Размещено на http://www.allbest.ru/

6

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ИЗУЧАЕМОГО ВОПРОСА

1.1 Актуальность исследования на основе законодательных документов

1.2 Краткая историческая справка

1.3 Классификация газовых горелок

1.4 Обзор производителей газовых горелок инфракрасного излучения

1.5 Обзор устройств, защищенных охранными документами

1.6 Устройства, отраженные в открытых источниках СМИ

2. ОПИСАНИЕ НОВОГО ГОРЕЛОЧНОГО УСТРОЙСТВА

2.1 Концепция нового горелочного устройства

3. РАСЧЕТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

3.1 Математическая модель определения конструктивных характеристик горелочного устройств.

3.2 Моделирование инжекционной горелки в программе ANSYS

4. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЦЕЛЕСООБРАЗНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ СИСТЕМ ГИИ

5. ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ПРОЕКТИРУЕМОГО УСТРОЙСТВА

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

ПРИЛОЖЕНИЕ



ВВЕДЕНИЕ

Общие сведения. Энергетика является одной из ведущих отраслей человеческой деятельности. Тепло и свет в домах, транспортные потоки и работа промышленности все это требует огромного количества затрачиваемой энергии. На данный момент данные потребности покрываются за счет использования таких ископаемых ресурсов, как уголь, природный газ, нефть, запасы которых ограничены.

Призыв к энергосбережению и сокращению использования невозобновимых ископаемых топливно-энергетических ресурсов, а также разработки и внедрения новых безопасных экологически приемлемых технологий наблюдается на мировом уровне. Проводятся исследования для получения новых источников энергии, внедряется альтернативная энергетика, разрабатываются новые технологи использования энергии, широко используется энергосбережение. Это связано с образовавшимся кругом проблем в энергетической сфере, связанных с сокращением запасов ископаемого углеводородного топлива, значительными изменениями цен на энергоресурсы, а также с сохранением экологической безопасности планеты в условиях растущего уровня энергопотребления.

Сегодня самым экономичным и эффективным видом топлива является природный газ. Это объясняется высокой теплотворной способностью, хорошей транспортабельностью, минимальным количеством вредных веществ от продуктов сгорания и др. Высвобождение теплоты «голубого топлива» происходит в процессе сжигания его в смеси с окислителем. Для этого применяются различные газовые горелочные устройства. Перспективным в этом плане является разработка и конструирование новых аппаратов и систем, обеспечивающих наиболее полное сгорание топлива, а также снижение выбросов вредных веществ в атмосферный воздух.

Цель работы. Целью диссертационной работы является разработка нового энергоэффективного горелочного устройства, обладающего высокими эксплуатационными свойствами, соответствующего экологическим стандартами и требованиям.

Для достижения цели, были поставлены следующие задачи:

- провести обзор газовых горелочных устройств, применяемых в настоящее время, выявить их основные достоинства и недостатки;

- разработать концепцию нового горелочного устройства, исключающего выявленные недостатки;

- разработать модель устройства;

- выполнить расчетно-экспериментальные исследования;

- оценить экономическую целесообразность;

- дать экологическую оценку использованию подобных устройств;

- подвести итоги работы.

Магистерская работа соответствует паспорту магистерской программы обучения 080401, затрагивая такие направления, как тепло- и массообменные аппараты различного назначения, применяемые в профессиональной деятельности выпускника. Включает расчетно- экспериментальные исследования процессов тепло- и массопереноса в установках, использующих тепловую энергию.



1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ИЗУЧАЕМОГО ВОПРОСА

1.1 Актуальность исследования на основе законодательных документов

В современных условиях развития мировой экономики, экономики страны и региона, в частности, одним из приоритетных направлений является энергосбережение. Это связано с интенсивным потреблением основных энергоресурсов, увеличением затрат на их добычу и транспортировку, а вследствие чего, ухудшением экологической обстановки.

Призыв к энергосбережению и сокращению использования невозобновимых ископаемых топливно-энергетических ресурсов, а также разработки и внедрения новых безопасных экологически приемлемых технологий наблюдается на мировом уровне. Так в 1992 году в Рио-Де-Жанейро принята «Декларация ООН по окружающей среде и развитию», которая установила принципы, обеспечивающие уважение интересов всех и защиту целостности глобальной системы охраны окружающей среды и развития.

В соответствии с Федеральным законом от 23 ноября 2009 г. №261-ФЗ "Об энергосбережении и повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации» перечень мероприятий по энергосбережению и повышению энергетической эффективности должен включать в себя мероприятия по эффективному и рациональному использованию энергетических ресурсов, с учетом экологических и социальных условий.

Снижение потребления всех видов топливно-энергетических ресурсов, в том числе ввозимых, а также развитие и внедрение энергосберегающих технологий включено и в Государственной программе «Энергоэффективность и развитие газификации на территории Вологодской области на 2014-2020 годы».

Одним из основных направлений энергосбережения является оптимизация существующих и новых безопасных экологически приемлемых энергосберегающих технологий.

В настоящее время одним из экономичных и энергоэффективных источников энергии является природный газ. Это объясняется высокой теплотворной способностью, хорошей транспортабельностью, экологической чистотой и т.д. Всё это создает предпосылки для увеличения его использования в коммунальном хозяйстве, промышленности, быту и других сферах человеческой жизнедеятельности.

Высвобождение теплоты «голубого» топлива происходит в процессе сжигания его в смеси с окислителем. Для этого применяются различные горелочные устройства.

Целью исследования является разработка конструкции нового горелочного устройства, обладающего высокими эксплуатационными свойствами, соответствующего экологическим стандартам и требованиям.

Для достижения поставленной цели необходимо провести анализ современных газовых горелочных устройств, применяемых в настоящее время, выявить их достоинства и недостатки, после чего разработать концепцию нового горелочного устройства, сочетающего в себе наиболее перспективные решения, выполнить расчетно-экспериментальные исследования, а также дать экономическую и экологическую оценку применению подобных устройств.

