Теплогенерирующие установки. Теплогенерирующие установки, их разновидности

В книге приведены сведения об основных видах органического топлива и нетрадиционных источниках энергии, излагаются основы теории и прикладные вопросы генерирования тепловой энергии, методы расчета и проектирования теплогенерирующих установок, подробно рассмотрены процессы теплообмена, гидродинамики паровых и водогрейных котлов.
Во втором издании отредактированы все разделы книги, существенно переработаны главы по обеспечению водного режима, водо-подготовке и тепловым схемам теплогенерирующих установок. Учебник написан с учетом возможности самостоятельного изучения учебной дисциплины студентами, для чего в нем приведены числовые примеры, часть которых имеет подробные решения.
Для студентов ВУЗов, обучающихся по специальности «Теплогазоснабжения и вентиляция».

Невозобновляющиеся энергетические ресурсы.
Отличительной особенностью невозобновляющихся энергетических ресурсов (угля, нефти, природного газа, урана и др.) являются их высокий энергетический потенциал и относительная доступность и целесообразность извлечения. Именно поэтому до 85 % (в мировом балансе в целом) всех используемых в настоящее время энергетических ресурсов составляет эта группа, а в ней - ископаемые горючие органические вещества - органическое топливо. Темпы его добычи и потребления во многом определяют энергетическую политику.

Наибольшие энергетические ресурсы органического топлива сосредоточены в угле. Общие прогнозируемые геологические ресурсы каменного и бурого угля составляют 6000- 15 ООО млрд т у. т., что соответствует 175 700-460 548 ЭДж (табл. 1.1), причем из них запасы каменных углей и антрацитов составляют примерно 77 %, а бурых углей - 23 %. Разведанные запасы углей не превышают 600-680 млрд ту. т., что соответствует 17 600-19 900 ЭДж, или 5-10 % их общегеологических запасов. Основные разведанные запасы угля (80 % всех мировых запасов) сосредоточены в России, США и КНР. При современном уровне потребления угля разведанные запасы угля будут исчерпаны через 200-250 лет; при росте потребления угля в 3 % ежегодно время их исчерпания уменьшится до 150- 180 лет.

ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие
Введение
Глава I. Источники тепловой энергии систем теплоснабжения. Энергетические ресурсы. Топливо
1.1. Источники тепловой энергии
1.2. Энергетические ресурсы и энергетический баланс
1.3. Топливо
1.4. Эффективность использования энергетических ресурсов, пути ее повышения. Побочные (вторичные) энергетические ресурсы
Глава 2. Процессы производства тепловой энергии и их расчет
2.1. Методы и способы производства тепловой энергии
2.2. Горение органического топлива
2.3. Тепловой расчет теплогенератора на органическом топливе
Глава 3. Паровые и водогрейные котлы
3.1. Основные направления развития котлов на органическом топливе
3.2 Паро- и теплогенераторы атомных станций теплоснабжения (ACT)
3.3. Паро- и теплогенераторы гелио- и геотермальных установок
3.4. Строительные конструкции и материалы, применяемые в паровых и водогрейных котлах
3.5. Условия работы элементов котла и расчет их на прочность
Глава 4. Топочные и горелочные устройства
4.1. Слоевые топочные устройства
4.2. Камерные топки
4.3. Вихревые (циклонные) топки
4.4. Горелочные устройства для камерного сжигания твердого топлива
4.5. Горелочные устройства для сжигания жидкого и газообразного топлива
Глава 5. Низкотемпературные поверхности нагрева котла
5.1. Общие положения. Классификация. Определения
5.2. Экономайзеры
5.3. Воздухоподогреватели
5.4. Компоновка низкотемпературных поверхностей нагрева котла
Глава 6. Процессы, происходящие в пароперегревателях и конвективных поверхностях нагрева
6.1 Процессы, происходящие в пароперегревателях
6.2. Поведение золы топлива в котельном агрегате
6.3. Загрязнение поверхностей нагрева котлов продуктами сгорания топлив
6.4. Способы борьбы с загрязнениями поверхностей нагрева
6.5. Износ поверхностей нагрева под действием золы
6.6. Коррозия поверхностей нагрева со стороны греющих газов
Глава 7. Внутрикотловые процессы в котельных агрегатах
7.1. Внутрикотловая гидродинамика
7.2. Обеспечение естественной циркуляции
7.3. Гидродинамика параллельно включенных труб при принудительном движении рабочего тела
Глава 8. Водяное хозяйство и водный режим паровых и водогрейных котлов
8.1. Общие положения
8.2. Физико-химические характеристики воды
8.3. Требования, предъявляемые к качеству пара, питательной, подпиточной и котловой воде
8.4. Внутрикотловая обработка
8.5. Способы и схемы водоподготовки
8.6. Современные способы обработки воды
8.7. Термическая деаэрация воды
8.8. Периодическая и непрерывная продувка котлов
8.9. Ступенчатое испарение
8.10. Паропромывочные устройства
Глава 9. Топливное хозяйство и шлакозолоудаление тепловых станций на органическом топливе
9.1. Принципы организации топливного хозяйства
9.2. Тепловые станции на твердом топливе
9.3. Системы топливоприготовления
9.4. Тепловые станции на жидком топливе
9.5. Тепловые станции на газообразном топливе
9.6. Шлакозолоудаление
Глава 10. Схемы тепловых станций и их оборудование
10.1. Системы теплоснабжения
10.2. Принципиальные схемы систем теплоснабжения
10.4. Тепловые схемы теплогенерирующих установок
10.6. Контрольно-измерительные приборы и арматура котельного агрегата
10.7. Тепловой контроль и автоматизация процессов генерирования тепловой энергии
Глава 11. Тягодутьевые устройства
11.1. Назначение и виды дутьевых а тяговых установок
11.2. Естественная тяга в газовоздушном тракте котельной установки
11.3. Искусственная тяга в газовоздушном тракте котельных установок
11.4. Выбор дымососов и вентиляторов и их компоновка
11.5. Регулирование тягодутьевых установок
11.6. Дымовые трубы
Глава 12. Охрана окружающей среды от вредных газообразных и жидких выбросов
12.1. Общие положения
12.2. Методы снижения и подавления газообразных выбросов
12.3. Методика расчета рассеивания вредных примесей и выбор высоты дымовых труб
12.4. Способы улавливания твердых частиц из продуктов сгорания
12.5. Очистка газообразных выбросов атомных станций теплоснабжения (ACT)
12.6. Вредные жидкие стоки
Глава 13. Основы проектирования и эксплуатации теплогенерирующих установок
13.1. Основы проектирования теплогенерирующих установок
13.2. Проектирование котельных установок
13.3. Основы эксплуатации котельных установок
13.4. Теплотехнические испытания котельных установок
13.5. Использование ЭВМ при проектировании и эксплуатации теплогенерирующих установок
Глава 14. Технико-экономические показатели теплогенерирующих установок
14.1. Основные определения
14.2. Особенности производства тепловой энергии и планирования работы теплостанций
14.3. Количественные и качественные показатели работы теплостанций
14.4. Себестоимость производства тепловой энергии и особенности ее расчета
14.5. Определение сравнительной экономической эффективности капиталовложений и новой техники
Глава 15. Экономия топливно-энергетических ресурсов
15.1. Основные виды потерь топлива в теплостанции и классификация мероприятий по их снижению
15.2. Организация экономичной и надежной работы теплостанции
15.3. Оценка эффективности мероприятий по экономии топлива
Список литературы.

Теплоснабжение зданий

Теплоснабжение современных зданий осуществляется посредством комплекса санитарно-технических устройств.

Основной системой, обеспечивающей теплоснабжение зданий является система отопления. Однако современные ситемы вентиляции и кондиционирования также способны поддерживать необходимую температуру помещения и заданный температурно-влажностный режим.

В последнее время активно разрабатываются инновационные системы теплоснабжения, основанные на использовании энергии солнца, инфракрасного излучения и других энергосберегающих технологиях.

Основные составляющие традиционных систем отопления являются следующие:

· теплоисточник (генератор тепла) - элемент для получения теплоты;

· теплопроводы -элемент для переноса теплоты от теплоисточника к отопительным приборам;

· отопительные приборы - элемент для передачи теплоты в помещение.

Однако с некоторые современные системы отопления имеют специфические особенности строения и в их составе могут отсутствовать некоторые из вышеперечисленных элементов. Однако постоянным элементом во всех системах отопления является – теплогенератор (теплогенерирующие установки).

Теплогенерирующие установки или генераторы теплоты (теплогенераторы) являются основным оборудованием любой системы теплоснабжения.

Конструктивные особенности теплогенератора определяются, прежде всего, видом используемого в нём топлива.

Традиционным видом топлива является твёрдое топливо (уголь, древесина и др.).

Наиболее доступным и дешёвым в настоящее время является природный газ. Газовые водогрейные котлы (рис….) оборудуются либо встроенной атмосферной горелкой (поступление воздуха для горения газа за счёт естественной тяги в дымовой трубе), либо выносной горелкой (принудительное создание газовоздушной смеси).

