НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ТЕХНІЧНОЇ ТЕПЛОФІЗИКИ

Демченко Володимир Георгійович

УДК 536.24:697.326

УДОСКОНАЛЕННЯ ТОПКОВИХ КАМЕР

ЖАРОТРУБНИХ ОПАЛЮВАЛЬНИХ КОТЛІВ

05.14.06 – Технічна теплофізика і промислова теплоенергетика

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ – 2006

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в інституті технічної теплофізики Національної академії наук України у відділі теплофізичних процесів в котлах.

Науковий керівник:	Доктор технічних наук, професор, Академік національної академії наук України, Долінський Анатолій Андреевич директор інституту технічної теплофізики НАН України, лаурет Державної премії України
Офіційні опоненти:	Доктор технічних наук, професор, Член - кореспондент НАН України, Халатов Артьом Артьомович завідуючий відділом інституту технічної теплофізики НАН України Кандідат технічних наук, Власюк Анатолій Васильович Директор Державного Інституту «УкрНДІінжпроект»
Офіційні опоненти:
Провідна установа:	Національний технічний університет України «КПІ» м Київ

Захист відбудеться « » 2006 р. о год на засіданні спеціалізованої ради Д.26.224.01 в інституті технічної теплофізики національної академії наук України, за адресою м. Київ, вул.. Желябова 2а. кімн. 410.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці інституті технічної теплофізики національної академії наук України, за адресою м. Київ, вул.. Желябова 2а.

Автореферат розісланий « » 2006 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Д.26.224.01 к.т.н. Чайка О.І.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Скорочення запасів енергетичних ресурсів в надрах Землі призводить до їх стрімкого дефіциту і, як наслідок цього, значному їх подорожчанню. Останнім часом визначилась стійка тенденція зниження калорійності та зміни якісного складу палива, що надходить споживачу. Зрозуміло, що удосконалення - модернізація і пристосування існуючого устаткування до роботи в нових умовах за максимально можливої економії паливно-енергетичних ресурсів - є актуальною задачею.

Особливо це питання є актуальним у комунальному господарстві України, яке споживає до

35 % паливно-енергетичних ресурсів країни. За даними фахівців, термін експлуатації 57% котелень перевищує 20 років, 40% котельного обладнання експлуатується з ККД меншим 82%. В експлуатації більше 20 років знаходяться близько 10 800 котлів теплопродуктивністю від 100 кВт до 1,0 МВт. Потребують заміни близько 14 тисяч котлів потужністю до 1,0 МВт.

Слід зазначити, що модернізація діючих котлів у декілька разів дешевше за їх повну заміну. Як правило, вона спрямована на удосконалення пальникового прістрою, яке пов′язане з великими фінансовими витратами, або на підвищення теплоз’йому від вихідних димових газів у конвективній частині котла, що не завжди можливо здійснити через появу конденсату водяних парів.

Приймаючи до уваги, що до 70% теплоз’йому в котлі відбувається в об’ємі топки, з наукової точки зору інтенсифікація топкового теплообміну та удосконалення топкової камери є більш раціональною і актуальною задачею, вирішення якої має першочергове значення для енергетики.

Актуальність теми полягає у вирішенні поставлених теоретичних і практичних завдань, пов'язаних із підвищенням ефективності роботи водогрійних опалювальних котлів, збільшенням строків їх эксплуатації та зниженням забруднення навколишнього середовища шкідливими викидами.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалася за планом здобувача відповідно до держбюджетних тематик відділу теплофізичних процесів у котлах ІТТФ:

- № 1.7.1.651 «Інтенсифікація процесу спалювання палива та зниження утворення токсичних речовин на базі вивчення впливу вологи, введеної в дуттєве повітря». (НДР 0103U005012).

- № 1.7.1.656 «Продовження ресурсу роботи елементів котельного обладнання децентралізованої енергетики». Комплексна програма «Проблеми ресурсозберігання і безпечної експлуатації конструкцій, споруд і машин» (НДР 0105V001540).

- № 1.7.1.695 «Експериментальне дослідження блочного опалювального котла із вбудованим економайзером та повітропідігрівачем на основі врахування впливу вологи на процес горіння».

(НДР 0106V005313) та госпдоговірної роботи.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є підвищення ефективності водогрійних опалювальних котлів та зниження емісії шкідливих речовін у димових газах.

Для досягнення цієї мети в роботі вирішені наступні задачі:

- розроблена математична методика розрахунку витрат циркуляційного і транзитного топкового газу водогрійного опалювального котла із встановленим у його топку вторинним випромінювачем;

- за допомогою комп'ютерного моделювання був проведений чисельний розрахунок тепломасопереносу та проведено його верификацію з розрахунками згідно математичної моделі;

- визначені реальні значення коефіцієнтів внутрішньої рециркуляції димових газів у котлах із тупиковими топками та розглянуті кінетичні, аеродинамічні, теплові процеси, що виникають при встановленні в реверсивну топку вторинних випромінювачів;

- проведені порівняльні випробування ефективності роботи водогрійних жаротрубних котлів із вторинними випромінювачами та без них на природному газі та дизельному паливі;

- доведено ефективність використання вторинних випромінювачів для інтенсифікації топкового теплообміну та зниження емісії шкідливих речовін у димових газах. Досягнуто підвищення ефективності роботи водогрійних опалювальних котлів до 3% та зниження емісії NO_х до 52%;

- проведено лабораторні дослідження та промислові випробування вторинних випромінювачів різної конструкції і геометричних розмірів на природному газі та дизельному паливі.

Об'єкт дослідження. Процеси тепломасопереносу під час спалювання органічних палив у топках котлів малої потужності з вентиляторними пальниками.

Предмет дослідження. Топкова камера жаротрубного опалювального котла.

