Ракетный котел

РЕКЛАМА НА ФОРУМХАУС

Ой, сердешные, снова туда же...
У нас зависимость от скорости потока далеко не линейная получится (да она нигде линейной и не получается, чтобы вот так "в два раза" соотносить скорость и площадь теплообменника). И температура сред у нас в динамике находится. И поток газа у нас не всегда ламинарный. Поэтому с плеча шашкой рубить не выйдет.
Даже при всем желании.

Приведу простой пример, немного с другой оперы, но для пущей наглядности:

Имеем систему водяного отопления с трехскоростным циркуляционным насосом. Система имеет неизменную площадь радиаторов, практически неизменную температуру воздуха в помещениях и неизменную температуру теплоносителя на входе.
В ходе эксперимента мы можем только менять скорость потока теплоносителя путем переключения режимов работы циркуляционного насоса.

Теперь вопросы:
1) Как будет зависеть температура теплоносителя на выходе из системы при изменении скорости потока?
2) Как скорость потока будет влиять на распределение температуры между последовательно расположенными радиаторами в системе?

Экспериментальные данные таковы (кто не верит, может провести такой эксперимент самостоятельно):
1) При понижении скорости потока температура на выходе из системы падает более значительно, при более высокой скорости потока эта температура падает менее значительно. Здесь налицо обратная зависимость между скоростью потока и температурой теплоносителя на выходе.
2) При понижении скорости потока будут более горячими радиаторы, находящиеся на входе в систему, а чем ближе к концу, тем радиаторы будут менее горячими. При повышении скорости потока разница между температурой радиаторов в системе будет уменьшаться.

При очень малой скорости потока будут "работать" только первые радиаторы системы, а все последующие практически утратят свое значение для обогрева помещений, так как градиент температур между теплоносителем и воздухом упадет ниже эффективных значений.

Проведем второй эксперимент:

Оборудование - газовая колонка проточного типа, имеющая регулятор подачи воды. Снова же, задаем константы: мощность газовой горелки, площадь теплообменника самой колонки, начальная температура воды.
Переменная - скорость потока воды через газовую колонку.

Задача: определить зависимость между скоростью потока воды и ее температурой на выходе из колонки.

Экспериментальные данные (снова же, легко проверите самостоятельно): при понижении скорости потока температура воды на выходе повышается. И наоборот.

Конечно, лучшие условия теплообмена в колонке будут при максимально высокой скорости потока воды. Однако, если мы желаем принять горячую ванну, нас интересует не столько эффективность колонки, сколько то, насколько горячую воду мы получим в итоге. Поэтому неэффективно нагретую с изначальных 10 до 40 градусов воду мы предпочтем эффективно нагретой с изначальных 10 до 20 градусов.

К чему я сделал такое "лирическое отступление" в плане практических предпочтений?

Давайте вернемся к опыту №1
Ясно, что для эффективной работы системы отопления мы не используем очень малую скорость потока теплоносителя (кому нужны пару горячих батарей на входе и кучу еле теплых далее?).
Да и самому отопительному прибору лучше давать с обраткой не очень холодный теплоноситель, способный вызвать образование конденсата в районе входа в котловый теплообменник.

А теперь представьте, что в системе нет обратки. То есть, вообще система не закольцована: котел получает воду из водопровода, а после прохождения по системе отопления эта вода просто сливается в канализацию.
Какую скорость потока теплоносителя в системе мы выберем? Думаю, выберем такую, при которой сливаться в канализацию будет меньше тепла. То есть, когда на выходе получим наименее теплую воду. То есть, это будет минимальная скорость потока.

Но где же у нас, спросите, сливается тепло в канализацию? Отвечаю: наша канализационная труба - это дымоход котла. Тепло, улетевшее в дымоход, мы безвозвратно теряем.

Поэтому, как ни странно это будет выглядеть, но мы вынуждены либо увеличивать площадь теплообменника котла, либо уменьшать скорость потока дымгаза.

Большую скорость потока я применяю там, где нет безвозвратных потерь тепла, где система закольцована - а именно, в самом теплообменнике котла. Поэтому он имеет сравнительно небольшое расстояние между стенками и небольшой литраж.

Но я, так сказать, "не спешу" выбрасывать в дымоход то, что никак потом не вернуть.

Да, мне хорошо известно, что чем выше скорость, тем эффективнее теплообмен. Но я рассматриваю всю систему в целом. В данном случае вопрос такой: как получить на выходе из котла как можно более низкую температуру дымгаза без значительного увеличения площади теплообменника.

Впрочем, та же задача, для решения которой в обычных котлах используют шиберную заслонку на выходе, уменьшая тем скорость истечения дымгаза в атмосферу.