По способу установки котлы бывают настенные и напольные.

Настенные котлы применяют для отопления небольших помещений, обычно до 200 кв. метров. Те и другие делятся на одно- и двухконтурные. Двухконтурный котёл одновременно обеспечивает отопление и горячую воду для бытовых нужд. Вода подогревается в бойлере или проточным способом, если потребности в ней невелики. Бойлер – это ёмкость для подогрева и хранения воды.

Он позволяет получить горячую воду в любой момент, однако занимает больше места и требует дополнительного расхода топлива для поддержания заданной температуры.
Многие модели современных котлов имеют встроенный бойлер. Если предполагается значительный расход горячей воды (в доме несколько ванных комнат или душевых кабин) котёл можно доукомплектовать бойлером большего объёма. В этом случае сам котёл может быть одноконтурным.
По способу удаления отработанных газов котлы бывают с естественной или принудительной тягой. В котлах с естественной тягой (или открытой камерой сгорания) воздух поступает непосредственно из помещения, а газы отходят в дымоход.

Если соорудить дымоход по каким-либо причинам невозможно, или котёл будет смонтирован в не предусмотренном для него месте, применяют котлы с закрытой камерой сгорания (с принудительной тягой). В конструкции такого котла имеется турбина (вентилятор), которая удаляет продукты горения из топки. В этом случае вместо большого традиционного дымохода устанавливают простой и недорогой коаксиальный дымоход – труба с вставленной в неё другой трубой меньшего диаметра.

Полученные таким способом два разделённых канала используются для подачи воздуха и для отвода газов. Котлы с закрытой камерой сгорания не сжигают кислород внутри помещения. Практически все современные котлы имеют регулируемую мощность горелки, позволяющую плавно менять температуру в зависимости от потребности, тем самым экономя топливо и продлевая ресурс теплообменника. Коэффициент полезного действия (КПД) газового котла превышает 90%.

При отсутствии газа в котлах используют жидкое топливо - дизельное топливо. Его использование для работы теплогенератора заметно повышает стоимость самой котельной за счёт появления в её схеме дополнительного оборудования (топливных баков, системы топливоподачи и т.д.), а также эксплуатационную стоимость вырабатываемой генератором теплоты.

Более простым по конструкции является электрический котёл . Он состоит из теплообменника со встроенными нагревательными элементами и устройства автоматики.

В качестве нагревательного элемента обычно применяются ТЭНы (трубчатые электронагреватели). Но известны также и электродные нагреватели .

В электродных котлах нагрев теплоносителя происходит за счёт его ионизации в замкнутой камере при прохождении через него электрического тока. Они значительно меньше по размеру и обладают всеми преимуществами электрических котлов. Однако для них целесообразно использовать специальный антифриз.
Некоторые котлы имеют в составе циркуляционный насос, расширительный бачок и предохранительный клапан.
Электрические котлы просты в монтаже и эксплуатации, не требуют отдельного помещения и дымохода. Работают бесшумно, экологичны и недороги. Основным их недостатком является высокий расход электроэнергии, для мощных моделей (более 10 кВт) необходима трёхфазная сеть 380 Вольт.

Электрические теплогенераторы не находят широкого применения в России, в основном, из-за высокого тарифа стоимости электроэнергии при её использовании на отопительные нужды, а также из-за часто ограниченного лимита расчётной электрической мощности, выделяемого индивидуальному застройщику. Подобные котлы с мощностью до 20…30 кВт чаще всего используются для отопления и горячего водоснабжения жилых или вспомогательных домов с небольшой площадью.

Инфракрасные плёночные нагреватели . У них в качестве нагревательного элемента используются тонкие графитовые плёнки. В настоящее время применяются в системах «тёплый пол».

Такой нагреватель представляет собой тонкий гибкий лист. Он может монтироваться непосредственно на деревянные поверхности. По разным оценкам, эффективность плёночного нагревателя до 15% выше чем у кабельного. Монтируется в основном на потолок и на стены. Это его основной режим работы, как лучевого источника тепла. Ввиду того, что его рабочая температура невысока, он пожаробезопасен и не сжигает кислород, но по стоимости дороже кабельного. При равных характеристиках с батарейной системой и электрокотлом, инфракрасные плёночные нагреватели дешевле в установке и более долговечны в эксплуатации. Однако, следует помнить, что на 1 кубический метр пространства помещения приходится ~5 Вт мощности такого нагревателя, чего может быть не достаточно для поддержания нужной температуры.
Кроме плёночного нагревателя, к лучевым системам отопления относятся электрические инфракрасные нагреватели . Оборудованные рефлектором, такие приборы способны быстро прогреть находящиеся в помещении предметы. Даже находясь на улице в прохладную погоду, возле такого обогревателя будет тепло.

Но, из-за высокой температуры нагревательного элемента, такие аппараты сжигают кислород в помещении. Существует множество конструкций таких отопительных приборов: напольной, настенной и потолочной установки.

Теплогненераторы, работающие за счет энергии солнца-солнечный коллектор . В них процесс нагрева теплоносителя происходит за счет поглощения солнечного излучения. Мощность потока солнечного излучения, без учёта потерь в атмосфере, составляет около 1350 Ватт на квадратный метр. Однако в различных точках планеты интенсивность солнечного излучения будет разной, например в Европе, она может быть менее 100 Ватт на квадратный метр, поэтому возникает задача не только эффективно поглощать солнечную энергию, но и сохранять её. Удачным решением является конструкция солнечного вакуумного солнечного коллектора .

Это плоская панель со стеклянными трубками, внутри которых находятся медные трубки меньшего диаметра. Медные трубки покрыты специальной тёмной краской, выдерживающей высокую температуру (200 градусов по Цельсию и более) и способствующей лучшему поглощению солнечного излучения. По ним циркулирует теплоноситель. Внутри стеклянной трубки создают вакуум. Вакуум, не обладая теплопроводностью, препятствует конвективной передаче тепла от нагретой медной трубки в окружающее пространство. Такая конструкция работает как термос. Стеклянные трубки изготавливают из особо чистого и прозрачного стекла. У современных солнечных вакуумных коллекторов степень поглощения солнечной энергии достигает 98%. Срок службы более 15 лет. Летом они могут полностью обеспечить дом горячей водой. Способные работать зимой, такие устройства послужат весомым дополнением к основной системе отопления. В остальном такая система отопления (или горячего водоснабжения) по своей гидравлической схеме и работе автоматики похожа на батарейную.

Другой альтернативной системой отопления является применение теплового насоса . По сути, это холодильник с источником низкой температуры во внешней среде. Принцип работы основан на том, что хладагент испаряется в камере с низким давлением и температурой, а конденсируется в камере с высоким давлением и температурой. Таким образом осуществляется перенос тепла от холодного тела к нагретому за счёт работы теплового насоса. Без него такой процесс невозможен. Низкотемпературная камера охлаждается за счёт циркуляции незамерзающего теплоносителя в коллекторе, расположенном в грунте, в воде или на открытом пространстве. В камере с высоким давлением и температурой происходит передача тепла к теплоносителю системы отопления дома. Для работы такой системы нужна электроэнергия, питающая двигатель теплового насоса. При этом на каждый затраченный кВт электроэнергии тепловой насос вырабатывает 2...4 кВт тепловой энергии. Залогом устойчивой работы такой системы отопления является постоянство температуры в коллекторе ("холодном теле"). Тепловые насосы позволяют значительно экономить электроэнергию или газ, однако требуют начальных вложений и трудозатрат в устройство коллектора. Например, если коллектор укладывать в грунте (на 0,5 метра ниже уровня промерзания), можно достичь тепловую мощность ~20 Вт на 1 метр трубопровода. Для скважин ~40 Вт, для коллектора, уложенного в воде ~30 Вт. Дополнительным преимуществом теплового насоса является возможность переключения с отопления зимой на охлаждение (кондиционирование) летом.

Теплогенерирующие установки или генераторы теплоты (теплогенераторы) являются основным оборудованием любой системы теплоснабжения. В системах централизованного теплоснабжения эти генераторы установлены на ТЭЦ или тепловой станции. В данном разделе рассмотрены теплогенераторы (водогрейные котлы ), применяемые в системах местного (децентрализованного) теплоснабжения и обеспечивающие теплотой инженерное оборудование одного конкретного строительного объекта.

В настоящее время многие зарубежные и ряд российских фирм предлагают котельное оборудование, отличающееся как стоимостью, так и своими техническими возможностями. Приведенный ниже анализ основных критериев выбора котельного предназначен, прежде всего, для проектировщика инженерных систем здания. Так как только он сможет грамотно учесть при проектировании все требования заказчика к тепловому комфорту в здании, оценить эксплуатационные характеристики различных теплопотребляющих систем, предложить и сопоставить различные варианты инженерного решения системы теплоснабжения.