1.2 Краткая историческая справка

Газовая горелка была изобретена в 1855 году немецким химиком Робертом Бунзеном (1811-1899 г.). Изначально она являлась инструментом для проведения химических опытов, в процессе которых требовалось нагревание, но в дальнейшем и по сей день нашла широкое применение в различных видах лабораторий, медицинских учреждениях, испытательных технических центрах, а также везде, где требуется применение открытого пламени небольшой тепловой мощности (до 1300 ватт).

Усовершенствовать «бунзеновскую» горелку в 1890 году удалось румынскому химику Теклю Николае (1839-1916г.). Она была более удобна в обращение, так как можно было регулировать не только доступ воздуха, но и приток газа.

Недостатком горелок Бунзена и Теклю являлся проскок пламени в горелку. Этот недостаток был устранен в 1909 году в горелке французского химика Джоржа Мекера (ум. 1914), которая решала эту проблему благодаря перфорированной решетке в верхней части для сечения пламени. В результате пламя не имело вид конуса и было почти однородно по температуре. Температура пламени была выше, чем у Бунзена и Текли и могла достигать до 1775 єС.

В настоящее время все три типа горелок, описанные выше предназначены для работы как с природным газом (метан), так и со сжиженным газом (пропан, бутан).

Большой вклад в исследование методов беспламенного сжигания газа и разработку излучающих горелок внесли и советские ученые: А. Е. Еринов, С. Н. Шорин, А. М. Левин, Н. В. Лавров, В. Ф. Копытов, И. Я. Сигал, К. Н. Правоверов, Н. Л. Стаскевич, М. Б. Равич, В. Ф. Дребенцов и др

Многоотраслевой характер применения горелок и стабильный спрос на рынке обусловили многообразие конструкций и принципов их устройства в настоящее время.

1.3 Классификация газовых горелок

Газовые горелки можно классифицировать по различным признакам, например по теплотворности сжигаемого топлива, избыточному давлению газа, области применения, методу сжигания газа, способу подвода воздуха, локализации пламени и т. д.

Наиболее целесообразно классифицировать газовые горелки по способу подвода воздуха для горения, учитывая конструктивные особенности горелок. На рисунке 1.4 представлена данная классификация. Усиленными линиями выделено наиболее актуальное направление исследования.

Наиболее простыми по конструкции являются диффузионные горелки, в которых смешение газа и воздуха происходит в топке вследствие взаимной диффузии газа и воздуха (рисунок 1.1). Преимуществами данного типа горелок являются простота конструкции, устойчивость к проскоку пламени, безопасность и широкие пределы регулирования тепловой мощности горелки. Недостатками диффузионных горелок являются высокая степень загрязнения атмосферы продуктами от неполного сгорания газа и необходимость повышения коэффициента избытка воздуха по сравнению с горелками, работающими по принципу кинетического горения.

Горелки, в которых воздух необходимый для горения подается вентилятором, называются дутьевыми. К основным достоинствам данных горелок относятся сжигание большого количества газа, возможность подогрева газа и воздуха. К недостаткам - высокая шумность работы, габаритность, постоянное обслуживание и замена изнашиваемых элементов.

Инжекционные горелки - это горелки, в которых необходимое количество воздуха для горения инжектируется газовой струей в корпус горелки.

В зависимости от этого они подразделяются на горелки частичного предварительного смешения, чаще всего их называют атмосферными, и горелки полного предварительного смешения, когда в топку подается уже готовая для горения смесь газа и воздуха. Последние горелки требуют установки металлических стабилизаторов или огнеупорных насадок для предупреждения отрыва и проскока пламени.

Металлический стабилизатор представляет собой стальные пластины, стянутые стержнями. Благодаря такой конструкции между пластинами создается зона обратных токов и топливная смесь непрерывно поджигается.

Рисунок 1.1 - Классификация газовых горелок

В горелках с огнеупорными насадками газ сгорает внутри и на наружной поверхности насадки, вследствие чего происходит тепловое излучение, которое нагревает окружающие предметы. Преимуществами такого вида газовых горелок являются минимальное количество вредностей от продуктов сгорания, возможность достижения высоких температур горения, нагрев инфракрасными лучами предметов, находящихся в помещении. Но также у них есть свои недостатки, а именно отсутствие тепловой изоляции и невысокая прочность насадки.



1.4 Обзор производителей газовых горелок инфракрасного излучения

Наиболее популярные отечественные и зарубежные производители газовых горелок представлены на рисунке 1.2.

Рисунок 1.2 - Отечественные и зарубежные производители газовых горелок

1.5 Обзор устройств, защищенных охранными документами

В данном обзоре представлены три наиболее интересных решений газовых горелок.

А) Радиационная горелка (Патент РФ на изобретение № 2151957) [1]

Изобретение относится к теплоэнергетике и может применяться для бытовых и промышленных нужд в различных теплоэнергетических установках, в бытовых и коммунально-бытовых газовых плитах, обогревателях, сушилках, печах. Радиационная горелка, содержащая корпус, инжектор, в виде газового сопла со смесительной трубкой, и керамическую перфорированную излучающую насадку, отличающююся тем, что керамическая перфорированная излучающая насадка выполнена с возможностью исполнения дополнительно функций экрана и рефлектора, для чего она выполнена в объемной конфигурации в виде полостей с поперечным размером и глубиной не менее 10 мм, причем перфорированными являются только дно полостей или только стенки, или стенки и дно, что повышает экологические и эксплуатационные характеристики и обеспечивает полное сгорание топлива и резкое снижение количества СО в продуктах сгорания, повышение устойчивости горения в широком диапазоне изменения давления топлива.

Рисунок 1.3 - Продольный разрез горели с объемной керамической насадкой и вид полостей с плоскими перфорированным дном (а), перфорированными стенками (b), перфорированным дном и перфорированными стенками (c, d)

Горелка работает следующим образом. Газ, вытекая из сопла (2) в смесительную трубку (3), инжектирует необходимое количество воздуха, образуя газовоздушную смесь требуемого состава, которая, проникая через перфорированную керамическую насадку(4), сгорает внутри ее полостей вблизи внутренней поверхности. Поверхность полостей насадки раскаляется до высокой температуры, являясь источником мощного инфракрасного излучения. Часть излучения запирается в вогнутых полостях, поглощается излучающими стенками и увеличивает их температуру до 1000-1200oC, что в свою очередь приводит к увеличению радиационного потока с поверхности.