Методи дослідження. Математичний апарат теорії аналітичних функцій, який використаний при аналізі внутрішньої рециркуляції димових газів у топці котла. Математичне та фізичне моделювання доповнювалося експериментами у промислових умовах. Аналіз хімічного складу димового газу, його температури і втрат теплоти проводився за допомогою компۥютерних газоаналізаторів Eurotron Ecolaine 745 Plus, Ecolaine 4000, rbr-ecom KD. Температура, тиск, вологість визначалися за допомогою термометрів, термопар, манометрів і газоаналізатора Testo-350.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в розробці, розвитку та поглибленні теоретичних і методологічних основ нового напряму в котельній техніці – використанні легкомонтуємих вторинних випромінювачів для створення багатокамерної топки, що забезпечує внутрішню рециркуляцію топкових газів, впливає на інтенсифікацію теплообміну та дає додаткову можливість якісного регулювання процесу згоряння палива.

Новими науковими результатами дисертаційного дослідження є:

- теоретично обгрунтована та експериментально підтверджена доцільність використання вторинних випромінювачів для інтенсифікації теплообміну у топці та зниження шкідливих викидів;

- розроблена математична модель розрахунку витрат циркуляційного й транзитного топкового газу із встановленим у топкову камеру вторинного випромінювача у вигляді «вогневої труби»;

- аналітично знайдений радіус біфуркації на виході з кольцевого каналу, за допомогою методу комплексного потенціалу побудована кінематична модель на вході та до пучку димогарних труб.

- результати чисельного розрахунку згідно математичної моделі і комп'ютерного моделювання показали, що об'єм газів рециркуляції складає до 80% від їх загального об'єму і залежить від розташування вторинного випромінювача відносно фронту котла;

- експериментально доведено наявність перерозподілу поля температур у топковому об'ємі котла за рахунок введення в нього додаткового елементу - вторинного випромінювача і, як наслідок, фокусування і подовження полум'я приблизно на 1/3 його довжини;

- знайдено оптимальні геометричні розміри вторинних випромінювачів залежно від розмірів топкових камер різних котлів.

Практичне значення одержаних результатів. Встановлення вторинних випромінювачів у топки котлів «Віктор-100» на газовій котельні підприємства «КСВ» м.Березань Київської області дозволило знизити викиди оксидів азоту в атмосферу на 15%, зменшити витрати природного газу на 3%. Промислові випробування вторинних випромінювачів проводилися в газовій котельні підприємства ТОВ «Меридіан плюс Україна», м.Вишгород Київської області, де на котлі Riello RTQ потужністю 105 кВт вдалося збільшити ККД котла на 1,5% при одночасному зниженні викидів NO_х на 34%. Встановлення вторинного випромінювача у топці котла ВК-21 потужністю 2000 кВт на газовій котельні «Житомиртеплокомуненерго» в м.Житомир привело до підвищення ККД котла на 0,4%, зниження викидів СО на 77,5%, і NO_x на 52,4%.

Особистий внесок здобувача полягає у формулюванні мети і задачі роботи, створенні математичної та фізичної розрахункових моделей, постановці й проведенні лабораторних експериментів та промислових випробувань, обробці й узагальненні дослідних даних, оцінці узгодження розрахункових і дослідних даних, формуванні висновків і рекомендацій щодо вдосконалення котлобудівельних засад.

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертації доповідалися й обговорювалися на науково-технічних конференціях: «Проблемы экологии и эксплуатации объектов энергетики» м.Севастополь – 2005; «Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики» м.Алушта 2005; «Проблемы промышленной теплотехники» м. Київ 2005г., «Advanced combustion and aerothermal technologies.» Kiev 2006. Автор є лауреатом Всеукраїнського конкурсу «Молодь - енергетиці України 2005» в номінації «Екологія в енергетиці».

Публікації. Результати дисертації викладено у 6 публікаціях, у тому числі в 3 статтях у журналах із спеціального переліку ВАК України.

Структура дисертації. Дисертація складається зі вступу, 4 розділів і 4 додатків. Повний об'єм дисертації - 138 стор. Дисертація містить 56 рисунків, 16 таблиць, 4 додатки. Перелік використаних джерел складає 112 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі подана загальна характеристика роботи, обгрунтована її актуальність, показана теоретична значущість і практична цінність одержаних результатів, відмічені перші праці наукового напряму в дослідженні внутритопкових процесів та їх вплив на ефективність роботи котлоагрегату в цілому, а також шляхи зниження забруднення навколишнього середовища шкідливими викидами.

У першому розділі оцінено загальний стан сучасного котельного парку малої потужності в Україні, проведено порівняльний аналіз, враховуючи екологічні та економічні показники ефективності вітчизняних і зарубіжних котлів, представлених на ринку.

Наведені основні шляхи можливості зниження викидів шкідливих газів в атмосферу, в першу чергу, оксидів азоту, кількість яких в продуктах згоряння складає до 70%. Так, за рахунок рециркуляції димових газів можна знизити утворення оксидів азоту на 30%, а рециркуляція димових газів при малих надлишках повітря під час роботи котельного агрегату здатна скоротити утворення NО_х на величину до 70%. Слід враховувати, що важливу роль при цьому має і місце введення газів рециркуляції. Відомо, що найбільше зниження утворення оксидів азоту можливо отримати при введенні газів рециркуляції по центру, тобто в корінь факелу.

У ряді випадків пригнічення утворення оксидів азоту призводить до зниження ефективності роботи котельного агрегату в цілому. В зв'язку з цим актуальною задачею сучасного котлобудування є розробка конструкцій котлів і топкових камер з високим ККД і низькою емісією викидів шкідливих газів, а також методик їх розрахунку. В даній роботі це досягається за рахунок поділення топки на окремі камери шляхом встановлення в топковий простір вторинного випромінювача, виконаного у вигляді так званої «вогневої труби». В процесі роботи котла вторинний випромінювач, нагрітий до високої температури, інтенсифікує конвективний і радіаційний теплообмін, збільшує температуру і чорноту топки, локалізує область реакцій горіння, змінює аеродинаміку потоків, забезпечуючи створення додаткового ходу димових топкових газів, що в сукупності позитивно впливає на теплоз’йом.

