автореферат диссертации по энергетике, 05.14.04, диссертация на тему:Совершенствование конструкции газотрубного котла на основе разработки эффективных поверхностей теплообмена в топке

На правах рукописи

БАТРАКОВ Пётр Андреевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ ГАЗОТРУБНОГО КОТЛА НА ОСНОВЕ РАЗРАБОТКИ ЭФФЕКТИВНЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ТЕПЛООБМЕНА В ТОПКЕ

Специальность 05.14.04 - Промышленная теплоэнергетика

Автореферат

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

13 МАЯ 2015

Саратов 2015

005568931

005568931

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Омский государственный технический университет», кафедра «Теплоэнергетика»

Научный руководитель:

кандидат технических наук Михайлов Андрей Гаррьевич

Официальные оппоненты:

Лебедев Виталий Матвеевич доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Омский государственный университет путей сообщения», профессор кафедры «Теплоэнергетика»

Озеров Никита Алексеевич кандидат технических наук, ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.», доцент кафедры «Промышленная теплотехника»

Ведущая организация:

Открытое акционерное общество «Научно-производственное предприятие «ЭТАЛОН», г Омск

Защита состоится «30» июня 2015 г. в 15.30 часов на заседании диссертационного совета Д 212.242.07 при ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.» по адресу: 410054, г. Саратов, ул. Политехническая, 77, корпус 1, ауд. 319.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.» и на сайте www.sstu.ru

Автореферат разослан « » мая 2015 года

Ученый секретарь диссертационного совета С-о^«? ^ Ларин Евгений Александрович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. При развитии газоснабжения России в малой энергетике все шире применяются газотрубные котлы малой и средней мощности, способствующие высокой степени автоматизации технологического процесса, обладающие простой конструкцией и не требующие больших материальных затрат на монтаж и дальнейшее обслуживание при эксплуатации. В связи с этим необходимо создание высокоэффективного котла малой мощности.

К процессу теплопереноса в топках данных котлов предъявляются высокие требования. Для правильной его организации необходимо владеть разноплановой информацией по процессам горения и теплообмена, что заставляет использовать современные программы, применяемые для анализа теплового потока.

Основные требования при создании газотрубных котлов — это обеспечение рациональных массогабаритных характеристик при максимальной теплопередающей поверхности, разделяющей смесь газов и рабочий теплоноситель. Одной из основных частей газотрубного котла является его топка, которая занимает достаточно большой объем. В настоящее время известно достаточно много методов интенсификации тепломассообмена, но в основном все они используются в конвективных пучках труб. Профилированные топки с установленными в них интенсификаторами мало изучены. Данные по результатам экспериментальных и теоретических исследований процессов в подобных конструкциях отсутствуют. Следовательно, обозначенная тема научных исследований актуальна.

Целью диссертационного исследования является повышение энергоэффективности газотрубного котла за счет интенсификации тепломассо-переноса в топке.

Объектом исследований является топка сложного профиля газотрубного котла.

Предметом исследования являются процессы тепломассопереноса в топках с различными геометрическими формами поперечного сечения газотрубного котла.

Задачи исследования:

1. Разработать методику расчета газотрубного котла с учетом процессов лучистого и конвективного теплообмена в топке некруглого профиля с использованием дифференциального метода расчета кинетического горения газообразного топлива и балансового метода с учетом условий теплоотдачи на внешней поверхности стенки.

2. Выполнить сравнительный анализ тепловой эффективности топки некруглых профилей с топкой с поперечным круглым сечением.

3. Оценить влияние коэффициента оребрения внутренней поверхности топки на эффективность работы котла.

4. Разработать рекомендации по выбору рациональной области геометрических характеристик, соответствующих областям максимальных значений теплотехнических характеристик работы газотрубного котла.

5. Разработать методику экспериментального исследования процессов тепломассопереноса при горении газообразного топлива в топке газотрубного котла и создать экспериментальный стенд для её реализации.

6. Выполнить экспериментальное исследование процессов тепломассопереноса при горении газообразного топлива в топке газотрубного котла и представить сравнения с теоретическими данными.

7. По результатам расчетного, экспериментального исследования и выбора рациональных геометрических характеристик топки сделать анализ технико-экономической эффективности применения газотрубного котла малой и средней мощности.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

1. Разработана методика расчета газотрубного котла с учетом процессов лучистого и конвективного теплообмена в топке некруглого профиля с использованием дифференциального метода расчета кинетического горения газообразного топлива и балансового метода с учетом условий теплоотдачи на внешней поверхности стенки.

2. Обоснованы преимущества энергоэффективного промышленного применения топки с профилем вертикальный эллипс по сравнению с топками других профилей при горении газообразного топлива.

3. Расчетным путем выявлены закономерности сложного теплообмена в топках с формой поперечного сечения вертикальный эллипс с различными геометрическими характеристиками.

4. По результатам расчетных исследований получены зависимости тепловосприятия внутренней поверхности топки от значений коэффициента оребрения топки с формой поперечного сечения вертикальный эллипс.

5. По результатам технико-экономического анализа определены рациональные геометрические характеристики топки и газотрубного котла малой и средней мощности.

Практическая ценность диссертационной работы заключается в следующем:

1. Даны практические рекомендации по выбору способов интенсификации, расчетам тепломассопереноса при горении газообразного топлива в топках газотрубных котлов.