Вогнутая форма и большая глубина полостей насадки затрудняют подмешивание холодного окружающего воздуха в зону химической реакции, а сохранение высокой температуры продуктов, но не превышающей 1200oC, на расстоянии порядка 10-20 мм от поверхности обеспечивает полную завершенность химических реакций, в том числе доокисление CO в CO2, и не приводит к образованию заметного количества окислов азота.

Недостатком устройства являются низкие пределы мощности, генерация тепловой энергии в пределах мощности нескольких киловатт.

Б) Беспламенная горелка (Патент РФ на изобретение № 2137040) [2]

Изобретение относится к теплоэнергетике, а именно к газовым беспламенным горелкам, может применяться в установках для термической обработки деталей со сложной геометрией, а также в других промышленных и бытовых установках, например, в газовых обогревателях, печах и т.д. и обеспечивает расширение диапазона регулирования распределения температуры по поверхности насадка и облегчение процесса настройки горелки под заданное распределение температуры, которая решается тем, что керамический насадок выполнен сменным с формой профиля под нагреваемую поверхность, а по внутреннему контуру распределительной камеры размещены регуляторы газовой смеси с возможностью внешнего их поворота и фиксации, которые, кроме того, могут быть газопроницаемыми.

Газовая беспламенная горелка работает следующим образом. Газовоздушная смесь (4) поступает в распределительную камеру (1), в которой изменяется раздача потока смеси по керамическому насадку (2) с помощью поворотных регуляторов (3), размещенных по внутреннему контуру распределительной камеры. Полученная газовоздушная смесь поступает в каналы излучающего керамического насадка и сгорает в них и на поверхности насадка, при этом достигается заданное распределение температуры. На рисунке 1.4 и 1.5 представлен продольный разрез беспламенной газовой горелки с насадком под криволинейную нагреваемую поверхность и плоскую нагреваемую поверхность соответственно.

Рисунок 1.4- Беспламенная газовая горелка с насадком под криволинейную надеваемую поверхность

С внешней стороны распределительной камеры осуществляется индивидуальная регулировка и фиксация поворотных регуляторов, что обеспечивает распределение газовоздушной смеси по насадку, при этом изменяются расходы смеси, что позволяет достичь необходимые равномерное распределение температуры на насадке при сгорании смеси.

Предложенная конструкция газовой горелки обеспечивает упрощение процесса настройки горелки под заданное распределение температуры и расширяет диапазон регулирования распределения температуры по поверхности насадка.

Недостатками газовой грелки являются: невысокая прочность насадка, вызванная хрупкостью керамики.



Рисунок 1.5 - Беспламенная газовая горелка с насадком под плоскую нагреваемую поверхность

В) Радиационная горелка (Патент РФ на изобретение № 2094703) [3]

Изобретение относится к теплоэнергетике, газовой промышленности и может быть использовано при создании газовых плит коммунально-бытового назначения, газогорелочных устройств теплоэнергетического оборудования и нагревательных элементов различного назначения, использующих тепло сжигаемого газа.

Радиационная газовая горелка, содержащая, одно газовое сопло, смеситель, насадок, один воздухозаборник с регулятором, защитную крышку с сеткой из каталитического материала, отличающаяся тем, что горелочный насадок выполнен в виде металловойлочного пористого тела из дискретных волокон нитевой проволоки жаропрочного и жаростойкого сплава с полностью открытой объемной пористостью в интервале 90-98% с переменным по толщине горелочного насадка средним размером пор в диапазоне 50-1000 мкм, уменьшающимся в направлении к защитной крышке, с дискретными волокнами, выступающими над внешней поверхностью и расположенными под углом к последней, при этом металловойлочное пористое тело установлено в несущей обойме из жаропрочного материала.

В процессе работы, газ поступает из магистрали или баллона через газовое сопло (1) в смеситель (3). Выходящая из сопла струя газа инжектирует окружающий воздух и направляет его в смеситель. В случае исполнения горелки с единичным газовым соплом, газ и воздух поступают в инжектор (4), а в случае многосопловой схемы инжекции непосредственно в камеру смешения (5). Проходя через заборник воздуха второй ступени (11), газовая струя инжектирует воздух и направляет его в инжектор, где происходит выравнивание поля скоростей. После инжектора газ и воздух поступают в камеру смешения, где происходит их перемешивание и образование газовоздушной смеси. В диффузоре (6) продолжается перемешивание газа и воздуха, образование газовоздушной смеси и восстановление давления, необходимого для преодоления сопротивления металловойлочного пористого тела (8) горелочного насадка (7). После смесителя газовоздушная смесь поступает в горелочный насадок, в нижней части которого заканчивается подготовка газовоздушной смеси (окончательный этап смешения и подогрев смеси). Горение газовоздушной смеси происходит в каналах верхней части металловойлочного пористого тела горелочного насадка. В результате горения газовоздушной смеси в каналах металловойлочного пористого тела насадка, происходит прогрев последних до температуры 950-1050oC. Каталитический дожиг газовоздушной смеси осуществляется последовательно на нагретых волокнах внешней поверхности металловойлочного пористого тела насадка, на раскаленных дискретных волокнах (9), выступающих над верхней поверхностью металловойлочного пористого тела насадка, и на сетке (14) защитной крышки (13) горелочного насадка. Продольный разрез горелок с одноступенчатым и двухступенчатым забором воздуха представлены на рисунке 1.6 и 1.7 соответственно.



Рисунок 1.6 - Горелка с одноступенчатым забором воздуха

Недостатком этого устройства является низкая жаростойкость насадка, металловойлок не выдерживает длительных тепловых нагрузок выше 1000 єС, что снижает излучательную способность. Высокая теплопроводность насадки из металловойлока и металлической обоймы требует дополнительной изоляции от тепловых потерь через обойму, что усложняет конструкцию.



