Поставка систем электрического и газового отопления, оборудования для горячего водоснабжения и промышленных обогревателей

Автоматические котлы пульсирующего горения

Публикации /

Введение

Теплотехника как наука о сжигании топлив и теплообмена интенсивно развивалась в течении более пяти веков и превратилась в набор твердо устоявшихся представлений и методов подхода к решению задач. Однако круг рассматриваемых явлений и процессов оказался в силу ряда причин искусственно сужен до категорий теплообмена при стационарном движении сред и стационарного (факельного) горения (исключения составляет теория двигателей внутреннего сгорания). Почти совершенно выпали из рассмотрения периодические колебательные (и волновые) процессы, сопровождающие горение и движение сред, участвующих в теплообмене. В учебных планах соответствующих ВУЗов отсутствуют спецкурсы данной тематики (в редких случаях колебания рассматриваются как крайне нежелательные (разрушительные явления). Проектирование новых топочных устройств и теплообменных аппаратов в смысле улучшения их стоимостных и весогабаритных характеристик достигло стадии насыщения, а радикальное повышение экологических показателей крайне затруднено и сопровождается значительным подорожанием.

Вместе с тем, часть исследователей, и не только теплотехников, на протяжении всего ХХ века вели исследования и разработки, оказавшиеся на стыке таких дисциплин, как теплотехника, теория колебаний, химическая кинетика и акустика. Результатом этой деятельности стало становление нового научного и технического направления, получившего название «пульсирующее горение», или ПГ (весьма часто используются термины «пульсационное», «вибрационное», «акустическое» горение).

Краткая история вопроса

Теоретически возможность осуществления пульсирующего горения была обоснована Ч. Стреттом (лордом Рэлеем) в конце ХIХ века в Англии. В начале ХХ века одновременно в западно-европейских (Франция и Германия) странах были созданы первые устройства пульсирующего горения на смеси паров бензина и воздуха. Главным образом это были «лабораторные» реактивные двигатели типа трубы Марконэ, отличавшиеся предельной простотой конструкции. В России в этот период была запатентована и изготовлена «турбина Караводина». Однако в первой половине ХХ века значительный прогресс имел место в изучении закономерностей теплотехники стационарных процессов, энергоэффективности и экологичности внимание почти не уделялось. В СССР набирала темпы «гигантомания» в энергетике как главный результат плановой экономики. Исследования по ПГ не финансировались. Единственным промышленным образом техники, использующей ПГ, к началу 40-х гг. оказался немецкий самолет снаряд «Фау-1» на основе «трубы Шмидта».

В 50-60 гг. наблюдался всплеск исследований ПГ одновременно в западной Европе (газогенераторы на угольной пыли в ФРГ, малые котлы и водонагреватели, а позднее «сушилки» для фармацевтического производства в США). Одновременно в СССР был сделан ряд изобретений (следует упомянуть работы группы Ю.Л. Бабкина в Свердловске, В.М. Подшмова в Казани), касающихся высоко экологического сжигания угля и мазута. Однако в условиях преимущественного развития «большой» энергетики, свойственной тогдашнему плановому хозяйству, разработкам советских ученых не было суждено воплотиться в промышленные образцы (немногочисленные примеры промышленных образцов: опрыскиватели для лесного хозяйства; водонагреватели для спецобработки (химзащиты). Следует отметить научную школу по ПГ, создавшуюся в Белоруссии (г. Бресте) под руководством B.C. Северянина.

Существенное влияние на развитие науки о ПГ оказали работы в многочисленных «почтовых ящиках», посвященные колебаниям в камерах реактивных двигателей. Новый всплеск интереса к ПГ начался в 80-90-е гг. вместе с развитием «малой» энергетики на новом технологическом уровне на фоне обострения внимания к экологическим проблемам. Одновременно в США, Франции, Англии, Японии, Австралии, ЮАР, КНР возобновились работы по созданию промышленных устройств ПГ параллельно с осмыслением принципиально новых возможностей, появляющихся при применении данной технологии. Десятки котлов ПГ американской компании «Фултон» успешно эксплуатируются в России с 1995 г. На территории бывшего СССР, несмотря на отсутствие централизованного финансирования, продолжаются исследовательские работы в Брестском политехническом институте, в России появился ряд практически полезных исследовательских работ и изобретений. В подмосковном г. Королеве разработаны, запатентованы, сертифицированы и внедрены в производство на ФГУП «Кимовский радиоэлектромеханический завод» котлы ПГ мощностью 100 и 400 кВт.