2. Предложены рекомендации по совершенствованию конструкции топки в форме вертикального эллипса, с выполненными внутри поперечными ребрами.

3. Результаты исследований внедрены в учебный процесс кафедры «Теплоэнергетика» ОмГТУ.

4. Результаты исследований внедрены в Омском ЛПУМГ ООО «Газпром трансгаз Томск».

Работа выполнена в рамках госбюджетной фундаментальной НИР 7.1102 Ф «Теоретическое исследование и разработка высокоэффективного газотрубного котла малой мощности».

Положения, выносимые на защиту:

1. Методика расчета газотрубного котла с топкой некрупного профиля.

2. Закономерности сложного теплообмена в топках с профилем вертикальный эллипс при горении газообразного топлива.

3. Зависимости сложного теплообмена в топке с профилем вертикальный эллипс от её коэффициента оребрения.

4. Выводы об экономической целесообразности применения топки с формой поперечного сечения вертикальный эллипс с внутренним поперечным оребрением для газотрубного котла малой и средней мощности.

5. Рекомендации по созданию высокоэффективной топки газотрубного котла.

Апробация результатов исследования. Отдельные разделы и диссертация в целом докладывались и обсуждались на Международной научно-практической конференции «Проблемы, перспективы и стратегические инициативы развития теплоэнергетического комплекса» (Омск, 2011); Международной молодежной научной школе «Энергия и человек» (Томск, 2011); IV Всероссийской молодежной научно-технической конференции с международным участием «Россия молодая: передовые технологии — в промышленность!» (Омск, 2011); XIII Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и специалистов «Энергетики и металлурги — настоящему и будущему России» (Магнитогорск, 2012); II Научно-технической конференции «Техника и технология современного нефтехимического и нефтегазового производства» (Омск, 2012); VIII Международном симпозиуме «Фундаментальные и прикладные проблемы науки» (Непряхино Челябинской обл., 2013).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 30 печатных работ, в том числе 10 статей в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ, 6 статей в зарубежных журналах, 3 патента и 2 свидетельства о регистрации программ.

Объём и структура диссертации. Материалы диссертации изложены на 149 страницах основного текста, включающего 47 рисунков и 4 таблицы. Работа состоит из введения, пяти разделов с выводами, заключения, списка использованных источников из 125 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении отражены актуальность, научная и практическая значимость работы, представлено краткое содержание всех глав, сформулированы цели и задачи диссертационного исследования.

В первой главе приведен аналитический обзор литературных источников, на основании выполненного обзора особенностей конструкций и режимов работы газотрубных котлов, существующих методов расчета теп-

лообмена в топках, особенностей теплопереноса в топках газотрубных котлов и способов его интенсификации. Сформулированы следующие основные задачи исследования:

1. Разработать методику расчета газотрубного котла с учетом процессов лучистого и конвективного теплообмена в топке некруглого профиля с использованием дифференциального метода расчета кинетического горения газообразного топлива и балансового метода с учетом условий теплоотдачи на внешней поверхности стенки.

2. Выполнить сравнительный анализ тепловой эффективности топки некруглых профилей с топкой с поперечным круглым сечением.

3. Оценить влияние коэффициента оребрения внутренней поверхности топки на эффективность работы котла.

4. Разработать рекомендации по выбору рациональной области геометрических характеристик соответствующих областям максимальных значений теплотехнических характеристик работы газотрубного котла.

5. Разработать методику экспериментального исследования процессов тепломассопереноса при горении газообразного топлива в топке газотрубного котла и создать экспериментальный стенд для её реализации.

6. Выполнить экспериментальное исследование процессов тепломассопереноса при горении газообразного топлива в топке газотрубного котла и представить сравнения с теоретическими данными.

7. По результатам расчетного, экспериментального исследования и выбора рациональных геометрических характеристик топки сделать анализ технико-экономической эффективности применения газотрубного котла малой и средней мощности.

Во второй главе разработана методика расчета газотрубного котла с учетом процессов лучистого и конвективного теплообмена в топке некруглого профиля с использованием дифференциального метода расчета кинетического горения газообразного топлива и балансового метода с учетом условий теплоотдачи на внешней поверхности стенки.

Задача теплового анализа процессов турбулентного горения в топке выполнялась на основе численного решения дифференциальных уравнений неразрывности, моментов, кинетической энергии и диссипации (к-е модель), турбулентной вязкости, энергии, состояния. Представлены основные допущения, начальные условия и условия однозначности. Приведено сопоставление полученных результатов расчёта с литературными данными.

Предлагаемая математическая модель наряду с уравнениями гидродинамики включает элементы теории горения. В химических реакциях, лежащих в основе процессов горения, является проблематичным, прежде всего, определение констант скоростей, поэтому при постановке задачи для топки газотрубного котла предполагается, что теплофизические свойства газовой фазы зависят от концентрации следующих компонентов: Ы2> Ог, СО2, Н20, СН4. Горение газообразного топлива описывается следующей реакцией:

СН4+202=С02 + 2Н20. В данной реакции одно вещество соединяется с другим в строго определенных количествах. Эти количества регламентируются стехиометриче-ским соотношением, которое для необратимой и обратимой реакций, протекающих в один этап

где Л^ - количество компонентов, участвующих в реакции; УК1 - стехио-метрические коэффициенты для /-компонента в элементарной реакции К. Скорость образования /-компонента рассчитывается

где IV/ - молярный вес /-компонента;

Як = (Рк пГ4в.с.. - вк пГ4с.с.Л>г«'),

Як - скорость прямой элементарной реакции с участием /-компонента; [/] - мольная концентрация /-компонента; г порядок АГ-й реакции для /-компонента, Гк, Вк - константы скоростей, соответственно прямой и обратной реакций (закон Аррениуса).

