ЖАРОТРУБНЫЙ КОТЁЛ

Полезная модель относится к теплоэнергетике и может быть использована в системах отопления и горячего водоснабжения, в том числе и в коммунально-бытовой технике, а также в качестве нагревателя жидкостей и газов.
Известен жаротрубный котел, содержащий в водопроводящем корпусе горелку с топкой, реверсивную камеру и пучок конвективных труб. (См. «Справочник по теплообменникам: В 2-х т. Т 2 / Пер. с англ. под ред. О.Г. Мартыненко и др. - М.: Энергоатомиздат, 1987. - 352 с.).
Недостатками данного котла является низкий КПД, обусловленный низким коэффициентом теплоотдачи в топке.
Наиболее близким к заявленной полезной модели по технической сущности и достигаемому эффекту является жаротрубный котел, который содержит цилиндрический корпус с охлаждающей отходящие газы камерой, соосную ему жаровую камеру с топкой, имеющую форму в поперечном сечении эллипс с поперечным оребрением, с коэффициентом оребрения ϕ=1,32. Вокруг жаровой камеры размещены дымогарные трубы. Подвод и отвод воды в корпус осуществлен посредством патрубков, а нагрев ее производится с помощью горелки, закрепленной в передней части корпуса (Патент RU 151351 опубл. 07.08.2014 г.).
Недостатки известного котла связаны с ростом коэффициента гидравлического сопротивления, так как в ряде специальных случаев перепад давлений, который может быть использован для прокачки теплоносителя, оказывается существенно выше, чем возможные гидравлические потери в этом устройстве при любой конструктивно осуществимой турбулизации потока. В топках некруглой формы структура потока при переходном и турбулентном течении меняется не только по нормали к стенке, но и по периметру канала, в связи с чем наряду с турбулентным течением в ядре потока и около стенки в широких частях канала, в углах могут быть зоны со слабой турбулентностью или даже с ламинарным течением.
Поэтому при разработке методов интенсификации теплообмена в таких каналах нужно не только искать пути дополнительной турбулизации пристенной области в широких частях канала, но специфические пути для турбулизации потока в угловых зонах. Гидродинамическая структура турбулентного потока и распределения плотностей тепловых потоков или поля температур позволят установить области, в которых увеличение интенсивности турбулентных пульсаций оказывает наибольший эффект на интенсификацию теплоотдачи. Турбулентная теплопроводность в них по сравнению с ее значениями в ядре потока мала, а плотность теплового потока близка к максимальной.
Изучение структуры турбулентного потока и механизма переноса тепла в нем показали, что в переносе тепла существенную роль играют крупномасштабные пульсации, направленные из ядра потока к стенке, как результат взаимодействия ядра потока со стенкой. При этом происходит перенос крупных масс теплоносителя из ядра потока к стенке и обратно, возрастает количество выбросов от стенки, стимулирующих порождение турбулентности.
Гофрирование внутренней поверхности нашло широкое применение в теплообменниках [Калинин Э.К., Дрейцер Г.А., Копп И.З., Мякочин А.С. Эффективные поверхности теплообмена. - М.: Энергоатомиздат, 1988. - 408 с. (стр. 26, 63)], а применение данного интенсификатора в топках котлов мало изучено.
Основным недостатком описанных выше котлов того же назначения, является низкий КПД топки η, обусловленный низким коэффициентом теплоотдачи в топке.