Основные понятия и классификация устройств и процессов ПГ

До настоящего времени в литературе отсутствовало единое общепринятое определение ПГ. Учитывая значительное многообразие видов пульсирующего горения, известных из литературы, следует, по-видимому, остановиться на нижеприведенном определении. ПГ - периодический (колебательный) процесс химического взаимодействия компонентов топлива (горючего и окисления), характеризующийся тем, что амплитуда изменения интенсивности ¹ горения соизмерима (имеет тот же порядок величины) со средним значением интенсивности, а период колебаний амплитуды не превосходит время пребывания ² компонентов топлива и продуктов сгорания в объеме устройства, где этот процесс осуществляется. Как будет видно из дальнейшего описания, процессы практически во всех известных системах ПГ соответствуют данному определению. По способу осуществления пульсирующего процесса следует разделить системы ПГ на автоколебательные (самодействующие) и системы, в которых происходят вынужденные колебания, вызванные действием дополнительного клапана (золотника). Наибольшее распространение и, по-видимому, практическую ценность представляют автоколебательные системы ПГ из-за простоты устройства и самонастройки в широком диапазоне изменения расхода компонентов топлива. В дальнейшем в данной статье рассматриваются только автоколебательные системы ПГ. Для функционирования таких систем необходимо выполнение фазового условия генерации (критерий Рэлея).

В свою очередь автоколебательные системы ПГ следует подразделять на следующие группы:

  • квазигармоничные;
  • релаксационные;
  • параметрические.

К первой группе относятся наиболее распространенные устройства ПГ типа резонатора Гельмгольца, трубы Шмидта, трубы Марконе. Акустическая генерация в таких системах достигается путем приложения положительной обратной связи для управления подкачкой энергии. В объеме акустической системы стоячая звуковая волна. На длине системы может укладываться нечетное число полуволн (труба Марконе), либо нечетное число (чаще всего единица) четвертей волн (труба Шмидта). Более сложная картина наблюдается в самых распространенных (гельмгольцевского типа) резонаторах. Частоты пульсаций - обычно в пределах 20-400 Гц.

Ко второй подгруппе относятся устройства, работающие по принципу «спусковой» схемы. Вспышки смеси происходят в результате натекания критического объема смеси. Частоты составляют от десятых и даже сотых долей Гц до единиц Гц. В релаксационно-расходный режим могут быть переведены любые колебательные системы, но практически такой режим используется только для газоимпульсной очистки (в т.ч. традиционных котлов).

К третьей подгруппе относятся системы типа «трубки Рийке», где подкачка энергии осуществляется периодическим изменением энергоемкого параметра системы. Частоты колебаний - обычно десятки Гц. Наиболее перспективны такие системы для сжигания твердых топлив (угольной пыли, отходов древесины, торфа).

Краткие сведения о физических и химических процессах в системах ПГ

Итоговые уравнения химических реакций и стехиометрические коэффициенты в системах ПГ практически аналогичны хорошо изученным для обычных топочных процессов в системах стационарного горения.

Если абсолютные давления реагирующих веществ близки к атмосферному, а амплитуда колебаний давления много меньше абсолютного давления (случай линейной акустики), то главным отличием ПГ от «факельного» следует считать:

  1. более интенсивное перемешивание компонентов как следствие нестационарных вихрей, интенсивной газификации капель или твердых частиц топлива (основная причина низкой эмиссии монооксида углерода);
  2. отсутствие пространственно стационарных фронтов горения и, следовательно, пространственно сглаженные поля температур (основная причина низкой эмиссии оксидов азота);
  3. возникновение периодов времени, в которые возможна система давления в топочных камерах ниже атмосферного;
  4. генерация акустических волн (шума пульсаций) со спектром близким к Фурье-спектру «прямоугольных» колебаний.

Многие более «тонкие» особенности процессов еще находятся в стадии изучения.

Преимущества котлов пульсирующего горения

В настоящее время выпускается немало видов автономных отопительных установок, в число которых входят и автоматические водогрейные котлы пульсирующего горения. Используемая принципиально новая технология выработки тепла, достигнутые технические характеристики позволяют утверждать, что котлы пульсирующего горения являются одним из наиболее эффективных и безопасных средств решения задачи отопления.

Котлы данного типа имеют следующие достоинства:

  1. Предельная простота конструкции, отсутствие горелки и дымососа.
  2. Малые габариты и масса на единицу теплопроизводительности (в два раза выше, чем в традиционных котлах). Такие весогабаритные характеристики котлов модели ПВ обусловлены высоким коэффициентом теплоотдачи от продуктов сгорания к стенкам теплообменного аппарата и высокими скоростями течения газовых сред.
  3. Экономичное использование энергетических ресурсов котлов ПВ, которое обеспечивается за счет:
    • отсутствия дымососа и постоянно действующего вентилятора (электроэнергию потребляют только КИПиА);
    • малого гидравлического сопротивления контура котла (экономия электроэнергии в насосном хозяйстве);
    • высокого КПД котла (93-95 %);
    • малой поверхности теплообменного аппарата и малой собственной теплоемкости котлоагрегата - малые потери тепла временно остановленным и повторно запускаемым котлом;
    • малого расхода тепла на собственные нужды котельной вследствие ее малогабаритности.
  4. Работа в системе старт-стопного регулирования, дающая значительную экономию газа.
  5. Высокая надежность, простота и сокращение сроков монтажа, наладки и ввода в строй за счет высокой степени заводской готовности. На предприятии имеется лаборатория - котельная, на которой проводятся заводские испытания котлов в режиме реальной работы.
  6. Возможность строить котельные установки на малых площадях за счет компактного их размещения. Например, установка двух котлов ПВ-400 друг на друга, для чего в конструкции предусмотрены установочные элементы.
  7. Высокий уровень пассивной безопасности из-за малого объема, заполняемого газовоздушной смесью, и высокой прочности оболочек. Котлы ПВ имеют столь малые объемы всех полостей, что суммарная энергия хлопка не значительна, а прочность всех элементов конструкции котлоагрегата позволяет выдержать избыточное давление при хлопке 16 кг/см², хотя теоретически достижимое давление при хлопке 8 кг/см².

На последнем пункте следует остановиться подробнее.

  1. Пассивная безопасность (в газовом хозяйстве) означает, что единица газоиспользующего оборудования сконструирована (рассчитана) и изготовлена (с последующими обязательными испытаниями) таким образом, что при выведении из действия (выходе из строя) любых элементов (узлов) автоматики безопасности исключается травмирование людей и/или значительный материальный ущерб от «хлопка» газовоздушной смеси.
  2. Полная пассивная безопасность комплекса газоиспользующего оборудования (котельной установки в целом), кроме изложенного в п. 1, предполагает также отсутствие газоопасного помещения, в котором наряду с травмированием персонала возможно отравление (удушье) топливным либо угарным газом.

Реформирование ЖКХ в регионах России неизбежно влечет за собой децентрализацию коммунального теплоснабжения с резким увеличением количества автономных газовых котельных. Изменения в промышленности, сельском хозяйстве и сфере обслуживания, повлекшие возникновение большого количества малых предприятий, и рационализация теплоэнергетики средних предприятий также обусловили многократное увеличение количества автономных газоиспользующих установок.

Простой механический перенос наработанного опыта проектирования, строительства и эксплуатации объектов газопотребления абсолютно неприемлем в новых условиях. Элементарные страховые оценки показывают, что ежегодное количество происшествий, вызванных нарушениями правил безопасности, при имеющемся уровне технической оснащенности объектов и квалификационном уровне персонала, прямо пропорционально числу объектов. Кроме того, при резком увеличении числа сотрудников, работающих самостоятельно (например, начальники котельных) затруднительно обеспечивать высокий квалификационный уровень и технологическую дисциплину.

Все выше изложенное приводит к необходимости выработки новой (дополнительной) концепции промышленной безопасности и разработки решений на ее основе.

Описание устройства и принципа действия котла

Упрощенно принцип действия и конструкцию котла можно представить следующим образом. В камеру сгорания через воздушнопульсирующий и газопульсирующий мембранные клапаны, расположенные в ресиверных камерах, поступают воздух и топливный газ. С помощью электрозапальной свечи осуществляется первичное воспламенение газовоздушной смеси в камере сгорания и кратковременное повышение давления, приводящие к возникновению акустических волн в резонаторе. Камера сгорания совместно с резонаторными трубами образуют объемный акустический резонатор типа резонатора Гельмгольца.

Когда давление в камере превышает давление в ресиверах, пульсирующие мембранные клапаны приходят в закрытое состояние. При этом дальнейшее поступление газа и воздуха в камеру сгорания приостанавливается. Под избыточным давлением дымовые газы выходят из камеры сгорания и через резонаторные трубы и выхлопной коллектор поступают в окружающую среду. Через определенное время (20 мсек) давление в камере снижается и пульсирующие клапаны открываются, впуская очередную порцию газа и воздуха. Приведенный цикл повторяется с частотой 35-50 раз в секунду. Устанавливается периодический (автоколебательный) процесс, именуемый пульсирующим горением.

После установления процесса пульсирующего горения всасывание воздуха происходит благодаря периодическим полуволнам разрежения, а повторное воспламенение свежих порций газовоздушной смеси осуществляется не от свечи, а остаточным пламенем, которое постоянно присутствует в зоне завихрения на свечном конце камеры сгорания. Процесс пульсирующего горения может продолжаться неограниченное время, пока не будет отключена подача топливного газа. Для включения и отключения подачи топливного газа служит отсечной клапан.

Камера сгорания и резонансные трубы окружены водяной рубашкой, по которой противотоком к дымовым газам движется нагреваемая вода. С помощью вентилятора осуществляется продувка камеры сгорания и резонансных труб перед розжигом.

