Для отправки ваших публикаций, пожалуйста, зарегистрируйтесь.

Если Вы уже зарегистрированы, то авторизуйтесь на сайте.



  1. Вход или регистрация
  1. Подписка

Нелегкие задачи по укрощению огня
10 января 2018             

Автор: Мамедов Александр Нусратович, главный специалист, ООО "Техноинжениринг", г.Ташкент, тел. служ. 256 82 82, тел. моб. +998946351672, e-mail: mamedov_46@mail.ru, texnoing@bk.ru.
 

Новые процессы на пути укрощения огня.

 
В настоящее время в бытовых газовых плитах, бойлерах и в промышленном производстве широко используются горелки «открытого пламени», обеспечивающие энерговыделение в режиме диффузионного горения с высокой температурой фронта пламени. Это приводит к недостаточной полноте сгорания, высокой токсичности отходящих газов, а при конвективном нагреве в открытом пространстве объектов ограниченного размера - к низкой эффективности процесса.

Разрабатываемые горелочные устройства с объемной матрицей позволяют в случае применения их в бытовых газовых плитах существенно сократить потребление газа и повысить качество жизни за счет резкого снижения вредных газовых компонентов в закрытых и плохо проветриваемых помещениях (на кухне). Обычная горелка открытого пламени мощностью 2 кВт производит приблизительно 2•10-4 м3 угарного газа в час. Это означает, что предельно допустимая концентрации 3 мг/м3 будет достигнут после 10 минут для закрытой комнаты (например, кухни). Использование предлагаемых ИК -горелок с объемной матрицей позволяет не превышать ПДК в течение 15 часов, потому что концентрация CO в 100 раз более низкая. Эти оценки указывают возможность существенного улучшения качества жизни и здоровья людей.
 
Применение разрабатываемых горелочных устройств в котлах позволит заметно сократить их габариты за счет более эффективного радиационно - конвективного нагрева воды и уменьшить количество выбросов окиси азота и монооксида углерода в атмосферу.
 
В статье приводиться описание новых проектов газовых нагревателей, котлов с эффективными инфракрасными горелочными устройствами.
 
Более высокую эффективность и резкое снижение окислов азота в продуктах сгорания обеспечивают радиационные горелочные устройства, инфракрасные горелки. В таких горелках горение происходит на поверхности плоской проницаемой керамической (или иной) матрицы. В результате сильного теплоотвода от фронта пламени в матрицу, температура горения снижается, что приводит к соответствующему снижению окислов азота в продуктах сгорания. Нагрев поверхности матрицы обеспечивает сильный радиационный поток, при этом до 50% энергии горения может переходить в излучение, увеличивая КПД нагревательного устройства. При радиационном теплообмене все излученное тепло мгновенно передается нагреваемому телу, причем энергия излучения пропорциональна четвертой степени температуры излучателя. Тепловой поток при лучистом теплообмене является экологически чистым и проще управляемым, чем при конвективном теплообмене, что позволяет уменьшать габариты установок и упростит конструкцию. Радиационные беспламенные горелки, в отличие от горелок с открытым пламенем (факельных), обладают относительно низким уровнем акустического шума и вредных выбросов. Конструкция этих горелок одинакова (они отличаются лишь количеством плиток и диаметрами форсунок). Горелки состоят из корпуса, керамического излучателя с металлической сеткой, форсунки, рефлектора, кожуха и кронштейна (рис1.). Корпус горелки выполнен из двух штампованных деталей - половины инжектора и распределительной камеры, сваренных между собой контактной сваркой. Вторая половина инжектора выштамповывается в днище распределительной камеры. В корпус горелок вмонтирована крестовина, в которой расположены форсунка и штуцер для подсоединения газоподводящего шланга. Излучатель собирается из десяти или двадцати стандартных керамических плиток и монтируется в металлической рамке из жаропрочной стали. Сетка-стабилизатор выполнена из окалиностойкой стали Х20Н80.

В смеситель поступает газовоздушная смесь, которая затем проходит через насадок, состоящий из двух камер с отверстиями для выхода газовоздушной смеси. На выходе из внутренней камеры с большим числом отверстий смесь хорошо перемешивается и выходит из отверстий керамического насадка.
 
