RU2619429C1 - Method of contact heat exchange and device for its implementation - Google Patents

Method of contact heat exchange and device for its implementation Download PDF

Info

Publication number
RU2619429C1
RU2619429C1 RU2016100780A RU2016100780A RU2619429C1 RU 2619429 C1 RU2619429 C1 RU 2619429C1 RU 2016100780 A RU2016100780 A RU 2016100780A RU 2016100780 A RU2016100780 A RU 2016100780A RU 2619429 C1 RU2619429 C1 RU 2619429C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
water
irrigation
heat
chamber
combustion chamber
Prior art date
Application number
RU2016100780A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Николай Иванович Стоянов
Геннадий Васильевич Слюсарев
Станислав Афанасьевич Герасименко
Original Assignee
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Северо-Кавказский федеральный университет"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Северо-Кавказский федеральный университет" filed Critical федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Северо-Кавказский федеральный университет"
Priority to RU2016100780A priority Critical patent/RU2619429C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2619429C1 publication Critical patent/RU2619429C1/en

Links

Images

Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24HFLUID HEATERS, e.g. WATER OR AIR HEATERS, HAVING HEAT-GENERATING MEANS, e.g. HEAT PUMPS, IN GENERAL
    • F24H1/00Water heaters, e.g. boilers, continuous-flow heaters or water-storage heaters
    • F24H1/22Water heaters other than continuous-flow or water-storage heaters, e.g. water heaters for central heating

Abstract

FIELD: heating.
SUBSTANCE: contact heat exchange method comprises the heat transfer between the gaseous combustion products and the surface of the liquid, in which the heat transfer by contact heat organize field torch with water in a dropping state by the primary storage in the entire plume vaporization energy of the water droplets in a volume of ~ 4.7% the total weight of the heated water and the subsequent intensive energy exchange resulting gas mixture adhesive-condensing heat exchange with the bulk water drops in the amount of ~ 94.3%. Hot water boiler for implementing the method comprises a burner device, the feed water supply device, a combustion chamber, which comprises a mixing chamber, swirl, irrigation chamber, the separator, the water separator.
EFFECT: intensification of heat transfer with increasing boiler efficiency.
5 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к способам контактного теплообмена между тепловым полем продуктов сгорания топлива и водой, а также к устройствам для его осуществления - котлам водогрейным контактного теплообмена конденсационного типа.The invention relates to methods of contact heat transfer between the thermal field of fuel combustion products and water, as well as to devices for its implementation, to boilers of contact-type heat exchange condensation-type heat exchange.

Известен способ теплообмена между тепловым полем продуктов сгорания топлива и водой и устройством для его осуществления - контактным водонагревателем эрлифтного типа [Кучухидзе Д.Г. Разработка и исследование контактных водонагревателей с циклонными топками. Дисс. на соискание ученой степени канд. техн. наук].A known method of heat exchange between the thermal field of the products of fuel combustion and water and a device for its implementation - contact water heater air-lift type [Kuchukhidze DG Development and research of contact water heaters with cyclone furnaces. Diss. for the degree of Cand. tech. sciences].

Недостатком известного способа является то, что теплообмен между продуктами сгорания и жидкостью происходит по поверхностям, ограниченным внутренней геометрией устройства, что существенно снижает интенсивность теплообмена, а наличие эрлифтных трубок усложняет конструкцию устройства для осуществления способа и увеличивает его материалоемкость.A disadvantage of the known method is that heat exchange between the combustion products and the liquid occurs on surfaces limited by the internal geometry of the device, which significantly reduces the heat transfer rate, and the presence of airlift tubes complicates the design of the device for implementing the method and increases its material consumption.

Известен способ [АС 347530 (СССР). Способ нагрева жидкости. Б.М. Тепериков, Л.А. Мипухин], при котором теплообмен ведется по поверхности жидкости, при этом общее количество топлива, необходимого для нагрева жидкости, например морской воды, разделяют на несколько частей, которые сжигают в отдельных соединенных последовательно по ходу нагреваемой жидкости ступенях. Также известен тепловой агрегат погружного горения [АС 391360 (СССР) И.Л. Тененбаум], который работает следующим образом. При помощи стартера запускают двигатель. Включаемый при этом вентилятор нагнетает воздух в компрессор, диффузор и камеру сгорания погружной горелки. Воздух, сжатый в компрессоре, направляется в его камеру сгорания, в которой сгорает подведенное в нее через форсунку топливо. Из камеры сгорания газы поступают в турбину. Выходящие из турбины высокотемпературные газы поступают в диффузор, в котором их скорость снижается до величины, при которой возможно осуществить сжигание топлива, а также повышается статическое давление газов до значения, равного давлению воздуха после вентилятора. Здесь же, в диффузоре, происходит перемешивание газов с воздухом, поступающим от вентилятора по кольцевому зазору и через отверстия. Навстречу потоку газовоздушной смеси через форсунки подается распыленное жидкое топливо. Полученная топливо-воздушная смесь направляется в камеру сгорания горелки, куда также по кольцевому зазору от вентилятора через радиальные отверстия поступает воздух, необходимый для горения. Через осевые отверстия из кольцевого зазора поступает воздух для пленочного охлаждения стенки камеры сгорания горелки, где производится первоначальное зажигание топливо-воздушной смеси с помощью пусковой горелки. Дальнейшее непрерывное воспламенение смеси происходит за счет зон обратных токов, возникающих за кольцевыми стабилизаторами. Продукты сгорания поступают через выхлопную трубу на отражатель, меняют свое направление и барботируют через слой жидкости, отдавая ей свое тепло.The known method [AC 347530 (USSR). The method of heating the liquid. B.M. Teperikov, L.A. Mipukhin], in which heat is exchanged over the surface of the liquid, while the total amount of fuel required to heat the liquid, such as sea water, is divided into several parts, which are burned in separate steps connected in series along the heated liquid. Also known is a thermal immersion combustion unit [AC 391360 (USSR) I.L. Tenenbaum], which works as follows. With the help of a starter, the engine is started. The fan which is turned on at the same time pumps air into the compressor, diffuser and combustion chamber of the submersible burner. The air compressed in the compressor is directed into its combustion chamber, in which the fuel supplied to it through the nozzle burns. Gases enter the turbine from the combustion chamber. The high-temperature gases leaving the turbine enter a diffuser, in which their speed decreases to a value at which it is possible to burn fuel, and the gas static pressure rises to a value equal to the air pressure after the fan. Here, in the diffuser, gas is mixed with air coming from the fan along the annular gap and through the openings. Toward the flow of the air-gas mixture through the nozzles is sprayed liquid fuel. The resulting fuel-air mixture is sent to the combustion chamber of the burner, where also the air necessary for combustion enters the annular gap from the fan through radial openings. Air flows through the axial holes from the annular gap for film cooling of the wall of the combustion chamber of the burner, where the initial ignition of the fuel-air mixture is carried out using the starting burner. Further continuous ignition of the mixture occurs due to reverse current zones arising behind ring stabilizers. The combustion products enter the reflector through the exhaust pipe, change their direction and sparge through a layer of liquid, giving it their heat.

Недостатками известного способа и устройства является то, что:The disadvantages of the known method and device is that:

- часть энергии тратится на непрерывное преодоление статического давления столба жидкости барботера;- part of the energy is spent on continuously overcoming the static pressure of the bubbler fluid column;

- теплообмен между продуктами сгорания и жидкостью происходит от тепла, накопленного в газовых пузырьках продуктов сгорания, имеющих весьма малую радиальную теплопроводность и, следовательно, пониженную теплоотдачу, за время их барботажа, что существенно снижает интенсивность теплообмена.- heat transfer between the combustion products and the liquid comes from the heat accumulated in the gas bubbles of the combustion products having a very low radial heat conductivity and, therefore, reduced heat transfer during their bubbling, which significantly reduces the heat transfer intensity.