Для прикладу, на рис.1 показаний розріз димогарного двоходового реверсивного котла «Віктор-100», що серійно виробляється. «Вогнева труба» (7) виготовлена у вигляді суцільнозварного циліндра з нержавіючої сталі, встановлюється в жарову трубу (6) за допомогою пласкіх ребер, приварених по її довжині на рівновіддаленій відстані одне від одного, і щільно прилеглих до поверхні жарової труби, що забезпечує захист випромінювача від перегріву і фіксацію конструкції вторинного випромінювача щодо осі пальника, а також розділення димових газів на одиничні, направлені до фронту котла, потоки.

Діаметр вогневої труби приймається менше за диаметр жарової труби, і , разом із ребрами та жаровою трубою, ділить об”єм топки на окремі камери. Між жаровою і вогневою трубою є круговий зазор. Вогнева труба за своєю довжиною коротша за жарову трубу, що забезпечує створення двох конфузорних ділянок на фронті котла та в задній торцевій частині топки, де димові гази змінюють напрямок потоку.

1. Зовнішня обшивка котла; 2.Фронтальна трубна дошка;

3. Зворотній трубопровід;

4. Живильний трубопровід;

5. Димогарні труби- конвективний трубний пучок;

6. Жарова труба-топка;

7.Вогнева труба- вторинний випромінювач;

8.Корпус котла з термоізоляцією.

Рис. 1. Водогрійний котел «Віктор-100» із вторинним випромінювачем у вигляді вогневої труби.

Після встановлення в жарову трубу оребреного циліндричного вторинного випромінювача димові гази в процесі горіння факела проходять всередині «вогневої труби» (7), і, вдарившись у задню глуху стінку жарової труби (6), що омиваєтся котельною водою, повертаються до фронту котла. Тут потік димових газів розділяється, частково потрапляючи в збірну фронтальну коробку, утворену передньою трубною дошкою (2) і обмурованими вогнетривом передніми дверцятами котла (1). Звідти - через конвективний пучок димогарних труб - у збірну коробку і потім в димову трубу. Частина димових газів потрапляє на повторне допалення за рахунок інжекційного ефекту, що виникає завдяки різниці швидкостей потоків і густини реагентів та продуктів горіння, а також розрідження в корені факела. Жарова труба (6) і димогарні труби (5) з турбулізаторами потоку всередині корпусу (8) омиваються котловою водою, що циркулює через живильний (4) і зворотній (3) трубопроводи.

Таким чином, за рахунок встановлення додаткового елементу – вторинного випромінювача, виконаного у вигляді «вогневої труби», в котлі виникає додатковий третій хід димових газів в кільцевому просторі між вогневою і жаровою трубами - всередині топки котла. Області руху димових газів в топці котла умовно можна розділити на «кільцеву» і «щілинну». Кільцева область утворюється між вогневою (7) і жаровою (6) трубами, щілинна - між передньою фронтальною стінкою котла (1) і фронтальною (2) трубною дошкою (рис.1)

У другому розділі оцінювався ступінь рециркуляції димових топкових газів на основі визначуваних компонент швидкостей в кільцевому каналі, утворюваному стінками жарової і вогневої труб у топці котла, а також знайдені поля швідкостей на виході із кольцевого каналу і на вході в димогарні труби. У зв'язку з цим виникла необхідність визначення коефіцієнту рециркуляції продуктів згоряння, утворюваних при введенні вогневої труби в топковий простір котла. Його можна визначити, знаючи розподіл компонент швидкостей VrіVz в кільцевому зазорі вздовж осі Z і R розрахункової області топки котла, а також радіус біфуркації r₀.

Блок-схема алгоритму розрахунку аеродинаміки кільцевої і щілинної областей у топці котла приведена на рис. 2 у вигляди графа с двума кінцевими вершінами на виході ε і V_z(r).

Де: - відстань між передньою кромкою вогневої труби і внутрішньою обмурівкою фронтальної стінки котла;

- радіус біфуркації;

- радіус вогневої труби;

- радіус жарової труби;

Q - витрата топкового газу;

, - координати осі і -той

димогарної труби;

а – безразмерний конструктивний параметр;

b - безразмерний кінематический параметр;

έ – коефіцієнт рециркуляції;

V_z_,,V_r,V_z(r)– швідкості.

Рис. 2. Блок-схема алгоритму розрахунку.

На виході з кільцевого каналу продукти згоряння діляться на два потоки: один надходить у конвективний пучок, а другий повертається в топку. Поле швидкостей в цій області можна прийняти асесиметричним, а форму середніх траєкторій частинок продуктів згоряння достатньо обмежити кривими другого порядку (конічний переріз). Рівняння нерозривності потоку розв'язувалося за наступних спрощень: розподіл густини газу усереднювався по трьох областях: на виході кільцевого каналу, в просторі між жаровою трубою і трубним пучком, усередині трубного пучка. Граничні умови відображали відсутність радіальної швидкості на стінках і на лінії розділу потоків. Залежності для визначення компонент швидкостей одержані у вигляді (1):

, . (1)

де: a, b – безрозмірні параметри, залежні від геометрії топкового простору та координат розташування у ньому вторинного випромінювача.

