Топка котла

Топка котла, що містить екрановану вертикальну призматичну камеру згоряння з вихідним вікном на задній стінці та пальники, установлені на стінці на одному рівні, яка відрізняється тим, що топка додатково містить електродинамічний збуджувач, встановлений у вікні на бічній стінці камери, та акустичний пояс, виконаний у вигляді криволінійних екранних поверхонь, а пальники встановлені на фронтальній стінці камери перпендикулярно до неї. (19) (21) u200704475 (22) 09.01.2007 (24) 10.08.2007 (62) u200700185, 09.01.2007 (46) 10.08.2007, Бюл. № 12, 2007 р. (72) Гічов Юрій Олександрович, Адаменко Денис Сергійович (73) НАЦІОН АЛЬНА МЕТАЛУРГІЙНА АКАДЕМІЯ УКРАЇНИ 3 25608 динамічний збудник, установлений у вікні на бічній стінці камери, і акустичний пояс, виконаний у вигляді криволінійних екранних поверхонь, а пальники встановлені на фронтальній стінці камери перпендикулярно до неї. За наявними в авторів відомостями сукупність ознак, що заявляється не відома з рівня техніки. Отже, корисна модель, що заявляється, відповідає критерію "новизна". Загальними ознаками пропонованої топки котла й прототипу є наявність екранованої вертикальної призматичної камери згоряння з вихідним вікном на задній стінці й пальників, установлених на стінці на одному рівні. Відмінними ознаками пропонованої топки котла є те, що, на відміну від прототипу, вона додатково містить електродинамічний збудник встановлений у вікні на бічній стінці камери згоряння й акустичний пояс, виконаний у вигляді криволінійних екранних поверхонь, а пальники встановлені на фронтальній стінці камери перпендикулярно до неї. Необхідність відмінних ознак обумовлена наступними причинами. Електродинамічний збудник, установлений у вікні на бічній стінці камери згоряння, забезпечує спрямований на факел вплив коливань, що збуджуються, що виключає розсіювання коливань і сприяє максимальному використанню їхнього позитивного ефекту на процес горіння. Крім того, пропоноване розташування електродинамічного збудника забезпечує концентрацію відбитих від стінок камери згоряння коливань на рівні розташування пальників, що підвищує е фект впливу відбитих коливань на процес горіння. Внаслідок спільної дії коливань, що збуджуються, і відбитих коливань досягається акустичний резонанс, що забезпечує максимальний позитивний вплив коливань, що збуджуються, на процес горіння. Акустичний пояс, виконаний у вигляді криволінійних екранних поверхонь, забезпечує селекцію відбитих акустичних коливань зі спектром частот і амплітуд більше коливань, що збуджуються у камері згоряння і спрямування відбитих коливань на факел. Установка пальників на фронтальній стінці перпендикулярно до неї забезпечує конфігурацію факела, необхідну для ефективного впливу на нього коливань, що збуджуються, та відбитих акустичних коливань. Сутність корисної моделі, що заявляється, не випливає явно з відомого авторам рівня "техніка". Топка котла, що пропонується, та її робота розглянуті на прикладі топки парового котла ДКВР10-13. Корисна модель пояснюється графічно, де: на Фіг.1 показаний вертикальний розріз топки котла, система збудження акустичних коливань і апаратурне забезпечення, необхідне для визначення амплітудно-частотних характеристик топки; на Фіг.2 і 3 - горизонтальний перетин камери згоряння на рівні розташування пальників з варіантами конструкції криволінійних екранних поверхонь акустичного пояса; на Фіг.4 - амплітудно-частотна 4 характеристика камери згоряння; на Фіг.5 - розрахункова схема відбиття акустичних коливань від криволінійних екранних поверхонь акустичного пояса; на Фіг.6 і 7 - порівняння характеристик роботи котла без збудження та при збуджені акустичних коливань у камері згоряння, де Q - відносна теплова продуктивність котла, частки од.; hk і h'k - к.к.д. котла без збудження та при збуджені акустичних коливань у камері згоряння, %; bk і b'k питома витрата умовного палива без збудження та при збуджені акустичних коливань у камері згоряння, кг у.