СПОСОБ НАГРЕВА ЖИДКОСТЕЙ Российский патент 1999 года по МПК F24H1/36 F24H9/18 

Изобретение относится к области теплоэнергетики, а более конкретно - к устройству емкостных водонагревателей и других установок для нагрева жидкостей в теплообменных элементах при сжигании газообразного топлива в бытовых и промышленных котлах, печах, топках.

В известных схемах нагрева жидкостей в водонагревателях при сжигании газообразного топлива теплообмен достигается за счет процессов конвекции, диффузии и оптического излучения факела. Увеличение коэффициента теплопередачи в таких водонагревателях возможно за счет увеличения скорости потока горючей смеси, турбулизации потока газа, размещения на пути потока насадок и различных препятствий, турбулизирующих поток продуктов сгорания (см., например, книгу В.П. Михеев, Ю.П. Медников. Сжигание природного газа. Л.: Недра, 1975).

Известная схема нагрева жидкостей в емкостных водонагревателях при сжигании газообразного топлива (см., книгу: Рагозин А.С. Бытовая аппаратура на газовом, жидком и твердом топливе. Л.: Недра, 1982, стр. 131), выбранная в качестве прототипа, содержит цилиндрический бак с проходящей по его вертикальной оси жаровой трубой, в которой установлен спиральный удлинитель потока. Теплопередача от установленной под баком горелки осуществляется через днище и стенки жаровой трубы. В таких водонагревателях устанавливаются горелки с вертикально направленными огневыми отверстиями (или дисковые горелки с периферийно размещенными огневыми отверстиями). Газовые горелки при этом располагаются на определенном расстоянии от днища и жаровой трубы. Увеличение скорости потока горючей смеси v на горелке и увеличение диаметра d горелки вызывает увеличение расхода теплоносителя пропорционально числу Рейнольдса потока Re = vd/ν, где ν - кинематическая вязкость газа. Увеличение же коэффициента теплопередачи при этом пропорционально (Re)^1/2 (см., например, книгу Б. Н. Юдаев. Техническая термодинамика. Теплопередача. М.: Высшая школа, 1988).

Турбулизация потока подводимого газа при Re > 2300, вихреобразование при истечении газа по пересекающимся направлениям, размещение на пути потока насадок и различных препятствий, способствующие турбулизации процесса горения, позволяют увеличить тепловое напряжение в топочном устройстве, а соответственно, и теплопередачу, но это увеличивает расход горючего газа, вызывает неполноту сгорания, снижая тем самым КПД устройства. Например, для обогрева помещения площадью 60 м² в течение 6 месяцев с помощью бытового емкостного водонагревателя АГВ-80 требуется 470 м³ природного газа (Рагозин А. С. Бытовая аппаратура на газовом, жидком и твердом топливе. Л.: Недра, 1982).

Дальнейшего увеличения коэффициента теплопередачи в водонагревателях (отопительных аппаратах) при сжигании газообразного топлива, а соответственно, и повышения КПД устройства можно добиться, лишь изменив сам процесс горения и теплопередачи.

Целью настоящего изобретения является увеличение коэффициента теплоотдачи от продуктов сгорания к теплообменному элементу и соответствующее увеличение КПД устройства при ламинарном течении горючего газа.

Указанная цель достигается за счет свободноконвективного вихреобразования в продуктах сгорания при ламинарном течении горючей смеси снизу вверх в трубу-горелку, установленную внутри теплообменника, с постоянным расходом, обеспечивающим скорость распространения пламени u, характерную для режима свободноконвективного вихреобразования в продуктах горения.

где d - поперечный размер трубы-горелки, T_o и T - начальная температура горючей смеси и температура горения.

Заявляемый способ удовлетворяет критериям новизны и существенности отличия от известных технических решений, так как в научной литературе отсутствует информация, предсказывающая этот эффект с помощью данного признака (свободноконвективное вихреобразование в продуктах сгорания при истечении горючей смеси снизу вверх в трубу-горелку теплообменника с определенным постоянным расходом, обеспечивающим выполнение указанного выше условия (I)), и применение аналогичного решения в других областях техники заявителю неизвестно.

На фиг. 1 изображен общий вид предложенного способа нагрева жидкостей; на фиг. 2 приведена типичная картина вихеробразования в продуктах сгорания.

Горючий газ подается из смесителя 1 снизу вверх через стабилизатор 2 в трубу-горелку 3, установленную внутри бака с нагреваемой средой 4. Горючий газ поджигается запальной горелкой 5, установленной внутри трубы-горелки 3. При определенных скоростях горючего газа вблизи устья трубы-горелки 3, а точнее вблизи стабилизатора 2, устанавливается пламя. Стабилизатор пламени 2 предотвращает проскок пламени в смеситель 1. Продукты горения при определенных условиях образуют гидродинамическое поле с отрывом пограничного слоя на стенках трубы-горелки 3, приводящее к образованию вихря. Постепенно вихрь сносится потоком к открытому концу трубы-горелки 3 и затухает. Через некоторое время аналогичный вихрь возникает на противоположной стенке трубы-горелки вблизи стабилизатора 2. Так образуется последовательность вихрей, появляющихся на противоположных стенках трубы-горелки и вращающихся попеременно вправо и влево: вниз у стенки трубы и вверх на оси трубы. При уменьшении скорости пламени до предельной размеры вихрей увеличиваются до размеров ширины (диаметра) канала трубы-горелки и течение за фронтом пламени становится хаотическим.