Рисунок 1.7 - Горелка с двухступенчатым забором воздуха

Сравнительная характеристика горелочных устройств, описанных выше, приведена в таблице 1.1.

Таблица 1.1 - Сравнительная характеристика горелочных устройств

Критерии оценки	Номер патента
	№ 2151957	№2137040	№ 2094703
1	2	3	4
Жаростойкость насадка	+	+	-
Сочетание инжекционной и радиационной составляющей	-	-	+
Возможность регулирования распределения газовоздушной смеси по зеркалу горения	-	+	+
Отсутствие тепловой изоляции	-	-	+

Обзор выбранных патентов газогорелочных устройств показал, что все они имеют ряд недостатков. Задачей настоящего изобретения является снижение потерь тепловой энергии, повышение стойкости пористого насадка тепловым нагрузкам, более полное сжигание топлива, увеличение надежности горения путем снижения теплопроводности насадка.

1.6 Устройства, отраженные в открытых источниках СМИ

А) Газовый инфракрасный обогреватель Ballu BIGH-4 серии Gas Compact [4]

Газовый инфракрасный обогреватель Ballu серии Gas Compact является отопительным прибором для направленного обогрева рабочих зон на открытых площадках. Он обладает абсолютной максимальной эффективностью и совершенно не требует никакого подключения к электропитанию. Газовый инфракрасный обогреватель Ballu BIGH-4 серии Gas Compact изображен на рисунке 1.8. Технические характеристики представлены в таблице 1.2.

Рисунок 1.8 - Газовый инфракрасный обогреватель Ballu BIGH-4 серии Gas Compact



Таблица 1.2 - Технические характеристики устройства.

Наименование	Значение
1	2
Максимальная тепловая мощность, кВт	4,5
Номинальный расход газа, г/час	207/327
Тип топлива	пропан, пропан-бутан
Давление газа, кПа	3
Размеры прибора (ШxВxГ), мм	338х372х278
Масса	2,3
Изготовитель	Китай

Одним из главных элементов данного обогревателя является керамическая панель, закреплённая в стальном корпусе и закрытая спереди стальной защитной решёткой. На ее поверхности при работе прибора сгорает газ. При почти невидимом горении вся тепловая энергия от разогревшегося нагревательного элемента отдаётся в инфракрасном диапазоне, что обеспечивает высокую эффективность прибора. Инфракрасные лучи проходят через воздух и нагревают непосредственно предметы и людей. Таким образом, использовать нагреватель можно даже на полностью открытых площадках, не тратя лишнюю энергию на обогрев воздуха.

Обогреватель работает практически бесшумно, не перегревает воздух и не перемешивает его с пылью. Мощность обогревателя BIGH-4 можно плавно регулировать в диапазоне 3,0-4,5 кВт с помощью поворотного регулятора.

От утечки газа в случае погасания пламени прибор защищен при помощи газового клапана, который управляется чувствительной термопарой. Если ветер или иное внешнее воздействие затушит пламя, подача газа прекратится.

Корпус панели покрыт жаропрочной эмалью, что сохраняет внешний вид и предохраняет прибор от коррозии. Разъемная ножка легко разбирается на две части, позволяя сложить прибор в компактную упаковку для транспортировки.

Б) Инфракрасная горелка ГИ-2,3 Прометей [5]

Газовая горелка инфракрасного излучения ГИ-2,3 предназначена для работы на сжиженном и природном газе для обогрева бытовых и общественных помещений с временным пребыванием людей, а также для подогрева и приготовления пищи в походных условиях. Горелка Прометей изображена на рисунке 1.9. Технические характеристики представлены в таблице 1.3.

Рисунок 1.9 - Горелка ГИ-2,3 Прометей

Принцип действия следующий: под высоким давлением газ попадает в смесительную трубку, состоящую из конфузора, горловины, диффузора, и инжектирует при этом через отверстия в патрубке воздух для горения. Данная смесь поступает в распределительную камеру и равномерно распределяется по отверстиям керамической насадки. Выходя из отверстия плиток, газовоздушная смесь сгорает у наружной поверхности насадки, которая работает как излучатель. Поверхность насадки нагревается под воздействием высокой температуры и излучает тепло, под воздействием которого нагреваются окружающие предметы в помещении.

Особенностью данной горелки является использование в качестве излучателя импортной насадки в виде керамической панели с большим количеством сквозных отверстий, внутри и на поверхности которых происходит полное и эффективное сгорание газа. Благодаря особой форме отверстий излучателя происходи минимальное выделение вредностей в процессе горения, что позволяет эксплуатацию данного устройства в бытовых помещениях.

Таблица 1.3 - Технические характеристики устройства.

Наименование	Значение
Максимальная тепловая мощность, кВт	2,3
Номинальный расход газа, г/час	180
Тип топлива	пропан-бутан, природный газ
Номинальное давление сжиженного газа, кПа	3
Номинальное давление природного газа, кПа	1,374
Размеры прибора (ШxВxГ), мм	255х150х100
Масса	1,4
Изготовитель	Россия

Горелка комплектуется дополнительной форсункой для работы на природном газе. По умолчанию на горелке установлен переходник для сжиженного газа.

Горелка Прометей имеет прочную решетку, на которую без опасения можно ставить посуду для разогрева.

В) Газовый обогреватель Bartolini Primavera I [6]

Bartolini Primavera I - компактный, экономичный, автономный газовый прибор, который предназначен для обогрева помещений при помощи инфракрасного излучения. Газовый керамический обогреватель Bartolini Primavera I изображен на рисунке 1.10. Технические характеристики представлены в таблице 1.4.

Основным нагревательным элементом газового обогревателя является керамическая панель. Принцип работы обогревателя основан на использовании беспламенного горения заранее подготовленной топливной смеси внутри отверстий керамической панели. Газ из газовой форсунки вытекает в газовоздушный смеситель, перемешиваясь с инжектируемым воздухом. Затем горючая смесь поступает в смесительную камеру, где происходит их дальнейшее торможение и смешивание.

