Анализ работы автономных теплогенераторов в условиях Крайнего Севера

Артем Федоров

Анализ работы автономных теплогенераторов в условиях Крайнего Севера

Магистерская диссертация состоит из введения, трех глав с выводами по каждой из них, общих выводов, заключения, списка литературы и приложений. Диссертация содержит 105 страниц. Первая глава посвящена анализу современного состояния использования теплогенераторов в условиях Севера. Проведен анализ влияния климата на работу теплогенерирующих установок. Проведен конструктивный анализ обследуемых котлов, изучен опыт эксплуатации в условиях Якутии. Вторая глава посвящена современным методикам теплового расчета теплогенерирующих установок, изучению теории горения твердого топлива в условиях гетерогенного горения. Представлена имитационная модель динамики изменения температуры, давления, скорости дымовых газов. Третья глава отражает проведенные натурные исследования работы котлов длительного горения малой мощности в климатических условиях г. Якутск. Определены особенности процессов отвода продуктов сгорания и подачи воздуха в топку.

Энергетика

Диссертации

Вуз: Северо-Восточный федеральный университет имени М.К. Аммосова (ЯГУ)

ID: 5f4b3c2ecd3d3e00017ca235

UUID: 766a2380-ccb1-0138-24c5-0242ac180006

Язык: Русский

Опубликовано: почти 4 года назад

Просмотры: 12

10.24

Артем Федоров

Северо-Восточный федеральный университет имени М.К. Аммосова (ЯГУ)

Комментировать 0

Рецензировать 0

Скачать - 5,7 МБ

Поделиться работой

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации ФГАОУ ВО «Северо-Восточный федеральный университет имени М.К.Аммосова» Инженерно-технический институт Кафедра «Теплогазоснабжение и вентиляция» АНАЛИЗ РАБОТЫ АВТОНОМНЫХ ТЕПЛОГЕНЕРАТОРОВ В УСЛОВИЯХ КРАЙНЕГО СЕВЕРА МАГИСТЕРСКАЯ ДИССЕРТАЦИЯ Направление: 08.04.01 Строительство Магистерская программа: Энергосбережение и энергоэффективность в зданиях Выполнил: магистрант II курса группы М-ЭЭвЗ-18 ИТИ СВФУ Федоров Артем Владимирович Руководитель: к.т.н, доцент кафедры ТГВ ИТИ СВФУ Иванова А.В._________________ (подпись) Консультант: ст.преподаватель кафедры ТГВ ИТИ СВФУ Слободчиков Е.Г. Якутск – 2020

ФГАОУ ВО «Северо-Восточный федеральный университет имени М.К.Аммосова» Институт Кафедра Направление Магистерская программа Инженерно-технический Теплогазоснабжение и вентиляция 08.04.01 Строительство Энергосбережение и энергоэффективность в зданиях УТВЕРЖДАЮ Зав. кафедрой __________ Иванов В.Н. (подпись) (Ф.И.О.) «____» ________________ 2020 г. ЗАДАНИЕ на выполнение выпускной квалификационной работы магистрант: Федоров Артем Владимирович ___группы М-ЭЭвЗ-18______ фамилия, имя, отчество 1. Тема ВКР Анализ работы автономных теплогенераторов в условиях Крайнего Севера ______________________________________________ Утверждена приказом от «26» марта 2020 г. № 678-УЧС________________ 2. Руководитель: Иванова Анастасия Викторовна, к.т.н., доцент кафедры ТГВ (Ф.И.О., должность, ученое звание, ученая степень) 3. Исходные данные к проекту________________________________________ Котел длительного горения Liepsnele , выбранные объекты для проведения натурного обследования_____________________________________________ 4. Содержание пояснительной записки (перечень подлежащих разработке вопросов) __Введение, современное состояние использования теплогенерирующих установок в условиях Крайнего Севера, тепловой расчет теплогенерирующих установок, натурные исследования технического состояния теплогенерирующих установок систем теплообеспечения зданий в условиях Крайнего Север, Заключение, список использованной литературы, приложения (если имеются)__________________________________________ 5. Перечень демонстрационных материалов____Актуальность, цель и задачи работы; общие данные; схема котла твердотопливного котла длительного горения марки «Liepsnele»; анализ работы котлов на объектах, программное моделирование системы дымоудаления; графические зависимости, заключение________________________________________________________ Руководитель ______________________/А.В. Иванова/ (подпись)

ОГЛАВЛЕНИЕ Стр. ВВЕДЕНИЕ 4 Глава 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ 8 ТЕПЛОГЕНЕРИРУЮЩИХ УСТАНОВОК В УСЛОВИЯХ КРАЙНЕГО СЕВЕРА 1.1. Роль параметров климата на работу теплогенерирующих установок 8 1.2. Развитие автономных систем теплоснабжения и анализ 13 конструктивных особенностей современных теплогенерирующих установок систем жизнеобеспечения 1.3. Характеристики обследуемых котлов, описание принципа работы 17 1.4. Эксплуатация котлов длительного горения на твердом топливе 22 1.5. Выводы по главе 1 28 Глава 2. ОСНОВЫ ТЕПЛОВОГО РАСЧЕТА ТЕПЛОГЕНЕРИРУЮЩИХ 29 УСТАНОВОК. ТЕОРИЯ ГОРЕНИЯ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА 2.1. Особенности процессов горения в котлах малой мощности, 29 работающих на твердом топливе 2.2 Программное моделирование системы дымоудаления на программном 37 комплексе Autodesk CFD 2.3. Теория горения твердого топлива в процессе его сжигания в котлах 46 длительного горения 2.4. Выводы по главе 2 53 Глава 3. НАТУРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕХНИЧЕСКОГО 54 СОСТОЯНИЯ ТЕПЛОГЕНЕРИРУЮЩИХ УСТАНОВОК СИСТЕМ ТЕПЛООБЕСПЕЧЕНИЯ ЗДАНИЙ В УСЛОВИЯХ КРАЙНЕГО СЕВЕРА 3.1. Анализ современного состояния систем теплообеспечения в условиях 54 Республики Саха (Якутия) 3.2. Натурное обследование работы твердотопливных котлов длительного 60 горения малой мощности в условиях г. Якутска 3.3. Выводы по главе 3 73 2

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 76 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 77 Приложение 1 Приложение 2 Приложение 3 Приложение 4 Приложение 5 Приложение 6 Приложение 7 3

ВВЕДЕНИЕ Коммунальный комплекс Якутии образуют объекты теплогенерации, транспортировки теплоносителя и инфраструктурные сооружения. Практически во всех районах и городах Республики отмечается высокий уровень изношенности тепловых сетей, который не позволяет обеспечить нормальное функционирование систем теплоснабжения. Средний износ достиг 56,9% [24]. Основными проблемами жилищно-коммунального хозяйства являются: 1. Некачественные жилищно-коммунальные услуги, вследствие износа ряда объектов коммунальной инфраструктуры; 2. Высокий уровень износа объектов жилищно-коммунального; комплекса; 3. Высокие затраты на топливно-энергетические ресурсы. Все эти проблемы взаимосвязаны и имеют схожие причины, такие как: -сохраняющийся рост морально-технического износа жилищного фонда и объектов коммунальной инфраструктуры, что приводит к превышению темпов старения жилищно-коммунального комплекса над темпами его реновации и модернизации, ведущие к росту рисков аварийности; -высокий уровень износа основных фондов в коммунальном секторе, который вызван необеспеченностью реальной потребности в обновлении основных фондов финансовыми ресурсами. Следствием этих причин является низкое качество коммунальных услуг, не соответствующее современным требованиям законодательства и потребителей. В климатических условиях Республики Саха (Якутия) одной из важных задач является повышение надежности и эффективности работы источников теплогенерации, т.к. это является необходимым условием жизнеобеспечения. Исходя из этого, в последнее время возрастает спрос на эффективные автономные источники теплоэнергии. В Якутии идет тенденция строительства индивидуальных домов с автономным теплоснабжением. Отсутствие протяженных внешних тепловых сетей и обслуживание преимущественно однотипных потребителей (конкретного потребителя) 4

позволяет практически исключить потери теплоносителя в тепловых сетях и потери теплоты от совмещения графиков отпуска теплоты разнотипными потребителями, используя все преимущества местного регулирования. Практика показывает, что теплогенераторы импортных и отечественных производителей не приспособлены для работы при низких температурах наружного воздуха. Это подтверждается низкими теплотехническими показателями, которые не соответствуют данным, заявленными заводамиизготовителями. Основная причина снижения теплопроизводительности – неудовлетворительная работа дымоходной системы, связанная с увеличением коэффициента избытка воздуха. ЦЕЛЬ ИССЛЕДОВАНИЯ – повышение надежности и эффективности работы теплогенераторов длительного горения малой мощности путем разработки методики и расчетных условий эксплуатации в климатических условиях Республики Саха (Якутия), исследование влияния коэффициента избытка воздуха на процессы теплообмена в дымоходной системе в условиях экстремально низких температурах. Задачи исследования: 1. Обзор научной литературы на предмет эксплуатации котлов длительного горения, теории горения топлива, проведение патентного обзора; 2. Оценка влияния климатических особенностей Республики Саха (Якутия) на автономную систему теплоснабжения; 3. Проведение натурных исследований на базе твердотопливного котла длительного горения Liepsnele в климатических условиях г.Якутск; 4. Разработка методики и обоснования динамики изменения температуры удаляемого воздуха в дымоходной системе 5. Создание математической модели на базе системного комплекса Autodesk CFD 2019; Объектом исследования является твердотопливный котел длительного горения «Liepsnele» и его дымоходная система для отвода продуктов сгорания, а также стабилизатор тяги. 5

Предметом исследования являются системы отвода продуктов сгорания и обеспечения притока воздуха, необходимого для горения в условиях аномально низких температур. СТЕПЕНЬ РАЗРАБОТАННОСТИ ТЕМЫ ИССЛЕДОВАНИЯ. В период обучения с сентября 2019 по апрель 2020 года включительно мною была проделана следующая работа: 1. Проведен литературный обзор научно-исследовательских трудов, посвященных климату Якутии: М.К. Гаврилова, Ц.А. Швец, С.А. Изюменко; работы, направленные на изучение автономного теплоснабжения: В.М. Фокин, С.А. Карауш, Р.Ш. Мансуров, И.А. Пикулев; труды, посвященные изучению дымовых труб: А.М. Ельшин, М.Н. Ижорин, В.С. Жолудов, Е.Г. и др. 2. Проведен патентный обзор по теме исследования, а также составлен отчет, далее в приложении. Патентный поиск проводился с целью определения технического уровня исследовательской и работы патентоспособности по теме «Анализ результатов автономных научносистем жизнеобеспечения в условиях Крайнего Севера». 3. Участие в заочном этапе конференций: -Международная научно-практическая конференция «Приоритетные направления инновационной деятельности в промышленности», г. Казань, 2020 год. Название твердотопливных темы: «Анализ котлах эффективности длительного горения работы котельной на малой мощности в промышленном объекте в условиях Севера»; - XX всероссийская научно-практическая конференция молодых ученых, аспирантов и студентов, г. Нерюнгри, 2019 год. Название темы: «К вопросу автономного теплоснабжения жилых домов в условиях Севера»; -Общеуниверситетская научная конференция студентов и магистрантов СВФУ «Аммосов - 2020», г. Якутск, 2020 год. Название темы: «Изучение работы твердотопливных котлов длительного горения в климатических условиях г. Якутск»; 6

- II Международная молодежная научно-практическая конференция «Арктические исследования: от экстенсивного освоения к комплексному развитию», г. Архангельск, 2020 год. Название темы: «Оценка работы твердотопливных котлов длительного горения малой мощности в условиях Севера»; - Международная научная конференция «Far East Con» International Scientific Conference “Far East Con”, г. Владивосток, 2019 год. Название темы: «Особенности эксплуатации автономных теплогенерирующих установок в климатических условиях Севера». 4. Написанные статьи, опубликованные в научных сборниках: - «К вопросу автономного теплоснабжения жилых домов в условиях Севера». Сборник: «ХХ всероссийская научно-практическая конференция молодых ученых, аспирантов и студентов в г. Нерюнгри, с международным участием». Справку, подтвердлающую выход статьи в сборник см. в приложении; - «Анализ эффективности работы котельной на твердотопливных котлах длительного горения малой мощности в промышленном объекте в условиях Севера». Сборник: Материалы II международной научной конференции: «Приоритетные направления инновационной деятельности в промышленности». Ксерокопию диплома, подтверждающую выход статьи в сборник см. в приложении; - «Особенности эксплуатации автономных теплогенерирующих установок в климатических условиях Севера». Сборник: International science and technology conference "EarthScience". IOP Conf. Series: Earth and Environmental Science 459 (2020) 052038. 7

Глава 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТЕПЛОГЕНЕРИРУЮЩИХ УСТАНОВОК В УСЛОВИЯХ КРАЙНЕГО СЕВЕРА 1.1. Роль параметров климата на работу теплогенерирующих установок Тепловая энергия – необходимое условие жизнедеятельности человека и создания благоприятных условий его быта. Повышение надежности и экономичности систем теплоснабжения зависит от работы теплогенерирующих установок, рационально спроектированной тепловой схемы котельной, широкого внедрения энергосберегающих технологий и альтернативных источников энергии, экономии топлива, тепловой и электрической энергии [38]. В [15] описывается значение тепловой энергии для человека, особенно в Сибири с ее жестким климатом. Без тепла человек не сможет выжить в таких условиях, только тепловая энергия позволяет ему обеспечить нормальную жизнедеятельность Сведения о параметрах наружного воздуха являются одним из наиболее важных составляющих при решении задач теплообеспечения и комфорта в здании. Это особенно важно для Якутии, которая располагается в центре Восточной Сибири. Климат резко континентален и засушлив, что определяется географическим положением и своеобразием атмосферных процессов. Зима продолжительная, холодная и малоснежная, а лето короткое, на большей части территории засушливое с относительно высокими температурами. Минимальная температура наружного воздуха в Якутии приходится на январь, а максимальная – на июль. Для холодного периода года характерны слабые ветры и штили [8, 33, 41]. В наиболее холодные дни зимнего сезона температуры могут быть ниже -60°С практически на всей территории. Рекордно минимальные значения в Якутии отмечались в Оймяконе -71°С и в Верхоянске 68°С [5]. 8

