Дай жару: в Томске придумали, как извлечь больше тепла из котла

ТОМСК, 20 фев – РИА Томск, Елена Тайлашева. Ученые Томского политеха (ТПУ) разработали технологию, которая увеличит мощность отопительных котлов без изменения их габаритов, что сэкономит при производстве сотни тысяч рублей. Промышленные испытания начнутся летом в одной из котельных Томского района.

Примечательно, что в процессе разработки ученые не сделали ни одного реального прототипа – вместо этого специальная программа в течение 603 дней круглосуточно просчитывала виртуальные модели. Подробности – в материале РИА Томск.

Размер имеет значение

Современная котельная – это уже, конечно, не допотопная кочегарка с углем: тепло вырабатывают высокотехнологичные котлы, работающие на газе; все автоматизировано, так что с хозяйством управляется один человек, да и тот может находиться удаленно – в случае нештатных ситуаций ему на телефон придет sms.

В Томске такие котлы тоже производят – под маркой "Турботерм" их выпускает компания "СМП-95". Но западным аналогам они проигрывают, прямо скажем, много.

Доцент научно-образовательного центра И.Н. Бутакова инженерной школы энергетики ТПУ Сергей Хаустов сравнивает характеристики: "У отечественного "Турботерм" и немецкого Vitoplex одинаковая ширина (1085 миллиметров), длина плюс-минус тоже (около 2200). Разница в высоте: немецкий на полметра выше. Но при этом он выдает 700 киловатт тепла, а российский – 250. Если увеличить длину Vitoplex на 300 миллиметров, то мощность станет уже 900 киловатт".

"Турботерму" же, чтобы выдать хотя бы 500 киловатт, придется "вырасти" на столько, что это уже не будет иметь никакого экономического смысла. Таким образом, немецкие котлы при тех же габаритах имеют мощность почти в три раза больше", – подытоживает он.

Котел мощностью 1 мегаватт и так стоит около миллиона рублей, а если его габариты увеличивать для извлечения большей мощности, то счет пойдет еще на сотни тысяч. Хаустов объясняет, почему единица объема стоит очень дорого.

"Если вода внутри котла закипает, то образуется накипь, которая впоследствии приведет к проблемам с оборудованием. Чтобы избежать их, внутри котла держат высокое давление – примерно шесть атмосфер, ведь чем выше давление, тем выше температура кипения. Чтобы стенки от такой нагрузки не деформировались, к толщине металла предъявляются высокие требования. Поэтому габариты и критичны", – говорит он.

Суть разработки томских политехников как раз в том, чтобы повысить эффективность сжигания топлива без изменения размера.

Гори ярче

"Мы создали новую эффективную камеру сгорания с рециркуляционной стабилизацией пламени. Ее мировая новизна подтверждается патентом на изобретение "Устройство для сжигания жидкого и газообразного топлива". Оно позволяет управлять траекторией факела, изменяя долю дымовых газов, идущих на рециркуляцию", – рассказывает Хаустов.

Для наглядности воспользуемся метафорой: когда мы добавляем сахар в чай, его нужно размешать ложкой – только тогда чай станет сладким. А теперь представим отопительный котел. Тепло вырабатывается в результате химической реакции между воздухом и топливом.

Но реакция произойдет только тогда, когда воздух и топливо нагреются и перемешаются. Вот для того, чтобы перемешать их, и используется принцип "закручивания", как в чашке чая, только в качестве "ложки" обычно выступают специальные устройства – завихрители.

"В нашей же камере сгорания реализован принципиально иной способ перемешивания топлива и воздуха – организуется такая газодинамика, при которой часть дымовых газов возвращается обратно к горелке и подмешивается в факел. Образуется вихрь, в котором все перемешивается. Это называется внутренней рециркуляцией", – поясняет Хаустов.

По расчетам ученых, перевод котлов на эту технологию позволит повысить их мощность на 26,5% и, кроме того, в два раза снизить вредные выбросы в атмосферу. При этом значительная модернизация уже готовых котлов не потребуется – модифицируется только геометрическая форма некоторых элементов камеры сгорания.

Испытание реальностью

Обычно между идеей и внедрением в производство обязательно присутствует такой этап, как создание прототипа. Если его испытания проходят успешно, прототип идет в серию, если нет – ученые придумывают другую идею, и так по кругу. Хаустов отмечает, что за рубежом это налаженный процесс.

"У них огромный конвейер, они могут прямо в промышленную линию вносить маленькие изменения и смотреть, как изделие поведет себя у того или иного заказчика. В нашем случае такого налаженного конвейера нет, практически каждый котел – штучная вещь. И производить опытный образец, который может не пойти в серию, неоправданно дорого. Поэтому между этапами "идея" и "прототип" появился этап "виртуальный прототип", – говорит он.

Создают его с помощью лицензионного программного продукта Ansys Multiphysics, который используется многими известными предприятиями (такими, как BMW, Boeing, Siemens, Shell, Volkswagen). Хаустов говорит, что это очень дорогая, но очень стоящая вещь, с помощью которой можно "детально моделировать физические законы реального мира".

"Созданный с его (Ansys) применением "виртуальный прототип" ведет себя абсолютно как в жизни. Математическое моделирование – популярная практика у продвинутых производителей, например, первый "Рено-Логан" пошел в серию исключительно после виртуальных испытаний, то есть без единого предсерийного прототипа, что позволило сэкономить на этапе проектирования почти 20 миллионов евро", – отмечает ученый.

Благодаря технологии можно решать потрясающей детализации задачи, например, моделировать, как при той или иной конструкции котла ведут себя моли газа. Это требует определенного времени: один прототип считается примерно сутки.

"Конечно, я не все это время сидел у компьютера. Чтобы многовариантные расчеты происходили с минимумом моего трудового участия, я написал ряд компьютерных программ, которые автоматически формировали исходные данные для расчета, обрабатывали и систематизировали полученные результаты. Пригодились навыки программирования, которым на третьем курсе я занимался профессионально", – рассказывает Хаустов

Он открывает файл с результатами – всего рассмотрено 603 варианта, то есть, чтобы найти "тот самый" вариант камеры сгорания, компьютерной программе потребовалось 603 дня.

Летом, когда завершится отопительный сезон, ученый перейдет от "виртуального прототипирования" к экспериментам с реальными прототипами – котлами томского производства.