Рисунок 1.10 - Газовый обогреватель Bartolini Primavera I

Давление горючей смеси постепенно повышается и она вытекает в отверстие излучающей керамической панели, где происходит глубокое окисление, разогрев и сгорание смеси у наружной поверхности керамической панели газового обогревателя. В течение пяти минут поверхность насадки достигает рабочей температуры и начинает испускать тепловое излучение, нагревая при этом окружающие предметы в помещении.

Таблица 1.4 - Технические характеристики устройства.

Наименование	Значение
Максимальная тепловая мощность, кВт	4,2
Номинальный расход газа, г/час	100-300
Тип топлива	пропан-бутан
Размеры прибора (ШxВxГ), мм	780x430x420
Масса	13
Изготовитель	Италия

Газовый обогреватель Bartolini Primavera I имеет три режима нагрева, с помощью чего можно регулировать температуру в помещении. Также он оснащен системой безопасности: при затухании пламени, наклоне, либо превышении допустимой нормы концентрации углекислого газа в помещении происходит автоматическое отключение.

Обогреватель оснащен колесиками для удобства перемещения и хранения, а с обратной стороны предусмотрена подставка для баллона. Работает обогреватель от газового баллона объемом до 27 литров, который ставится внутрь обогревателя и закрывается пластиковым кожухом. Тем самым обогреватель приобретает компактные габаритные размеры.

Сравнительная характеристика устройств, представленных в открытых источниках СМИ представлена в таблице 1.5.

Таблица 1.5 - Сравнение устройств, представленных в открытых источниках СМИ

	Ballu BIGH-4	Комфорт Прометей	Bartolini Primavera I
Максимальная тепловая мощность, кВт	4,5	2,3	4,2
Тип топлива	пропан/бутан	пропан/бутан природный	пропан/бутан
Номинальный расход газа, г/час	207/327	180	100-300
Размеры прибора (ШxВxГ), мм	338х372х278	255х150х100	780x430x420
Масса	2,3	1,4	13
Страна-производитель	Китай	Россия	Италия

Благодаря обзору газовых горелок в открытых источниках СМИ можно сделать выводы, что они обладают максимальной тепловой мощностью от 2,3-4,5 кВт, при этом номинальный расход может меняться от 100 до 327 г/час, все они довольно компактные, безопасные и удобны в транспортировке. Могут работать как на сжиженном, так и на природном газе. В основном используются для обогрева помещений, но все в качестве нагревательного элемента имеют немецкие керамические панели.

Патентный и литературный поиск показал, что аналоги горелочных устройств на основе инжекционно-радиационного способа сжигания газообразного топлива есть, но все они имеют ряд недостатков.

Цель: разработка конструкции нового энергоэффективного горелочного радиационного устройства, обладающего высокими эксплуатационными свойствами, соответствующего экологическими стандартами и требованиям.



2. ОПИСАНИЕ НОВОГО ГОРЕЛОЧНОГО УСТРОЙСТВА

2.1 Концепция нового горелочного устройства

Цель нашего исследования достигается сочетанием в горелочном устройстве инжекционной и радиационной составляющей, а именно корпус горелки представляет стандартный вариант инжекционной горелки с надстройкой комплексной насадки для сжигания и дожигания топлива. Разработка нового устройства относится к теплоэнергетике, а именно к газовым беспламенным инжекционным горелкам с огнеупорными насадками. Концепция новой газовой горелки показана на рисунке 2.1.

Особенностью данного устройства является наборная насадка, выполненная в виде плиток из жаростойкой керамики. Над насадкой размещен стабилизатор горения, который выполнен в виде жаростойкой решетки, которая выполняет функции дожигания газа, стабилизатора пламени и дополнительного излучателя. Благодаря этим особенностям происходит более полное сжигание топлива за счет комбинации способов сжигания и дожигания топливно-воздушной смеси.

Рисунок 2.1 - Концепция новой газовой горелки

2.2 Принцип действия горелочного устройства

Продольный разрез горелочное устройство на основе инжекционно - радиационного способа сжигания газообразного топлива представлено на рисунке 2.2.

Рисунок 2.2- Продольный разрез горелочного устройства на основе инжекционно-радиационного способа сжигания газообразного топлива

Принцип действия устройства следующий: через сопло (1) подается газообразное топливо, инжектируя при этом необходимый для горения воздух. В смесителе, состоящего из конфузора (2), горловины (3), диффузора (4) происходит смешение топлива с воздухом. Образовавшаяся топливно-воздушная смесь через распределительную решетку (5) поступает в насадку (6), выполненной в виде плиток из жаростойкой керамики и сгорает в приграничных областях насадки. Стабилизатор горения (7) способствует дожиганию топлива, раскаленная поверхность насадка и стабилизатора горения создают поток радиационного излучения, нагревая при этом окружающие предметы. Насадка, выполненная в виде плиток из жаростойкой керамики, обеспечивает оптимальные условия горения, обладает низкой теплопроводностью, препятствует распространению пламени под насадку, даже при широких пределах регулирования мощности горелочного устройства



3. РАСЧЕТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

3.1 Математическая модель определения конструктивных характеристик горелочного устройств.

Теоретический расчет газовых горелок является весьма сложным и трудоемким, так как связан с комплексными расчетами процессов смешения, горения и теплоотдачи, которые должны обеспечивать не только высокую эффективность сжигания газового топлива, но и минимально возможную концентрацию вредных компонентов в продуктах сгорания. Из-за сложности расчетов приходится пользоваться рядом приближенных данных, полученных из практики или отдельных экспериментов.

Конструктивный расчет горелочного устройства сводится к определению размеров основных элементов газовой горелки: сопла, горловины, смесителя, конфузора, диффузора и насадка [11]. Расчетная схема приведена на рисунке 3.1

Для расчета горелки необходимы следующие исходные данные:

- тепловая нагрузка , Вт;

- характеристики сжигаемого топлива (низшая объемная теплота сгорания , кДж/мі; плотность , кг/мі; температура t, °C);

- теоретически необходимое количество воздуха , мі/ мі;

- давление газа перед соплом , Па;

- коэффициент избытка воздуха, б.

Определяем расход газа на горелку:

= , мі/ч,

площадь поперечного сечения сопла и его диаметр:



= , ммІ,

= , мм,

где - скорость истечения газа из сопла.