В теплый период года отличительной чертой климата Якутии является быстрое нарастание средних суточных температур весной и быстрое падение осенью. Анализ параметров наружного воздуха некоторых населенных пунктов расположенных на северной части России приведен в таблице 1.1.1. Таблица 1.1.1 Параметры наружного воздуха населенных пунктов России Отопительный период Населенный tнр, °С пункт (tн≤8 °С) tmin, °С tоп, °С z, сутки Москва -25 -43 -2,2 205 Санкт-Петербург -24 -36 -1,3 213 Новосибирск -41 -50 -8,1 221 Красноярск -37 -48 -6,7 233 Якутск -52 -64 -20,9 252 Жиганск -52 -60 -20 275 Верхоянск -58 -68 -25 272 Оймякон -59 -68 -25,4 277 Примечание: tнр - температура воздуха наиболее холодной пятидневки, обеспеченностью 0,92°С; tmin - абсолютная минимальная температура воздуха, °С; tоп средняя температура воздуха за отопительный период, °С; z – продолжительность отопительного периода, сут. Температура наиболее холодной пятидневки обеспеченностью 0,92,равной расчетной температуре наружного воздуха в населенных пунктах Якутии колеблется от tн = -42...-60°С , а в остальных северных районах России варьируется от tн = -24...-41°С, что составляет разницу в 10...15°С. Максимальная из средних скоростей ветра по румбам за январь находится в диапазоне vc = 1,4...8,7 м/с. Одной из характерных особенностей климата Якутии является большая годовая амплитуда температур, которая составляет от 50127°С. 9

Следовательно, резкоконтинентальный климат Якутии обуславливается низкими расчетными температурами, малыми скоростями ветра и большими амплитудами температур [5]. Суровость отопительного сезона характеризуется числом градусо-суток отопительного периода (ГСОП): ГСОП  (t вн  t оп ) (1.1.1) где ГСОП – градусо-сутки отопительного периода (°С∗ сут); tвн – расчетная температура внутреннего воздуха, °С; t оп -средняя температура за отопительный период,°С. Для более наглядного представления о суровости климат на рисунке 1.1.1 представлены значения ГСОП для характерных городов России, а также населенных пунктов Якутии. Оймякон 12575,8 Верхоянск 12240 Жиганск 11000 Якутск 10306,8 Красноярск 5755,1 Новосибирск 5768,1 Санкт-Петербург 4110,9 Москва 4141 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 Рис. 1.1.1 Градусо-сутки отопительного периода (ГСОП) для различных городов России Как видно из рисунка, суровость Республики Саха (Якутия) значительно превышает значения городов России. ГСОП в Оймяконе превышает в 3 раза значения города Москва. При выборе теплогенерирующей установки необходимым условием является мощность и целевое назначение, от чего зависит конструкция котла. Тепловая производительность теплогенератора выбирается в соответствии с суммарной тепловой мощностью, которая необходима для обогрева помещений. 10

Для определения и выбора мощности теплогенерирующей установки необходимо выполнить тепловой расчет [20]. Твердотопливный котел, это устройство, в котором тепловая энергия вырабатывается за счет сжигания угля, торфа, дров или пиллетов. В первую очередь теплообеспечение идет на систему отопления, вторая возможная функция – приготовление горячей воды. Республики Саха (Якутия) требуют Климатические особенности повышенной надежности и работоспособности инженерных систем жизнедеятельности, что необходимо учитывать при выборе теплогенератора. В виду многочисленных зарубежных фирм, которые предлагают сертифицированные теплогенераторы на территории России, необходимо учитывать соответствующие нормативные документации [35]. Одной из характерных особенностей климата Якутии является большая годовая амплитуда температур. Особенности климата г. Якутска наглядно 18,7 19,1 -5,6 Москва Декабрь Ноябрь Октябрь Сентябрь Август Июль Июнь Май Апрель -38,1 Март Февраль 30 20 10 0 -7,8 -7,1 -10 -20 -35 -30 -39,6 -40 -50 Январь Температура,°С проявляются при сравнении с климатом городов центральной России (рис 1.1.2) Якутск Рис 1.1.2 График распределения средней месячной температуры Для обеспечения нормальной работы теплогенерирующей установки необходима непрерывная подача воздуха в топку для горения, обеспечивать необходимую скорость движения горячих газов и удалять образующиеся продукты сгорания с помощью тяго-дутьевых устройств [10, 42]. 11

Естественное располагаемое давление Нс в дымоходе, определяется по следующей формуле: Н с  h  g ( в   г ) (1.2) где h - высота дымохода, м; g - ускорение свободного падения, м/с2;  в - плотность воздуха, кш/м3;  г -плотность дымовых газов, кг/м3 Исходя из данного уравнения можно сделать вывод, что тяга, создаваемая дымовой трубой, тем больше, чем больше становится высота дымовой трубы и чем выше становится температура уходящих газов. На основе натурных исследований на рисунке 1.1.3 приведен график зависимости величины располагаемого гравитационного давления от температуры наружного воздуха при различной высоте дымовой трубы для твердотопливных котлов. теплогенераторов были В сравниваемых идентичны, системах приняты условия одинаковые работы мощности теплогенераторов, диаметры дымоходов и вид топлива. 100 Распологаемое гравитационное давление, Па 90 IV 80 III 70 60 II 50 I 40 30 20 10 0 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 Температура наружного воздуха, °С Рис. 1.1.3 График зависимости располагаемого гравитационного давления от температуры наружного воздуха при высоте дымохода: I – 4,5 м ; II – 6 м; III – 8 м; IV – 10 м. 12

Практический расчет по полученным данным в ходе натурного обследования при эксплуатационных условиях Якутии показывает, что при увеличении тяги в дымоходе увеличивается скорость потоков газа, что приводит к увеличению расхода топлива. 1.2. Развитие конструктивных автономных систем особенностей теплоснабжения современных и анализ теплогенерирующих установок систем жизнеобеспечения Климатические условия на территории России требуют отопления жилого, общественного и производственного фондов. При этом региональное разнообразие температурных режимов существенно отличает ее от большинства стран остального мира. Система теплоснабжения по объему расходов первичных топливноэнергетических ресурсов является самым крупным сегментом в энергообеспечении страны. Однако, на основании [6, 22, 23], техническое состояние теплового хозяйства России и его производственная деятельность – ниже критического уровня. Согласно данным [44], на территории РФ около 72% тепловой энергии производится централизованными источниками тепла (мощностью более 20МВт), остальные 28% производятся децентрализованными источниками, в том числе 18% - автономными и индивидуальными источниками тепла. При этом, незначительная часть тепловой энергии обеспечивается за счет утилизации сбросного тепла от технологических установок и с использованием возобновляемых источников энергии. Около 50% объектов коммунального теплоснабжения и инженерных сетей требуют замены, не менее 15% находятся в аварийном состоянии. На каждые 100км тепловых сетей ежегодно регистрируется в среднем 70 повреждений. Потери в тепловых сетях достигают 30%, а с учетом теплоносителя ежегодно 13

теряется более 0,25км2 воды, 82% общей протяженности тепловых сетей требуют капитального ремонта или замены [44]. В связи с этим наиболее широкое распространение получили автономные источники теплоснабжения. Согласно [17] «Автономное теплоснабжение» - это система, которая состоит из источника тепла и потребителя (системы отопления, горячего водоснабжения, вентиляции и технологического снабжения горячей водой жилых, общественных и производственных зданий). Источники тепла делятся на крышные, встроенные или пристроенные котельные, индивидуальные котлы. Наиболее являются важными значительное преимуществами сокращение автономного сроков теплоснабжения строительства, уменьшение капитальных затрат, снижение теплопотерь и исключение утечек при транспортировке по наружным тепловым сетям, исключение затрат на ремонт и эксплуатацию теплотрасс, возможность местного регулирования и др. Особенности и общие характеристики автономного теплоснабжения изложены в работах Г.М. Климова, В.И. Сологаева, О.К.Мазуровой, Н.В. Кузнецова, А.Н. Бутенко и др. [17,19]. Современный уровень жизни предъявляет особые требования к обеспечению гарантированного качественного теплоснабжения. Достижение поставленной задачи возможно только при бесперебойной работе всех компонентов теплоснабжения. Одним их основных компонентов теплоснабжения является теплогенерирующая установка. Теплогенерирующей установкой (ТГУ) для систем теплоснабжения называют комплекс технических устройств и оборудования, предназначенный для выработки тепловой энергии в виде горячей воды или пара за счет сжигания органического топлива [34]. Современные теплогенерирующие установки имеют множество конструктивных решений их можно классифицировать по следующим признакам: а) по назначению (по характеру нагрузки): 14

 отопительные - для обеспечения теплотой систем отопления, вентиляции и горячего водоснабжения;  отопительно-производственные - для обеспечения теплотой систем отопления, вентиляции и горячего водоснабжения и для технологического теплоснабжения;  производственные - для технологического теплоснабжения; б) по размещению:  отдельно стоящие - теплогенерирующая установка размещена в отдельно стоящем здании (главном корпусе);  пристроенные к зданиям;  встроенные в здания другого назначения;  крышные - расположенные на крыше здания; в) по виду энергоносителя: паровые и водогрейные. г) по виду сжигаемого топлива:  на твердом топливе;  на жидком топливе;  на газообразном топливе; д) по типу системы теплоснабжения:  установки с закрытой системой теплоснабжения;  установки с открытой системой теплоснабжения, когда водоразбор горячей воды происходит непосредственно из тепловой сети. Существуют различные типы котлов в зависимости от способа сжигания топлива. К котлам со слоевым способом сжигания относятся обычно котлы, работающие на твердом топливе (уголь, древесина, торф, биотопливо). Также котлы различаются по материалу, из которого они сделаны. Например, чугунные котлы, обычно это котлы небольшой производительности до 1,0 МВт. Стальные котлы на любую мощность. Котлы, в которых топочная часть выполнена из других материалов (медь, нержавеющая сталь и др.), обычно относятся к небольшим бытовым котлам мощность до 100 кВт. 15

В зависимости от принципа прохождения теплоносителя через котел различают водотрубные и жаротрубные котлы. В водотрубных котлах теплоноситель находится в трубной части, а горячие газы омывают трубную поверхность. Такие котлы в основном выпускаются в России. В жаротрубных котлах дымовые газы находятся частично в трубной части, а теплоноситель находится в объеме котла. Жаротрубные котлы, в свою очередь, делятся по количеству ходов дымовых газов. В России используются как 2- так и 3-ходовые котлы (2-ходовые котлы имеют меньший КПД, в пределах 90%, и в европейских странах практически не используются). В настоящее время наибольшее распространение получили 3-ходовые котлы. По мощности различают: малой мощности производительностью до 3,5 МВт; средней мощности от 3,5 до 60 МВт; большой мощности свыше 60 МВт. Схемы котельных выбираются исходя из условий общей схемы теплоснабжения объекта. Различают две основные схемы теплоснабжения, с открытым и закрытым водоразбором. В первом случае теплоноситель на нужды ГВС подается потребителю непосредственно из тепловой сети. При закрытом водоразборе приготовление теплоносителя на нужды ГВС потребителей осуществляется в отдельных теплообменниках. При проектировании котельной требуется знать, сколько и каких котлов необходимо установить. Выбор типа котлов зависит от вида нагрузки, места расположения теплогенерирующей установки, тепловой мощности потребителей, вида топлива и т.п. Поэтому мощность и количество котлов необходимо выбирать таким образом, чтобы в отопительный период котлы имели нагрузки, близкие к номинальным. В таблице 1.2.1 показаны технические характеристики твердотопливных котлов малой мощности. 16

Таблица 1.2.1 Технические характеристики твердотопливных котлов малой мощности, работающих на твердом топливе № 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Тип и марка котла Мощность(min/max), кВт КПД, % Отапливаемая площаль, м2 Вес, кг Рабочее давление в системе, кПа Объем загрузки, л Диаметр дымохода, мм Количество контуров Температура дымовых газов,°С Liepsnele Stropuva Candle Ураган 10-40 10-40 5-35 14-20 50-80 60-85 65-85 50-80 20-450 50-400 40-350 140-200 164-300 185-333 195-315 99-120 180 200 180 100 150-350 90-360 195-400 60-155 180 160-200 160 150 Одноконт. Одноконт. Одноконт. Одноконт. 150-180 180-200 100-270 100-250 1.3. Характеристики обследуемых котлов, описание принципа работы Отопительный котел Liepsnele представляет собой корпус цилиндрической формы, в котором размещена камера сгорания топлива, колосниковая решетка, емкость для загрузки теплоносителя, устройство для подачи и распределения воздуха. Его отличительной особенностью является то, что горение проходит при низком содержании кислорода, тем самым увеличивая время теплоотдачи топлива и давая меньше количества твердых отходов. Процесс горения происходит по принципу свечи сверху-вниз, верхние слои горят, а нижние ждут своей очереди не выделяя тепло. 17

Рис. 1.3.1 Принцип верхнего горения котла Liepsnele Котел - это стальной цилиндр, окруженный другим стальным цилиндром большего диаметра, конструкция утеплена. Между обоими цилиндрами нагревается теплоноситель. Согласно [36], котлы длительного горения используют преимущественно дрова и опилки – но возможны варианты с углем и смесями угля, торфа и дров. Время горения данного вида котла составляет от 12 часов до нескольких суток в зависимости от теплотворной способности топлива и климатических особенностей эксплуатации. Исходя из изобретения Ваганова Максима Юрьевича, Вальдаса Красаускаса [26], отопительный аппарат содержит камеру сгорания 1, выполненную в виде вертикально ориентированного цилиндра или многогранника. Камера имеет двойную стенку, образуя полость 2 для теплоносителя, и наружную стенку 3 с теплоизоляцией, экранированную металлическим листом. В полости аппарата имеется камера нагрева воздуха 4, соединенная с телескопической трубой или сильфоном 5, на конце которой закреплен распределитель воздуха 6. С камерой 4 соединена труба 7 для подачи воздуха снизу. В верхней части аппарата имеется дымоход со съемным каталитическим картриджем 8, а с наружной стороны аппарата располагается труба возврата теплоносителя 9, идущая от регулируемого трехходового клапана 10. Камера 4 аппарата оснащена заслонкой 11 для переключения направления потока воздуха по трубе 7. Нижняя часть аппарата оснащена колосниковой решеткой 12. Вывод теплоносителя из аппарата осуществляется посредством патрубка 13, а подачу теплоносителя 18

