Високоефективні жаротрубні теплогенеруючі установки для локальних систем теплопостачання з газопальниковими пристроями, які регулюються

Размещено на http://www.allbest.ru/

Донбаська національна академія будівництва і архітектури

УДК 697.32

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Високоефективні жаротрубні теплогенеруючі установки для локальних систем теплопостачання з газопальниковими пристроями, які регулюються

05.23.03 - Вентиляція, освітлення та теплогазопостачання

Фльор Мирон Зіновійович

Макіївка - 2005

Дисертація є рукописом. газ аеродинамічний водогрійний

Роботу виконано в Донбаській національній академії будівництва і архітектури Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Губар Валентин Федорович, Донбаська національна академія будівництва і архітектури, завідувач кафедри теплотехніки, теплогазопостачання та вентиляції.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Соколов Володимир Ілліч, Східноукраїнський національний університет ім. В.Даля, кафедра гідрогазодинаміки (м. Луганськ);

кандидат технічних наук, професор Шишко Геннадій Григорович, Київський національний університет будівництва і архітектури, завідувач кафедри енергоресурсозбереження.

Провідна установа: Харківська національна академія міського господарства Міністерства освіти і науки України, кафедра експлуатації газових і теплових мереж.

Захист відбудеться 14 квітня 2005 року о 10 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 12.085.01 Донбаської національної академії будівництва і архітектури за адресою: 86123, Донецька обл., м. Макіївка, вул. Державіна, 2, перший учбовий корпус, зала засідань.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Донбаської державної академії будівництва і архітектури (86123, Донецька обл., м. Макіївка, вул. Державіна, 2).

Автореферат розіслано _____ березня 2005р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Югов А.М.

Загальна характеристика роботи

Актуальність роботи. В умовах безперервного зростання споживання енергоресурсів і збільшення вартості органічного палива виявляється неухильна тенденція щодо економії енергоносіїв, задачею якої є розробка і реалізація програми енергозбереження і перетворення ресурсозбереження у вирішальне джерело задоволення потреб промисловості і комунальної енергетики, що зростають.

Сучасний період розвитку житлово-комунальної енергетики можна вважати етапом, багато в чому зумовлюючим напрями її подальшого розвитку на багато років і навіть десятиріччя. Реалізація цієї стратегії ґрунтується на науковому забезпеченні проблеми ефективного використовування палива і енергії. При цьому енергозберігаючі технології розглядаються як напрям пріоритетного розвитку енергетичної сфери, зниження техногенного навантаження на навколишнє середовище і як один з шляхів підвищення конкурентоспроможності національної економіки.

Розв'язання багатьох проблем і задач в цьому напрямку може бути досягнуте шляхом відмови від створення традиційних крупних систем теплопостачання і переходу до нових систем помірної і невеликої одиничної потужності, а також до розукрупнення, у ряді випадків, існуючих крупних систем. У зв'язку з цим більш широке застосування повинні отримати системи децентралізованого теплопостачання від локальних котелень, головним чином, з використанням газових модулів з одиничною потужністю від 0,1 до 3,5 МВт.

У зв'язку з цим актуальною є розробка високоефективних теплогенераторів малої потужності для локального теплопостачання, які комплектуються короткополум'яними газопальниковими пристроями, що регулюються за потужністю і відповідними витратами повітря з надійною стабілізацією процесу горіння.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Основні дослідження теоретичного та прикладного характеру виконувалися відповідно до Комплексної державної Програми енергозбереження України, пункта 4 "Екологічно чиста енергетика і ресурсозберігаючі технології" "Концепції пріоритетних напрямів науки і техніки", прийнятої ухвалою Кабінету Міністрів України від 22.06.1994р. №429, Програмою енергозбереження в житлово-цивільному будівництві, Галузевою Програмою енергозбереження в житлово-комунальному господарстві, Програмою "Донбас - 2020" в рамках держбюджетної науково-дослідної теми за завданням Міністерства освіти і науки України "Створення теоретичних та технологічних засад розробки систем автономного теплопостачання" (№ держ. реєстрації 0103U000585) (2003-2005 р.р.); держбюджетної науково-дослідної теми К3-08-01 "Розробка і удосконалення екологічних процесів утилізації теплоти і використання нетрадиційних джерел енергії" (№ держ. реєстрації 0102U002850) (2001-2004 р.р.) і госпдоговірної науково-дослідної теми 102-02 "Екотер" "Дослідження теплотехнічних характеристик жаротрубних теплогенераторів" (№ держ. реєстрації 0102U002852) (2002-2003 р.р.).

Мета дисертаційної роботи полягає в науковому й експериментальному обґрунтуванні енергозберігаючих технологій спалювання природного газу в водогрійних жаротрубних котлоагрегатах та вдосконаленні на цих основах конструкцій теплогенеруючих установок та їх газопальникових пристроїв.

