Автор д.т.н., проф., Зайцев О.Н., «Одесский национальный политехнический университет»

Развитие энергетического комплекса Украины в условиях импорта топливно-энергетических ресурсов требует разработки и применения высокоэффективных энергосберегающих технологий.

Однако, применяющееся в настоящее время теплогенерирующее оборудование установлено из расчета максимальных тепловых нагрузок, что в условиях изменения наружной температуры предполагает его работу в режимах, отличных от номинальных, приводящих соответственно, к перерасходу топлива и, соответственно, снижению КПД оборудования. В то же время, нормативные документы требуют установки терморегулирующей арматуры на каждом нагревательном приборе, что в свою очередь увеличивает их площадь на 10-15% для обеспечения необходимого диапазона температурного регулирования, которое изменяет гидравлику теплоснабжающих систем и снижает, таким образом, полезную производительность тепло генераторов.

При установке теплогенерирующих установок большой мощности эти колебания режимов работы сглаживаются за счет превалирующей доли потребления тепла на технологические нужды, что выдвигает на первый план проблему расширения режимов работы теплоэнергетического оборудования малой мощности, применяемого, в основном, для систем децентрализованного теплоснабжения. Также необходимо учесть, что тепло, которое полезно использует потребитель, не соответствует количеству выработанного тепла. То есть коэффициент используемого тепла определяется по зависимости (1):

где к, т.с, с.о, н.п — соответственно, коэффициенты полезного действия котельной, тепловых сетей, системы отопления и нагревательных приборов.

При децентрализации теплоснабжения (применения котлов малой мощности) следует учесть то обстоятельство, что определение КПД зарубежных котлов выполнено в соответствии с нормами стран-производителей (как правило, при температурном перепаде 75-60 °С). Учет же снижения тепловой нагрузки и уменьшение КПД котла в связи с уменьшением эффективности использования тепловоспринимающей поверхности не указаны. Таким образом, главенствующую роль в определении эффективности работы котла имеет организация сжигания газов и, соответственно аэродинамика топки [1].

Таким образом, разработка и исследование способа сжигания газового топлива в котлах малой мощности являются актуальными.

Для повышения эффективности работы котлов малой мощности в период снижения отопительной нагрузки, предложено управлять положением максимума температур в топочном пространстве путем использования аэродинамики взаимодействующих встречных закрученных потоков, смещенных в горизонтальной плоскости относительно друг друга пропорционально расстоянию между горелками. [2].

Для получения поля результирующей скорости при предложенном взаимодействии был выполнен ряд экспериментальных исследований.

Экспериментальная установка состоит из двух сопел, диаметром 100 мм, с тангенциальным подводом потока, гибких воздуховодов, вентилятора высокого давления, задвижек для регулирования расхода воздуха.

Для выполнения измерений скорости установка снабжена термоэлектроанемометром, с шаровым зондом и координатной сеткой для определения направления скорости. Измерение расхода газа осуществлялось с помощью тарированной диафрагмы методом переменного перепада давления. Экспериментальные данные взаимодействия встречных, смещенных в горизонтальной плоскости закрученных потоков, при расстоянии между подающими патрубками 4 калибра, по радиальной, тангенциальной и аксиальной составляющим скорости, после оценки их достоверности, представлены в виде графических зависимостей на рис. 1, 2.


Анализ полученных распределений составляющих скорости, образующегося при взаимодействии встречных, смещенных в горизонтальной плоскости закрученных струй показал, что смещение осей струйувеличивает область взаимодействия радиальной составляющей скорости, а расположение максимумов и минимумов в различных сечениях выявило наличие перемежающихся областей взаимодействия и вытеснения струй друг другом, при этом наблюдается зеркальное отображение результирующего поля радиальной составляющей скорости при увеличении смещения осей (полю скоростей при смещении 0,25 м соответствует поле со смещением в 0,2 м, а смещению 0,3 м — 0,15 м). То есть при малых величинах смещения взаимодействие происходит между внешней границей одной струи и внутренней границей области обратных токов другого потока, а при увеличении расстояния во взаимодействие вступают внешние слои обеих закрученных струй. Распределение тангенциальной составляющей скорости показало, что сложение скоростей струй начинается со смещения в 1 диаметр, при этом полученное распределение качественно совпадает с распределением при взаимодействии встречных, одноименно закрученных потоков, что возможно при взаимодействии внутренних к зоне обратных токов слоев одной струи с внешними слоями другой. Распределение аксиальной составляющей скорости в области взаимодействия струй показало наличие изменения направления аксиальной скорости, причем максимум (минимум) кривой приходится на равноудаленную от патрубков зону, а само поле аксиальной составляющей скорости имеет четкое разграничение между внутренними слоями (внешние слои струй) и внешними слоями результирующего течения.

Сравнение исследуемого вида взаимодействия с другими типами (под углом, встречные, параллельные закрученные потоки) позволило сделать вывод, что в данном виде взаимодействия область, где происходит сложение скоростей закрученных струй, значительно превышает аналогичные области при любых других видах взаимодействия.

Данный способ, заключающийся во взаимодействии двух встречных закрученных потоков, смещение которых относительно друг друга формирует требуемое результирующее поле скоростей в зависимости от конфигурации пространства топочной камеры. Сравнение экспериментальных данных результирующих скоростей при взаимодействии встречных смещенных закрученных потоков, показало, что предложенный способ позволяет до 20% увеличить диапазон варьирования тепловой нагрузки оборудования.

С повышением наружной температуры повышение КПД котла по сравнению с базовым вариантов увеличивается и достигает, в пересчете на среднюю отопительную температуру для г. Одессы, 17%, что составляет экономию в 4,1 м3 газа на каждый кВт используемой мощности в течение отопительного периода (рис. 3).

Предложенный способ реализован на теплогенерирующей установке мощностью 22 кВт. В качестве базы была использована горелка Бунзена, на которую коаксиально устанавливался патрубок с тангенциальным подводом воздуха, расход последнего варьировался шибером, установленным на выходе из вентилятора таким образом, чтобы не превышать коэффициент избытка воздуха более 1,1 (рис. 4).

В результате проведения таких опытов выявлено, что длина результирующего пламени гораздо меньше в закрученных потоках, чем при сжигании газа в прямоточных струях при одинаковых остальных условиях, а ширина значительно больше, при этом отсутствуют зоны неполного сгорания, наблюдаемые в прямоточных струях, хотя при сжигании в закрученной струе необходим предварительный подогрев горелки во избежание срыва пламени в начальный период работы. Формирование пламени при сжигании встречных, смещенных в горизонтальной плоскости закрученных потоков газа показало, что разрыва пламени не наблюдается даже при смещении горелок на 3 диаметра, а вращение его в горизонтальной и вертикальной плоскостях подтверждает выводы, сделанные в аэродинамических исследованиях изотермических потоков. 

Литература:
1. А. Гупта, Д. Лилли, Н. Сайред. Закрученные потоки // Пер. с англ. — М.: Мир, 1987, — С. 588.
2. Зайцев О. Н. Управление аэродинамической обстановкой в рабочем объеме теплогенерирующих установок // Вісник ОДАБА. — 2002. — №7. — с. 60-64.