Разница в цене на аналогичное по основным техническим характеристикам оборудование может быть существенная. Наиболее низкие цены на теплогенераторы из южных стран Западной Европы (Италия, Испания, Югославия, Греция), стран бывшего соцлагеря (Чехия, Словакия, Польша, Венгрия) и стран Азии (Южная Корея, Сирия). К этой категории можно отнести и оборудование из США. Существенное возрастание цены наблюдается по мере удаления страны-производителя на север Европы (Австрия, Швейцария, Голландия, Германия, Швеция, Финляндия), так как в странах с более суровым климатом требования к его качеству и надёжности возрастают, а, соответственно, возрастает и цена. У оборудования этих стран по опыту его многолетней эксплуатации в климатических и технических, часто отличающихся от идеальных, условиях средней полосы России гораздо меньше отказов в работе. Оно лучше адаптировано, например, к возможным сбоям в подаче к нему энергоносителей. Многие западные фирмы, давно работающие на российском рынке и заинтересованные в нём, специально занимаются вопросами, связанными с подобной адаптацией. Принимая решение о выборе теплогенератора, особенно в сложной с большим количеством разноплановых потребителей теплоты схеме теплоснабжения, необходимо помнить об обеспечении его надёжности эксплуатации в более суровых условиях России. Экономия капитальных затрат в этом случае может в последствии привести к большим эксплуатационным затратам и обернуться для заказчика в лучшем случае высокой стоимостью эксплуатации оборудования, в худшем - необходимостью дополнительных затрат на восстановительный ремонт инженерных систем, а, иногда, и самого здания.

Главными критериями выбора теплового оборудования следует признать его технические показатели, так как квалифицированный выбор инженерного решения может привести, в том числе, и к снижению капитальных и эксплуатационных затрат на систему автономного теплоснабжения здания. Ниже рассмотрены именно эти критерии.

Конструктивные особенности теплогенератора определяются, прежде всего, видом используемого в нём топлива. Наиболее доступным и дешёвым в настоящее время является природный газ. Газовые водогрейные котлы (рис. 1.2a) оборудуются либо встроенной атмосферной горелкой (поступление воздуха для горения газа за счёт естественной тяги в дымовой трубе), либо выносной горелкой (принудительное создание газовоздушной смеси). Если давление газа в сети ниже номинала (16…20 мбар), рекомендуется применять котлы с выносной горелкой.

Принципиально различаются теплогенераторы с ёмкостью для нагрева воды цельностальной или набранной из отдельных, как правило, чугунных секций. Последние более коррозионностойкие, что важно, так как качество воды, которой заполняются инженерные системы здания, часто далеко от идеального. Секционные котлы, которые могут поставляться на объект в разобранном виде, удобны при монтаже в стеснённых условиях стройплощадки. Ещё одно их преимущество - возможность быстрой аварийной замены в процессе эксплуатации вышедшей по какой-либо причине из строя секции котла. Стальной котёл в этом случае придется менять целиком. Котлы обычно устанавливаются непосредственно на пол котельной или на невысокий, до 200 мм, фундамент.

В особую группу необходимо выделить настенные газовые котлы (рис. 1.3), которые имеют очень широкое распространение на Западе. Настенный генератор теплоты имеет много преимуществ. Он компактен, удобен в монтаже и эксплуатации, универсален в выборе места его размещения в доме. Котёл оснащён уже встроенным в него необходимым оборудованием: циркуляционным насосом, расширительным мембранным баком, воздухоотводчиком, предохранительной и запорной арматурой. Определённый тип данного котла позволяет отказаться от традиционной дымовой трубы и отводить продукты сгорания через наружную стену с помощью специальной конструкции "труба в трубе". Однако, применительно к климатическим условиям России, эти котлы имеют существенный недостаток - низкую расчётную мощность, составляющую не более 30…50 кВт. Это в настоящее время ограничивает их применение или реконструируемыми квартирами в условиях старой городской застройки, или небольшими, чаще всего вспомогательными, постройками (гараж, баня и т. п.).

При отсутствии газа следующим по значимости является более дорогое дизельное топливо. Его использование для работы теплогенератора заметно повышает стоимость самой котельной за счёт появления в её схеме дополнительного оборудования (топливных баков, системы топливоподачи и т.д.), а также эксплуатационную стоимость вырабатываемой генератором теплоты. Как правило, конструкция подобного котла (см. рис. 1.2, б) универсальна и переход на использование в нём природного газа осуществляется простой и быстрой заменой выносной дизельной горелки на газовую с последующей её наладкой. Котёл продолжает работать с той же автоматикой, каких-либо переделок в тепловой схеме котельной при этом не требуется. Ряд стран предлагают на нашем рынке и комбинированные горелки, работающие на двух видах топлива, в которых переход на другое топливо осуществляется простым поворотом крана.

Правильное и точное определение расчётной мощности теплогенератора не только экономит деньги заказчика, но и в значительной мере предопределяет устойчивость работы котельного оборудования в процессе эксплуатации, а также его долговечность. К сожалению, следует констатировать, что многие торгующие котлами фирмы продолжают абсолютно порочную практику подбора котельного оборудования для своих клиентов без должного в таком случае проектного сопровождения и расчёта требуемой мощности в соответствии с действующими в России нормативными требованиями . Подобный дилетантский подход к этому важному вопросу чаще всего выражается в определении мощности по отапливаемой площади дома без учёта теплотехнических свойств его наружных ограждающих конструкций и функциональных особенностей других возможных теплопотребляющих систем.

Выбираемая мощность водогрейного котла складывается из расчётных мощностей теплопотребляющих систем здания. Мощность системы отопления определяется в результате расчёта теплопотерь здания (подробнее см. в разделе "Определение тепловой мощности систем отопления").

Выбор расчётной мощности системы "тёплый пол" зависит от её функционального назначения. Если эта система предназначена для полной или частичной компенсации теплопотерь дома, то её мощность уже учтена в предыдущем расчёте. Однако часто эта система используется, как дополнительный тепловой комфорт в отдельных помещениях (ванная комната, бассейн, сауна, зимний сад и т. п.). В этом случае требуется определение дополнительной мощности в зависимости от расчётной температуры на поверхности пола и внутреннего воздуха в этом помещении с учётом нагреваемой площади. В любом случае, при выборе и расчёте напольного отопления проектировщику следует помнить о том, что по санитарно-гигиеническим соображениям температура на поверхности нагретого пола ограничена. Причем, по российским нормам эта температура (26°C) ниже, чем в нормах западных стран.

Если в доме предусмотрена система приточной вентиляции или система кондиционирования воздуха с использованием водяных калориферов, их расчётная мощность определяется при той же расчётной температуре наружного воздуха и принятой в проекте этих систем температуре приточного воздуха с учётом расчётного воздухообмена в вентилируемых помещениях.

Требуемая мощность системы теплоснабжения бассейна рассчитывается с учётом объёма его ванны, возможных теплопотерь через её конструкцию и с поверхности воды, а также требуемой продолжительности первоначального и текущего прогрева бассейна.

Особо следует оговорить учёт при выборе мощности теплогенератора расчётной теплопотребности . Связано это с тем, что автоматика выбранной конструкции котла может иметь возможность приоритетного включения водонагревателя этой системы. При этом работа системы отопления на этот период временно прекращается. В этом случае можно получить значительную экономию за счёт частичного или полного снижения расчётной мощности теплогенератора на величину требуемой мощности системы горячего водоснабжения . Но принять такое решение можно только после тщательного анализа возможных последствий остановки системы отопления , проводимого проектировщиком с учётом её расчётной продолжительности и теплоинерционных особенностей здания. Только в результате подобного анализа может выявиться возможность снижения требуемой теплопотребности системы горячего водоснабжения при определении мощности генератора теплоты.

Особенностью всех импортных теплогенераторов является то, что они комплектуются собственными средствами автоматизации, которые обеспечивают регулирование и управление процессами функционирования не только самого котла, но и всех подключённых к нему теплопотребляющих систем. А они, в свою очередь, различаются как температурными и гидравлическими параметрами работы, так и временем и продолжительностью действия.

Система отопления и система вентиляции или кондиционирования воздуха потребляют теплоту только в холодный и переходный периоды года. Изменение теплоподачи в них осуществляется путём изменения температуры воды от котла по задаваемому на его блоке управления графику качественного регулирования в зависимости от текущей температуры наружного воздуха или, в более простом варианте, с помощью регулятора температуры внутреннего воздуха, установленного в контрольном помещении здания. Система "тёплый пол" рассчитывается с более низкими, чем в системе отопления и системе вентиляции , температурными параметрами воды и имеет в схеме котельной самостоятельный узел регулирования и управления. Подача теплоты от генератора в систему горячего водоснабжения и систему теплоснабжения бассейна осуществляется периодически по мере необходимости и с различной продолжительностью, но обычно при форсированном режиме работы котла.