Для численных расчетов турбулентного горения задаются следующие основные допущения: теплота от факела к стенке переносится излучением и конвекцией; внутри пограничного слоя давление не изменяется вдоль нормали к контуру тела и равно соответственному давлению на внешней границе пограничного слоя; суммарный перенос теплоты на границе раздела газовая смесь — стенка осуществляется за счет конвекции и излучения; реагирующий газ СН4 - 100 %, окислитель - воздух.

Основные уравнения, которые описывают реагирующую газовую смесь следующие:

1. Неразрывности для всей смеси:

££ + У.(р1/) = 0, где р - плотность газовой смеси; и - вектор скорости; / -время.

2. Неразрывности для каждого компонента:

¿Кру,) , а(Ри1у,) _ э ( дг,\ ,

+ ~ V1е{Г а7,) "

5/ - скорость образования /-компонента; }', = - концентрация вещества

Р

/-компонента; р, - плотность каждого /-компонента; Г1е^ = + ко-эффнциент диффузии; Г/ - коэффициент диффузии для /-компонента;

р, - турбулентная составляющая динамической вязкости; 5сг =--число

Г1

Шмидта; V — кинематическая вязкость.

3. Моментов:

^ + V • (ри ® [/) - V • {¡1е;гчи) = -ЧР' + V • (це/гчи)т + В,

где В - сумма всех сил, действующих на объем газа, р^ - эффективная турбулентная вязкость, /"-давление.

4. Энергии и диссипации:

^ + V . (рШО = V . [(л + g) Vfc] + рк - ps,

^ + V . Сриг) = V . [(л + g) 7«| + f (C£lPfc - Cäpe).

dx ay dz дх ду az

где Ctl, C£,, a^ Of — справочные константы; Рк - параметр турбулентности, характеризует соотношение между силами вязкости и силами выталкивающими Ркь:

Рк = ntVU • (Vi/ + VUT) - • U(3fitV •U + pk) + Pkb.

5. Определение энтальпии:

^Г~ " £ + V * hwt) = V • (ЛУГ) + V • (£/ • r) + SR,

где — источниковый член, учитывающий излучение; V • (I/ • г) — работа вязких напряжений.

Общая удельная энтальпия hm определяется следующим выражением

htot = h + lu\

где h - удельная энтальпия неподвижной газовой смеси.

- /»1 = J* cpdT,

где Ль Иг — начальное и конечное значения энтальпий; Т\, Ti~ начальное и конечное значения температур.

6. Определение вязкости:

Heff=H + Ml,

где /i - динамическая вязкость. В данной модели предполагается, что турбулентная вязкость & связана с турбулентной кинетической энергией и диссипацией.

7. Уравнение состояния:

р _ RT "СП

v-Ь+с u(u+b)'

где v — удельный объем. Величины а, Ь, с — константы, зависящие от конкретного вещества, определяются выражениями;

8. Начальные условия:

Принимаются значения всех параметров, входящих в систему уравнений, при времени 1 = 0 и при начальной температуре Т= 300 К.

9. Граничные условия:

-условия прилипания на непроницаемой поверхности IV; — задаются условия сложного теплообмена на стенке

q = qc + qR,

где q — плотность теплового потока через пограничный слой от реагирующей газовой смеси к стенке, qc — плотность теплового потока, переносимого объемом газа, со стороны реагирующей газовой смеси к стенке, — плотность радиационного теплового потока со стороны реагирующей газовой смеси к стенке (рассчитывается методом Монте-Карло).

На стенке задаются: условия непроницаемости; градиент давления в направлении нормали к поверхности равный нулю.

На проницаемой границе, которой является вход в топку, задаются расход газообразных продуктов, интенсивность турбулентности.

На проницаемой границе, которой является выход в топке, задается: давление Р, которое является характеристикой системы для удаления продуктов сгорания.

Одними из основным токсичных компонентов, образующихся при сжигании природного газа в топках газотрубных котлов, являются оксиды азота N0,.

При сжигании органических топлив в топках котлов азот, содержащийся в топливе и воздухе, взаимодействуя с кислородом, образует оксиды: N0, = N0 + N02+ N20.

Основная доля образовавшихся в продуктах сгорания газотрубных котлов N0* (95...99 %) приходится на монооксид (оксид) азота N0. Диоксид К'02 и гемиоксид N20 азота образуются в значительно меньших количествах. В турбулентных системах колебания параметров могут оказать доминирующее влияние на скорость формирования N0. Поэтому для расчетов значений концентраций данного соединения, получаемых при горении, используется статистический метод.

Для определения достоверности полученных результатов проведена верификация результатов численного расчета потока реагирующих газов. Проверка методики на адекватность выполнялась путем сравнения полученных при численном моделировании чисел N11 (Нуссельта) и концентрации газообразного топлива с данными, полученными разными авторами (Тамонис М. М., Попов В. Н., Сполдинг Д., Величко В. И., Сурвила В., Джонс У.) при расчетном, экспериментальном исследованиях.