Наиболее близким к предложенному устройству является контактный водонагреватель [АС 376636 (СССР). Контактный водонагреватель. Ю.П. Соснин], в котором нагреваемая вода поступает по трубе в нижнюю зону корпуса и постепенно поднимается вверх. На уровне щита в слой жидкости с большой скоростью через щель входят образовавшиеся в камере сгорания дымовые газы. Струя газов, обладающая определенной кинетической энергией, при ударе о воду разбивается на множество мелких пузырьков, в результате чего, предположительно, создается развитая межфазная поверхность, через которую происходит тепло- и массообмен между газами и водой. Пузырьки газов, всплывая вверх под действием гравитационных сил, увлекают за собой близлежащие слои воды. Газожидкостная эмульсия поднимается вверх и в верхней ее зоне ударяется об отражатель. При этом двухфазная система газ - жидкость разрушается. Газ в виде продуктов сгорания и водяного пара поднимается вверх, а нагретая вода поступает в сборник и затем самотеком выливается к потребителям.Closest to the proposed device is a contact water heater [AC 376636 (USSR). Contact water heater. Yu.P. Sosnin], in which the heated water enters through the pipe into the lower zone of the casing and gradually rises up. At the shield level, the flue gases formed in the combustion chamber enter the liquid layer with high speed through the gap. A gas jet having a certain kinetic energy breaks into many small bubbles upon impact with water, as a result of which, presumably, a developed interfacial surface is created through which heat and mass transfer between gases and water occurs. Bubbles of gases, floating up under the influence of gravitational forces, entrain nearby water layers. The gas-liquid emulsion rises and in its upper zone hits the reflector. In this case, the two-phase gas-liquid system is destroyed. Gas in the form of combustion products and water vapor rises, and heated water enters the collector and then spills by gravity to consumers.

Недостатком известного устройства является то, что образование мелких капель идет недостаточно интенсивно при ударе струи газов о поверхность воды (среды имеют примерно 800-кратное отношение плотностей), и создание высокой кинетической энергии струи с помощью дутьевого вентилятора горелки не может быть получено из-за низкого давления, развиваемого вентилятором, наращивание же мощности вентилятора ограничивается сжимаемостью газов, что потребует дополнительных затрат энергии. Все это не позволяет должным образом подготовить условия для интенсивного межфазного теплообмена.A disadvantage of the known device is that the formation of small droplets is not intensive enough when the gas stream hits the surface of the water (the media have an approximately 800-fold density ratio), and the creation of high kinetic energy of the jet using the blower of the burner cannot be obtained due to the low pressure developed by the fan, the increase in fan power is limited by the compressibility of the gases, which will require additional energy. All this does not allow to properly prepare the conditions for intense interfacial heat transfer.

Техническим результатом заявляемого изобретения является оптимизационная интенсификация теплообмена с повышением КПД котла, снижение материалоемкости, размеров, стоимости котла, его обслуживания и повышение его экологичности и безопасности эксплуатации.The technical result of the claimed invention is optimization of heat transfer with increasing boiler efficiency, reducing material consumption, size, cost of the boiler, its maintenance and increasing its environmental friendliness and safety of operation.

Указанный технический результат достигается за счет способа контактного теплообмена и устройства для его осуществления, при котором топливо (жидкое или газообразное) подается в горелку, в которой смешивается с подаваемым воздухом (избыток воздуха определяется характеристиками горелки в зависимости от вида сжигаемого топлива) и сжигается факельным способом. Через форсунки испарительного контура с помощью питательного насоса распыляется питательная вода, в охват факела пламени и тангенциально с размером капель d1≤0,2 мм в количестве ~4% от общей массы оборотной воды. Эти капли выполняют тройную функцию: капельного охлаждения стенки камеры сгорания горелки; радиационного экрана теплового поля факела; источника парогазовой среды для последующего адгезионно-конденсационного теплообмена. Образующаяся парогазовая смесь, расширяясь, перемешивается с помощью завихрителя в камере смешения и поступает в камеру орошения камеры сгорания. В камеру смешения камеры сгорания с помощью питательного насоса подается остальная масса питательной воды (~96%) потоком через форсунки нагревательного контура и размером капель d2≥0,4 мм. Подвод питательной орошающей воды осуществляется тангенциально с омыванием стенок камеры орошения камеры сгорания для предотвращения ее перегрева. Процесс тепломассообмена протекает интенсивно, т.к. высокоэнергетичная парогазовая смесь интенсивно контактирует с каплями орошения, конденсируясь на каплях более холодной родственной капельной жидкости, находящейся в мелкодисперсном состоянии. Нагретая вода стекает в водосборник, из которого сетевым насосом подается потребителю. Скопившийся в нижней части водосборника шлам удаляется с продувкой. Уходящие дымовые газы очищаются от капелек влаги в сепараторе-водоотделителе и удаляются в атмосферу. Вредные газовые выбросы (СО, СО2, оксиды азота) поглощаются водой для дальнейшего их выделения. При этом обеспечивается интенсивность контактного тепломассообмена между тепловым полем продуктов сгорания топлива и водой.The specified technical result is achieved by the method of contact heat transfer and a device for its implementation, in which the fuel (liquid or gaseous) is supplied to the burner, in which it is mixed with the supplied air (excess air is determined by the characteristics of the burner depending on the type of fuel burned) and is flared . Feed water is sprayed through the nozzles of the evaporative circuit using a feed pump into the flame flame and tangentially with droplet size d 1 ≤0.2 mm in the amount of ~ 4% of the total mass of circulating water. These drops perform a threefold function: drip cooling of the wall of the burner combustion chamber; radiation shield of the thermal field of the torch; a source of vapor-gas medium for subsequent adhesive-condensation heat transfer. The resulting vapor-gas mixture, expanding, is mixed with a swirl in the mixing chamber and enters the irrigation chamber of the combustion chamber. Using the feed pump, the remaining mass of feed water (~ 96%) is fed into the mixing chamber of the combustion chamber by flow through the nozzles of the heating circuit and the droplet size d 2 ≥0.4 mm. Nutrient irrigation water is supplied tangentially with washing the walls of the combustion chamber irrigation chamber to prevent its overheating. The process of heat and mass transfer proceeds intensively, because a high-energy vapor-gas mixture intensively contacts with drops of irrigation, condensing on drops of a colder related drop liquid, which is in a finely dispersed state. Heated water flows into the water collector, from which it is supplied to the consumer by a network pump. The sludge accumulated in the lower part of the catchment is removed with a purge. Exhaust flue gases are cleaned of moisture droplets in a separator-water separator and are removed to the atmosphere. Harmful gas emissions (СО, СО 2 , nitrogen oxides) are absorbed by water for their further release. This ensures the intensity of contact heat and mass transfer between the thermal field of the products of combustion of fuel and water.

Через форсунки испарительного контура с помощью питательного насоса тангенциально распыляется питательная вода со средним размером капель d1≤0,2 мм (по условию полноты испаряемости) в охват факела пламени в количестве ~4% от общей массы воды. Эти капли при ничтожных затратах на их получение выполняют следующий набор функций:Feed nozzles with an average droplet size d 1 ≤0.2 mm (by the condition of complete evaporation) are sprayed tangentially through the nozzles of the evaporation circuit using the feed pump into the flame plume in the amount of ~ 4% of the total water mass. These drops, at a negligible cost to obtain them, perform the following set of functions:

- высококачественного радиационного экрана теплового поля факела со степенью черноты ~0,94…0,96;- high-quality radiation shield of the thermal field of the torch with a degree of blackness ~ 0.94 ... 0.96;

- преобразователя спектра радиационного излучения факела пламени с температурой ~1300 К - сразу в среду с температурой ~400 К, при которой исходный высокорадиационный процесс, пропорциональный согласно закону Стефана-Больцмана абсолютной температуре в четвертой степени (Т4), снижается примерно в 3,254 раз, т.е. переводится в исключительно конвективный;- a converter of the radiation spectrum of a flame plume with a temperature of ~ 1300 K - immediately to a medium with a temperature of ~ 400 K, at which the initial highly radiative process, proportional to the fourth degree absolute temperature according to the Stefan-Boltzmann law (T 4 ), decreases by about 3.25 4 times, i.e. translates into exclusively convective;

- высокоэффективного агента конвективного теплообмена между образуемой горением газовой средой, каплями воды и их паром;- a highly effective convective heat transfer agent between the gaseous medium formed by combustion, water droplets and their vapor;

- капельно-паровой защитной среды для охлаждения стенок горелки;- drip-steam protective environment for cooling the walls of the burner;

- высокодинамичной и энергоемкой парогазовой среды, аккумулятора всей энергии факела с развитой контактной поверхностью, существенно большей, чем у самого пламени факела;- a highly dynamic and energy-intensive steam-gas medium, an accumulator of all torch energy with a developed contact surface, significantly larger than that of the torch flame itself;

- скоростного пространственного переносчика аккумулированной энергии в зону последующего теплообмена с каплями воды орошения;- high-speed spatial carrier of accumulated energy to the zone of subsequent heat exchange with drops of irrigation water;

- адгезионно-конденсационного обмена аккумулированной энергией с большей поверхностью последующих капель орошения на завершающем этапе энергообмена.- adhesive-condensation exchange of accumulated energy with a larger surface of subsequent irrigation drops at the final stage of energy exchange.