За допомогою мераморфної функції, у якої кількість полюсів дорівнює кількости димогарних труб, знайдена залежність для визначення компонент швидкостей газового потоку на вході

в димогарну трубу в полярних координатах і має вигляд:

(2)

Вона була одержана за наступних граничних умов: всі компоненти швидкостей на стінках дорівнюють нулю; потік радіальної швидкості через циліндрову поверхню (внутрішній радіус жарової труби) дорівнює потоку осьової швидкості через торцевий перетин всіх димогарних труб; потік радіальної швидкості υ_r через бічну поверхню конічного перерізу осьових швидкостей дорівнює потоку осьової швидкості υ_z через його основу. Створені аналітичні моделі компонент швидкостей дозволяють визначити температурне розподілення і повинні розглядатися разом при решенні задач, пов”язаних із тепломасопереносом чисельними методами.

Радіальна координата повністю визначає коефіцієнт рециркуляції ε топкових газів, що йдутьна повторне допалення, за формулою: ,

яка показує частку масової витрати газу в кільцевому каналі, що повертається у вогневу трубу. Дана залежність одержана за умовою допущення невпливу варіацій густини на швидкість газового потоку. Ввівши гіпотетичний радіус розділу газового потоку - , на якому відбувається розділення потоку на циркулюючий (який йде на повторне допалення) і транзитний (який йде на пучок димогарних труб), можна одержати залежність для визначення коефіцієнта рециркуляції у вигляді показово-степеневої функції і шляхом рішення зворотньої задачі визначити невідомі параметри:

(3)

де : α, β, ŵ,- безрозмірні параметри топкової камери, що визначаються за довільніми опорними точками (ε_ΐ, h_ΐ ), Φ –безрозмірній корегуючий множник, який залежить від співвідношення радіусів r₁ та r₂.

На основі нормативного методу розрахунку котельного обладнання був проведений тепловий розрахунок котла «Віктор-100» із встановленим у його топку вторинним випромінювачем у вигляді вогневої труби. В результаті отримано, що температура і швидкість димових газів у фронтальной поворотній камері та на вході у конвективний пучок повинні зрости. Тому, за діючим нормативним методом розрахунку котлоагрегатів, виходить, що встановлення випромінювачів у топку котла, в цілому, повинно негативно позначатися на його роботі, що не узгоджується з результатами лабораторних та промислових досліджень. Це свідчить про те, що існуючі методи розрахунку котлоагрегатів не в повному обсязі враховують ступінь теплосприйняття випромінювання в топці, аеродинамічні й кинетичні процеси та інші критерії і потребують корегування для котлів малої та середньої потужності із вторинними випромінювачами.

У третьому розділі приведені методика та результати досліджень теплових, а також екологічних випробувань топки та котла «Віктор-100». Проведено розрахунок тепломасопереносу на основі комп'ютерного моделювання, а також його верифікація із розробленою аналітичною моделлю.

Методика порівняльних експериментальних досліджень щодо ефективності використання вторинних випромінювачів обумовлена жорсткими вимогами до його герметичності під час роботи.

У зв'язку з цим, проведення прямих аеродинамічних досліджень у топці котла було вельми ускладнено, що перешкоджає прямій перевірці адекватності розробленої математичної моделі та визначенню компонент швидкостей і коефіцієнта рециркуляції.

Оцінка ефективності роботи вторинних випромінювачів проводилася на основі досліджень температури, тиску і хімічного складу димових газів у димовій трубі. В лабораторних умовах, крім того, проводилися вимірювання температури та візуальні спостереження безпосередньо в топці котла через спеціальний отвір у торці жарової труби, а також аналіз димових газів на виході з топки котла через спеціальний отвір у передніх дверцятах котла.

На рис.3 приведені результати лабораторних випробувань щодо визначення градієнту температур. Наголошене значне збільшення температури топкових газів після встановлення вторинного випромінювача в топку котла можна поясняти зміною форми та структури факелу, його фокусуванням, збільшенням довжини, а також зміною аеродинаміки й тиску. Це призводить до інтенсифікації теплообміну, більш рівномірного розподілу температур за довжиною та об'ємом топкового простору, до зміни швидкості та кінетики хімічних реакцій у топці.

Очевидно, що встановлення в топку вторинного випромінювача завдяки рециркуляції забезпечує подачу продуктів згоряння із зони закінчення реакції окислення в зону її початку в межах топкового простору. Внаслідок цього відбувається підігрів реагентів, прискорення піролізу дизельного палива, зниження значень енергії активації, зміщення процесу горіння в кінетичну область, допалення оксидів вуглецю і сірки на каталітичній розігрітій поверхні вторинного випромінювача.

Важливо відзначити, що екранування поверхні жарової труби від факела вторинним випромінювачем повністю компенсується променистим тепловим потоком, що відбуваєтся за його нагрівання до температури від 600ºС до 900ºС і вище. Середні значення температур на фронті і в топці без випромінювача склали 605ºС і 823ºС, з випромінювачем – 576ºС і 1163ºС відповідно.

а) без випромінювача

б) із випромінювачем

Рис. 3. Розподіл температур прі роботі котла на дизельному паливі. 1- в топці; 2- на фронті котла.

Встановлення випромінювача дозволило практично в 2 рази знизити температуру вздовж топки від торцевої її частини до фронту котла (для порівняння, цей показник складає - 1,36 рази за відсутності випромінювача). Збільшення довжини факела із встановленням вторинного випромінювача в топку котла також доведено додатково проведеними вимірюваннями і візуальними спостереженнями. Відмічено, що довжина факела без випромінювача складала близько половини довжини топкової камери, з його встановленням – 0,75 довжини.

Швидкість нагріву котлової води приведена на рис.4. Аналізуючи представлену залежність швидкості набору температури котлом, можна зробити висновок про зміну розгінних характеристик і про більш ефективні показники роботи котла із встановленням у його топку вторинного випромінювача.

На рис.5 представлений графік зміни відношення температур, виміряних в задній частині топки і на фронті котла на виході з топки, в залежності від набору температури котлової води.

