Влияние радиационного теплообмена в топках котлов на процессы в контурах циркуляции тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

УУ461

291?

На правах рукописи

Калимуллин Альберт Вазировнч

ВЛИЯНИЕ РАДИАЦИОННОГО ТЕПЛООБМЕНА В ТОПКАХ КОТЛОВ НА ПРОЦЕССЫ В КОНТУРАХ ЦИРКУЛЯЦИИ

Специальность 01.04.14 - Теплофизика и теоретическая теплотехника

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 8 НО Я 2010

Казань-2010

004612977

Диссертация выполнена на кафедре "Газотурбинные энергоустановки и двигатели" ГОУ ВПО Казанского государственного энергетического университета.

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Шигапов Айрат Багаутдинович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Панфилович Казимир Брониславович

кандидат технических наук, доцент Ярославцев Юрий Александрович

Ведущая организация:

ООО <(ИЦ Энергопрогресс» (г, Казань)

Защита диссертации состоится / декабря 2010 г. в /0 час. ОО^ин. на заседании

диссертационного совета Д212.079.02 при Казанском государственном техническом университете им. А.Н. Туполева по адресу: 420111, г. Казань, ул. Карла Маркса, 10.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Казанского государственного технического университета им. Туполева.

Электронный вариант автореферата размещён на сайте КГТУ им. А.Н. Туполева: www.kai.ru

Автореферат разослан « 6 » октября 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

к.т.н., доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. В настоящее время в связи с бурным развитием вычислительных средств резко возрос интерес к решению технических задач путём моделирования рабочих процессов. В данной работе рассматривается моделирование процессов теплообмена в топочной камере парового котла с естественной циркуляцией.

Ресурс и надёжность парового котла в значительной мере определяется температурным состоянием теплообменник поверхностей. В особенно тяжёлых условиях работают поверхности экранов топочной камеры. Неравномерный обогрев по ширине экранов приводит к различному расходу среды в параллельно работающих трубах и может вызвать такие нарушения гидродинамики, как застой и опрокидывание потока. Эти режимы неустойчивые и приводят к переменным условиям охлаждения труб, а значит, вызывают их усталостные разрушения.

Для расчёта температурного состояния экранных поверхностей требуется комплексный подход, учитывающий передачу теплоты от топочного пространства к трубам и внутренний теплообмен от поверхности труб к пароводяной смеси.

Разработка и развитие методов расчёта теплообмена в топке позволяет выбрать оптимальное конструкторское решение при разработке новых котлов, а также обеспечить надёжную работу при модернизации, изменении вида топлива, режимных параметров установленного оборудования.^

Целью диссертационного исследования является решение комплексной задачи гидравлического расчёта контура с естественной циркуляцией, учитывающей локальные значения тепловосприятий экранных поверхностей. Основные задачи исследования:

• усовершенствовать метод сферических гармоник и программу расчёта радиационных тепловых потоков в дисперсных средах, ¡образующихся при сжигании твёрдого топлива;

• усовершенствовать метод характеристик и программу расчёта радиационных тепловых потоков в однородных средах, образующихся при сжигании природного газа;

• выполнить анализ результатов исследований и соотношений для расчёта параметров пароводяной смеси;

• разработать программу расчёта контура с естественной циркуляцией, учитывающую локальные значения тепловых потоков;

• выполнить численные исследования условий циркуляции солевого контура парового котла БКЗ-320-13,8ГК.

Научная новизна полученных результатов:

• обобщены и представлены в виде аппроксимаций результаты экспериментальных измерений температуры и степени выгорания для различных видов твёрдых топ-лив и горелочпых устройств;

• разработана модель формирования концентрации и размеров дисперсной фазы, а также основных радиационных свойств среды в объёме топки, позволяющие решать уравнение переноса методом сферических гармоник;

• применительно к методу характеристик расчёта радиационных тепловых потоков обоснован выбор диффузных граничных условий в изотропном приближении;

• установлено расчётным путём влияние профиля температуры топочных газов, размеров тонки на распределение радиационных тепловых потоков;

• решена задача гидравлического расч&га контура с естественной циркуляцией, учитывающая тепловосприятие отдельной трубы обогреваемого элемента. Практическая значимость работы:

• разработанные методы позволяют рассчитать температурное состояние экранных поверхностей контуров циркуляции, расчётами определить надёжность работы котлов. ....

