Внешний тепломассообмен струй, сформированных двойными аксиальными завихрителями

Для стабилизации структуры факела, равномерного заполнения им топочного пространства в энергетических установках часто используют вихревые горелки с двухи многоканальными подводами топлива и воздуха. Их применение позволяет увеличить качество управления процессами, протекающими в топке котельного агрегата, а следовательно, повысить экономические и экологические показатели данных установок. Термическая и концентрационная картины, складывающиеся в топочном пространстве, состав уходящих газов и локальные тепловые потоки к технологическим поверхностям определяются внутренним и внешним тепломассообменом струи, соответственно между образующими ее коаксиальными потоками и со средой дымовых газов, а также теплообменом с нагреваемыми элементами топки.

Из указанных процессов практически отсутствуют количественные сведения о внешнем конвективном тепломассообмене результирующей струи с окружающей средой, и поэтому не разработаны ни инженерные методики расчета, ни эффективные способы управления этим процессом.

Следует отметить, что в известных горелках регулирование топочных процессов производится с изменением расходов среды по каналам, а также их соотношения, что приводит к изменению теплопроизводительности горелочного устройства. Вместе с тем, технически необходимы способы регулирования, при которых мощность горелки остается неизменной, т. е. управление теплообменом факела с топочной средой при сохранении неизменной тепловой производительности.

Сведения, имеющиеся в литературе, не дают четких представлений о газодинамических факторах теплообмена струи с окружающей средой. Также практически нет данных о горелках, способных менять, без изменения собственной мощности, структуру, формируемого ей факела и его теплообмен с топочной средой.

Целью работы является расширение представлений о гидродинамической и термической структуре струи, сформированной двухканальным аксиальным завихрителем, в условиях внешнего тепломассообмена, установление закономерностей данного процесса и разработка на этой основе методов воздействия на его интенсивность и конструктивной концепции горелочных устройств с расширенным диапазоном регулирования и возможностью влияния на топочный процесс без изменения мощности горелки.

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

— уточнена термическая конфигурация двойной закрученной газовой струи в процессе ее взаимодействия с внешней покоящейся средой при различных геометрических и режимных условиях;

— установлены закономерности изменения интенсивности тепломассообмена двойной закрученной струи с внешней средой, которые обобщены в виде уравнений подобия;

— разработаны и экспериментально опробованы два способа воздействия, позволяющие без изменения расходов рабочих сред (мощности горелки) менять интенсивность внешнего теплообмена факела;

— сформирован принцип ведения процесса тепломассообмена, основанный на анализе конфигурации структурных образований в факеле, идентификация которых осуществляется динамическим методом по тепловизионному изображению.

Достоверность результатов основывается на надежности экспериментальных данных, полученных сочетанием независимых методик исследования и подтвержденных воспроизводимостью результатов опытов, а также их хорошим согласованием на уровне тестовых опытов 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 топочного процесса с участием струй, сформированных двойными аксиальными завихрителями, что в совокупности с предложенными методами влияния на уровень теплового и массового взаимодействия струи с нагреваемой средой дает возможность повысить эффективность сжигания топлива в котлах ТЭС и других энергетических устройствах. Отдельные результаты работы уже реализованы в ОАО ТГК — 9 при разработке проектов модернизации горелок энергетических котлов.

Автор защищает:

— экспериментальные данные о термической структуре и гидродинамическом строении двойной затопленной закрученной струи, созданной двухканальным аксиальным завихрителем с разным направлением крутки потоков, и сформированные на этой базе представления о механизме теплообмена такой струи с внешней средой;

— методику количественной оценки интенсивности массообмена при смешении струи с окружающей средой;

— результаты количественной оценки интенсивности внешнего теплои массообмена двойной закрученной струи со средой, их обобщение в виде эмпирических уравнений;

— результаты экспериментальной апробации двух способов газодинамического воздействия на структуру струи и ее теплообмен с окружающей средой;

— практические рекомендации по организации управления процессом вихревого сжигания топлива, реализованные в конструкции горелки с подвижным центральным завихрителем и регулирующим раструбом, а также принцип регулирования, основанный на анализе структуры факела.