Великі значення відношення температур свідчать про збільшення ефективності роботи топкової камери із встановленням вторинного випромінювача, а лінійний характер тренда - про стабілізацію складних процесів, які відбуваються в топці. Все це узгоджується з результатами чисельного аналізу, проведеного на підставі математичної моделі, описаної у розділі 2. Збільшення ефективності топки підтверджується також результатами хімічних газових аналізів.


Рис.4 Час набору температури котлової води.	Рис. 5. Зміни температури в топці котла.

Результати лабораторних вимірювань, які наведені у таблиці 1, дозволили також виявити значне покращення екологічних показників роботи котла з установкою в його топку вторинного випромінювача. Так, концентрація оксидів азоту на виході з топки знизилася майже вдвічі.

Таблиця 1.

Ефективність топки котла «Віктор-100» при роботі на дизельному паливі

Позначення		, мг/м³	, %	,мг/м³	КПД, %
робота котла без вторинного випромінювача
На виході з топки	1,2	130,2	13,3	102	72
На виході з котла	1,26	42,8	9,08	101,8	94,6
робота котла із вторинним випромінювачем
На виході з топки	1,3	169	12	59	76
На виході з котла	1,26	57	9,1	88	95

З метою більш повного уявлення про вплив вторинних випромінювачів на внутритопкові процеси за допомогою комп'ютерного моделювання було проведено чисельний розрахунок тепломасопереносу. Задача розв'язувалася за наступних граничних умов: на виході із сопла пальника приймається рівномірний профіль продольної швидкості для суміші метану й повітря, масова витрата 0,004 і 0,044 кг/с відповідно. Початкова кінетична енергія турбулентності приймалася рівною 1 м²/с. Стінки – абсолютно гладкі, нормальна компонента швидкості на них рівна нулю, температура 95 ºС. На виході з топки – тиск атмосферний. Задача розв'язувалася в тривимірній стаціонарній постановці.

Для опису руху топкових газів використовувалася добре відома в інженерній практиці k-e модель турбулентності, яка заснована на численному методі решення рівняння Навье-Стокса.

На рис.6.1. наведене векторне поле швидкостей у топці котла «Віктор-100» без випромінювача (а) і з вторинним випромінювачем (б).

	а б
6.1)Поле швидкостей потоку		6.2)Розподіл температур
	а б
6.3) Епюра тиску в Паскалях		6.4) Концентрація метану в кг/м³.

Рис. 6. Результати розрахунку тепломасопереносу в топці котла «Віктор-100», одержані за допомогою комп'ютерного програмного пакету.

При роботі котла без встановлення вторинного випромінювача під основним потоком, який іде від пальникового пристрою, з'являються два стійкі вихори - під факелом і вище його - в центрі яких відмічаються зони низького тиску (рис. 6.1.а). Крім того, за рахунок різниці густини середовища реагентів і продуктів реакції горіння, полум'я переміщується у верхню частину жарової труби, що призводить до її нерівномірного нагріву. Встановлення вторинного випромінювача сприяє появі зон ламінарних зворотніх потоків в кільцевому зазорі, спрямованих до фронту котла (рис. 6.1.б).

Рециркуляція, що з'явилася після установки в жарову трубу вторинного випромінювача, забезпечує повторне допалення продуктів згоряння, залучених у замкнутий контур рециркуляції, і рівномірний розподіл температур в об'ємі топки (рис. 6.2). При цьому зминюється значення тиску в топці, що позитивно впливає на швидкість і якість хімічних реакцій горіння (рис. 6.3.) та розподіл концентрації палива і продуктів згоряння (рис.6.4). В кільцевому зазорі продукти згоряння, в основному, представлені трьохатомними газами (NO_x, CO₂, H₂O, SO₂) і частинками сажі - це призводить до підвищення ступеню чорноти топки і, як наслідок, інтенсифікації теплообміну.

Таким чином, розжарена поверхня вторинного випромінювача відділяє зону реакції від продуктів згоряння, передає радіаційну енергію на поверхню жарової труби, омивану котельною водою, а через ребра - за рахунок конвективного теплообміну - забезпечує охолодження вторинного випромінювача. Цим підтверджується, що інтенсифікація топкового теплообміну можлива при збільшенні ступеня чорноти екранованої камерної топки, яка залежить від ступеню чорноти факела, теплової ефективності екранів і критерію Бугера.

На основі одержаної залежності (1) аналітичної моделі був складений алгоритм і програма його реалізації чисельними методами для визначення компонент швидкостей на виході з кільцевого каналу вогневої і жарової труби, з метою визначення кількості рециркуляційного газового потоку, який йде на повторне допалення. Початкові дані для розрахунку приймалися наступні: витрата природного газу 10 м³/годину; витрата дуттєвого повітря 110 м³/годину; діаметр (зовнішній) вогневої труби (вторинного випромінювача) – 300 мм; діаметр (внутрішній) жарової труби – 400 мм; ширина щілинного зазору – 40 мм. Результати розрахунку приведені на рис.7.

Великі значення радіальної компоненти швидкості в розрахунковій області свідчать про переважну спрямованість потоку до пучка димогарних труб.


Мал. 7. Епюра швидкостей в кільцевому каналі при r₀=180 мм; 0, 004 ≤ z_{0 ≤},0054(м)	Мал.8. Коефіцієнт рециркуляції топкових газів

На рис. 8 приведені графіки коефіцієнту рециркуляції топкових газів в топці котла залежно від ширини щілинного зазору, утворюваного передньою фронтальною стінкою котла і торцевою

частиною вогневої труби, які розраховані за допомогою залежності (3) і програмним пакетом.

З наведеного рисунка видно, що розбіжність значень коефіцієнта рециркуляції залежно від глибини занурення вогневої труби, розрахованої по аналітичній і комп'ютерной моделі, не перевищує 5%. Це свідчить про адекватність двох моделей розрахунку. Для підтверждення отриманних результатів були проведені необхідні експериментальні і промислові дослідження.

