В элементах жаротрубных и дымогарных котлов имеет место теплоперенос конвекцией и излучением. С использованием интенсификации теплообмена повышается энергоэффективность данных котлоагрегатов и уменьшаются их массогабаритные характеристики [1].
На данный момент известно достаточно много методов интенсификации конвективного теплообмена. В основном их подразделяют на пассивные и активные. Основное их отличие в том, что первые не требуют прямых затрат энергии. Эффективность этих методов сильно зависит от характера теплообмена.
Иногда применяются несколько методов одновременно, и это называется комбинированной интенсификацией, что является наиболее эффективным.
Для интенсификации тепломассообмена в газотрубных котлах чаще всего используют пассивный метод, то есть применяют малые диафрагмы и выступы в трубах, «ломаные» ленты, внутреннее оребрение, спиральные и кольцевые накатки, пружинные проволочные вставки или закручивающие лопатки, скрученные ленты. Основная цель их установки – разрушение пограничного слоя, повышение площади теплообмена и максимально возможная турбулизация потока. Результат – повышение КПД котла, достигаемое путем интенсификации тепломассообмена [2].
В настоящее время в промышленных и бытовых газотрубных котлах предусматривается обязательное использование интенсификаторов теплообмена (турбулизаторов потока). При применении турбулизаторов отпадает необходимость установки дополнительных развитых поверхностей в виде экономайзера или воздушного подогревателя [2].
В основном реконструкции подвергаются конвективные пучки труб, а интенсификация процессов теплопереноса в топке редко встречается и мало изучена, хотя большая часть теплоты выделяется именно в топке, которая занимает значительный объем котла. Следовательно, интенсификация теплообмена в топке может улучшить энергоэффективность, экологические характеристики и массогабаритные показатели котла. При этом следует учесть, что применение развитых поверхностей является одним из основных направлений интенсификации не только конвективного, но и лучистого теплообмена. В обоих случаях суммарное количество теплоты, поглощаемое или отдаваемое поверхностью, пропорционально эффективной площади поверхности теплообмена. Но в условиях лучистого теплообмена, в отличие от конвективного действуют другие физические процессы теплопереноса, подходы к конструированию и методам расчета развитых поверхностей теплообмена различны [3].
Результаты исследования и их обсуждение
На основании выше изложенного можно утверждать о необходимости исследования тепловых процессов в топке с некруглым поперечным сечением. Для чего необходимо выполнить сравнительный анализ эффективности топки некруглых профилей с топкой с поперечным круглым сечением.
В качестве величин, характеризующих тепловую эффективность топки газотрубного котла, выбраны значения средней и максимальной температуры газовой смеси в топке и на выходе из неё, количество выделившейся теплоты в результате реакций, интенсивность тепловосприятия топки. Результаты решения получены с помощью моделирование процессов тепломассопереноса при горении газообразного топлива в топочном объеме [1, 4], реализованных в ANSYS CFX. Для исследований в расчетах использовались топки различных профилей: прямоугольная форма; квадратная форма; эллипс горизонтальный; эллипс вертикальный. На рис. 1 в изометрии изображено распределение температур.
а б
в г
д
Рис. 1. Распределение температур в топке при различных формах её профиля: а – прямоугольная; б – квадратная; в – круглая; г – эллипс горизонтальный; д – эллипс вертикальный
Рис. 2. Распределение максимальных температур газовой смеси в топке при различных формах профиля и числах Re
Рис. 3. Распределение значений η при различных формах профиля от числа Re
Горение газа сопровождается температурными возмущениями и конвективными явлениями [5, 6]. Область горения совпадает с размерами факела, границей которого является изотерма с максимальной температурой. Внутри топочного пространства процесс горения определяется временем химических процессов.
На рисунках видно как, формируется факел по длине топки, а также как распределяется поле температур. С учетом рис. 1 возможно проанализировать и определить нахождение максимальных температур, а также распределение средних температур по длине топки. В идеале факел должен занимать весь топочный объем и не касаться стенок. Наиболее упорядоченное движение газовой смеси соответствует топке с профилем вертикальный эллипс, что способствует формированию зоны максимальных температур, относительно равномерно распределенной вдоль оси.
Таким образом, можно утверждать, что изменение формы профиля топки ведет к изменению расположения в объеме средних и максимальных температур. То есть можно говорить, что изменение формы профиля топки ведет к изменению тепломассообменного процесса внутри топки.
Для всего исследуемого диапазона чисел Рейнольдса наблюдается плавный рост максимальных температур газового объема (рис. 2) вследствие хорошего перемешивания реагирующих газов, затем плавное понижение максимальных температур из-за неполноты сгорания. Область максимальных значений данных параметров соответствует области Re ≈ 80000÷120000.
Интенсивность тепловосприятия топки η определяется формулой [1, 7]
, (1)
где Qст – теплота, переданная в стенку для нагревания теплоносителя.
, (2)
где QC – теплота, переданная конвективным теплообменом в стенку;
QR – теплота, переданная излучением;
Qрасч – количество теплоты, выделенной при сгорании топлива (определяется из теплового баланса топки):
, (3)
где Qвх – физическая теплота, внесенная в топку с поступающими топливом и воздухом;
Qвых – теплота, покидающая топку с уходящими газами.
Qвх, Qвых рассчитываются через энтальпии, объемы газообразных продуктов и средние теплоемкости.
Характер изменения кривых на графике η = f(Re) (рис. 3) соответствует характеру изменения кривых на графике Tmax = f(Re) (рис. 2), то есть температура факела в топке газотрубного котла является определяющей энергоэффективность газотрубного котла в целом. Изменение формы профиля приводит к более высоким значениям η для вертикального эллипса из-за интенсификации тепломассообменных процессов в топке.
Выводы
При разработке высокоэффективного газотрубного котла могут быть основаны на использовании модели с топкой в форме вертикально расположенного эллипса в поперечном сечении, так как при теоретических исследованиях определено, что топка с данной формой профиля имеет следующие преимущества:
1) рост тепловосприятия стенок топки с поперечным сечением в форме вертикального эллипса по отношению к топкам других профилей, в том числе до 5 % больше по сравнению с топкой с поперечным сечением в форме круга;
2) интенсивность тепловосприятия данной топки максимальна по отношению к интенсивности тепловосприятия топок с другими профилями, в том числе на 2,6–3,2 % больше по сравнению с топкой с поперечным сечением в форме круга;
Проанализировав полученные данные, можно сделать вывод, что профиль вертикальный эллипс является наиболее рациональным для топки газотрубного котла малой и средней мощности.
Библиографическая ссылка
Батраков П.А., Михайлов А.Г. ЧИСЛЕННОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ФОРМЫ ТОПКИ ГАЗОТРУБНОГО КОТЛА НА ТЕПЛОВЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2015. – № 10-3. – С. 417-420;URL: https://applied-research.ru/ru/article/view?id=7509 (дата обращения: 19.04.2024).