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. Том 2 / Пер. с англ. под ред. О.Г. Мартыненко и др. - М.: Энергоатомиздат, 1987. - 352 с.)
Недостатками данного котла является относительно высокий уровень NO в уходящем газе, обусловленный высокой температурой в зоне горения, и слабая рециркуляция газов в топке в связи с недостаточной развитостью конвективных явлений.
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 относительно высокий уровень NO в уходящем газе, обусловленный высокой температурой в зоне горения, и большим временем пребывания продуктов сгорания в зоне высоких температур.
Техническая задача, решаемая в предлагаемом устройстве - создание конструкции котла, обеспечивающей наименьший уровень выбросов NO из топки за счет снижения максимальной температуры в топке при данной геометрии.
Данный технический результат достигается тем, что в жаротрубном котле, включающем цилиндрический водопроводящий корпус, в полости которого размещена соосная ему цилиндрическая топка, сообщающаяся с конвективным пучком труб, в которой с коэффициентом оребрения δ выполнены поперечные ребра:
ор
δ=F/F≈1,12, где
ор
Р - площадь поверхности оребреннойтопки;
F -площадь поверхностинеоребреннойтопки.
Сущность технического решения поясняется чертежом, где:
на Фиг. 1 схематично изображен разрез предлагаемого жаротрубного котла;
NO.op
NO
на Фиг. 2 график зависимости отношений массовых долей NO на выходе из топки с оребренной поверхностью и массовых долей NO на выходе из топки с неоребренной поверхностью m/m от коэффициента оребрения, на котором изображен участок с минимальными отношениями массовых долей NO;
max
на Фиг. 3 график зависимости максимальной температуры в топке от коэффициента оребрения, на котором изображен участок с минимальными температурами T.
на Фиг. 4 график зависимости критерия Рейнольдса Re от коэффициента оребрения, на котором изображен участок с минимальными значениями критерия Рейнольдса.
Жаротрубный котел содержит корпус 2, заполненный жидкостью, горелку 1 с жаровой камерой, далее «топка» 3, внутри которой выполнены поперечные ребра 4 с коэффициентом оребрения δ, реверсивную камеру 5 и пучок конвективных труб 6. Ребра 4 получены в результате литья.
Коэффициент оребрения δ равен:
op
F - площадь поверхности оребренной топки;
F -площадь поверхностинеоребреннойтопки.
Жаротрубный котел работает следующим образом. В топку 3 из горелки 1 направляют поток топливовоздушной смеси. В топке происходят процессы горения. Далее поток продуктов сгорания поступает в реверсивную камеру 5 и затем в конвективный пучок труб 6. Часть теплоты, выделившейся при сгорании, передается через оребренную разделительную стенку теплоносителю в корпусе 2. Площадь поверхности оребренной топки и площадь поверхности неоребренной топки находим по формулам:
ор
p
р
2
2
F=πD(L-Δn)+πdΔn+nπ(D-d)/2,
F=πDL, где
D - диаметр топки [Определение коэффициента теплопередачи через гладкую и оребренную трубы / В.В. Бухмиров, Д.В. Ракутина. - Иваново: УИУНЛ ИГЭУ, 2010. - С 11-12.]);
d - диаметр по вершинам ребер;
n - число ребер;
p
p
Δ - толщина ребра (Δ=τ/2, τ - шаг ребер);
L - длина топки.
max
Понижение выбросов NO из топки котла достигается за счет уменьшения максимальной температуры T газовой смеси в топке процессами рециркуляции в соответствии с уравнением , а также снижения критерия Рейнольдса из-за влияния пристеночных эффектов при использовании внутреннего оребрения топки. (Росляков П.В., Закиров И.А. Нестехиометрическое сжигание природного газа и мазута на тепловых электростанциях. - М.: Изд-во МЭИ, 2001. - 144 с).
Математическое моделирование процессов, происходящих в топке газотрубного котла, осуществлялась с помощью расчетного комплекса АШУ8.
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.
4
2
2
Основными результатами расчетов явилось определение значений температур, скоростей, концентрации реагирующих компонентов (CH, O, N) и состава продуктов сгорания. В том числе и концентрации соединений азота с кислородом.