ведут по трубе 14. Отопительный аппарат оснащен электрической воздушной заслонкой 15, с помощью которой контролируют количество воздуха, подаваемого в аппарат; воздух нагнетается пневмонасосом или вентилятором 16, который управляется датчиком терморегулятора 17. В стенке отопительного аппарата выполнено отверстие 18, в которое введен термометр. В стенке аппарата выполнены два проема с герметично закрывающимися дверцами 19 и 20, предназначенными для загрузки топлива - 19 и удаления золы - 20. Аппарат оснащен тросом 21, часть его длины находится снаружи корпуса, а конец троса соединен с телескопической трубой или сильфоном 6. На стенке аппарата трос 21 фиксируется крючком 22. Отопительный аппарат загружается топливом 23 любого рода. Рис. 1.3.2. Устройство котла Котел устанавливается в помещениях, соответствующих государственным требованиям к помещениям котельных. Высота помещения, в котором будет установлен котел, должна быть не менее 2 метров. Пол должен быть бетонный 19

(хотя бы в том месте, где будет стоять котел). Помещение должно быть более 4 кв. м., обязательно должно быть изолировано от отапливаемых жилых помещений. Помещение должно имеет хороший приток свежего воздуха. Должно быть постоянно открытое окно или проделанное отверстие минимум 10х10см. -100 см2 Котел ставится непосредственно на бетонный пол, а образовавшиеся между полом и котлом просветы заполняются жаропрочным силиконом снаружи, раствором извести и цемента изнутри. При этом нагревающемуся бетону не позволяет расширяться холодный бетон вокруг него, поэтому на котел не действует никакое напряжение. На бетонной стяжке пола котельной, выполняющей функцию дна котла, открытого горения не происходит, в следствии того, что процесс горения идет сверху вниз и когда он достигает нижней части камеры сгорания, на дне лежит слой золы или шлака, защищающий пол от прямого нагрева. Характеристики котлов приведены в сводной таблице 1.3.1. 20

Таблица 1.3.1 Сводная таблица характеристик котла Liepsnele Модель L-10 L-20 L-40 L-10U универсал L-20U универсал L-40U универсал Мощность, кВт 10 20 40 10 20 40 Отапливаемая площадь, м2 50-100 80-200 200-450 Вид топлива дрова, древесные отходы дрова, древесные отходы дрова, древесные отходы Время горения, ч./сут минимум 24ч минимум 24ч минимум 24ч 50-100 дрова, древесные отходы, каменный уголь, брикеты опилочные и торфяные минимум 3-4 суток 100-250 дрова, древесные отходы, каменный уголь, брикеты опилочные и торфяные минимум 3-4 суток 200-450 дрова, древесные отходы, каменный уголь, брикеты опилочные и торфяные минимум 3-4 суток 21

1.4. Эксплуатация котлов длительного горения марки «Liepsnele» на твердом топливе в Республике Саха (Якутия) Анализ климатических данных в разделе 1.1. показывает, что г. Якутск, который является городом не с самыми низкими температурами наружного воздуха по Республике Саха (Якутия), относится к наиболее холодным городам Дальнего Востока [37]. Республика Саха (Якутия) включает в себя 36 муниципальных района и 2 городских округа. В состав муниципальных районов в свою очередь входят городские и сельские населения. В муниципальных районах Якутии используются теплогенераторы, работающие на различных видах топлива. Большинство котельных имеют относительно небольшую установленную мощность. Около 63 % эксплуатируемых теплогенераторов по всей республике работают на твердом топливе. Угольная промышленность занимает существенное место в отраслевой структуре Якутии. Преимущество угля, как топливо, следует из географического положения районов, таких как Арктические районы, отдаленных от Центральной Якутии и имеющие сложную транспортную схему. На рисунке 1.4.1 приведена схема транспортной доступности Якутии. Рис. 1.4.1 Транспортная доступность Республики Саха (Якутия): - зона сезонной доставки продукции; 22

- зона круглогодичного транспортного обеспечения. Исходя из территориального района расположения объектов в качестве твердого топлива для рассматриваемых в данной работе котлов используются: 1. Бурый уголь из Кангаласского и Харбалахского угольных месторождений, каменный уголь Джебарики-Хаинского месторождения; 2. Дрова, преимущественно из лиственничных пород дерева. Кангаласские бурые угли относятся к среднеюрскому периоду, являются типично гумусовыми, преимущественно витринитовыми, блестящими и плотными. По ГОСТ -25543 относятся к классу 04 (категория 0) и подгруппе 2БВ группы 2Б. Свежедобытые угли имеют высокую влажность, низкую прочность куска, не устойчивы при хранении и быстро теряя влагу, распадаются в мелочь и пыль [14]. В таблице 1.4.1 приведены свойства бурого угля Кангаласского месторождения. Согласно [27], бурые угли отличаются низкими физико-механическими свойствами, имеют склонность к самовозгоранию, не атмосфероустойчивы, не переходят в пластическое состояние. Таблица 1.4.1 Свойства бурого угля Кангаласского месторождения Основные свойства бурых углей Значение Кангаласского месторождения Наименование показателя Влага горная на рабочее топливо, % 30,0 Влага аналитическая , % 8,27 Зола,% 14,8 Летучие, % 49,4 Сера, % 0,4 Углерод, % 71,4 Водород, % 5,5 Кислород, % 21,9 Теплота сгорания, ккал/кг 3535 23

Низшая, ккал/кг 6700 Теплотворная способность древесины в большей степени зависит от влажности. С увеличением влажности древесины ее теплотворная способность понижается. Древесина с влажностью 70% практически не горит. Рабочая теплотворная способность в Ккал может быть определена по эмпирической формуле: Qр=4370-50W (1.4.1) где, W – относительная влажность древесины, %. Также существует другой способ определения теплотворной способности древесины – путем определения по следующей номограмме. Рис. 1.4.2 Номограмма для определения теплотворной способности древесины различной влажности По данным ООО «Саха Липснеле» на территории Республики Саха (Якутия) эксплуатируются свыше 1000 твердотопливных котлов длительного горения в диапазоне мощностей от 10 до 40 кВт в частном секторе и промышленных объектах, работающих на твердом топливе. В 2018 году с учетом опыта эксплуатации котлов на Полюсе Холода в п. Оймякон (минимальная температура наружного воздуха -65 °C) разработан и внедрен новый тип котла верхнего горения, отличающийся от аналогов универсальностью горения, повышенной надежностью конструкции, большей экономичностью потребления топлива. В основу материала легли результаты научно-исследовательской работы, проведенной в 2013 году по заказу Госкомитета Республики Саха (Якутия) по 24

инновационной политике и науке, в которой было обследовано порядка 40 котлов мощностью 20-40 кВт, расположенные в 12 населенных пунктах. Рис 1.4.3 Котлы марки «Liepsnele», эксплуатируемые по Республике Саха (Якутия) 25

Котлы устанавливаются на бетонной стяжке в углублении, высота которой составляет от 30 до 50 см. Бетонная подушка препятствует возникновению открытого горения, а также защищает пол от прямого нагрева. Большое распространение данные котлы получили в обеспечении теплоснабжения частных домов, этажность которых не превышает 2-х. Но также есть случаи, когда котлы обеспечивают теплом производственные объекты, например – котловой завод ООО «СахаЛипснеле». Рис. 1.4.4 Объекты, в которых установлены котлы Liepsnele В большинстве домов система отопления двухтрубная, с диаметрами Ø3250 мм. На выходе из котла в системе отопления здания установлены циркуляционные насосы малой мощности, присоединенные по «байпасной» схеме. 26

Рис. 1.4.5 Примеры подключения циркуляционного насоса на обратном трубопроводе Надежность является одним из важнейших свойств теплообеспечения, обуславливающих выполнение возложенных на них функций – обеспечением теплового режима зданий [2]. При этом наибольшее значение имеют свойства безотказности, ремонтопригодности, сохраняемости и долговечности элементов систем теплообеспечения. Отказ - это полное или частичное нарушение работоспособности. При этом система прекращает работу или продолжает функционировать с пониженным качеством. Автономное теплоснабжение с внедрением котлов длительного горения исключает возможность отказов, связанных с эксплуатацией тепловых сетей. Работа дымоходной системы теплогенератора больше всего зависит от климатических воздействий (изменение располагаемого гравитационного давления, поступление наружного воздуха, необходимого для горения и образование куржака). 27

1.5. Выводы по главе 1 1. Произведен анализ параметров наружного воздуха населенных пунктов, расположенных на Северной части России. Климатические условия Якутии очень суровы по сравнению с центральными городами России, разница температур наиболее холодной пятидневки составляет 10…15°С. Значение ГСОП отдельных населенных пунктов Якутии выше в 3 раза по сравнению с значениями центральных городов. При увеличении тяги в дымоходе увеличивается скорость потоков газа, что приводит к увеличению расхода топлива; 2. В Якутии большая часть объектов коммунального теплоснабжения и инженерных сетей требуют замены. Из-за рассредоточенности населенных пунктов между собой появляются проблемы с логистикой, т.е. доставка топлива для твердотопливных котельных занимают огромные затраты. В связи с этим широкое распространение получили автономные источники теплогенерации. Приведен конструктивный анализ твердотопливных котлов малой мощности, работающих на твердом топливе различных производителей; 3. Изучены конструктивные особенности котла Liepsnele, принцип его работы, а также правилами его монтажа. Составлена сводная таблица характеристик котла Liepsnele в зависимости от модели. 4. Проанализированы особенности эксплуатации котлов длительного горения в условиях Республики Саха (Якутия). Автономное теплоснабжение с внедрением котлов длительного горения исключает возможность отказов, связанных с эксплуатацией тепловых сетей. Большое распространение данные котлы получили в обеспечении теплоснабжения частных домов, этажность которых не превышает 2-х. Но также есть случаи, когда котлы обеспечивают теплом производственные объекты. 28

Глава 2. ОСНОВЫ ТЕПЛОВОГО РАСЧЕТА ТЕПЛОГЕНЕРИРУЮЩИХ УСТАНОВОК. ТЕОРИЯ ГОРЕНИЯ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА 2.1. Особенности процессов горения в котлах малой мощности, работающих на твердом топливе Для выполнения расчета процессов горения твердого и жидкого вида топлива составляют материальный баланс процесса горения. Материальный баланс процесса горения топлива выражает количественное соотношение между исходными веществами и конечными продуктами. Для твердого вида топлива материальный баланс составляют на 1 кг топлива. Объемы воздуха, необходимые для горения, и образующие продукты сгорания выражают в м 3. В таблице 2.1.1. приведены исходные данные для проведения расчетов Таблица 2.1.1 Исходные данные Параметр Обозначение Значение 1 2 3 Топливо - Бурый уголь Марка топлива - Кангаласский 𝑊𝑝 29,1 𝐴𝑝 15,0 𝑆𝑜𝑝+𝑘 0,4 𝐶𝑝 71,4 𝐻𝑝 5,5 𝑁𝑝 0,8 𝑂𝑝 21,9 Теплота сгорания топливо, ккал/кг (кДж/кг) 𝑄н𝑝 3400(14623) Тип котла твердотопливный Liepsnele 40 Мощность котла, кВт N 40 Состав топлива, % 29

Расчет теоретического объема продуктов сгорания проводится с использованием математических зависимостей для полного сгорания топлива в соответствии с выражением: VB0  0,0889(С p  0,375  S opp  k )  0,265  H p  0,033  O p (2.1.1) В процессе полного горения с теоретически необходимым количеством воздуха образуются газообразные продукты – оксиды углерода и серы, которые являются сухими трехатомными газами. Их значение определяется следующим образом: 0 VRO  0,0187(С p  0,375  S opp k ) 2 (2.1.2) Далее определяется количество азота в продуктах сгорания: VN02  0,79  VB0  0,008  N p (2.1.3) Теоретический объем водяных паров на 1 кг твердого топлива. Влияние коэффициента избытка воздуха на объем водяных паров показан на рисунке 2.1.1.: VH02O  0,111 H p  0,0124W p  0,0161VB0 (2.1.4) Определение действительного суммарного объема продуктов сгорания для твердого топлива: 0 V Г0  VRO  VN02  VH02O 2 (2.1.5) Результаты теоретического количества воздуха на горение и образующихся продуктов сгорания приведен в таблице 2.1.2. Графическая зависимость коэффициента избытка воздуха на полный объем продуктов сгорания показан на рисунке 2.1.2. 30

Таблица 2.1.2 Определение теоретического количества воздуха на горение и образующихся продуктов сгорания Параметр Способ определения Значение 1 2 3 Теоретическое количество VB0  0,0889(С p  0,375  S opp  k )  0,265  H p  0,033  O p воздуха на 7,09 м3/кг горение, м3/кг 0 VRO 2 V N02 V 0 H 2O 0 VRO  0,0187(С p  0,375  S opp k ) 2 1,33 м3/кг VN02  0,79  VB0  0,008  N p 5,61 м3/кг VH02O  0,111 H p  0,0124W p  0,0161VB0 1,08 м3/кг Теоретическое количество продуктов 0 V Г0  VRO  VN02  VH02O 2 8,03 м3/кг сгорания, м3/кг 31

1,8 1,6 Объем водяных паров 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 1 1,5 2 2,5 3 3,5 Коэфициент избытка воздуха 4 4,5 5 Рис. 2.1.1. График зависимости объема водяных паров от коэффициента избытка воздуха Исходя из данного графика можно сделать вывод, что при увеличении коэффициента избытка воздуха на значение 0,1 - содержание водяных паров Полный объем продуктов сгорания, м3/кг увеличивается на 2%. 40 38 36 34 32 30 28 26 24 22 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 1 1,5 2 2,5 3 3,5 Коэфициент избытка воздуха 4 4,5 5 Рис. 2.1.2. График влияния коэффициента избытка воздуха на полный объем продуктов сгорания 32

На основе данного графика видно, что при увеличении коэффициента избытка воздуха на 0,5 – полный объем продуктов сгорания увеличивается на 31 %. При выполнении расчетов энтальпию воздуха и продуктов сгорания относят к 1 кг твердого, жидкого или к 1 м³ газообразного топлива и складывается из энтальпии теоретических продуктов сгорания, энтальпии избыточного воздуха и энтальпии золы ( кДж/кг (кДж/м3)). Энтальпия продуктов сгорания выше энтальпии воздуха на 15-20% из-за присутствия в них трехатомных газов (СО2, RO2, H2O), обладающих высокой теплоемкостью. Определение энтальпий производят в следующей последовательности: 1. Вычисляют энтальпию теоретического объема воздуха для всего выбранного диапазона температур для твердого и жидкого топлив, кДж/кг и газообразного топлива, кДж/м³ I в0  V 0 (ct )в , (2.1.7) где (ct)в-энтальпия 1 м³ воздуха, кДж/м³. 2. Энтальпию теоретического объема продуктов сгорания 0 , I дг кДж/кг (кДж/м³), рассчитывают для всего выбранного диапазона температур 0 I г0  VRO (ct ) RO2  VR02 (ct ) N 2  VH02O (ct ) H 2O , 2 где (2.1.8) (ct) , (ct) , (ct) – энтальпии 1 м³ соответственно трехатомных газов, азота RO 2 N2 H 2O и водяных паров, кДж/м³. 3. Определяют энтальпию продуктов сгорания, при коэффициенте избытка воздуха  >1, I дг кДж/кг (кДж/м³) 𝐼г = 𝐼г0 + (𝛼 − 1)𝐼в0 , (2.1.9) По данным таблицы 2.1.3 строят график зависимости энтальпии продуктов сгорания от температуры IT-диаграмму (Рис. 2.1.3). 33