 

При передаче теплоты конвекцией интенсивность теплового потока прямо пропорциональна температуре жидкости или газа в данной точке и скорости течения в данном направлении

q = c r vi t, (3.14)

где vi - проекция скорости движения жидкости v на направление i.

Особый интерес представляет определение передачи теплоты у границ жидкости (газа), например от речного потока к его ложу или от воздушного потока к поверхности ледяного покрова. Как известно, в непосредственной близости от границы скорость жидкости (газа) равна нулю, здесь теплота передается через пограничный слой механизмом конвективной теплопроводности.
отсюда:
http://ieek.timacad.ru/html2/med_gidr/l4_5.html
и далее:
при теплоотдаче от поверхности воды к воздуху

α1 = 2,65 [1 + 0,8ω + f(Δθ)], (3.16)

где ω — скорость ветра на высоте 2 м над водной поверхностью, м/с; f(Δθ) — табличная функция, определяемая разностью температуры воды и воздуха (tп – θ);
-
Вот и скорость появилась...

 

@Perelesnik, Зависимость от скорости потока всегда экспоненциальная, температура в ней находится в показателе, поэтому во времени это будет произведением температуры на расход, а расход это и есть скорость. Но расход опять зависит от температуры. Скоростью насоса вы пытаетесь поддерживать постоянный градиент на ТО, а у меня система без насосов, я его наоборот стараюсь увеличить, чтобы не ждать долго нагрев дальних радиаторов. В общем опять об одном и том же, можно регулировать мощность расходом, а можно градусами. В каком случае площадь ТО можно уменьшить?

 

@StarykovMih, Осталось закончить: Определить какая величина больше 0,8ω или f(Δθ).
Я для борьбы с конденсатом подмешиваю приличный объем воздуха к ДГ, при этом стараясь температуру самих ДГ и обратки держать поменьше, т е делаю с точностью до наоборот, если не считать конечно подмеса воздуха. И тоже работает, весь конденсат улетает в трубу. Труба для этого из кирпича сделана, поскольку такой фокус на металле не получится. Ну и меры конечно принял, чтобы труба не развалилась от кислот конденсатных. Поэтому спор ни о чем, каждый применил, тот способ, который посчитал правильным, потому что оба они рабочие. А ТО как уменьшить при неизменной мощности? Оксфорд здесь фитиль зажег.

 

В случае, когда высокий показатель КПД не столь важен. Другими словами, когда устраивает высокая температура уходящих в дымоход газов.
Эффективность теплообменника моего котла очень неравномерна: вначале, при очень большом градиенте температур, она чрезвычайно высокая, а далее, с охлаждением дымгаза, стремительно падает.
Грубо говоря, на первом квадратном метре площади газ теряет градусов 600-700, а на втором - 150-200 градусов. Если добавить еще один квадратный метр теплообменника, то на нем получим падение градусов 50-100 от силы. Ну и так далее, по нисходящей.
Теоретически, можно охладить дымгаз до температуры теплоносителя (это если не использовать конденсацию), но при этом эффективность теплообмена упадет почти до нуля и понадобится неоправданно большие площади теплообменных поверхностей.
Поэтому, вынужденно ищем компромисс.
То же самое и со скоростями потоков теплоносящих сред. В приоритете все-таки общие показатели эффективности системы, а не частная эффективность отдельного процесса "любой ценой".

Поясню еще раз: теоретически, самые лучшие показатели теплообмена будут при максимальном градиенте температур сред и при максимальной скорости движения этих сред. Поэтому, обеспечиваем градиент в 800-1000 градусов и разгоняем потоки как только можем. Получаем фантастические значения эффективности теплообмена на этом небольшом участке, пока градиент температур остается максимальным. Радуемся.

А вот Дальше что? Дальше "хоть трава не расти"? Ведь уже при градиенте в 400-300 градусов эффективность далеко не та, что при 800-1000. И дальше теплообменник "работает" все хуже и хуже... И чем дальше, тем всё печальнее.

Есть вариант: выбросить этот дымгаз с "неэффективной" температурой в атмосферу и забыть о нем. А что нам мелочиться-то?
Тогда можно обойтись совсем небольшим теплообменником, оставив его только для работы в условиях максимальной эффективности.

Кстати, можно создать теплообменник на 20 кВт величиной с книжку, но в твердотопливном котле он прослужит недолго. Условия накладывают свои специфические требования - приходится оперировать большими плоскими поверхностями вместо компактных оребренных радиаторов.

Главный вопрос для меня здесь: как уменьшить потери тепла через дымоход, то есть, создать систему с минимальным объемом выброса дымгаза (минимальная скорость истечения газа), имеющего при этом минимальную температуру.