Образующаяся парогазовая смесь, расширяясь, перемешивается с помощью завихрителя в камере смешения камеры сгорания и поступает в камеру орошения камеры сгорания. При этом парогазовая смесь содержит суммарный запас энергий:The resulting vapor-gas mixture, expanding, is mixed with a swirl in the mixing chamber of the combustion chamber and enters the irrigation chamber of the combustion chamber. In this case, the gas-vapor mixture contains the total energy reserve:

- тепловой, полученной от теплового поля факела (радиационного и конвективного);- thermal, obtained from the thermal field of the torch (radiation and convective);

- энергии развития поверхности первичных капель, полученной от питательного насоса.- the energy of the development of the surface of the primary drops obtained from the feed pump.

Количество подвода питательной воды к форсункам испарительного контура определяется требованием ее полного испарения, исходя из теплового баланса котла, определяемого для единичного расхода теплоносителя соотношением:The amount of supply of feed water to the nozzles of the evaporative circuit is determined by the requirement of its complete evaporation, based on the heat balance of the boiler, determined for a unit flow rate of the coolant by the ratio:

с(tг-tо)=r*q,c (t r -t o ) = r * q,

где с - теплоемкость воды, с=4200 Дж/(кг*К);where c is the heat capacity of water, s = 4200 J / (kg * K);

tг и tо - соответственно температура горячей воды и температура обратной воды, tг=(273+95)К и tо=(273+70)К;t g and t o are the hot water temperature and return water temperature, respectively, t g = (273 + 95) K and t o = (273 + 70) K;

r - скрытая теплота парообразования воды при атмосферном давлении, r=2,5*106 Дж/кг;r is the latent heat of vaporization of water at atmospheric pressure, r = 2.5 * 10 6 J / kg;

q - массовая доля подвода питательной воды к форсункам испарительного контура.q is the mass fraction of the supply of feed water to the nozzles of the evaporation circuit.

Тогда массовая доля при максимальной температуре воды в обратном трубопроводе котла (обратная сетевая вода), равной 70°С:Then the mass fraction at the maximum water temperature in the return pipe of the boiler (return network water) equal to 70 ° C:

q=с(tг-tо)/r=4200(95-70)/2,25*106=0,0467=4,7%.q = c (t g -t o ) / r = 4200 (95-70) / 2.25 * 10 6 = 0.0467 = 4.7%.

В камеру орошения камеры сгорания с помощью питательного насоса подается остальная масса питательной воды (~95%) потоком через форсунки с распылением на капли размером d2≥0,4 мм - по условию неиспаряемости. Подвод питательной орошающей воды осуществляется тангенциально с выполнением двух задач:The remaining mass of feed water (~ 95%) is fed into the irrigation chamber of the combustion chamber with the help of a feed pump through a nozzle sprayed onto droplets of size d 2 ≥0.4 mm, according to the condition of non-evaporation. Nutrient irrigation water is supplied tangentially with two tasks:

- принудительного омывания стенок оросительной камеры для предотвращения ее перегрева;- forced washing of the walls of the irrigation chamber to prevent overheating;

- вихревой интенсификации процесса тепломассообмена с парами испаренной части воды, аккумулировавшими всю энергию сжигаемого топлива.- vortex intensification of the heat and mass transfer process with vapors of the evaporated part of the water, accumulating all the energy of the combusted fuel.

Поскольку в камере орошения камеры сгорания происходит тепломассообмен родственных сред: парогазовой смеси с температурой примерно 100°С и мелкодисперсных капель оросительной воды с температурой примерно 70°С, имеющих высокую взаимную адгезию, то на каплях орошения конденсируется паровая компонента парогазовой смеси, обмениваясь энергией с остальной массой воды, суммируя и тепло адгезионно-конденсационного преобразования. Газовая компонента абсорбируется более холодной поверхностью капель орошения. Таким образом, все затраты энергий суммарно преобразуются в тепло питательной воды. Далее затраты энергии насоса питательной воды на развитие поверхности капель орошения также переводятся в тепло воды в обратном трубопроводе котла в конце процесса при концентрационной коалесценции капель в поток сетевой воды, в результате которой происходит полное разделение на две макрофазы: жидкость - газ.Since in the irrigation chamber of the combustion chamber heat and mass transfer of related media occurs: steam-gas mixture with a temperature of about 100 ° C and fine droplets of irrigation water with a temperature of about 70 ° C, with high mutual adhesion, the vapor component of the gas-vapor mixture condenses on the drops of irrigation, exchanging energy with the rest mass of water, summing up and heat of the adhesive-condensation conversion. The gas component is absorbed by the colder surface of the irrigation droplets. Thus, all energy costs are converted to heat in the feed water. Further, the energy costs of the feedwater pump for the development of the surface of the irrigation droplets are also transferred to the heat of water in the return pipe of the boiler at the end of the process with concentration coalescence of the droplets into the flow of network water, as a result of which there is a complete separation into two macrophases: liquid - gas.

Оценка энергозатрат на каплеобразование [Энергетика диспергирования и конденсации. С. 115] [Поверхностное натяжение жидкостей и водных растворов. С. 428, приложение 5].Evaluation of energy consumption for droplet formation [Energy dispersion and condensation. P. 115] [The surface tension of liquids and aqueous solutions. S. 428, Appendix 5].

А) Обоснование низкозатратности получения капель водыA) The rationale for the low cost of obtaining drops of water

1. Объем единичной капли на:1. The volume of a single drop on:

- испарение при d1~0,2 мм- evaporation at d 1 ~ 0.2 mm

Figure 00000001
Figure 00000001

- орошение при d2~0,4 мм- irrigation at d 2 ~ 0.4 mm

Figure 00000002
Figure 00000002

2. Масса единичной капли (ρ=103 кг/м3):2. The mass of a single drop (ρ = 10 3 kg / m 3 ):

- на испарение:- for evaporation:

m1=ρ⋅VK1=103⋅4,19⋅10-12=4,19⋅10-9 кг;m 1 = ρ⋅V K1 = 10 3 ⋅4.19⋅10 -12 = 4.19⋅10 -9 kg;

- на орошение:- for irrigation:

m2=ρ⋅VK2=103⋅3,35⋅10-11=3,35⋅10-8 кг.m 2 = ρ⋅V K2 = 10 3 ⋅3.35⋅10 -11 = 3.35⋅10 -8 kg.

3. Количество ежесекундно образуемых капель при:3. The number of drops formed every second when:

- d1~0,2⋅10-3 м и 0,047⋅Gm кг/с,- d 1 ~ 0.2⋅10 -3 m and 0.047⋅G m kg / s,

где Gm - массовый расход сетевой воды системы теплоснабжения на догрев от температуры 70°С до температуры 95°С, кг/с;where G m is the mass flow rate of network water of the heating system for heating from a temperature of 70 ° C to a temperature of 95 ° C, kg / s;

Figure 00000003
Figure 00000003

- d2~0,4⋅10-3 м и 0,953⋅Gm кг/с- d 2 ~ 0.4⋅10 -3 m and 0.953⋅G m kg / s

Figure 00000004
Figure 00000004

4. Поверхность отдельной капли при:4. The surface of a single drop with:

- d1~0,2⋅10-3 м- d 1 ~ 0.2⋅10 -3 m

Figure 00000005
Figure 00000005

- d2~0,4⋅10-3 м- d 2 ~ 0.4⋅10 -3 m

Figure 00000006
Figure 00000006

5. Поверхности, ежесекундно развиваемые каплями при:5. Surfaces that are developed every second by drops with:

- d1~0,2⋅10-3 м- d 1 ~ 0.2⋅10 -3 m

ΣS1=n1⋅S1=11,22⋅106⋅1,26⋅10-7⋅Gm=1,4⋅Gm м2;ΣS 1 = n 1 ⋅S 1 = 11.22⋅10 6 ⋅1.26⋅10 -7 ⋅G m = 1.4⋅G m m 2 ;

- d2~0,4⋅10-3 м- d 2 ~ 0.4⋅10 -3 m

ΣS2=n2⋅S2=28,44⋅106⋅5,03⋅10-7⋅Gm=14,3⋅Gm м2.ΣS 2 = n 2 ⋅S 2 = 28.44⋅10 6 ⋅5.03⋅10 -7 ⋅G m = 14.3⋅G m m 2 .