Таблица 2.1.3 Энтальпия продуктов сгорания по газоходам котла, кДж/кг № 1 2 Температура газов, °С Расчетная формула   I RO  VRO (cTГ ) RO2 2 I H 2  VH 2O (cTГ ) H 2O 2O 100 200 400 600 800 1000 1500 227 480 1036 1640 2287 2956 4703 164 331 682 1053 1455 1878 3028 3 I N  VN (cTГ ) N 2 2 730 1465 2963 4523 6151 7845 12183 4  I Г  I RO  I H 2O  I N 2 2 1121 2276 4680 7217 9892 12679 19914 5 I В  VВ (cTГ ) В 937 1902 3924 6045 8252 10516 16327 6 Энтальпия в топке α=1,5 1589 3227 6642 10239 14018 17937 28078 7 Энтальпия в топке α=2 2058 4178 8604 13262 18144 23195 36241 8 Энтальпия в топке α=3 2994 6079 12528 19307 26396 33710 52568 9 Энтальпия в топке α=4 3931 5086 7490 10026 12702 15489 22724 10 Энтальпия в топке α=5 4867 9883 20376 31398 42901 54742 85222 2 34

1400 Температура газов, °С 1200 1000 800 600 400 200 0 20000 40000 60000 Энтальпия кДж/кг 80000 100000 Рис. 2.1.3 IT-диаграмма зависимости энтальпии продуктов сгорания от температуры газов при различных коэффициентах избытка воздуха Выделяющееся в зоне горения тепло расходуется на нагревание продуктов горения, на нагрев горючего вещества и окружающей среды. Та температура, до которой в процессе горения нагреваются продукты горения, называется температурой горения [30]. В работах [28, 29] приведены зависимости скорости горения от температуры смеси. В теории горения топлива различают температуры горения газов: жаропроизводительность, калориметрическая, теоретическая и действительная [4, 16, 18, 43]. Как описывается в [21], существуют аналитические формулы для расчета горения топлива. Однако пользование ими не раскрывает возможных ошибок 35

расчета, в связи с чем расчет по стехиометрическим соотношениям, по крайней мере для учебных целей, предпочтительнее. Существуют также многочисленные эмпирические формулы для определения расхода воздуха и количества дымовых газов. Все они основаны на установленной тесной корреляционной связи между теплотворностью топлива, расходом воздуха и количеством продуктов горения. Погрешность расчета при пользовании ими составляет 2…3 %. Калориметрическую температуру горения топлива определяют из уравнения теплового баланса горения 1 кг твердого топлива: р 𝑄н + 𝑉во 𝐶в 𝑡в 𝛼 + 𝐶𝑚 𝑡𝑚 = 𝑉до 𝛼𝑡к 𝐶д (2.1.10) р где, 𝑄н - низшая теплотворность топлива, кДж/кг; 𝑉во - теоретический расход воздуха на горение 1 кг, м3/кг; 𝐶в - теплоемкость воздуха, кДж/(кг·°С); 𝑡в температура воздуха, поступающего на горение топлива, °С; 𝐶𝑚 - теплоемкость топлива, кДж/(кг·°С); 𝑡𝑚 - температура топлива, поступающего на горение, °С; 𝑉до - теоретическое количество продуктов горения от сжигания 1кг топлива, м3/кг; 𝐶д - теплоемкость дымовых газов. В таблице 2.1.4. приведены результаты расчета калориметрической температуры в зависимости от температуры воздуха, поступающего на горение и коэффициента избытка воздуха. Таблица 2.1.4 Калориметрическая температура горения в зависимости от коэффициента избытка воздуха и его температуры, подаваемой в топку α Температура воздуха, °С 0 5 10 15 20 25 1 1112 1121 1129 1137 1145 1153 1,05 1082 1091 1100 1108 1117 1126 1,1 1063 1072 1082 1091 1100 1110 1,2 969 979 989 999 1010 1020 1,4 856 869 881 893 905 917 1,5 830 843 857 871 884 898 2 527 542 558 573 588 604 36

2,5 375 393 410 427 444 461 3 362 385 409 433 456 480 Как видно из таблицы, при понижении температуры воздуха, подаваемого в топку, и увеличении коэффициента избытка воздуха резко снижается калориметрическая температура. Понижение температуры воздуха, подаваемого воздуха порядка на 10°С дает изменение значения калориметрической температуры в среднем на 20°С. Увеличение коэффициента избытка воздуха на 0,1 понижает калориметрическую температуру до 50°С. Для обеспечения оптимальной работы теплогенератора необходимо поддерживать значение коэффицента избытка воздуха и температуру воздуха, подаваемого в топку. В нашем случае котел длительного горения имеет открытую камеру сгорания, что может привести к следующим проблемам: - увеличение инфильтрирующего воздуха, что может привести к дополнительным затратам тепловой энергии; - увеличение коэффициента избытка воздуха за счет повышенного располагаемого гравитационного температуру, соответственно давления снижает уменьшает калориметрическую теплопроизводительность теплогенератора; - увеличение располагаемого гравитационного давления при экстремально низких температурах наружного воздуха может привести к увеличению потерь теплоты с уходящими топочными газами Q2; 2.2 Программное моделирование системы дымоудаления на программном комплексе Autodesk CFD Для рассмотрения процессов, происходящих в дымовой трубе было выполнено программное моделирование при помощи программы Autodesk CFD 2019. Расчеты проводились для сэндвич-дымоходов, при эксплуатации в твердотопливном котле. Граничные условия для составления модели были заданы на основе результатов, полученных в ходе натурного исследования. 37

Высота дымохода составляет 4 метра в комплекте четырех сэндвичдымоходов по 1 метру каждый, сэндвич-тройника, конденсатоотводчика. Диаметр дымохода составляет Ø200/150 мм. Утеплитель дымохода состоит из базальтовой ваты. Моделирование производилось следующим образом:  Построение 3D – модели дымохода;  Выбор материалов для поверхностей и объемов заполнения модели. В данном случае это – воздух, базальтовая вата, алюминиевый лист;  Задание граничных условий (Температура уходящих газов, скорость уходящих газов, давление, температура наружного воздуха и т.д.);  Выполнение расчета, анализ результатов. Рис. 2.2.1 3D модель исследуемого дымохода, построенная на базе программы Autodesk Inventor 2018 38

Первым делом выбираем объемные поверхности, задавая им характеристики материалов: Сэндвичтройник Удаляемые продукты сгорания Конденсатоотводчик Далее задаемся свойствами поверхностей, чтобы отобразить алюминиевый лист толщиной 5 мм: Далее задаемся граничными условиями, задавая скорость движения газов, температуру уходящего воздуха, давление 39

Граничные условия Для более наглядного представления процессов, происходящих в системе дымоудаления, работа котла была проанализирована в двух стадиях горения – розжиг топлива, номинальный режим работы. Результаты моделирования поведения дымовых газов в результате розжига топлива приведены в следующих таблицах 2.2.1, 2.2.2, 2.2.3, 2.2.4. Для исследования данной модели было проведено 100 итераций с общим количеством узлов сетки 22393. Глядя на результаты расчета можно заметить, что происходит завихрение потока за счет углов дымохода. Это препятствует нормальному движению газов и, как следствие, ухудшение тяги. Анализируя графики характеристик дымовых газов относительно параметрического расстояния можно сделать вывод, что резкие скачки скорости потока приходятся в области угла дымохода. 40

Таблица 2.2.1 Распределение скорости движения дымовых газов по дымоходу Таблица 2.2.2 Распределение давления по дымоходу 41

Таблица 2.2.3 Распределение температуры уходящих газов по дымоходу Таблица 2.2.4 Графики зависимости давления, скорости движения, температуры дымовых газов от параметрического расстояния при розжиге топлива 42

Результаты моделирования поведения дымовых газов при номинальном режиме работы котла приведены в следующих таблицах 2.2.5, 2.2.6, 2.2.7, 2.2.8. Для исследования данной модели было проведено 100 итераций с общим количеством узлов сетки 35446. По полученным результатам можно сделать вывод, что на участке завихрения наблюдаются небольшие показания скорости и давления дымовых газов в отличии от первого случая. Таблица 2.2.5 Распределение скорости движения дымовых газов по дымоходу 43

Таблица 2.2.6 Распределение скорости движения дымовых газов по дымоходу Таблица 2.2.7 Распределение температуры уходящих газов по дымоходу 44

Таблица 2.2.6 Графики зависимости давления, скорости движения, температуры дымовых газов от параметрического расстояния при номинальном режиме работы котла 45

2.3. Теория горения твердого топлива в процессе его сжигания в котлах длительного горения Теория горения приведена в работах Алаева Г.П., Зельдович Я.Б., Частухина В.И., Частухина В.В., Шагаловой С.С., Шницер И.В. и других [28, 39, 40]. Процесс горения твердого топлива представляет собой комплекс сложных физико-химических явлений: теплообмен частиц со средой, выход и горение летучих, горение коксового остатка. Принято считать, что процесс горения можно разбить на относительно независимые стадии: прогрев частицы до выхода или воспламенения летучих; горение летучих веществ около частицы, способствующее быстрому прогреву частицы; горение коксового остатка, состоящего практически только из углерода и золы. Горение летучих, как и прогрев частиц, — относительно быстрый процесс по сравнению с горением коксового остатка. Горение коксового остатка составляет до 90 % общего времени горения угольной частицы. Поточная схема горения твердого топлива представлена на рисунке 2.3.1. Рис. 2.3.1 Поточная схема горения твердого топлива Как видно из рисунка 2.3.1, после подогрева топлива начинается стадия пирогенетического разложения с выделением летучих и коксообразованием. Первичный состав летучих под воздействием среды и высокой температуры сам претерпевает глубокие изменения, окончательно газифицируясь перед вступлением в интенсивный процесс горения. Начало выхода летучих зависит от химического возраста твердых топлив. Например, молодые угли начинают выделять летучие при 170-200 °С, антрациты – при 400 °С. Выделяясь при сравнительно умеренных температурах и смешиваясь с потоком воздуха, летучие первыми проходят все предварительные 46

стадии процесса и первыми воспламеняются. Это определяет их роль как зачинателей процесса. Выделяемое ими тепло способствует температурной активизации твердого углерода кокса, хотя нередко выделяющиеся из куска топлива летучие сами задерживают вступление кокса в активный процесс, создавая вокруг него газовую оболочку, препятствующую доступу кислорода. Одной из важных особенностей горения угольных частиц является четко выраженная стадийность. Стадия I – прохождение стадии подогрева угольной частицы; Стадия II – стадия дальнейшего подогрева частицы и начало низкотемпературных экзотермических реакций внутри объема частицы, следовательно, резко возрастает температура при непрерывной скорости изменения температуры и потери массы. Стадия III – уменьшение скорости роста температур в связи с началом эндотермических реакций. Стадия завершается воспламенением летучих вокруг частицы. Стадия IV – стадия горения летучих; Стадия V - стадия параллельного протекания процессов горения летучих вокруг объема частицы и начала поверхностного гетерогенного горения углерода, о чем свидетельствует резкое возрастание температуры поверхности частицы; Стадия VI - стадия активного поверхностного горения с догоранием вокруг поверхности еще выделяющихся летучих. Во время этой стадии достигается максимальная температура поверхности частицы; Во время прохождения стадий с I по V происходит изменение структуры реагирующей частицы с резким увеличением ее пористости и активации открывающейся поверхности. Стадия VII – стадия активного горения коксового (углеродного) остатка частицы с догоранием еще выделяющихся летучих на ее поверхности; Стадия VIII – горение коксового остатка; Стадия IX – догорание коксового остатка; 47

Стадия X – стадия охлаждения зольного остатка частицы до температуры среды; Согласно [5], физико-химическая модель термохимического превращения твердого топлива в широком диапазоне выглядит следующим образом, представленном на рисунке 2.3.2.  - время полного выгорания топлива;  с - длительность сушки топлива;  вл - длительность выхода летучих веществ;  свл - длительность совместного (параллельного) протекания процессов сушки и выхода летучих веществ;  вл гк - длительность наложения процессов выхода летучих веществ и горения коксовой основы; k i - константа скорости I – й термохимической реакции. 48

Рис. 2.3.2 Механизм и расчетная схема диффузионно-кинетических процессов термохимического превращения и пылеугольной частицы 49

В котлах длительного горения процесс горения топлива характеризуется медленным окислением или же гетерогенным горением. В чистом виде гетерогенные реакции проявляются в крайне ограниченных областях температур, когда скорости этих реакций малы. Искажение закона реагирования вызывается появлением диффузионного торможения: диффузией кислорода и продуктов горения в объеме, окружающем горящую частицу и диффузией внутри массы кокса. Физическая картина заключается в следующем: кислород подводится к внешней поверхности куска, на участках этой поверхности, где нет трещин, часть кислорода вступает в соединение с углеродом и выделяется определенное количество оксида и диоксида углерода. Как отмечается в [7], при горении углеродной частицы можно выделить два основных процесса, определяющих скорость выгорания: диффузию кислорода к поверхности углеродной частицы и собственно скорость химического реагирования кислорода с углеродом. На рисунке 2.3.3 показана схема горения углеродной частицы. Рис. 2.3.3 Схема горения углеродной частицы; 1 – поверхность частицы; 2 – пограничная пленка, 3 – зона турбулентного потока; С о - концентрация кислорода в объеме газа; С п - концентрация кислорода на поверхности частицы; δ – толщина диффузионного пограничного слоя 50