Нелегкие задачи по укрощению огня Нелегкие задачи по укрощению огня
Рис.1
 
Газовоздушная смесь, образующаяся в инжекторе горелки, поступает в распределительную коробку под давлением €,1 5-0,2 мм вод. ст. Далее проходит через керамический насадок, состоящий из огнеупорных плиток с большим количеством сквозных либо цилиндрических, либо конических каналов малого или ступенчатых каналов двух диаметров: вначале (по ход у смеси) меньшего и на выход е большего и сгорает у наружной поверхности керамического насадка. Близкий к стехиометрическом у состав газовоздушной смеси, хорошее перемешивание газа с воздухом и небольшая скорость выход а смеси обеспечивает возможность сгорания ее на поверхности насадка в тонком слое. Однако незначительное отклонение от указанных пределов коэффициента избытка воздуха резко снижает эффект беспламенного сжигания газа. При увеличенном подсосе первичного воздуха температура насадка падает, а излучательная способность газогорелочного устройства понижается. При пониженном подсосе появляются языки пламени, происходит неполнота сгорания , возникает необходимость подвода вторичного воздуха.
Главное отличие лучистого отопления от отопления посредством систем других типов заключается в механизме достижения требуемой температуры в помещении и распределения тепла.
 
При инфракрасном отоплении обогрев помещения происходит главным образом за счет лучистого теплообмена между источниками тепла - лучистыми обогревателями и поверхностями строительных конструкций, различных объектов, находящихся в обслуживаемой зоне. Попадая на поверхность ограждений и предметов, излучение частично поглощается и частично отражается ими. При отражении имеет место так называемое вторичное излучение.

Температура поверхностей, находящихся под воздействием лучей системы отопления, превышает температуру окружающего воздуха. В условиях установившегося теплового режима эта разница обычно составляет 1-2 °С для металлических поверхностей и 3,5-5 °С -для неметаллических.

При конвективном отоплении температура воздуха, наоборот, превышает температуру поверхностей строительных конструкций и предметов.
Конвективные системы, к которым относятся воздушные, радиаторные и конвекторные, нагревают воздух в помещении до необходимой температуры. В помещениях небольшого объема (квартира, офис) это не приводит к заметному увеличению расхода тепла.

Другая ситуация возникает при отоплении крупных производственных или коммерческих помещений высотой 5м и более. В данном случае поднимающийся к потолку нагретый воздух создает значительный градиент температур, следствием чего является так называемая тепловая подушка в верхней зоне помещения. Теплопотери объекта при этом значительно возрастают.

Поскольку лучистое отопление не создает значительного градиента температур по высоте помещения, то тем самым оно способствует более равномерному, чем конвективное, распределению тепла в помещении и не приводит к образованию тепловой подушки под потолком .
Возникающие при этом температурные условия близки к природным, когда в солнечный день, за счет получения части энергии от излучения, человек чувствует себя комфортно даже при умеренной (15-16 °С) температуре воздуха.

Основное преимущество лучистого отопления перед конвективным заключается в возможности создания комфортных температурных условий при более низкой (на 3-5 °С) температуре воздуха. Лучистая энергия без промежуточного носителя направленно поступает непосредственно в обслуживаемую зону, что также приводит к снижению теплопотерь. В среднем, применение систем лучистого отопления приводит к экономии 25-40 % тепловой энергии в производственных помещениях высотой 5м и более.

Обеспечить дальнейшую полноту сгорания, в основном за счет снижения окиси углерода, возможно путем существенного увеличения времени пребывания полупродуктов сгорания в условиях высокой температуры. Это может быть достигнуто путем применения протяженного туннельного радиационного экрана над поверхностью матрицы, а также методом сжигания газа в глубокой полости матрицы, т.е. переходом от топографии плоской матрицы к объемной трехмерной (рис.2).
 
Нелегкие задачи по укрощению огня
Рис.2
 

Основные преимущества ИК-горелок с объемной матрицей по сравнению с традиционными горелками открытого пламени и ИК.горелками с плоской матрицей:

  • экономия газа до 50%;
  • резкое сокращение токсичности отходящих газов (до 10 раз и более);
  • снижение затрат на вентиляцию помещений и организацию отвода и рассеивание отходящих газов (дымовые трубы);
  • значительное увеличение удельной мощности (мощность, отнесенная к площади поперечного сечения горелки - более 2500 кВт/м2) по сравнению с 250 кВт/м2 в ИК-горелках с плоской матрицей;
  • сокращение удельной металлоемкости (проектирование теплогенерирующей аппаратуры с показателями веса < 1кг/кВт);
  • перспектива разработки устройств с совершенно новыми потребительскими свойствами.