Пока что все эмпирические данные говорят в пользу как раз уменьшения скорости потока дымгаза через теплообменник. При всякой попытке увеличить эту скорость я получаю горячий дымоход (что равнозначно невосполнимым потерям тепла и падению общей эффективности системы).

ЗЫ: все время вспоминаю, как в детстве топили "грубку" в селе. Там, конечно, нет водяного теплообменника, и тепло передается через кирпичные стенки... Но вот все равно, после растопки всегда "тормозили" скорость потока дымгаза через дымканалы (своего рода тот же теплообменник). Не только прикрывали поддув, но и заслонку перед дымоходом регулировали так, чтобы дымгаз уходил "еле-еле", лишь бы горело и не дымило в помещение.
Помню, как то я забыл об этой заслонке, ограничившись лишь прикрыванием дверки поддува, и практически бесполезно сжег топливо, предназначавшееся для обогрева дома в течение всей ночи. Да, горело жарко, весело и с приятным звуком... Но вот только пришлось среди ночи слушать неприятную лекцию от бабушки и идти в сарай за новыми дровами - улетело всё это тепло через дымоход, даже толком не успев прогреть кирпич "грубки".
Вряд ли бабушка поняла, если бы начал объяснять ей о зависимости эффективности теплообмена от скорости потока газа.

ЗЫЗЫ: За милой беседой как раз закончил модель котла, так что... все можно забрать по ссылке, которую дал выше. Теперь уже с регуляторами, всеми каналами и отверстиями подачи воздухов:


ЗЫЗЫЗЫ: немного о "турбулентности". Так, для размышлений.
Рассмотрим нисходящий поток в теплообменнике. Так газ движется между двух стенок: одна стенка имеет температуру примерно 60 градусов, вторая (кожух трубы) - где-то около 800 градусов. В начале нисходящего потока газ имеет температуру примерно 800-900 градусов, в конце - примерно 300 градусов.
При большой скорости потока характер движения газа близок к ламинарному нисходящему, с небольшим приграничным слоем, где эта ламинарность нарушается. Но при уменьшении скорости и достаточном расстоянии между стенками возникает возможность образования локальной зоны восходящих конвективных потоков за счет большой разницы температуры газа (300-400) и кожуха трубы (800). Взаимодействие двух разнонаправленных потоков создает условия для возникновения вихревого движения.
В общем восходящем потоке по внешней стороне теплообменника тоже есть условия для возникновения вихревого движения за счет разницы температур газа и поверхности теплообменника (стремление к нисходящему конвективному потоку). Таким образом, снова имеем два разнонаправленных потока.
Но влияние такого рода конвекции возможно лишь при небольшой скорости основного потока газа.

Вдогонку: зависимость эффективности теплообмена от скорости движения сред имеет довольно прозаичную физическую основу, заключающуюся в образовании приграничного слоя теплоносителя с температурой, не обеспечивающей эффективного теплообмена (просто, малый градиент температур получается). Скорость потока нужна лишь для того, чтобы "сдувать", обновлять этот приграничный слой. Никакого более глубокого смысла здесь не имеется.
То есть, скорость имеет отношение не к теплообмену между средами, а к теплообменному процессу внутри одной и той же среды (или двух сред, но без непосредственной связи между ними). Задача та же - обеспечить наибольший градиент температур в зоне контакта между средами.

И еще, запомните такой принцип: в технике увеличивают скорость потока только той среды, которая "бесплатна" в плане своего энергетического содержания, и которую не жалко выбросить вместе с большой частью этого содержания. Например: воздух для кулера или внешнего блока кондиционера.
Если же приходится "гонять" теплоноситель, нагрев (охлаждение) которого нам хоть что-либо стоило, этот теплоноситель обязательно закольцовывают.
Горячий дымгаз, на нагрев которого мы тратим реальные деньги, и имеющий в качестве конечного пункта назначения внешнюю атмосферу, не относится ни к первому, ни к второму варианту.

 

Площадь TO берется из условия максимальной мощности...
При остальных режимах она избыточна по умолчанию...

 

Много слов только лишний раз говорит о дремучем дилетанстве. Велосипед изобретаете.
Чем скорости дымогазов и теплоносителя выше -тем лучше теплопередача. Оптима нет. Ограничение- тяга и мощность насоса,

 

@Perelesnik, Чуть чуть не дотянули в рассуждениях. Если градиент температуры падает, то можно время теплообмена увеличивать, для этого холодный теплоноситель гнать быстрее, а ДГ тормозить, а можно скорость теплоносителя заменить увеличением его теплоемкости. Вот теперь время появилось, и скорость упала и площадь тоже. Как это реализовать другой вопрос, но на форуме люди чай не глупые собрались. Вот в конце рассуждений и я задумался над моментом об одновременном восходящем и нисходящим потоках, ведь это тоже задержка по времени, правда их смешение для КПД не хорошо, а вот для поддержания температуры ДГ по температуре ТО очень хорошее решение, поскольку создается хороший запас реактивности.

