Автор: В. Д. РЫЖИКОВА
Донбасская национальная академия строительства и архитектуры
 

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК БЫТОВЫХ ВОДОНАГРЕВАТЕЛЕЙ

Рассматривается задача оптимизации температуры воздуха, поступающего в проточные газовые водонагреватели, обеспечивающая предотвращение отложения сажи на радиаторе и не приводящая к повышенным потерям теплоты в окружающую среду.

Формулировка проблемы. В нашей стране основное количество нагретой воды, используемой длябытовых целей, получается за счет использования водонагревателей. Используемые водонагреватели разделяются на два принципиально отличающиеся типа — проточные и емкостные. Емкостныеводонагреватели отличаются громоздкостью, инерционностью и постепенно заменяются проточными.
Анализ последних исследований. Проточные водонагреватели начали широко использоваться вбывшем СССР со средины прошлого века. В Украине проточные водонагреватели выпускаются на Львовском и Мариупольском заводах. На рис. 1 показан бытовой водонагреватель, который с  некоторыми изменениями широко используется в России и Украине.

Рисунок 1. Проточный газовый водонагреватель: 1 — газопровод; 2 — кран газовый; 3 — горелка запальная; 4 — горелка основная; 5 — патрубок холодной воды; 6 — блок водогазовый с форсункой; 7 — теплообменник; 8 — электромагнитный клапан; 9 — датчик тяги; 10 — термопара; 11 — патрубок горячей воды; 12 — устройство газоотводящее; 13, 14 — винт регулировочный.

Особенностью водонагревателей, разработанных в России и Украине, является их достаточно высокая металлоемкость, низкая оснащенность автоматикой горения, невысокий КПД и низкие экологические показатели.

Несмотря на низкую массу выбросов токсичных компонентов (в среднем 1,2 кг/год оксида углерода и 3,9 кг/год оксидов азота), большое количество нагревателей создает значительный неблагоприятный фон загрязнителей в атмосфере.

Изложение основного материала исследований. Сжигание газа в водонагревателях осуществляетсяс использованием инжекционных щелевых грелок низкого давления, работающих с избытком воздуха α < 1,0. "Дожигание" — доокисление продуктов горения газа осуществляется за счет вторичного воздуха, который поступает снизу через щели между распределительными патрубками горелки и между горелкой и стенками топочной камеры.
Полнота сжигания газа зависит от интенсивности процесса горения и степени разбавления высокотемпературных продуктов горения, подсасываемых холодным воздухом.

Скорость выгорания газовоздушной смеси, поступающей после инжекционной горелки, зависти от соотношения в смеси окислитель газ, характеризуемого избытком воздуха α, времени необходимого для подогрева смеси до температуры воспламенения t под и времени реакции газа и кислорода, воздуха τр.
 

При горении газовоздушной смеси образуются две зоны пламени: внутренний конус непосредственно над горелочными отверстиями и наружный, расположенный поверх внутреннего. Горение во внутренней и внешней зонах пламени происходит по разным механизмам.
 

Коэффициент избытка воздуха в инжекционных горелках может колебаться от 40 до 100 % от необходимого стехиометрического количества.

Качественное сжигание газа в водонагревателе влияет на расход газа, выброс продукта недожога окиси углерода и на возможность отложения сажи на радиаторе. Сажа обладает весьма низкой теплопроводностью. Ее отложение вызывает перерасход газа для достижения требуемой температуры подогрева воды. На рис. 2 показано уменьшение интенсивности отвода тепла от продуктов горения природного газа в зависимости от толщины отложений сажи.

Рисунок 2. Зависимость тепловосприятия от толщины отложений сажи.

   Горение газа во внутренней зоне пламени подчиняется законам кинетики гомофазных реакций [4] и протекают с высокой интенсивностью. Горение газа во внешнем конусе подчиняется законам молекулярной диффузии газа и воздуха в зону горения. Учитывая это, скорость выгорания газа во внешнем конусе пламени зависит от скорости образования смеси. Сгорание газа в этой зоне в водонагревателях происходит в весьма неблагоприятных условиях, что вызвано поступлением холодного вторичного воздуха, охлаждающего внешнюю зону горения и замедляющего процесс окисления газа.

Полнота сжигания газа в водонагревателях влияет не только на эффективность использования тепла, но и на безопасность эксплуатации водонагревателя. Полнота сгорания необходима также для исключения попадания продуктов горения в помещение. Последнее может быть обусловлено за счет недостаточного разрежения в дымоходе и образования в топочной камере водонагревателя избыточного давления продуктов сгорания газа. В результате этого уменьшаются количество воздуха, подсасываемого в зону горения, и увеличивается концентрация недожога газа.