Среднее расхождение значений при расчетном моделировании процессов теплообмена при продольном обтекании пластины турбулентным потоком газа в СРХ и по данным авторов Д. Сполдинга и В. Гни-

линского составляет 10,2 и 7,6 %.

Среднее расхождение значений концентрации несгоревшего газа, полученных при расчетном моделировании процессов горения метана в камере сгорания в ANSYS СИХ для топок с круглым профилем, с расчетными и экспериментальными данными автора У. Джонса находится в пределах 6,8 %.

Таким образом, данная математическая модель может использоваться для анализа процессов при турбулентном горении.

Конвективные поверхности нагрева котлов играют важную роль в процессе получения горячей воды, а также использования теплоты продуктов сгорания, покидающих топочную камеру. Эффективность работы конвективных поверхностей нагрева в значительной мере зависит от интенсивности передачи теплоты продуктами сгорания воде и пару.

При расчете конвективных поверхностей нагрева используется уравнение теплопередачи и уравнение теплового баланса.

В третьей главе представлены результаты решения, реализованных в ANSYS CFX. Расчетная область представляет собой горизонтально расположенный цилиндр длиной 1,0 м с эквивалентным диаметром топки 0,46 м, площадь поперечного сечения топки 0,17 м2, а площади всех стенок топки 1,74 м . В топке установлена газовая горелка с предварительной подготовкой топливовоздушной смеси с расходом 0,06 кг/с. Изменяемыми величинами при численном исследовании являлись: скорости топливовоздушной смеси на входе в топку и формы профиля топки (прямоугольная, квадратная, круглая, горизонтально расположенного эллипса, вертикально расположенного эллипса).

В качестве величин, характеризующих тепловую эффективность топки газотрубного котла, выбраны значения средней и максимальной температуры газовой смеси в топке и на выходе из неё; количество выделившейся теплоты в результате реакций; интенсивность тепловосприятия топки. Экологическую эффективность топки характеризует, прежде всего, концентрация NOx на выходе из топки.

На первом этапе исследований в расчетах использовались топки различных профилей. Расчеты показывают, что изменение формы профиля топки ведет к изменению интенсивности тепломассообменного процесса внутри объема.

В качестве базовой модели была принята топка с поперечным сечением круг. Одним из основных параметров характеризующих эффективность топки является интенсивность тепловосприятия. Интенсивность тепловосприятия топки (//) топки определяется формулой

n = 4Q .

/ чграсч

где Q„ - теплота, переданная в стенку для подогрева теплоносителя; Орасч ~ количество теплоты, выделенного при сгорании топлива.

На рисунке 1 приведены данные анализа величин rj/rj, (rj - интенсивность тепловосприятия топки с поперечным сечением в форме круга, ¡' = 1, 2, 3, 4, rji — интенсивность тепловосприятия топки с поперечным сечением в форме вертикального эллипса, t]2 — интенсивность тепловосприятия топки с поперечным сечением в форме горизонтального эллипса, щ - интенсивность тепловосприятия топки с поперечным сечением в форме квадрата, г]4 - интенсивность тепловосприятия топки с поперечным сечением в форме прямоугольника), которые имеют максимальные значения для вертикального эллипса во всём диапазоне вычислений.

При сравнении топок различного профиля выявлено, что вертикально расположенный эллипс имеет минимальные концентрации оксидов азота на выходе из неё (рисунок 2). Это достигается за счет увеличения скорости газового потока, уменьшения средней температуры газовой смеси в топке и наличию процессов рециркуляции.

На рисунке 2 представлены зависимость отношения (mass fraction

NO/) /' (mass fraction NO) от чисел Re, где mass fraction NO - массовая концентрация оксидов азота на выходе из топки с поперечным сечением в форме круга, /' = 1, 2, 3, 4, mass fraction (NO)i - массовая концентрация оксидов азота на выходе из топки с поперечным сечением в форме вертикального эллипса, mass fraction (NOb - массовая концентрация оксидов азота на выходе из топки с поперечным сечением в форме горизонтального эллипса, mass fraction (NO)3 - массовая концентрация оксидов азота на выходе из топки с поперечным сечением в форме квадрата, mass fraction (NO)4 - массовая концентрация оксидов азота на выходе из топки с поперечным сечением в форме прямоугольника._

1,04 1,02 1

srf),98 КЧ),96 0,94 0,92 0,9

-111 (эллипс

вертикально) -т}2 (эллипс ""Горизонтально) [3 (квадрат)

*)4 (прямоугольник)

50000

90000

Re

110000

130000

Рисунок 1 - Зависимость изменения отношений ц/г/ от числа Re

(N0)1 (эллипс вертикально) (N0)2 (эллипс горизонтально) (NO)3 (квадрат)

TNO)4

(прямоугольник)

RtJ0S000

Рисунок 2 - Зависимость mass fraction NO,/mass fraction NO от числа Re

Проанализировав полученные данные, можно сделать вывод, что топка с формой профиля вертикальный эллипс является рациональной формой для топки газотрубного котла малой и средней мощности и дальнейшие теоретические и экспериментальные исследования будут посвящены изучению процессов тепломассопереноса в данной конструкции.