Задачі дослідження:

сформулювати теоретичні положення щодо виявлення і кількісної оцінки факторів, які визначаються організацією в пальникових пристроях процесів спалювання природного газу і направлені на інтенсифікацію теплообміну між факелом й циліндричною водоохолоджувальною топковою камерою жаротрубних теплогенераторів;

провести теоретичний аналіз аеродинамічних і теплових процесів при спалюванні природного газу в жаротрубних теплогенераторах;

визначити закономірності розподілу температур продуктів згоряння у факелі при аеродинамічній обстановці, що змінюється, в циліндричній топковій камері;

дослідити індивідуальний й комплексний вплив геометричних параметрів пальника і режимних факторів організації процесу спалювання природного газу на теплосприйняття у топковій камері;

розробити конструкції пальників для спалювання природного газу в циліндричних топкових камерах з надійною стабілізацією процесу горіння і регулювання попереднього змішання палива з повітрям й витрати останнього у оптимальних межах, що забезпечують ефективне конструктивне виконання камери згоряння і можливість мінімізації викидів шкідливих інгредієнтів з продуктами спалювання палива;

розробити конструкції високоефективних, маневрених, автоматизованих, простих у виготовленні теплогенераторів продуктивністю 1,60 МВт для локального теплопостачання;

провести сертифікаційні випробування розроблених газових пальників і теплогенераторів, що підтверджують ефективність їх роботи, й здійснити упровадження на теплопостачальних підприємствах України.

Об'єктом дослідження в дисертаційній роботі є комбіновані системи, котрі включають жаротрубні теплогенератори та газові пальники, які регулюються.

Предметом дослідження є теплові та аеродинамічні процеси в елементах жаротрубних теплогенераторів та їх вплив на експлуатаційні характеристики об'єкту дослідження.

Методи дослідження. Використані аналітичні й експериментальні методи, які базуються на законах фізичної аеродинаміки, теорії горіння, тепломасообміну і фізичного моделювання. Експериментальні дослідження виконані на базі методики планування експериментів на дослідно-промисловому вогняному стенді із застосуванням сучасної високоточної вимірювальної апаратури. При статистичній обробці експериментального матеріалу оцінка значимості коефіцієнтів рівнянь регресії проводилася за критерієм Стьюдента. Перевірка адекватності математичної моделі виконана за критерієм Фішера при довірчій імовірності 0,95.

Наукова новизна отриманих результатів:

теоретично й експериментально виявлені та обґрунтовані конструкційні характеристики газопальникових пристроїв жаротрубних теплогенераторів та параметри топкового процесу, що впливають на інтенсивність теплообміну у циліндричній камері згоряння;

отримано нові експериментальні дані щодо залежності температурних характеристик факелу та його довжини від параметрів роботи газопальникових пристроїв;

на основі експериментальних досліджень отримано математичну модель, що описує залежність коефіцієнта інтегрального теплопереносу у топковій камері жаротрубних теплогенераторів від відносного діаметра пальника на виході паливно-повітряної суміші, коефіцієнта надлишку повітря, ступеню змішання природного газу з повітрям та відносного теплового напруження об'єму топки;

розроблено спосіб регулювання пропорціоналізатором витрати повітря та природного газу відповідно до заданих значень коефіцієнта надлишку повітря та теплової потужності котла.

Практичне значення отриманих результатів:

розроблені, сертифіковані і упроваджені на об'єктах комунального господарства України в кількості більш ніж 130 штук жаротрубні водогрійні теплогенератори нової конструкції, що відрізняються високою енергоекологічною ефективністю (КПД складає 94%, викиди оксидів азоту в 3 рази менше від нормативних), простотою виготовлення повної заводської готовності, газощільністю та маневреними якостями;

розроблені, сертифіковані і упроваджені при комплектації жаротрубних теплогенераторів потужністю 1,60 МВт автоматизовані з плавним регулюванням теплової потужності та витрати повітря блочні газові пальники ГБГ-2,5;

розроблений пристрій пропорціоналізатора, який забезпечує постійність заданого технологічними умовами значення коефіцієнта надлишку повітря при змінному тепловому навантаженні котлоагрегата;

здійснено упровадження розроблених жаротрубних теплогенераторів з регулювальними газовими пальниками типу ГБГ-2,5, на підприємствах ОКП "Донецьктеплокомуненерго" з річним економічним ефектом більш ніж 2,5 млн. грн.

Особистий внесок здобувача. Всі основні результати досліджень отримано здобувачем самостійно. Особистий внесок здобувача полягає у:

постановці задач по всіх розділах дисертаційної роботи;

розробці методик досліджень, наведених в дисертації;

безпосередній участі у проведенні стендових та промислових досліджень;

математичній обробці результатів експериментальних досліджень;

систематизації і науковому аналізі отриманих результатів;

розробці жаротрубного теплогенератора КВ-ГМ-1,6-95СН та газового пальника ГБГ-2,5.

Апробація роботи. Основні результати дисертаційної роботи повідомлено і обговорено на науково-практичній конференції "Донбас-2020 "Охорона навколишнього середовища й екологічна безпека" (м. Донецьк, 2001 р.); на міжнародних науково-технічних конференціях "Регіональні проблеми енергозбереження у децентралізованій теплоенергетиці" (м. Київ, 2000 р.), "Актуальні проблеми механіки суцільних середовищ" (м. Мелекіно, 2002 р.), "Енергозбереження, безпека, екологія в промисловості і комунальній сфері" (м. Ялта, 2003 р.), "Екологія промислових регіонів" (м. Горлівка, 2004 р.).

У повному обсязі результати і висновки дисертаційної роботи доповідалися на розширеному засіданні кафедри теплотехніки, теплогазопостачання і вентиляції ДонНАБА (2004 р.).

Публікації. За матеріалами дисертаційної роботи опубліковано 8 статей у наукових журналах і збірниках, з яких 1 роботу опубліковано без співавторів.