Результаты проведенных исследований свидетельствуют о свободноконвективной природе механизма вихреобразования в продуктах горения. На фиг. 2-а) показана типичная фотография процесса отрыва пограничного слоя и последующего образования вихря вблизи стенки трубы-горелки квадратного сечения (d = 2,7 см), полученная с помощью поляризационного интерферометра сдвига, собранного на базе теневого прибора ИАБ-451. Фоторегистрация процесса производилась скоростной кинокамерой СКМ-1М. На фиг. 2-б) приведена картина отрыва пограничного слоя и образования вихря, полученная путем численного решения на ЭВМ. Линии на рисунке фиг. 2-б) соответствуют различным температурам в области продуктов сгорания (значения температуры на фиг. 2-б) даны в относительных единицах T/T_o).

Экспериментально во время опытов температура измерялась термопарой, встроенной в боковую стенку так, чтобы ее спай диаметром 50 мкм выступал над плоскостью стенки на расстоянии 0,5 мм. Результаты расчетов на ЭВМ и термопарные измерения показали, что при свободноконвективном вихреобразовании температура на стенке мало отличается от температуры на оси трубы, равной температуре горения. При отсутствии вихреобразования температура вблизи стенки в 4 раза ниже, соответственно уменьшается и теплопередача от продуктов сгорания к нагреваемой жидкости.

Необходимые и достаточные условия конвективного вихреобразования вблизи фронта пламени следующие: период индукции конвекции должен быть достаточно мал, в области зарождения вихря должно выполняться условие отрыва течения на стенке. Для оценки первого из условий введем параметр σ = τ/t, где τ - характерное время распространения пламени, t - период индукции конвекции. При Pr≈ 1 период индукции конвекции равен t = 70d²/αRa^2/3, где d - размер поперечного сечения трубы, α - коэффициент температуропроводности продуктов горения, Ra=PrGr - число Релея, Gr - число Грасгофа, Pr - число Прандтля (см. статью Мержанов А.Г., Штессель Э.А. Возникновение и развитие тепловой конвекции в слое вязкой жидкости. - ДАН СССР, 1970, т. 191, N 4). Поскольку τ = d/u, где u - скорость распространения пламени, то σ = 70Pe/Ra^2/3, где Pe = ud/a - число Пекле. При σ > 1 необходимое условие вихреобразования вблизи фронта пламени выполняется. Это соотношение позволяет оценить то значение скорости распространения пламени, при котором необходимое условие вихреобразования выполняется. Например, для трубы диаметром 2,7 см скорость распространения пламени u ≤ 10 см/с.

Достаточное условие вихреобразования равносильно равенству нулю градиента скорости в направлении y, перпендикулярном стенке в точке отрыва, т.е. (∂v/∂y) = 0. В вертикальной трубе это условие может быть реализовано лишь при распространении пламени сверху вниз, когда скорость оттока расширяющихся продуктов горения компенсируется равной по величине скоростью возвратного течения опускающихся продуктов горения, охлажденных на стенке. Воспользовавшись формулой для скорости свободноконвективного движения продуктов горения и учитывая, что скорость вытекания продуктов горения из трубы вследствие теплового расширения ν_- = u_o(T/T_o-1), можно оценить скорость распространения пламени, при которой должны наблюдаться отрыв пограничного слоя и образование вихря. Следует отметить, что данные соотношения справедливы в общем случае только для плоских пламен. Однако и в данном случае со слабоискривленными пламенами эта формула дает значения скоростей, достаточно близкие к реальным. Так как нормальная скорость u_o = uS_o/S, где S_o и S - площадь поперечного сечения трубы и площадь поверхности фронта пламени, а для слабоискривленных пламен S_o ≃ S, то u_o=u и из условия ν₊ = ν_- можно получить соотношение для скорости распространения пламени: Для трубы с поперечным размером d = 2,7 см оценка скорости распространения пламени по этому соотношению дает величину 5 см/с, что соответствует реальным значениям.

Использование изобретения позволит создать наиболее выгодные с энергетической точки зрения компактные нагревательные устройства с высоким КПД, что особенно важно, например, при разработке бытовых водонагревательных устройств.

Способ нагрева жидкостей предназначен для использования в емкостных водонагревателях и других установках для нагрева жидкости в теплообменных элементах при сжигании газообразного топлива. Тепло передается от продуктов сгорания горючей смеси в трубе-горелке, расположенной внутри теплообменника с нагреваемой жидкостью. Горючая смесь подается снизу вверх в трубу-горелку с постоянным расходом, обеспечивающим скорость распространения пламени U, определяемую по формуле где d - поперечный размер трубы-горелки, Т_o и Т - начальная температура горючей смеси и температура горения. Течение горючей смеси с постоянным расходом, обеспечивающим скорость распространения пламени U, характерную для режима свободноконвективного вихреобразования, обеспечивает увеличение коэффициента теплоотдачи от продуктов сгорания. 2 ил.

Способ нагрева жидкостей путем передачи тепла от продуктов сгорания горючей смеси, подаваемой снизу вверх в трубу-горелку, расположенную внутри теплообменника с нагреваемой жидкостью, отличающийся тем, что горючая смесь подается в трубу-горелку с постоянным расходом, обеспечивающим скорость распространения пламени u, определяемую по формуле где d - поперечный размер трубы-горелки, T_o и T - начальная температура горючей смеси и температура горения.