Далее представлены исследования тепломассопереноса при различных отношениях большей полуоси к малой полуоси в топке с поперечным сечением вертикальный эллипс. Базовой моделью, с характеристиками которой будут происходить сравнения, является топка с формой поперечного сечения круг.

В качестве величин, характеризующих эффективность топки, были выбраны отношения чисел Рейнольдса Re3Juram: / ReKpyr, отношение интен-сивностей тепловосприятия топки );,шипс / руг, а также отношения массо-

вых концентрации оксидов азота на выходе из топки mass fraction Шэллипс / mass fraction NOKpyrдля топок с поперечным сечением в форме вертикального эллипса и круга соответственно.

На рисунке 3 изображено распределение температур в соответствии со шкалой и показаны траектории движения газовой смеси в топке газотрубного котла с поперечным сечением в форме эллипса с отношением а/b до ~ 1,3.

На рисунке 4 изображена зависимость Re3JUI1,nc / ReKpyra = fia/b). С увеличением отношения а к Ь до - 1,3 наблюдается рост Кезллипс / ReKpyra вследствие деформации поля скоростей. Дальнейший рост а/b приводит к уменьшению Regime / Re^a из-за роста влияния пристеночных эффектов.

Характер изменения кривых на графике rjэллипс/ rimn=j{alb) (рисунок 5) соответствует характеру изменения кривых на графике Ле,л;11ШС / ReKpyra = .Дя/6), (рисунок 4). Изменение формы профиля приводит к росту rj в пределах 3,3 % для вертикального эллипса из-за интенсификации теплообмена на границе раздела газ - стенка, а уменьшение значений rj соответствует области с неполным сгоранием топлива.

Одновременно с изменением формы профиля и увеличением числа Re уменьшается массовая концентрация оксидов азота (mass fraction NO) (рисунок 5) на выходе из топки котла, что достигается за счет увеличения скорости газового потока, уменьшения средней температуры газовой смеси в топке и наличия процессов рециркуляции.

Рисунок 3 - Распределение температур и траектории движения газовой смеси в топке

1,08

0,96 I—--

1,00 1,10 1,20 1,30 1,40 1,50

я/о

Рисунок 4 - Зависимость Ке3;тавгю/Кекруг1 от отношения а'Ь

Рисунок 5 - Зависимость Эллипс/ ^кри-г и ЫО,и,ипс/ МОкруг, от отношения а/Ь

Далее рассматривалось влияние внутреннего оребрения стенок топки на интенсификацию процессов тепломассообмена. Основываясь на материале литературных источников, можно прийти к выводу, что эффективным методом интенсификации теплопереноса является использование периодически расположенных в трубе выступов (поперечных ребер). Поперечные ребра в топке способствуют увеличению площади теплообмена и являются очагами зарождения турбулентных возмущений дополнительно к уже существующим в потоке флуктуациям (рисунок 6). Конкретное значение шага и высоты данных интенсификаторов должно быть выбрано на основе расчетов.

На рисунке 6 приведены геометрические характеристики котла с оре-бренной топкой.

Рисунок 6 - Геометрические характеристики котла с оребренной топкой: 1 - корпус, заполненный жидкостью, 2 - горелка, 3 - топка с профилем эллипс, 4 - поперечные ребра, 5 - реверсивная камера, 6 - пучок конвективных труб; т - шаг ребра, а0 - большая полуось по основанию топки, 6» - малая полуось по основанию топки, си- большая полуось по вершине ребра. Ъл- малая полуось по вершине ребра, А - высота ребра

Для описания параметров оребрения (шаг, высота, ширина) топки применялся коэффициент оребрения 3:

где /> - площадь оребренной поверхности топки; F- площадь внутренней гладкой поверхности оребренной трубы.

В зоне развитого конвективного потока увеличение коэффициента оребрения (уменьшение с!) приводит к росту переданной от газа к стенке теплоты ф, (рисунок 7). Для топки с поперечным сечением эллипс с поперечными ребрами область максимальных значений интенсивности тепловосприятия топки г] (рисунок 8) практически соответствует области максимальных значений для теплового потока, переданного от газа к стенке (рисунок 7). Таким образом, использование поперечных ребер в данной конструкции приводит к увеличению тепловой эффективности работы топки, т.е. г] топки с ребрами выше ц топки с неоребренной внутренней поверхностью на 5,5 %. Причем величина 8 находится в интервале от 1,2 до 1,36 и при числах Ле в пределах 100000.

При прочих равных значениях величин, характеризующих работу топки, это уменьшает объем топки (рисунок 9) в пределах 8 %, а газотрубного котла-на 5 %.

Теоретические исследования по изучению влияния степени оребрения на процессы образования МОх выявили практическое совпадение величин массовых фракций N0* на выходе для оребренной и неоребренной топок.

<5

Рисунок 7 - Зависимость изменения О. . /О, от <5

^л.реоро ^А, эллипс

0,91 -

1 1,05 1,1 1,15 1,2 1,25 1,3 1,35 1,4

<5

Рисунок 9 - Зависимость изменения V , IV от <5

J ребро эллипс

Таким образом, на основании проведенных теоретических исследований можно утверждать:

1. Применение поперечного сечения эллипс с поперечными ребрами с 5, находящимся в интервале от 1,2 до 1,36, и при числах Ке в пределах 100000 увеличивает интенсивность тепловосприятия топки примерно на 5-5,5 % по сравнению с топкой с поперечным сечением эллипс и неоребренной внутренней поверхностью.