Результаты работы используются в учебном процессе при выполнении бакалаврских работ, курсовом и дипломном проектировании, а также в расчётных исследованиях циркуляционных контуров котлов-утилизаторов ПГУ-блока. Рекомендации по использованию результатов:

• результаты могут быть использованы на предприятиях, занимающихся разработкой котельных агрегатов, а также эксплуатирующими организациями для расчёта надёжности котлов при изменении режимов работы и вида используемого топлива;

Достоверность научных положений подтверждается использованием признанных в мировой практике методов расчёта радиационных свойств дисперсной фазы по теории рассеяния Ми, радиационного переноса в Р5-приближении метода сферических

гармоник, а также совпадением результатов расчёта с имеющимися экспериментальными данными. Подтверждением достоверности является также баланс теплоты, выделившейся при сгорании топлива, и интегрального значения тепловых потоков. На защиту выносятся:

• разработанный метод формирования параметров дисперсной фазы и радиационных свойств среды1 в объёме топки, этапы модернизации программного комплекса и результаты расчётов радиационных тепловых потоков к стенкам топочного объёма при сжигании твёрдых топлив;

• усовершенствованный метод и результаты расчёта радиационных тепловых потоков в топках при сжигании природного газа;

• результаты расчёта циркуляционных контуров барабанного котла БКЗ-320-13,8ГК при сжигании природного газа.

Основные методы научных исследований. В исследованиях использованы методы вычислительной математики, программирования, теории дифференциальных уравнений, теории горения твёрдого топлива и аэродинамики топочных газов, теории цилиндрических (Бесселевых) и сферических (Лежандра) функций, теория радиационного теплообмена. Расчёты Проводились по программам, разработанным на алго-

ритмическом языке Compaq Visual Fortran 6.6.0. Графоматематическая обработка результатов выполнена в среде пакетов программ Matlab, Advanced Grapher и MS Excel.

Апробация работы. Основные положения разработанных методов и результаты расчётных исследований докладывались на следующих конференциях.

II, III, IV, V Молодёжная научная конференция «Тинчуринские чтения», 2007г., 2008 г., 2009 г. соответственно.

XIV и XVI Международная науч. техн. конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» в Москве, 2008, 2010 гг.

XII аСпирантско-магистерский семинар, посвящённой Дню энергетика и 40-летию образования КГЭУ, 2008 г.

XIII аспирантско-магистерский семинар, посвящённой Дню энергетика, 2009 г.

Публикации. Основные результаты диссертационной работы представлены в 9

печатных работах, среди которых три статьи опубликованы в журналах, рекомендованных ВАК РФ.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, трёх глав и списка литературы (92 наименования). Работа содержит 139 страниц, 8 таблиц и 65 рисунков.

Личное участие автора. Представленные результаты получены лично соискателем под руководством д.т.н. А.Б. Шигапова.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность проблемы поставлены задачи исследования, а также некоторые особенности, учитываемые автором при моделировании топочных процессов. Показано, что для корректного решения динамики процессов парообразования необходимо иметь результаты расчётов распределения радиационных тепловых потоков в топке.

В первом разделе приведён краткий обзор методов решения уравнения переноса энергии излучения (УПЭИ) в дисперсных средах. Описан метод сферических гармоник в Pj - приближении и представлен алгоритм численной реализации задачи.

Для расчёта радиационных тепловых потоков необходимо решить интегро-дифференциальное уравнение, имеющее следующий вид:

nV/l(r,Q)=-E(r)/X(r,Q)+ Ъа{г)1ЬХ{Тг )+

^ 4Я П=4я

Здесь x(r)=Za(r)+Xs(г) - коэффициент ослабления среды, la(r), £s(r) - коэффициенты поглощения и рассеяния дисперсной среды, г - радиус-вектор; y(r,Q,Q') - индикатриса рассеяния; Q,Q' - расчётное направление телесного угла и любое другое. /¿^ (j'r) - функция Планка при локальной температуре среды. Радиационные свойства среды Е, Zs, SJj, у(9) (речь идёт о спектральных величинах) определяются в результате решения задачи рассеяния излучения на изолированных частицах

5 !

¿-фазы по теории рассеяния Ми с последующим интегрированием в соответствии с плотностью вероятности распределения частиц по размерам /(г). , Общепринятым в топках, котлов является вь!бор диффузных граничных условий

1\(г)\г=*\'«1ы.{т„)+{>\™чр%)1к\ (2)

где е^, - диффузный коэффициент спектральной излучательной способности и коэффициент отражения стенки.