При недостатке кислорода, обусловленном неполнотой смешения из за ограниченности топочной камеры, и при недостаточной тяге во внешней зоне горения происходит термическое разложение (термолиз) метана на углерод и водород. Это может проявляться и во внутреннем конусе горения, что свидетельствует об общем недостатке воздуха. В обоих случаях в результате увеличения концентрации несгоревшего углерода (сажи) появляется свечение пламени.

Сажа откладывается на охлаждаемых поверхностях и вызывает как указанный выше пережог топлива, так и ухудшение тяги. Последнее явление при недостатке тяги постепенно усиливается, так как повышенное давление продуктов горения в водонагревателе, обусловленное причинами вне водонагревателя, добавляются и внутренние причины — увеличение аэродинамического сопротивления радиатора водонагревателя.

Горение атомарного углерода в зоне горения происходит по гетерогенному механизму. Этот процесс является значительно более медленным по сравнению с гомофазным. В результате этого пламя удлиняется и захолаживается. Происходит отложение несгоревшей сажи в радиаторе с появлением описанных выше нарушений процесса горения в водонагревателе.
 

Улучшение условий горения может быть достигнуто за счет предварительного подогрева вторичного воздуха. Такое решение используется в некоторых зарубежных водонагревателях, в которых используют регенеративный подогрев воздуха продуктами сгорания газа.

Согласно основному закону теплопроводности — закону Фурье, вектор плотности теплового потока, который определяет тепловую нагрузку водонагревателя, пропорционален градиенту температуры между факелом и тепловоспринимающими поверхностями.
                                          q = λ · grad T ,
где λ — коэффициент теплопроводности, характеризующий способность вещества проводить теплоту.

Исследование влияния температуры факела на тепловую нагрузку водонагревателя показали, что характер изменения нагрузки от температуры имеет вид вытянутого S (рис. 3). Это обусловлено следующими причинами. Кроме изменения объема газов и увеличения числа Nu как безразмерного потока тепла к воде [1, 2] для ламинарного потока
                                        Nu = 0,322 · Pr0,33 · Re0,5 .                                  (2)
На тепловой поток влияет изменение λ как для газов, так и для конструкционных материалов латуни и стали.
 В таблице ниже представлены данные изменения λ от температуры для N2, О2, СО2, латуни и стали 40
[3].

Коэффициенты теплопроводности газов и материалов при разных температурах, ? Вт/(м·К ).

Как видно из представленных данных, коэффициент теплопроводности газов и латуней существенно увеличивается с ростом температуры, что создает дополнительный вклад (помимо изменения градиента температуры) в изменение теплового потока и, соответственно, нагрузки водонагревателя.
Температура стенки водонагревателя имеет существенное значение с точки зрения выбора типа конструкционных материалов и условий эксплуатации. Этот показатель описывается характерным уравнением температурного поля плоской стенки. При этом безразмерная температура стенки зависит от безразмерной координаты и числа Био где l — координата; l ,
Σl — средний и общий линейный размер стенки в пределах изменения температуры; λ и α — коэффициенты теплопроводности и температуропроводности материала стенки; t, t , t â — соответственно, текущая и средняя температуры боковой стенки водонагревателя и температура воздуха, °С.

Измерения, выполненные при нагрузке водонагревателя 20 кВт показали, что "размах" изменения температурного поля составляет 160 мм. При этом изменение температуры стенки по высоте водонагревателя описывается уравнением
с коэффициентом корреляции R2 = 0,95.

Рисунок 3. Зависимость нагрузки водонагревателя от температуры в зоне горения.

Выводы.

1. Выполнен анализ процессов горения природного газа в бытовых водонагревателях.
2. Показано, что изменение тепловой нагрузки водонагревателя от температуры имеет вид S образной кривой. На основании анализа изменения коэффициента теплопроводности газов и материалов объяснен характер кривой.
3. Определены параметры температурного поля боковых стенок водонагревателя, что важно для
выбора конструкционных материалов.

1. Повх И. Л. Аэродинамический эксперимент в машиностроении. — Л.: Машиностроение, 1974. — 480 с.

2. Ф. В. Недопекин. Тепломассоперенос. — Донецк: ДонНУ, 2007. — 174 с.

3. Тепло и массообмен. Теплотехнический эксперимент. Справочник // Под ред. В. А. Григорьева и В. М. Зорина. — Москва: Энергоиздат. — 510 с.

4. Э.А. Молвин Хьюз. Физическая химия. — М.: Изд во иностр. лит., 1962. — 1148 с.

5. Котел "АТЕМ". Секреты технологий. Инф. материалы Украинско немецкого предприятия Atem Frank. Житомир. www.atem.zhitomir.net