Поток кислорода, поглощаемый за счет химического реагирования, может быть рассчитан по следующей формуле (кг/(м2·с)): j  k  cп (2.3.1) где, k – константа скорости химического реагирования, м/с; cп - концентрация кислорода на поверхности частицы кокса, кг/м3. Поток кислорода, доставляемый за счет диффузии к реагирующей поверхности (кг/(м2·с)): j   D (c o  c п ) (2.3.2) где,  D - коэффициент диффузионного массообмена, м/с; co - концентрация кислорода в объеме газа, кг/м3. Приравнивая потоки и исключая неизвестное значение концентрации углерода на поверхности cп , получим выражение для константы обобщающей скорости взаимодействия включающей как кислорода диффузионное с горящей сопротивление, углеродной так и частицей, сопротивление химической реакции (кг/(м2·с)): j   эфco  co 1 1  k D (2.3.3) где,  эф - коэффициент реакционного газообмена, м/с Исходя из опытным данных, полученные Л.Н. Хитриным [7], в области низких температур скорость химических реакций мала и во много раз меньше скорости, с которой кислород может быть доставлен диффузией к поверхности. Эта зависимость описана на рисунке 2.3.4. 51

Рис. 2.3.4 Зависимость удельного потока реагирования антрацитов от температуры по опытам Л.Н. Хитрина Экспериментальные исследования показали, что взаимодействие кислорода с углеродной частицей приводит к образованию как оксида, так и диоксида углерода. Механизм образования первичных окислов следующий: из газового объема кислород адсорбируется на поверхности углерода. На поверхности атомы кислорода вступают в химическое соединение с углеродом, образуя сложные углеродно-кислородные комплексы. Комплексы распадаются с образованием СО2 и СО. При гетерогенном горении углерода реакция протекает на его поверхности, к которой поступают молекулы кислорода из газового объема. Обычно считают, что изменение констант скоростей реакций от температуры подчиняется закону Аррениуса. Тогда для каждой гетерогенной реакции будет справедливо равенство: ji  ci k oi exp(  Ei ) RT (2.3.4) где i – номер реакции. 52

2.4. Выводы по главе 2 1. Был выполнен расчет процессов горения твердого топлива, а именно определение теоретических объемов продуктов сгорания для трехатомных газов 0 VRO , азота VN02 , водяных паров VH02O . Составлены графические зависимости объема 2 водяных паров, продуктов сгорания от коэффициента избытка воздуха. Рассчитаны энтальпии продуктов сгорания в топке в зависимости от температуры газов и коэффициента избытка воздуха, составлена графическая зависимость. Составлена зависимость калориметрической температуры горения в зависимости от коэффициента избытка воздуха и его температуры, подаваемой в топку. Понижение температуры воздуха, подаваемого воздуха порядка на 10°С дает изменение значения калориметрической температуры в среднем на 20°С. Увеличение коэффициента избытка воздуха на 0,1 понижает калориметрическую температуру до 50°С. Для обеспечения оптимальной работы теплогенератора необходимо поддерживать значение коэффициента избытка воздуха и температуру воздуха, подаваемого в топку. 2. Составлена математическая модель на базе Autodesk CFD 2019. Проанализирована работа системы дымоудаления в двух стадиях горения – розжиг топлива, номинальный режим работы. 3. Изучен процесс горения твердого топлива с избыточным количеством кислорода, стадии горения. В котлах длительного горения процесс горения топлива характеризуется медленным окислением или же гетерогенным горением. В чистом виде гетерогенные реакции проявляются в крайне ограниченных областях температур, когда скорости этих реакций малы. Искажение закона реагирования вызывается появлением диффузионного торможения: диффузией кислорода и продуктов горения в объеме, окружающем горящую частицу и диффузией внутри массы кокса. 53

Глава 3. СОСТОЯНИЯ НАТУРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕПЛОГЕНЕРИРУЮЩИХ ТЕХНИЧЕСКОГО УСТАНОВОК СИСТЕМ ТЕПЛООБЕСПЕЧЕНИЯ ЗДАНИЙ В УСЛОВИЯХ КРАЙНЕГО СЕВЕРА 3.1. Анализ современного состояния систем теплообеспечения в условиях Республики Саха (Якутия) Климатические особенности повышенных требований инженерных систем, т.к. к Республики Саха работоспособности это является и (Якутия) требуют функционированию ключевым фактором для жизнеобеспечения населенных пунктов. Малая плотность населения, большая рассредоточенность между населенными пунктами Якутии, а также их труднодоступность вызывают транспортно-логистические трудности в поставке годовых запасов топлива отдаленным населенным пунктам для обеспечения их централизованным теплоснабжением. Ежегодно на эту дорогостоящую процедуру из средств федерального и региональных бюджетов выделяются сотни миллионов рублей [12]. Основу теплоснабжения республики составляю локальные котельные мощностью от 0,1 Гкал/час до 60 Гкал/ч. Большинство функционирующих котельных по Якутии имеют мощность до 3 Гкал/ч, доля которых в общем количестве составляет 70%. Протяженность тепловых и паровых сетей в двухтрубном исчислении, находящихся на балансе предприятий коммунального хозяйства Республики Саха, составляет порядка 4,4 тыс. км. Прокладка тепловых сетей – надземная, что связано с многолетними мерзлыми грунтами. Данные о протяженности тепловых сетей и характеристики их состояния приведены в таблице 3.1.1. 54

Таблица 3.3.1 Данные о протяженности тепловых сетей в населенных пунктах 2000 2005 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 1865 1752 1562 1567 1552 1490 1422 1375 1355 1307 1259 1202 1288 77,9 74,5 69,9 69,2 68,7 67,7 66,9 65,8 65,6 63,1 62,3 56.2 56,9 - твердом 1169 1053 890 859 843 786 742 723 712 676 649 609 612 - жидком 340 358 303 281 288 281 239 213 205 197 184 202 171 - газообразном 296 293 332 379 387 384 401 409 408 405 396 377 466 Число источников теплоснабжения на конец года Удельный вес источников теплоснабжения мощностью до 3 Гкал/час в их общем числе, процентов из общего числа источников теплоснабжения, работающие на топливе: 55

Продолжение таблицы 3.3.1 Суммарная мощность источников теплоснабжения, 7589,2 8042,5 8476,6 8364,2 8430,6 8387,0 8665,1 8698,2 8853,3 8551,2 8517,2 8527.0 9103,2 Гкал/час Протяженность тепловых и паровых сетей в двухтрубном 3657,6 4081,3 4136,2 3937,6 3770,2 3502,6 3615,3 3547,3 3770,6 3911,2 4038,0 4063.2 4456,8 исчислении, км из нее нуждающихся в замене 992,9 808,4 Удельный вес потерь тепловой энергии в общем объеме поданного в сеть тепла, процентов 13,3 17,8 1165,3 1262,7 1233,7 19,1 21,3 21,6 933,9 809,6 731,5 796,9 710,6 685,3 484,9 518,3 20,6 23,3 24,1 25,3 24,9 24,7 23,8 21,0 56

Современная ситуация в сфере теплоснабжения Якутии характеризуется рядом проблем, состоящими в изношенности оборудования, огромных потерь тепловой энергии, низкой эффективности и надежности. В большинстве районов отсутствует возможность по предоставлению услуг централизованного теплоснабжения зданий и сооружений, водоснабжения и водоотведения, что сильно отражаются на качестве жизни населения. По данным [25], на рис. 3.1.1 представлено оборудование жилого фонда в настоящее время. Оборудование жилого фонда по Республике Саха (Якутия) на 2018г. 70 62,7 60 54 54,1 50,2 50 40 30 20 10 0 1 Централизованное теплоснабжение Горячее водоснабжение Водопровод Канализация Рис.3.1.1 Оборудование жилого фонда по Республике Саха (Якутия) на 2018г. Сверхнормативные расходы топлива (200-280 кг. у.т./Гкал) обусловлены низкой эффективностью работы котельных. Основными причинами низкой энергетической и экологической эффективности котельных являются: плохое техническое состояние и значительные конструктивные недостатки топок и котлов в целом; отсутствие режимных карт, систем автоматики и механизации топочных процессов; некачественное ведение процесса сжигания топлива; длительная эксплуатация котлов на низкой нагрузке (15-40 % от номинальной). 57

Рис. 3.1.2 Тепловые сети в г. Якутск Значительный износ оборудования и тепловых сетей происходит из-за несвоевременного ремонта или замены. В настоящее время уровень износа коммунальной инфраструктуры превышает 50%, в отдельных системах он превышает 70%. Транспортировка теплоты снижается, что связано с высоким износом тепловых сетей и нерациональными режимами их эксплуатации. Как отмечается в [25], потери в тепловых сетях остаются высокими, в среднем по системам Республики Саха (Якутия) в 2016 г. они составили около 25 %, в ряде районов Республики уровень потерь превышает 30% (Томпонский, УстьМайский, Нерюнгринский, Момский, Амгинский, Чурапчинский, Алданский районы). На рисунке 3.1.3 представлены аварийные ситуации тепловых сетей. 58

Рис. 3.1.3 Аварии тепловых сетей в г. Якутск Исходя из этого появляется вариант, как использование автономных источников теплогенераций жизнедеятельности. Также для обеспечения активное развитие требуемых систем условий автономного теплоснабжения является следствием затруднения прокладки тепловых сетей в труднодоступных местах, больших теплопотерь по ходу движения теплоносителя в трубопроводах и повышенной тенденцией коттеджного строительства в пригородных и сельских зонах. Как показывает опыт эксплуатации теплогенераторов малой мощности различных марок по Республике Саха (Якутия), теплопроизводительность и КПД не достигают значений, рекомендованными заводами изготовителями [12, 13]. 59

3.2. Натурное обследование работы твердотопливных котлов длительного горения малой мощности в условиях г. Якутска На текущую дату в климатических условиях г. Якутск были проведены натурные инструментальные обследования твердотопливных котлов длительного горения, эксплуатируемые при экстремально низких температурах. Работы по обследованию проводились в период с 4 квартала 2019- 1 квартал 2020 на базе частного дома в мкрн. Марха, завода ООО «СахаЛипснеле», дома под куполом. Рис. 3.2.1 Твердотопливный котел длительного горения Liepsnele мощностью 40 кВт, расположенный в частном доме мкрн. Марха 60

Рис. 3.2.2 Каскадное расположение котлов длительного горения в котельной завода ООО «СахаЛипснеле» Рис. 3.2.3 Котел длительного горения, установленный в доме под куполом В состав натурных исследований входили следующие виды работ: 1. Визуальное обследование котла, системы дымоудаления, системы отопления; 61

2. Определение климатических характеристик в момент исследования: -температура наружного воздуха; -атмосферное давление. 3. Замер параметров микроклимата в помещении; 4. Определение параметров воздуха, поступающего в топку: -температура воздуха на входе в топку; -скорость воздуха; -влажность воздуха. 4. Определение состава дымовых, коэффициента полезного действия котла методом обратного баланса В ходе проведения исследований были использованы следующие средства измерения (рис.3.2.4): - газоанализатор Testo-340, предназначен для проведения анализа дымовых газов, определения тяги продуктов сгорания, коэффициента избытка воздуха, температуры газов, оснащен датчиками на определение концентрации О2, CO, CO2, H2, трубка Пито; - газоанализатор КГА-8, предназначен для измерения состава сложных газовых смесей в широком диапазоне, а также температуры дымовых газов; - тепловизор Satir HY-G90, предназначен для выполнения измерений высокой точности температурного поля в диапазоне температур – от -20 до +600°С, точность измерений ±2°С; - цифровой портативный измеритель температуры повышенной точности IT-8, предназначен для определения температуры с высокой точностью, диапазон измерений от -200 до +1700°С; - портативный анемометр Testo-405, имеет сенсоры для измерения скорости потока воздуха, температуры окружающей среды, а также объемного расхода воздуха. Погрешность: ±0,1..0,3 м/с, диапазон измерений от 0 до +50°С; -портативный пирометр FLIR C3, предназначен для быстрого выявления температурного поля поверхностей, а также выявления скрытых дефектов. 62

Рис. 3.2.4 Приборы, используемые при исследовании Целью исследований было определение параметров дымовых газов, КПД, тяги, скорости движения дымовых газов при различных температурах наружного воздуха для оценки теплопроизводительности котла. Испытания проводились при естественных климатических условиях и в зависимости от температуры наружного воздуха были разделены на 2 периода: -осенне – весенний (температура наружного воздуха от -8,0 до -25°С); -зимний (температура наружного воздуха от -30 до -50°С). Основными элементами при проведении исследований являлись твердотопливный котел длительного горения марки «Liepsnele»; вытяжная труба; газоанализатор для замера содержания оксидов углерода и азота, а также для замера коэффициента избытка воздуха и температуры уходящих газов. В ходе визуального обследования на рисунках 3.2.5, 3.2.6 зафиксированы обмерзания дымовых труб при температуре наружного воздуха -35°С и ниже. 63

Рис. 3.2.5 мкрн. Марха, ул. Алмаз, 48 Рис. 3.2.6 Завод ООО «СахаЛипснеле» 64

Инструментальный мониторинг тепло-влажностного режима помещения был осуществлен в соответствии с [9] при помощи анемометра Testo-405. Целью проведения мониторинга температурно-влажностных режимов объектов обследования является установление соответствия фактических показателей температурно-влажностных режимов установленным нормативным требованиям и определение рекомендуемых мероприятий по устранению выявленных несоответствий. Результаты мониторинга микроклимата помещений сведены в таблицы 3.2.1, 3.2.2. В качестве нормативных показателей температур был выбран диапазон от 18-21°С. Так в определенные периоды были зафиксированы пониженные температуры внутреннего воздуха (на уровне 17 °С). Данный фактор обуславливается поздней растопкой котлов при интенсивных тепловых потерях через ограждающие конструкции и инфильтрацию. 65

Таблица 3.2.1 Параметры микроклимата помещения котельной завода ООО «Саха Липснеле» № п/п 1 2 Параметры Значения Температура наружного воздуха, °С Температура внутреннего воздуха, °С Примечание 3 -33,2 -35,4 -35,1 -32,3 -32,7 -34 -36,1 18,8 18,1 19 20,5 20,3 22,8 20,7 Происходит догорание топлива Начало растопки Номинальный режим Номинальный режим Номинальный режим Номинальный режим Происходит догорание топлива Таблица 3.2.2 Параметры микроклимата помещения гаража частного дома мкрн. Марха № п/п 1 2 3 Параметры Температура наружного воздуха, °С Температура внутреннего воздуха, °С Примечание Значения -8 -24 -42 -29 -45 -49 -34 -47 -45 -44 18 21 17 18 23 17 21 19 16 17 Номиналь ный режим Происхо дит догоран ие топлива Номина льный режим Происхо дит догоран ие топлива Происхо Происхо дит дит Розжиг Номиналь догоран догоран топлива ный режим ие ие топлива топлива Происхо дит Происходит догоран догорание ие топлива топлива 66

