Разработка отопительных котлов высокой тепловой напряженности на основе моделирования теплообмена в топочной камере

В решениях ХХУ1 съезда КПСС ускорение научно-технического прогресса, повышение эффективности производства, производительности труда и экономил топлива признаны важнейшими народнохозяйственными и политическими задачами.

В отчетном докладе ЦК КПСС на ХХУ1 съезде отмечалось, что потребности страны в энергии и сырье непрерывно растут, а их производство обходится все дороже. Следовательно, чтобы не идти на чрезмерное увеличение капитальных вложений, надо добиваться более рационального использования ресурсов /I/. Это указание прежде всего относится к такому ценному достоянию, как топливно-энергетические ресурсы, потребление которых быстро увеличивается.

Постановлением ЦК КПСС и Совета Министров СССР от 2 ацреля 1981 г. № 328 «Об основных направлениях и мерах по повышению эффективности использования топливно-энергетических ресурсов в народном хозяйстве в 1981;1985 годах и на период до 1990 года» перед энергетиками страны поставлена конкретная задача: оптимизировать режимы работы энергетических установок с целью значительного снижения удельных расходов топлива, разработать и изготовить отопительные водогрейные котлы производительностью до 3 Гкал/час с эффективными топочными устройствами.

Известно, что большие возможности экономии топливно-энергетических ресурсов заключены в совершенствовании выработки тепла в котельных небольшой мощности.

Несмотря на прогресс в технике централизованной выработки тепла на базе крупных станций /2/, котельные малой мощности занимают и будут занимать существенное место. Ежегодно доля отопительных котельных в общем энергетическом балансе страны составляет от 43 до 46% /4/.

Количество энергии, произведенной в отопительных котельных мощностью до 3 Гкал/час, составляет 307 млн. Гкал /з/. Теплофикация экономически целесообразна (в зависимости от климатических условий, стоимости и вида топлива и других факторов) цри тепло-мощности района более 200−400 мВт. При нагрузках менее указанных, что особенно характерно при малоэтажной застройке, наиболее целесообразно теплоснабжение осуществлять от районных и местных котельных.

В настоящее время эксплуатируется свыше 120 тыс. котельных с чугунными секционными котлами, обеспечивающими около 40% теп-лопотребления жилищно-коммунального хозяйства населенных мест. Из них число отопительных котельных мощностью до 3 Гкад/час в городах — 51 710, в поселках — 14 484, в сельской местности — 37 859.

Интенсивное развитие индустриального сельского домостроения потребует в ближайшие годы значительного количества котельных малой мощности (от I до 7 мВт) для нужд отопления и горячего водоснабжения. Учитывая, что часовая расчетная нагрузка сельских потребителей к 1985 году возрастет на 35. Ю3 мВт, можно сказать, что за пятилетие будет построено 11 500 котельных со средней мощностью 3 мВт. При этом потребуется ввести в строй 30−35 тысяч котлоагрегатов. К 1985 году расчетное потребление тепла в городах возрастет на 90"Ю3 мВт- 80 $ тепловой нагрузки намечено обеспечить от ТЭЦ и районных котельных, а 20 $, т. е. 18 000 мВтот малых котельных. Роль котельных с котлами небольшой теплопро-изводительности еще длительное время будет существенной для теплоснабжения населенных пунктов нашей страны.

В качестве генераторов тепла в малых котельных применяются, в основном, чугунные отопительные котлы теплопроизводительностью от 0,3 до 1,0 мВт. Таким образом, разработка и совершенствование конструкций чугунных отопительных котлов, создание новых типов котлов той же производительности является актуальным вопросом.

В соответствии с постановлением СМ СССР и ЦК КПСС 946 от 29.12.73 г. были разработаны тематические планы на 1971;1975 годы и 1976;1980 годы, которыми предусматривались «Исследования, направленные на повышение надежности, долговечности и эффективности работы чугунных секционных котлов» .