Таким образом, особенно при сложной схеме теплоснабжения дома, выбор котла должен сопровождаться тщательной оценкой возможностей средств автоматизации, которыми фирма-производитель может его укомплектовать.

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего профессионального образования

« Юго-Западный государственный университет»

Расчет ГАЗОВЫХ ГОРЕЛОК для

Теплогенерирующих установок

Учебно-методическое пособие

Утверждено Учебно-методическим советом

Юго-Западного государственного университета

Курск – 2014

УДК 662.6(075)

Рецензенты:

Доктор технических наук, профессор

Воронежского государственного архитектурно-строительного

университета В.Н. Мелькумов

Технический директор ПП «Курская ТЭЦ Центр»

П.В. Терентьев

Ежов В.С. Расчет газовых горелок: учебно-методическое пособие / В.С. Ежов; Юго-Зап. гос. ун-т. Курск, 2014. 63 с.

Наряду с теоретическими сведениями об основных принципах расчета газовых горелок для теплогенерирующих установок ТЭЦ и производственно-отопительных котельных, излагаются материалы для выполнения курсового и дипломного проектирования студентов, определение основных конструктивных размеров, типа горелок, их технологических параметров.

Предназначено студентам дневной и заочной формы обучения, обучающимся по специальности 270109.65 – Теплогазоснабжение и вентиляция, по направлениям 270100.62 – Строительство, 270100.68 – Строительство, 270800.62 – Строительство, 270800.68 – Строительство, 140.10068 – Теплоэнергетика и теплотехника.

УДК 662.6(075)

Юго-Западный государственный университет,

Ежов В.С., 2014

Предисловие ……………………………………………………..

Введение………………………………………………………….

Глава 1. Газовые горелки. Общие сведения…………………………..

1.1.Основные технические характеристики горелок………………….

1.2. Классификация горелок…………………………………………….

1.2.1. Диффузионные горелки………………………………………….

1.2.2.Инжекционные горелки…………………………………………

1.2.3.Горелки с принудительной подачей воздуха ……………….

Глава 2. Расчет инжекционных горелок…………………………….

2.1.Инжекционные горелки с коэффициентом избытка воздуха

α 1 < 1,0…………………………………………………………………….

2 .2.Инжекционные горелки с коэффициентом избытка воздуха

α 1 > 1,0……………………………………………………………………..

Глава 3. Горелки с принудительной подачей воздуха…………………

3.1. Упрощенный расчет горелок с принудительной подачей воздуха…

3.2. Пересчеты газовых горелок с одного вида газа на другой. ……………

3.3. Особенности расчёта турбулентных горелок…………………………...

3.4. Порядок расчёта турбулентных горелок………………………………

4. Пример расчета инжекционной горелки

Библиографический список ……………………………………………

Предисловие

В настоящем учебно-методическом пособии изложены основные подходы к расчету газовых горелок для теплогенерирующих установок ТЭЦ и котельных.

В основных разделах учебно-методического пособия представлены методики расчета инжекционных горелок и горелок с принудительной подачей воздуха, определения максимального расхода топлива котельной установки, выбор и размещения горелок в топке котла,.

Учебно-методическое пособие предназначено для студентов всех форм обучения специальности 270109.65 – Теплогазоснабжение и вентиляция, направлений 270100.62 – Строительство, 270100.68 – Строительство, 270800.62 – Строительство, 270800.68 – Строительство, 140.10068 – Теплоэнергетика и теплотехника для выполнения курсового и дипломного проектирования, а также для аспирантов и работников научных и проектных организаций, занимающихся вопросами расчета и проектирования газовых горелок для котельных агрегатов.

ВВЕДЕНИЕ

Газовая горелка (горелка) - устройство, обеспечивающее подачу определенного количества горючего газа и окислителя (воздуха или кислорода), создание условий смешения их, транспортировку образовавшейся смеси к месту сжигания и сгорание газа. Есть горелки, у которых к месту сгорания подается только газ или газ и воздух, но без их предварительного смешения внутри горелки.

Требования, предъявляемые к горелкам:

Создание условий для полного сгорания газа с минимальными избытком воздуха и выходом вредных веществ в продуктах сгорания;

Обеспечение необходимой теплопередачи и максимального использования теплоты газового топлива;

Наличие пределов регулирования, не меньше, чем требуемое изменение тепловой мощности агрегата;

Отсутствие сильного шума, уровень которого не должен превышать 85 дБ;

Простота конструкции, удобство ремонта и безопасность в эксплуатации;

Возможность применения автоматики регулирования и безопасности;

Соответствие современным требованиям промышленной эстетики.

Горелки должны проходить государственные испытания, соответствующие СТ СЭВ 621-83 (Горелки газовые промышленные общего назначения. Методы испытаний), и изготовляться на специализированных заводах по межведомственным нормалям и техническим условиям к ним.

ГАЗОВЫЕ ГОРЕЛКИ. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

1.1. ОСНОВНЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ГОРЕЛОК

Тепловая мощность Q, кДж/ч, - количество теплоты, выделяющейся при полном сгорании часового расхода газа, проходящего через горелку:

Q=Q н V г (1.1)

Q н – низшая теплота сгорания газа, кДж/м 3 ;

V г – расход газа, м 3 /ч.

Различают номинальную, максимальную и минимальную тепловую мощность горелок. Номинальная тепловая мощность -максимально достигнутая мощность при длительной работе горелки с минимальным коэффициентом избытка воздуха и при допустимой по установленным нормам химической неполноте сгорания. Минимальная тепловая мощность определяет тот нижний предел работы горелки с коэффициентом избытка воздуха, равным 1,1, при котором горелка работает устойчиво. Максимальная тепловая мощность составляет 0,9 от мощности, соответствующей верхнему пределу работы горелки. Нижний и верхний пределы работы горелки определяются в результате испытаний по отрыву, проскоку пламени, устойчивому горению газа в тепловом агрегате и полноте сгорания. Коэффициенты избытка воздуха, равные 1,1 и 0,9, предусматривают необходимость полной надежности работы горелок в пределах от минимальной до максимальной тепловой мощности.

Коэффициент предельного регулирования К п.р. по тепловой мощности (диапазон устойчивой работы горелки) - отношение максимальной тепловой мощности горелки к минимальной. Этот параметр определяет, в каких пределах может изменяться тепловая мощность горелки при устойчивой и безопасной ее работе. При выборе горелок для тепловых агрегатов необходимо, чтобы ее коэффициент предельного регулирования был равен допустимому изменению тепловой мощности агрегата или больше него.

Коэффициент рабочего регулирования К р. р - отношение номинальной тепловой мощности горелки к минимальной.

Давление газа и воздуха перед горелкой р, Па , подразделяется на номинальное, максимальное и минимальное. Номинальное соответствует номинальной тепловой мощности, максимальное и минимальное соответственно максимальной и минимальной тепловой мощности горелки.

Удельная металлоемкость m, кг/кВт, - отношение массы горелки к ее номинальной тепловой мощности. Этот показатель позволяет для однотипных горелок выбирать наименее металлоемкие (при прочих одинаковых технических показателях).

Шумовая характеристика - уровень звукового давления, создаваемого при работе горелки в зависимости от спектра частот. Уровень шума горелок, работающих во всем допустимом диапазоне изменения расхода, не должен превышать 85 дБ на расстоянии 1 м от горелки и на высоте 1,5 м от пола.

Номинальная относительная длина факела - расстояние по оси факела от выходного сечения горелки, измеренное при работе с номинальной тепловой мощностью в калибрах выходного сечения до точки, где концентрация СО 2 при коэффициенте избытка воздуха α = 1 составляет 95% от максимального значения.

Давление (разрежение) в камере сгорания (Па) - давление (разрежение) в камере сгорания в зоне выходного сечения горелки при номинальной тепловой мощности.

Коэффициент избытка первичного воздуха α 1 показывает, какая часть воздуха от теоретически необходимого для сгорания газа подается в горелку предварительно (до пламени).

Коэффициент избытка вторичного воздуха α 2 показывает, какая часть воздуха от теоретически необходимого для сгорания газа подается непосредственно к пламени из окружающего пространства.

Объемный коэффициент инжекции, или кратность инжекции, n показывает отношение объемного количества подсасываемого горелкой первичного воздуха к объемному расходу газа.

К дополнительным характеристикам, уточняющим основные параметры, относятся диаметр газового сопла и выходного отверстия горелки, допустимые температуры газа и воздуха, теплота сгорания и плотность сжигаемого газа, угол раскрытия факела, способ стабилизации горения, интенсивность крутки, геометрические размеры горелки и др.

Приведенные выше термины и определения приняты в соответствии с требованиями ГОСТ 17356-71*.

1.2. КЛАССИФИКАЦИЯ ГОРЕЛОК

В соответствии с ГОСТ 21204-83* по способу подачи воздуха и коэффициенту избытка первичного воздуха α 1 горелки могут быть разделены на диффузионные (α 1 = 0), инжекционные (α 1 > 1 и α 1 < 1), с принудительной подачей воздуха (дутьевые). Приведенная классификация, не являясь исчерпывающей, удобна своей простотой и привычностью, а также тем, что она характеризует основные признаки распространенных горелок.