Одним из наиболее разработанных методов решения УПЭИ является метод сферических гармоник, численная реализация которого в трёхмерной геометрии развивается в последние десятилетие. Суть метода заключается в разложении интенсивности излучения в бесконечный ряд по сферическим гармоникам:

где ц., ф - компоненты телесного угла П ; <р,,.т - коэффициенты разложения при сферических гармониках, зависимость которых от сферических функций выражается соотношениями:

(3)

2л

2к 1

О -1

Ч>„„ И = Р'Р 0% И, ФЙН 5 <?п-т И = }«*Р ^ т > 0.

0-1

Для определения значений <р„т (г) необходимо ряд (3) подставить в уравнение (1) и произвести некоторые тождественные преобразования, в результате чего получим разложение интегро-дифференциальиого уравнения переноса по бесконечной ортогональной системе сферических функций. Если полученное выражение умножить поочередно на каждую из сферических функций и интегрировать по <р и //, то в силу ортогональности сферических гармоник получим бесконечную систему дифференциальных уравнений, связывающих функции ф„т (г). Полученная система

дифференциальных уравнений в частных производных решается модифицированным методом Гаусса в узлах сеток. При решении (1) индикатрису рассеяния представляют в виде разложения по полиномам Лежандра:

ОЭ

у(б) = ^(2л + 1)^п/5п(соз0). Ограничение порядка разложения п в (3) называют

....

приближением метода сферических гармоник. С целью использования аппарата матричных исследований систему дифференциальных уравнений в частных производных и граничные условия представляют в векторно-матричной форме:

Рис. 1. Расчётная модель топки

+вшы>й + = /,

& 8г

* 1 *

\

-1— -

1

матричного аналога уравнения переноса) только для четверти объйма (рис. 2).

где ДДС,£>-матрицы размерности 36x36 для -приближения, / - вектор свободных членов, и(х,у- искомый вектор моментов сферических гармоник размерностью 36x1. Решение уравнения (4) ищется в области пространства объёма топки, ограниченной координатами: Ойх<Ш; 0<у< ЛТ; Ойг< N7. . Здесь ЫХ, , Л/2 - относительные размеры топки котла: ширина, глубина и высота, (рис. 1) зависимость которых от физических размеров топки определяются соответственно формулами: ИХ = Ак!к, ЫУ = ВКП\ N2 = Нк¡е, где АК,ВК,НК - ширина, глубина и высота топки, И,1,е - размеры расчетной сетки по осям координат.

Трудоёмкость и точность решения задачи переноса излучения зависит от выбора размеров расчётной сетки и удачной компоновки алгоритма решения сеточных уравнений. Значения ЫХ и Ы¥ целесообразно принимать Бк чётными. Это позволяет разделить сечение топки двумя вертикальными плоскостями симметрии и рассчитывать параметры дисперсной фазы (коэффициенты векторно-

Рис. 2. Расчетная сетка в горизонтальном сечение топки

Расчётами установлено, что угольная пыль сгорает на высоте 0,5 метра от уровня горелок, поэтому в первой горизонтальной зоне по высоте радиационные свойства определяются исключительно частицами угольной пыли. Влиянием золы в этой зоне можно пренебречь. Далее по высоте топки дисперсная фаза состоит только из частиц золы.

Для расчёта радиационных свойств необходимо знать числовую концентрацию твёрдой фазы (угольная пыль и зола), которая зависит от массовой концентрации и размера частиц. Для этих целей разработана модель применительно к топочной камере с тангенциальным подводом топлива. В такой топке топливо подаётся прямоточными горелками в центр по касательной к условной окружности. В результате по высоте топки образуется вращательное движение топочной среды. Твёрдые частицы, имеющие различные размеры распределяются под действием массовых сил и аэродинамического сопротивления.

В общем случае форма топки в поперечном сечении может иметь прямоугольную форму. На рис.3 представлено сечение единичной высоты, где параметры среды можно считать постоянными. В объёме зоны А под действием вращательного движения формируется неравномерное поле параметров твёрдой фазы. В зоне В движение отсутствует и значения параметров твёрдой фазы приняты равными значениям на периферии зоны Л.