При конструировании котлов решающее значение имеет знание процессов теплои массопереноса, протекающих в них, и построенный на этом тепловой расчет. С его помощью определяется тепловая эффективность работы котла в целом и устанавливается тепловосп-риятие отдельных его частей: топки и конвективных газоходов. Конструкция котла может быть рациональной в том случае, если в ней наиболее целесообразно распределены величины тепловосприятия поверхностей нагрева. Оптимальное соотношение тепловосприятия конвективных и радиационных поверхностей нагрева позволит достичь высоких теплотехнических показателей котлоагрегата и повысить эффективность использования топлива.

Расчеты показывают, что повышение коэффициента полезного действия выпускаемых чугунных котлов с 65 до 70% обеспечит экономию топлива в размере 86,6 тыс. тонн условного топлива/год или 1,73 млн .-руб./год (при стоимости I т у.т. около 20 руб.). Несмотря на то, что выпуск и потребность в отопительных котлах, работающих на газообразном топливе, с каждым годом увеличивается, метод теплового расчета этих котлов до сих пор не разработан и расчеты их проводятся по нормам, составленным для энергетических котлов, рекомендации, заложенные в «Нормативном методе теплового расчета котельных агрегатов» 1973 г., не могут быть в полной мере использованы в расчете отопительных котлов, так как они имеют свою специфику, как в отношении геометрического оформления топок, так и в характерных значениях удельных общих и локальных тепловых потоков.

В НИИсантехники в 1966 г. была закончена работа по исследованию теплообмена в топках чугунных отопительных котлов, работающих на твердом топливе /5/. Продолжение и развитие этой проблемы применительно к котлам на газообразном топливе с целью обеспечения возможности научно-обоснованной разработки новых конструкций котлов и оптимизации топочных процессов существующих отопительных котлов, создание методов расчета теплопереноса в топках и освоение вновь созданных котлов и являются основными направлениями работы.

Автор защищает:

I. Результаты экспериментального и аналитического исследования сложного и радиационного теплообмена в высоконапряженных топках отопительных котлов, предназначенных для теплоснабжения зданий и сооруженийа) обобщенную критериальную зависимость для расчета сложного теплопереноса в топках отопительных котлов, отражающую влияние гидродинамических и геометрических факторов и оптических свойств излучающей среды на процесс теплообменаб) необходимость и целесообразность учета конвективной составляющей в общем тепловом потокецри этом установлено взаимодействие радиационного и конвективного потоковв) экспериментально подтвержденную невозможность аддитивного сложения потоков тепла при расчете теплообмена в топках отопительных котловг) возможность и целесообразность применения нового метода светового моделирования излучения, основанного на использовании резольвентных способов решения интегральных уравнений радиационного теплопереноса, для оценки коэффициентов облученности и распределения локальных тепловых потоков во вновь создаваемых отопительных котлах.

2. Приемлемые для инженерных расчетов эмпирические зависимости, достоверно отражающие влияние на теплообмен геометрических и режимных параметров работы топочной камеры в широком диапазоне изменения числа Рче и комплексного арп^умента Мо.

3. Принципиальную экспериментальную установку по исследованию радиационного теплообмена на световой модели топки котла с точечными источниками излучения и приемниками световой энергии и методику экспериментальных исследований.

4. Предложенную конструкцию отопительного котла, сконструированного на основе проведенных исследований, обеспечивающую повышенную эксплуатационную надежность и экономичность.

5. Методику расчета отопительных котлов высокой тепловой напряженности при сжигании газообразного и жидкого топлива.

6. Результаты теплотехнических испытаний серийного образца котлоагрегата «Факел» на газообразном топливе.

Серийное производство котлоагрегатов «ГАЗ-900* и «Факел» освоено на Минском заводе отопительного оборудования. Годовой выпуск котлоагрегата «Факел» в 1981 г. составил 250 штук, что дало экономический эффект П85 000 руб.

153 ВЫВОДЫ.