1.2.1Диффузионные горелки (рис. 1.1, а). Это - наиболее простые устройства, представляющие собой трубу с просверленными отверстиями. Газ вытекает из отверстий, а необходимый для горения воздух (в качестве вторичного) притекает полностью из окружающей среды. На диффузионных горелках процессы смешения газа с воздухом и горение совершаются параллельно на выходе газа из горелки.

Особенности диффузионных горелок:

1) обеспечение сжигания газа по диффузионному принципу;

2) длинное пламя со сравнительно невысокой температурой (при использовании в качестве топлива углеводородных газов пламя желто-белого цвета. В верхней части факела появляются сажистые частицы - копоть);

Рис. 1.1. Схемы горелок

а - диффузионная; б-в - инжекционные: 6 - α 1 > 1, в - α 1 < 1; г - с принудительной подачей воздуха; 1 - сопло; 2 - инжектор; 3 - горловина; 4 - диффузор; 5 - насадок; 6 - воздушная заслонка; 7 - огневые отверстия; 8 - коллектор; 9 -газораспределительное устройство; 10 - завихритель; 11 - отверстия для выхода газа; 12 - корпус.

3) наличие в продуктах сгорания несгоревших частиц топлива (химическая неполнота сгорания, или химический недожог, особенно при сжигании высококалорийных газов);

4) необходимость иметь большой объем топочной камеры.

Достоинствами горелок этого типа являются малогабаритность и простота конструкции, удобство и безопасность эксплуатации, высокая устойчивость пламени без проскока и отрыва, высокая степень черноты пламени, широкий диапазон регулирования тепловой мощности и др. К недостаткам горелок относятся повышенный по сравнению с другими видами горелок коэффициент избытка воздуха, ухудшение условий догорания газа и выделение при сжигании углеводородных газов продуктов неполного сгорания.

Диффузионные горелки применяют для сжигания искусственных газов (сланцевый, коксовый, водяной, генераторный и др.), причем на сжигание 1 м 3 горючего газа требуется небольшое количество воздуха. Как правило, это горелки с небольшими расходами газа. Кроме того, в горелках этого типа можно сжигать природные и сжиженные углеводородные газы на производствах, где требуется длинный светящийся (коптящий) факел с равномерной температурой по его длине: печи мартеновские, цементные, стекловаренные, печи для получения газовой сажи и др. В отдельных случаях они незаменимы, например в высокотемпературных плавильных печах, где требуется растянутый факел с высокой степенью черноты. А это возможно при подогреве воздуха, необходимого для горения, до 1000-1100 °С, т. е. до температуры, превышающей температуру самовоспламенения газовоздушной смеси. Предварительное смешение газа с воздухом в таких условиях неосуществимо.

Диффузионные газовые горелки для сжигания природных и сжиженных углеводородных газов в настоящее время широко не применяют из-за того, что для полного сжигания газа они требуют большого количества воздуха.

1.2.2.Инжекционные горелки . Это - горелки, у которых необходимый для горения воздух поступает полностью (α 1 > 1) или частично (α 1 <; 1) в качестве первичного, а подача его осуществляется за счет кинетической энергии струи газа, вытекающего из сопла. У этих горелок процессы смешения газа с воздухом и горения полностью или частично разделены. Инжекционные горелки обеспечивают хорошее смешение газа с воздухом. В зависимости от коэффициента избытка первичного воздуха α 1 они делятся на две группы: с α 1 >1 и α 1 < 1.

Инжекционные горелки с α 1 > 1 (рис. 1.1,6). Газ, вытекая из сопла с большой скоростью за счет кинетической энергии струи, засасывает в инжектор из окружающего пространства воздух в количестве, необходимом для полного сгорания газа. Интенсивное смешение газа с воздухом осуществляется в горловине и завершается в диффузоре, в котором одновременно происходит повышение статического давления за счет плавного снижения скорости газовоздушного потока. Выравнивание скоростей происходит в конфузорном огневом насадке, где на выходе скорость смеси за счет повышения статического давления доводится до обеспечивающей устойчивую работу горелки в заданном диапазоне регулирования ее тепловой мощности. Количество поступающего воздуха в горелку может изменяться при помощи регулятора первичного воздуха, обычно имеющего вид шайбы, вращающейся на резьбовой поверхности сопла. При полностью открытом регуляторе коэффициент избытка первичного воздуха в основном зависит от отношения диаметров горловины и сопла. Инжекционные горелки с α 1 > 1 не требуют подвода вторичного воздуха (а 2 = 0); обеспечивают сжигание газа по кинетическому принципу; имеют короткое пламя с высокой температурой; обеспечивают в рабочем диапазоне автоматичность соотношения газ - воздух, т. е. постоянство α 1 независимо от изменения давления газа; создают возможность работы в топках с небольшим противодавлением (до 20 Па), что позволяет их устанавливать в камерных нагревательных печах; обладают низкой устойчивостью к проскоку и отрыву пламени. Требуют применения стабилизаторов пламени.

Диапазон устойчивой работы инжекционных горелок с α 1 > 1 определяется исходя из следующего условия: минимальная тепловая мощность Q m i n достигается при расходе газа, который создает скорость выхода газовоздушной смеси из насадка горелки, равную скорости распространения пламени или несколько превышающую ее, т. е. предотвращающую проскок пламени. Таким образом, во всем рабочем режиме горелки имеет место отрыв пламени, для предотвращения которого их оснащают стабилизаторами пламени, обеспечивающими постоянное поджигание вытекающей из насадка газовоздушной смеси. Конфигурация смесителя горелки (диффузор, горловина и конфузор - по типу трубы Вентури) обеспечивает хорошее смешение газа с воздухом и создание до горения однородной газовоздушной смеси, что позволяет полностью сжигать газ с минимальными избытками воздуха (α 1 = 1,02 -1,05).

Розжиг большинства инжекционных горелок α 1 > 1 осуществляют с прикрытым регулятором первичного воздуха, так как для предотвращения проскока пламени во время пуска газа приходится переходить на режим, когда скорость распространения пламени будет превышать скорость газовоздушной смеси в насадке. Для того чтобы исключить проскок пламени во время розжига, уменьшают подачу воздуха, что делает первичную смесь негорючей. В пусковой период, протекающий очень быстро, дожигание горючего газа происходит за счет вторичного воздуха, после чего регулятор первичного воздуха полностью открывается.

Инжекционные горелки с α 1 > 1, как правило, работают на среднем давлении газа (10-90 кПа). Максимальное давление ограничивается верхним пределом докритических скоростей истечения,

Рис. 1.2. Зависимость коэффициента избытка инжектируемого воздуха от разрежения, противодавления в топке и давления газа перед соплом

который для природного газа достигается при давлении 90 кПа. При докритических скоростях истечения газа из сопла горелки постоянство коэффициента α 1 сохраняется, если давление в топке равно атмосферному или давлению инжектируемого воздуха. Если же топка, в которой установлена горелка, работает под разрежением или давлением, превышающем атмосферное, количество инжектируемого воздуха соответственно увеличивается или уменьшается.

Количественное влияние разрежения и противодавления в топке на коэффициент избытка инжектируемого воздуха в зависимости от давления газа перед соплом показано на рис. 1.2. Исследования проводились на инжекционной горелке, выдающей газовоздушную смесь в специальную камеру, в которой искусственно создавались разрежения и противодавления в пределах0--40 и 0-40 Па. Горелка была рассчитана и отрегулирована на α 1 =1,0 при давлении в топке, равном атмосферному. Положение кривых показывает, что влияние разрежения и противодавления сказывается на коэффициенте избытка воздуха тем больше, чем больше отклоняется давление в топке от атмосферного и чем меньше давление газа перед соплом, По этой причине такие горелки, как правило, применяют в топках, если давление укладывается в пределы ±20 Па относительно атмосферного и если при минимальной тепловой мощности давление газа перед соплом составляет не менее 5 кПа. В том случае, если разрежение в топке превышает указанное значение и ведет к нецелесообразному избытку воздуха, горелки оборудуют уравнительными камерами, поддерживающими давление инжектируемого воздуха на уровне, близком к разрежению в топке. При закритических режимах истечения газа (давление природного газа перед соплом >90 кПа) горелки не обладают свойствами автоматического пропорционирования и α 1 снижается при повышении давления газа перед соплом.