п./ГДж. Топка котла (див. Фіг.1-3) містить: екрановану вертикальну призматичну камеру згоряння 1 з вихідним вікном 2 на задній стінці 3; пальники 4, установлені на фронтальній стінці 5 перпендикулярно до неї й на одному рівні між собою; електродинамічний збудник 6, установлений у вікні 7 на бічній стінці 8; акустичний пояс, виконаний у вигляді криволінійних екранних поверхонь 9 на задній стіні 3 та бічних стінках 8 і 10 по внутрішньому периметрі камери згоряння 1. Система збудження акустичних коливань і апаратурне забезпечення, необхідне для визначення амплітудно-частотної характеристики топки містить генератор акустичних коливань 11, підключений до електродинамічного збудника 6, акустичний зонд 12, вмонтований в отвір 13 на фронтальній стінці 5, і послідовно приєднані до акустичного зонда 12, підсилювач 14, магнітограф 15, аналізатор спектра 16 і графобудівник 17. Топка котла працює в такий спосіб. На першому (підготовчому) етапі визначають спектр власних частот камери згоряння 1 і амплітудно-частотну характеристику факела. Газоподібне паливо й відповідну витрату повітря подають через пальники 4 у камеру згоряння 1, де паливо запалюється з утворенням факела. За допомогою електродинамічного збудника 6, установленого у вікні 7 на бічній стінці 8 камери 1, збуджують акустичні коливання, частоту яких послідовно змінюють по зростаючій. Синхронно збудженню акустичних коливань за допомогою акустичного зонда 12 вимірюють звуковий тиск у камері згоряння 1. Акустичний зонд 12 передає звуковий сигнал з камери згоряння 1 на підсилювач 14, де сигнал підсилюється. Потім посилений сигнал записується магнітографом 15 і обробляється на аналізаторі спектра 16. За результатами обробки сигналів графобудівником 17 будується амплітудночастотна характеристика камери згоряння 1 (див. Фіг.4, де uк. с - частота акустичних п ульсацій у камері згоряння, Гц; L - рівень звукового тиску в камері згоряння, Дб). Максимуми рівнів звукового тиску на амплітудно-частотній характеристиці дають спектр власних частот камери згоряння 1. З наведеної на Фіг.4 амплітудно-частотній характеристики максимуми звукового тиску в камері згоряння зафіксовані на частоті 10Гц (рівень звукового тиску 110Дб), на частоті 145Гц (рівень звукового тиску 108Дб), у діапазоні частот 240÷260Гц 5 25608 (рівень звукового тиску 87Дб) і в діапазоні частот 360÷400Гц (рівень звукового тиску 85Дб). Амплітудно-частотна характеристика факела визначається експериментально по амплітуді коливань тепловиділень у факелі (апаратурне забезпечення для визначення амплітудно-частотної характеристики факела на фігура х не показане) або обчислюється. Амплітудно-частотна характеристика факела обчислюється шляхом використання відомого з теорії горіння поняття про утворення турбулентних вихрів у факелі в результаті витіканні газоповітряної суміші з пальника й наступного згоряння цих вихрів. Згоряння вихрів супроводжується звуковим ефектом зі спектром частот і амплітуд, що залежить від розмірів вихрів. Частота звукового ефекту обчислюється по формулі: uф = uф / dв , Гц (1) де uф - швидкість просування фронту горіння в газоповітряній суміші, яка при спалюванні природного газу дорівнює uф =4м/с; dв - еквівалентний діаметр вихрів, м. Розміри вихрів, що утворюються, залежать від конструктивних характеристик пальника, зокрема від діаметра отворів (do), через які витікає газ у потік повітря. За експериментальним даними розміри вихрів, що утворюються, становлять (0,1÷0,2)·do, а потім, при русі вихрів в об’ємі факела, розміри вихрів збільшуються внаслідок їхньої асоціації до 2·do. В пальниках ГМГ 5,5/7, установлених у топці котла ДКВР-10-13, отвори для витікання газу виконані діаметром do=0,01м, відповідно розміри вихрів у факелі від пальників ГМГ 5,5/7 з урахуванням асоціації вихрів складуть у межах (0,1÷2,0)·do=(0,1÷2,0)·0,01=(0,001÷0,02)м, а частота звукових коливань при згорянні вихрів по формулі (1) складе в діапазоні: æ 4 4 ö uф = ç ¸ ÷Гц = (200 ¸ 4000)Гц, ç ÷ 0,02 0,01 ø è що відповідає діапазону частот амплітудночастотної характеристики факела, на якому проявляється звуковий ефект від згоряння вихрів різних розмірів. При заданій конфігурації криволінійних екранних поверхонь акустичного пояса, наприклад, по варіанті, представленому на Фіг.2, частота й амплітуда відбити х акустичних коливань обчислюється в послідовності, що відповідає методиці, наведеної в книзі Яворский Б.М., Детла ф А.А. Справочник по физике для инженеров и студентов ВУЗов. - М.: Наука, 1968. - С.543-548, 909. Звуковий тиск DР , що створює акустична хвиля на криволінійні екранні поверхні акустичного пояса визначається по формулі: (2) D P=Pmax-P min, H/м 2, де Рmах й Pmin - максимальне й мінімальне значення звукових тисків у камері згоряння, які визна 6 чаються по максимальному (Lmax=108Дб) і мінімальному (Lmin=83Дб) рівнях звукового тиску відповідно до амплітудно-частотної характеристики камери згоряння (див. Фіг.4): Lmax=20·lg(Pmax/Р о), L min=20·lg(Pmin/P o) (3, 4) де Ро - звуковий тиск при нульовому рівні гучності, Ро=2·10-5Н/м 2. Максимальний рівень звукового тиску Lmax відповідає частоті, на якій передбачається збудження акустичних коливань при експлуатації топки котла. Мінімальний рівень звукового тиску Lmin відповідає рівню звукового тиску, на якому практично не проявляються сплески звукових тисків при збуджені звукових коливань у камері згоряння. Рішення рівнянь (3) і (4) дає значення Рmax й Рmin: Рmах=10 Lmax / 20 ·Р0=10108/20·2·10-5=5,02Н/м 2, (5) (6) Рmin=10 L min / 20 ·Р0=1083/20 ·2·10-5=0,28Н/м 2, відповідно D Р=5,02-0,28=4,74Н/м 2. Сила звуку акустичних коливань, що збуджуються, визначається по формулі: DP × 2 × c1 I= , Вт/м 2 (7) [(1+ kF ) × ctg i - (1- k F ) × ctgr ]× sin2i де с1 - швидкість поширення звуку при середній температурі в камері згоряння (за результатами вимірів - 1256°С), с1=754м/с; і - кут падіння звукової хвилі на криволінійну поверхню акустичного пояса (кут між напрямком поширення падаючої хвилі SO і перпендикуляром ОМ до поверхні акустичного пояса), град. (см. Фіг.5); r - кут переломлення звукової хвилі на розділі двох середовищ (кут між напрямком поширення переломленої хвилі OS і перпендикуляром ON), град. (см. Фіг.5); kF - коефіцієнт, що враховує ступінь відбиття акустичних коливань, визначається по формулі: æ 2 2 2 ö ç r 2 × c 2 × cos i - r1 × c1 - c2 × sin i ÷ kF = ç (8) ÷, ç r × c × cos i + r × c 2 + c 2 × sin2 i ÷ 2 2 1 1 2 è ø тут с 2 - швидкість поширення звуку в матеріалі, з якого виконані криволінійні екранні поверхні акустичного пояса (для сталі с2=5300м/с); r1 і r 2 відповідно, щільності середовищ, тобто продуктів згоряння і сталі, у яких поширюється звукова хвиля (щільність продуктів згоряння r1 =1,26кг/м 3 і сталі - r 2 =7800кг/м 3). У формулі (8) кут падіння і при фронтальному натіканні звукової хвилі на акустичний пояс дорівнює куту a =60° ( a - кут між плоскими елементами криволінійної поверхні акустичного пояса, див. Фіг.5). Ступінь відбиття акустичних коливань по формулі (8) складе: æ o 2 2 2 o ç 7800 × 5300 × cos 60 - 1,26 × 754 - 5300 × sin 60 kF = ç ç 7800 × 5300 × cos 60o + 1,26 × 7542 + 53002 × sin 2 60o è ö ÷ ÷ = 0,9998 » 1 . ÷ ø 7 25608 Сила звуку акустичних коливань, що збуджуються, по формулі (7) з урахуванням значення kF=1 складе: 4,74 × 2 × 754 2 I= = = 3574 Вт/м . 