Структура й обсяг роботи. Дисертаційна робота містить вступ, п'ять розділів, висновки, список використаної літератури з 180 найменувань на 17 сторінках і п'ять додатків на 67 сторінках. Має 121 сторінку основного тексту, 59 малюнків, 9 таблиць.

Основний зміст роботи

У вступі надано загальну характеристику та показано актуальність і новизну роботи, обґрунтовано вибір об'єкта і предмета досліджень, сформульовано мету й задачі досліджень.

Перший розділ є оглядом стану науково-технічної проблеми, особливо детально у ньому розглянуті питання розвитку локальних систем теплопостачання, використовування в них жаротрубних теплогенераторів і проаналізовано газопальникові пристрої, що використовуються у котлоагрегатах малої потужності.

Перспективам застосування локальних систем теплопостачання присвячені дослідження М.Д. Андрійчука, В.М. Братенкова, С.Н. Булгакова, В.Ф. Губара, А.А. Долінського, І.М. Карпа, Е.Е. Клюшниченка, В.А. Макаренка, А.А. Макарова, Н.М. Мхитаряна, О.Ф. Редька, В.І. Соколова, А.А. Худенка, С.А. Чистовича та ін.

Одним з ефективних типів теплогенераторів, що застосовуються у котельних локальних систем теплопостачання, є жаротрубні котли потужністю від 0,5 до 3,5 МВт, відмітною особливістю конструкції яких є використовування жарової топки циліндричної форми, а в конвективній частині - димогарних труб. Ці теплогенератори характеризуються високою тепловою ефективністю, простотою виготовлення, маневреністю в експлуатації і можливістю значного зниження викидів шкідливих інгредієнтів з продуктами згоряння. Дослідження сучасних жаротрубних теплогенераторів, питання їх розробки і аналізу розглянуто у публікаціях А.К. Абрамова, А.Н. Воликова, В.Ф. Губара, Н.Н. Литвиненка, О.В. Лук'янова, Г.С. Марченка та ін.

Зниження витрат палива, підвищення теплової ефективності котлоагрегатів та зменшення шкідливих викидів з продуктами згоряння забезпечується розробкою газопальникових пристроїв, що оптимально адаптовані до відповідного типу котлів. Конструкції газопальникових пристроїв котельних установок, аналіз процесів вигоряння палива і дослідження з визначення довжини турбулентного факелу наведені в роботах Г.Н. Абрамовича, С.І. Аверіна, Р.Б. Ахмедова, А.Н. Воликова, П.М. Еніна, Ю.В. Іванова, А.С. Іссерліна, І.І. Капцова, Л.А. Клячка, І.Д. Семікіна, І.Я. Сігала, В.А. Спейшера, Н.Л. Стаськевича, В.М. Чепеля, Г.Г. Шишка, І.А. Шур, L.E. Albright, P. Maier, L.D. Nochols, H.C. Hottel та ін.

Наявність в жаротрубних теплогенераторах циліндричної топкової камери ставить особливі вимоги до газопальникових пристроїв. Виникає проблема забезпечення повного згоряння палива, високої інтенсивності тепловіддачі факела на невеликій його довжині і малій генерації шкідливих компонентів. Дана проблема пов'язана з рішенням наукових питань, направлених на розробку пальників, що забезпечують ефективне і екологічне спалювання газу при низькому значенні коефіцієнта надлишку повітря і змінної теплової потужності.

Дослідженнями, проведеними в процесі випробувань та доводки різних пальникових пристроїв на вогняних стендах і теплогенераторах, встановлено, що горіння в камері згоряння доцільно оцінювати за параметром, який визначає якість змішання газу з повітрям. Теорія змішання, яка розроблена Г.Н. Абрамовичем, передбачає знаходження коефіцієнта турбулентності дифузії і визначення довжини камери змішання як відстані до перерізу, в якому досягається необхідний рівень неоднорідності неусередненої або пульсаційної концентрації домішки. Експериментальні дослідження, проведені з метою вивчення параметрів факела залежно від якості змішання газу з повітрям в пальнику, носять суперечливий характер. Це обумовлено, з одного боку, відсутністю даних, що дозволяють провести оцінку якості змішання газу з повітрям в пальниках, а, з другого боку, в дослідженнях з експериментально визначеними значеннями параметрів, що характеризують якість змішання, не встановлені умови найефективнішого спалювання газу.

Проведений аналіз джерел інформації і стану проблеми дозволяє констатувати, що, враховуючи перспективність переходу до систем теплопостачання помірної і невеликої одиничної потужності, а також до розукрупнення, у ряді випадків, існуючих крупних систем, гостро стоїть питання розробки оптимальних за конструкційними параметрами типів жаротрубних теплогенераторів потужністю 0,5-3,5 МВт, що комплектуються високоефективними газопальниковими регулювальними пристроями, які працюють в автоматичному режимі.

На основі виконаного аналізу теоретичних й експериментальних робіт за темою дисертації сформульована мета та визначені задачі досліджень.

Другий розділ присвячений аналізу аеродинамічних і теплових процесів при спалюванні природного газу в циліндричних топках жаротрубних теплогенераторів. Для пальників в жаротрубних теплогенераторах характерний симетричний і рівномірний розподіл газу в повітряному потоці, у зв'язку з чим основні характеристики факела розглянуто на базі вивчення аеродинаміки топкових пристроїв і принципів регулювання процесу горіння газу у камерах згоряння невеликого розміру, а також аналізу рівнянь витрачання метану, кисню і утворення СО2.

