Моделирование процесса горения топливной смеси в модулируемой горелке газового котла в ресторане

Введение

Наиболее энергоэффективными являются котлы с модуляционными горелками. Они позволяют регулировать мощность горения в зависимости от потребности в тепле, что обеспечивает более эффективное использование топлива и снижает выбросы вредных веществ. Модуляционные горелки – это вид горелок, которые автоматически регулируют мощность горения в зависимости от потребности в тепле. Они позволяют котлу работать более эффективно, так как всегда обеспечивают нужное количество тепла без лишних затрат топлива.

Основная часть

Модуляционные горелки в котле для ресторана – это эффективное решение, которое позволит обеспечить стабильную температуру и комфорт для посетителей и персонала.

Преимущества использования модуляционных горелок в ресторане:

• Экономия топлива. Модуляционные горелки автоматически регулируют мощность горения в зависимости от потребности в тепле, что позволяет более эффективно использовать топливо и снижать расходы.
• Стабильная температура. Горелки поддерживают стабильную температуру в помещении без резких колебаний, создавая комфортные условия для посетителей и сотрудников.
• Долговечность. Равномерная работа горелок уменьшает износ оборудования, увеличивая срок его службы и снижая затраты на ремонт и обслуживание.
• Экологичность. Благодаря эффективному использованию топлива и снижению выбросов вредных веществ, модуляционные горелки способствуют созданию более экологичной среды.

Исследование влияния модулируемых горелок на эффективность и экономичность систем отопления показало, что они могут значительно повысить эти показатели. Благодаря способности регулировать мощность, модулируемые горелки позволяют котлу работать более эффективно, используя меньше газа для достижения заданной температуры. Это не только экономит деньги, но и снижает выбросы вредных веществ в атмосферу. Также модулируемые горелки помогают поддерживать стабильную температуру в системе отопления, что способствует более комфортному проживанию и снижению риска перегрева или недогрева помещений. Однако для максимальной эффективности и экономичности необходимо правильно настроить и обслуживать модулируемую горелку.

Использование модуляционных горелок особенно актуально для ресторанов, где требуется поддерживать стабильную температуру для создания комфортных условий для посетителей. Это также способствует снижению затрат на топливо и повышению эффективности работы системы отопления.

Выбор модуляционных горелок для ресторана зависит от нескольких факторов, включая размер помещения, тип котла и бюджет. При выборе горелки важно обратить внимание на её мощность, эффективность и уровень шума. Также стоит учесть возможность интеграции с другими системами управления зданием и наличие дополнительных функций, таких как автоматическое отключение при перегреве или контроль пламени. Для ресторанов с большими залами и высокими потолками подойдут мощные горелки с широким диапазоном регулирования. Для небольших помещений можно выбрать более компактные модели с низким уровнем шума. Важно также учесть требования к установке и обслуживанию горелок, чтобы обеспечить их надёжную работу в течение долгого времени.

Рис. 1. Схема котла с модулируемой горелкой

Рис. 2. Модулируемая горелка

Принцип работы модулируемой горелки:

1. Подача топлива. Горелка подаёт определённое количество топлива в камеру сгорания.
2. Смешивание с воздухом. Топливо смешивается с воздухом, образуя горючую смесь.
3. Сжигание. Смесь поджигается и сгорает, выделяя тепло.
4. Контроль мощности. В зависимости от температуры в помещении или на производстве, горелка автоматически регулирует свою мощность. Если температура высокая, горелка уменьшает мощность, чтобы избежать перегрева. Если температура низкая, горелка увеличивает мощность для поддержания комфортной температуры.
5. Модуляция. Благодаря модуляции, горелка может работать в широком диапазоне мощностей, что обеспечивает более точное регулирование температуры и экономию топлива.
6. Автоматическое управление. Модулируемые горелки обычно оснащены электронными системами управления, которые автоматически регулируют работу горелки в соответствии с заданными параметрами.
7. Безопасность. Современные модулируемые горелки также оснащены системами безопасности, такими как датчики контроля пламени, давления и температуры, что предотвращает аварийные ситуации.

КПД (коэффициент полезного действия) модуляционной горелки зависит от её типа, конструкции и условий эксплуатации. В среднем КПД таких горелок составляет 90–98%. Это означает, что 90–98% энергии, выделяемой при сгорании топлива, используется для нагрева теплоносителя или другого процесса, а остальные 2–10% теряются в виде тепла, уходящего в дымоход, или других потерь.

КПД модуляционных горелок может варьироваться в зависимости от следующих факторов:

• Тип топлива: газовые горелки обычно имеют более высокий КПД по сравнению с дизельными или другими типами горелок.
• Конструкция горелки: современные модулируемые горелки с улучшенной конструкцией могут иметь более высокий КПД.
• Условия эксплуатации: оптимальная работа горелки при правильных настройках и условиях эксплуатации может повысить её КПД.