Принято допущение, что закон распределения частиц по размерам /(г) сохраняет свой вид, а изменяются лишь параметры, характеризующие размеры дисперсной фазы. Наиболее удобным при численном моделировании переноса излучения является использование средне-модального распределения для угольной пыли, имеющее вид

/(г) = 4/(3) г ехр(- 2yjr/гт ) и нормально-логарифмическое распределение для золы

f(r) = [i/(t/2j: arjexp[(lnr-rm)2/2a2j, при a = 0,971. Принято, что значение модального размера гт изменяется по линейному закону по радиусу вращательной зоны А, в зоне В постоянно и равно значению f{r) на радиусе В/.2. Для пыли тощего угля в зоне А гт= 1,5 ч- 4,5 мкм , для его золы принято гт = 0,1 * 0,5 мкм.

Массовое распределение и распределение числовой концентрации, также закон распределения частиц по размерам взаимосвязаны между собой, например, для частиц

,л15 л 'max

2 -10 1 4 ( 3 7

золы согласно уравнению Nz=—-, м ; где Vsz ~ —n \r f{r)dr мкм .

3,0-К^ 3

Вследствие сепарации частиц твёрдой фазы по размерам происходит перераспределение массовой концентрации. Задаваясь распределением массовой концентрации, получаем однозначное распределение числовой концентрации.

Если обозначим массовую концентрацию в центре go, то локальное значение массовой концентрации на радиусе R от центра равно gz(R) = gQ + Fz '80 > гДе R изменяется в интервале [о, Вк/2]. Функция Fz при линейном распределении концентрации является константой. Заданием различных видов функции Fz можно моделировать любые распределения массовой концентрации.

Значение массовой концентрации в центре g0 может быть определено из принятых допущений распределения gz(R), а также условия замыкания - суммарное количество дисперсной фазы в объёмах А и В должно быть равно значению, определённому по формуле Gi = gj ■ V, где g, - средняя массовая концентрация, известная из расчёта горения; V = Ак ■ Вк - объём выделенного сечения. В результате было получено распределение числовой концентрации для угольной пыли (рис. 4) и частиц золы.

По высоте топки масса золы остаётся постоянной. Принято, что вид функции распределения по размерам f(r), распределение в горизонтальных сечениях массовой доли gz(R) и модального радиуса rm(R) не претерпевают изменения по высоте.

Рис. 3. Схема попсрсчпого ссчення топочной камеры

Ширина

Глубина топки Вк, м

Рис. 4. Распределение числовой концентрации угольной ныли в сечсшш топки

В таком предположении удельные радиационные параметры золовых частиц

(квазимоподисперсные) , ,

-О

у(0) - остаются постоянными. Их достаточно рассчитывать для одного сечения в узлах сетки. Абсолютные значения этих параметров зависят прямо пропорционально от давления и температуры среды. Поскольку индикатриса рассеяния не зависит от достаточно рассчитать разложение индикатрисы в узловых точках четверти сечения тонки, рис. 2, а также определить в узлах значения

(£а +кё)11,х{Гг) - вектор свободных членов / в уравнении (4); значения

£„ =[£-0,5£л£„], л = 0,5 (коэффициенты матрицы О). Зеркальное отражение по осям симметрии позволит получить результаты для всего сечения и объема топки.

о а

Глубина топки Ок. ы

0 о

Глубина топки Вк. и

а б

Рис. 5. Распределение коэффициента ослабления в поперечном сечении топки для угольной пыли

на уровне горелок (а) и на уровне горизонтального газохода для золы (б)

Выполненный анализ позволяет существенно упростить алгоритм вычислительного процесса, избавив от необходимости трудоёмких расчётов радиационных свойств полвдисперсньи частиц по высоте топочного пространства. Представлена компактная схема расчёта: собственного излучения элементов объёма (Ц„ ; а также

комплекса 2 у = [Е-0,5£л£„] (где Тг - локальная температура; £„-коэффициент

разложения индикатрисы рассеяния) в узловых зонах расчётной сетки. Представленная схема расчёта перечисленных параметров сделала возможным эффективную реализацию решения переноса излучения методом сферических гармоник. Некоторые результаты численных исследований представлены на рис. 5, которые свидетельствуют о превалирующем влиянии на них общей концентрации частиц, а также о верном выполнении преобразований;

Для расчёта переноса излучения использованы обобщения экспериментальных данных для профиля температуры топочной среды и закона выгорания топлива. Обобщения выполнены для ряда твёрдых топлив и вида горелочных устройств. Например, для топлива АШ с тангенциальной подачей топливовоздушной смеси получено: Тср£)= 74519,8? -45315,68? + 9590,57г +1065,3 при 2 = 0-0,236;

Гср(г)= 1303,75?-2164,36-? +623,62-1+1740,5 при ¡ = 0,236-И;

1,9? -4,6? +3,754^-0,1; где ГСр- средняя температура факела, у - степень выгорания топлива, г- относительная длина факела.