 

Конструктивно инфракрасная радиационная газовая горелка с объемной матрицей содержит жаростойкий объемный сферический или цилиндрический пористый насадок в виде трубы с заглушкой с одной стороны и газоподводящим патрубком с соплом с другой и запальное устройство, согласно идеи жаростойкий пористый объемный насадок выполнен сменным и снабжен быстроразъемным соединением с газоподводящим патрубком и соплом, установленными соосно ему и с возможностью перемещения вдоль его оси. Объемный пористый насадок может быть выполнен с профилированной наружной поверхностью так, что стенка насадка имеет регулярно переменную толщину вдоль своей продольной оси. Для расширения диапазона устойчивого горения и обеспечения дополнительного теплового излучения над поверхностью насадка размещена сетка из жаропрочной стали, которая исполняет функции дожигателя газа, стабилизатора пламени и дополнительного излучателя.


Для поиска лучших характеристик радиационной газовой горелки, для возможности подбора пористый насадок выполнен сменным и может иметь различные геометрические размеры и различную конфигурацию профилированной поверхности.


Воспламенившаяся смесь охватывает часть наружной поверхности пористого насадка, затем пламя стабилизируется в его выходных слоях. По мере разогрева поверхности пористого насадка приповерхностный слой пламени истончается и практически исчезает и реализуется режим внешнепорового горения, при котором по мере разогрева цилиндрический насадок раскаляется, что вызывает мощное ИК-излучение.

 

Регулировка работы радиационной газовой горелки осуществляется изменением давления впрыска газообразного топлива и/или положением сопла в полости цилиндрического насадка, обеспечиваемым узлом перемещения. Таким образом, регулируют величину зоны рециркуляции и эжектирующую воздух площадь поверхности насадка. Путем перемещения сопла по оси цилиндрического насадка, изменяя при этом площадь входа воздуха в рециркуляционной зоне происходит регулировка состава топлива (коэффициента избытка воздуха).


Постоянный перепад давлений на керамических поверхностях горелки сохраняет коэффициент инжекции неизменным, что приводит к полному сгоранию газа и относительно высокой теплопередаче горелки при воздействии ветра. Благодаря тому, что отверстия для забора воздуха, идущего на образование газовоздушной смеси, находятся в нижней части рефлектора, продукты сгорания не попадают под кожух и не влияют на работу горелки. Ветроустойчивость горелки понижается с понижением температуры воздуха, так как стабильность горения газа нарушается вследствие охлаждения излучающего насадка.


Керамика, способная работать без проскоков пламени при температуре 950° С, имеют максимальный диаметр отверстий, равный 1 мм. Они обладают небольшим гидравлическим сопротивлением, благодаря чему можно использовать низкое давление газа, площадь живого сечения составляет 36%.Инфракрасные (ИК) радиационные горелки используются для бытовых (отопление, обогрев) и промышленных (нагрев материалов, рабочих сред) нужд и обладают рядом преимуществ перед традиционными горелками с открытым пламенем.


Нами предпринята попытка создания бытового котла для отопления и горячего водоснабжения с инфракрасными (ИК) радиационнми горелками с объемной матрицей.

 

В настоящее время разработано несколько типов газовых горелок инфракрасного излучения с керамическими насадками, имеющими цилиндрические каналы для выхода газовоздушной смеси.


На рис. 3 приведена принципиальная схема горелки с цилиндрическим керамическим насадком.

