Теплофизика высоких температур, 2020, T. 58, № 1, стр. 128-134

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время рост цен на природные ресурсы и энергоносители заставляет задуматься об энергоэффективных технологиях. И природный газ здесь не является исключением. Если посмотреть на динамику роста цены на природный газ во всем мире, к примеру, в 2016 г., то здесь следующая картина: в Белоруссии цены выросли на 24.6%, в Казахстане ‒ на 16.7%, на Украине – на 14.8%, в России – на 8.0%; наиболее высокая цена на газ для населения, как и в 2015 г., осталась в Швеции – 89.3 руб. за кубометр в пересчете на российскую валюту; в Португалии цена – 74.7 руб. за кубометр, в Испании – 70.8 руб. за кубометр и т.д. [1]. В 2017 г. средняя цена на природный газ в странах Европейского Союза составила примерно 0.64 долларов США или 35.5 руб. (за 1 кубометр) [2].

Таким образом, крайне необходимым на сегодняшний день является развитие новых технологий сжигания газообразного топлива, а также разработка более экономичных горелочных устройств.

В условиях постоянных проблем с ценами на газ в некоторых странах экономичность газового прибора все больше влияет на выбор покупателя. При покупке, к примеру, бытовой газовой плиты, потребитель часто обращает внимание не только на красивый современный дизайн, а также и на КПД, эффективность сжигания природного газа. И здесь главную роль играют газовые горелки и конфорки, которые также могут быть использованы для обогрева квартир в экстремальных условиях проживания жильцов [3].

Цель работы ‒ усовершенствование интенсификатора теплоотдачи газовой горелки и проведение дополнительных экспериментальных исследований.

ГАЗОВЫЕ ГОРЕЛКИ ПОВЫШЕННОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ДЛЯ БЫТОВЫХ ГАЗОВЫХ ПЛИТ

В [4] автором статьи была разработана и представлена газовая горелка для бытовых газовых плит. Ранее проводился патентный поиск [3, 5‒8]. Из ближайших аналогов можно выделить так называемую горелку изобретателя В.И. Карася [8]. Сравнительные характеристики энергосберегающих огневых насадок разных вариантов со стандартной тепловой мощностью 1.6 кВт указаны в табл. 1 [3].

Необходимо отметить, что газовая горелка В.И. Карася содержит смеситель с элементом подачи газа, поверхность с огневыми отверстиями, дно корпуса с отверстиями, одно из которых предназначено для подачи газовоздушной смеси и против него расположен элемент формирования зоны изменения направления газовоздушной струи, например излучатель. Излучатель покрыт слоем катализатора, который может быть изготовлен из меднотитанового сплава.

Экономичная газовая горелка В.И. Карася для бытовых газовых плит работает следующим образом: газ выходит из элемента подачи газа, например сопла, проходит упрощенный инжекционный смеситель с ограниченным размером и предварительно готовит газовоздушную смесь; проходя между отверстиями излучателя с огневой поверхности, газ сжигается на последней; при этом газовоздушная смесь предварительно активируется катализатором на излучателе; жидкость, попавшая в корпус горелки, удаляется через специальные отверстия.

Разработанная автором статьи газовая горелка [4] приведена на рис. 1а, где 1 ‒ канал подвода газа, 2 ‒ корпус, 3 ‒ смесительная камера, 4 ‒ головка, 5 ‒ зазор, 6 ‒ огневые отверстия, 7 ‒ крышка, 8 ‒ стержень, 9 ‒ интенсификатор теплоотдачи. На рис. 1б изображен возможный вариант исполнения крышки 7, где имеются выступы 11, также предлагается размещение интенсификатора теплоотдачи 9 на стержне 8 внутри конфузора 10.

Решаемая задача полезной модели [4] – повышение экономичности сжигания топлива за счет регенерации тепла от пламени к потоку ненагретого газа. Технический результат, на достижение которого направлена полезная модель, заключается в снижении потребления топлива при эксплуатации газовой горелки. Этому способствует то, что в газовой горелке для обеспечения регенерации тепла крышка соединена со стержнем, который соединен с интенсификатором теплоотдачи. Крышка имеет выступы для большего поглощения тепла от внешней стороны поверхности пламени, причем для снижения потерь тепла в окружающую среду поверхность выступов крышки с внешней стороны выполнена с теплоизоляцией. Интенсификатор теплоотдачи установлен внутри конфузора, причем поток газа, проходящего через конфузор, увеличивает свою скорость [4].