 

@Оксфорд, "Изобретение велосипеда", давняя забава по-упражняться в интеллекте и только для избранных. Сравните просто современную технику с той, которая была лет 20 назад. Похоже вы попали в этой теме в дремучее дилетантство и заблудились, ну ничего вам то здесь точно дорогу укажут...

 

При отсутствии минииальных знаний, вы даже размер глупостей, которые пишите, оценить не можете. Выглядит, примерно также смешно, если я что-то про химию рассуждать начну.

 

@Оксфорд, Так вы у нас велосипедист, а педальный привод к котлу до сих пор не предложили, предложите и я полностью признаю свою дремучесть в этом вопросе. Посмеемся вместе...

 

@alarin, о увеличении теплоемкости теплоносителя уже говорили, когда обсуждали вопрос переувлажнения дымгаза. Вместе с увеличением эффективности теплообмена мы также увеличиваем и общие теплопотери (не только за счет той же большей теплоемкости улетающего в атмосферу газа, но и за счет расходов на испарение влаги, за счет увеличения общего объема дымгаза).
Посмотрите в теме - вроде писано было довольно подробно. Нет смысла повторять.

А по вопросу уменьшения площади теплообменника без ухудшения всех остальных характеристик системы... ответ вообще-то лежит на поверхности.
И принцип уже давно успешно применяется в народном хозяйстве.

Давайте определим исходные требования:
1. Нам нужно организовать "сдувание" приграничного слоя, чтобы увеличить градиент температур.
2. Нам не желательно увеличивать общую скорость потока и выбрасывать не поглощенное тепло.

Вроде противоречивые требования? Как же получить большую скорость потока у теплообменника и одновременно малую общую скорость движения газа в системе?

Очень просто - нужно увеличить скорость потока лишь в локальном участке, контактирующем с теплообменником. И сделать этот поток независимым от общего расхода газа. Настолько независимым, чтобы скорость в нем была постоянно большой даже при полном перекрывании общего потока.

Ведь нам нужно всего лишь активно обновлять приграничный слой.

Логичнее всего будет организовать вихревое движение вокруг всего теплообменника. Вихрь с большой скоростью, в который поступает сравнительно медленно движущийся газ, там перемешивается, отдает свое тепло, а затем покидает вихрь, медленно утекая в трубу. Лучше организовать даже несколько противонаправленных вихря, чтобы газ их проходил последовательно - это позволит получить на выходе более низкую температуру, а не "усредненную" по одному вихрю.

Так мы получим и скорость, и время. И можем сделать очень маленький теплообменник с огромной эффективностью.

Как закрутить вихрь? Обычно, это делают вентилятором. Но можно поэкспериментировать с соплами, направляющими лопатками и таким подобным.
Сомневаюсь, что это удастся сделать только на естественной тяге... хотя, если удастся, будет здорово.

Кстати! Прошу помощь клуба!
Советуйте: в какую сторону закрутить нисходящий поток в теплообменнике? Вроде и без разницы как-бы... вращение планеты вряд ли особо сказывается в таких мелких масштабах, но встречал разные мнения.
Просто буду делать стабилизатор верхнего края керамической трубы, а там лопасти можно завернуть как угодно. Вот и думаю: почему бы и образованию вихря не помочь, раз это и не повредит, и ничего не будет дополнительно стоить?
У меня в котле сейчас пластины установлены строго вертикально:

 

самое простое пойти посмотреть в ванну (или раковину): в какую сторону Кориолис крутит, в ту и закручивать. Но, наверняка, вы правы, для такого маленького объёма (веса/массы) всё равно куда...

 

@Perelesnik, Я не имел ввиду использование теплоты фазового перехода при конденсации. Увеличение теплоемкости ТО и разбавление дым газов воздухом для уменьшения концентрации паров воды или ее адсорбирование и удаление с поддержанием температуры чуть выше тчк росы. Конденсат как бы есть, но его нет, а тепло не теряем, вот в этом процессе температуру меняем на расход. Конечно все подробно описано, только эти моменты пропущены поскольку здесь все борются с конденсатом одним и тем же методом. Все остальное верно, но это все общеизвестно, а вот как например рифление ТО скажется, если поверх него например сетку одеть для отрыва слоя газа от поверхности.

 

Это надо приваривать сетку на внутреннюю поверхность теплообменника... немного проблематично, как мне кажется.