Жаротрубный котел

Предложен жаротрубный котел, содержащий топку с горелкой, топка выполнена в форме в поперечном сечении эллипс, внутри топочного пространства которой выполнены поперечные ребра с коэффициентом оребрения :

=F_ор/F1,32,

F_op - площадь оребренной поверхности топки;

F - площадь внутренней гладкой поверхности оребренной трубы.

КПД топки определяют формулой:

=Q₁/Q_расч,

где Q ₁ - теплота, использованная для подогрева холодной жидкости

Q₁=Q_C+Q_R,

Q_C - теплота, переданная конвекцией

Q_C=TS, где

T=Т₁-Т₂:

T₁ - температура газа в топке;

T₂ - температура стенки топки;

Q_R - теплота, переданная излучением, определенная вероятностным методом Монте-Карло;

Q_расч - количество теплоты, выделенного при сгорании топлива, которая определяется по объемному составу, %, и известной теплоте сгорания компонентов (низшая теплота сгорания).

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. Расчетные данные подтверждают, что увеличение КПД топки с форме в поперечном сечении эллипса с установленными внутри топочного пространства поперечных ребер при коэффициенте оребрения 1,32 приводит к увеличению КПД топки по сравнению с топкой с формой в поперечном сечении эллипса с неоребренной внутри топочной поверхностью в пределах 5,5%. 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 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 :

=F_ор/F1,32, где

F_ор - 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;

на Фиг. 2 - график зависимостей отношений коэффициента теплоотдачи оребренной _{оребренная} к неоребренной _эллипс поверхностям топки от коэффициента оребрения , на котором показан участок с максимальными _{оребренная}/_эллипс при разных числах Re;

на Фиг. 3 - график зависимостей отношений количества теплоты, переданной от газа к стенке за счет молекулярной теплопроводности, конвекции и излучения, оребренной Q_{оребренная} к неоребренной Q_эллипс поверхности топки от коэффициента оребрения , на котором показан участок с максимальными Q_{оребренная} /Q_эллипс при разных числах Re;

на Фиг. 4 - график зависимостей отношений коэффициента полезного действия оребренной тибренная к неоребренной _эллипс поверхности топки от коэффициента оребрения , на котором показан участок с максимальными _{оребренная}/_эллипс 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 , 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- (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.

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:

d_Э=l,55S ^0,625/P^0,2,

где S - площадь поперечного сечения топки в форме эллипса;

P - периметр поперечного сечения топки в форме эллипса.

S=ab,

Р=2((a²+b²)/2)^1/2,

где =3,1415 рад,

a - большая полуось;

b - малая полуось.

Коэффициент оребрения равен:

F_op - площадь оребренной поверхности топки;

F - площадь внутренней гладкой поверхности оребренной трубы.

,

F=d_ЭL

где d_Э - внутренний эквивалентный диаметр оребренной трубы (где a=a _D - внутренняя большая полуось оребренной трубы (Фиг. 2.), b=b_D - 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.]);

d_Эр - эквивалентный диаметр ребра (где а-а_d - большая полуось ребра (Фиг. 2.), b=b_d - малая полуось ребра (Фиг. 2.));

n - число ребер;

- толщина ребра (_p=/2, - 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 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 топки определяют формулой:

где Q₁ - теплота, использованная для подогрева холодной жидкости.

Q_С - теплота, переданная конвекцией.

где, T=Т₁-T₂,

T₁ - температура газа в топке,

T₂ - температура стенки топки;

Q_R - 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);

Q_расч - количество теплоты, (сухой газ) выделенного при сгорании топлива определяется по объемному составу, %, и известной теплоте сгорания компонентов (низшая теплота сгорания):

Q_расч =358CH₄+640C₂H₆+915C₃ H₈+1190C₄Н₁₀+1465С₅ Н₁₂+126,5CO+107,5H₂+234H₂S.

В случае оребренной поверхности:

Q _{оребренная}=Q₁, _{оребренная}=, _{оребренная}=, где

Q_{оребренная} - теплота, использованная для подогрева холодной жидкости в топке с формой в поперечном сечении эллипс и поперечным оребрением;

_{оребренная} - коэффициент теплоотдачи, определяемые условиями движения газа в топке с формой в поперечном сечении эллипс и внутренним поперечным оребрением;

_{оребренная} - коэффициент полезного действия КПД топки с формой в поперечном сечении эллипс и поперечным оребрением.

В случае неоребренной поверхности Q_эллипс =Q₁, _эллипс=, _эллипс=, где

Q_эллипс - теплота, использованная для подогрева холодной жидкости в топке с формой в поперечном сечении эллипс без оребрения;

_эллипс - коэффициент теплоотдачи, определяемые условиями движения газа в топке с формой в поперечном сечении эллипс без оребрения;

_эллипс - коэффициент полезного действия КПД топки с формой в поперечном сечении эллипс без оребрения.

В результате анализа численных решений, используя вышеприведенные формулы, определено, что при n=6, =167 мм, a_D·=520 мм b_D =400 мм a_d·=440 мм, b_d=320 мм коэффициент оребрения 1,32 соответствует точкам с максимальными значениями величин _{оребренная}/_эллипс, Q_{оребренная}/Q_эллипс , _{оребренная}/_эллипс при разных Re.

при Re=10000 и коэффициенте оребрения 1,32 достигаются максимальное значение величины _{оребренная}/_эллипс=1,08 (Фиг. 2), максимальное значение величины Q_{оребренная}/Q_эллипс=1,1 (Фиг. 3), и максимальное значение величины _{оребренная}/_эллипс=1,055 (Фиг. 4).

Таким образом расчетные данные подтверждают, что увеличение КПД топки с форме в поперечном сечении эллипса с установленными внутри топочного пространства поперечных ребер при коэффициенте оребрения 1,32 приводит к увеличению КПД топки по сравнению с топкой с формой в поперечном сечении эллипса с неоребренной внутри топочной поверхностью в пределах 5,5%.

Жаротрубный котел, содержащий цилиндрический водопроводящий корпус, в полости которого размещена соосная ему топка и установлена в ней горелка, причем топка имеет в поперечном сечении форму эллипса, отличающийся тем, что в топке выполнены поперечные ребра с коэффициентом оребрения :

=F_op/F?1,32,

F_op - площадь оребренной поверхности топки;

F - площадь внутренней гладкой поверхности оребренной трубы.

РИСУНКИ