У жаротрубних теплогенераторах малої потужності немає необхідності високого ступеня закрутки потоку, оскільки при невеликій закрутці забезпечуються необхідна теплонапруженість топкового об'єму і навантаження котла без виходу продуктів неповного горіння та із зменшенням інтенсивності утворення шкідливих компонентів. У цьому випадку застосування прямоточних пальників дозволяє знизити витрати на електроенергію в результаті зменшення потужності електродвигуна вентилятора, що подає повітря на горіння. У прямоточних пальниках можна ефективно використовувати дифузійний спосіб регулювання, який полягає в зміні розподілу концентрацій палива у повітряному потоці, що потім визначає розподіл концентрацій реагуючих речовин у факелі і інтенсивність їх вигоряння.

Процес змішання паливоповітряної суміші багато в чому визначається аеродинамікою потоків повітря і газу. Для аналізу процесів змішання в газопальникових пристроях використовували закономірності вільних затоплених струменів. В затопленому вільному струмені унаслідок сталості статичного тиску імпульс зовнішніх сил дорівнює нулю, а кількість руху секундної маси у всіх перерізах є постійною величиною. Вільний струмінь має у всіх перерізах її основної ділянки універсальний профіль швидкостей, тобто спостерігається подібність швидкісних полів: wo/wx=f(r/R), де, wo - швидкість у вихідному перерізі; wx - швидкість на осі у даному перерізі; r - відстань від даної точки до осі; R - радіус зовнішньої межі струменя у даному перерізі.

Поле температур у затопленому вільному струмені не співпадає з полем швидкостей і описується залежністю професора В.І. Полушкіна:

(Т-Т окр)/ (Тx-Токр) = w/ wх(1+Рr), (1)

де (Т-Токр) - надмірна температура у даній точці;

Tx - Токр - надмірна температура на осі струменя у даному перерізі;

Pr = 0,5..0,75 (число Прандтля).

Про якість перемішування необхідно судити по концентраційних полях, що вимагає виконання великої кількості газових аналізів. Це є можливим при застосуванні сучасних автоматичних газоаналізаторів, наведених в розділі 3.

Сучасний аналіз рівняння енергії і рівнянь витрачання при горінні метану і кисню дозволив визначити фактори, що впливають на розподіл температури і швидкості газового потоку по перерізу і довжині факела, до яких відносяться: теплова напруга об'єму топкового простору, швидкість виходу газоповітряної суміші з пальника, коефіцієнт надлишку повітря і неповнота змішання газу з повітрям.

У третьому розділі відповідно до теорії планування експериментів розроблена блок - схема досліджень, яка наведена на рис.1.

Як план експерименту вибраний ортогональний план другого порядку, що забезпечує рівність нулю всіх коваріацій між коефіцієнтами в рівнянні регресії і щонайвищу точність поблизу центра плану з наступними факторами, що варіюються: відносний діаметр пальника, Х1=dГ/dТ, у межах від 0,2 до 1,0; відносна теплова напруга об'єму топки, Х2=, в межах від 0,2 до 1,0; коефіцієнт надлишку повітря, Х3=бТ, в межах від 1,05 до 1,45; ступінь неповноти змішання газу з повітрям, Х4=о, в межах від 0 до 0,8.

Експериментальні дослідження виконані на дослідно-промисловому стенді, виготовленому відповідно до вимог теорії моделювання.

Аналіз продуктів згорання, визначення неповноти змішання газу з повітрям і коефіцієнта надлишку повітря, вимірювання температури факела і швидкості газів проводили, використовуючи електронні газоаналізатори-оптимізатори процесів горіння "EcoLine Plus та "Uni Gas 3000" виробництва фірми "Eurotron Italiana S.r.I.", що характеризуються дуже малою погрішністю вимірювань (концентрації газових компонентів - ±4%, температури газів - ±0,3оС, швидкості газів ±0,1 м/с, коефіцієнта надлишку повітря ±0,01).

Для отримання достовірних експериментальних даних зроблено метрологічний аналіз виконання експериментів; результати експериментів оброблялися методами математичної статистики з довірчою вірогідністю 0,95.

В четвертому розділі наводяться результати досліджень впливу на теплофізичні характеристики факела в циліндричній топці та його тепловіддачу геометричних і режимних параметрів газопальникових і топкових пристроїв.

Інтенсивність згоряння газу у значній мірі залежить від неповноти змішання газу з повітрям (о) (рис. 2). При о у межах від 0 до 0,20 газ повністю згорає на ділянці топки, що не перевищує =14 калібрів устя пальника, а збільшення о до 0,80 затягує процес горіння метану до =25 і лімітуючою реакцією при цьому є окислення СО у СО2. Для усіх значень неповноти змішання залежність довжини факела від коефіцієнта надлишку повітря має прямолінійний вигляд зі зменшенням при зростанні бТ. Вплив швидкості виходу газоповітряної суміші з пальника на довжину факела має змінний характер. Незалежно від ступеня змішання і коефіцієнта надлишку повітря із збільшенням швидкості потоку від 5 до 9 м/с довжина факелу збільшується пропорційно збільшенню швидкості газоповітряної суміші, а потім потік турбулізується та інтенсифікуються процеси перенесення в ньому, що приводить спочатку до різкого скорочення довжини факела з подальшою її стабілізацією. Останнє можна пояснити тим, що приріст довжини факела за рахунок зростання швидкості витікання нівелюється збільшенням інтенсивності процесів перенесення компонентів суміші в потоці.