Рисунок 3.1 - Расчетная схема инжекционной газовой горелки с керамической насадкой

1-рефлектор; 2-керамическая насадка с отверстиями; 3-инжекционный смеситель; 4-газовое сопло; 5-корпус; 6-распределительная камера.

Скорость истечения газа из сопла:

= , м/с

Остальные конструктивные расчеты определяются по эмпирическим формулам. Для горелок с керамическими перфорированными насадками и соплом: диаметр горла инжекционного смесителя



= (12…14), мм

диаметры диффузора и конфузора

= (1,5…2,0), мм

длина конфузора

= (1,5…2,2), мм

длина диффузора

= , мм

где - угол расширения диффузора (принимается 6-8°).

Длина горла смесителя, мм

= (2,5…3,0), мм

Площадь излучающей поверхности насадки горелки определяется исходя из задаваемой тепловой нагрузки и удельной тепловой нагрузки и насадка:

= , мІ,

Количество керамических плиток рассчитывается по формуле:



= , шт

где - площадь одной плитки, мІ .

Заметим, что пределы устойчивой работы инжекционных горелок ограничены возможностью отрыва и проскока пламени, поэтому при расчете руководствуются скоростью истечения газовоздушной смеси через насадку, скорость составляет 0,11 - 0,16 м/с и размерами огневых отверстий в плитках, они составляют 1,5 - 2мм. Всвязи с этим, проектируемое горелочное устройство имеет пределы тепловой нагрузки от 2,53 кВт до 3,96 кВт.

Таблица 3.1 - Исходные данные

Наименование	Значение
Тепловая нагрузка , Вт	2530	3960
Низшая объемная теплота сгорания , кДж/мі	35590
Плотность газа , кг/мі	0,74
Давление газа перед соплом , Па	3000
Теоретически необходимое количество воздуха , мі/ мі	9,015
Коэффициент избытка воздуха, б	1,05

Таблица 3.2 - Расчетные данные

Наименование	Значение
Общая тепловая нагрузка , Вт	2530,00	3960,00
Расход газа на горелку , мі/ч	0,26	0,33
Скорость истечения газа из сопла , м/с	85,20	85,20
Диаметр поперечного сечения сопла , мм	1,03	1,29
Диаметр горла инжекционного смесителя , мм	12,37	15,48
Диаметр конфузора , мм	18,56	23,22
Диаметр диффузора , мм	18,56	23,22
Длина конфузора , мм	18,56	23,22
Длина диффузора , мм	61,86	77,39
Длина горла смесителя ,мм	30,93	38,69
Площадь излучающей поверхности насадки , мІ	0,06	0,09
Площадь одной плитки, мІ	0,0036	0,0036
Количество плиток , шт	16	25
Диаметр отверстия в плитке, мм	2,0	2,0
Количество отверстий в плитке, шт	574	574
Скорость газовоздушной смеси , м/с	0,11	0,16

Исходные данные и результаты расчета представлены в таблицах 3.1 и 3.2 соответственно. На рисунке 3.2 представлен чертеж нового газового горелочного устройства.ANSYS - это программный пакет конечно-элементного анализа, решающий задачи в различных областях инженерной деятельности (прочность конструкций, термодинамика, механика жидкостей и газов, электромагнетизм), включая связанные многодисциплинарные задачи (термопрочность, магнитоупругость и т.п).

Рисунок 3.2 - Чертеж нового газового горелочного устройства.

3.2 Моделирование инжекционной горелки в программе ANSYS

Задав граничные условия на входе (рисунок 3.3, 3.4, 3.5), на выходе (рисунок 3.6), основные геометрические размеры нашего нового горелочного устройства, полученные в результате конструктивного расчета, мы можем получить распределение тех или иных характеристик по всему периметру исследования.



Рисунок 3.3 - Ввод граничных условий на входе

Рисунок 3.4 - Ввод граничных условий на входе

Рисунок 3.5 - Ввод граничных условий на выходе



Рисунок 3.6 - Ввод граничных условий на выходе

На рисунке 3.7 представлен общий вид инжекционной составляющей нового горелочного устройства в программе ANSYS.

Рисунок 3.7 - Общий вид инжекционной составляющей нового горелочного устройства в программе ANSYS

На рисунках 3.8, 3.9, показано распределение значений, соответственно, давления и скорости газовоздушной смеси по корпусу горелочного устройства.



Рисунок 3.8 - Распределение давления газовоздушной смеси по корпусу горелочного устройства в программе ANSYS

Рисунок 3.9 - Распределение скорости газовоздушной смеси по корпусу горелочного устройства в программе ANSYS



4. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЦЕЛЕСООБРАЗНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ СИСТЕМ ГИИ

Реализации любого инвестиционного проекта должно предшествовать его экономическое обоснование. Ведь затратная часть проекта очень большая, она включает довольно дорогие разработки, проектирование, изготовление оборудования, строительно-монтажные работы, пусконаладочные работы и т. д.

По сравнению с другими видами отопления газовые инфракрасные горелки имеют наиболее низкие инвестиционные и эксплуатационные затраты. В данном разделе приведены основные факторы, подтверждающие этот факт на стадиях от проектирования до эксплуатации.

Уже на стадии проектирования систем ГИИ можно заметить определенные преимущества. На этой стадии существенно сокращены или полностью отсутствуют «традиционные» разделы (общестроительная и тепломеханическая части), так как в данном случае нет необходимости в организации циркуляции жидкого теплоносителя.

Капитальные затраты. В диапазоне мощностей до 10 МВт стартовые затраты на единицу установленной мощности при использовании самых дорогих ГИИ ниже, чем при использовании котельного оборудования в самом недорогом варианте. При мощностях менее 1 МВт, разница в стартовых затратах иногда достигает двух раз. Доля основного оборудования в инфракрасных системах отопления составляет не менее 55-60% общей стоимости проекта (35-40% в проектах с традиционным отоплением). Таким образом, снижение удельного веса монтажных работ и количества дополнительного оборудования сокращает сроки комплектации и поставки системы.