Устойчивость пламени на инжекционных горелках достигается при отрыве применением стабилизаторов горения в виде огнеупорных туннелей, кольцевых зажигательных поясков или тел плохообтекаемой формы, а при проскоке - значительной скоростью выхода газовоздушной смеси. Наиболее распространены стабилизаторы горения в виде цилиндрических туннелей с внезапно расширяющимся сечением. Стабилизирующее действие таких туннелей рассмотрено в литературе . Туннели изготавливают из огнеупорных материалов, пригодных для длительной работы при температуре 1450-1500°С и стойких к резким колебаниям температур, что имеет место при каждом включении и выключении горелок. Обычно туннели делают набивными и изготавливают по шаблону из материала следующего состава, %: порошок хромистого железняка 45, порошок из обожженного магнезита 45, огнеупорная глина 10. Полученную массу разбавляют водой до густого тестообразного состояния. Перед применением в огнеупорную массу добавляют 2-3% жидкого стекла, после чего смесь тщательно перемешивают. Толщина слоя набивной массы должна быть не менее 25 мм.

Туннели, выполненные из указанного материала, обеспечивают достаточно высокую стойкость: после 2 лет работы при температуре около 1400 °С они не оплавились и не растрескались. Туннели без хромистого железняка дают многочисленные трещины, а набивки из хромистого железняка, но без магнезита размягчаются. Набивка туннелей может выполняться и из других материалов, %: порошка хромомагнезита 70 и огнеупорной глины30. Применять туннели из обычной набивки или кирпича недопустимо, так как они, как правило, оплавляются очень быстро. При выборе материалов для туннелей необходимо учитывать, что наличие в них оксида железа или других примесей, снижающих температуру размягчения и увеличивающих теплопроводность материала, ухудшает качество туннеля и приводит к его оплавлению.

Для удобства извлечения деревянного шаблона (после набивки туннеля) его делают с расширением 3-4° в сторону выхода продуктов сгорания. При массовой потребности в туннелях их выполняют из заблаговременно изготовленных горелочных камней. При сборке туннелей горелочные камни укладывают, тщательно подгоняя поверхности, при толщине швов 0,5-1,0 мм. Уступы и неровности на внутренней поверхности туннелей недопустимы.

В зависимости от условий установки инжекционные горелки изготавливаются с прямыми и угловыми смесителями. Последние применяют в тех случаях, когда прямые смесители непригодны или неудобны в эксплуатации из-за их значительной длины. К недостаткам угловых смесителей относятся: 1) большое сопротивление, приводящее к уменьшению коэффициента инжекции на 1-3% (в зависимости от угла поворота) относительно прямых смесителей равнозначных характеристик. Несколько снижается для угловых смесителей и устойчивость пламени по отношению к проскоку.

Инжекционные горелки с α 1 > 1 устанавливают на промышленных и коммунальных теплоагрегатах (нагревательные и термические камерные печи, сушилки, чугунные секционные отопительные котлы, хлебопекарные и кондитерские печи, каменки бань и др.). Широко применяют инжекционные горелки с максимальным расходом газа до 100 м 3 /ч. Для больших расходов эти горелки становятся громоздкими и металлоемкими и применение их, компоновка на теплоагрегатах усложняются.

Инжекционные горелки с α 1 < 1 (рис. 1.1, б). Выбор значения α 1 для этих горелок зависит от диапазона устойчивой работы их, который определяется по режиму работы теплоагрегата. В подавляющем большинстве инжекционные горелки с α 1 < 1 работают на низком давлении газа (до 2 кПа). При этих условиях энергия струи газа, вытекающей из сопла в инжектор, недостаточна, чтобы обеспечить большую выходную скорость газовоздушной смеси в насадке горелки или в огневых отверстиях, превышающую скорость распространения пламени. Поэтому максимальная тепловая мощность этих горелок, как правило, определяется скоростью отрыва пламени, т. е. скорость выхода газовоздушной смеси принимается равной или меньшей скорости распространения пламени. А так как горелки должны иметь достаточно широкий диапазон изменения тепловой мощности, приходится выбирать такое значение чтобы первичная газовоздушная смесь была не горючая. Тогда проскок пламени при уменьшении расхода будет отсутствовать.

Известно, что для природного газа при α 1 < 0,59 газовоздушная смесь не горючая. Следует иметь в виду, что уменьшать α 1 можно только до определенного предела, который для углеводородных газов определяется по следующей зависимости:

где m - число углеродных атомов в молекуле газа или среднее их число в сложном газе; n-то же, водородных атомов; d к - диаметр огневых каналов в коллекторе горелки, м.

Для природного газа α m i n = 0,4. Если α 1 принимается меньше этого значения, то горение приближается к диффузионному и имеет место выделение продуктов неполного сгорания газа.

Инжекционные горелки с α 1 < 1 обладают следующими особенностями: 1) требуют организованного подвода вторичного воздуха; 2) точки, где устанавливают эти горелки, должны иметь разрежение; 3) обеспечивают сжигание газа по промежуточному принципу, т. е. начало горения кинетическое, а окончание диффузионное; 4) имеют большую, чем горелки с α 1 > 1, длину и меньшую температуру пламени; 5) имеют большую устойчивость к отрыву и проскоку пламени, что, как правило, не вызывает необходимости применять стабилизаторы пламени.

Полное сгорание газа в этих горелках можно обеспечить только при подаче вторичного воздуха, при этом общий коэффициент избытка воздуха должен быть не менее α = α 1 + α 2 , = 1,15-1,20.

Инжекционные горелки могут иметь различные насадки. Это могут быть многофакельные коллекторы с большим числом огневых отверстий, которые обеспечивают распределенную передачу теплоты обогреваемым поверхностям, или одно большое отверстие либо по оси потока смеси, либо под углом, которое формирует один факел.

Инжекционные горелки с α 1 < 1 применяют весьма широко в бытовых газовых плитах, в проточных и емкостных водонагревателях, в ресторанных плитах, в секционных маленьких отопительных котлах, отопительных печах, в лабораторной практике и т. д.

1.2.3. Горелки с принудительной подачей воздуха . Воздух, необходимый для горения, нагнетается в горелки принудительно вентилятором, воздуходувкой или компрессором. Газ из газопровода подается (рис. 1.1, г) в газораспределительное устройство, а из него через сопла вытекает в закрученный поток воздуха. Здесь происходит смешение газа с воздухом. Подготовленная газовоздушная смесь выдается через насадок к месту сжигания. Эти горелки, как и инжекционные горелки с α 1 >1, оснащены стабилизаторами пламени. К особенностям горелок этого типа относятся: 1) возможность создавать горелки на любые расходы газа; 2) возможность использовать теплоту предварительно подогретого (подаваемого для горения) воздуха; 3) возможность обеспечить сжигание газа как по кинетическому, так и по промежуточному принципу (в зависимости от вида смесителя); 4) возможность работать при любом давлении в топке; 5) необходимость устанавливать клапан блокировки, отключающий подачу газа при прекращении подачи воздуха; 6) наличие воздуховодов (кроме газопроводов) в системе обвязочных коммуникаций теплоагрегата; 7) необходимость в рабочем режиме регулирования соотношения расходов газа и воздуха для поддержания заданного коэффициента избытка воздуха;8) меньшая удельная металлоемкость по сравнению с инжекционными горелками; 9) обладание, как правило, большим коэффициентом предельного регулирования.

Смешение газа с воздухом зависит от конструкции как самой горелки, так и ее смесителя. Имеются горелки с хорошим предварительным смешением газа с воздухом. Такие горелки обеспечивают горение газа, близкое к кинетическому, и имеют в топке короткое пламя с высокой температурой. Для получения более длинного пламени применяют внешнее смешение газа с воздухом, иногда переносимое в топочное устройство.

Регулировать длину пламени можно, изменив качество смешения газа с воздухом. Чтобы сократить длину пламени, надо обеспечить хорошее предварительное смешение. Это достигается за счет удлинения участка смешения; увеличения разности скоростей газа и воздуха, а также поверхности соприкосновения газовых струй с воздушным потоком; направления потоков газа и воздуха под углом; выдачи газовых струй в закрученный поток воздуха.

Рис. 1.3. Схемы горелок с принудительной подачей воздуха.

На рис. 1,3 приведены различные схемы горелок с принудительной подачей воздуха. По схеме I газ и воздух к месту сгорания подаются раздельно, параллельными широкими потоками примерно с равными скоростями. Смешение происходит крайне медленно. Горение близко к диффузионному. Пламя длинное, при сжигании углеводородных газов светящееся, имеет невысокую температуру. В схеме II поверхность соприкосновения потоков газа и воздуха увеличена за счет подачи газа внутри воздушного потока (горелка типа «труба в трубе»). Длина пламени сокращается. Еще большее сокращение длины пламени достигается, если обеспечить некоторое предварительное смешение газа с воздухом (схема III). Улучшение предварительного смешения газа с воздухом достигается установкой в горелке завихрителя, закручивающего поток воздуха (схема IV). Для увеличения площади соприкосновения газа с воздухом вместо одного крупного газовыпускного отверстия делают много мелких под углом к предварительно закрученному потоку воздуха (схема V). Это приводит к образованию более равномерной газовоздушной смеси, что обеспечивает горение, близкое к кинетическому, а также короткое пламя с высокой температурой. Смешение можно еще более улучшить, если газ в закрученный поток воздуха подавать не только с центра, но и с периферии (схема VI), обеспечивая равномерное распределение газовых струй в сносящем потоке воздуха. Закручивание воздушного потока может осуществляться лопаточным направляющим аппаратом, улиткой, тангенциальным подводом к горелке и др.