6. Ежесекундные затраты энергии на развитие поверхности капель при:6. Every second, the energy spent on the development of the surface of the droplets when:

- ΣS1=1,4⋅Gm м2 - ΣS 1 = 1.4⋅G m m 2

ΣW1=σ⋅1,4⋅Gm=0,073⋅1,2⋅Gm=0,1⋅Gm Дж/с;ΣW 1 = σ⋅1.4⋅G m = 0.073⋅1.2⋅G m = 0.1⋅G m J / s;

- ΣS2=14,3⋅Gm м2 - ΣS 2 = 14.3⋅G m m 2

ΣW2=σ⋅ΣS2=0,073⋅14,3⋅Gm=1,04⋅Gm Дж/с.ΣW 2 = σ⋅ΣS 2 = 0.073⋅14.3⋅G m = 1.04⋅G m J / s.

7. Суммарные энергозатраты на каплеобразование всей питательной воды:7. The total energy consumption for the droplet formation of all feed water:

ΣW=ΣW1+ΣW2=Gm(0,1+1,04)=1,14⋅Gm Дж/с.ΣW = ΣW 1 + ΣW 2 = G m (0,1 + 1,04) = 1,14⋅G m J / s.

8. Если привести эти расчеты к типовой квартальной котельной, в частности, мощностью W=14 МДж/с, имеющей четыре котла мощностью по 3,5 МВт, то получим, что для ежесекундного перевода тепловой энергии 14⋅106 Дж/с в энергию испарения капель массой Σm1 и d1~0,2⋅10-3 м требуется массовый расход сетевой воды:8. If we bring these calculations to a typical quarterly boiler house, in particular, with a capacity of W = 14 MJ / s, which has four boilers with a capacity of 3.5 MW each, we obtain that for every second conversion of heat energy 14⋅10 6 J / s into energy evaporation of droplets with a mass of Σm 1 and d 1 ~ 0.2⋅10 -3 m requires a mass flow rate of network water:

Figure 00000007
Figure 00000007

где r - теплота парообразования воды, равная 2,25⋅106 Дж/кг.where r is the heat of vaporization of water, equal to 2.25⋅10 6 J / kg.

9. Согласно заявке, ΣGm1=0,047⋅Gm. Отсюда

Figure 00000008
9. According to the application, ΣGm 1 = 0.047⋅G m . From here
Figure 00000008

10. Суммарная ежесекундно образуемая масса капель орошения составляет:10. The total mass of irrigation drops formed every second is:

ΣGm2=Gm-ΣGm1=132,3-6,22=126,1 кг/с.ΣGm 2 = Gm-ΣGm 1 = 132.3-6.22 = 126.1 kg / s.

11. Суммарные энергозатраты с учетом п. 7 составят:11. The total energy consumption, taking into account clause 7, will be:

ΣW=1,14*Gm=1,14⋅126,1=143,8 Дж/с = 143,8 Вт,ΣW = 1.14 * G m = 1.14⋅126.1 = 143.8 J / s = 143.8 W,

которыми можно пренебречь в сравнении с мощностью котельной в 14⋅106 Вт, т.к. они составят примерно 1,03⋅10-9%. Тем не менее, при адгезионно-конденсационном теплообмене, предлагаемом в заявке, даже и эта энергия (ΣW) будет возвращаться в систему теплоснабжения, повышая общий КПД котла.which can be neglected in comparison with the boiler room power of 14⋅10 6 W, because they will be approximately 1.03⋅10 -9 %. However, with the adhesive-condensation heat transfer proposed in the application, even this energy (ΣW) will be returned to the heat supply system, increasing the overall efficiency of the boiler.

Все это по совокупности успешно рекуперирует все предварительные затраты, повышая общий КПД процесса нагрева воды.All this together successfully recuperates all preliminary costs, increasing the overall efficiency of the process of heating water.

Б) Обоснование эффективности экранирования и восприятия радиационного излучения факела пламениB) Justification of the effectiveness of shielding and perception of radiation from a flame plume

1. Объем полного капельного цилиндра камеры сгорания:1. The volume of the full drip cylinder of the combustion chamber:

Vк.ц=Vсг-Vф=0,25*π*lсг*(dсг 2-dф 2), м3, C.c V = V c -V f = 0,25 * π * l c * (d c -d 2 = 2), m 3,

где lсг - длина камеры сгорания (пламени);where l cg is the length of the combustion chamber (flame);

dсг - внутренний диаметр камеры сгорания или внешний диаметр капельного цилиндра;d cg is the inner diameter of the combustion chamber or the outer diameter of the drip cylinder;

dф - внешний (видимый) диаметр факела или внутренний диаметр полного капельного цилиндра;d f - the outer (visible) diameter of the torch or the inner diameter of the full drip cylinder;

Vсг - внутренний объем камеры сгорания или объем капельного цилиндра;V cg is the internal volume of the combustion chamber or the volume of the drip cylinder;

Vф - внешний (видимый) объем факела или объем полного капельного цилиндра;V f - external (visible) volume of the torch or the volume of a full drip cylinder;

Δdк.ц - полуразность диаметров торцов полного капельного цилиндра,Δd k.c is the half -difference of the diameters of the ends of the complete drip cylinder,

Δdк.ц=0,5*(dсг-dф);Δd K.c = 0.5 * (d cr -d f );

nц - количество элементарных коаксиальных цилиндров из разбиения радиальной толщины - Δdк.ц полного капельного цилиндра.n c - the number of elementary coaxial cylinders from the partition of the radial thickness - Δd k.ts full drip cylinder.

2. Количество образуемых капель из 4,7%-ного массового расхода воды на испарение 0,047*Gm:2. The number of droplets formed from a 4.7% mass water flow rate for evaporation of 0.047 * G m :

n1=0,047*Gm/m1=0,047*Gm/(1/6)(ρ*π*dк 3)=0,282*Gm/ρ*π*dк 3, шт.,n 1 = 0.047 * G m / m 1 = 0.047 * G m / (1/6) (ρ * π * d to 3 ) = 0.282 * G m / ρ * π * d to 3 , pcs.,

где Gm - массовый расход сетевой воды на догрев ее от 70°С до 95°С, кг/с;where G m is the mass flow rate of network water for heating it from 70 ° C to 95 ° C, kg / s;

ρ - плотность воды, кг/м3;ρ is the density of water, kg / m 3 ;

dк - диаметр капель капельного цилиндра, м.d to - the diameter of the droplets of the dropping cylinder, m

3. Объемная концентрация капель воды в полном капельном цилиндре п. 1:3. The volume concentration of water droplets in a complete drip cylinder of paragraph 1:

С1=n1/Vк.ц=(0,282*Gm/ρ*π*dк 3)/0,25*π*lсг*(dсг 2-dф 2)=1,128*Gm/ρ*π2*dк 3*lсг*(dсг 2-dф 2), 1/м3,C 1 = n 1 / V c.c = (0.282 * G m / ρ * π * d c 3 ) / 0.25 * π * l cg * (d cg 2 -d f 2 ) = 1.128 * G m / ρ * π 2 * d to 3 * l cg * (d cg 2 -d f 2 ), 1 / m 3 ,

где Vк.ц - часть объема камеры сгорания, занятого полным капельным цилиндром, п. 1, м3.where V k.ts - part of the volume of the combustion chamber occupied by the full drip cylinder, item 1, m 3 .