При достижении нагреваемой водой заданной, максимальной температуры подача топливного газа прекращается. При остывании воды до заданной, минимальной температуры цикл розжига котла и горение снова повторяются. Таким образом, в старт-стопном режиме поддерживается необходимая температура воды и обеспечивается необходимая среднечасовая теплопроизводительность котла.

Автоматика котлов ПВ

Блок автоматического контроля и управления котла (БАК) обеспечивает не только его автоматизированную работу в различных режимах (розжиг, поддержание режима горения и выработки тепла, отключение по командам управления теплопроизводительностью и т.д.), но и высокую безопасность при эксплуатации и возникновении внештатных аварийных ситуаций. С этой целью котлы снабжены электрооборудованием, микропроцессорным блоком управления и комплексом датчиков (продувки, горения, два датчика температуры теплоносителя, датчик уровня воды в котле), которые:

  • обеспечивают выдачу управляющих сигналов на трансформатор зажигания, электромагнитный газовый клапан и вентилятор для управления розжигом и горением;
  • обеспечивают запрет подачи топлива при неудачных попытках розжига, а также при ненадлежащем топливе и воздухопитании (если не обеспечивается установленный напор продувки, засорены воздуховоды и газоходы выхлопа, либо давление топливного газа за пределами допустимых значений);
  • не допускают начала розжига при ненадлежащих параметрах теплоносителя в котле и останавливают горение (подачу топлива), если эти параметры вышли за допустимые пределы в процессе работы;
  • обеспечивают выдачу сигнала «Тревога!» при неполадках, возникших в ходе функционирования.

По требованию заказчика котлы могут комплектоваться блоками автоматического управления (БАУ), предназначенными для управления группой (не более шести) водогрейных котлов, подключенных к единой, общей для всех котлов, системе водяного отопления. Блок БАУ работает в автоматическом режиме и может использоваться в составе автоматизированных котельных, не требующих постоянного присутствия обслуживающего персонала. При этом котлы должны быть оснащены блоками автоматического контроля типа БАК.

Исходными данными для работы блока являются:

  • температура воздуха за пределами котельной;
  • температура воды в общей для всех котлов части отопительной системы (температура воды в коллекторе);
  • сигнал, выдаваемый каждым из подключенных котлов и подтверждающий работоспособность котла. Отсутствие сигнала воспринимается блоком как «Авария» котла;
  • параметры, задаваемые оператором с помощью кнопок лицевой панели блока.

Выключение котла осуществляется управляющим сигналом, выдаваемым блоком на каждый из подключенных котлов. Отсутствие сигнала воспринимается котлом как команда «Нагрев».

Во время работы блок поддерживает в заданном интервале температуру воды в системе отопления, включая или отключая необходимое количество котлов. Заданный интервал температуры устанавливается оператором при настройке системы. Максимальная температура этого интервала устанавливается либо оператором (ручной режим), либо определяется по графику зависимости максимальной температуры от «уличной температуры» (автоматический режим).

Кроме указанных выше режимов, при кратковременном нажатии кнопки «Ввод/Сброс», блок с интервалом в 30 секунд поочередно со всех котлов снимает управляющий сигнал. После этого каждый из котлов продолжает работать в автономном режиме, руководствуясь собственными установками.

Если возникла неисправность контролируемых элементов блока, блок все котлы переводит в автономный режим и на двух первых местах индикатора отображает символы ЧП, а на третьем и четвертом - код неисправности. Одновременно выдается сигнал «Авария Общ.», который также выдается, если с какого либо котла, заявленного при установке параметров как работоспособный, на блок не поступает сигнал, подтверждающий исправность котла.

На индикатор, по желанию оператора, можно вывести информацию об одном из следующих параметров: HP** или Н** — текущая температура воздуха на улице; ВГ** или УР** — максимальная температура воды в коллекторе, вычисляемая по графику «уличной температуры» или устанавливаемая оператором в ручном режиме.

Сноски:
¹ Интенсивность горения - предел отношения lim Am/At, где Am-масса прореагировавших А->0 компонентов топлива, At - время
² Время пребывания - отношения массы веществ в зоне горения (объема топки) к массовому расходу через любое полное поперечное сечение зоны горения.

М.И. ПОЛЯКОВ, к.т.н., инженер-конструктор ФГУП «Кимовский радиоэлектромеханический завод» (КРЭМЗ)

сделано в м-квадрат

поддерживаются InternetExplorer 5+
NetscapeNavigator 6+
Opera 6+

© Нортех ПромИнжиниринг 2005—2016. Все права защищены.

Санкт-Петербург
Пр. Медиков 9,
5 этаж.
Телефон/факс (812) 327-50-19
E-mail: gaz@nortech.ru
Москва
Ул. Староалексеевская д. 5
Телефон/факс (495) 987-42-11
E-mail: info-m@nortech.ru