 
Нелегкие задачи по укрощению огня
Рис.3
 

Природный или сжиженный газ под низким давлением подводится к форсунке. Подготовленная в смесителе газовоздушная смесь выходит через предохранительную сетку 7 в топочную камеру 4, затем через отверстия насадка 6 наружу. Предварительное зажигание газовоздушной смеси производится на поверхности насадка. При этом пламя проникает через его отверстия в топочную камеру 4, где происходит основной процесс горения. Сгорая в топочном объеме, газовоздушная смесь раскаляет керамический насадок до температуры 800° С, который становится источником (излучателем) тепловой энергии. Передача тепловой энергии излучением происходит с наружной и внутренней поверхностей насадка через отверстия для выхода продуктов горения. Цилиндрический керамический насадок выполнен в виде пористой керамики. Наружную цилиндрическую поверхность насадка окаймляет сетка стабилизатора горения из нержавеющей (Ст. 1Х18Н9Т) или нихромовой (Ст. Х20Н80) сталей с размером ячейки 0,63X0,63мм и с коэффициентом живого сечения 0,48. Горелка снабжена электромагнитным клапаном с термопарой и запальником. В ее комплект входят подставка, резино-тканевый рукав диаметром 14мм и- длиной 5м, а также хомуты для крепления шланга. Преимуществом горелки является то, что она проста в изготовлении и устойчива к динамическим ударам и вибрации. Коэффициент ее излучения при номинальной тепловой нагрузке составляет около 70%.


Физико-техническая характеристика цилиндрической насадки из пористой керамики зависит от технологии ее изготовления (гранулометрический состав наполнителя, температура обжига, давление прессовки).

 

Следует отметить, что для большинства испытанных керамических насадков из указанных масс температура тыльной стороны насадка при увеличении удельной тепловой нагрузки до 500- 530 тыс. ккал/м2 • ч постоянно уменьшается, что свидетельствует о преобладании скорости отвода тепла потоком газовоздушной смеси над скоростью подвода тепла из зоны горения. Увеличение теплоотдачи в проницаемом мелкозернистом насадке происходит по двум причинам: во-первых, увеличивается отношение поверхности пористой среды к объему; во-вторых, теплоотдача на единицу поверхности также увеличивается. Поэтому теплоотдача от фронта пламени растет до тех пор, пока распространение пламени становится невозможным. Размеры зерен (пор) должны быть такими, при которых пламя не может распространяться в глубину насадка. Разработанные пористые массы являются достаточно надежными огнепреградителями при невысоких температурах окружающей среды.


Разработана технология изготовления керамических пористых плиток, цилиндров. Керамику изготовляют из смеси, состоящей из 2 частей серпентина, 4 частей глины и 1 части окиси алюминия с добавлением в качестве катализаторов 2% Сг2O3 0,1% NiO. Смесь увлажняют, брикетируют, высушивают и обжигают при 1200-1300° С. Полученные брикеты дробят на зерна с гранулометрическим составом 0,8-5 мм, из которых отделяют фракции диаметром 2-4 и 0,8-1,3 мм. Зерна смешивают с вяжущим материалом, состоящим из смеси огнеупорной глины, серпентина и окиси алюминия в весовом отношении 5:3:2с добавлением 40% воды. Из полученной массы прессуют керамические насадки. Крупнозернистый слой (80-85% толщины плитки) формуют из массы, содержащей 75% зерен диаметром 2-4 мм и 25% вяжущего материала. Мелкозернистый слой (15-20% толщины насадка) состоит из 80% зерен диаметром 0,8-1,3 мм и 20% вяжущей массы. Керамику прессуют в два этапа. Сначала спрессовывают крупнозернистую массу, а затем запрессовывают мелкозернистую массу под давлением 150-200 кгс/см2. Сформованную керамику просушивают и обжигают при 1100-1300° С.К примеру, двухслойная плитка площадью 250 см2 и толщиной 4 см при работе излучателя излучает 2000 ккал/ч. Природный газ и воздух подают под давлением 60-100 мм вод. ст. В этих условиях поверхность керамики нагревается до 1200-1300° С.


Технические данные инфракрасного керамического объемного насадка

 

Отверстие

Круглое отверстие

Квадратное отверстие

Материал

Кордиерит

Кордиерит

Объем плотность

0.45-0.65 г/л

0.45-0.65 г/л

Плотность отверстий

300-320 отверстие/в2

260 отверстие/в2, 280 отверстие/в2, 320 отверстие/в2, 520 отверстие/в2

Толщина стенки

/

0.18-0.23 мм, 0.28-0.33 мм, 0.35-0.40 мм

Длина стороны отверстия

/

1.06 мм, 1.13 мм, 1.2 мм

Диаметр отверстия

1.12 мм, 1.25 мм, 1.42 мм

/

Расстояние между двумя отверстиями оси

1.8 мм, 2.2 мм, 2.7 мм

1.33-1.59 мм

Открытое отверстие соотношение

33.5-46.5%

63.5-73.5%

Водопоглощающий скорость (%)