4. Линейная концентрация капель - количество капель вдоль любого линейного измерения в цилиндре: радиуса, длины дуги окружности, длины камеры сгорания4. Linear droplet concentration - the number of droplets along any linear measurement in the cylinder: radius, circumference of the arc, length of the combustion chamber

С2=[1,128*Gm/ρ*π2*d1 3*lсг*(dсг 2-dф 2)]1/3. 1/мC 2 = [1.128 * G m / ρ * π 2 * d 1 3 * l cg * (d cg 2 -d f 2 )] 1/3 . 1m

5. Количество капель, приходящихся на линейную радиальную ширину Δdк.ц торцевого кольца полного капельного цилиндра фиг. 1, т.е. на Δdк.ц=0,5*(dсг-dф):5. The number of drops per linear radial width Δd k.c of the end ring of the complete drip cylinder of FIG. 1, i.e. on Δd K.c = 0.5 * (d cr -d f ):

nк=C2*Δdц=[0,141*Gm*(dсг-dф)2/ρ*π2*dк 3*lсг*(dсг+dф)]1/3.n k = C 2 * Δd c = [0.141 * G m * (d cg- d f ) 2 / ρ * π 2 * d to 3 * l cg * (d cg + d f )] 1/3 .

6. Поверхностная концентрация капель на боковой поверхности каждого элементарного коаксиального капельного цилиндра6. The surface concentration of droplets on the side surface of each elementary coaxial droplet cylinder

С32 2=[1,128*Gm/ρ*π2*dк 3*lсг*(dсг 2-dф 2)]2/3, 1/м2.C 3 = C 2 2 = [1.128 * G m / ρ * π 2 * d to 3 * l cg * (d cg 2 -d f 2 )] 2/3 , 1 / m 2 .

7. Через каждую из капель nк (п. 5) проведем воображаемый элементарный коаксиальный капельный цилиндр длиной - lсг с поверхностной концентрацией капель С3 (п. 6), то есть получим nц=nк (п. 5) - количество таких вложенных друг в друга элементарных капельных цилиндров-поверхностей с толщиной боковой цилиндрической стенки, равной диаметру капли.7. Through each of the drops n k (p. 5) we draw an imaginary elementary coaxial drop cylinder of length - l c with the surface concentration of C 3 drops (p. 6), that is, we get n c = n k (p. 5) - the number of such elementary drop cylinder-surfaces embedded in each other with a thickness of the lateral cylindrical wall equal to the diameter of the drop.

Радиационная составляющая факела пламени будет направлена изнутри всего коаксиального набора элементарных цилиндров-поверхностей - через их боковые поверхности к стенке камеры сгорания (фиг. 1). Приемником-поглотителем этой радиационной составляющей факела и радиационным экраном для стенки камеры сгорания будет служить набор капель на поверхностях всех nц (п. 5) элементарных коаксиальных цилиндров. Поскольку поверхностная концентрация капель на боковой (цилиндрической) поверхности каждого элементарного i-го капельного цилиндра постоянна и равна - С3, то количество капель на поверхности i-го цилиндра зависит только от диаметра самого i-го цилиндра.The radiation component of the flame will be directed from the inside of the entire coaxial set of elementary cylinders-surfaces - through their side surfaces to the wall of the combustion chamber (Fig. 1). A receiver-absorber of this radiation component of the torch and a radiation screen for the wall of the combustion chamber will be a set of drops on the surfaces of all n c (item 5) of elementary coaxial cylinders. Since the surface concentration of droplets on the lateral (cylindrical) surface of each elementary i-th droplet cylinder is constant and equal to - C 3 , the number of droplets on the surface of the i-th cylinder depends only on the diameter of the i-th cylinder itself.

Если nк.б=C3*Sб.ц - количество капель боковой поверхности каждого из элементарных коаксиальных цилиндров, то можем записать отношение суммарной площади проекции капель (Миделево сечение - Sпр.к3*Sб.ц) на боковую поверхность цилиндров к площади самой боковой поверхности. Площадь проекции сферической капли на поверхностьIf n cb = C 3 * S bc is the number of drops of the lateral surface of each of the elementary coaxial cylinders, then we can write the ratio of the total area of the projection of the drops (Middel section - S ave. * C 3 * S b.c ) on the lateral surface of the cylinders to the area of the very lateral surface. The projection area of a spherical drop on the surface

Sпр.к=0,25*π*dк 2.S pr.k = 0.25 * π * d to 2 .

Составим отношения суммы площадей проекций всех капель элементарного капельного цилиндра на его боковую поверхность - χ:We compose the ratio of the sum of the projection areas of all the drops of an elementary dropping cylinder onto its lateral surface - χ:

χ=Sпр.к3*Sб.ц/Sб.ц=Sпр.к3,χ = S ave. * C 3 * S b.c / S b.c = S ave. * * 3 ,

т.е. χ=Sпр.к3,those. χ = S pr.k * C 3 ,

тогда χ=Sпр.к3=0,25*π*dк 2*[1,128*Gm/ρ*π2*dк 3*lсг*(dсг 2-dф 2)]2/3=0,27*Gm 2/32/31/3*lсг 2/3*(dсг 2-dф 2)2/3.then χ = S pr.k * C 3 = 0.25 * π * d to 2 * [1,128 * G m / ρ * π 2 * d to 3 * l cr * (d cg 2 -d f 2 )] 2 / 3 = 0.27 * G m 2/3 / ρ 2/3 * π 1/3 * l cg 2/3 * (d cg 2 -d f 2 ) 2/3 .

8. Поскольку все nк.ц (п. 7) - коаксиальных капельных цилиндров своими боковыми цилиндрическими поверхностями перекрывают друг друга, то экранирование радиационного потока есть результат их коллективного эффекта экранирования. С учетом того, что «картины» расположения капель на боковой поверхности всех nк.ц цилиндров не коррелированы между собой и являют вероятностный процесс, то в таких случаях χрез определяется как математическое ожидание, а именно:8. Since all n c.c. (item 7) of coaxial droplet cylinders overlap each other with their lateral cylindrical surfaces, the screening of the radiation flux is the result of their collective screening effect. Taking into account the fact that the “pictures” of the location of the droplets on the lateral surface of all n K. cylinders are not correlated with each other and are a probabilistic process, in such cases χ res is defined as the mathematical expectation, namely:

Figure 00000009
Figure 00000009

Здесь: χрез=1 - исходя из стремления обеспечить 100% экранирование радиационного потока, nц 0,5=[0,141*Gm*(dсг-dф)2/ρ*π2*dк 3*lсг*(dсг+dф)]1/6.Here: χ res = 1 - based on the desire to provide 100% shielding of the radiation flux, n c 0.5 = [0.141 * G m * (d cg -d f ) 2 / ρ * π 2 * d to 3 * l cg * (d cg + d f )] 1/6 .

Максимально допустимый диаметр капель, обеспечивающий 100% экранирование, определим из последнего выраженияThe maximum permissible droplet diameter, providing 100% shielding, is determined from the last expression

0,286*Gm 5/6/ρ*π7/3*d1 3*lсг 5/3*(dсг 2-dф 2)1/3*(dсг+dф)1/6=1, а именно0.286 * G m 5/6 / ρ * π 7/3 * d 1 3 * l cg 5/3 * (d cg 2 -d f 2 ) 1/3 * (d cg + d f ) 1/6 = 1 , namely

dк.max=0,286*Gm 5/6/ρ*π7/3*lсг 5/3*(dсг 2-dф 2)1/3*(dсг+dф)1/6,d c.max = 0.286 * G m 5/6 / ρ * π 7/3 * l cg 5/3 * (d cg 2 -d f 2 ) 1/3 * (d cg + d f ) 1/6 ,

получим для одного котла Gm=31,53 кг/с, ρ=1000 кг/м3, lсг=1,7 м, dсг=1 м, dф=0,5 м, тогдаwe get for one boiler G m = 31.53 kg / s, ρ = 1000 kg / m 3 , l cg = 1.7 m, d cg = 1 m, d f = 0.5 m, then

dк.max=0,286*31,535/6/1000*π7/3*1,75/3*(12⋅0,52)1/3*(1+0,5)1/6=361*10-6 м = 0,361 мм.d k.max = 0.286 * 31.53 5/6 / 1000 * π 7/3 * 1.7 5/3 * (1 2 ⋅0.5 2 ) 1/3 * (1 + 0.5) 1 / 6 = 361 * 10 -6 m = 0.361 mm.

Сгруппировав в выражении для dк члены, зависимые от мощности котельной, в отдельных квадратных скобках, а независимые - в отдельных круглых, получим:Having grouped in the expression for d to the terms depending on the boiler capacity in separate square brackets, and the independent ones in separate round brackets, we obtain:

dк=0,286*Gm 5/6/ρ*π7/3*lсг 5/3*(dсг 2-dф 2)1/3*(dсг+dф)1/6=(0,286/ρ*π7/3)*[Gm/lсг*(dсг 2-dф 2)1/3*(dсг+dф)].d k = 0.286 * G m 5/6 / ρ * π 7/3 * l cg 5/3 * (d cg 2 -d f 2 ) 1/3 * (d cg + d f ) 1/6 = (0.286 / ρ * π 7/3 ) * [G m / l cr * (d cg 2 -d f 2 ) 1/3 * (d cg + d f )].