Таким чином, проведені дослідження показали, що, варіюючи неповнотою змішання газу з повітрям у пальнику, коефіцієнтом надлишку повітря і швидкістю виходу газоповітряної суміші з пальника, є можливим при заданій тепловій потужності котла регулювати в істотних межах довжину факела в циліндричних топках жаротрубних теплогенераторів. Це дозволяє встановити оптимальну довжину топки при створенні теплогенератора і визначитися з теплотехнічними параметрами роботи теплогенераторів, що забезпечують мінімальний викид оксидів азоту.

Неповнота змішання газу з повітрям у пальнику суттєво визначає значення температури газів, характер її розподілу уздовж осі та в поперечних перерізах факела. При зміні о від 0 до 0,8 залежність температури факела по його довжині має однаковий екстремальний характер для різних значень о (рис.3). Спостерігається зменшення максимуму температури і його зміщення по довжині камери згоряння від устя пальника із збільшенням о. Це положення узгоджується з характером вигоряння природного газу по довжині факела залежно від о (рис.2). Температура продуктів згоряння в кінці топки знижується при поліпшенні умов згоряння до о=0,10, а при зменшенні о нижче від 0,1 спостерігається її підвищення. Це обумовлено погіршенням радіаційних властивостей факела і зменшенням від цього коефіцієнта тепловіддачі. При о<0,2 на ділянці факела довжиною менше від 10 діаметрів устя пальника вигорає близько 95% природного газу.

На підставі проведених досліджень закономірностей зміни температури і інтенсивності тепловіддачі факела в циліндричній топковій камері залежно від якості змішання газу з повітрям можна зробити висновок, що полягає в наявності оптимального значення цього параметра, при якому повне й рівномірне згоряння природного газу відбувається в межах топкової камери, а тепловіддача від факела має максимальне значення. При тепловій продуктивності теплогенераторів у межах від 0,4 до 3,2 МВт оптимальне значення характеристики газоповітряної суміші на зрізі пальника знаходиться на рівні 0,2.

Дослідження зональних теплових потоків (qi) показало складну закономірність їх зміни по довжині камери згоряння.

При розподіленому введенні паливно-повітряної суміші (dГ/dТ=0,8...1,0) максимальне теплосприйняття поверхнею топки має місце у зоні горіння з різким зменшенням у першій половині топки. Питомий тепловий потік на цій ділянці зменшується приблизно у 3 рази, а на довжині камери згоряння, що залишилася, практично не змінюється. Чим нижче теплові напруги об'єму топки і менше коефіцієнт надлишку повітря, тим це співвідношення більше і досягає 4. Зміна коефіцієнта надлишку повітря найбільш сильно позначається на початковій ділянці камери згоряння, і чим вище теплонапруженість об'єму топки, тим цей вплив виявляється більш значно. У другій половині топкової камери зміна бТ на теплосприйняття поверхні суттєвого впливу не надає.

Перерозподіл зональних теплових потоків, що спостерігається по довжині камери згоряння, пов'язаний із зміною гідродинамічної обстановки при зміні умов введення газоповітряної суміші, внаслідок чого інтенсифікується конвективна складова в сумарному процесі перенесення теплоти. В камері згоряння утворюються периферійні рециркуляційні потоки гарячих продуктів згоряння і збільшується їх турбулізація у другій половині топки. Чим менше відносний діаметр пальника, тим підвищені значення зональних питомих теплових потоків зміщуються в напрямі від початку факела. При зменшенні відносного діаметра пальника менше за 0,6 відбувається збільшення геометричних розмірів периферійних зон рециркуляції, інтенсивне охолоджування рециркулюючих потоків водоохолоджувальною стінкою камери згоряння, внаслідок чого суттєво зменшуються зональні питомі теплові потоки на початковій ділянці топки.

Величина теплової напруги об'єму топки і значення коефіцієнта надлишку повітря при незмінних умовах введення в камеру згоряння газоповітряної суміші (dГ/dТ=соnst) визначають тільки рівень теплових потоків і не виявляються на місцеположенні максимуму питомого теплосприйняття по довжині камери згоряння. Це місцеположення максимуму закономірно зміщується із зменшенням відношення dГ/dТ в напрямі від пальника.

Кореляційний аналіз дослідних даних дозволив отримати математичну модель впливу конструкційних параметрів пальника і технологічних факторів топкового процесу на КТ з коефіцієнтом детермінації R2·100=96,4% при кореляційному відношенні R=0,982 наступного вигляду:

(2)

Поправочний коефіцієнт е враховує вплив на КТ неповноти змішання газу з повітрям у пальнику:

. (3)

На рис. 5 наведена графічна інтерпретація цих рівнянь.

Аналіз отриманої розрахункової моделі показує, що КТ у значній мірі (? на 50%) залежить від відносного діаметра вихідного перерізу пальника, оптимальне значення якою складає 0,6.

П'ятий розділ присвячений розробці конструкцій жаротрубних теплогенераторів малої потужності, що характеризуються високою тепловою ефективністю і відносно до них газових пальників.