2 (1 + 1) × ctg 60 o × sin 2(60 o ) [ 4,74 × 2 × 754 ] Відповідно до прийнятої конфігурації криволінійних екранних поверхонь акустичного пояса й схемою відбиття акустичних коливань (див. Фіг.2 і 5) амплітуда відбитих акустични х коливань складе: (9) А=b0/ p , м, де b0 - довжина відбитого променя, при відбитті акустичних коливань від криволінійних екранних поверхонь акустичного пояса, м. Довжина відбитого променя b0 обчислюється на основі прийнятих уявлень про поздовжні акустичні хвилі з наступних міркувань. Відбитий промінь OS’ поширюється до осі симетрії АА’ елемента криволінійної поверхні акустичного пояса. Елемент акустичного пояса утворюють суміжні плоскі поверхні EА та AF, сполучені під кутом а. Поширення відбитого від площини ЕА променя OS’ обмежується на осі симетрії зустрічним відбитим променем O*S* з опозитної площини елемента акустичного пояса AF (див. Фіг.5). Довжина відбитого променя b0 для варіанта криволінійної поверхні акустичного пояса, наведеного на Фіг.2, визначається по формулі: 2× h Btga (10) b0 = tga де В - довжина плоскої поверхні елемента акустичного пояса, В=0,08м (див. Фіг.5); h - глибина проникнення звукової хвилі в елемент криволінійної поверхні акустичного пояса (див. Фіг.5), м. При глибині проникнення звукової хвилі в елемент акустичного пояса h=(0,1÷0,9).Н (де Н - висота елемента, м), що забезпечує стабільне відбиття акустичних хвиль, діапазон зміни довжини відбитого променя (b0) по формулі (10) складе: при h=0,1H, 2 × (0,1× H) 0,08 - 2 × ( 0,1× 0,07) Btg a tg60o b0 = = = 0,042 м, tga tg60o при h=0,9H, 2 × (0,9 × H) 0,08 - 2 × (0,9 × 0,07) Btg a tg60o b0 = = = 0,0042 м, tga tg60o тобто b0=0,0042÷0,042м. Амплітуда відбити х акустичних коливань (А) по формулі (9) при відповідних b0 складе: А=0,042/3,14=0,0134м; А=0,0042/3,14=0,00134м. Частота відбитих акустичних коливань визначається з формули: 2 ×I u2 × A 2 = , (11) r × c1 × kF 8 перетвореної відносно u u= 1 2 ×I × , Гц A r × c1 × kF (12) Відповідно до обчислених значень амплітуд (А) відбитих акустичних коливань їхня частота по формулі (12) складе: u= 1 2 × 3574 × » 205 Гц; 0,0134 1,26 × 754 × 1 1 2 × 3574 × » 205 Гц. 0,0134 1,26 × 754 × 1 Таким чином, у результаті відбиття акустичних коливань, що збуджуються, у камері згоряння від акустичного пояса забезпечується спектр частот відбитих коливань 205÷2050Гц, більше частот коливань, що збуджуються у камері згоряння, 145Гц. Причому діапазон частот відбитих коливань збігається з діапазоном частот амплітудно-частотної характеристики факела 200÷4000Гц. Відповідно до даних, що отримані на першому (підготовчому) етапі, на другому етапі (експлуатаційному) за допомогою електродинамічного збудника 6 установленого у вікні 7 на бічній стінці 8 камери згоряння 1 збуджують акустичні коливання із частотою 145Гц, що прийнята як робоча й відповідає одному з максимумів звукового тиску на амплітудно-частотній характеристиці камери згоряння 1 (див. Фіг.4). Акустичні коливання, що збуджуються, спрямовуються на факел. Відбиті від акустичного пояса 9 камери згоряння 1 акустичні коливання із частотою 205÷2050Гц, що відповідає амплітудно-частотній характеристиці факела, також спрямовуються на факел. У результаті підвищується якість спалювання палива за рахунок зменшення недопалу палива, що приводить до збільшення к.к.д. парового котла ηк й зниженню питомої витрати палива bк . Порівняння характеристик парового котла ДКВР-10-13 при роботі його без збудження та зі збудженням акустичних коливань, представлено на Фіг.6 і 7. Порівняння виконане за дослідними даними для різних значень теплопродуктивності котла (відносно до номінального значення u= QНОМ=35,67ГДж/год), Q =0,5÷1,0 частки од. ( Q =QР/QHOМ, де QР - робоча теплопродуктивність, ГДж/год). З результатів порівняння випливає, що к.к.д. котла в середньому зростає на 1,2%, а питома витрата умовного палива знижується на 0,52кг у.п./ГДж. Корисна модель, що заявляється, може бути багаторазово відтворена в промислових умовах при спалюванні газоподібного палива в камерних топках паливовикористовуючих енергетичних і технологічних агрегатів. Отже, вони відповідають критерію "промислова застосовність". 9 25608 10 11 Комп’ютерна в ерстка А. Рябко 25608 Підписне 12 Тираж 26 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601