У четвертому розділі наведено методики і результати лабораторних досліджень та промислових випробувань ефективності роботи котлів різної потужності і конструкції з атмосферними і вентиляторними пальниковими пристроями з інтегрованими в їх топковий простір вторинними випромінювачами, виготовлених у вигляді вогневої труби.

Досліджувалися вторинні випромінювачі з калібрами: L =2,5D, 1,84D, 0,9D. При дослідженнях також змінювався ступінь рециркуляції топкових газів шляхом варіювання щілинного зазору, що досягається шляхом переміщення вогневої труби всередині жарової в межах від 0,04 до 0,16 м. Результати промислових випробувань на газовому водогрійному димогарному котлі «Віктор-100» потужністю 100 кВт з вогневою трубою L=2,5D, представлено на рис.9.

Рис. 9. Залежність ефективності роботи котла з вогневою трубою і рециркуляцією димових газів,

де ∆ – щілинний зазор 40 мм; 2) ● - щілинний зазор 20 мм.

При зазорі 20 мм між обмурівкою фронтальної стінки котла і вогневою трубою середнє значення ККД склало 96% (рис. 9а), а концентрації =78,8 мг/м³ (рис. 9б). При зазорі в 40 мм середнє значення серії вимірювань ККД котла склало 96,4% (рис. 9а). Концентрація =69,4 мг/м³ (рис. 9б). У результаті встановлення вторинного випромінювача в топку котла так само відмічене скорочення часу набору температури котлової води на 14%.

На рис.10 представлені результати досліджень щодо впливу площі і довжини вторинних випромінювачів з однаковим діаметром на ефективність роботи котла. Із рис.10а видно, що найбільший ККД котла був одержаний при роботі з випромінювачем з L=2,5D, проте- був так само високий, що пояснюється дуже великою площею випромінювача. Встановлення вторинного випромінювача з L=1,84D дозволило одержати найменші значення ККД, а також середні значення . Встановлення в топку котла випромінювача з L=0,9D дало середні значення ККД котла, але, разом з тим, і найнижчі значення викидів .

Рис. 10. Дослідження ефективністі роботі котла “Віктор-100” з вторинними

випромінювачами: - L=0,9D; - L=1,84D;- L=2,5D.

Проведені дослідження дозволили встановити, що встановлення у водогрійний опалювальний котел «Віктор-100» вторинного випромінювача у вигляді вогневої труби з параметрами L=0,9D і співвідношенням площі випромінювання до площі топкового простору 0,21 дозволило збільшити ККД котла на 1,4% при одночасному зниженні концентрації на 24 мг/м³.

Вторинні випромінювачі були випробувані також і в котлах іноземного виробництва. Зокрема на котлі RTQ-100 RIELLO (Італія) потужністю 105 кВт, обладнаного газовим вентиляторним пальником. Виходячи з геометричних розмірів топки, вторинний випромінювач із розмірами L=2,5D на даному котлі не досліджувався. Результати промислових випробувань представлено на рис.11.

У ході випробувань максимальне підвищення ККД котла на 1,5% було одержано з довжиною вогневої труби L =0,9D. Одночасне зниження концентрації на 34% (52,4 мг/м³) було одержане при встановленні в топку випромінювача з L =1,84D. Оптимальним, з точки зору підвищення ККД для даного котла, є встановлення вторинного випромінювача L=0,9D всередину топки на 140 мм від кромки фронтальної трубної дошки.

Проведені дослідження дозволили виявити та пояснити залежність ефективності роботи вторинних випромінювачів, виготовлених у вигляді вогневої труби, від особливостей конструкції топки різних котлів. Це пояснюється аеродинамікою димових газів, розподілом полей тиску та температур, різною інтенсивністю конвективного та радіаційного теплообміну в топках котлів різних конструкцій.

Рис. 11.Эфективність роботи котла RTQ-105, Riello з вторинними випромінювачами:

- L =0,9D; - L=1,84D; -без випромінювача

Для перевірки вибраного методу на котлах середньої потужності проведено випробування вторинного випромінювача в котельні підприємства «Житомиртеплокомуненерго» на котлі «ВК-21» потужністю 2,0 МВт, обладнаним вентиляторним пальником ГГС-Б. Він був виготовлений із нержавіючої сталі і мав розміри: довжина L = 1,0м; діаметр D = 0,5м, товщина стінки випромінювача складала 1,5мм. Випромінювач був встановлений співісно пальниковому пристрою щодо його центру. Результати промислових випробувань приведено в таблиці 2.

З представлених в таблиці даних видно, що з інсталяція в топковий простір вогневої труби у вигляді вторинного випромінювача дозволила вдвічі знизити концентрацію оксидів азоту і більш ніж в чотири рази вміст оксидів вуглецю.

Таблиця 2

Дослідження вторинного випромінювача на котлі “ВК-21”

№	Найменування показників		Розмірність	Без випроміню-вача	Із випромінюва- чем
1	Теплопродуктивність		Гкал/год	1,36
2	Температура вихідних газів		⁰С	128,5	119,8
3	Склад димових газів	СО2	%	6,3	6,0
		О2	%	9,7	10,1
		СО	мг/м³	276	62
		NОx	мг/м³	42	20
4	Коефіцієнт надлишку повітря за котлом		--	1,77	1,84
5	ККД котла		%	92,8	93,2

ВИСНОВКИ

Дисертація поглиблює і розвиває напрям в теорії і практиці енергозбереження та екології завдяки застосуванню вторинних випромінювачів, що встановлюються у топкові простори котлів різної конструкції. За результатами досліджень та за одержаними в роботі матеріалами сформульовано наступні висновки.

1. Аналіз стану теорії і практики інтенсифікації теплопередачі в топках котлів виявив доцільність та необхідність застосування для цієї мети вторинних випромінювачів.

