К.т.н. Кулешов М.И., Губарев А.В., к.т.н. Кожевников В.П.

Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова, Россия

Впрыск воды в зону горения как способ регулирования тепловой нагрузки конденсационного водогрейного котла

В настоящее время в ведущих европейских странах, таких как Англия, Бельгия, Германия, Голландия, Италия, для целей теплоснабжения потребителей различного назначения широко используются автономные системы. В этих системах велика доля использования котлов и водонагревателей, в которых продукты сгорания топлива охлаждаются до температур, имеющих значения ниже температуры точки росы для газов данного состава. В этом случае часть водяных паров, входящих в состав продуктов горения топлива, конденсируется, отдавая теплоту конденсации нагреваемому теплоносителю. В России доля применяемых в автономных системах теплоснабжения конденсационных котлов по сравнению с традиционными конструкциями котлов без конденсации водяного пара из продуктов сгорания весьма невысока. Ассортимент используемых в нашей стране конденсационных котлов в основном представлен западными производителями (фирмами Италии и Германии). Эти котлы, хорошо зарекомендовавшие себя при работе в европейских странах, не достаточно эффективны при использовании их в районах России с холодными климатическими условиями. Для их эффективной работы требуется поддержание температур теплоносителя на входе в агрегат и на выходе из него значительно более низких, чем температуры теплоносителя в системах теплоснабжения, эксплуатируемых в России [1].

Сотрудниками БГТУ им. В.Г. Шухова разработан двухконтурный конденсационный водогрейный котел. В этом котле осуществляется раздельная выработка тепловой энергии на нужды отопления (в высокотемпературной – радиационной части) и на нужды горячего водоснабжения (в контактно-рекуперативной части). Этот котел при сравнении с аналогами, представленными ведущими европейскими производителями, выигрывает в том, что при близких значениях теплового КПД температура нагреваемого в нем теплоносителя значительно выше, чем в европейских аналогах и удовлетворяет требованиям отечественных нормативов, предъявляемых воде, направляемой на нужды отопления и горячего водоснабжения [2].

При работе котла в номинальном режиме тепловая нагрузка радиационной части составляет порядка 75 %, а контактно-рекуперативной части – порядка 25 % – от общей тепловой производительности агрегата. С целью регулирования соотношения отпуска тепловой энергии на нужды отопления и на нужды горячего водоснабжения в схеме котельной установки предусмотрен специальный водо-водяной подогреватель [3].

В качестве еще одного способа регулирования соотношения отпуска теплоты на нужды отопления и горячего водоснабжения в определенном диапазоне может быть предложен впрыск воды в зону горения. В этом случае регулирование осуществляется за счет того, что на испарение впрыскиваемой в зону горения воды затрачивается некоторое количество теплоты, кроме того увеличивается влагосодержание и массовый расход продуктов горения топлива. Все это приводит к снижению температуры в топке, в результате чего уменьшается радиационная составляющая теплообмена и количество теплоты, отдаваемое факелом в топке. Необходимо отметить, что количество теплоты, отдаваемое газами в дымогарных трубах, несколько увеличивается за счет роста массового расхода газов, однако суммарная тепловая производительность радиационной части котла уменьшается. Таким образом, в контактно-рекуперативную часть котла продукты сгорания попадают, имея более высокое влагосодержание и, соответственно, теплосодержание, в результате чего здесь за счет конденсации водяных паров может быть использовано на нагрев воды, направляемой в дальнейшем на нужды горячего водоснабжения, большее количество теплоты, чем в режиме без впрыска воды в зону горения.

Таким образом можно снизить проектную тепловую производительность вспомогательного водо-водяного подогревателя, его массу и стоимость [4].

С целью определения диапазонов регулирования соотношения тепловых нагрузок были проведены расчеты котла при различных количествах впрыскиваемой в зону горения воды. Расчеты проводились в соответствии с нормативной методикой [5]. Результаты расчетов отображены на рис.

Рис. Результаты проведения тепловых расчетов конденсационного водогрейного котла с впрыском воды в зону горения: а – зависимости температур в элементах радиационной части от количества впрыскиваемой воды: 1 – калориметрической температуры горения; 2 – теоретической температуры горения; 3 – температуры газов на выходе из радиационной части; б – зависимости количеств теплоты, отдаваемых газами в элементах радиационной части, от количества впрыскиваемой воды: 1 –в жаровой трубе; 2 –в дымогарных трубах; 3 – в радиационной части

Кроме того, впрыск воды в зону горения является одним из известных первичных методов снижения генерации оксидов азота в топочных устройствах тепловых установок. Метод не нашел широкого применения, так как в традиционных котлах поверхностного типа за счет увеличения массового расхода газов увеличиваются и тепловые потери с ними. В контактно-рекуперативной части конденсационного водогрейного котла водяной пар, образовавшийся в результате испарения в топке впрыскиваемой воды, конденсируется, отдавая скрытую теплоту конденсации нагреваемой воде, и указанный выше недостаток нивелируется.

Таким образом, при изменении количества воды, впрыскиваемой в зону горения, например, от 0 до 1000 г/м³ топлива, температура в топке снижается от ~1830 до ~1600 °С, из-за чего существенно уменьшается образование термических оксидов азота, а соотношение тепловых нагрузок радиационной и контактно-рекуперативной частей изменяется в пределах 5%.

Литература.

1. Гриненко, Г.П. Перспективы развития рынка конденсационных котлов в России / Г.П. Гриненко, В.П. Кожевников, М.И. Кулешов, А.А. Погонин // Вестник Белгородского государственного технологического университета им.В.Г. Шухова. – 2012. – № 3. – С. 145–149.

2. Зайцев, Е.А. Анализ эксергетических потерь в водогрейных котлах / Е.А. Зайцев, П.А. Трубаев, А.В. Губарев, М.И. Кулешов // Промышленная энергетика. – 2011. – № 1. – С. 32–34.

3. Кулешов, М.И. Конденсационный водогрейный котел для автономных систем теплоснабжения жилых, общественных и промышленных объектов / М.И. Кулешов, А.В. Губарев, А.А. Погонин // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. – 2012. – № 2. – С. 171–173.

4. Пат. 2495335 Российская Федерация, МПК⁷ F 24 H 1/00. Конденсационный водогрейный котел / Кулешов М.И., Губарев А.В., Кожевников В.П., Погонин А.А., Кулешов И.М.; заявитель и патентообладатель Белгор. гос. технол. ун-т им. В.Г. Шухова». – № 2012109022/06; заявл. 11.03.12; опубл. 10.10.13, Бюл. № 28. – 13 с.

5. Тепловой расчет котлов (нормативный метод). – 2-е изд. – Санкт-Петербург: Изд-во НПО ЦКТИ, 1998. – 257 с.