописанного, наиболее целесообразным с позиций надежности работы теплогенератора является вариант вертикального расположения радиационной части КВК и компоновки ее поверхностей нагрева с одноходовой жаровой трубой и и-образными дымогарными трубами. При этом размещение каждой из дымогарных труб по отношению к радиусу, проходящему через центр поперечного сечения ближнего к центру РЧ их вертикального участка (например, через точку 01, см. рис. 4) под углом а (причем 0 < а < атах) позволит сохранить компактность исполнения радиационной части.
* Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации, ГК № 16.516.11.6146 от 07 октября 2011 года.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Кулешов, М.И. Перспективы существенного снижения топливопотребления в теплофикации / М.И. Кулешов, А.В. Губарев, М.Э. Че-франов // Промышленная энергетика. - 2005. -№ 12. - С. 28-30.
2. Кожевников, В.П. О преимуществах перехода от централизованного к индивидуальному теплоснабжению жилых, общественных и промышленных зданий / В.П. Кожевников, М.И. Кулешов, А.В. Губарев // Промышленная энергетика. - 2009. - № 5. - С. 7-9.
3. Нурмеев, Б.К. Сравнительная оценка загрязнения атмосферы при сжигании органического топлива в тепловых источниках / Б.К. Нурмеев // Промышленная энергетика. - 2004. -№ 7. - С. 51-54.
4. Пат. 2411420 Российская Федерация, МПК7 Б 24 Н 1/00. Конденсационный водогрейный котел / Кулешов М.И., Герасимов М.Д., Герасимов Д.М.; заявитель и патентообладатель Герасимов Д.М. - № 2009130944/06; заявл. 13.08.09; опубл. 10.02.11, Бюл. № 4. - 8 с.
5. Пат. 2270405 Российская Федерация, МПК7 Б 24 Н 1/00, Б 24 Н 1/10. Водогрейный котел Кулешова М.И. / Кулешов М.И., Губарев А.В., Лапин О.Ф., Березкин С.В.; заявитель и патентообладатель Белгор. гос. технол. ун-т. -№ 2004121787/06; заявл. 15.07.04; опубл. 20.02.06, Бюл. № 5 (II ч.). - 10 с.
6. Пат. 2378582 Российская Федерация, МПК7 Б 24 Н 1/00. Водогрейный котел / Кулешов М.И., Кожевников В.П., Губарев А.В.; заявитель и патентообладатель Белгор. гос. технол. ун-т. - № 2008143024/06; заявл. 29.10.08; опубл. 10.01.10, Бюл. № 1. - 12 с.
а тах = агС8Ш
2
2
2
X
V
