Жаротрубный котел

Предложен жаротрубный котел, включающий цилиндрический водопроводящий корпус, в полости которого размещена соосная ему топка, в поперечном сечении выполненная в виде эллипса, сообщающаяся с конвективным пучком труб, причем отношение большей полуоси эллипса к малой полуоси находится в пределах /b=1,21,6. Данная конструкция позволяет уменьшить количество выбросов NO в уходящих газах в пределах 10% по сравнению с круглой топкой тем самым обеспечить наименьший уровень выбросов NO на выходе из топки. Полезная модель относиться 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. 4 илл.

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 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 развития конвективных явлений (рост числа Re) в топке при данной геометрии. Что приводит к процессам рециркуляции и уменьшению выбросов NO в соответствии с уравнением

.

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 /b=1,21,7.

Сущность технического решения поясняется чертежом, где:

на фиг.1 схематично изображен разрез предлагаемого жаротрубного котла;

на фиг.2 график зависимостей

а) отношение массовых долей NO в топке с поперечным сечением эллипс и массовых долей NO в топке с поперечным сечением круг m_NO,эл/m_NO,кр от отношения большей полуоси эллипса к малой полуоси b (/b), на котором изображен участок с минимальными отношения массовых долей NO;

б) числа Рейнольдса Re от отношения большей полуоси эллипса к малой полуоси b (/b), на котором изображен участок с максимальными числами Рейнольдса Re, где Re - безразмерная скорость;

на фиг.3 график зависимостей числа Нуссельта Nu от отношения большей полуоси эллипса к малой полуоси b (/b), на котором показан участок с максимальными числами Нуссельта Nu, где Nu - безразмерный коэффициент теплоотдачи;

на фиг.4 график зависимостей средней температуры в топке от отношения большей полуоси эллипса к малой полуоси b (/b), на котором показан участок с минимальными средними температурам.

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.

Понижение выбросов NO из топки котла достигается за счет увеличения скорости газового потока (Re), коэффициента теплоотдачи (Nu) и следовательно уменьшения средней температуры T_average газовой смеси в топке и процессам рециркуляции и уменьшению выбросов NO в соответствии с уравнением . при изменении формы профиля топки с окружности на эллипс (Росляков П.В., Закиров И.А. Нестехиометрическое сжигание природного газа и мазута на тепловых электростанциях. - М.: Изд-во МЭИ, 2001. - 144 с. - С.21-23).

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-» (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, - величина рассеивания кинетической энергии.

Основными результатами расчетов явилось определение значений температур, скоростей, концентрации реагирующих компонентов (СН ₄, O₂, N₂) 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:

NO_x=NO+NO₂ +N₂O,

Основная доля образовавшихся в продуктах сгорания паровых и водогрейных котлов NO_x (9599%) приходится на монооксид (оксид) азота NO. Диоксид NO₂ и гемиоксид N₂O азота образуются в значительно меньших количествах.

Механизм образования термических оксидов азота при соответствующих граничных и начальных условиях в трехмерной постановке решаются с использованием программы ANSYS CFX и включает следующие реакции:

О+N ₂NO+N,

N+O₂NO+O,

OH+NNO+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 (ANSYS CFX-Solver Theory Guide. ANSYS CFX Release 11.0 / ANSYS, Inc. // Southpointe 275 Technology Drive. - Canonsburg: PA 15317, 2006. - 312 p. - P.253-254):

,

,

k₃=3,0·10¹³ .

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_NO,thermal определяется выражением:

S_NO,thermal =W_NOk_thermal[O][N₂],

где k_thermal=2k₁, W_NO - молярная масса термического NO; [O], [N₂] - мольные концентрации кислорода и азота.

Исследования по сжиганию углеводородных топлив, проведенные Фенимором (ANSYS CFX-Solver Theory Guide. ANSYS CFX Release 11.0 / ANSYS, Inc. // Southpointe 275 Technology Drive. - Canonsburg: PA 15317, 2006. - 312 p. - P.253-254), 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:

CH+N₂HCN+N,

HCN+O₂NO+,

Реакции образования быстрых оксидов NO протекают достаточно энергично при температурах 12001600 К, когда образование термических оксидов азота практически не происходит.

Количество этого компонента S _{NO, prompt} определяется выражением согласно «ANSYS CFX-Solver Theory Guide. ANSYS CFX Release 11.0 / ANSYS, Inc. // Southpointe 275 Technology Drive. - Canonsburg: PA 15317, 2006. - 312 p.»:

,

k_prompt=A_prompt exp(-TA_prompt)/T._{_}

где W _NO обозначает молярную массу NO, A_prompt - число Аррениуса.

Результаты расчетов представлены на фиг.2, где изображены отношения массовых долей NO на выходе из топки и изменения числа Re при различных отношениях характерных размеров /b. На графике наблюдается, что область минимальных значений отношений массовых долей NO соответствует интервалу /b=1,21,6. Но при этих значениях /b наблюдается область максимальных значений Re, т.е. конвективные явления в топке развиты. Это приводит к процессам рециркуляции и уменьшению выбросов NO.

Таким образом предложенная конструкция позволяет уменьшить количество выбросов NO в уходящих газах в пределах до 10% по сравнению с круглой топкой тем самым обеспечить наименьший уровень выбросов No на выходе из топки

Жаротрубный котел, содержащий цилиндрический водопроводящий корпус, в полости которого размещена соосная ему топка и установленная в ней горелка, отличающийся тем, что топка имеет форму в поперечном сечении эллипс, при этом отношение массовых долей NO в топке с поперечным сечением эллипс и массовых долей NO в топке с поперечным сечением круг минимально при отношении большей полуоси эллипса к малой полуоси находится в пределах /b=1,21,6.