Гидродинамика и теплообмен затопленной газовой струи, сформированной одно-и двухканальным аксиальным завихрителем

Для интенсификации смешения топлива с окислителем, стабилизации факела, равномерного заполнения топочного пространства продуктами горения в энергетических установках часто используют вихревые горелки с многоканальными подводами топлива и воздуха. Их применение позволяет увеличить диапазон регулирования процессов, протекающих в топке котельного агрегата, а следовательно, повысить экономические и экологические показатели данных установок. Однако для качественного проектирования горелочных устройств и эффективного регулирования процессов необходимы сведения о детальном строении и теплообмене закрученной газовой струи, формирующей факел.

Следует отметить, что в известных конструкциях горелок применяются многоканальные завихрители с закруткой потока в одну сторону. Вместе с тем использование закрутки в разные стороны может интенсифицировать процессы в струе.

Сведения, имеющиеся в литературе, не дают четких представлений о структуре и теплообмену в струе, сформированной многоканальными аксиальными завихрителями с закруткой потоков в одну и тем более в разные стороны. Кроме того, оказались ограниченными эти данные по струе, сформированной одноканальным аксиальным завихрителем.

Целью работы является расширение представлений о гидродинамической структуре и теплообмене струи, сформированной одно-и двухканальным аксиальным завихрителем с закруткой потоков в одну и разные стороны, и разработка на этой основе рекомендаций по проектированию горелок с расширенным диапазоном регулирования для котлов ТЭС.

Научная новизна основных положений работы заключается в том, что автором впервые:

— разработана методика визуализации термического строения газовых потоков;

— на основании визуализации течения, анализа полей полного давления и температуры, уточнена структура течения в затопленной газовой струе, сформированной одноканальным аксиальным завихрителем, определены геометрические характеристики формирующихся в ней структурных образований;

— выявлена структура струи, сформированной двухканальным аксиальным завихрителем при закрутке потоков в одну и разные стороныпоказано как меняется форма и размеры структурных образований при изменении режима работы завихрителя;

— предложены конструктивно-режимные параметры крутки для струи, сформированной однои двухканальным аксиальным завихрителем с закруткой потоков в одну и разные стороны, что позволяет учесть более полно геометрические характеристики закручивающих устройств, а также свойства среды и режим её истечения;

— проведена оценка интенсивности теплообмена при смешении сред в затопленной закрученной струе, установлены факторы, определяющие теплоперенос, полученные данные обобщены в виде уравнений подобия;

— разработаны и экспериментально опробованы два способа газодинамического управления аэродинамической структурой закрученной струи.

Достоверность результатов основывается на надежности экспериментальных данных, полученных сочетанием независимых методик исследования и подтвержденных воспроизводимостью результатов опытов, а также их хорошим согласованием с данными других авторов.

Практическая значимость. Полученные экспериментальные данные создают основу для разработки инженерных методик расчета и проектирования горелочных устройств, а также позволяют оптимизировать параметры процесса с участием струй, сформированных различными аксиальными завихрителями, что в совокупности с предложенными методами управления развитием струи дает возможность повысить эффективность управления сжиганием топлива в горелочных устройствах. Автор защищает:

— метод визуализации термического строения газовых потоков;

— представления о гидродинамической структуре затопленной закрученной струи, которые сформированы на основе анализа экспериментальных данных, а также конструктивно-режимный параметр, описывающий интенсивность крутки струи, и обобщенные данные о геометрических характеристиках её структуры;

— представления о гидродинамическом строении затопленной закрученной струи, созданной аксиальным двухканальным завихрителем с разным направлением крутки потоков, конструктивно-режимный параметр, описывающий интенсивность крутки такой струи, а также обобщенные сведения о геометрии её структуры;

— результаты количественной оценки интенсивности теплообмена в закрученной струе и их обобщение в виде эмпирических уравнений;

— результаты экспериментальной апробации двух способов газодинамического управления структурой струи и круткой потока;

— практические рекомендации по организации процесса вихревого сжигания топлива, воплощенные в конструкции горелки с двухканальным завихрителем, имеющим закрутку в разные стороны.

Реализация результатов работы. Результаты работы внедрены ОАО УралОРГРЭС при разработке проектов модернизации горелок энергетических котлов большой мощности.

Апробация работы. Основные результаты исследований, изложенных в диссертации, докладывались и были представлены:

— на II и III Всероссийских научных молодежных симпозиумах «Безопасность биосферы» (Екатеринбург, 1997, 1998);

— Международной выставке-семинаре «Уралэкология-98» (Екатеринбург, 1998) — XII и XIII Школах-семинарах молодых ученых и специалистов под рук. акад. РАН А. И. Леонтьева (Москва, 1999, С.-Петербург, 2001);

— 4-м Минском международном форуме по тепломассообмену (Минск, 2000);

— 6-й Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, 2000);

— Международной научно-практической конференции «Экология энергетики 2000» (Москва, 2000);

— Научно-практическом семинаре Европейской комиссии по энергетике и транспорту «Применение технологии трехступенчатого сжигания для подавления NOx на твердотопливных котлах в Европе и СНГ» (Москва, 2000);

— 2-й Международной научно-технической конференции РУО АИН РФ «На передовых рубежах науки и инженерного творчества» (Екатеринбург, 2000);

— 5th World Conference on Experimental Heat Transfer, Fluid Mechanics, and Thermodynamics (Thessaloniki, 2001);

— I Отчетной конференции молодых ученых ГОУ УГТУ-УПИ (Екатеринбург, 2001), а также на научно-технических совещаниях-семинарах в ОАО.

УралОРГРЭС, «Уралмаш» и «НПО ЦКТИ».

Основные положения диссертации опубликованы в 16 печатных работах.

Диссертационная работа была выполнена на кафедрах «Теоретической теплотехники» и «Тепловые электрические станции» и проведена в соответствии с координационным планом РАН по проблеме.

Теплофизика и теплоэнергетика" № ГР 1 840 005 222 (Программа Минвуза «Человек и окружающая среда»).

Автор выражает благодарность своим научным руководителям: заведующему кафедрой «Тепловые электрические станции», д.т.н. профессору Бергу Б. В. и к.т.н. доценту Жилкину Б. П. за доброжелательное отношение и критические замечания, высказанные в процессе обсуждения работы.

Особую благодарность автор выражает Зыскину И. А., Скачковой С. С., Шульману B.JI. за техническую поддержку и полезную информацию.

Автор благодарит Зыскина Б. И., Коновалова М. Ю., Токарева Д. Н. за совместную плодотворную работу.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Проведенный комплекс исследований позволяет сделать следующие основные выводы:

1. Разработана методика визуализации термического строения газовых потоков;

2. На основании анализа полей полного давления, полей температуры и картин визуализации, дополнена структурная модель свободной газовой струи, сформированной одноканальных аксиальным завихрителем, определены геометрические характеристики её структурных образований;

3. Теми же способами выявлена структура струи, сформированной двойным аксиальным завихрителем при закрутки потоков в одну и разные стороны. Показано как меняется форма и размеры структурных образований при изменении режимных характеристик работы завихрителя. Обобщены сведения о геометрии структуры данной струи;

4. Экспериментально установлено несоответствие конструктивных параметров крутки пост, пА установленных ОСТом и Ахмедовым Р. Б. для одноканальных аксиальных завихрителей значениям физической крутки потока п. Предложены конструктивно-режимные параметры крутки nCRS и пСм для струй, сформированных соответственно однои двухканальным завихрителем, учитывающие более полно геометрические характеристики аксиальных завихрителей, а также свойства среды и режим её истечения, что обеспечило лучшее согласования с физическим параметром п;