Данная газовая горелка работает следующим образом. Газообразное топливо (например, природный газ) подводится по каналу 1, далее в смесительной камере 3 смешивается с воздухом, воспламеняется, через огневые отверстия 6 языки пламени выходят за пределы головки 4 и смесительной камеры 3. При сгорании топлива выделяется тепло, часть тепла передается нагреваемому объекту, к примеру сосуду с водой, другая часть тепла ‒ потери в окружающую среду. В данном случае с целью уменьшения таких потерь предлагается аккумулировать часть тепла при помощи системы: крышки 7, соединенной стержнем 8 с интенсификатором теплоотдачи 9, которые целесообразно изготовлять из металлов (например, меди) или металлических сплавов с высоким коэффициентом теплопроводности. Таким образом, при горении часть тепла поглощается материалом крышки 7, передается по стержню 8 интенсификатору теплоотдачи 9. Газ, проходя через канал подвода газа 1, частично нагревается, происходит регенерация тепла с интенсификацией теплоотдачи. Интенсификатор теплоотдачи 9 может быть выполнен, к примеру, в виде шнекового завихрителя, трубки с искусственной шероховатостью, ребер, пористой металлической вставки, скрученной металлической проволоки, устройства, закручивающего поток, развитой поверхности с выемками и выступами.

При использовании конструкции с конфузором 10 (см. рис. 1б) поток газа ускоряется, так как уменьшается проходное сечение, при этом достигается дополнительная интенсификация теплоотдачи.

При использовании выступов 11, например, в виде лепестков достигается дополнительная аккумуляция тепла от внешней поверхности пламени, данное количество тепла переходит от выступов 11 к крышке 7 и далее по стержню 8 к интенсификатору теплоотдачи 9. Возможно исполнение выступов 11 с теплоизоляционным слоем с наружной стороны (в полезной модели не приводится) для достижения максимального поглощения тепла от внешней поверхности пламени и минимальных потерь тепла в окружающую среду.

ПРОВЕДЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ С РАЗРАБОТАННОЙ ГАЗОВОЙ ГОРЕЛКОЙ

Проведены эксперименты на бытовой газовой плите с газовой горелкой [4], где крышка соединена со стержнем с резьбой, т.е. сам металлический стержень являлся интенсификатором теплоотдачи (рис. 2). Все эксперименты проведены на бытовой газовой плите “Газмаш”. При этом вода разного объема доводилась до кипения в разных сосудах при использовании базовой горелки и новой газовой горелки [4] при одной и той же подаче газа. Экономия газа при использовании новой конструктивной схемы горелки в ходе экспериментальных исследований составила в среднем 6.72% (по объему) [9].

Выдвигалась гипотеза о возможном повышении экономии природного газа путем изменения конструкции интенсификатора теплоотдачи в виде стержня (рис. 2) с добавлением дополнительного оребрения или продольных щелевых зазоров (рис. 3).

В 2016 г. проведены экспериментальные исследования с усовершенствованной конструкцией газовой горелки, в которой интенсификатором теплоотдачи являлся стержень с резьбой и щелевыми зазорами, которые позволили значительно повысить экономичность газовой горелки (рис. 3) [10].

При этом средняя экономия природного газа составила 22.14% (по объему). Однако необходимо отметить, что полученные цифры в ходе экспериментов [10] на деле оказались завышенными (подача природного газа прекращалась, как только появлялись пузырьки на поверхности воды, что наблюдалось визуально без измерения температуры).

С целью повышения точности измерений в 2019 г. проведена дополнительная серия экспериментальных исследований с применением счетчика природного газа, таймера времени и стеклянного керосинового термометра СП-2. Результаты данных экспериментов приведены в табл. 2.

В данном случае вода разного объема доводилась до кипения в разных сосудах при использовании базовой горелки и новой газовой горелки [4] при одной и той же подаче газа (средней или максимальной). Методика экспериментальных исследований заключалась в следующем: в определенный сосуд с водой (кружка объемом 1 л или кастрюля объемом 4 л) наливался фиксированный объем воды при комнатной температуре (t_f = = 21‒22°С); далее производился автоматический розжиг свежей порции горючего (ручка газовой плиты устанавливалась либо на среднюю подачу газа, либо на максимальную), сразу же включался таймер времени; керосиновым термометром СП-2 [11] измерялась температура внутри сосуда с водой (при этом кончик термометра был погружен строго в центре объема воды); при достижении температуры 99°С (для избежания появления дополнительной неточности было принято не доводить температуру в центре объема воды до 100°С) подача природного газа резко прекращалась, а электронный таймер времени выключался. В ходе всех экспериментов сосуд с водой находился без крышки.