≫ 46%

≫ 40%

Коэффициент теплового расширения

2.0-2.3 Ч 10-6

2.0-2.5 Ч 10-6

Нагреву

850 °C-25 °C, не трескаются в три раза

1200 °C-25 °C, не трескаются в состоянии удваивать охлаждения

Самая высокая Рабочая температура (°C)

≫ 1375 °C

≫ 1375 °C

Прочность на сжатие

(Вдоль)

≫ 13.0Mpa

≫ 10.0Mpa

Прочность на сжатие

(По горизонтали)

≫ 6.0Mpa

≫ 3.0Mpa

 

Все вышеперечисленные качества и преимущества новых инфракрасных (ИК) радиационных горелок с объемной матрицей дали возможность создания котла отопления и горячего водоснабжения.

Особенности устройства двухконтурных котлов.

Устройство двухконтурного газового котла дает возможность функционировать в двух режимах, обеспечивая нагрев теплоносителя для отопления и воды для хозяйственных нужд. Основу конструкции напольного или настенного газового теплогенератора представляют:

 

  • корпус, оснащенный теплоизоляционным слоем;
  • горелка;
  • теплообменник;
  • циркуляционный насос;
  • автоматика, отвечающая за работу оборудования и безопасность.

 

Газообразное топливо сгорает в специальной камере, выделяя тепло и продукты окисления. Тепло используется на нагрев теплообменника, продукты горения выводятся наружу через дымоход, предварительно проходя вдоль теплообменника и отдавая ему основную часть тепловой энергии.


Нагрев воды для ГВС двухконтурным котлом обеспечивается за счет использования теплообменника (в том числе в комплекте с накопительной емкостью) .

 
Нелегкие задачи по укрощению огня
Рис.4
 

В компоновке со вспомогательными элементами котел выглядит вообщем аналогично указанному на рис 4. с встроенными насосом и расширительным баком.

 

Разработанный новый котел состоит из двух основных камер. В первой камере созданы все условия для снятия тепла инфракрасного излучения, которое в большом количестве вырабатывается инфракрасной горелкой с объемной матрицей. Во второй камере происходит конвективный теплообмен. За счет того что инфракрасной горелке не требуется подача вторичного и дополнительного воздуха, скорость движения газов очень низкая по теплообменнику котла отопительного. Соответственно отходящие раскаленные газы больше времени находятся в соприкосновении с поверхностью нагрева котла, что очень хорошо сказывается на теплообмене и КПД котла. В конструкции котла собраны лучшие конструкторские решения. Диапазон мощностей котла от 6 до 24 кВт. Высочайшая надежность работы обеспечена электронной платой последнего поколения. Котлы устойчиво работают при понижении входного давления природного газа до 5 Мбар.

 

Автоматика котла позволяет регулировать и автоматически поддерживать заданную температуру в контурах отопления и ГВС. Два диапазона регулирования температуры в системе отопления: 30-85 °С и 30-45 °С (режим «теплые полы») позволяют выбрать и поддерживать наиболее комфортный режим отопления. Предусмотрена возможность вывода сигнала о блокировке котла на пульт диспетчера. Котлы оснащены инновационной системой отвода продуктов сгорания, благодаря которой выбросы в атмосферу минимальны. Он идеально вписывается в любой интерьер и встраивается в мебель.

 

Дополнительные возможности:

 

  • встроенная погодозависимая автоматика обеспечивает возможность подключения датчика уличной температуры, комнатного термостата и программируемого таймера;
  • возможна перенастройка котла для работы на сжиженном газе;
  • предусмотрена возможность подключения внешнего накопительного бойлера для горячей воды;
Основные преимущества:
  • стабильная работа котла в режиме отопления при давлении газа в магистрали 5,5 мбар;
  • плавная регулировка температуры контура отопления и ГВС;
  • функция антиблокировки насоса;
  • функция «Kомфорт» гарантирует получение горячей воды моментально при открытии крана разбора;
  • функция постциркуляции в контуре отопления;
  • защита насоса;
  • режим антизамерзания;
  • контроль безопасности отвода продуктов сгорания;
  • медные гидравлические компоненты контура ГВС;
  • контроль наличия и циркуляции воды в магистрали отопления;
  • электронный розжиг и контроль пламени;
  • возможна установка механического или цифрового термостата-таймера;
  • котел легко обслуживать, т.к. спереди обеспечен доступ ко всем узлам.
  • раздельные теплообменники для системы отопления и контура ГВС;
  • встроенная система регулировки температуры теплоносителя;
  • система автоматической подпитки контура отопления;
  • автоматический электророзжиг и ионизационный контроль пламени;
  • постоянная плавная регулировка мощности (модуляционная горелка);
  • встроенная обвязка и системы безопасности;
  • приоритет горячего водоснабжения;
  • возможность работы на сжиженном газе.