Горелки с принудительной подачей воздуха (иногда их еще называют дутьевыми или двухпроводными) в зависимости от конструкции работают на газе низкого или среднего давления. Их применяют в основном для промышленных теплоагрегатов: котлов, печей, сушилок и др. Горилки этого типа позволяют использовать теплоту отработанных дымовых газов за счет подогрева в теплообменниках (рекуператорах, регенераторах и др.) воздуха, подаваемого для горения, что позволяет повысить КПД теплоагрегатов.

Недостатками рассматриваемых горелок являются: значительные затраты электроэнергии на дутьевые вентиляторы; усложнение инженерных коммуникаций теплоагрегата из-за наличия воздуховодов, устройств регулирования соотношения газ-воздух и клапанов, отсекающих подачу газа к горелкам при остановке вентилятора.

РАСЧЕТ ИНЖЕКЦИОННЫХ ГОРЕЛОК

Теоретический расчет газовых горелок является весьма сложным, 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. Так как такой методики еще не существует, то при расчете горелок приходится пользоваться рядом приближенных данных, полученных из практики или отдельных экспериментов. Ниже приведена наиболее упрощенная и вместе с тем оправдавшая себя в практике методика расчета и пересчета на взаимозаменяемый газ наиболее распространенных газовых горелок.

Инжекционные горелки, выдающие гомогенную газовоздушную смесь с α 1 << 1,0. Эти горелки наиболее часто работают на газе низкого давления, широко применяются в бытовых газовых аппаратах и многочисленных тепловых установках предприятий и учреждений городского хозяйства.

Расчет горелок (рис. 2.1) должен обеспечивать необходимую для аппаратов и установок тепловую мощность; широкий диапазон регулирования расхода газа; устойчивость пламени без применения искусственных стабилизаторов горения и отсутствие или малую концентрацию вредных компонентов в продуктах сгорания. Он включает в себя определение размеров следующих конструктивных элементов: сопла, горловины смесителя, конфузора, диффузора, огневых каналов и габаритных размеров, обеспечивающих возможность установки горелки в заданной топке. Исходными данными для расчета являются тепловая мощность горелки, химический состав газа, давление газа перед соплом и температуры газа и воздуха, а также характеристики аппарата или тепловой установки, для которых горелка рассчитывается.

По указанным исходным данным определяют низшую теплоту сгорания и плотность газа, теоретический расход воздуха. При расчете таких горелок объем газа и его плотность могут определяться при нормальных физических условиях. Объясняется это тем, что давление газа мало отличается от атмосферного, а его температура для зимнего расчетного периода изменяется от 5 до 10 0 C. При тех же условиях с допустимой для практики точностью могут определяться теоретический расход воздуха и его плотность. При расчете горелок можно не учитывать содержание в газе и воздухе водяных паров, так как оно очень мало влияет на объем и плотность, а также теплоту сгорания газа.

Рис. 2.1. Расчетная схема инжекционной горелки.

1 - сопло; 2 - конфузор; 3 - горловина; 4 - диффузор; 5 - распределительный коллектор; 6 - огневые каналы; 7 - регулировочная шайба (поступления первичного воздуха).

2.1.Инжекционные горелки с коэффициентом избытка воздуха α 1 < 1,0.

Низшую теплоту сгорания газа находят по теплоте сгорания его компонентов

; кДж/м 3 , (2.1)

Н 2 , СО, СН 4 и т.д.–% об. газов в смеси.

Теоретически необходимое количество воздуха для сжигания газа находят по формуле

; м 3 /м 3 , (2.2)

m–число атомов углерода в молекуле газа;

n– число атомов водорода в молекуле газа;

Расход газа (V г, м 3 /ч) находят по формуле

, (2.3)

V г = 68250000/(36117.8*1*91.7) = 20.6 м 3 /ч

q - номинальная теплопроизводительность установки, кДж/ч;

Q Н - низшая теплота сгорания газа, кДж/м 3 ;

N - число принимаемых к установке однотипных горелок с одинаковым расходом газа;

η - КПД установки.

Давление газа р г, Па, перед соплом горелки определяется на основании гидравлического расчета газопроводов. Вместе с тем для обеспечения широкого диапазона регулирования расхода газа оно должно быть не менее определяемого по формуле

р г = 0,27Q H /100 + 40 (2.4)

P г = 0.27* Q н /100 + 40 = 0.27*36117.8/100 + 40 = 137.52 Па

Теоретическая скорость истечения газа из сопла (w r , м/с) при низком давлении  (до 5 кПа) рассчитывается по формуле гидравлики, не учитывающей изменение плотности газа:

, (2.5)

р г - давление газа перед соплом, Па;

ρ г - плотность газа, кг/м 3 .

Площадь поперечного сечения газового сопла (f, м 2) и его диаметр (D, м) определяются по формулам

; (2.6)

; (2.7)

f d 1 = V г /(3600*µ* ω г) = 20.6/(3600*0.7*19.7) = 0.000415м 2

где μ - коэффициент расхода, учитывающий неравномерность.распределения скоростей потока газа по сечению сопла, сопротивления трения в нем и сжатие струи, зависит от формы сопла.

Для цилиндрического сопла с острыми краями в тонкой стенке (рис. 2.6а)  в зависимости от качества обработки внутренней стенки μ = 0,6-0,65; для того же сопла, но с закругленными изнутри краями (рис. 2.6б) μ = 0,7-0,75; для конического сопла (рис. 2.6в) коэффициент расхода μ зависит от угла конусности β: при β = 15° μ = 0,9; при β = 30° μ = 0,85 и при β = 45° μ = 0,82;  для наиболее распространенного сопла (рис. 2.6г) с цилиндрическим каналом и β = 90° значение μ зависит от отношения длины цилиндрической части сопла l D 1 к диаметру сопла D 1 при l D 1: D 1 = 0,18, μ = 0,75; при l D 1: D 1 = 0,45, μ = 0,85; при l D 1: D 1 = 1,0, μ = 0,85; при l D 1: D 1 = 2, μ = 0,84.

Диаметр горла смесителя D 3 , м, определяется из уравнения, выражающего закон сохранения количества движения при смешении двух газов. Количество движения 1 м 3 инжектируемого газа равно , а инжектируемого из атмосферы воздуха может приниматься равным нулю. В этом случае количество движения смеси газа и воздуха

w 3 - скорость газовоздушной смеси в горловине смесителя, м/с;

ρ В - плотность воздуха, кг/м 3 ;

n - объемная кратность инжекции (количество воздуха, инжектируемое 1 м 3 газа), м 3 /м 3 .

Рис. 2.2. Формы сопел инжекционных горелок.

Уравнение сохранения количества движения будет иметь тот же вид

Выразив расход газа V г, м 3 /ч, и смеси V г (1 + n), м 3 /ч, через соответствующие скорости и сечения

V г /3600 = πD l 2 w г /4 и V г (1 + n)/3600 = πD 3 2 w 3 /4

w 3 = w г (1 + n) (D 1 /D 3) 2 . (2.10)

Так как кратность инжекции n = V T α 1 , то

где α 1 -коэффициент избытка инжектируемого воздуха;

V T -теоретическая потребность в воздухе для сгорания 1 м 3 газа, м 3 /м 3 .

Формула (2.11) показывает, что α 1 для данного вида газа зависит только от соотношения диаметра горловины к диаметру сопла и не зависит от давления инжектирующего газа. Это значит, что инжекционные горелки обеспечивают постоянство соотношения газа и воздуха в смеси независимо от изменения расхода газа. Так, для горелок рассматриваемого вида α 1 должен приниматься таким,  чтобы не происходило проскока пламени внутрь смесителя при минимально необходимом расходе газа. Численное значение этого коэффициента

α 1 <[(100/L в) - l)](l/V т), (2.12)

L B - верхний предел воспламеняемости газа, % об.

Одновременно значение α 1 должно быть больше такого, при котором возможно образование желтых языков (краев) пламен:

α 1 >0,75(m + n/4) 0,5 d 0 0,25 , (2.13)

m - число углеродных атомов в молекуле или среднее их число в сложном газе;

n - то же, водородных атомов;

d 0 - диаметр огневых каналов на коллекторе горелки, м.

Диаметры конфузора D 2 и диффузора D 4 принимаются примерно одинаковыми:

D 2 ~D 4 = (2,0 - 2,2) D 3 . (2.14)

D 2 ~D 4 = 2.1*0,2 = 0.42 м

Длина горловины смесителя и длина конфузора

l 1 =(2,5 - 3,5) D 3 (2.15)

l 3 = (1,3- 1,5) D 3 . (2.16)

L 1 = 3D 3 = 0.6; L 2 = 1.4D 3 = 0.28

Переход конической поверхности конфузора в цилиндрическую горловины для литых смесителей рекомендуется выполнять по дуге окружности радиуса 

R = (3-5) D 3 (2.17).

