ЖАРОТРУБНЫЙ КОТЕЛ

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. Т2 / 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. 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 121350 U1 от 20.10.2012 г.).
Недостатками известного котла является невысокий КПД из-за низкого коэффициента теплоотдачи в топке и не развитой поверхности теплообмена.
Техническая задача, решаемая в предлагаемом устройстве - создание конструкции котла, обеспечивающей наибольший КПД топки в результате увеличения площади теплообмена и увеличением коэффициента теплоотдачи в топке за счет расположения поперечного оребрения внутри топочного пространства, ребра которого выполнены в результате накатки, без изменения характеристик горелки.
Данный технический результат достигается тем, что в жаротрубном котле содержащем цилиндрический 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, и согласно предложенному техническому решению в топке выполнены поперечные ребра с коэффициентом оребрения φ:
ор
φ=F/F≈1,32, где
ор
F - площадь оребренной поверхности топки;
F - площадь внутренней гладкой поверхности оребренной трубы.
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;
оребренная
эллипс
оребренная
эллипс
на Фиг. 2 - график зависимостей отношений коэффициента теплоотдачи оребренной φ к неоребренной α поверхностям топки от коэффициента оребрения φ, на котором показан участок с максимальными α/α при разных числах Re;
оребренная
эллипс
оребренная
эллипс
на Фиг. 3 - график зависимостей отношений количества теплоты, переданной от газа к стенке за счет молекулярной теплопроводности, конвекции и излучения, оребренной Q к неоребренной Q поверхности топки от коэффициента оребрения φ, на котором показан участок с максимальными Q/Q при разных числах Re;
эллипс
оребренная
эллипс
на Фиг. 4 - график зависимостей отношений коэффициента полезного действия оребренной тибренная к неоребренной η поверхности топки от коэффициента оребрения φ, на котором показан участок с максимальными η/η при разных числах Re;
Жаротрубный котел содержит корпус 1, заполненный жидкостью, горелку 2 с топкой 3, имеющую форму в поперечном сечении эллипс внутри топочного пространства, которой выполнены поперечные ребра 4 с коэффициентом оребрения φ, реверсивную камеру 5 и пучок конвективных труб 6. Ребра 4 получены в результате прокатки (процесс пластического деформирования тел на прокатном стане между вращающимися приводными валками) либо отливки (технологический процесс изготовления заготовок, заключающийся в заполнении предварительно изготовленной литейной формы жидким материалом с последующим его затвердеванием).
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 5 и затем в конвективный пучок труб 6. Часть теплоты сгорания и теплоты уходящих газов передается через оребренную разделительную стенку 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.
При описании коэффициента оребрения для топки в форме поперечного сечения эллипс использовался следующий литературный источник «Определение коэффициента теплопередачи через гладкую и оребренную трубы» В.В. Бухмиров, Д.В. Ракутина. - Иваново: УИУНЛ ИГЭУ, 2010. - С 11-12, кроме того было введено понятие эквивалентного диаметра поперечного сечения топки в форме эллипса вычисляемый по формуле:
Э
0,625
0,2
d=l,55S/P,
где S - площадь поперечного сечения топки в форме эллипса;
P - периметр поперечного сечения топки в форме эллипса.
S=πab,
a
2
2
1/2
Р=2π((+b)/2),
где π=3,1415 рад,
a
- большая полуось;
b - малая полуось.
Коэффициент оребрения φ равен:
op
F - площадь оребренной поверхности топки;
F - площадь внутренней гладкой поверхности оребренной трубы.
,
Э
F=πdL
Э
D
D
a
a
где d - внутренний эквивалентный диаметр оребренной трубы (где = - внутренняя большая полуось оребренной трубы (Фиг. 2.), b=b - внутренняя малая полуось оребренной трубы (Фиг. 2.) [Определение коэффициента теплопередачи через гладкую и оребренную трубы / В.В. Бухмиров, Д.В. Ракутина. - Иваново: УИУНЛ ИГЭУ, 2010. - С 11-12.]);
Эр
d
d
а
а
d - эквивалентный диаметр ребра (где - - большая полуось ребра (Фиг. 2.), b=b - малая полуось ребра (Фиг. 2.));
n - число ребер;
ρ
p
δ - толщина ребра (δ=τ/2, τ - шаг ребер (фиг. 1));
L - длина топки (фиг. 1),
Ребра увеличивают площадь поверхности теплообмена и таким образом при том же коэффициенте теплоотдачи способствуют повышению количества передаваемой теплоты. Таким образом, повышение КПД η топки достигается за счет увеличения площади теплообмена (для сравнения площади поверхности оребренной топки с гладкой используем коэффициент оребрения), коэффициента теплоотдачи при установке поперечных ребер.
КПД η топки определяют формулой:
1
где Q - теплота, использованная для подогрева холодной жидкости.
С
Q - теплота, переданная конвекцией.
1
2
где, ΔT=Т-T,
1
T - температура газа в топке,
2
T - температура стенки топки;
R
Q - теплота, переданная излучением (определяется вероятностным методом Монте-Карло (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);
расч
Q - количество теплоты, (сухой газ) выделенного при сгорании топлива определяется по объемному составу, %, и известной теплоте сгорания компонентов (низшая теплота сгорания):
расч
4
2
6
3
8
4
10
5
12
2
2
Q=358CH+640CH+915CH+1190CН+1465СН+126,5CO+107,5H+234HS.
В случае оребренной поверхности:
оребренная
1
оребренная
оребренная
Q=Q, α=α, η=η, где
оребренная
Q - теплота, использованная для подогрева холодной жидкости в топке с формой в поперечном сечении эллипс и поперечным оребрением;
оребренная
α - коэффициент теплоотдачи, определяемые условиями движения газа в топке с формой в поперечном сечении эллипс и внутренним поперечным оребрением;
оребренная
η - коэффициент полезного действия КПД топки с формой в поперечном сечении эллипс и поперечным оребрением.
эллипс
1
эллипс
эллипс
В случае неоребренной поверхности Q=Q, α=α, η=η, где
эллипс
Q - теплота, использованная для подогрева холодной жидкости в топке с формой в поперечном сечении эллипс без оребрения;
эллипс
α - коэффициент теплоотдачи, определяемые условиями движения газа в топке с формой в поперечном сечении эллипс без оребрения;
эллипс
η - коэффициент полезного действия КПД топки с формой в поперечном сечении эллипс без оребрения.
a
a
D
D
d
d
оребренная
эллипс
оребренная
эллипс
оребренная
эллипс
В результате анализа численных решений, используя вышеприведенные формулы, определено, что при n=6, τ=167 мм, ·=520 мм b=400 мм ·=440 мм, b=320 мм коэффициент оребрения φ≈1,32 соответствует точкам с максимальными значениями величин α/α, Q/Q, η/η при разных  Re.
оребренная
эллипс
оребренная
эллипс
оребренная
эллипс
при Re=10000 и коэффициенте оребрения φ≈1,32 достигаются максимальное значение величины α/α=1,08 (Фиг. 2), максимальное значение величины Q/Q=1,1 (Фиг. 3), и максимальное значение величины η/η=1,055 (Фиг. 4).
Таким образом расчетные данные подтверждают, что увеличение КПД η топки с форме в поперечном сечении эллипса с установленными внутри топочного пространства поперечных ребер при коэффициенте оребрения φ≈1,32 приводит к увеличению КПД топки η по сравнению с топкой с формой в поперечном сечении эллипса с неоребренной внутри топочной поверхностью в пределах 5,5%.