ВАКУУМНЫЙ ЖАРОТРУБНЫЙ КОТЕЛ

Полезная модель относится к промышленной теплоэнергетике и может быть использована в системах отопления и горячего водоснабжения, в том числе и в коммунально-бытовой технике, а так же в качестве нагревателя жидкостей и газов для технологических нужд.
Известен двухконтурный котел с пароконденсационным режимом [См. Жидилов К.А. «Исследование и разработка систем автономного теплоснабжения с двухконтурным котлом»: дис. канд. тех. наук., Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет, Нижний Новгород, 2009].
Недостатками данного котла является низкий КПД, обусловленный низким коэффициентом теплоотдачи в зоне кипения теплоносителя на границе раздела стенка - водяной теплоноситель.
Наиболее близким к заявленной полезной модели по технической сущности и достигаемому эффекту является вакуумный водогрейный котел, который представляет собой термосифон, содержащий горелку блочную, теплообменник для получения горячей воды с помощью пара, образовавшегося при кипении воды под вакуумом, топочную жаровую трубу, в хвостовой части которой вварены вертикальные теплообменные трубы конвективного пучка. Образующийся пар конденсируется на водонагревательных теплообменных поверхностях с отводом тепла нагреваемой водой [патент RU 2662261, опубл. 25.07.2018 г.]
Недостатками данного котла является низкий КПД, обусловленный низким коэффициентом теплоотдачи в зоне кипения теплоносителя на границе раздела стенка - водяной теплоноситель. Причем чем меньше давление, тем меньше коэффициент теплоотдачи.
Техническая задача, решаемая в предлагаемом устройстве - создание конструкции котла, обеспечивающей наибольший КПД в результате увеличения площади теплообмена на внешней стороне жаровой трубы и увеличением коэффициента теплоотдачи в зоне кипения теплоносителя на границе раздела стенка - промежуточный теплоноситель (вода) за счет расположения на внешней стороне жаровой трубы поперечного оребрения. Ребра выполнены в результате накатки, без изменения характеристик горелки. Длина ребра равна половине длины окружности жаровой трубы.
Данный технический результат достигается тем, что в вакуумном жаротрубном котле, включающем цилиндрический горизонтально расположенный корпус, в полости которого размещена соосная ему цилиндрическая жаровая труба, сообщающаяся с конвективным пучком труб, с наружной стороны которой выполнены поперечные ребра с коэффициентом оребрения Ψ и длиной ребра равной половине длины окружности жаровой трубы, щелевой зазор между ребрами b не превышает величину капиллярной постоянной жидкости .
Формула для расчета капиллярной постоянной жидкости:
σ - коэффициент поверхностного натяжения кипящей жидкости,
g - ускорение силы тяжести,
ж
п
ρ, ρ - плотность жидкости и пара.
Расчетная формула для коэффициента оребрения:
op
гл
Ψ=F/F=1,89, где
op
F - площадь оребренной поверхности жаровой трубы;
гл
F - площадь наружной гладкой поверхности жаровой трубы.
Сущность технического решения поясняется чертежом, где:
на Фиг. 1 схематично изображен предлагаемый вакуумный жаротрубный котел;
на Фиг. 2 - изображена схема оребрения на наружной поверхности жаровой трубы;
пр
гл
пр
гл
на Фиг. 3 - график зависимостей отношений коэффициента теплоотдачи оребренной α к неоребренной α поверхностям жаровой трубы от коэффициента оребрения Ψ, на котором показан характер изменения α/α при 60,80 кПа и 101,15 кПа;
на Фиг. 4 - график зависимости расхода пара при кипении на жаровой трубе от коэффициента оребрения Ψ при давлении 60,80 кПа и 101,15 кПа, на котором показан оптимальный коэффициент оребрения, при котором достигается максимальная эффективность работы вакуумного котла;
ор
гл
ор
гл
на Фиг. 5 - график зависимостей отношений коэффициента полезного действия вакуумного котла оребренной η к неоребренной η поверхности жаровой трубы от коэффициента оребрения Ψ, на котором показан участок с максимальными η/η при разных давлениях.
Предложен вакуумный жаротрубный котел (фиг. 1), представляющий собой герметичную емкость 3, наполненную определенным количеством хорошо очищенной котловой воды при давлении ниже атмосферного.
Топка котла 1 представляет собой жаровую трубу, находящуюся ниже уровня воды, на наружной поверхности жаровой трубы происходит кипение жидкости. На жаровой трубе нанесены поперечные ребра (фиг. 2) с коэффициентом оребрения Ψ и длиной ребра равной половине длины окружности жаровой трубы. Выше уровня воды в паровом пространстве установлен сетевой теплообменник 4. В объеме 3 создается разрежение, которое автоматически поддерживается вакуумным насосом, вода закипает при температуре ниже 100°C и образуется пар, который конденсируется на сетевом теплообменнике 4 и затем поступает обратно в водный объем. Котловая вода в процессе эксплуатации не выводится из агрегата.