2. Массогабаритные характеристики топки с поперечным сечением эллипс и с поперечными ребрами с <5, находящимся в интервале от 1,2 до 1,36, и при числах Яе в пределах 100000 улучшаются на 8 %, а котла - на 5 %.

3. Применение топки с поперечным сечением эллипс и с поперечными ребрами в газотрубных котлах не ухудшает экологические показатели работы последних.

Четвертая глава посвящена экспериментальным исследованиям. Для их проведения были разработаны методика и экспериментальный стенд.

На кафедре «Теплоэнергетика» ОмГТУ была спроектирована и создана экспериментальная установка для исследования радиационно-конвективного теплообмена при движении продуктов сгорания газообразного топлива в каналах различного профиля. Схема экспериментальной установки приведена на рисунке 10.

Рисунок 10 - Принципиальная схема (а) и общий вид (б) экспериментальной установки

Установка состоит из следующих основных узлов: горелка 3 с предварительной подготовкой топливовоздушной смеси с расходом 0,045 кг/с, камера горения (топка) 1, изготовленная из листовой стали длиной 1,0 м различных профилей, площадью стен 0,7 м2, которая находится внутри водяной рубашки 2, комплекс измерительных приборов 5, 6, 7.

Для проведения анализа продуктов сгорания и измерения их температур по длине экспериментального участка имеются окна. Во время работы окна плотно закрываются водоохлаждаемыми заглушками.

Для уменьшения потерь теплоты в окружающую среду вся наружная поверхность корпуса водяной рубашки изолирована.

Для экспериментальных исследований используется жидкое или газообразное органическое топливо. Смесеобразование происходит в пределах корпуса горелки 3. Регулирование процесса смешения осуществляется с помощью изменения подачи топлива в горелку. В камере горения создается избыточное давление.

Продукты сгорания топлива, образующиеся в камере горения, отводятся через экспериментальный участок и удаляются через дымовую трубу 4 в атмосферу.

В результате проведения экспериментальных работ определены следующие величины: температура газа внутри топочного объема, температура стенки топки, температура охлаждающей жидкости, радиационная составляющая теплового потока и концентрация газовой смеси на выходе из топки.

Проведены анализ, сравнение экспериментальных и расчетных данных. Разница между расчетными и экспериментальными значениями температур составляет: для эллипса 13,1 %, для эллипса с поперечными ребрами — 14,3%. При сравнении экспериментальных значений падающего радиационного теплового потока с расчетными результатами составляет для эллипса 12,6 %, для эллипса с поперечными ребрами - 15,6 %. Это свидетельствует о довольно точном согласовании полученных расчётных результатов с экспериментальными данными. Таким образом, математическая модель может быть использована для анализа рабочих процессов в топке газотрубного котла.

В пятой главе «Методика и результаты технико-экономических расчетов использования эффективных поверхностей теплообмена при совершенствовании конструкции топки газотрубного котла» представлены данные, полученные в результате технико-экономических расчетов использования эффективных поверхностей теплообмена при совершенствовании конструкции топки газотрубного котла.

В результате расчетов определены основные интегральные показатели эффективности: чистый дисконтированный доход, индекс доходности и срок окупаемости капитальных вложений. Сформулирована и решена задача оптимизации с учетом массогабаритных и рабочих характеристик газотрубного котла.

Основные данные, характеризующие работу газотрубного котла, полученные в результате расчетов:

- себестоимость тепловой энергии - 180 руб./ГДж;

- чистый дисконтированный доход - 4960 руб.;

- индекс доходности - 1,08 руб./руб.;

- срок окупаемости - 2,2 года.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Выполнен анализ особенностей конструкций и режимов работы газотрубных котлов; существующих методов расчета теплообмена в топках; особенностей теплопереноса в топках газотрубных котлов малой, средней мощности и способов его интенсификации.

2. Разработана методика расчета газотрубного котла с учетом процессов лучистого и конвективного теплообмена в топке некруглого профиля с использованием дифференциального метода расчета кинетического горения газообразного топлива и балансового метода с учетом условий теплоотдачи на внешней поверхности стенки.

3. Показано, что изменение профиля топки с круглого на эллипс приводит к росту интенсивности тепловосприятия топки на 2,6-3,2 % при одновременном уменьшении концентрации N0 на выходе из топки на 20-23 %.

4. В результате расчетных исследований получены зависимости интенсивности тепловосприятия от значений коэффициента оребрения внутренней поверхности тонки с профилем вертикальный эллипс.

При коэффициенте оребрения, находящемся в интервале от 1,2 до 1,36 при числах Яе в пределах 100000, интенсивность тепловосприятия внутренней поверхности топки увеличивается на 5,5-6 % по сравнению с топкой с профилем эллипс и неоребренной внутренней поверхностью.

Массогабаритные характеристики топки уменьшаются на 8 % и котла -на 5 %.

5. Достоверность разработанных рекомендаций подтверждается согласованностью полученных теоретических результатов с экспериментальными данными. Максимальное расхождение составляет 15,6 % и является характеристикой радиационного теплового потока.

6. По результатам технико-экономического анализа определена экономическая эффективность предложенных решений, срок окупаемости которых составляет 2,2 года.

