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 неполным сгоранием топлива и низким коэффициентом теплоотдачи в топке из-за невысоких скоростей движения газовой смеси.
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 глухой задней стенкой и размещенным на ней экраном с выполненными в ней полостями дожигания. Вокруг жаровой камеры размещены дымогарные трубы, причем входные концы их находятся в передней части котла, а выходные - в задней. Подвод и отвод воды в корпус осуществлен посредством патрубков, а нагрев ее производится с помощью горелки, закрепленной в передней части корпуса (Патент RU 60685 U1 от 31.07.2006 г.).
Недостатками известного котла является низкий КПД при неполном сгорании топлива из-за наличия возвратных течений продуктов сгорания от глухой задней стенки к передней части котла и низким коэффициентом теплоотдачи в топке из-за невысоких скоростей движения газовой смеси.
Техническая задача, решаемая в предлагаемом устройстве - создание конструкции котла, обеспечивающей наибольший КПД топки за счет более полного сгорания топлива и увеличением коэффициента теплоотдачи в топке из-за повышения скоростей движения газовой смеси без изменения характеристик горелки.
Данный технический результат достигается тем, что в жаротрубном котле, включающем цилиндрический водопроводящий корпус, в полости которого размещена соосная ему топка, которая имеет форму в поперечном сечении эллипс, сообщающаяся с конвективным пучком труб, причем отношения большей полуоси эллипса к малой полуоси находится в пределах α/b=1,2…1,7.
Сущность технического решения поясняется чертежом, где:
на Фиг.1 схематично изображен разрез предлагаемого жаротрубного котла;
на Фиг.2 график зависимостей числа Рейнольдса Re от отношения большей полуоси эллипса α к малой полуоси b (α/b), на котором изображен участок с максимальными числами Рейнольдса Re, где Re - безразмерная скорость,
на Фиг.3 график зависимостей числа Нусельта Nu от отношения большей полуоси эллипса α к малой полуоси b (α/b), на котором показан участок с максимальными числами Нуссельта Nu, где Nu - безразмерный коэффициент теплоотдачи;
на Фиг.4 представлен график зависимостей числа КПД от отношения большей полуоси эллипса α к малой полуоси a/b.
Жаротрубный котел содержит водопроводящий корпус 1, горелку 2 с топкой 3, выполненную в виде эллипса, реверсивную камеру 4 и пучок конвективных труб 5.
Котел работает следующим образом:
В топку 3, из горелки 2 направляют поток пламени. В топке происходят процессы горения. После сгорания поток продуктов сгорания поступает в реверсивную камеру 4 и затем в конвективный пучок труб 5. Часть теплоты сгорания и теплоты уходящих газов передается через разделительную стенку теплоносителю в водопроводящем корпусе 1.
Повышение КПД топки достигается за счет увеличения скорости газового потока, коэффициента теплоотдачи при изменении формы профиля топки с окружности на эллипс.
Математическое моделирование процессов, происходящих в топке газотрубного котла, осуществлялась с помощью расчетного комплекса ANSYS.
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.
В результате анализа численных решений определено, что при отношении большей полуоси эллипса α к малой полуоси b, лежащем в интервале α/b=1,2…1,7 КПД определяется формулой:
η - коэффициент полезного действия (КПД);
pacч
Q - количество теплоты, которая выделенного при сгорании топлива;
1
Q - теплота, использованная для подогрева холодной жидкости.
Δt - разница температур между газом и жидкостью,
S - площадь поверхности теплообмена,
k - коэффициент теплопередачи.
1
α - коэффициент теплоотдачи, определяемые условиями движения газа с горячей стороны,
2
α - коэффициент теплоотдачи, определяемые условиями движения жидкости с холодной стороны,
δ - толщина стенки,
λ - коэффициент теплопроводности материала стенки.
Для безразмерного коэффициента теплоотдачи Nu с горячей стороны действительно выражение:
экв
d- эквивалентный диаметр.
Для эллипса справедливо выражение:
экв
0.625
0.2
d=1.55S/P где
S - площадь поперечного сечения эллипса,
Р - периметр эллипса.
1
Таким образом с увеличением Re наблюдается рост Nu и соответственно α, что приводит к увеличению k, Q и в целом η.
Расчетные данные показали, что увеличение η топки в форме эллипса с отношением большей полуоси α к малой полуоси b лежащем в интервале 1,2…1,7 приводит к увеличению КПД по сравнению с круглой в пределах до 2%.