R = 4D 3 = 0.8 м

Значения коэффициента R в зависимости от вида газа и коэффициента избытка первичного воздуха приведены в таблице 2.1

Сегодня многие зарубежные и ряд российских фирм предлагают котельное оборудование, отличающееся как стоимостью, так и своими техническими возможностями. Приведенный ниже анализ базовых критериев выбора котельного предназначен, прежде всего, для проектировщика инженерных систем здания. Так как только он сможет грамотно учесть при проектировании все требования заказчика к тепловому комфорту в здании, оценить эксплуатационные характеристики различных теплопотребляющих систем, предложить и сопоставить различные варианты инженерного решения системы теплоснабжения.

Разница в цене на аналогичное по основным техническим характеристикам оборудование должна быть существенная. Наиболее низкие цены на теплогенераторы из южных стран Западной Европы (Италия, Испания, Югославия, Греция), стран бывшего соцлагеря (Чехия, Словакия, Польша, Венгрия) и стран Азии (Южная Корея, Сирия). К этой категории можно отнести и оборудование из США. Существенное возрастание цены наблюдается по мере удаления страны-производителя на север Европы (Австрия, Швейцария, Голландия, Германия, Швеция, Финляндия), так как в странах с более суровым климатом требования к его качеству и надёжности возрастают, а, соответственно, возрастает и цена. У оборудования этих стран по опыту его многолетней эксплуатации в климатических и технических, часто отличающихся от идеальных, условиях средней полосы России гораздо меньше отказов в работе. Оно лучше адаптировано, к примеру, к возможным сбоям в подаче к нему энергоносителей. Многие западные фирмы, давно работающие на российском рынке и заинтересованные в нём, специально занимаются вопросами, связанными с подобной адаптацией. Принимая решение о выборе теплогенератора, особенно в сложной с большим количеством разноплановых потребителей теплоты схеме теплоснабжения, крайне важно помнить об обеспечении его надёжности эксплуатации в более суровых условиях России. Экономия капитальных затрат в данном случае может в последствии привести к большим эксплуатационным затратам и обернуться для заказчика в лучшем случае высокой стоимостью эксплуатации оборудования, в худшем - крайне важно стью дополнительных затрат на восстановительный ремонт инженерных систем, а, иногда, и самого здания.

Конструктивные особенности теплогенератора определяются, прежде всего, видом используемого в нём топлива. Наиболее доступным и дешёвым в настоящее время является природный газ. Газовые водогрейные котлы оборудуются либо встроенной атмосферной горелкой (поступление воздуха для горения газа за счёт естественной тяги в дымовой трубе), либо выносной горелкой (принудительное создание газовоздушной смеси). В случае если давление газа в сети ниже номинала (16…20 Mбар), рекомендуется применять котлы с выносной горелкой.

Принципиально различаются теплогенераторы с ёмкостью для нагрева воды цельностальной или набранной из отдельных, как правило, чугунных секций. Последние более коррозионностойкие, что важно, так как качество воды, которой заполняются инженерные системы здания, часто далеко от идеального. Секционные котлы, которые могут поставляться на объект в разобранном виде, удобны при монтаже в стеснённых условиях стройплощадки. Ещё одно их преимущество - возможность быстрой аварийной замены в процессе эксплуатации вышедшей по какой-либо причине из строя секции котла. Стальной котёл в данном случае придется менять целиком. Котлы обычно устанавливаются непосредственно на пол котельной или на невысокий, до 200 мм, фундамент.

В особую группу крайне важно выделить настенные газовые котлы, которые имеют очень широкое распространение на Западе. Настенный генератор теплоты имеет много преимуществ. Он компактен, удобен в монтаже и эксплуатации, универсален в выборе места его размещения в доме. Котёл оснащён уже встроенным в него необходимым оборудованием: циркуляционным насосом, расширительным мембранным баком, воздухоотводчиком, предохранительной и запорной арматурой. Определённый тип данного котла позволяет отказаться от традиционной дымовой трубы и отводить продукты сгорания через наружную стену с помощью специальной конструкции "труба в трубе". При этом, применительно к климатическим условиям России, эти котлы имеют существенный недостаток - низкую расчётную мощность, составляющую не более 30…50 кВт. Это в настоящее время ограничивает их применение или реконструируемыми квартирами в условиях старой городской застройки, или небольшими, чаще всего вспомогательными, постройками (гараж, баня и т. п.).

При отсутствии газа следующим по значимости является более дорогое дизельное топливо. Его использование для работы теплогенератора заметно повышает стоимость самой котельной за счёт появления в её схеме дополнительного оборудования (топливных баков, системы топливоподачи и т.д.), а также эксплуатационную стоимость вырабатываемой генератором теплоты. Как правило, конструкция подобного котла универсальна и переход на использование в нём природного газа осуществляется простой и быстрой заменой выносной дизельной горелки на газовую с последующей её наладкой. Котёл продолжает работать с той же автоматикой, каких-либо переделок в тепловой схеме котельной при этом не требуется. Ряд стран предлагают на нашем рынке и комбинированные горелки, работающие на двух видах топлива, в которых переход на другое топливо осуществляется простым поворотом крана.

Правильное и точное определение расчётной мощности теплогенератора не только экономит деньги заказчика, но и в значительной мере предопределяет устойчивость работы котельного оборудования в процессе эксплуатации, а также его долговечность. К сожалению, следует констатировать, что многие торгующие котлами фирмы продолжают абсолютно порочную практику подбора котельного оборудования для своих клиентов без должного в таком случае проектного сопровождения и расчёта требуемой мощности в соответствии с действующими нормативными требованиями. Подобный дилетантский подход к этому важному вопросу чаще всего выражается в определении мощности по отапливаемой площади дома без учёта теплотехнических свойств его наружных ограждающих конструкций и функциональных особенностей других возможных теплопотребляющих систем.

Выбор расчётной мощности системы "тёплый пол" зависит от её функционального назначения. В случае если эта система предназначена для полной или частичной компенсации теплопотерь дома, то её мощность уже учтена в предыдущем расчёте. При этом часто эта система используется, как дополнительный тепловой комфорт в отдельных помещениях (ванная комната͵ бассейн, сауна, зимний сад и т. п.). В этом случае требуется определение дополнительной мощности исходя из расчётной температуры на поверхности пола и внутреннего воздуха в данном помещении с учётом нагреваемой площади. В любом случае, при выборе и расчёте напольного отопления проектировщику следует помнить о том, что по санитарно-гигиеническим соображениям температура на поверхности нагретого пола ограничена. Причем, по российским нормам эта температура (26°C) ниже, чем в нормах западных стран.

В случае если в доме предусмотрена система приточной вентиляции или система кондиционирования воздуха с использованием водяных калориферов, их расчётная мощность определяется при той же расчётной температуре наружного воздуха и принятой в проекте этих систем температуре приточного воздуха с учётом расчётного воздухообмена в вентилируемых помещениях.

Особо следует оговорить учёт при выборе мощности теплогенератора расчётной теплопотребности . Связано это с тем, что автоматика выбранной конструкции котла может иметь возможность приоритетного включения водонагревателя этой системы. При этом работа системы отопления на данный период временно прекращается. В этом случае можно получить значительную экономию за счёт частичного или полного снижения расчётной мощности теплогенератора на величину требуемой мощности системы горячего водоснабжения . Но принять такое решение можно только после тщательного анализа возможных последствий остановки системы отопления , проводимого проектировщиком с учётом её расчётной продолжительности и теплоинерционных особенностей здания. Только в результате подобного анализа может выявиться возможность снижения требуемой теплопотребности системы горячего водоснабжения при определении мощности генератора теплоты.

Система отопления и система вентиляции или кондиционирования воздуха потребляют теплоту только в холодный и переходный периоды года. Изменение теплоподачи в них осуществляется путём изменения температуры воды от котла по задаваемому на его блоке управления графику качественного регулирования исходя из текущей температуры наружного воздуха или, в более простом варианте, с помощью регулятора температуры внутреннего воздуха, установленного в контрольном помещении здания. Система "тёплый пол" рассчитывается с более низкими, чем в системе отопления и системе вентиляции , температурными параметрами воды и имеет в схеме котельной самостоятельный узел регулирования и управления. Подача теплоты от генератора в систему горячего водоснабжения и систему теплоснабжения бассейна осуществляется периодически по мере крайне важно сти и с различной продолжительностью, но обычно при форсированном режиме работы котла.

Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, особенно при сложной схеме теплоснабжения дома, выбор котла должен сопровождаться тщательной оценкой возможностей средств автоматизации, которыми фирма-производитель может его укомплектовать.

Возможно вас заинтересует