12. Влияние режимов горения газообразного топлива на экономичность работы печи

Для того чтобы правильно произвести газификацию печи, целесообразно выяснить те факторы, которые оказывают существенное влияние на экономичность сжигания газа. Об экономичности использования газа в отопительных печах, как и в любом другом тепловом аппарате, по коэффициенту полезного действия. КПД отопительных печен в основном зависит от коэффициента избытка воздуха в топливнике печи (α_т), площади тепловоспринимающей поверхности дымооборотов длительности топки и часовой подачи газа.

Рассмотрим характер влияния этих параметров на экономичность работы печи.

1. Многолетние эксплуатационные наблюдения за работой отопительных печей на газе показали, что оптимальная величина коэффициента избытка воздуха должна находиться в пределах 1,9 - 2Д. При больших значениях α_т=3-4 КПД печей заметно снижается, что видно из графика (рис. 26, а). Чем меньше площадь внутренней воспринимающей поверхности дымооборотов, тем в большей степени сказывается величина коэффициента избытка на снижение КПД печи. Например, если α_т увеличится в топливнике с 1,5 до 4,5, то в печи с площадью внутренней тепловоспринимающей поверхности дымооборотов S^вн_дым= 1,5 м² КПД снизится на 38%, а в печи с S^вн_дым=4,5 м² - только на 17%.

Большие избытки воздуха в газифицированных печах наблюдаются в тел случаях, когда при установке горелок в топливник оставляют без изменения прежнюю зольниковую дверку размером 13×13 см или 19×13 см. Зимой, особенно в сильные морозы, через такую дверку в печь поступает в 6 - 7 раз воздуха больше, чем требуется для нормального сжигания 1,5 - 2 м³/ч газа. Это объясняется следующим,

Когда печь эксплуатируется на твердом топливе, то процесс горения складывается из трех периодов: разгорания, стадии интенсивного горения и стадии догорания. Во время интенсивного горения возрастает скорость оксидно-восстановительных процессов, увеличивается выход летучих веществ в единицу времени. В этот период для полного сгорания топлива требуется в несколько раз больше воздуха, чем в моменты разгорания или догорания топлива. Поэтому в печах, предназначенных для твердого топлива, ставят значительные по размерам зольниковые дверки. Одноразовая топка твердым топливом (дровами, углем) наиболее распространенных теплоемких печей (со средней теплопроизводительностью 2 - 2,3 кВт) до перевода их на газ производится обычно в течение не более 1,5 ч. При этом среднее количество теплоты, выделяющейся за 1 ч в топливниках, составляет 52 - 59 кВт. Соответственно количество воздуха, поступающего в топливник печи (при среднем α_т=3) через поддувальную дверку и поддерживающего режим горения, должно быть не менее 150 - 160.

Иначе протекает процесс горения при сжигании газообразного топлива. Поступление горючего газа в топливник происходит непрерывно и с постоянной скоростью. Поэтому количество воздуха, поступающего в топливник в любой момент времени, практически не изменяется в течение всей топки и, главное, воздуха требуется значительно меньше, чем для твердого топлива в период интенсивного горения. Например, для сжигания 1,5 м³/ч природного газа при α_т=2 требуется около 30 м³ воздуха. Если принять минимальное разрежение в топливнике 2 Па и учесть, что на колосниковой решетке отсутствует слой топлива, создающего добавочное гидравлическое сопротивление, то для поступления в топливник 30 м³ воздуха потребуется входное отверстие в зольнике с площадью сечения около 35 см². Существующие отопительные печи имеют зольниковые дверки размером 13×13 и 19×13 см с соответствующими площадями сечения 169 и 247 см². При наличии таких дверок в поддувале газифицированных печей в эксплуатационных условиях практически невозможно отрегулировать подачу количества воздуха, необходимого для сжигания газа.

Как отражается неумелая регулировка вторичного воздуха на экономичности работы печей, показали испытания различных многооборотных печей, установленных в одном из районов Москвы. Каждую из испытываемых печей исследовали 2 раза: первый раз топку проводили сотрудники Академии коммунального хозяйства (АКХ), используя контрольно-измерительные приборы, второй раз - само население района, пользующееся печами. При топке печей населением КПД их был 65 - 70%, а при топке их сотрудниками АКХ - повышался до 92,4%. Снижение КПД печей во время обслуживания их населением объясняется тем, что они чрезмерно открывали зольниковую дверку, в результате чего в топливник печи поступало слишком много вторичного воздуха, который не участвовал в процессе горения.

Для того чтобы устранить поступление избыточного вторичного воздуха в газифицированные печи, следует во всех без исключения случаях уменьшать входное сечение зольниковой дверки до размера 10×7 см, причем и это сечение должно регулироваться заслонкой.