Заметим, что в сомножителе [Gm/lсг*(dсг 2-dф 2)1/3*(dсг+dф)]1/6] числитель и знаменатель, противоположно варьируемые величины в функции мощности котла, то есть, это отношение мало варьируемое, и потому используем полученную величину dк.max~0,36 мм в качестве базовой. Т.е. при, в частности, ~2-х кратном снижении диаметра капли до dк~0,2 мм и менее обеспечим гарантированный χрез. Снижение диаметра капли желательно по условиям избежания гравитационной сепарации капель и облегчения броуновского витания последних в тепловом поле факела и при последующем теплообмене с каплями орошения.Note that in the factor [G m / l cg * (d cg 2 -d f 2 ) 1/3 * (d cg + d f )] 1/6 ] the numerator and denominator, oppositely varied values as a function of the boiler power, then there is, this ratio is slightly variable, and therefore we use the obtained value d to.max ~ 0.36 mm as the base. Those. with, in particular, a ~ 2-fold decrease in the diameter of the droplet to d to ~ 0.2 mm or less, we will ensure a guaranteed χ res . Reducing the diameter of the droplet is desirable in terms of avoiding gravitational separation of the droplets and facilitating Brownian soaring of the droplets in the heat field of the torch and subsequent heat exchange with irrigation drops.

χрез=0,286*Gm 5/6/ρ*π7/3*d1 3*lсг 5/3*(dсг 2-dф 2)1/3*(dсг+dф)1/6=1.χ res = 0.286 * G m 5/6 / ρ * π 7/3 * d 1 3 * l cg 5/3 * (d cg 2 -d f 2 ) 1/3 * (d cg + d f ) 1 / 6 = 1.

Это обеспечит высокий коэффициент эксергии процесса аккумулирования радиационной энергии в распыляемых каплях вокруг факела пламени камеры сгорания. Высокий коэффициент экранирования важен, т.к. позволяет компенсировать неединичность реальной степени черноты воды ε~0,94, тем более, что в воде есть известное окно прозрачности для лучей с длиной волны λ=9…12 мкм. Реальное положение с поглощением еще лучше, т.к. штатная оборотная сетевая вода, как правило, мутная, т.е. имеет высокую степень черноты.This will provide a high coefficient of exergy of the process of accumulation of radiation energy in the sprayed droplets around the flame of the combustion chamber. A high shielding factor is important because allows you to compensate for the non-unity of the real degree of blackness of water ε ~ 0.94, especially since in water there is a known transparency window for rays with a wavelength of λ = 9 ... 12 μm. The real situation with absorption is even better, because regular circulating network water is usually turbid, i.e. has a high degree of blackness.

Устройство для осуществления способа - котел водогрейный контактного типа, включающий горелочное устройство, устройство подачи питательной воды, камеру сгорания, содержащую камеру смешения, завихритель, камеру орошения, сепаратор-водоотделитель, где теплообмен организуют оптимизационным контактом теплового поля факела с водой в капельном состоянии посредством первичного аккумулирования всей энергии факела (радиационной и конвективной составляющих) в теплоте парообразования капель (d1≤0,2 мм) воды в объеме ~4,7% от массы общего количества нагреваемой воды с образованием динамичной парогазовой смеси и последующего интенсивного энергообмена парогазовой смеси адгезионно-конденсационным теплообменом с каплями (d2≥0,4 мм) основной массы воды в объеме ~94,3%. При интенсивном контактировании парогазовой смеси с каплями орошения первичные капли конденсируются на каплях родственной капельной жидкости. В сепараторе-водоотделителе в результате встречного движения дымовых газов и питательной воды, подаваемой в сепаратор-водоотделитель, происходит отделение частично уносимой капельной влаги и влаги, конденсируемой из дымовых газов при снижении температуры дымовых газов ниже температуры точки росы влаги, содержащейся в испаренном виде в дымовых газах. Количество питательной воды, подаваемой на сепаратор-водоотделитель, определяется тепловым балансом и составляет примерно 1% от общего расхода питательной воды.A device for implementing the method is a contact-type hot-water boiler including a burner device, feed water supply device, a combustion chamber containing a mixing chamber, a swirler, an irrigation chamber, a separator-water separator, where heat exchange is organized by optimizing contact of the heat field of the torch with water in the dropping state by means of the primary accumulation of all torch energy (radiation and convective components) in the heat of vaporization of droplets (d 1 ≤0.2 mm) of water in a volume of ~ 4.7% of the total mass of heated water with the formation of a dynamic vapor-gas mixture and the subsequent intensive energy exchange of the gas-vapor mixture by adhesive-condensation heat transfer with drops (d 2 ≥0.4 mm) of the bulk of the water in a volume of ~ 94.3%. When the vapor-gas mixture is intensively contacted with irrigation drops, the primary drops condense on drops of a related drop liquid. In the separator-water separator, as a result of the oncoming movement of the flue gases and feed water supplied to the separator-water separator, partially carried away droplet moisture and moisture condense from the flue gases are separated when the temperature of the flue gases drops below the temperature of the dew point of the moisture contained in the vaporized flue gas gases. The amount of feed water supplied to the separator-water separator is determined by the heat balance and is approximately 1% of the total feed water flow.

В результате: повышается КПД котла вследствие использования тепла конденсации водяных паров, содержащихся в дымовых газах; снижается материалоемкость котла и его стоимость вследствие снижения его габаритов при более интенсивной теплопередаче; снижаются требования к качеству питательной воды с точки зрения накипеобразования на поверхностях нагрева, т.к. поверхностью нагрева являются капельки воды и накипь образуется в виде шлама, удаляемого с продувкой; повышается экологичность за счет промывки каплями орошающей воды дымовых газов, поглощающими вредные газовые выбросы (СО, СО2, оксиды азота); повышается безопасность эксплуатации, т.к. корпус котла не находится под давлением. Получаемые вредные жидкие стоки существенно более легко, дешевле и локальней обезвреживаются по сравнению с газовыми выбросами с целью их локального захоронения или возврата в химическую промышленность.As a result: the boiler efficiency increases due to the use of condensation heat of water vapor contained in flue gases; the material consumption of the boiler and its cost are reduced due to a decrease in its dimensions with more intense heat transfer; requirements for feed water quality are reduced in terms of scale formation on heating surfaces, as the heating surface is water droplets and scale forms in the form of sludge that is removed by blowing; environmental friendliness increases due to washing with droplets of irrigation water flue gases absorbing harmful gas emissions (СО, СО 2 , nitrogen oxides); increased operating safety, as the boiler body is not under pressure. The resulting harmful liquid effluents are substantially more easily, cheaper and more localized in comparison with gas emissions for the purpose of their local disposal or return to the chemical industry.

На фиг. 2 показана принципиальная схема котла водогрейного контактного теплообмена. Схема включает в себя следующие элементы: 1 - камера сгорания, 2 - камера смешения, 3 - камера орошения, 4 - горелка, 5 - подвод топлива, 6 - подвод воздуха, 7 - факел пламени, 8 - питательная вода, 9 - распылительные форсунки камеры сгорания, 10 - капельная испаряемая вода, 11 - поток капель, 12 - завихритель, 13 - питательный насос, 14 - форсунки орошения, 15 - обратная сетевая вода, 16 - подвод питательной воды к форсункам, 17 - сепаратор-водоотделитель, 18 - водосборник, 19 - сетевой насос, 20 - горячая сетевая вода, 21 - продувка шлама, 22 - отходящие дымовые газы.In FIG. 2 shows a schematic diagram of a boiler for contact heating. The scheme includes the following elements: 1 - combustion chamber, 2 - mixing chamber, 3 - irrigation chamber, 4 - burner, 5 - fuel supply, 6 - air supply, 7 - flame, 8 - feed water, 9 - spray nozzles combustion chambers, 10 - drip evaporated water, 11 - flow of droplets, 12 - swirl, 13 - feed pump, 14 - irrigation nozzles, 15 - return network water, 16 - supply of feed water to the nozzles, 17 - water separator, 18 - sump, 19 - mains pump, 20 - hot mains water, 21 - sludge purge, 22 - exhaust flue gases.