Розробка конструкції газових пальників для жаротрубних теплогенераторів базується на наступних концептуальних підходах: блокове виконання пальника; робота на природному газі середнього або низького тиску; неповне попереднє змішання газу з повітрям із ступенем змішання о=0,2; примусова подача повітря вентилятором з коефіцієнтом надлишку повітря бТ=1,05; забезпечення постійності заданого технологічними умовами значення коефіцієнта надлишку повітря і його витрати при зміні теплової потужності котлоагрегата за допомогою регулятора - пропорціоналізатора; повна автоматизація роботи пальника; відносний діаметр пальника dГ/dТ=0,6.

Відповідно до вищевикладених вимог до жаротрубних теплогенераторів потужністю від 0,5 до 2,5 МВТ розроблений блочний газовий пальник типу ГБГ-2,5. Конструкція пальника представлена на рис. 6.

Сертифікаційні приймальні випробування газового пальника ГБГ-2.5 проведені Державним Центром з випробувань і упровадження устаткування, що використовує паливо, Держстандарту України.

Для локального теплопостачання розроблений, випробуваний і сертифікований сталевій водогрійний теплогенератор типа КВ-ГМ-1.6-95 СН, схема якого наведена на рис.7, а технічні характеристики з пальником ГБГ-2,5 наведені у таблиці.

Серійне виробництво теплогенератора КВ-ГМ-1,6-95 СН, в комплект якого входить блоковий регульований газовий пальник ГБГ-2,5 з системою автоматики "Спектрум-3", налагоджено на ГКП "Артемівськтепломережа". Теплогенератор характеризується компактною конструкцією, високими економічними, теплотехнічними і екологічними показниками. ККД котла складає 94%, а викиди NОх не перевищують 85 мг/м3. Котел працює під наддуванням і в автоматичному режимі, що забезпечує постійність коефіцієнта надлишку повітря і безпеку його експлуатації.

Таблиця Технічні характеристики котла КВ-ГМ-1,6-95 СН

№ п/п	Характеристика	Значення
1	2	3
1	Номінальна теплова потужність, МВт	1,6
2	Коефіцієнт робочого регулювання	5
3	Мінімальна температура води на вході, оС	50
4	Температура води на виході, оС	95
5	Номінальна витрата води, м3/ч	60
6	Тиск води в котлі, МПа	0,2-0,6
7	Мінімальний гідравлічний опір, кПа	3
8	Тиск в топці, кПа	0,6
9	Витрата газу в діапазоні робочих навантажень, м3/ч	49-160
10	Коефіцієнт надлишку повітря	1,05-1,10
11	ККД котла, %	94
12	Питомий викид оксидів азоту, мг/м3	85
13	Габаритні розміри котла, мм: довжина ширина висота	3880 2110 1660
14	Внутрішні розміри топкової камери, мм: діаметр довжина	500 1800
15	Маса котла, кг, не більш	6200
16	Габаритні розміри пальника, мм довжина ширина висота	1400 800 750
17	Маса пальника, кг, не більш	220
18	Номінальна довжина факела, м	1,8

На підприємствах теплопостачання України успішно працюють 134 котли типу КВ-ГМ-1,6-95СН. За рахунок реконструкції опалювальних котельних із заміною застарілих котлів отриманий річний економічний ефект більше ніж 2,5 млн. грн.

Висновки

Теоретично і експериментально виявлені і обґрунтовані характеристики параметрів газоповітряної суміші і конструкції газопальникових пристроїв в поєднанні з оптимальними розмірами камер згоряння жаротрубних теплогенераторів, що забезпечують інтенсифікацію теплообмінних процесів між факелом і циліндричною водоохолоджувальною топкою при мінімальній довжині факела.

Факторами, що впливають на довжину факела у циліндричній камері згоряння, значення температури газів у ньому, її розподіл уздовж осі і в поперечному перерізі топки, а також ефективність теплової роботи камери згоряння, є теплова напруга об'єму топкового простору, швидкість виходу газоповітряної суміші з пальника, коефіцієнт надлишку повітря, неповнота змішання газу з повітрям в пальнику і відносний діаметр вихідного перерізу пальника.

Теплосприйняття поверхнею камери згоряння при номінальних параметрах топкового процесу визначається відношенням діаметра вихідного перерізу пальника до діаметра камери згоряння, оптимальне значення якого складає 0,6.

Отримана з використанням методики планування експериментів математична модель впливу конструкційних параметрів пальника і технологічних параметрів формування газоповітряної суміші адекватна теоретичним передумовам і дозволяє одержувати початкові дані при розробці високоефективних жаротрубних теплогенераторів для локального теплопостачання і пальників для організації спалювання в них природного газу.

Розроблені метод регулювання параметрів газоповітряної суміші і конструкція блокового газового пальника ГБГ-2,5, які сертифіковані і узгоджені в органах технічної експертизи і забезпечують підвищені в порівнянні з аналогами енергоекологічні показники жаротрубних теплогенераторів, у тому числі збільшення ККД на 1,0 - 10,0% і зниження вмісту NОх в продуктах згоряння до 85 мг/м3.

Розроблені жаротрубний теплогенератор типу КВ-ГМ-1,6-95 СН, з ККД, що має 94%, і технічні умови на його виробництво, які пройшли експертизу і сертифікацію в експертно-технічному центрі Держнаглядохоронпраці України.