Технической задачей, решаемой в предлагаемом устройстве, является создание конструкции котла с улучшенными теплотехническими свойствами и уменьшение гидравлических сопротивлений с целью получения наибольшего КПД топки в результате создания
Данный технический результат достигается тем, что в жаротрубном котле, содержащем водопроводящий корпус, в полости которого размещена соосная ему топка, имеющая в поперечном сечении форму эллипса, с установленной в ней горелкой, топка сообщается с конвективным пучком труб согласно предложенному техническому решению внутренняя поверхность топки выполнена гофрированной с образованием складок через фиксированное расстояние с коэффициентом эффективности гофрирования
Г
Г
H
k=F/F=1,19,
Г
где F - фактическая площадь гофрированной поверхности;
H
F - нормальная площадь гладкой поверхности
Сущность технического решения поясняется чертежами, где:
на Фиг. 1. Схематично изображен продольный разрез предлагаемого жаротрубного котла;
на Фиг. 2. Схематично изображен поперечный разрез предлагаемого жаротрубного котла;
гофра
эллипс
гофра
эллипс
на Фиг. 3. График зависимостей отношений количества теплоты, переданной от газа к стенке за счет молекулярной теплопроводности, конвекции и излучения, гофрированной Q к гладкой Q поверхности топки от радиуса скругления, на котором показан участок с максимальными Q/Q;
гофра
эллипс
гофра
эллипс
Г
на Фиг. 4. График зависимостей отношений количества теплоты, переданной от газа к стенке за счет молекулярной теплопроводности, конвекции и излучения гофрированной Q к гладкой Q поверхности топки от частоты расположения турбулизаторов t/h, на котором показан участок с максимальными Q/Q при постоянном коэффициенте эффективности гофрирования k, и при постоянной высоте гофры h;
гофра
эллипс
гофра
эллипс
Г
на Фиг. 5. График зависимостей отношений коэффициента полезного действия гофрированной n к гладкой n поверхности топки от частоты расположения турбулизаторов t/h, на котором показан участок с максимальными η/η при постоянном коэффициенте эффективности гофрирования k, и при постоянной высоте гофры h.
Г
Жаротрубный котел содержит корпус 1, заполненный жидкостью, горелку 2 с топкой 3, имеющую форму в поперечном сечении эллипс, внутренняя поверхность топки выполнена гофрированной с образованием складок через фиксированное расстояние с коэффициентом эффективности гофрирования k, реверсивную камеру 4 и пучок конвективных труб 5 (Фиг. 1).
Котел работает следующим образом:
В топку 3 из горелки 2 направляют поток пламени. В топке происходят процессы горения. Далее поток продуктов сгорания поступает в реверсивную камеру 4 и затем в конвективный пучок труб 5. Часть теплоты сгорания и теплоты уходящих газов передается через гофрированную стенку топки теплоносителю в корпусе 1.
Для описания турбулентных течений реагирующих газов используют модель турбулентности с двумя уравнениями. Эта модель турбулентности получила название k-ε (Михайлов, А.Г. Численное моделирование процессов тепломассопереноса при горении газообразного топлива в топочном объеме / А.Г. Михайлов, П.А. Батраков, С.В. Теребилов. - Естественные и технические науки. - 2011 - №5(55). - С. 354-358), где k - турбулентная кинетическая энергия, ε - величина рассеивания кинетической энергии.
Эффективным способом турбулизации пристеночного слоя является создание у стенки отрывных зон. Периодически расположенные выступы плавной конфигурации обеспечивают генерации турбулентных вихрей, распространяющихся вдоль стенки и слабо диффундирующих в ядро потока. Данная турбулизация пристенного слоя достигается при наименьших гидравлических потерях, так как при плавной форме выступа образуется либо только система трехмерных винтообразных вихрей, либо эта же система, дополненная небольшим нестабильным двухмерным вихрем за выступом. Гидравлические потери на образование такой системы и диссипация энергии в ней намного меньше, чем в вихревых структурах у прямоугольных, при довольно близкой выработке избыточной турбулентности. Высота выступов должна быть соизмерима с высотой пристеночного слоя, в котором сосредоточена основная часть термического сопротивления между потоком и стенкой. Расстояние между выступами не должно быть слишком малым и слишком большим. При частом расположении турбулизаторов (t/h<5) возникающие за ними турбулентные пульсации не успевают заметно угаснуть на пути к следующему турбулизатору и будут диффундировать в ядро потока, увеличивая интенсивность турбулентных пульсаций. Это приводит к большим гидравлическим потерям. При достаточно большом расстоянии между турбулизаторами (t/h≥5) турбулентные пульсации, дополнительно возникшие в зоне вихрей или при их периодическом разрушении, передаются основным потоком ближе к стенке. Это позволяет достигнуть существенной интенсификации теплообмена ценой минимальных гидравлических потерь. При слишком большом расстоянии между турбулизаторами (t/h>100) дополнительная турбулентность, возникшая за ними, успевает заметно угаснуть на некотором расстоянии от них, а остальной участок канала до следующего турбулизатора мало отличается по структуре от гладкого канала.
Как показал анализ математического эксперимента, при рассмотрении данной технической задачи при заданной форме и высоте турбулизаторов максимальный рост теплоотдачи и гидравлического сопротивления достигается при t/h находящейся в диапазоне от 4,5 до 6,5, при этом максимум гидравлического сопротивления сильно зависит от формы турбулизаторов связанных с ней трехмерных и нестационарных вихревых структур.