Монтажные работы. В случае монтажа систем ГИИ могут возникнуть дополнительные расходы, связанные с проведением высотных работ, необходимых для монтажа оборудования, но несмотря на это стоимость остается на 40% ниже стоимости установки традиционных централизованных и децентрализованных источников теплоснабжения. С увеличением производителей горелок инфракрасного излучения и наращиванием опыта установок подобного оборудования будет наблюдаться постепенное уменьшение общей стоимости монтажных работ. Существенным преимуществом являются и сроки их проведения, они короче традиционных на 30%. газовый горелка инфракрасный излучение

Энергетическая эффективность. При использовании систем ГИИ сократятся расходы на отопление и вентиляцию до 50-70% за счет: возможности понижения температуры воздуха в помещении, существенного сокращения объема воздуха при локальном нагреве рабочих мест и отдельных зон помещения, возможности управления систем, высоким значением КПД излучателей.

Так как системы ГИИ обогревают не воздух в помещении, который в дальнейшем поднимается вверх, а непосредственно сами предметы, то в этом случае снижаются затраты на обогрев потолочной части и только по этой особенности инфракрасное отопление уже выгоднее конвективного на 20-25%. Особенно актуально такое отопление для промышленных помещений с высокими потолками и спортивных сооружений.

Автоматизация. Благодаря автоматическому регулированию можно достигнуть дополнительную экономию при снижении температуры до минимальной в нерабочее и ночное время, а также в выходные и праздничные дни.

Эксплуатационные затраты. При традиционных видах отопления расходы на ремонт и эксплуатацию теплотрасс, приборов отопления, котельных, а также затраты на электроэнергию и воду значительны. В виду отсутствия промежуточного теплоносителя в системах ГИИ, данные затраты значительно сокращаются. Объемы потребленного газа также превышают фактический расход газа в системе ГИИ для одних и тех же площадей.

Ремонт и обслуживание. В традиционных системах данные расходы составляют 20 - 40% от суммарных затрат. Расходы в системах ГИИ в большей степени приходятся на подготовку излучателей к отопительному сезону, чистку горелок, проверку автоматики и составляют 3 - 5%.

В таблице 4.1 представлен сравнительный анализ затрат на внедрение систем ГИИ и котельной.

Таблица 4.1 - Сравнительный анализ затрат на внедрение систем ГИИ и котельной (доллары США).

	Система ГИИ (1МВт)	Котельная (1МВт)	Экономия, % (USD-%)
Проектные работы	4000	5000	1000-20%
Оборудование	48000	50000	2000
Монтаж и пусконаладка	15000	25000	10000-40%
Техобслуживание (год)	2000	4000	2000-50%
Затраты на газ за сезон	2500	8000	5500-68%

Вывод: С точки зрения экономической эффективности системы ГИИ имеют преимущество над традиционными видами отопления. Это связано со значительным снижением затрат на тепловую энергию или газ, а также снижением эксплуатационных затрат. Проекты по переходу на инфракрасную систему отопления в большинстве случаев окупаются в течение 2-3 лет.



5. ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ПРОЕКТИРУЕМОГО УСТРОЙСТВА

Экология является важным аспектом современной жизни. Все чаще встают вопросы о нанесении ущерба природе человеческими разработками. Вред окружающей среде наносят газы и твердые отходы, которые приводят к гибели растительность. Учитывая огромное количество промышленных предприятий, окружающих города, быстрый темп развития и роста городов, вопрос о сохранении природы и поддержании экологической обстановки в пределах допустимых значений должен рассматриваться немедленно и повсеместно. В настоящее время на территории России и за ее пределами тема экологической катастрофы набирает свои обороты. Разрабатываются энерго- и ресурсосберегающие технологии и материалы

Самым естественным и эффективным обогревателем на Земле является солнце. Воздух прогревается от Земли за счет проникновения инфракрасного излучения и превращения этого излучения в тепло при попадании на поверхность твердых предметов. Таким образом, обеспечиваются условия, необходимые для нормальной жизнедеятельности человека. Технология ГИИ
работает по такому же принципу, что делает ее совершенно безопасной.

Горелочное устройство на основе инжекционно-радиационного способа сжигания газообразного топлива включает в себя газогорелочный блок и излучающую поверхность, систему управления и безопасности. Излучающая поверхность нагревается продуктами сгорания газа и передает тепло окружающим поверхностям.

Одним нюансом при использовании систем ГИИ является вопрос дымовых газов, содержащих в своем составе СО и NOх, которые остаются в обогреваемом пространстве и удаляются общей вентиляцией или специальным отсасыванием от прибора. Эти вопросы нашли отражение в стандарте «Системы отопления и обогрева с газовыми инфракрасными излучателями, разработанном в 2006 году Российским Некоммерческим Партнерством «Инженеры по отоплению, вентиляции, кондиционированию воздуха, теплоснабжению и строительной теплофизике» (НП «АВОК») при участии Института медицины труда РАМН.

Угарный газ исключительно ядовит и низкий уровень его содержания очень важен. Наилучшими излучателями считаются те приборы,
для которых содержание СО в дымовых газах не превышает допустимого санитарного значения 30 ррм (стандарты допускают 500 или
1000 ррм). Наличие NOx обычно не создает трудностей, так как температура горения равна 900 °С. Уровень NОx инфракрасных излучателей
обычно 2--10 ррм.

Вследствие очень высокой поверхностной температуры и интенсивного теплового излучения данные устройства оптимальны для отопления помещений высотой более 4 метров и размером помещения минимум в 20мі на каждый кВт установленной номинальной тепловой мощности. Излучатели могут быть установлены на стенах, потолках и колоннах. Варианты размещения газовых горелок инфракрасного излучения представлены на рисунке 5.1.

Отопление с помощью инфракрасных газовых горелок применимо для производственных цехов промышленного и сельскохозяйственного сектора, для направленного отопления отдельных рабочих зон, открытых и полуоткрытых помещений, а также случаев, когда применение традиционных видов отопления экономически нецелесообразно или практически невыполнимо. Также данные устройства могут применяться для сушки. При высоком значении эмиссии влажности (например, воды 0,95) и меньшем значении осушаемого материала (например, текстиль, бумага) технологическим преимуществом при сушке является излучение, действующее наиболее эффективно во влажном месте, благодаря чему можно достичь высокой однородности.



