ВЛИЯНИЕ ИЗБЫТКА ВОЗДУХА И ТЕПЛОВОЙ МОЩНОСТИ

УДК 697.329 (075.8)
ВЛИЯНИЕ ИЗБЫТКА ВОЗДУХА И ТЕПЛОВОЙ МОЩНОСТИ ТОПОЧНОГО ОБЪЕМА
НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ РАБОТЫ КОТЛОВ ВТГ
Д. Б. Кладов, Д. М. Чудинов
Сегодня теплоэнергетические объекты коммунально-бытового назначения требуют замены морально
устаревших котлоагрегатов на новые и более эффективные. Создание котлов ВТГ является одним из рациональных
путей решения актуальной проблемы отечественной малой энергетики. Данная статья посвящена оценке
эффективности теплообмена в котлах ВГТ при вариации избытка воздуха и мощности топочного объема
Ключевые слова: котел, лучистый теплообмен, угловой коэффициент излучения
В настоящее время котлы малой тепловой
мощности имеют те или иные недостатки
(невысокий КПД; низкая технологичность
изготовления
и
монтажа;
высокая
металлоемкость
и
большие
габариты,
отнесенные к единице выработанной тепловой
энергии;
недостаточная
надежность
и
долговечность в эксплуатации).
Техническое
перевооружение
теплоэнергетических объектов коммунальнобытового назначения предполагает замену
морально
устаревших
котлоагрегатов,
установленных
в
большинстве
мелких
котельных, на новые и более эффективные.
Таким образом, создание стальных
отопительных котлов мощностью от 0,58 до
5,8
МВт,
отвечающего
современным
требованиям отопительной техники, является
одним из рациональных путей решения
актуальной проблемы отечественной малой
энергетики.
Одной из важнейших характеристик
работы котла в целом является эффективность
радиационного теплообмена в топочной камере
[1].
Из большого числа факторов, влияющих
на лучистый теплообмен, были выбраны для
рассмотрения наиболее существенные [2], а
именно: величина избытка воздуха в топочной
камере αТ и тепловая мощность топочного
объема qV .
Оценка
эффективности
теплообмена
излучением опытно-промышленных образцов
котлов ВТГ осуществлялась по показателям
Кладов Дмитрий Борисович – ЮЗГУ, ст. преподаватель,
e-mail: gnezdilova@kgtu.ru
Чудинов Дмитрий Михайлович – ВГАСУ, канд. техн.
наук, доцент, тел. 8(473) 271-53-21
лучистого теплообмена [2]: коэффициенту
прямой отдачи топки σ, среднеинтегральной
величине интенсивности излучения Ī и
концентрации сажистых частиц ССЖ.
Диапазон
исследования
определялся
рациональной областью изменения режимных
параметров работы котла: избыток воздуха
αТ = 1,05-1,5 и тепловая мощность топочного
объема qV = 180-225 кВт/м3.
Коэффициент прямой отдачи топки,
представляющий собой отношение количества
теплоты, переданной излучением, к полному
располагаемому
количеству
теплоты,
введенной в топку с топливом и воздухом,
определяется по формуле [2]
,
(1)
- теплота продуктов сгорания,
где
-располагаемая
выходящих из топки кДж/ч;
теплота сгорания топлива,
или кДж/кг;
- расход топлива,
или кг/ч;
теплота, вносимая в топку с воздухом и
топливом, кДж/ч.
Увеличение
коэффициента
избытка
воздуха приводит к снижению температуры
топочных газов, а рост тепловой мощности
топочного объема влечет за собой повышение
температуры дымовых газов, выходящих из
топки. Все это в значительной степени влияет
на интенсивность теплообмена в топке, что
проявляется в снижении количества теплоты,
переданного экранным поверхностям нагрева.
Коэффициент , как это отражено на рис. 1в и
рис. 2в, резко изменяется количественно с
изменением значений коэффициента избытка
и тепловой мощности топочного
воздуха
объема .