2. Розроблено принципово нову з′ємну конструкцію вторинних випромінювачів, які мають циліндричну форму, виготовляються із нержавіючої сталі з приварюваними до зовнішніх поверхонь ребрами, що забезпечують симетричне їх розміщення в топках котлів та охолодження випромінювача в процесі роботи. Така конструкція локалізує зону реакцій горіння, відділяє від неї топкові гази, реалізує їх додатковий хід і сприяє виникненню ефекту рециркуляції газів в корінь факелу.

3. Розроблено оригінальну математичну модель та запропоновано методику розрахунку аеродинаміки топкових газів усередені котла, що дозволяє визначати розподіл їх витрат в топці та конвективній частині котла по геометричним параметрам і координатам.

4. Доведено, що існуючі нормативни методи розрахунку котлоагрегатів не в повному обсязі враховують аеродинамічні й кінетичні процеси у жаротрубних котлах малої та середньої потужності з вторинними випромінювачами та потребують корегування.

5. Виконаними розрахунками по розробленій аналітичній моделі доведено, що 50%-80% потоку топкових газів від їх загальної кількості проходять повторне допалення завдяки рециркуляції. Задовільний збіг результатів проведених розрахунків свідчить про адекватність розробленої математичної моделі, достовірность компьютерного розрахунку, а також підтверджується експериментальними даними.

6. Експериментально визначене збільшення частки променистого теплового потоку з установкою вторинного випромінювача в топку котлів за їх роботі на газовому та дизельному паліви, що забезпечує тим самим інтенсифікацію теплообміну.

7. Візуальні спостереження за процесом горіння на лабораторному стенді дозволили виявити подовження факела на 0,75 довжини топки за рахунок введення вторинного випромінювача, що співпадає з результатами компۥютерного розрахунку.

8. Встановлена залежність ефективності застосування вторинних випромінювачів в котлах різних конструкцій від геометрічних розміров та координат розташування випромінювачів, що пояснюється особливостями руху газових потоків у топках котлів.

9. Встановлення вторинних випромінювачів у топки котлів «Віктор-100» на газовій котельні підприємства «КСВ» (м.Березань Київської області), у котлі Riello RTQ потужністю та 105 кВт. на газовій котельні підприємства ТОВ «Меридіан плюс Україна» (м.Вишгород Київської області), у котлі «ВК-21» потужністю 2000 кВт. на газовій котельні «Житомиртеплокомуненерго» в м.Житомир дозволило значно знизити викиди у атмосферу на 15%-52%, викиди СО - до 77,5%, збільшити значення ККД до 3%.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ РОБІТ ПО ТЕМІ ДИСЕРТАЦІЇ:

Демченко В.Г. Влияние огневой трубы, устанавливаемой в жаротрубных котлах, на их эффективность. // Экотехнологии и ресурсосбережение №5, 2005. С 78-83.
Демченко В.Г. Снижение выбросов NO_x путём установки в топку котла экранов отражателей.// Актуальные вопросы теплофизики и физической гидродинамики. Алушта 2005. С 96.
Басок Б.И., Демченко В.Г., Мартыненко М.П. Численное моделирование процессов аэродинамики в топке водогрейного котла с вторичным излучателем. // Промышленная теплотехника, №1, 2006. С 17-22.

Здобувачу належить: перевірка адекватності проведеного комп′ютерного розрахунку з експериментальними даними, формулювання висновків по работі.

Демченко В.Г., Серебрянский Д.А. Анализ эффективности интенсификации топочного теплообмена при работе котлов на дизельном топливе. // Промышленная теплотехника, № 6, 2005. С 60-66.

Здобувачу належить: аналітичний огляд, проведення і узагальнення, а також аналіз експериментальних даних, формулювання висновків.

Демченко В.Г., Водогрейные котлы малой мощности. Возможности их модернизации и производства с учётом критериев эффективности. // Материалы конференции Проблемы экологии и эксплуатации объектов энергетики, Севастополь, 2005. С 110-116.
Демченко В.Г., Долинский А.А., Сигал А.И. Организация внутренней рециркуляции дымовых газов в реверсивных водоохлаждаемых топках с целью модернизации отопительных котлов. // NATO workshop conference «Advanced combustion and aerothermal technologies» Kiev 2006. Р

Здобувачу належить: проведення і узагальнення, а також аналіз експериментальних даних і їх зпіставлення з розробленою автором аналітичною моделлю аеродинаміки топки котла «Віктор», формулювання висновків.

Демченко В.Г., Сигал А.И. Заявка на изобретение «Водогрейный котёл» № А 200511414 от 01.12.2005. Здобувачу належить: формулювання ідеї винаходу, аналітичний огляд, розробка, розрахунок та апробація конструкції, опис винаходу.

АНОТАЦІЯ

Демченко В.Г. Удосконалення топкових камер жаротрубних опалювальних котлів. Рукопис. Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.14.06 – Технічна теплофізика і промислова теплоенергетика. Інститут технічної теплофізики НАНУ, Київ, 2006.

Проведено аналіз технічних, економічних і екологічних чинників, що впливають на ефективність жаротрубних опалювальних котлів малої і середньої потужності. Визначено найекономічніші і ефективні котли, що серійно випускаються підприємствами України. Запропоновано метод організації внутритопкової рециркуляції шляхом інсталяції в топковий простір вторинного випромінювача у вигляді вогневої труби, що призводить до інтенсифікації теплообміну, змінює аеродинамічні і термодинамічні характеристики топки, підвищуючи її ККД до 3%, знижує викиди СО практично в 5 разів і NO_x в 2 рази, забезпечуючи більш якісне і раціональне спалювання палива і скорочуючи час набору температури котельної води на величину до 20%. Розроблена методика розрахунку витрат транзитних і циркуляційних топкових газів в жаротрубному опалювальному котлі. Проведені комп'ютерни розрахунки, які дозволяють краще зрозуміти аеродинамічні, теплові і кінетичні процеси, що протікають в реверсивних топках без і із вторинними випромінювачами. Експериментально визначене збільшення частки променистого теплового потоку з установкою вторинного випромінювача в топку котлів за їх роботі на газовому та дизельному паліви, що забезпечує тим самим інтенсифікацію теплообміну.