Рисунок 5.1 - Варианты размещения ГИИ при отоплении помещений и обогреве отдельных зон: а - излучатели на колоннах и стенах; б - излучатели на нижнем поясе ферм с отводом продуктов сгорания; в - центральные газовоздушные излучатели;

г - обогрев зоны излучателями под навесом

При оценке и выборе оборудования преимущество нужно отдавать оборудованию, обеспечивающему низкое содержание СО, как более экономичному, экологически чистому и создающему комфортные и безопасные условия.



ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведенных расчетно-экспериментальных исследований в рамках подготовки выпускной квалификационной работы по теме «Разработка нового горелочного устройства на основе инжекционно-радиационного способа сжигания газообразного топлива» были получены следующие результаты:

- определена актуальность применения газовых горелочных устройств, дана краткая история их появления, описан принцип работы подобных устройств и сделан обзор производителей;

- проведен обзор существующих устройств и систем, представленных в открытых источниках СМИ и защищенных охранными документами. По результатам обзора было проведено сравнение устройств, выявлены их достоинства и недостатки;

- разработана концепция нового газового горелочного устройства, исключающая выявленные недостатки;

- спроектирована новая модель газового горелочного устройства;

- выполнен конструктивный расчет, позволившие определить геометрические характеристики устройства;

- по разработанной конструкции выполнено моделирование инжекционной горелки в программе ANSYS;

- выявлена экологическая и экономическая целесообразность.

В качестве перспективы и направлений дальнейших исследований выделены следующие работы:

- создание лабораторной установки для проведения экспериментальных опытов;

- анализ результатов расчетных и натурных испытаний горелочного устройства;

- создание бизнес-плана внедрения подобных установок.

Апробация работы:

а) принятие участия в конференциях и мероприятиях:

1. Сертификат, подтверждающий, что Березина Л.С. выступила с докладом «К разработке нового горелочного устройства комбинированного типа» в секции «Теплогазоснабжение, вентиляция, кондиционирование воздуха и промышленная теплоэнергетика» Межрегиональной научной конференции аспирантов и молодых ученых, Вологодский государственный университет, г. Вологда, 20.11.2018 г.

2. Диплом II степени Березиной Л.С. за высокий уровень доклада «К разработке нового горелочного устройства комбинированного типа» в секции «Теплогазоснабжение, вентиляция, кондиционирование воздуха и промышленная теплоэнергетика» Межрегиональной научной конференции аспирантов и молодых ученых, Вологодский государственный университет, г. Вологда, 20.11.2018 г.

3. Сертификат, удостоверяющий, что Березина Л.С. приняла участие с докладом в Национальной научно-практической конференции «Актуальные проблемы науки и практики в различных отраслях народного хозяйства», Пензенский государственный университет архитектуры и строительства, г. Пенза, 28-29.03.2018 г.

4. Диплом Березиной Л.С. за третье место в IV Международном интеллектуальном конкурсе студентов, магистрантов, аспирантов, докторантов “UNIVERSITY STARS - 2018”. Название конкурсного проекта: Разработка нового горелочного устройства на основе инжекционно-радиационного способа сжигания газообразного топлива. РусАльянс Сова, г. Москва, 25.12.2018 г.

б) публикации по теме исследования:

1. Березина, Л.С. К разработке нового горелочного устройства комбинированного типа / Л.С. Березина, А.А. Синицын // XII Ежегодная научная сессия аспирантов и молодых ученых: материалы межрегиональной научной конференции: в 2-х томах. Т. 1: Естественно-техническое направление. - Вологда: ВоГУ, 2018. - С. 258-260.

2. Березина, Л.С. Разработка нового горелочного устройства на основе инжекционно-радиационного способа сжигания газообразного топлива / Л.С. Березина // Актуальные проблемы науки и практики в различных отраслях народного хозяйства: сборник докладов Национальной научно-практической конференции. Часть 3: Прикладные науки. - Пенза: ПГУАС, 2018. - С. 15-18.



СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Пат. 2151957 Российская Федерация, МПК F23D14/12. Радиационная горелка/ Шмелев В.М., Марголин А.Д.; заявл. 03.03.1999; опубл. 27.06.2000.

2. Пат. 2137040 Российская Федерация, МПК F23D14/14. Газовая беспламенная горелка/ Баев В.К., Потапкин А.В., Трубицин А.И.; заявл. 03.10.1998; опубл. 10.09.1999.

3. Пат. 2094703 Российская Федерация, МПК F23D14/12. Радиационная горелка/ Геков А.Ф., Липовый Н.М., Попов А.Н., Смусь Ф.Н., Фарфель Б.Е.; заявл. 18.06.1996; опубл. 27.10.1997.

4. Богомолов А.И., Вигдорчик Д.Я., Маевский М.А. Газовые горелки инфракрасного излучения, М.: Издательство литературы по строительству, 1967. - 253 с.

5. Кязимов К.Г., Гусев в.Е. Основы газового хозяйства. - М.: Высш. шк., 2000.

6. Стаскевич Н.Л., Северинец Г.Н., Вигдорчик Д.Я., Справочник по газоснабжению и использованию газа. - Л.: Недра, 1990

7. Артихович, В.В. Расчет газовых горелок: учебно-методическое пособие по курсовому и дипломному проектированию для студентов специальности 1-70 04 02 «Теплогазоснабжение, вентиляция и охрана воздушного бассейна» / В.В. Артихович, Е.А. Волчек, - Минск: БНТУ, 2015. - 81с.



ПРИЛОЖЕНИЕ

Копии наград



Презентация магистерской диссертации

Слайд 1



Слайд 2

Слайд 3



Слайд 4

Слайд 5



Слайд 6

Слайд 7



Слайд 8

Слайд 9



Слайд 10

Слайд 11



Слайд 12

Слайд 13

Размещено на Allbest.ru

...