1. Существующие методы, используемые для расчета теплообмена в топках отопительных котлов малой мощности, как правило, заимствованы из тепловых расчетов энергетических котлов и не учитывают особенностей теплопереноса в специализированных отопительных котлах: больших скоростей газового потока, значительной дож конвективной составляющей в общем теплопереносе, малых объемов излучающих газов. Теоретический анализ процессов теплообмена в топочных камерах позволил перейти к экспериментальным исследованиямна огневых и световых моделях с целью создания общей и надежной методики расчета отопительных котлов.

2, Экспериментальные исследования на огневой модели котла методом двух радиометров позволили установить, что при сложном теплообмене в топке котла наблюдается взаимодействие радиационного и конвективного потоков тепла, в результате чего радиационный тепловой поток увеличивается под влиянием конвекции более чем на 10%, а конвективный поток несколько уменьшается под воздействием радиации. В связи с этим аддитивное сложение потоков тепла при расчете теплообмена дает значительную ошибку. Доля конвективного переноса в общем тепловом потоке отопительных котлов составляла ходимость учета конвективной составляющей при расчете теплообмена топок отопительных котлов.

3. По результатам экспериментального исследования получены зависимости критерия относительного тепловосприятия от критериев-аргументов и обобщающая зависимость /8,9,10.11/, достоверно отражающая влияние на теплообмен гидродинамических и геометрических параметров работы топочной камеры в широком диапазоне изменения от 21% до 39% в зависимости от числа что доказывает необкритерия Рейнольдса.

664*2608) и комплексного аргумента Мо = 1Д6 * 3,47).

4. Установлена возможность и целесообразность рекомендовать для случая радиационно-конвективного теплообмена излучающего газа (потухших продуктов сгорания) с охлаждаемыми стенками критериальную зависимость /3/ и /4/.

5. Предложенная методика расчета теплопереноса в топках различной конфигурации может быть распространена на класс отопительных котлов высокой тепловой напряженности, работающих на жидком и газообразном топливе.

6. Доказана возможность применения для определения локальных тепловых потоков на стенки котла и угловых коэффициентов облученности нового метода светового моделирования излучения, основанного на использовании резольвентных способов решения интегральных уравнений радиационного теплопереноса, на примере топок цилиндрической конфигурации, а именно, при моделировании топки котла ТАЗ-900″ .

Метод светового моделирования несмотря на его трудоемкость незаменим при проектировании для расчета средних радиационных тепловых потоков, угловых коэффициентов и распределения локальных радиационных п тепловых потоков в топках сложной конфигурации.

7. Экспериментальнае исследования на световых моделях позволили определить значения локальных падающих тепловых потоков, локальных результирующих тепловых потоков, построить их распределение по ходу газа вдоль стенок котла и огневой модели, выявить наиболее напряженные, с точки зрения радиационных тепловых потоков, участки поверхностей нагрева.

8. Рассчитанные радиационные тепловые потоки с использованием оптико-геометрических соотношений (резольвент), полученных на световой модели с поглощающей средой, соответствуют экспериментальным данным по потокам излучения на огневом стенде.

9. Обработка опытного материала по замерам угловых коэффициентов на световой модели ромбовидного котла РЧ-2 позволила выявить наиболее нагруженные участки поверхности нагрева и оптимизировать конструктивное оформление топки котла.

10. Результаты исследований на опытном образце котла «Факел» позволили выявить параметры оптимизации: температуру газов на выходе из топки, тепловое напряжение топочного объема, технологичность изготовления секций, металлоемкость, полносборноеть, стоимость.

11. С использованием результатов проведенных исследований разработана конструкция ромбовидного котла РЧ-2 и высокоэффективного специализированного котлоагрегата «Факел», обладающего эксплуатационной надежностью и экономичностью.

12. Величина годового экономического эффекта от внедрения котла «Факел» на газообразном топливе, при выпуске партии в количестве 250 штук составила II85000 руб., что доказывает эффективность проведенных исследований, надежность рекомендаций при конструировании котлоагрегатов и обоснованность путей интенсификации теплопереноса в них. ж" -и" '" гЮЛоловач.