Для необходимого отбора продуктов сгорания были установлены контрольные отверстия в дымоходе (Рис. 3.2.7). В них устанавливается зонд, с помощью которого происходит сбор данных по составу газа и его основных характеристик при помощи газоанализатора Testo-340, КГА-8. Значения результатов приведены в таблицах 3.2.3, 3.2.4,3.2.5. 3 Рис 3.2.7 Отбор продуктов сгорания В дымоходе котла, установленного в доме под куполом, смонтирован регулятор тяги (см. рис. 3.2.8). Это устройство предназначено для стабилизации и компенсации избыточной силы тяги в дымоходе, высота которого превышает 10 метров. Влияние работы регулятора тяги на работу котла представлены в таблице 3.2.6, 3.2.7. Рис 3.2.8 Регулятор тяги 67

Таблица 3.2.3 Значения результатов обследования дымовых газов на базе котла Liepsnele 40 в мкрн. Марха в период наблюдений с ноября 2019 – январь 2020 года при помощи Testo-340 Дата Температура наружного воздуха, °C Темпера тура дымовы х газов, °C Тяга, гПа 03.11.2019 -8 70,1 -0,13 19,9 5486 10.11.2019 -24 88,2 -0,18 17,6 08.12.219 -42 61,4 -0,21 15.12.2019 -29 152 19.12.2019 -45 26.12.2019 19.01.2020 25.01.2020 Содерж Содерж Содерж ание О2, ание ание Н2, % СО, ппм ппм Содержан ие нСО, Альфа ппм Темпера тура точки росы,°C Содерж ание СО2,% Содерж ание Q2,% КПД, % 6988 2,03 16,8 83,2 34477 7,88 28,9 3823 1587 3,01 17,1 82,9 23269 5,67 32,2 19,9 979 780 0,98 44,4 55,6 18689 17,94 23,2 -0,19 16,1 7077 8640 4,2 37,3 62,7 30144 3,92 36,3 84,8 -0,24 18,2 6240 5947 2,24 23,1 66,9 47263 6,59 30,3 -49 188 -0,41 16,3 12945 10420 3,58 44 56 58334 3,9 35,9 -34 151,1 -0,38 14,4 13317 12348 5,4 20 80 42309 2,85 40,1 -47 101 -0,27 17,1 3014 1550 3,46 19,4 80,6 16355 5,14 33,8 -45 96,7 -0,24 14,5 6196 4773 5,74 13,3 86,7 20162 3,04 40,1 -45 85,6 -0,26 15,7 20:05 10908 4,18 14,7 85,3 49510 3,52 37,4 -45 106,6 -0,27 17,1 11534 10816 3 23,9 76,1 61322 4,57 34 -44 150,3 -0,32 16,1 15482 8456 3,7 31,4 68,6 65683 3,62 36,7 68

Продолжение Таблицы 3.2.3 -44 130 -0,28 14,3 14640 10429 5,36 15 85 48477 2,78 40,6 -44 113 -0,27 17,1 10641 9983 3 26 74 57444 4,68 33,8 -43 114 -0,27 17,2 14272 9866 2,69 24,8 75,2 78874 4,58 33,6 -44 116,8 -0,27 15,1 17789 8286 4,43 15,2 84,8 63532 3,06 38,8 -44 109,1 -0,26 14,6 4467 3960 5,72 14,9 85,1 14750 3,15 39,8 -44 106,6 -0,26 13,9 10059 8709 6,04 12,8 87,2 29837 2,73 41,3 Таблица 3.2.4 Значения результатов обследования дымовых газов на базе котла Liepsnele 40 в купольном доме за 19 и 26 января 2020 года при помощи Testo-340 Дата Темпер атура наружн ого воздух а, °C Темпера тура дымовы х газов, °C Тяга, гПа 19.10.2020 -37 128,9 -0,27 -51 182 -51 -51 26.01.2020 Темпера Положени тура е точки регулятор росы,°C а тяги Содерж Содерж Содерж ание О2, ание ание Н2, % СО, ппм ппм Содерж ание СО2,% Содерж ание Q2,% КПД ,% Содержан ие нСО, ппм Альф а 13,7 4926 5910 6,73 13,3 86,7 14208 2,76 50,8 -0,35 14,7 3311 4569 5,74 45,6 54,4 11021 3,2 39,7 165,2 -0,3 12,4 6798 10332 7,64 27,3 72,7 16676 2,33 43,9 45° 207,8 -0,57 12,1 11146 14573 7,73 26,9 73,1 26182 2,19 44,5 Закрытый Ест. условия Ест. условия 69

Продолжение таблицы 3.2.4 -49,5 150 -0,3 7,43 3725 6016 12,6 12,2 87,8 5765 1,52 50,7 Ест условия -49,5 305 -0,41 5,77 9778 13364 13,8 19,7 80,3 13483 1,33 52,5 Открыты й -49,5 255 -0,39 4,46 5212 6053 15,3 15,8 84,2 6617 1,25 53,8 30° -49 135 -0,29 2,37 3722 9689 17,3 7,9 92,1 4196 1,11 55,7 Ест условия -49 235 -0,24 2,19 2771 5727 17,6 18,7 81,3 3094 1,11 55,8 45° -49 481 -0,66 1,94 824 587 17,9 25,2 74,8 908 1,1 56,1 Закрытый -46 469 -0,31 1,62 1825 1064 18,2 19,4 80,6 1977 1,08 56,3 Ест условия -46 345 -0,41 1,38 16400 18122 17,5 15,1 84,9 17553 1,03 56,5 Открыты й -46 260,2 -0,36 1,39 4754 7336 18,2 11,8 88,2 5091 1,06 56,5 60° -42,5 524 -0,34 1,16 8105 11259 18,2 18,1 81,9 8583 1,04 56,7 Ест условия -42,5 360,1 -0,66 1,26 3621 5997 18,3 17,4 82,6 4600 1,05 56,6 Закрытый -42,5 310,9 -0,36 1,02 15985 11494 17,7 14,2 85,8 16937 1,02 56,7 Открыты й -44,5 173 -0,29 1,35 6074 14933 18,2 9,2 90,8 6491 1,05 56,5 Ест условия 70

Продолжение таблицы 3.2.4 -44,5 174 -0,28 1,42 2997 7922 18,3 7,7 92,3 3215 1,06 56,5 30° -45 142 -0,23 1,42 3010 8153 18,3 6,9 93,1 3228 1,06 56,5 60° Таблица 3.2.5 Значения результатов обследования дымовых газов на базе котлов Liepsnele 20 в заводе ООО «СахаЛипснеле» за 13 февраля 2019 года Объекты: г. Якутск завод ООО "СахаЛипснеле" Время O2,% CO2, % CO, ppm NO,ppm Tу.г., SO2, C ppm H2, ppm ALFA Q2, % КПД, % Q3,% Pатм, мм рт.ст Примечание 12:42 15,9 4,7 1317 91 113 78 2681 4,11 15,3 82,8 1,7 736 Топливно- бурый уголь. Номинальный режим 13:51 18,3 2,5 1057 79 135 61 2689 7,77 35,3 61,9 2,6 736 Топливно- бурый уголь. Номинальный режим 15:13 16,9 3,8 268 74 142 12 1634 5,12 25,6 73,8 0,4 736 Топливно- бурый уголь. Номинальный режим 16:07 18,6 2,2 290 57 141 16 1831 8,75 41,7 57,4 0,8 736 Топливно- бурый уголь. Номинальный режим 17:07 17,6 3,1 71 56 141 4 401 6,17 34,2 65,6 0,1 736 Топливно- бурый уголь. Номинальный режим 71

Таблица 3.2.6 Зависимость положения стабилизатора тяги на работу котла при -49,5°С № п/п 1 2 3 Параметры Температура наружного воздуха, °С Температура дымовых газов, °С Тяга, гПа Значения -49,5 150 235 -0,39 -0,24 481 -0,67 174 -0,3 4 Положение стабилизатора тяги Закрыто Естественные условия работы 30° 45° 260,2 -0,36 305 -0,41 60° Полностью открыто Таблица 3.2.7 Зависимость положения стабилизатора тяги на работу котла при -42°С № п/п 1 2 3 Параметры Температура наружного воздуха, °С Температура дымовых газов, °С Тяга, гПа 360,1 -0,59 173 -0,3 4 Положение стабилизатора тяги Закрыто Естественные условия работы Значения -42 174 -0,39 30° 201,3 -0,36 310,9 -0,41 60° Полностью открыто 72

3.3. Выводы по главе 3 1. Исследование работы теплогенераторов во втором диапазоне показывают, при температуре наружного воздуха -35°С и ниже происходит частичное обмерзание дымовой трубы. Это, в свою очередь, влечет к нарушению нормальной работы теплогенератора, уменьшению проходного сечения дымохода путем образования куржака – сниженю тяги; 2. На основе экспериментальных данных составлена зависимость теплопотерь с уходящими газами от коэффициента избытка воздуха и температуры уходящих газов (рис. 3.3.1). Теплопотери с уходящими газами варьируются от 13-45%. Теплопотери с уходящими газами q2, % 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 1 1,5 2 2,5 3 3,5 Коэффициент избытка воздуха 4 4,5 5 Рис. 3.3.1 График зависимости тепловых потерь в котле от коэффициента избытка воздуха и температуры уходящих газов Как видно из графика, при повышении температуры дымовых газов, влияние коэффициента избытка воздуха на интенсивность теплопотерь увеличивается; 73

3. Выявлена точка перехода фаз во втором диапазоне (-43°С), когда котел теряет свои эксплуатационные свойства. Процесс тления переходит в интенсивное горение верхних слоев угля, увеличивая расход топлива, а также снижению коэффициента полезного действия. Это свидетельствует о том, что при пиковых температурных значениях может наблюдаться увеличение объема уходящих газов через дымоход, а значит понижение теплопроизводительности котла и повышение значения коэффициента избытка воздуха; Тяга, гПа -0,45 -0,41 -0,4 -0,35 -0,3 -0,24 -0,25 -0,18 -0,2 -0,15 -0,21 -0,19 -0,13 -0,1 -0,05 0 0 -5 -10 -15 -20 -25 -30 -35 -40 -45 -50 Температура наружного воздуха,°C Рис. 3.3.2 График зависимости естественной тяги в дымоходе твердотопливного котла длительного горения от температуры наружного воздуха 4. Путем проведения замеров доказано, что при увеличении концентрации О2 в дымовых газах снижается теплопроизводительность котлоагрегата, увеличивается коэффициент избытка воздуха, и, как следствие, увеличивается температура дымовых газов. Результаты представлены на рисунке 3.3.3. 74

КПД, % 85 82,8% 80 73,8% 75 70 65,6% 65 61,9% 57,4% 60 55 50 15,5 16 16,5 17 17,5 18 18,5 19 Содержание кислорода в продуктах сгорания, % Рис. 3.3.3 График зависимости коэффициента полезного действия работы котла от процентного содержания кислорода в продуктах сгорания 5. Существуют различные подходы к решению задачи по исключению влияния конденсатообразования. Среди них имеет место быть применение коррозионностойких материалов, снижение влажности топлива (предварительная осушка), увеличение теплоизоляционного слоя дымохода. 6. Использование стабилизатора тяги способствует компенсации избыточной силы тяги. Позволяет исключить детонацию котла посредством автоматического уменьшения подачи воздуха. По результатам исследования, проводимых при -42 С, можно сделать вывод что стабилизатор тяги при естественных условиях работы показывает наименьшее значение тяги в дымоходе и наивысший КПД, а при температуре – 49,5 С при положении стабилизатора тяги в 30 градусов. Исходя из этого возрастает необходимость разработки устройства компенсации избыточной силы тяги при экстремально низких температурах наружного воздуха путем обвязки с сервоприводом. 75

ЗАКЛЮЧЕНИЕ Теоретические исследования, а также результаты натурных исследований позволили решить ряд задач в энергосбережении и надежности работы автономных источников теплогенерации малой мощности, работающие на твердом топливе в климатических условиях Крайнего Севера и сделать следующие выводы: 1. На основе исследования влияния климатических условий на работу твердотопливных котлов длительного горения в условиях Якутии определено, что при достижении температуры -43°С наблюдается переходный момент, когда гетерогенное горение переходит в обычное горение. 2. При температуре наружного воздуха -35°С и ниже происходит частичное обмерзание дымовой трубы. Это, в свою очередь, влечет к нарушению нормальной работы теплогенератора, уменьшению проходного сечения дымохода путем образования куржака – сниженю тяги. 3. Построены графики зависимостей естественной тяги в дымоходе твердотопливного котла длительного горения от температуры наружного воздуха, график зависимости коэффициента полезного действия работы котла от процентного содержания кислорода в продуктах сгорания, график зависимости тепловых потерь в котле от коэффициента избытка воздуха и температуры уходящих газов. 4. Построена имитационная модель системы дымоудаления при условиях экстремально низких температурах наружного воздуха на базе программного комплекса Autodesk CFD 2019. 76

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 1. Алаев Г.П. Топливо и теория горения: учебное пособие/ ЛТА. – Л., 1990. 2. Александровская Л.Н., Аронов И.З., Круглов В.И. Безопасность и надежность технических систем: Учеб. Пособие / Л.Н. Александровская, И.З. Аронов, В.И. Круглов. – М.: Логос, 2008. – 376 с. 3. Батугина Н.С., Гаврилов В.Л., Баракаева И.Д., Тарский Н.Д. Повышение энергобезопасности Заполярных районов Республики Саха (Якутия) на основе освоения местных топливно-энергетических ресурсов // Минеральные ресурсы России, экономика и управление. – М: ООО: «РГ-Информ», 2014 - №6 – с.47-55. 4. Белоусов В.Н., Смородин С.Н., Смирнова О.С. Топливо и теория горения. Ч.I. Топливо: учебное пособие/ СПбГТУРП. – СПб., 2011. – 84 с.: ил. 15. 5. Бойко Е.А., Пачковский С.В.: Диффузионно – кинематическая модель горения и тепломассообмена пылеугольных частиц в газовом потоке / Химия твердого топлива. – М.: Изд-во РАН, 2008. – С.3-13. 6. Бушуев В.В., Воропай Н.И., Мастепанов А.М. и др. Энергетическая безопасность России. Новосибирск: Наука, 1998. 7. Виленский, Т. В. Динамика горения пылевидного топлива / Т. В. Виленский, Д. М. Хзмалян. — Москва : Энергия, 1977. — 248 с. 8. Гаврилова М.К. Климат центральной Якутии. – Якутск: Кн. изд-во, 1973. – 118 с. 9. ГОСТ 30494-2011. «Здания жилые и общественные. Параметры микроклимата в помещениях», -М:, ОАО «СантехНИИпроект» - 12.07.2012. 10. Ельшин А.М., Ижорин М.Н., Жолудов В.С., Овчаренко Е.Г.. Дымовые трубы. – М.: Стройиздат, 2001. – 296 с. 11. Зельдович Я.Б. Теория горения и детонация газов. – М.: Изд-во АН СССР, 1944. 77