Ключові слова: топка, вторинний випромінювач, вогнева труба, ККД, шкідливі викиди, жаротрубні котли.

АННОТАЦИЯ

Демченко В.Г. Усовершенствование топочных камер жаротрубных отопительных котлов. Рукопись. Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.14.06 – Техническая теплофизика и промышленная теплоэнергетика. Институт технической теплофизики НАНУ, Киев, 2006.

Проведен анализ технических, экономических и экологических факторов, влияющих на эффективность жаротрубных отопительных котлов малой и средней мощности. Определены наиболее экономичные и эффективные котлы, серийно выпускаемые предприятиями Украины. Выявлены направления модернизации и критерии конструирования топочных камер с целью интенсификации теплообмена усовершенствования и адаптации их работы на низкокалорийных и некачественных видах органического топлива. Предложена оригинальная конструкция вторичного излучателя в виде огневой трубы, создающего дополнительный ход дымовых газов, повторяющего геометрию топки, одновременно разделяя её на отдельные камеры. Разработана математическая модель, позволяющая численно определять объём газов рециркуляции и значения скорости аэродинамических потоков в камере сгорания и дымогарных трубах котла.

Проведены расчёты материального баланса аэродинамических потоков и тепловой расчёт камеры сгорания с установленным в неё вторичным излучателем. Отмечено несоответствие результатов значения температуры, проведенных по существующему нормативному методу расчёта котлоагрегатов, с данными, полученными в лабораторных исследованиях, что свидетельствует о необходимость корректировки нормативной базы для водогрейных жаротрубных котлов малой и средней мощности с вторичными излучателями. Лабораторные исследования позволили найти оптимальные геометрические размеры и определить требования к конструкционным материалам для производства вторичных излучателей. Получены реальные значения повышения КПД топки с вторичным излучателем до 3%, снижение выбросов оксидов азота в 2 раза, изучены изменения соотношения топливо-воздух, значений O₂, CO, CO₂, NO, NO_x, SO₂, температуры дымовых газов и котловой воды, что позволило оптимизировать реализацию выбранного метода. Объяснены физические механизмы изменения значений температуры дымовых газов, КПД, СО и NO_x, отмеченные при работе котла с реверсивной топкой после установки в неё вторичного излучателя. Компьютерное моделирование и проведенные расчёты позволили лучше понять процессы аэродинамики, теплопередачи и кинетики химических процессов, протекающие в топочных камерах с вторичными излучателями.

На базе проведенного исследования произведен расчёт компонент скоростей в кольцевом канале, проведены сравнительные расчёты значений коэффициента рециркуляции по аналитической и компьютерной моделям, позволившие определить расхождение их значений на 5%, что свидетельствует об адекватности разработанных моделей.

В промышленных условиях проведены испытания вторичных излучателей на природном газе и дизельном топливе в котлах "Виктор-100" и "ВК-22" украинского производства, Viessmann (Германия) и Riello (Италия). Исследования проводились с вторичными излучателями в виде цилиндрических огневых труб, изготовленных из нержавеющей стали и просечной стальной сетки.

Проведенные исследования позволили разработать и реализовать методику проведения испытаний, определить величину изменения аэродинамического сопротивления котла до 17,0%, повышение значений КПД до 5,0%, изменения температуры, CO до 77,5% и NО_x до 52%, влажности уходящих дымовых газов на 15%, а также значения O₂, CO₂, NO, SO₂. Проведены визуальные наблюдения и фотографирование структуры факела и сравнение полученных результатов в топке с вторичным излучателем и со стандартным котлом. Исследован характер деформаций, возникающих при работе вторичных излучателей под воздействием аэродинамических и термических нагрузок. Определены направления развития дальнейших исследований и модернизации котлов малозатратными методами путём создания многокамерных топок.

Ключевые слова: топка, вторичный излучатель, огневая труба, КПД, вредные выбросы, жаротрубные котлы.

ANNOTATION

Demchenko V.G. Improvement of the chamber of combustion fire-tube heating boilers. Manuscript. 05.14.06 – Technical thermophysics and industrial thermopower. Institute of Engineering Thermophysics NAS of Ukraine, Kiev, 2006.

The given work develops the theory and studies practical application the multichamber of combustion in flue water-heating boilers.

The original design of the secondary screen - radiator repeating geometry of the chamber of combustion is offered. It is theoretically proved, that an offered method of modernization of the chamber of combustion, raises her efficiency due to increase convection and radiating heat exchange and reduces harmful emissions in an atmosphere due to change of aerodynamics, thermodynamics and kinetic processes taking place in the boiler. The lead calculations on analytical and CFD models have a divergence not exceeding 5 % that testifies to their adequacy.

In industrial conditions tests of secondary screens - radiators in boilers 100kw "Victor - 100" and 2000 kw "ВК-22" the Ukrainian manufacture, 575kw Vitoplex SX1 Viessmann/Germany and 105kw RTQ Riello/Italy on natural gas and diesel fuel are lead. Carried out researches have proved the chosen method of an intensification of processes in the chamber of combustion, have allowed to develop and check up a technique of carrying out of tests, to define size of change of aerodynamic resistance of the boiler up to 17 %, increase of values of efficiency up to 1,7 %, changes of temperature, CO on 77,5 % and NОx on 52 %, humidity of leaving smoke gases on 15 %, and alsoO₂, CO₂, NO,SO₂.

Key words: the chamber of combustion of the boiler, a secondary screen - radiator, the efficiency, harmful emissions, flue boilers.