На підприємствах теплопостачання України встановлені і успішно експлуатуються 134 теплогенератори типу КВ-ГМ-1,6-95 СН з газовими пальниками ГБГ-2,5, річний економічний ефект від упровадження яких складає більше ніж 2,5 млн. грн.

Список опублікованих робіт за темою дисертації

1. Губарь В.Ф., Флер М.З. Отопительный котлоагрегат высокой тепловой эффективности // Інженерні системи та техногенна безпека у будівництві. Вісник ДДАБА. - Макіївка, 2001- №2(27). - С134-135.

2. Губарь С.А., Лукьянов А.В., Флер М.З. Теплообмен в топочных камерах теплогенераторов с жаровой трубой // Науково-технічний збірник "Вентиляція, освітлення та теплогазопостачання". - К.: КНУБА, 2002. - №4. - С.46-48.

3. Лукьянов А.В., Губарь С.А., Флер М.З. Исследование процессов переноса теплоты в топках жаротрубных теплогенераторов // Вісник Донецького університету. Серія А - Природничі науки. - 2002. - №1. - С.215-216.

4. Флер М.З., Губарь С.А., Лукьянов А.В., Губарь В.Ф. К вопросу об определении размеров топки теплогенераторов с жаровой трубой // Коммунальное хозяйство городов. Научно-технический сборник. Серия: Архитектура и технические науки. - К.: Техніка, 2002. - №38. - С.179-182.

5. Флер М.З., Лукьянов А.В., Губарь С.А., Яценко А.Г. Зависимость длины факела в топке жаротрубных теплогенераторов от условий работы горелки // Інженерні системи та техногенна безпека у будівництві. Вісник ДДАБА. - Макіївка, 2002- №4(35). - С60-62.

6. Флер М.З. Газовая горелка для жаротрубных теплогенераторов малой мощности // Інженерні системи та техногенна безпека у будівництві. Вісник ДДАБА. - Макіївка, 2003- №4(41). - С26-28.

7. Губарь В.Ф., Губарь С.А., Лукьянов А.В.. Флер М.З. Исследование влияния на теплофизические характеристики факела в цилиндрической топке и его теплоотдачу геометрических и режимных параметров газогорелочных устройств.// Збірник наукових праць Луганського національного аграрного університету. Серія: Технічні науки. - Луганськ: Видавництво ЛНАУ, 2004. - №44(56). С64-71.

8. Губарь С.А., Флер М.З. Температурный и тепловой режимы в топке жаротрубных теплогенераторов для локального теплоснабжения // Коммунальное хозяйство городов. Научно-технический сборник. Серия: Технические науки и архитектура. - Киев "Техника", 2004 Вып. 58- С.121-125.

У роботах, які опубліковані в співавторстві, здобувачу належить: розробка конструктивних й технічних характеристик котла КВ-ГМ-1,6-95 СН [1]; ідея використання щодо оптимізації розмірів топкової камери коефіцієнта інтегрального теплопереносу [2]; формула для визначення інтегральної щільності теплового потоку на стінці топки [3]; формулювання бази факторів, що впливають на коефіцієнт інтегрального теплопереносу в математичній моделі процесу теплообміну в топковій камері [4]; результати експериментальних досліджень впливу на відносну довжину факелу коефіцієнта надлишку повітря, неповноти змішання газу з повітрям і швидкості виходу газової суміші з пальника [5]; результати досліджень зональних теплових потоків і числа інтегрального теплопереносу залежно від відносного діаметра пальника [7]; методика експериментальних досліджень і результати закономірностей вимірювання температури і інтенсивності тепловіддачі в циліндричній топковій камері [8].

Анотація

Фльор М.З. "Високоефективні жаротрубні теплогенеруючі установки для локальних систем теплопостачання з газопальниковими пристроями, які регулюються". - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.03 - Вентиляція, освітлення та теплогазопостачання. Донбаська національна академія будівництва і архітектури Міністерства освіти і науки України, Макіївка, 2005.

Дисертація присвячена рішенню однієї з проблем енергозбереження - розробці високоефективних з регульованими пальниками теплогенераторів для локального теплопостачання. Комплексними дослідженнями, проведеними відповідно до теорії планування експериментів, на натурній моделі жаротрубного теплогенератора виявлені й обгрунтовані характеристики параметрів газоповітряної суміші і конструкції газопальникових пристроїв у поєднанні з оптимальними розмірами камер згоряння жаротрубних теплогенераторів, забезпечуючі інтенсифікацію теплообмінних процесів між факелом і циліндричною водоохолоджувальною топкою при мінімальній довжині факела.

Теплосприйняття поверхнею камери згоряння при номінальних параметрах топкового процесу визначається відношенням діаметру вихідного перерізу пальника до діаметра камери згоряння, оптимальне значення якого складає 0,6.

Розроблений метод регулювання параметрів газоповітряної суміші і конструкція блокового газового пальника ГБГ-2,5, які сертифіковані і узгоджені в органах технічної експертизи і забезпечують підвищені в порівнянні з аналогами енергоекологічні показники жаротрубних теплогенераторів, у тому числі збільшення ККД на 1,0 - 10,0% і зниження вмісту NОх в продуктах згоряння до 85 мг/м3.