Как показали испытания, в результате
снижения температурного уровня в топочной
камере при повышении коэффициента избытка
воздуха
наблюдается
значительное
снижение
среднеинтегральной
величины
интенсивности излучения факела в топочном
объеме (см. рис. 1б). Повышение тепловой
мощности топочного объема
влечет за собой
увеличение тепловыделения в топке и рост
концентрации дисперсных частиц сажистого
углерода (см. рис. 2а), следствием чего
является
значительное
повышение
среднеинтегральной величины интенсивности
излучения факела (см. рис. 2б).
Рис. 1. Влияние избытка воздуха αт на изменение коэффициента прямой отдачи топки σ(в),
интенсивности излучения, кВт/м2 (б), выброса сажистых частиц, г/м3 (а): 1 – теплонапряжение
топочного объема 181 кВт/м3; 2 – то же 210 кВт/м3; 3 – то же 223 кВт/м3
Рис. 2. Влияние тепловой мощности топки qv на изменение коэффициента прямой отдачи топки
σ(в), интенсивности излучения , кВт/м2 (б), выброса сажистых частиц Ссж, г/м3 (а)
Значения среднеинтегральной величины
интенсивности
излучения
факела
определялись на основании репрезентативной
выборочной
совокупности
измеренных
локальных тепловых потоков. Замечено, что
при сжигании природного газа значение
оказывается меньшим, чем при сжигании
мазута (примерно на 30-40 кВт/ ), что хорошо
согласуется с результатами работы [3].
Распределение
падающего
и
обратного
излучения в топках котлов ВТГ-0,5; ВТГ-2;
ВТГ-5 показано на рис. 3, 4 и 5 соответственно.
Рис. 3. Распределение падающего и обратного излучения в топке котла ВТГ – 0,5: а – при
сжигании газа; б – при сжигании мазута; ◄ - горелочное устройство. qv = 210 кВт/м3
Рис. 4. Распределение падающего и обратного излучения в топке котла ВТГ – 2: а – при
сжигании газа; б – при сжигании мазута; ◄ - горелочное устройство. qv = 210 кВт/м3
Рис. 5. Распределение падающего и обратного излучения в топке котла ВТГ – 5: а – при
сжигании газа; б – при сжигании мазута; ◄ - горелочное устройство. qv = 210 кВт/м3
Падающие
потоки
изображены
сплошными
кривыми,
отраженные
прерывистыми. Большие цифры в углах
координатной сетки относятся к величинам
падающих тепловых потоков ( ), меньшие- к
величинам отраженных тепловых потоков ( ).
как отмечается в [2], величина обратного
излучения определяется, в основном, степенью
загрязнения
экранных
поверхностей.
Проведенные исследования осуществлялись
при одинаковых условиях (
, что делало возможным проведение
сравнения надежностных и теплообменных
характеристик работы топки при сжигании газа
и мазута. Максимальные падающие тепловые
потоки при сжигании газа достигали
201 кВт/ , при сжигании мазута - 249 кВт/ .
Определение тепловых потоков производилось
относительно левого бокового и сводового
экранов. В обоих случаях максимальные
значения тепловых потоков имели место
вблизи выходного окна из топки в
конвективную часть котла.
Среднеинтегральная
величина
интенсивности излучения топочного объема
при сжигании природного газа составляет
160 кВт/ , при сжигании мазута - 179 кВт/ .
Значения падающих и обратных тепловых
потоков уменьшаются с понижением тепловой
мощности топочного объема. В этом случае
отсутствует ярко выраженный максимум
тепловых потоков, в то же время наблюдается
понижение
величины
теплопоглощения
(
).
Таким
образом,
проведенные
исследования подтверждают, что коэффициент
σ и величина главным образом зависят от
изменения параметров
и . При сжигании
мазута величина теплопоглощения оказывается
на 20-40 кВт/
больше, чем при сжигании
природного
газа.
Однако
характер
распределения
(см.
рис.