12. Иванова А.В. Исследование газовых котлов малой мощности для эксплуатации в условиях Крайнего Севера / А.В. Иванова // Вестник гражданских инженеров. - 2012. - № 6 (35). - С. 102 - 106. 13. Игнатьев B.C. К определению удельных отопительных характеристик при нормировании расхода теплоты и топлива в жилых зданиях / B.C. Игнатьев, А.П. Шадрин, В.А. Иванов // Научно практическая конференция «Энерго- и ресурсоэффективность малоэтажных зданий». Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН, 19-20 марта 2013 г. - С. 174 - 181. 14. Игошин В.А. Методы и средства для малотоннажной переработки нефти, угля и газа. – Мат. конф. «Малотоннажная переработка нефти и газа в РС(Я)». – Якутск, 2001.-С.82-87. 15. Карауш С.А. Теплогенерирующие установки систем теплоснабжения: Учебное пособие для студентов вузов, обучающихся по направлению «Строительство»/ А.Н. Хуторной. - Томск: Томский государственный архитектурно-строительный университет, 2003.- 161 с. 16. Климов Г.М., Климов М.Г.: Материальный и тепловой балансы котельной установки. Методическая разработка к практическим занятиям, курсовому и дипломному проектированию, для студентов очной и заочной форм обучения специальностей: 140104 «ПТ», 270109 «ТГВ», 280101 «БЖД в техносфере». – Ниж. Новгород, ННГАСУ, 2010. – 54 с.: ил. 17. Климов М.Г. Децентрализованные системы водяного отопления индивидуальных жилых зданий: Учебно – методическое пособие для студентов очной и заочной форм обучения по направлениям 08.03.01 Строительство и 13.03.01 Теплоэнергетика и теплотехника, обучающихся в Нижегородском государственном архитектурно - строительном университете - Ниж. Новгород: ННГАСУ, 2016. – 58 с.: ил. 18. Кнорре Г.Ф. Теория топочных процессов / Г.Ф. Кнорре, К.М. Арефьев, А.Г. Блох и др.; под ред. Г.Ф. Кнорре, И.И. Палеева. - М.: Изд. Энергия, 1966.-490 с. 78

19. Мазурова О.К, Кузнецов Н.В, Бутенко А.Н. Автономное теплоснабжение: учебное пособие – Ростов-на-Дону: РГСУ, 2011. – 143 с. 20. Мансуров Р.Ш., Пикулев И.А. Тепловой расчет теплогенератора: методические указания – Оренбург: ГОУ ОГУ, 2006. – 40 с. 21. Михайловский В.П.: Расчеты горения топлива, температурных полей и тепловых установок технологии бетонных и железобетонных изделий: учебное пособие / В.П. Михайловский, Э.Н.Мартемьянова, В.В. Ушаков; под ред. В.П. Михайловского. – Омск: СибАДИ, 2011. – 262 с. 22. Национальный доклад «Теплоснабжение Российской Федерации. Пути выхода из кризиса. Кн. 1 и 2. Министерство промышленности, науки и технологий Российской Федерации». Глобальный экологический фонд. Программа развития ООН. М., 2002. 23. Некрасов А.С., Воронина С.А. Экономические проблемы теплоснабжения России; Сеннова Е.В., Федяев А.В., Стенников В.А. Экономические и организационные проблемы теплового хозяйства. Открытый семинар «Экономические проблемы энергетического комплекса». Заседание 8. М.: ИНП, 2000. 24. О Государственной программе Республики Саха (Якутия) «Обеспечение качественными жилищно-коммунальными услугами и развитие электроэнергетики на 2012-2019 годы»: указ Главы Республики Саха (Якутия) от 12 октября 2011 года №970. 25. О схеме и программе развития электроэнергетики Республики Саха (Якутия) на 2018-2022 годы: указ главы Республики Саха (Якутия) от 23.04.2018 №2515 – с.85-86. 26. Патент РФ № 2013137041/06, 08.08.2013. Отопительный аппарат верхнего горения // Патент России № 2525755. 20.08.2014 Бюл. № 23/ Ваганов Максим Юрьевич, Красаускас Валдас. 27. Петрова Л.А., Латышев В.Г., Буренина О.Н. «Получение бытовых топливных брикетов с использованием нефтяных связующих»// Нефтегазовое дело- 2007.-http://www.ogbus.ru - № гос. регистрации 0320200609. 79

28. Полежаев Ю.В. Законы горения / под ред. Ю.В. Полежаева. М.: Энергомаш, 2006. - 352 с. 29. Полежаев Ю.В. Методы интенсификации горения газообразных топлив / Ю.В. Полежаев // Труды пятой Российской национальной конференции по теплообмену. В 8 томах. Т.1. Общие проблемные доклады. Доклады на круглых столах. - М.: Издательский дом МЭИ, 2010. - С. 52-54. 30. Портола В.А., Луговцова Н.Ю., Торосян Е.С.: Расчет процессов горения и взрыва: учебное пособие / Юргинский технологический институт. – Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2012. – 108 с. 31. Промышленная теплоэнергетика и теплотехника [Текст] : справочник / под общ. ред. : В. А. Григорьева, В. М. Зорина. — Москва : Энергоатомиздат,1983. — 552 с. 32. Сологаев В.И. Автономное теплоснабжение: учебное пособие. – Омск: СибАДИ, 2017. – 51 с. 33. СП 131.13330.2012 Строительная климатология. Актуализированная редакция СНиП 23-01-99*. - М.: Госстрой России ФГУП ЦПП, 2008. - 70 с. 34. СП 41-104-2000 Проектирование автономных источников теплоснабжения. – М.: Госстрой РФ, 2000. 35. СП 50.13330.2012 Тепловая защита зданий. Актуализированная редакция СНиП 23-02-2003. – М.: Госстрой России ФГУП ЦПП, 2006. – 26 с. 36. Технический паспорт и инструкция по монтажу котла «Liepsnele», - Vakaro Rasa, 2013. 37. ТСН 23-343-2002 Республика Саха (Якутия). Теплозащита и энергопотребление жилых и общественных зданий. - Якутск: Минстрой РС(Я), 2002. - 67 с. 38. Фокин В.М. Теплогенерирующие установки систем теплоснабжения. М.: «Издательство Машиностроение-1», 2006. 240 с. 39. Частухин В.И., Частухин В.В. Топливо и теория горения. – Киев: Выща школа, 1989 80

40. Шагалова С.С., Шницер И.В. Сжигание твердых топлив в топках парогенераторов. – Л.: Энергия, 1975. 41. Швер Ц. А., Изюменко С. А. Климат Якутска. Л.: Гидрометеоиздат, 1982. – 246 с. 42. Шишков И.А., Лебедев В.Г., Беляев Д.С. Дымовые трубы энергетических установок – М.: Энергия, 1976. – 176 с. 43. Щеголев М.М. Теплогенераторные установки: учебник для вузов / М.М. Щеголев, Ю.Л. Гусев, М.С. Иванова. - М.: Стройиздат. 1966. - 424с. 44. Яновский, Ф.Б. Энергетическая стратегия и развитие теплоснабжения в Росси / Ф.Б. Яновский, С.А. Михайлова // Энергосбережение. – 2003. - №6. – С. 26-32. 45. Autodesk Simulation CFD, Autodesk Inc., 2019 46. Baldwin B. S., LomaxH. Thin-layer approximation and algebraic model or separated turbulent flows // AIAA Paper 78-257, 1978. 47. Consonni S., Silva P. Applied Thermal Engineering Dounis A.I., Caraiscos С Advanced control systems engineering for energy and comfort management in a building environment - A review / Dounis A.I., Caraiscos С // Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2009. - Vol. 13. - № 6. - pp. 1246-1261. 48. EN 13384-1 (DIN 4705 p.l). Chimneys. Thermal and fluid dynamic calculation methods. 49. G. Lu, G. Gilabert, Y. Yan. Vision based monitoring and characterization of combustion flames / G. Lu, G. Gilabert, Y. Yan // Journal of Physics: Conference Series, 2005. - № 5. - pp. 194-200. 50. Harlow F. H., Welch J. E. Numerical calculation of time-dependent viscous incompressible flow with free surface // Physics of Fluids. 1965. Vol. 8, No 12. - pp. 2182-2189. 51. IssaR. I. Solution of Implicitly Discretized Fluid Flow Equations by Operator Splitting // Journal of Computational Physics. 1986. Vol. 62, № V. pp. 40-65 52. Launder B. E., Spalding D. В. Lectures in Mathematical Models of Turbulence. London: Academic Press, 1972. 81

53. Menter F. R. Eddy Viscosity Transport Equations and their Relation to the Model // ASME Journal of Fluids Engineering. 1997. Vol. 119, No 4. P. 876-884. 54. Smagorinsky J. General Circulation Experiments with the Primitive Equations. I. The Basic Experiment // Monthly Weather Review. 1963. Vol. 91, No 3.P. 99-164. 55. Vandoormaal J. P., RaithbyG. D. Enhancements of the SIMPLE Method for Predicting Incompressible Fluid Flows // Numerical Heat Transfer, Part A: Applications. 1984. Vol. 7, No 2. P. 147-163. 56. Webb R. L. Principles of Enhanced Heat Transfer. - N . У. : John Wiley & Sons, Inc., 1 994. - 556 с 82

Приложение 1 83

Приложение 2 84

Котел Приложение 3 Вход в дом Гаражные ворота Расположение котла Liepsnele в гараже мкрн «Марха» Котел Вход в дом Гаражные ворота Расположение котла Liepsnele доме под куполом 85

Котел Проход на завод Наружная дверь Каскадное расположение котлов Liepsnele в котельной завода ООО «СахаЛипснеле» 86

Приложение 4 87

Приложение 5 Наимено вание Max, t°C Min, t°C Средняя, t°C IR12 P1 27,3 27,3 27,3 P2 25,3 25,3 25,3 P3 27,5 27,5 27,5 P4 28,2 28,2 28,2 Наимено вание Max, t°C Min, t°C Средняя, t°C IR13 P1 -12,9 -12,9 -12,9 P2 -14,9 -14,9 -14,9 P3 -13,6 -13,6 -13,6 P4 -15,8 -15,8 -15,8 Наимено вание Max, t°C Min, t°C Средняя, t°C IR14 P1 -16,2 -16,2 -16,2 P2 -14,2 -14,2 -14,2 P3 -7,7 -7,7 -7,7 Наимено вание Max, t°C Min, t°C Средняя, t°C IR15 P1 -10,4 -10,4 -10,4 P2 -14,8 -14,8 -14,8 P3 -14,2 -14,2 -14,2 93

Наимено вание Max, t°C Min, t°C Средняя, t°C IR16 L1 68,2 45,9 61,5 Наимено вание Max, t°C Min, t°C Средняя, t°C IR1 P1 26,3 26,3 26,3 P2 25,8 25,8 25,8 P3 25,4 25,4 25,4 Наимено вание Max, t°C Min, t°C Средняя, t°C IR2 L1 25,4 19,9 24,0 Наимено вание Max, t°C Min, t°C Средняя, t°C IR3 P1 14,7 14,7 14,7 P2 16,0 16,0 16,0 P3 25,5 25,5 25,5 94

Наимено вание Max, t°C Min, t°C Средняя, t°C IR4 L1 27,4 25,0 26,4 Наимено вание Max, t°C Min, t°C Средняя, t°C IR5 L1 34,4 29,2 32,5 Наимено вание Max, t°C Min, t°C Средняя, t°C IR6 P1 44,4 44,4 44,4 P2 156,3 156,3 156,3 P3 25,5 25,5 25,5 Наимено вание Max, t°C Min, t°C Средняя, t°C IR7 P1 83,3 83,3 83,3 P2 33,4 33,4 33,4 P3 32,4 32,4 32,4 P4 43,3 43,3 43,3 95

Наимено вание Max, t°C Min, t°C Средняя, t°C IR8 L1 62,1 47,7 59,1 Наимено вание Max, t°C Min, t°C Средняя, t°C IR9 L1 65,9 58,7 64,3 Наимено вание Max, t°C Min, t°C Средняя, t°C IR10 L1 52,0 -1,9 12,6 Наимено вание Max, t°C Min, t°C Средняя, t°C IR11 P1 -9,3 -9,3 -9,3 P2 2,7 2,7 2,7 P3 -9,3 -9,3 -9,3 P4 -13,2 -13,2 -13,2 P5 -13,8 -13,8 -13,8 96

Приложение 6 Пример опросного листа, разработанного в рамках проведения натурных исследований Дата Время Темп. наружного воздуха Параметры микроклимата в помещении Скорость наружного ветра м/с Темп.внутреннего воздуха Температура забора воздуха Температура дымовых газов Тяга Вид топлива Стадия растопки Скорость Влажность, забора % воздуха 97

Приложение 7 РЕЗУЛЬТАТЫ ПАТЕНТНОГО ПОИСКА № 1. Название изобретения Страна выдачи, Вид и номер охранного документа, Классификацион ный Индекс. Дата публикации. ТЕПЛОГЕНЕРАТ Россия, патент ОР №2047818 ИНДИВИДУАЛЬ МПК НОГО F24B 1/183 ПОЛЬЗОВАНИЯ (1995.01) F24B 1/185 (1995.01) Заявка: 29.07.1992 Опубликовано: 10. 11.1995 Заявление (Патентообладатель), Страна, номер заявки Существенные признаки, задача, решаемая и изобретение(полезной моделью) Автор(ы): Черненков В.П (RU) Изобретение позволяет повысить полноту использования тепла сжигаемого топлива, при упрощении эксплуатации теплогенератора в межсезонный период. Сущность: теплогенератор содержит теплоизолирующий корпус, выполненный из панелей, внутренний объем которого разделен вертикальной перегородкой на отопительно-варочную и газоходную секции. В топочном пространстве вдоль его боковых сторон размещены тепловоспринимающие экраны. Духовой шкаф одной стенкой ограничивает по длине топочное пространство, от которого она отделена защитным экраном, выполненным в виде жалюзи. Газоход образован зазором между остальными стенками духового шкафа и параллельными им панелями теплоизолирующего корпуса, при этом его участок, размещенный над верхней стенкой духового шкафа, разделен продольной перегородкой на верхний, снабженный заслонкой, и нижний газоходные каналы. Газоходная секция теплогенератора разделена горизонтальной перегородкой, снабженной окнами, на верхний и нижний газоходные отсеки, при этом в верхнем отсеке размещен трубный пучок поверхностного теплообменника, подключенного к системе горячего водоснабжения, а в нижнем трубный пучок теплообменника системы отопления. Верхний отсек снабжен патрубком для подключения к дымоходу и связан с топочным пространством регулируемым окном с шиберной заслонкой, а нижний связан с концом газохода посредством соединительного окна. Теплогенератор подключен к выносному поверхностному Патентообладатель( и): Малое предприятие Учебнонаучновнедренчески й центр "Энком" (RU) 98