Тепловой расчет осуществляется с делением на три зоны: жаровая труба 1, конвективный пучок 2, объем с разрежением 3.
Для описания турбулентных течений смеси газов в жаровой трубе 1 и конвективном пучке 2 используется 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.
Для описания процессов тепломассопереноса при кипении при давлении ниже атмосферного 3 используется модель RPI ANSYS CFX. (ANSYS CFX-Solver Theory Guide. Release 12.1 / ANSYS, Inc. // Southpointe 275 TechnologyDrive. - Canonsburg: PA 15317, 2009, 370 p)
где
D - наружный диаметр оребренной трубы;
L - длина жаровой трубы;
N - число ребер;
δ - толщина ребра;
h - высота ребра;
- длина ребра.
Коэффициент теплоотдачи при кипении жидкости на оребренной поверхности теплообмена, приведенного к площади гладкой стенки:
где
ж
λ - коэффициент теплопроводности жидкости;
- кинематический коэффициент вязкости жидкости;
σ - коэффициент поверхностного натяжения кипящей жидкости;
- средняя по высоте ребра плотность теплового потока;
Н - высота ребра;
ж
n
ρ, ρ - плотности пара и жидкости при температуре насыщения;
r - теплота парообразования;
Е - эффективность ребра;
δ - толщина ребра;
k - постоянный коэффициент.[Корнеев, С.Д. Влияние теплофизических свойств материала оребренной поверхности на выбор ее оптимальных геометрических характеристик / С.Д. Корнеев [и др] // Известия МГИУ. - 2006. - №1 (2). - С. 56-61.]
Ребра увеличивают площадь поверхности теплообмена и увеличивают коэффициент теплоотдачи кипящей жидкости (фиг. 3), что способствует повышению количества передаваемой теплоты и увеличению количества выработанного пара (фиг. 4). Получаемый эффект обосновывается наличием капиллярных явлений при использовании щелевых каналов, созданных ребрами. [Корнеев, С.Д. Влияние теплофизических свойств материала оребренной поверхности на выбор ее оптимальных геометрических характеристик / С.Д. Корнеев [и др] // Известия МГИУ. - 2006. - №1 (2). - С. 56-61]
КПД η вакуумного котла определяется формулой:
где
кот
Q - теплопроизводительность котла;
- располагаемая теплота;
В - расход топлива.
Суммарное количество теплоты, переданное в топке:
сумм
к
л
Q=Q+Q, где
к
Q - теплота переданная конвекцией;
л
Q - теплота, преданная излучением.
где
с
ε - степень черноты стенки жаровой трубы;
г
ε - степень излучения газов;
г
А - приведенная степень черноты газов;
o
C - постоянная Больцмана;
- средняя температура газов;
ст.г
t - температура стенки со стороны газов;
л
F - лучистая поверхность жаровой трубы.
Количество теплоты переданной конвекцией находится по следующей формуле:
к
к
к
Q=αΔtF, где
к
α - коэффициент теплоотдачи конвекцией для газов;
Δt - температурный напор;
к
F - конвективная поверхность жаровой трубы.
Температура стенки со стороны воды:
ст.в
s
кип
t=t+q/α, где
s
t - температуранасыщения воды;
кип
α - коэффициент теплоотдачи при кипении;
q - плотность теплового потока в жаровой трубе.
Плотность теплового потока, переданного теплоносителю, при бесконечно малой толщине стенки:
кип
ст.в
s
п
q=α(t-t)=Gr, где
п
G - расход пара;
r - удельная теплота парообразования.
Теплопроизводительность котла определяется количеством сконденсированного пара:
кот
конд
Q=Gr, где
конд
G - расход конденсата;
r - удельная теплота парообразования.
В результате анализа численных решений, используя выше приведенные формулы, определено, что при b=0,015 м, h=0,004 м, коэффициенте
op
гл
оребрения Ψ=1,89 соответствует точкам с максимальными значениями величин η/η при давлении 60,80 кПа (фиг. 5), когда количество образованного пара равно количеству конденсирующегося.
Таким образом, расчетные данные подтверждают, что увеличение КПД η вакуумного жаротрубного котла с оребрением на внешней поверхности жаровой трубы с поперечными ребрами и коэффициентом оребрения Ψ=1,89, длина которых равна половине длины окружности жаровой трубы, а щелевой зазор между ребрами b не превышает величины капиллярной постоянной жидкости , приводит к увеличению КПД η вакуумного жаротрубного котла по сравнению с котлом с неоребреной поверхностью жаровой трубы в пределах 2,64%.