Основные результаты работы представлены в следующих публикациях и патентах:

Статьи в научных изданиях, входящих в перечень рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ

1. Ненишев, А. С. Вопросы интенсификации теплообмена в потоке реагирующих газов в газотрубных котлах / А. С. Ненишев, А. Г. Михайлов, П. А. Батраков II Омский научный вестник. Сер. Приборы, машины и технологии. -2011. - № 1 (97).-С. 72-74.

2. Ненишев, А. С. Моделирование реагирующей среды в топочных камерах газотрубных котлов / А. С. Ненишев, А. Г. Михайлов, П. А. Батраков, Д. С. Ро-маненко, С. В. Теребилов // Омский научный вестник. Сер. Приборы, машины и технологии. - 2011. - № 2 (100). - С. 139-142.

3. Михайлов, А. Г. Применение огнеупорных материалов в топках газотрубных котлов / А. Г. Михайлов, П. А. Батраков // Омский научный вестник. Серия Приборы, машины и технологии. - 2011. -№ 3 (103). - С. 138-139.

4. Михайлов, А. Г. Численное моделирование процессов тепломассопере-носа 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.

5. Михайлов, А. Г. Изучение радиационно-конвективного теплообмена высокотемпературного газового потока в канале / А. Г. Михайлов, С. А. Корнеев, П. А. Батраков, С. В. Теребилов // Омский научный вестник. Серия Приборы, машины и технологии. - 2012. - № 2 (110). - С. 161-162.

6. Михайлов, А. Г. Разработка теоретических основ снижения образования оксидов азота в топках газотрубных котлов / А. Г. Михайлов, П. А. Батраков, С. В. Теребилов // Политематический сетевой электронный журнал Кубанского государственного аграрного университета - электронный журнал - IDA [arti-clelD]: 0901306062.

Статьи в материалах международных научных конференций

1. Михайлов, А. Г. Вопросы конструирования и теплового расчета тепло-обменных аппаратов / А. Г. Михайлов, П. А. Батраков // Энергосбережение в тешоэлектроэнергетике и теплоэлектротехнике: материалы Междунар. науч,-практ. конф. - Омск: Изд-во ОмГТУ, 2010. - С. 133-134.

2. Ненишев, А. С. Интенсификация процессов сложного теплообмена в топках малых котлов за счет закручивания потоков / А. С. Ненишев, А. Г. Михайлов, П. А. Батраков // Омский регион - месторождение возможностей: материалы И Регион, молодеж. науч.-техн. конф. — Омск: Изд-во ОмГТУ, 2011. -С. 281-283.

3. Кинетика горения органических топлив в топочных камерах газотрубных котлов / А. С. Ненишев, А. Г. Михайлов, П. А. Батраков, Д. С. Романенко, С. В. Теребилов // Актуальные проблемы энергетики АПК: материалы II Междунар. науч.-практ. конф. - Саратов: КУБиК, 2011. - С. 210-215.

4. Михайлов, А. Г. Вопросы повышения энергоэффективности газотрубного котла / А. Г. Михайлов, П. А. Батраков, С. В. Теребилов // Модернизация жилищно-строительного комплекса в субъектах Сибирского Федерального округа: материалы межрегион, науч.-практ. конф. - Омск: ИПК Макшеевой Е. А., 2011. - С. 83-86.

5. Михайлов, А. Г. Вопросы выбора огнеупорных материалов для интенсифи-каторов теплопереноса в топке газотрубных котлов / А. Г. Михайлов, П. А. Батраков // Проблемы, перспективы и стратегические инициативы развития теплоэнергетического комплекса: материалы Междунар. науч.-практ. конф. - Омск: Изд-во ОмГТУ, 2011,- С. 106-109.

6. Батраков, П. А. Децентрализованные системы теплоснабжения и их влияния на окружающую среду / П. А. Батраков, Е. Н. Слободина // Проблемы, пер-

спективы и стратегические инициативы развития теплоэнергетического комплекса: материалы Междунар. науч.-практ. конф. - Омск: Изд-во ОмГТУ, 2011. -С. 235-237.

7. Михайлов, А. Г. Численное исследование влияния формы топки газотрубного котла на состав дымовых газов / А. Г. Михайлов, П. А. Батраков // Энергия и человек: сб. тр. Междунар. молодеж. науч. школы. - Томск: Изд-во ТПУ, 2011.-С. 53-57.

X. Михайлов, А. Г. Численное моделирование течения реагирующих газов в топке газотрубного котла / А. Г. Михайлов, П. А. Батраков, С. В. Теребилов // Техника и технология: новые перспективы развития: материалы III Междунар. науч.-практ. конф. — М.: Спутник+, 2011.— С. 46-51.

9. Батраков, П. А. Численное моделирование течения реагирующих газов и теплообмена в топке газотрубного котла / П. А. Батраков II Россия молодая: передовые технологии - в промышленность!: материалы IV Всерос. молодеж. науч.-техн. конф. с междунар. участием, 15-17 нояб. 2011 г.: в 2 кн. Кн. 2. -Омск: Изд-во ОмГТУ, 2011. - С. 9-11.

10. Михайлов, А. Г. Разработка экспериментальной установки для моделирования и исследования процессов сложного теплообмена / А. Г. Михайлов, П. А. Батраков И Техника и технология: новые перспективы развития: материалы IV Междунар. науч.-практ. конф. -М: Спутник+, 2011. -С. 82-85.