Способ осуществляется следующим образом.The method is as follows.

Топливо 5 (жидкое или газообразное) подается в горелку 4, в которой смешивается с подаваемым воздухом 6 (избыток воздуха определяется характеристиками горелки в зависимости от вида сжигаемого топлива) и сжигается факельным способом. Вокруг факела пламени 7 капельно и тангенциально впрыскивается питательная вода 8 через распылительные форсунки камеры сгорания 9 потоком капельной испаряемой воды 10 камеры сгорания 1 с помощью нагнетания питательным насосом 13 обратной сетевой воды 15 по подводу питательной воды к форсункам 16 для:Fuel 5 (liquid or gaseous) is supplied to the burner 4, in which it is mixed with the supplied air 6 (excess air is determined by the characteristics of the burner depending on the type of fuel burned) and is flared. Around the flame plume 7, feed water 8 is dripped and tangentially injected through the spray nozzles of the combustion chamber 9 by the drip of evaporated water 10 of the combustion chamber 1 by means of the feed pump 13 forcing the return network water 15 to supply the feed water to the nozzles 16 for:

- капельно-испарительного охлаждения стенки камеры сгорания 1 и горелки 4;- drip-evaporative cooling of the wall of the combustion chamber 1 and burner 4;

- поглощения радиационной составляющей теплового поля факела - радиационный экран;- absorption of the radiation component of the thermal field of the plume - radiation screen;

- образования пара (средний размер капель по полноте испарения d1≤0,2 мм) - формирование энергоемкого фазового состояния воды, родственного последующей орошающей воде.- steam formation (average droplet size over the fullness of evaporation d 1 ≤0.2 mm) - the formation of an energy-intensive phase state of water related to subsequent irrigation water.

Образующаяся расширяющаяся парогазовая смесь перемешивается с помощью завихрителя 12, расположенного в камере сгорания, по пути через камеру смешения 2 камеры сгорания в камеру орошения 3 камеры сгорания. В камеру орошения 3 камеры сгорания подается питательная вода 16 через форсунки орошения 14 нагревательного контура с помощью отвода от питательного насоса 13. Ввод распыленной питательной воды осуществляется тангенциально с омыванием стенок камеры орошения 3 для предотвращения ее перегрева. Процесс тепломассообмена протекает интенсивно, т.к. парогазовая смесь контактирует с родственной и более холодной капельной жидкостью, находящейся в мелкодисперсном состоянии, размеры капель по минимизации испарения d2≥0,4 мм. Нагретая вода стекает в водосборник 18, который является гидрозатвором и шламоотделителем, из которого сетевым насосом 19 подается потребителю в виде сетевой горячей воды 20. Скопившийся в нижней части водосборника 18 шлам удаляется с продувкой 21. Отходящие дымовые газы 22 очищаются от капелек влаги и влаги, конденсируемой из дымовых газов при снижении температуры дымовых газов ниже температуры точки росы влаги, содержащейся в испаренном виде в дымовых газах в сепараторе-водоотделителе 17, расположенном на выходе из камеры сгорания, и удаляются в атмосферу. Вредные газовые выбросы (СО, СО2, оксиды азота) поглощаются водой.The resulting expanding vapor-gas mixture is mixed by means of a swirler 12 located in the combustion chamber along the way through the mixing chamber 2 of the combustion chamber into the irrigation chamber 3 of the combustion chamber. Feed water 16 is supplied to the irrigation chamber 3 of the combustion chamber through the irrigation nozzles 14 of the heating circuit using a branch from the feed pump 13. The sprayed feed water is introduced tangentially by washing the walls of the irrigation chamber 3 to prevent it from overheating. The process of heat and mass transfer proceeds intensively, because the gas-vapor mixture is in contact with a related and colder droplet liquid in a finely dispersed state, droplet sizes to minimize evaporation d 2 ≥0.4 mm. Heated water flows into the water collector 18, which is a water trap and a sludge separator, from which the network pump 19 is supplied to the consumer in the form of network hot water 20. The sludge accumulated in the lower part of the water collector 18 is removed with a purge 21. The exhaust flue gases 22 are cleaned of moisture and moisture droplets, condensed from the flue gas when the temperature of the flue gas drops below the temperature of the dew point of the moisture contained in the vaporized flue gas in the separator-water separator 17 located at the outlet of the combustion chamber, and removed I was in the atmosphere. Harmful gas emissions (СО, СО 2 , nitrogen oxides) are absorbed by water.

Пример осуществления способаAn example of the method

Котел водогрейный контактного теплообмена предназначен для получения горячей воды с температурой не более 95°С для нужд теплоснабжения. Температура обратной сети нижним пределом не лимитируется (в обычных котлах температура обратной сетевой воды ограничивается температурой 70°С, что связано с предотвращением образования конденсата на хвостовых поверхностях нагрева). В предлагаемом способе температура обратной сетевой воды может быть ниже 70°С в зависимости от потребителя.The contact heating water-heating boiler is designed to produce hot water with a temperature of not more than 95 ° C for heat supply needs. The temperature of the return network is not limited by the lower limit (in ordinary boilers, the temperature of the return network water is limited to a temperature of 70 ° C, which is associated with the prevention of condensation on the tail surfaces of the heating). In the proposed method, the temperature of the return network water can be lower than 70 ° C, depending on the consumer.

Через тангенциальные форсунки испарительного контура с помощью питательного насоса распыляется питательная вода в охват факела пламени со средним размером капель d1≤0,2 мм по условию полноты испаряемости в количестве ~4,7% от общей массы воды. Температура дымовых газов при этом снижается и стенки камеры сгорания горелки и корпуса котла не перегреваются.Feedwater is sprayed through the tangential nozzles of the evaporation circuit using a feed pump into the flame plume with an average droplet size d 1 ≤0.2 mm under the condition of complete evaporation in an amount of ~ 4.7% of the total water mass. The temperature of the flue gases decreases and the walls of the combustion chamber of the burner and the boiler body do not overheat.

В камеру орошения камеры сгорания подается основная масса питательной воды (~94,3%) потоком через форсунки с тангенциальным распылением на капли размером d2≥0,4 мм (по условию неиспаряемости) с помощью питательного насоса. Теплоноситель нагревается парогазовой смесью до температуры 95°С в оросительной камере. При непосредственном соприкосновении капель жидкости и потока газов коэффициент теплопередачи достигает 20…50 кВт/(м2*К), а поверхность теплообмена зависит от необходимой степени распыления (параметров факела), определяемой конструкцией форсунки.The bulk of feed water (~ 94.3%) is fed into the irrigation chamber of the combustion chamber by flow through nozzles with tangential spraying onto droplets of size d 2 ≥0.4 mm (under the condition of non-evaporation) using a feed pump. The heat carrier is heated by a gas-vapor mixture to a temperature of 95 ° C in an irrigation chamber. With direct contact of liquid droplets and gas flow, the heat transfer coefficient reaches 20 ... 50 kW / (m 2 * K), and the heat transfer surface depends on the required degree of atomization (torch parameters) determined by the nozzle design.

Расчет и выбор форсунок и определение геометрических размеров аппарата (высоты факела) производится на основе опытных данных [Галустов В.С. Прямоточные распылительные аппараты в теплоэнергетике. - М.: Энергоатомиздат, 1989. - 240 с.)].The calculation and selection of nozzles and the determination of the geometric dimensions of the apparatus (torch height) are based on experimental data [V. Galustov. Direct-flow spraying apparatus in the power system. - M .: Energoatomizdat, 1989. - 240 p.)].

Дымовые газы удаляются через дымовую трубу, проходя предварительно через сепаратор-водоотделитель, расположенный на выходе из камеры сгорания. В сепараторе-водоотделителе в результате встречного движения дымовых газов и питательной воды, подаваемой с расходом ~1% от общего расхода питательной воды, в частности, на дырчатый (перфорированный) лист, происходит отделение уносимой капельной влаги и влаги, конденсируемой из дымовых газов при снижении температуры дымовых газов ниже температуры точки росы влаги, содержащейся в испаренном виде в дымовых газах. Высота дымовой трубы может быть снижена вследствие повышения экологичности газовых выбросов.Flue gases are removed through the chimney, passing first through a separator-water separator located at the outlet of the combustion chamber. In the separator-water separator as a result of the oncoming movement of flue gases and feed water supplied with a flow rate of ~ 1% of the total feed water flow rate, in particular, on a perforated (perforated) sheet, entrained droplet moisture and moisture condensed from the flue gases are separated with a decrease flue gas temperatures are below the dew point temperature of the moisture contained in the vaporized flue gas. The height of the chimney can be reduced due to increased environmental friendliness of gas emissions.