Розроблені жаротрубний теплогенератор типу КВ-ГМ-1,6-95 СН, з ККД, що має 94%, і технічні умови на його виробництво, які пройшли експертизу і сертифікацію в експертно-технічному центрі Держнаглядохоронпраці України.

На підприємствах теплопостачання України встановлені і успішно експлуатуються 134 теплогенератори типу КВ-ГМ-1,6-95 СН з газовими пальниками ГБГ-2,5, річний економічний ефект від упровадження яких складає більш ніж 2,5 млн. грн.

Ключові слова: жаротрубний теплогенератор, газовий пальник, вихідний переріз, неповнота змішання, надлишок повітря, регулювання, пропорціоналізатор, сертифікація, ефективність.

Аннотация

Флер М.З. Высокоэффективные жаротрубные теплогенерирующие установки для локальных систем теплоснабжения с регулируемыми газогорелочными устройствами. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.03 - Вентиляция, освещение и теплогазоснабжение. Донбасская национальная академия строительства и архитектуры Министерства образования и науки Украины, Макеевка, 2005.

Диссертация посвящена решению одной из проблем энергосбережения - разработке высокоэффективных с регулируемыми горелками теплогенераторов для локального теплоснабжения. Комплексными исследованиями, проведенными в соответствии с теорией планирования экспериментов, на натурной модели жаротрубного теплогенератора выявлены и обоснованы характеристики параметров газовоздушной смеси и конструкции газогорелочных устройств в сочетании с оптимальными размерами камер сгорания жаротрубных теплогенераторов, обеспечивающие интенсификацию теплообменных процессов между факелом и цилиндрической водоохлаждаемой топкой при минимальной длине факела.

Протяженность факела в цилиндрической камере сгорания, значение температуры газов в нем, ее распределение вдоль оси и в поперечном сечении в основном определяются коэффициентом избытка воздуха и неполнотой смешения газа с воздухом в горелке, рациональные значения которых составляют соответственно 1,05 и 0,2.

При относительном диаметре горелки менее 0,8 имеет место существенное перераспределение зональных тепловых потоков по длине камеры сгорания с проявлением в зоне касания факела о стенку топки максимума поверхностной плотности теплового потока, местоположение которого закономерно смещается в направлении от горелки с уменьшением ее относительно диаметра.

Тепловосприятие поверхностью камеры сгорания при номинальных параметрах топочного процесса определяется отношением диаметра выходного сечения горелки к диаметру камеры сгорания, оптимальное значение которого составляет 0,6.

Разработаны метод регулирования параметров газовоздушной смеси и конструкция блочной газовой горелки ГБГ-2,5, которые сертифицированы и согласованы в органах технической экспертизы и обеспечивают повышенные по сравнению с аналогами энергоэкологические показатели жаротрубных теплогенераторов, в том числе увеличение КПД на 1,0 - 10,0% и снижение содержания NОх в продуктах сгорания до 85 мг/м3.

Разработаны жаротрубный теплогенератор типа КВ-ГМ-1,6-95 СН, имеющий КПД 94%, и технические условия на его производство, которые прошли экспертизу и сертификацию в экспертно-техническом центре Госнадзорохрантруда Украины.

На предприятиях теплоснабжения Украины установлены и успешно эксплуатируются 134 теплогенератора типа КВ-ГМ-1,6-95 СН с газовыми горелками ГБГ-2,5, годовой экономический эффект от внедрения которых составляет более 2,5 млн. грн.

Ключевые слова: жаротрубный теплогенератор, газовая горелка, выходное сечение, неполнота смешения, избыток воздуха, регулирование, пропорционализатор, сертификация, эффективность.

Abstract

Fler M.Z. High-efficient heat tube generators for heat supply local systems with controlled gas burners. - The manuscript.

Thesis for gaining Candidate of Sciences (Engineering) degree on specialisty: 05.23.03 - Ventilation, illumination and heat-gas supply. - Donbass National Academy for Civil Engineering and Architecture, Ministry of Education and Science of Ukraine, Makeyevka, 2005.

The thesis is devoted to solving of one of power saving problem - the development of high-efficient heat generators with controlled burners for local heat supply. Characteristics of parameters of gas-air mixture and gas burners designs in combination with optimal sizes for heat tube generators' combustion chambers, providing intensification of heat exchange between the flame and cylindrical water-cooled furnace under flame's minimum length, have been revealed and studied on the basis of investigations carried out in accordance with experiment planning theory on heat tube generator model.

Heat reception of combustion chamber surface under nominal parameters of heating process is determined by the relation of burner exit diameter to combustion chamber diameter, which optimal value is 0.6.

Methods for controlling of air-gas mixture parameters and design of assembly gas burner GBG-2,5 have been developed. They have been certificated and approved by technical examination, they provide improved power and ecology properties of heat tube generators including 1,0-10% efficiency increase and NOx content of combustion product decrease up to 85 mg/m3.

A teat tube generator of the type KV-GM-1,6-95-SN haying the efficiency of 94% has its production have been examined and certificated by expert technical centre of Tesnadzorokhrantruda of Ukraine.

134 heat generators of the type KV-GM-1,6-95-SN with gas burners GBG-2,5 have been installed and put into operation successfully at heat supply enterprises of Ukraine. The annual economic effect constitutes more than 2,5 mln. hrivnas.

Key words: heat tube generator, gas burner, exit section, incomplete mixing, excess air, control, proportioner, certification, efficiency.

Размещено на Allbest.ru

...