2 3 4 СПОСОБ АВТОМАТИЧЕС КОГО РЕГУЛИРОВАН ИЯ РЕЖИМА ГОРЕНИЯ В ТОПКЕ КОТЛА Россия, патент № 2247900 МПК F23N 1/02 (2000.01) Заявка: 18.03.2003 Опубликовано: 27.09.2004 Автор(ы): Штрамбранд Б.А. (RU), Киселев М.В. (RU) СПОСОБ АВТОМАТИЧЕС КОГО УПРАВЛЕНИЯ И КОНТРОЛЯ КОТЛОАГРЕГАТ А Россия, патент № 2300705 МПК F23N 1/00 (2006.01) Заявка: 21.01.2005 Опубликовано: 10.06.2007 Автор(ы): Штрамбранд Борис Абрамович (RU), Мамзер Александр Феодосьевич (RU) ВОДОНАГРЕВА ТЕЛЬНЫЙ ТЕРМОРЕГУЛИР УЕМЫЙ БАК С КОАКСИАЛЬНЫ М Россия, патент № 2460946 МПК F24C13/00 (2006.01) F24H 1/24 (2006.01) Автор(ы): Милкин Владимир Иванович (RU), Калитенков Николай Васильевич (RU) Патентообладатель( и): Штрамбранд Борис Абрамович (RU) Патентообладатель( и): Штрамбранд Борис Абрамович (RU) теплообменнику, который посредством перемычки с задвижкой дополнительно подключен к обратному трубопроводу. Изобретение предназначено для использования в области теплоэнергетики. Способ автоматического регулирования режима горения в топке котла осуществляется путем постоянного измерения содержания окиси углерода посредством датчика в газовом тракте дымохода в целях корректировки подачи воздуха к горелкам и более экономичного способа сжигания топлива. Изобретение позволяет осуществить экономию электроэнергии, улучшить работу котлоагрегатов с экологической точки зрения. Изобретение предназначено для регулирования режима горения в топке котла и может быть использовано в энерготеплоэнергетике. Способ автоматического управления и контроля котлоагрегатом осуществляется путем измерения сигналов по расходу топлива и воздуха, которые вводятся в контроллер, при этом в процессе горения с помощью датчиков непрерывно измеряют содержание окиси углерода и кислорода, давление топлива и давление воздуха и совместно с предварительно измеренным соотношением расхода воздуха и топлива контроллер формирует сигнал для управления вентилятором. Датчики, измеряющие содержание окиси углерода и кислорода, устанавливают непосредственно в газовом тракте дымохода котлоагрегата. Измеряют разрежение в дымовом тракте, с учетом которого формируют упомянутый сигнал на управляющий блок в виде частотного преобразователя для плавного управления дымососом и вентилятором, который постоянно поддерживает содержание окиси углерода СО в дымовых газах в количестве 0,1-0,2% и (или) кислорода O2=0. Изобретение относится к устройствам для подогрева воды и может применяться при использовании воздухогрейных, отопительно-варочных и, преимущественно, для дровяных банных печей. Водонагревательный терморегулируемый бак с коаксиальным энергоэффективным дымоходом содержит емкость для воды, патрубки дымохода для подвода и отвода проходящих дымовых газов и встроенный внутрь нагревательный дымоход. 99

5 6 ЭНЕРГОЭФФЕК ТИВНЫМ ДЫМОХОДОМ (ВАРИАНТЫ) Заявка: 10.02.2011 Опубликовано: 10.09.2012 Патентообладатель( и): Милкин Владимир Иванович (RU) СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРО Й ДЫМОВЫХ ГАЗОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕН ИЯ Россия, патент № 2543371 МПК F23J 11/00 (2006.01) F23B 99/00 (2006.01) Заявка: 07.08.2013 Опубликовано: 27.02.2015 Автор(ы): Илиодоров Владимир Александрович (RU) УСТРОЙСТВО ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОС ТИ ТВЁРДОТОПЛИ ВНОГО Россия, патент № 2594099 МПК F23B 60/00 (2006.01) Автор(ы): Илиодоров Владимир Александрович (RU) Патентообладатель( и): Илиодоров Владимир Александрович (RU) Патентообладатель( и): Илиодоров Нагревательный дымоход в размерах бака по высоте выполнен коаксиальным, двухходовым, с основным центральным дымоходом и камерой дополнительного дымохода снаружи основного. Дополнительно введен поворотный шибер, установленный ниже средней части водонагревательного бака, перекрывающий основной центральный дымоход, с ручкой для регулирования его проходного сечения. Камера дополнительного дымохода выполнена с площадью проходного сечения дополнительного дымохода не менее площади сечения основного центрального дымохода, при перфорировании в стенке основного центрального дымохода в верхней части коаксиального дымохода на уровне верха водонагревательного бака и в нижней части ниже шибера на уровне дна водонагревательного бака рядов отверстий, соединяющих пространства камеры и основного центрального дымохода для образования дополнительного дымохода, с общими площадями сечений отверстий верхнего и нижнего рядов, соизмеримыми с площадью сечения основного центрального дымохода. Охарактеризованы варианты выполнения такого бака. Группа изобретений относится к теплоэнергетике, а именно к системам отопления на твердом топливе, и может быть использована для создания отопительных приборов с повышенной эффективностью. Способ управления температурой дымовых газов, в котором изменяют объем входящего воздуха, а в процессе сжигания топлива разделяют дымовые газы на горячий и холодный потоки, изменяют величину горячего потока и объединяют его с холодным потоком. Способ может быть реализован в твердотопливных отопительных приборах прямого (печи), косвенного (котлы) и смешанного нагрева, а также отопительных приборах с верхним горением, верхней загрузкой, газогенераторных и др. Группа изобретений направлена на повышение эффективности твердотопливных отопительных приборов в широком диапазоне производимых тепловых мощностей, за счет стабилизации температуры дымовых газов Изобретение относится к теплоэнергетике, а именно к системам отопления на твердом топливе, и может быть использовано для создания отопительных приборов с повышенной эффективностью. Устройство повышения эффективности твердотопливного отопительного прибора содержит корпус отопительного прибора с загрузочной дверцей, патрубок для вывода дымовых газов, расположенный в верхней части корпуса возле одного из ребер, и 100

ОТОПИТЕЛЬНО ГО ПРИБОРА 7 8 УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ ТЕПЛОВОЙ МОЩНОСТЬЮ ОТОПИТЕЛЬНО ГО ПРИБОРА ТВЕРДОТОПЛИ ВНЫЙ КОТЕЛ ДЛИТЕЛЬНОГО ГОРЕНИЯ F23B 80/04 (2006.01) F23J 11/00 (2006.01) F24B 3/00 (2006.01) Заявка: 16.01.2015 Опубликовано: 10.08.2016 Россия, патент № 2635699 МПК F24B 1/189 (2006.01) F24B 1/19 (2006.01) F23L 3/00 (2006.01) F23L 13/00 (2006.01) Заявка: 06.09.2016 Опубликовано: 15.11.2017 Россия, патент № 132530 МПК F24H 1/24 (2006.01) Заявка: 02.04.2013 Опубликовано: 20.09.2013 Владимир Александрович (RU) подвижно соединенный с ним внутри корпуса угловой патрубок, имеющий фиксатор горизонтального положения или привод от загрузочной дверцы с фиксатором положения. Техническим результатом является упрощение и удешевление устройства повышения эффективности твердотопливного отопительного прибора, а также упрощение его эксплуатации. Автор(ы): Илиодоров Владимир Александрович (RU), Рыжов Вадим Сергеевич (RU) Изобретение относится к теплоэнергетике, а именно к системам управления мощностью отопительных приборов на твердом топливе, и может быть использовано для создания отопительных приборов с повышенной эффективностью. Технический результат - повышение точности управления тепловой мощностью отопительного прибора и повышение его экономичности при сохранении простоты конструкции. Устройство управления тепловой мощностью отопительного прибора содержит установленный в зольнике зольный ящик, на котором возле передней стенки между боковыми стенками установлена пластина с отверстием, а на передней стенке зольника вокруг верхней и боковых сторон зольного ящика размещена П-образная пластина Патентообладатель( и): Рыжов Вадим Сергеевич (RU) Автор(ы): Башкирцев Олег Григорьевич (RU), Дробот Роман Юрьевич (RU), Родичев Владимир Михайлович (RU), Стариков Александр Евгеньевич (RU), Савоськин Максим Юрьевич (RU), Савоськин Денис Юрьевич (RU), Веденцов Денис Сергеевич (RU) Твердотопливный котел длительного горения содержит теплообменник с расположенным под ним зольником, к которому присоединен воздухозаборник, теплообменник, выполненный в виде вертикально установленного бака, внутри которого в верхней части расположены топливный бункер с дверкой для загрузки топлива и как минимум один газоход, выход которого выведен в верхнюю часть топливного бункера, где к нему присоединен дымоход, а внутри нижней части бака теплообменника расположена топка с колосниковой решеткой и воздуховодами дополнительного воздуха, отличающийся тем, что в топке вдоль внутренней стенки теплообменника установлена как минимум одна камера дожига продуктов сгорания и в ней расположены катализаторы горения, причем вход камеры дожига расположен над колосниковой решеткой, а ее выход соединен со входом газохода, причем выходы воздуховодов дополнительного воздуха введены в камеру дожига. 101

Патентообладатель( и): Башкирцев Олег Григорьевич (RU), Дробот Роман Юрьевич (RU), Родичев Владимир Михайлович (RU), Стариков Александр Евгеньевич (RU), Савоськин Максим Юрьевич (RU), Савоськин Денис Юрьевич (RU), Веденцов Денис Сергеевич (RU) 9 10 ПОРШЕНЬ ДЛЯ ПЕЧИ УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ ТЕПЛОВОЙ МОЩНОСТЬЮ ОТОПИТЕЛЬНО ГО ПРИБОРА Россия, патент № 171801 МПК F24B 1/19 (2006.01) F23L 1/00 (2006.01) Заявка: 29.03.2017 Опубликовано: 16.06.2017 Автор(ы): Винников Андрей Геннадьевич (RU) Россия, патент № 174496 МПК F23N 3/00 (2006.01) Заявка: 02.12.2016 Опубликовано: 17.10.2017 Автор(ы): Лелькин Геннадий Анатольевич (RU), Вихляев Иван Николаевич (RU), Патентообладатель( и): Апетян Павел Мкртычевич (RU) Полезная модель относится к отоплению, а именно к элементам бытовых печей, в частности к устройствам с каналами для подачи первичного воздуха, необходимого для горения. Техническим результатом является повышение степени разогрева зоны горения с целью повышения эффективности печи и сокращение удельного расхода топлива за счет предварительного нагрева балластных газов. Поршень содержит воздухозаборную трубу и основание, на одной стороне которого расположены распределительные каналы, соединенные с воздухозаборной трубой, а на другой стороне основания расположены фокусирующие каналы, соединенные с распределительными каналами и снабженные отверстиями. Устройство регулирования подачи воздуха в печи, работающее на твердом топливе, относится к области регулирования подвода воздуха или тяги с сервоприводом. Полезная модель состоит из датчика температуры, расположенного на печи, сервопривода, соединенного гибкой связью с заслонкой подачи воздуха в топку печи, программируемого микрочипа, получающего сигнал от датчика температуры и герконов, панели управления и электродвигателя, поднимающего или опускающего заслонку. Техническими 102

Галанов Владимир Григорьевич (RU) Патентообладатель( и): Общество с ограниченной ответственностью "Призма" (RU) 11 КОНДЕНСАЦИО ННЫЙ МОДУЛЬУТИЛИЗАТОР ДЫМОВЫХ ГАЗОВ Россия, патент № 180166 МПК F22B 1/18 (2006.01) F28B 9/08 (2006.01) СПК F22B 1/18 (2018.02) F28B 9/08 (2018.02) Автор(ы): Инягин Александр Николаевич (RU) Патентообладатель( и): Инягин Александр Николаевич (RU) задачами, на решение которых направлена полезная модель, являются экономия твердого топлива и поддержание заданной температуры работы печи. Техническим результатом полезной модели является поддержание постоянной температуры горения в течении длительного времени или программируемого изменения режима горения, благодаря чему достигается значительная экономия твердого топлива, соответственно увеличивается полезное время работы печи, устройство поддерживает заданный режим горения вплоть до полного прогорания твердого топлива и падения температуры теплоносителя до 35°С, что приводит к подаче сигнала на закрытие заслонки в целях сохранения температуры теплоносителя Конденсационный модуль-утилизатор дымовых газов предназначен для повышения КПД котельной установки за счет использования энергии теплоты уходящих дымовых газов, в том числе скрытой энергии парообразования, затраченной на испарение воды в результате горения природного газа и других продуктов сгорания. Конденсационный модуль-утилизатор дымовых газов состоит из корпуса и помещенного внутри него теплообменного трубчатого элемента из одной или нескольких цилиндрически навитых тонкостенных гофрированных трубок. Корпус снабжен патрубками для подвода и отвода дымовых газов, а также конденсатоотводной трубкой. Поток дымовых газов обтекает теплообменный элемент, при этом водяные пары конденсируются на стенках теплообменного элемента, стекают вниз и удаляются из корпуса. Конструкция позволяет использовать данный конденсационный утилизатор дымовых газов в качестве дополнительного модуля, встраиваемого в дымоход, в том числе сбоку от котла при наличии принудительной тяги 103

Рецензии:

Авторизуйтесь, чтобы добавить рецензию

- у работы пока нет рецензий -

Отзывы:

Авторизуйтесь, чтобы оставить отзыв