3-5)
свидетельствует о низкой эффективности
сжигания мазута в стесненных топочных
объемах отопительных котлов малой тепловой
мощности и неблагоприятных условиях для
выгорания сажистых частиц, максимум
образования которых находится вблизи
выходного проема топки.
Зависимость выброса сажистых частиц от
изменения
и
изучена достаточно глубоко.
Полученные в настоящей работе данные (см.
рис. 1а и 2а) хорошо согласуются с
результатами, приведенными в работах [1,4].
Обращает на себя внимание тот факт, что при
определенных избытках воздуха выброс
сажистых частиц стабилизируется, а при
последующем увеличении
даже несколько
возрастает. Это объясняется чрезмерным
охлаждением
пламени,
приводящим
к
незавершенности реакции горения.
Уравнения
регрессии,
отражающие
теплообмен в топочной камере котлов серии
ВТГ, имеет следующий вид:
.
(2)
-
52412
(3)
.
.
(4)
Уравнения графически интерпретированы
на рис. 1 и 2 и имеют вид параболических
зависимостей.
Создание котла ВТГ позволит решить
следующие задачи:
- повышение эффективности сжигания
газообразного и жидкого топлив и улучшение
санитарного состояния воздуха прилегающих к
котельным районов;
повышение
экономичности
и
эксплуатационной надежности работы котлов;
- ликвидация фактически существующего
в
коммунальном
секторе
разрыва
в
номенклатуре тепловой мощности котлов;
снижение
удельных
показателей
агрегатов (в том числе расхода металла),
отнесенных к единице вырабатываемой
тепловой мощности;
повышение
тепловой
мощности
котельных на существующих площадях;
- высвобождение части людских ресурсов
и облегчение труда обслуживающего персонала
(за
счет
повышения
технологичности
изготовления, монтажа и эксплуатации котлов).
Литература
1. Виноградов, Н.С. Теплообмен излучением в
топочных пространствах паровых котлов / Н.С.
Виноградов. - Л. - 1939. – 198 с.
2. Блох, А.Г. Радиационный теплообмен в топках
котлов / А.Г. Блох. - Л. - 1980. – 288 с.
3. Абрамов, А.К. Повышение эффективности
стальных отопительных котлов малой мощности при
сжигании газообразного и жидкого топлива / А.К.
Абрамов // Автореф. дис….канд. техн. наук. – Ленинград.
- 1983. – 22 с.
4. Кривандин, В.А. Светящееся пламя природного
газа. - М., 1973. – 135 с.
5. Сотникова, К.Н. Автоматизация процесса
управления тепловыми потоками в помещениях / К.Н.
Сотникова, А.В. Муратов // Вестник Воронежского
государственного технического университета. – 2008 - №
12 – С. 48-50.
6. Сотникова, К.Н. Повышение эффективности
энергоснабжения
потребителей
в
системах
с
нетрадиционными источниками теплоты. / К.Н.
Сотникова // Вестник Воронежского государственного
технического университета. – 2009 - № 4 – С. 66-71.
7. Сотникова, О.А. Обоснование перспективных
направлений
снижения
интенсивности
коррозии
теплообменных поверхностей котлов теплогенерирующих
установок систем теплоснабжения / О.А. Сотникова, С.И.
Черенков // Инженерные системы и сооружения. – 2009 № 1 – С. 99-107.
Юго-Западный государственный университет (г. Курск)
Воронежский государственный архитектурно-строительный университет
INFLUENCE OF SURPLUS OF AIR AND THERMAL CAPACITY
ON AN OVERALL PERFORMANCE OF BOILERS VTG
D.B. Kladov, D.M. Chudinov
Today heat power objects of household purpose demand replacement of obsolete boilers on new and more effective.
Creation of boilers VTG, is one of rational ways of the decision of an actual problem of domestic small power. Given clause is
devoted to an estimation of efficiency of heat exchange in boilers VTG at a variation of surplus of air and capacity.
Key words: boiler, radiant heat exchange, angular factor of radiation