Питательная вода подается к форсункам центробежным питательным насосом под нормируемым форсунками давлением 0,15-0,3 МПа и более. Распределение потоков воды осуществляется путем подбора суммарного сечения форсунок в соответствии с заданным соотношением расходов потоков.Feed water is supplied to the nozzles by a centrifugal feed pump under normalized nozzles with a pressure of 0.15-0.3 MPa or more. The distribution of water flows is carried out by selecting the total nozzle cross-section in accordance with a given ratio of flow rates.

Уходящие газы имеют температуру ниже 70°С, что ниже температуры уходящих газов для обычных котлов (рекомендуется 110-140°С в зависимости от характеристик топлива и мощности котла). В связи с этим снижаются потери тепла с уходящими газами и, соответственно, повышается КПД (снижение температуры уходящих газов на 12-15°С повышает КПД примерно на 1%). Также возможно повышение КПД котла за счет утилизации тепла конденсации водяных паров дымовых газов с использованием высшей теплотворной способности топлива, что дополнительно может повысить КПД котла на 5-6%.The flue gases have a temperature below 70 ° C, which is lower than the temperature of the flue gases for conventional boilers (110-140 ° C is recommended depending on the characteristics of the fuel and the capacity of the boiler). In this regard, heat losses with flue gases are reduced and, accordingly, efficiency is increased (lowering the temperature of the flue gases by 12-15 ° C increases the efficiency by about 1%). It is also possible to increase the efficiency of the boiler by utilizing the heat of condensation of the water vapor of the flue gases using the higher calorific value of the fuel, which can additionally increase the efficiency of the boiler by 5-6%.

Скопившийся в нижней части сборника шлам удаляется с продувкой и удаляется часть воды, накопляющейся в результате конденсации водяных паров из дымовых газов.The sludge accumulated in the lower part of the collector is purged and part of the water that accumulates as a result of condensation of water vapor from the flue gas is removed.

Claims (5)

1. Способ контактного теплообмена, включающий теплообмен между газообразными продуктами сгорания топлива и поверхностью жидкости, отличающийся тем, что теплообмен организуют путем контакта теплового поля факела с водой в капельном состоянии посредством первичного аккумулирования всей энергии факела в испарении капель части воды в объеме ~4,7% от суммарной массы нагреваемой воды и последующего интенсивного энергообмена образовавшейся парогазовой смеси адгезионно-конденсационным теплообменом с каплями основной массы воды в объеме ~94,3%.1. The method of contact heat transfer, including heat exchange between the gaseous products of fuel combustion and the surface of the liquid, characterized in that the heat exchange is organized by contacting the heat field of the torch with water in a droplet state through the primary accumulation of all the energy of the torch in the evaporation of droplets of water in a volume of ~ 4.7 % of the total mass of heated water and the subsequent intense energy exchange of the resulting vapor-gas mixture by adhesive-condensation heat transfer with drops of the bulk of the water in a volume of ~ 94.3%. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что устанавливают размер капель воды на испарение d1≤0,2 мм по условию максимального испарения, а на орошение - d2≥0,4 мм по условию минимального испарения.2. The method according to p. 1, characterized in that the size of the water droplets is set for evaporation d 1 ≤0.2 mm for maximum evaporation, and for irrigation - d 2 ≥0.4 mm for minimum evaporation. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что основную часть капельной воды, ~94,3%, вводят вдоль стенок камеры орошения с тангенциальным омыванием стенок.3. The method according to p. 1, characterized in that the bulk of the drop water, ~ 94.3%, is introduced along the walls of the irrigation chamber with tangential washing of the walls. 4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что уходящие дымовые газы промываются питательной водой в объеме ~1% от общего расхода питательной воды.4. The method according to p. 1, characterized in that the exhaust flue gas is washed with feed water in a volume of ~ 1% of the total feed water flow. 5. Котел водогрейный для осуществления способа по п. 1, включающий горелочное устройство, устройство подачи питательной воды, камеру сгорания, отличающийся тем, что камера сгорания содержит камеру смешения, завихритель, камеру орошения, сепаратор-водоотделитель.5. A hot water boiler for implementing the method according to claim 1, comprising a burner device, a feed water supply device, a combustion chamber, characterized in that the combustion chamber comprises a mixing chamber, a swirler, an irrigation chamber, a separator-water separator.
RU2016100780A 2016-01-12 2016-01-12 Method of contact heat exchange and device for its implementation RU2619429C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016100780A RU2619429C1 (en) 2016-01-12 2016-01-12 Method of contact heat exchange and device for its implementation

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016100780A RU2619429C1 (en) 2016-01-12 2016-01-12 Method of contact heat exchange and device for its implementation

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2619429C1 true RU2619429C1 (en) 2017-05-15

Family

ID=58716053

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2016100780A RU2619429C1 (en) 2016-01-12 2016-01-12 Method of contact heat exchange and device for its implementation

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2619429C1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2662757C1 (en) * 2017-07-25 2018-07-30 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Северо-Кавказский федеральный университет" Heat-generating installation
RU2771721C1 (en) * 2021-08-27 2022-05-11 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Северо-Кавказский федеральный университет" Heat generating unit

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU142749A1 (en) * 1961-04-17 1961-11-30 М.С. Живов Water heater
RU2236650C1 (en) * 2003-02-14 2004-09-20 Наумейко Валентина Михайловна Contact water heater
CN2751257Y (en) * 2004-08-25 2006-01-11 广州迪森热能设备有限公司 Water-fire compatible hot water boiler
RU2537108C1 (en) * 2014-01-20 2014-12-27 Олег Савельевич Кочетов Kochetov's contact heat-exchanger with active nozzle

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU142749A1 (en) * 1961-04-17 1961-11-30 М.С. Живов Water heater
RU2236650C1 (en) * 2003-02-14 2004-09-20 Наумейко Валентина Михайловна Contact water heater
CN2751257Y (en) * 2004-08-25 2006-01-11 广州迪森热能设备有限公司 Water-fire compatible hot water boiler
RU2537108C1 (en) * 2014-01-20 2014-12-27 Олег Савельевич Кочетов Kochetov's contact heat-exchanger with active nozzle

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2662757C1 (en) * 2017-07-25 2018-07-30 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Северо-Кавказский федеральный университет" Heat-generating installation
RU2771721C1 (en) * 2021-08-27 2022-05-11 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Северо-Кавказский федеральный университет" Heat generating unit

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO1996023167A1 (en) High efficiency commercial water heater
US20100206248A1 (en) System for generating brown gas and uses thereof
WO2019165385A1 (en) Inward-firing premix fuel combustion burner
RU2619429C1 (en) Method of contact heat exchange and device for its implementation
US4633821A (en) Liquid heating apparatus
RU2295095C1 (en) Method of heating fluid media and device for realization of this method
RU2506495C1 (en) Device for combustion of fuels and heating of process media, and fuel combustion method
RU2301942C2 (en) Method of the fluid fuel combustion and the device for the fluid fuel combustion
RU2662757C1 (en) Heat-generating installation
US1924209A (en) Boiler
RU2771721C1 (en) Heat generating unit
KR101693973B1 (en) Thermal oil heating boiler
RU2159893C2 (en) Horizontal flue boiler
RU2786853C1 (en) Oil heater using associated petroleum gas with a high content of hydrogen sulfide
RU2561760C1 (en) Method to heat process media
RU2761709C1 (en) Vertical installation for thermal neutralization of gas and water
RU2799260C1 (en) Vertical liquid oil boiler
RU2117878C1 (en) Liquid heater
RU2795637C1 (en) Heat generator
US3713433A (en) Anti pollution heating system
RU146882U1 (en) TORCH CLOSED INSTALLATION WITH HEAT DISPOSAL
RU2662260C1 (en) Method of contact liquid heating
Roslyakov et al. Study of the possibility of thermal utilization of contaminated water in low-power boilers
CA2136781C (en) Direct contact water heater with indirect contact section
RU34001U1 (en) HEATING INSTALLATION