11. Михайлов, А. Г. Теоретические исследования влияния геометрии топки газотрубного котла на состав продуктов сгорания / А. Г. Михайлов, П. А. Батраков И Современные технологии и управление в энергетике и промышленности: сб. науч. тр. - Омск: Изд-во ОмГТУ, 2012. - С. 284-287.

12. Михайлов, А. Г. Теоретические исследования тепломассообмена в топке газотрубного котла при изменении ее формы / А. Г. Михайлов, П. А. Батраков // Энергетики и металлурги - настоящему и будущему России: материалы 13-й Всерос. науч.-практ. конф. студентов, аспирантов и специалистов. — Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск, гос. техн. ун-та им. Г. И. Носова, 2012. - С. 123126.

13. Михайлов, А. Г. Теоретическое исследование влияния геометрических характеристик топки газотрубного котла на процессы образования оксидов азота при сжигании газообразного топлива / А. Г. Михаилов, П. А. Батраков, С. В. Теребилов // Фундаментальные и прикладные науки: материалы VIII Междунар. симпозиума. - М.: РАН, 2013. - Т. 2. - С. 51-60.

Статьи в зарубежных журналах

1. Михайлов, А. Г. Численное исследование влияния формы топки газотрубного котла на состав продуктов сгорания газообразного топлива / А. Г. Михайлов, П. А. Батраков // Svvorld: сб. науч. тр. по материалам Междунар. науч.-практ. конф. Т. 8. № 2. - Одесса: Изд-ro Куприенко С. В., 2012. - С. 18-22.

2. Михайлов, А. Г. Установка для экспериментального изучения теплопере-носа в топке газотрубного котла / А. Г. Михайлов, П. А. Батраков // Sworld: сб. науч. тр. по материалам Междунар. науч.-практ. конф. - Т. 10. - № 3. - Одесса: Изд-во Куприенко С. В., 2012. - С. 27-29.

3. Михайлов, А. Г. Расчётное исследование влияния геометрических характеристик топки газотрубного котла на процессы образования оксидов азота /

А. Г. Михайлов, П. А. Батраков // SWorld: сб. науч. тр. - Вып. 2. - Т. 10. - Одесса: КУПРИЕНКО, 2013-С. 13-22.

4. Михайлов, А. Г. Вопросы теплообмена в топках газотрубных котлов. Обзор методов расчета / А. Г. Михайлов, П. А. Батраков, С. В. Теребилов // SWorld: сб. науч. тр. - Вып. 3. - Т. 7. - Одесса: КУПРИЕНКО, 2013 - С. 3-10.

5. Mikhailov, A. G. Problems of heat transfer in the furnace of boilers. Overview of calculation methods / A. G. Mikhailov, P. A. Batrakov, S. V. Terebilov // Research Bulletin SWorld. 2013. T. J21310. № 5. http.V/vww.sworld.com.ua/index.php/ru/e-journal/2227-6920/j213/20948-j21310

6. Gas-tube boilers: Issues of classification and thermal calculation / A. G. Mikhailov, P. A. Batrakov, S. V. Terebilov, E. N. Slobodina // Dynamics of Systems, Mechanisms and Machines (Dynamics), 2014. - P. 1-4. http://ieeexplore.ieee.org/xpl/articleDetaiIs.jsp?tp=&amumber=7005684&queryText% 3Dbatrakov+p.

Патенты и свидетельства электронных ресурсов

1. Пат. 121350 Российская Федерация, МПК F24 Н 1/00. Жаротрубный котел / А. Г. Михайлов, А. С. Ненишев, П. А. Батраков (Россия); заявитель и патентообладатель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Омский государственный технический университет». № 2012119381/28; заявл. 11.05.12; опубл. 20.10.12, Бюл. № 34. - 5 с.: 3 ил.

2. Пат. 127176 Российская Федерация, МПК F24 Н 1/28. Жаротрубный котел / А. Г. Михайлов, П. А. Батраков (Россия); заявитель и патентообладатель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Омский государственный технический университет». № 2012143173/06; заявл. 09.10.12; опубл. 20.04.13, Бюл. № 11. - 5 с. : 4 ил.

3. Тепловой расчет газотрубного котла с цилиндрической топкой с профилем эллипс с внутренним оребрением / А. Г. Михайлов, П. А. Батраков. - М.: ИНИПИ РАО ОФЭРНиО, 2014. - № 50201450822 ВНТИЦ, Св-во о регистрации электронного ресурса № 20572.

4. Тепловой расчет газотрубного котла с цилиндрической топкой с профилем эллипс с внутренним оребрением / А. Г. Михайлов, П. А. Батраков. - М.: ИНИПИ РАО ОФЭРНиО 2014. - № 50201450822 ВНТИЦ, Св-во о регистрации электронного ресурса № 20652.

Подписано в печать Формат 60x84 1/16

Бум. офсет. Усл. печ. л. 1,0 Уч.-изд. л. 1,0

Тираж 100 экз. Заказ 49 Бесплатно

Саратовский государственный технический университет

410054, Саратов, Политехническая ул., 77 Отпечатано в Издательстве СГТУ. 410054, Саратов, Политехническая ул., 77 Тел.: 24-95-70; 99-87-39, e-mail: izdat@sstu.i-u