Из табл. 2 следует, что средняя экономия природного газа при применении новой горелки с интенсификатором теплоотдачи в виде стержня с резьбой и продольными щелевыми зазорами составляет около 14.19% (по объему).

Затем конструкция интенсификатора теплоотдачи претерпела некоторые изменения, а именно, четыре части стержня были раскрыты к окончанию, увеличивая, таким образом, толщину щелевых зазоров (рис. 4).

Результаты подобных экспериментов с интенсификатором теплоотдачи в виде стержня с резьбой и расширяющимися щелевыми зазорами показаны в табл. 3.

Из табл. 3 следует, что средняя экономия природного газа при применении новой горелки с интенсификатором теплоотдачи в виде стержня с резьбой и расширяющимися щелевыми зазорами составляет около 12.85% (по объему). Однако нетрудно заметить, что в опыте № 7 (табл. 3) наблюдалась заниженная экономия природного газа, что связано с большим временем нагрева 3 л воды при средней подаче горючего и отсутствии крышки сосуда с водой. Поэтому, если пренебречь результатами опыта № 7, получим 14.2% (по объему).

Для проведения экспериментов в 2019 г. была выбрана газовая плита GORENJE GI 52 CLI1 с автоматическим электроподжигом, количество конфорок ‒ 4. Все эксперименты проводились с применением горелки средней мощности. При измерении объема природного газа использовался газовый счетчик мембранного типа СГМ G2.5, предназначенный для измерений количества природного газа по ГОСТ 5542–87 или паров сжиженного углеводородного газа по ГОСТ 20 448–90, а также других неагрессивных газов, применяемых в бытовых и производственных целях. Счетчик рассчитан на эксплуатацию в климатических условиях, соответствующих группе исполнения по ГОСТ 12997–84 СЗ для типоразмеров G1.6 и G2.5. При этом номинальный расход газа счетчика равен 2.5 м³/ч, минимальный – 0.025 м³/ч, а максимальный – 4 м³/ч. Пределы допускаемой основной относительной погрешности счетчика в процессе эксплуатации в диапазоне расходов составляют (3‒5)%. Для измерения времени применялся электронный таймер смартфона Honor.

При помощи инфракрасного термометра FLUKE 568 измерялась температура крышки и стержня: диапазон измерения температур ‒ от ‒40 до 800°С, погрешность равна ±1°С, источник питания ‒ две батареи АА. При этом температура стенки стержня составляла примерно 235°С, а температура поверхности крышки – около 260°С. Диаметр канала – 10 мм, диаметр стержня у основания – 6 мм. Измерение температуры нагретой воды производилось при помощи термометра [11] с диапазоном от 0 до 100°С, ценой деления 1°С и пределом основной допускаемой погрешности ±1°С.

На основе полученных данных (табл. 2, 3) построен график зависимости чисел Nu и RePr (рис. 5).

Как видно из рис. 5, все экспериментальные точки лежат на одной линии:

где Nu – критерий Нуссельта, Re – критерий Рейнольдса, Pr – критерий Прандтля.

Отклонение этой зависимости от экспериментальных данных не превышает 1%.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведены экспериментальные исследования новой газовой горелки для бытовых плит, содержащей в своей конструкции интенсификатор теплоотдачи в виде стержня с резьбой и продольными щелевыми разрезами. Показано, что возможно снижение потребления природного газа благодаря его интенсивному предварительному подогреву. Проведено сравнение результатов предыдущих исследований с последними. Установлено, что при применении интенсификатора теплоотдачи в виде простого стержня с резьбой можно сэкономить в среднем только 6.72% (по объему), при использовании же интенсификатора теплоотдачи в виде стержня с резьбой и дополнительными продольными разрезами экономия составит 14.2% (по объему). Интересно отметить, что применение стержня с резьбой и расширяющимися щелевыми зазорами не приводит к дополнительной экономии горючего (в среднем по объему).

Получена формула теплообмена при передаче тепла от нагретого стержня с интенсификатором теплоотдачи в виде стержня с резьбой и щелевыми зазорами потоку холодного газа в канале подвода.

Предлагаемая конструктивная схема газовой горелки является простой в изготовлении, экономичной в использовании и может эффективно применяться в бытовых газовых плитах и в разных областях энергетики [12].

Результаты последних исследований говорят о необходимости более подробного изучения возможных конструктивных схем и материалов для интенсификации теплоотдачи, а также проведения дополнительных исследований с целью обеспечения максимальной экономии природного газа.