Была также дополнена база данных по комплексному показателю преломления частиц дисперсной фазы. Эти мероприятия позволили усовершенствовать программный комплекс решения переноса излучения в -приближении метода сферических гармоник и обеспечить получение достоверных значений радиационных тепловых потоков.

На рис. 6 представлены расчётные данные падающих радиационных тепловых потоков <ЗУ в центральной части фронта

топки в зависимости от высоты для трёх случаев распределения параметров среды:

1)с учётом влияния пристеннго слоя и с учётом перераспределения параметров твёрдой фазы в результате тангенциальной подачи топливовоздушной смеси (на рис. 6 соответствует графику 2);

2)с учётом холодного пристегагого слоя, но без учёта сепарации частиц твёрдой фазы (график 3);

Рис. 6. Расчётные данные падающих тепловых потоков в центре фронта топки в зависимости от высоты (начиная от уровня горелок)

3)с учетом холодного пристенного слоя и с учётом перераспределения параметров твёрдой фазы (график 4).

Толщина относительно холодного пристенного слоя /пс в данной серии расчётов при-■ нята равтой 0,5 м.

Во втором разделе описан метод характеристик, применяемый для расчёта радиационных тепловых потоков при сжигании природного газа и жидкого топлива (гомогенное приближение). Приведены численные исследования при вариации определяющих параметров (размеров топки, толщины пристенной зоны, изменения профиля температур) на радиационный перенос, а также обоснован выбор граничных условий.

В методе характеристик уравнение переноса спектрального излучения решается для каждого направления телесного угла О топочного пространства с последующим суммированием нормальных составляющих интенсивностей. С учётом того, что элементарный телесный угол (К1 = этОоШф (где ф, 0 - азимутальная и полярная компоненты Г2), спектральный тепловой поток на поверхности топочной камеры равен

71 Л

= 1созОэтв сВ гЛр .

00

Расчёт дг упрощается при использовании граничных условий в виде: ^Х =rкw1x+zxwhx(.тw)■

г

: ¿i* ^^ —1

Это соответствует абсолютно точно только для изотропных сред, 1\{х,С£) = const, когда поверхность границ является ламбертовой (х, С2) = qгх /я . Использование граничных условий в такой трактовке при решении задач переноса излучения в объемах с развитой неоднородностью требует обоснования.

При строгой постановке граничных условий необходимы трудоёмкие итерационные вычисления. Поэтому были проведены специальные расчётные исследования применительно к котлу ТГМЕ-464. Выделен интервал длин волн максимального поглощения (Я. = 4,8-г5,2мкм) и прозрачности (X = 9,8 ч-10,2 мкм ) для топочных газов. В этих полосах рассчитаны радиационные тепловые потоки в центре фронтальной стенки в зависимости от высоты (рис. 7). Результаты отличаются незначительно. Использова-

1109 1050

moo

950 SCO 850

too

75В ТО» (50 ¡00 550 500 450 400 350 3001 250

Высота топки, м

г 3 4 5 Б 7 0 1 10 11 12 13 14 15 15 »-■-■-■ точные граничные условия в □ □ о гранит, усл. прн гсюгротгок приближении

Рис. 7. Распределение спектрального теплового потока по высоте топки в диапазоне >. = 9,8 + 10,2 мкм

ние упрощенной постановки граничных условий позволяет существенно упростить алгоритм и повысить быстродействие программы.

S

J-

1Г, кВт/и2

240 210 180 150 120 90 60 30 О

qr, кВт/м2

< Лш-2. —« ■ \

Л / С \

/ 3_

Л V

/1 Л Л

0 50 100 150 200 250 300 350 400

Рис. 8. Распределение тепловых потоков по высоте в центральной части бокового экрана. I-падающие тепловые потоки; 2-воспринятые тепловые потоки

Рис. 9. Распределение тепловых потоков, воспринятых боковой стенкой в горизонтальной плоскости. 1-на уровне горелок (отметка 7,27 м); 2-на отмеке 14,3 м; 3-на отметке 18,7 м

Методом характеристик рассчитано распределение радиационных тепловых потоков топочной камеры парового котла БКЗ-320-13,8ГК Казанской ТЭЦ-2. На рис. 8 и на ри«—О,.представлены данные для бокового экрана. Достоверность расчётов подтверждается сведением баланса теплоты в топочной камере.;

В третьем разделе приведён обзор литературы по основным уравнениям для гидравлического расчёта парового котла, обоснован оптимальный выбор уравнений для расчёта контура с естественной циркуляцией. Описана программа расчёта контура с естественной циркуляцией. Исследована надёжность циркуляции в боковом контуре с выносным циклоном.