 

 

Основные части, топочная часть с инфракрасными горелками, с теплообменниками радиантным и конвективным выполнены, как показано на Рис.5. Здесь представлен испытательный макет будущего котла для проверки теплотехнических расчетов и работоспособности.

 
Нелегкие задачи по укрощению огня Нелегкие задачи по укрощению огня
Рис.5 Рис.6
 

Выше на рис 6. представлена развертка радиантного теплообменника из медных труб диаметом 10 мм.Вертикальная развертка выполнена с условием, что между трубами устанавливаются минимальные зазоры.Это обеспечивает наилучшие условия действия инфракрасного излучения на теплообменник и уменьшает рассеивание тепла.Медные трубы навиваются в холодном состоянии перегиба, в отоженном виде, из условия минимального радиуса изгиба в местах. Выдерживая все условия мы получаем хороший теплобменник,пучок которого способный к перемещению, в процессе линейного расширения при нагревании, при креплении его за верхние концы. Мощная, экономичная горелка,медный теплообменник способствует высокой степени горения и теплопередачи энергии теплоносителю и используется в схемах с принудительной церкуляцией,что обеспечивает высокий КПД котла.

 
Нелегкие задачи по укрощению огня
Рис.7
 
Конвективный теплообменник (рис 7.) расположен по ходу отходящих тепловых газов и обеспечивает нагрев воды отходящими газами. Представленный макет котла с газовыми горелками инфракрасного излучения с объемными керамическими насадками, испытан для съема показателей и проверки автоматики, отвечающей за безопасность эксплуатации.

 

В настоящее время отрабатывается компоновка, внешний вид корпуса ,документация для сертификации изделия. Полученные данные в ходе экспериментов дают основания для дальнейшего внедрения данного принципа горения в различные изделия, например сушилки для овощей и фруктов, бытовые газовые плиты, обогреватели и т.д.


Обсудить статью на Форуме Машиностроителей






Комментариев пока нет
{c_navigation}

Написать комментарий

Другие публикации по теме





Автоматизация промышленных предприятий Автоматизация промышленных предприятий
Диспетчеризация производства, идентификация и прослеживаемость, управление КПЭ (KPI)...
(495) 662-43-70
Rodcraft (Родкрафт), Deprag, Stahlwille (Штальвиль), инструмент Atlas Copco (Атлас Копко), Iscar (Искар), Sandvik Coromant (Сандвик Коромант), Mitsubishi (Митсубиси). Маркировка труб, горячего металла в металлургии. Промышленное оборудование и инструмент
Rodcraft (Родкрафт), Deprag, Stahlwille (Штальвиль), инструмент Atlas Copco (Атлас Копко), Chicago Pneumatic (Чикаго Пневматик), Fuji (Фуджи), Desoutter, Iscar (Искар), Sandvik Coromant (Сандвик Коромант), Mitsubishi (Митсубиси), Korloy (Корлой), Seco tools, SGS tools, Onsrud, Fette, Guhring и пр. Оборудование для маркировки. Маркировка труб, горячего металла в металлургии. Фаскосниматели (фаскорезы, кромкорезы), ручные фрезеры по металлу. Пневмодвигатели (пневматические двигатели, пневмомоторы).
(495) 668-13-58
ИРОК-2М. Купить. Инструкция.
Инструмент ИРОК-2М от производителя. Купить. Скачать инструкцию и другие документы. Прочий электромонтажный инструмент и электрокомпоненты.
(495) 668-13-58 доб. 4
Реклама на сайте и-Маш Реклама на сайте и-Маш      
pr()i-mash.ru