Таким образом, для воспроизведения заданного эффекта интенсификации теплообмена поверхность должна иметь геометрию с воспроизводимыми параметрами турбулизаторов (высота, шаг размещения, геометрическая форма).
Приведем расчет коэффициента гофрирования
Г
Коэффициент эффективности гофрирования k расчитываем по формуле [Калинин Э.К., Дрейцер Г.А., Копп И.З., Мякочин А.С. Эффективные поверхности теплообмена. - М.: Энергоатомиздат, 1988. - 408 с. (стр. 26, 63):
Г
Г
H
k=F/F=1,19, где
Г
F - фактическая площадь гофрированной поверхности;
H
F - нормальная площадь гладкой поверхности.
г
Эр
Э
р
Эр
Э
2
2
F=π⋅d⋅(L-δ⋅n)+π⋅d⋅(L-δ⋅n)+n⋅π⋅(d-d)/2,
H
Э
F=π⋅d⋅L, где
Эквивалентный диаметр поперечного сечения топки в форме эллипса вычисляется по формуле:
Э
0,625
0,2
d=1,55⋅S/P, где
S - площадь поперечного сечения топки в форме эллипса;
Р - периметр поперечного сечения топки в форме эллипса.
S=π⋅а⋅b,
2
2
1/2
Р=2⋅π((а+b)/2),
где π=3,1415 рад,
а - большая полуось;
b - малая полуось.
D
a=a - внутренняя большая полуось гофрированной трубы,
D
b=b - внутренняя малая полуось гофрированной трубы;
Эp
d - эквивалентный диаметр складки,
d
где a=a - большая полуось по высоте складки (Фиг. 2.),
d
b=b - малая полуось по высоте складки;
n=τ/2 - число складок;
р
p
δ - толщина складки (δ=4⋅π⋅А+τ/2),
τ - шаг гофры, А - радиус скругления (Фиг. 1));
L - длина топки,
При следующих геометрических характеристиках
L=1000 мм,
D
b=410 мм,
d
b=330 мм,
t=200 мм,
h=40 мм,
А=10 мм:
Г
Г
H
получаем k=F/F=1,19.
КПД топки η определяют формулой:
1
расч
η=Q/Q,
1
где Q - теплота, использованная для подогрева холодной жидкости
1
C
R
Q=Q+Q,
C
Q - теплота, переданная конвекцией
C
Q=αΔTS, где
1
2
ΔТ=Т-Т:
1
Т - температура газа в топке;
2
Т - температура стенки топки;
R
Q - теплота, переданная излучением, определенная вероятностным методом Монте-Карло;
расч
Q - количество теплоты, выделенного при сгорании топлива, которая определяется по объемному составу, %, и известной теплоте сгорания компонентов (низшая теплота сгорания).
Таким образом:
Г
гофра
эллипс
гофра
эллипс
D
d
В сравнении с патентом (RU 151351 опубл. 07.08.2014 г.) если коэффициент эффективности гофрирования остается неизменным k≈1,32 максимальные значения величин  Q/Q=1,17 (Фиг. 5), η/η=1,075 (Фиг. 6) достигаются при частоте расположения турбулизаторов t/h=4,5 (L=1000 мм,  b=440 мм,  b=330 мм, t=250 мм, h=55 мм, А=10 мм).
гофра
эллипс
гофра
эллипс
Г
D
d
В конкретном примере при неизменной высоте выступа h=40 мм максимальные значения величин Q/Q=1,115 (Фиг. 5), η/η=1,093 (Фиг. 6) достигаются при коэффициента эффективности гофрирования k=1,19, и частоте расположения турбулизаторов t/h=5 (L=1000 мм,  b=410 мм,  b=330 мм, t=200 мм, h=40 мм, А=10 мм).
Г
Г
H
Следовательно расчетные данные подтверждают, что котел, у которого внутренняя поверхность топки гофрированная с образованием складок через фиксированное расстояние с коэффициентом эффективности гофрирования k=F/F=1,19, приводит к увеличению КПД на 9,5% чем у топки с формой поперечного сечения эллипс и на 4% чем у топки с формой в поперечном сечении эллипса с оребренной внутри топочной поверхностью.