При сжигании органических топлив в топках котлов азот, содержащийся в топливе и воздухе, взаимодействуя с кислородом, образует оксиды:
x
2
2
x
2
2
NO=NO+NO+NO. Основная доля образовавшихся в продуктах сгорания паровых и водогрейных котлов NO (95…99%) приходится на монооксид (оксид) азота NO. Диоксид NO и гемиоксид NO азота образуются в значительно меньших количествах.
Механизм образования термических оксидов азота при соответствующих граничных и начальных условиях в трехмерной постановке решаются с использованием программы ANSYSCFX и включает следующие реакции:
2
O+N→NO+N;
2
N+O→NO+O;
OH+N→NO+H.
Концентрация термических NO интенсивно возрастает от начала зоны горения и достигает наибольших значений непосредственно за зоной максимальных температур. Далее по длине факела концентрация оксидов азота практически не изменяется. Выражения для констант скоростей k каждой из трех реакций выглядят следующим образом (ANSYSCFX-SolverTheoryGuide. ANSYS CFX Release 11.0 / ANSYS, Inc. // Southpointe 275 Technology Drive. - Canonsburg: PA 15317, 2006. - 312 р.):
,
,
3
13
k=3,0·10.
NO,thermal
Образование термического NO определяет следующие основные факторы: температура в зоне горения, коэффициент избытка воздуха и время пребывания продуктов сгорания в зоне высоких температур. Количество этого компонента S определяется выражением:
NO,thermal
NO
thermal
2
S=Wk[O][N], где
thermal
1
NO
k=2k, W - молярная масса термического NO;
2
[O], [N] - мольные концентрации кислорода и азота.
Исследования по сжиганию углеводородных топлив, проведенные Фенимором (ANSYSCFX-SolverTheoryGuide. ANSYSCFXRelease 11.0 / ANSYS, Inc. // Southpointe 275 TechnologyDrive. - Canonsburg: PA 15317, 2006. - 312 р.), показали, что во фронте пламени за весьма короткий промежуток времени происходит образование оксидов азота по механизму, отличному от предложенного Я.Б. Зельдовичем. Обнаруженный оксид азота был назван быстрым из-за достаточно большой скорости его образования в корневой части факела. При этом вблизи зоны горения наблюдались значительные количества цианида водорода HCN, что объясняется реагированием молекулярного азота с углеводородными радикалами:
2
CH+N→HCN+N,
2
HCN+O→NO+…
Реакции образования быстрых оксидов NO протекают достаточно энергично при температурах 1200…1600 К, когда образование термических оксидов азота практически не происходит.
NO
prompt
Количество этого компонента S, определяется выражением согласно «ANSYSCFX-SolverTheoryGuide. ANSYS CFX Release 11.0 / ANSYS, Inc. // Southpointe 275 Technology Drive. - Canondburg: PA 15317, 2006. - 312 р.»:
,
prompt
prompt
prompt
k=Aexp(-TA)/T, где
NO
W обозначает молярную массу NO,
prompt
A - число Аррениуса.
max
Результаты расчетов представлены на Фиг. 2, где изображены отношения массовых долей NO на выходе из топки. На графике наблюдается, что область минимальных значений отношений массовых долей NO соответствует интервалу δ=1,1…1,2. Но при этих значениях 6 наблюдается область минимальных значений T, которые достигаются из-за снижения значений критерия Рейнольдса, обусловленных влиянием пристеночных эффектов и снижением турбулентной скорости распространения пламени в соответствии с выражением «Теория горения и взрыва: сб. лекций. В 2 ч. Ч. 1 / В.Д. Катин. - 2-е изд., перераб. и доп. - Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 2013.-90 с»:
, где
T
U - турбулентная скорость распространения пламени;
H
U - нормальная скорость распространения пламени;
Г
d - диаметр огневого канала горелки.
ор
ор
Приведенные расчеты были подтверждены экспериментально и показывают, что жаротрубный котел, содержащий цилиндрический водопроводящий корпус, в полости которого размещена соосная цилиндрическая топка, выполненная с поперечными ребрами, с коэффициентом оребрения δ: δ=F/F≈1,12, где F - площадь поверхности оребренной топки; F - площадь поверхности неоребренной топки и с установленной в ней горелкой, позволяет уменьшить концентрацию NO в уходящих газах в пределах 50% по сравнению с круглой неоребренной топкой и обеспечить наименьший уровень выбросов NO на выходе из топки.