Апробация работы. Основные результаты исследований, изложенных в диссертации, докладывались и были представлены на 3th International Conference «Industrial Heat Engineering» (Ukraine, Kiev, 2003) — International Symposium on Combustion and Atmospheric Pollution (Russia, St. Peters-burg, 2003) — Международной научно-технической конференции «80 лет Уральской энергетике. Образование. Наука» (Россия, Екатеринбург, 2003) — V Minsk International Heat & Mass Transfer Forum MMF-2004 (Belarus, Minsk, 2004) — V Международной конференции по неравновесным процессам в соплах и струях NPNJ — 2004 (Россия, Самара, 2004) — Второй Российской конференции «Тепломассообмен и гидродинамика в закрученных потоках» (Россия, Москва, 2005) — International conference «Power industry and market economy» (Mongolia, Ulaanbaatar, 2005) — XV Школе-семинаре молодых ученых и специалистов под руководством акад. РАН А. И. Леонтьева «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках» (Россия, Калуга, 2005) — 4th International Conference of Heat Transfer, Fluid Mechanics and Thermodynamics (Egypt, Cairo, 2005).

Работа группы специалистов, в которой автором выполнен раздел «Теплообмен в закрученных газовых потоках», удостоена на Всероссийской выставке научно-технического творчества студентов, аспирантов и молодых ученых «Энергои ресурсосбережение и нетрадиционные возобновляемые источники энергии» диплома за I место в номинации «Энергосбережение в энергетике» (Екатеринбург, 2004).

Основные положения диссертации опубликованы в 14 печатных работах, в том числе в 4 источниках, рекомендованных ВАК. Получены два патента РФ.

Диссертационная работа была выполнена на кафедрах «Теоретической теплотехники» и «Тепловые электрические станции» и проведена в рамках выполнения г/б темы № 1686 (гос. per. № 1 200 205 928) «Создание теоретических основ теплотехнических процессов использования энергии топлива и других энергоресурсов с целью создания эффективных методов энергосбережения и экологически чистых энерготехнологий.

Автор выражает благодарность своему научному руководителю: д. ф-м.н. профессору Жилкину Б. П. за доброжелательное отношение и плодотворную совместную работу.

Автор благодарит Зайцева В. А., Берга Б. В., Миренского В. Ю., Шульмана B. JL, Богатову Т. Ф. за техническую поддержку и доброжелательное отношение.

Автор благодарит Зайцева А. В., Хишигсайхан Д., Зыскина Б. И., Ефимову А. В., Токарева Д. Н. за совместную работу.

Особую благодарность автор выражает Толмачеву Е. М. за то, что он, не считаясь со временем, скрупулезно ознакомился с диссертационной работой и сделал много ценных замечаний.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Анализ литературных данных и комплекс проведенных исследований позволяет сделать вывод о том, что применение разработанных способов воздействия на интенсивность внешнего теплообмена с помощью перемещения центрального канала и регулирования открытием перфорации в специальном конусе, на основе анализа видеои термоизображения, можно значительно повысить эффективность процессов управления тепломассообменом факела со средой топочных газов.

Получены следующие основные результаты:

1. Показано, как меняется термическая структура двойной закрученной струи, сформированной двухканальным аксиальным завихрителем в результате внешнего теплообмена с окружающей средой. Выявлены газодинамические факторы этого процесса.

2. Установлены основные закономерности изменения интенсивности внешнего теплообмена двойной закрученной струи. Полученные данные обобщены в виде уравнений подобия.

3. С помощью температурного метода, основанного на приближенной аналогии процесса переноса тепла и вещества в турбулентном потоке, проведен анализ интенсивности смешения субстанции струи с окружающей средой. Разработана методика количественной оценки интенсивности массообмена путем применения коэффициента массового взаимодействия, базирующаяся на следующем основании: чем выше массообмен между средами, тем меньше при прочих равных условиях размеры области пространства, ограниченного изолинией с заданной концентрацией. Найдена связь между характеристикой массового и внешнего теплового взаимодействия.

4. Предложены методы воздействия на интенсивность внешнего тепломассообмена с помощью перемещения завихрителя центрального канала по отношению к внешнему каналу и посредством изменения строения регулирующего раструба. Установлены диапазоны регулирования каждого метода в отдельности и при их совместном применении.

5. Разработана методика идентификации режима тепломассообмена в рассмотренных системах путем анализа структуры результирующей струи, которая позволяет также оценить интенсивность турбулентных пульсаций, их локализацию в факеле.

6. Создана конструктивная концепция горелочного устройства с расширенным диапазоном регулирования и разработан принцип регулирования внешнего тепломассообмена создаваемого им факела.

7. Отдельные результаты работы реализованы в ОАО «ТГК — 9» при разработке проектов модернизации горелок энергетических котлов.