Для достижения максимального КПД модуляционных горелок важно проводить регулярное техническое обслуживание, проверять и очищать компоненты горелки, а также обеспечивать правильную настройку и эксплуатацию оборудования.

Результаты исследования

Для определения основных показателей работы модулируемой горелки, а именно температуры продуктов сгорания, распределения температур в факеле, распределение концентраций компонентов горения, было проведено компьютерное моделирование процесса горения с использованием программного комплекса ЛОГОС-Препост (Аэро-Гидро).

ЛОГОС-Препост (Аэро-Гидро) является универсальной программной системой конечно-элементного анализа, предназначенной для автоматизированных инженерных расчётов и решения различных задач.

Модуль Логос позволяет выполнять глубокий анализ гидрогазодинамики во многих типах изделий и процессов, что дает возможность не только снизить необходимость дорогостоящих прототипов, но и получить исчерпывающие данные, которые не всегда доступны при проведении экспериментальных исследований. Моделирование жидкости и газов может также служить дополнением к физическому эксперименту [1]. При работе с модулем компьютерное моделирование проходит в несколько этапов. Первый этап – построение 3D модели. Основной целью является создание адекватной конечно-элементной модели, состоящей из узлов и элементов, а также ее последующая подготовка к моделированию. Для создания геометрии была использована программа SOLIDWORKS.

Топливная горелка, по которой подается горючее, располагается в воздушном канале. Общий диаметр горелки 50 мм; диаметр топливного канала – 3,6 мм; длина горелки составляет 150 мм.

Условия на границах расчетной области:

• на границе топливного канала задано граничное условие Массовый расход с величиной расхода 0,004661 и массовыми концентрациями метана и кислорода, равными 0,5;
• на границе внешнего потока задано граничное условие Массовый расход с величиной расхода 0,0086224 и массовыми концентрациями азота и кислорода, равными 0,76 и 0,24 соответственно;
• на выходной границе задано граничное условие типа Давление с величиной статического давления, равной 101325 Па.

Рис. 3

В узле Физическая модель ставим параметр Тип течения в значение турбулентное. Надо активировать параметры Многокомпонентные течения, Химические реакции и Излучение.

В элементе Вещества > air_1 > Компоненты по умолчанию уже есть один компонент. Далее нажатием правой кнопки мыши на элементе Компоненты нужно добавить еще шесть, чтобы в итоге получилось семь компонентов, как показано на рисунках ниже: H2, O2, H2O, CH4, CO2, N2, CO.

Теплоемкости задаются с использованием полиномов четвертой степени.

Для компонента H2 заданы следующие значения теплоемкости: Tmin=100; Tmax=5000; TBorder=1000; Коэффициенты первого полинома – [13602,5; 3,40232; -0,00335842; -3,90795e-07; 1,70535e-09]; Коэффициенты второго полинома – [12337,5; 2,88727; -0,000232356; -3,80738e-08; 6,52774e-12].

Рис. 4. Параметры для физических свойств компонента H2

И так далее для всех компонентов.

Для элемента Регионы > Region_1 > Инициализация задается начальная инициализация полей по регионам.

Задаем следующие значения для: компонент вектора скорости (м/с):

U=-60; V=0; W=110; начального давления P=101325 Па; температуры T=288 К;

Параметров турбулентности:

Интенсивность – 0,01; Длина перемешивания – 1,4e-05.

Далее необходимо задать граничные условия. Раскрываем элемент Регионы > Region_1> Границы. В элементе Границы для каждой границы выбирается тип граничных условий.

Для границ Body_2.Right_wall, Body_2.Top, Body_2.Wall_duct, Body_2.Wall1, Body_2.Wall2 выбераем Тип граничного условия Стенка без проскальзывания (WallNoSlip).

Для границ Body_2.Left_Symmetry, Body_2.Bottom_Symmetry выбераем Тип граничного условия Плоскость симметрии (Symmetry).

Для границы Body_2.Outlet выберите Тип граничного условия Давление (Pressure).

Для границы Body_2.Inlet выбираем Тип граничного условия Массовый расход (MassFlow).

Для локального запуска задачи на счет на панели Расчет нажимаем кнопку Запустить расчетную задачу. Оценка численных результатов осуществляется с помощью программы ScientificView, расположенную на панели инструментов ЛОГОС-Препост (Аэро-Гидро). Отображение распределения поля температуры по поверхности модели на конечный момент времени приведено на рисунке ниже.

Рис. 5. Отображение распределения поля температуры по поверхности модели

Рис. 6. Отображение распределения поля температуры по поверхности модели

Рис. 7. Отображение распределения поля температуры по поверхности модели

Заключение

Анализ распределения поля температуры позволяет выявить области с высокими или низкими температурами, а также определить причины неравномерного распределения температуры. Это может помочь оптимизировать процессы, связанные с нагревом или охлаждением моделей, и повысить эффективность работы системы. Использование модуляционных горелок позволяет повысить эффективность работы теплового оборудования, снизить расходы на топливо и сделать эксплуатацию более удобной и безопасной.