Площадь входного сечения зольниковой дверки 70 см² принята исходя из следующих соображений. Часто на практике дымовые трубы у печей имеют большую высоту и продукты сгорания, проходя по ним, охлаждаются ниже точки росы с последующим конденсатообразованием на стенах трубы. Чтобы устранить это опасное явление, следует в ряде случаев сознательно увеличивать поступление в топливник вторичного воздуха (выше нормы) и эксплуатировать печь с α_т=3,5-4.

2. Общая площадь внутренней поверхности печи складывается из площадей тепловоспринимающих поверхностей топливника и дымооборотов. Величина S^вн_топ находится обычно в пределах 0,8 - 1,5 м², а величина S^вн_дым зависит от числа дымооборотов и может резко изменяться. На практике большинство печей имеет площадь тепловоспринимающей поверхности дымооборотов от 1,5 до 3,5 м². Например, у трехоборотной печи площадь внутренней тепловоспринимающей поверхности дымооборотов равна 1,5 м² а у семноборотной - 3,5 м². С увеличением S^вн_дым возрастает КПД печи. Если принять изменение коэффициента избытка воздуха в печах с уменьшенными зольниковыми дверками (10×7 см) от α_т=2,5 до α_т=3, то в пределах этого интервала КПД печей будет меняться от 60 до 93%.

При существующих в настоящее время способах перевода отопительных печей на газ, когда одну типовую горелку периодического действия устанавливают в различные по габаритам печи, нельзя добиться более или менее одинаковых теплотехнических показателей даже для большинства печей и, главное, гарантировать безопасность их работы. Например, когда переведенная на газ голландская отопительная печь имеет малые габариты (64×51×220 см), то кладка ее хорошо и быстро прогревается, при закрытой заслонке теплота в ней сохраняется 10 - 12 ч, отсутствует конденсация водяных паров на оголовке дымовой трубы, но в то же время КПД такой печи в связи с недостаточно развитой площадью тепловоспринимающей поверхности дымооборотов невелик и составляет 60 - 65%.

Если горелка установлена, например, в массивной многооборотной печи (100×89×220 см) с площадью внутренней поверхности дымооборотов, равной 4 м², то КПД ее будет 90 - 93%, но большой массив печи будет прогреваться долго, что создает неудобства при эксплуатации. В связи с излишне развитой площадью тепловоспрянимающей поверхности дымооборотов температура уходящих газов окажется низкой (рис. 43), что зимой приведет к конденсации водяных ларов на оголовке трубы, а в сильные морозы из конденсата могут образовываться ледяные пробки. С теплотехнической точки зрения было бы наиболее правильно в каждую печь устанавливать горелку с такой тепловой нагрузкой, которая соответствовала бы теплопроизводительности этой печи. Между тем приблизительный расчет показывает, что если учесть все встречающиеся на практике бытовые печи, то при периодической топке длительностью 1,5 - 2 ч необходимо было иметь набор горелок с подачей природного газа от 1,1 до 5,2 м³/ч. Однако наша промышленность выпускает в основном горелки с подачей газа до 2 м³/ч.

Рис. 43. Зависимость температуры уходящих на печи газов от площади тепловоспринимающей поверхности дымооборотов

Это обстоятельство вынуждает осуществлять более или менее рациональное переоборудование на газовое топливо самих печей в соответствии с имеющимися в наличии газогорелочными устройствами.

3. Длительность топки (τ) оказывает существенное влияние на КПД печей в том случае, когда площадь тепловоспринимающей поверхности дымооборотов мала. Это показано на графике, приведенном на рис. 26, в.

Проведенные экспериментальные исследования работы малогабаритных печей на газообразном топливе показывают, что с увеличением длительности топки резко возрастает температура уходящих газов (t_yx), что при длительных топках не только приводит к снижению КПД печи, но и создает опасность возникновения пожара. При увеличенных по времени топках у печей начинает трескаться кладка, особенно в районе первого восходящего дымового канала. Иногда даже наблюдаются сдвиги кирпичей от возникающих термических напряжений. Из образовавшихся трещин в верхних оборотах в помещение выходят накаленные продукты сгорания. Через трещины в вертикальных разделках сильно нагретые продукты сгорания могут проникнуть к деревянным конструкциям и вызвать сначала их тление, а затем возгорание. Длительные топки по несколько часов с подачей 1,5 - 2 м³/ч газа производятся населением в основном в морозные дни, когда увеличиваются теплопотери сквозь стены помещений. В такие дни лучше топить газовые печи по 2 раза в день в течение 1,5 - 2 ч (не более).