Для расчёта теплофизических и термодинамических свойств воды и водяного пара использована система уравнений, принятая в 1997 году Международной ассоциацией по свойствам воды и водяного пара.

С точки зрения технических приложений целью расчёта двухфазных течений является гидравлическое сопротивление и истинное объёмное паросодержание ср. Эти параметры зависят от структуры потока. Для котлов высокого давления с естественной циркуляцией характерна пузырьковая и эмульсионная структура потока, поэтому вполне обоснован расчет параметров двухфазного потока в гомогенном приближении.

Для наиболее важных в энергетике пароводяных систем расчёт истинного паросо-держания можно проводить по формуле:

Ф Л"см

где С - констшгга, аналогичная по физическому смыслу параметру распределения. ' Величина Ди\ учитывающая локальное скольжение фаз, связана со скоростью всплытия одиночного пузырька (Уда соотношением Ак = ко11х, где отражает влияние взаимодействия паровых пузырьков. Знак «-» в (5) соответствует опускному течению в вертикальных каналах, знак «+» - подъемному. Эти формулы подтверждены опытными данными в условиях барботажа, а также при напорном течении пароводяных потоков в трубах диаметром от 10 до 35 мм и кольцевых каналах с шириной кольцевой щели 5,1 мм при массовых скоростях руу = 200-^3500 кг/м с и давлениях р = 0,5н-10МПа.

Рис. 10. Истшшое объёмное паросодержанне а) при напорном течении: и>0 = 1,0 м/с ^ давление 9,8 МПа диаметр трубы 40 мм б) при барботаже: «/0 = 0,1 м/с, давление 13,72 МПа, диаметр трубы 48 мм. < 1-по формуле 5; 2-по но формуле 6; 3-по номограмме, 4-объёмное паросодержанне.

При подъёмном движении пароводяной смеси в вертикальных и наклонных трубах коэффициент скольжения можно рассчитать по формуле:

= [1 +13,5(1 - я/Ркр )/рг5; 12 ае1'6 (1 + (1 - 5 -10-6 Ке)[1 - а/90°Д (6)

где критерий Фруда и Рейнольдса соответственно, равны Рг = и.'у Д'с/ , Яе = ;

а —угол наклона трубы к горизонтали, град; V' - кинематическая вязкость, м /с. Истинное объёмное паросодержанне при этом может быть определено по формуле Ф = (1 + 5(1 — Р) / р)—'. Уравнение (6) получено в результате обработки экспериментальных данных в следующем диапазоне изменения основных параметров: р от 2,0 до 18 МПа, с/от 15 до 62 мм, а отЮдо 90°, и>0 от0,1до3м/с.

На рис. 10 представлены зависимости для напорного подъёмного течения паро-жидкостной смеси и при барботаже. Результаты, полученные по формуле (6), близки с

данными, полученными по диаграммам1 (рис.9а), тогда как зависимость, полученная по формуле (5) сильно отклоняется от графика для объёмного паросодержания Д*) (при подъёмном движении истинное паросодержание всегда меньше объёмного). При барботажном и опускном движении потока (рис.9б) необходимо пользоваться формулой (5). При подъемном движении более надёжной является формула (6).

Гидравлическое сопротивление в гомогенном приближении рассчитывают по

Формуле: (7)

где <;о коэффициент трения для воды в состоянии насыщения.

На рис. 11 приведены данные расчёта относительного гидравлического сопротивления &рш/Аро в зависимости от паросодержания х. Аро - гидравлическое сопротивление воды при плотности р'. В формуле (7) можно использовать коэффициент трения для пароводяной смеси (ПВС), рассчитанный по эмпирической формуле

С 0,04 , . ■• ■

ьем ='— ~— ■ И форму- Рис. 11. Зависимость относительного гидравлического

^см ^см сопротивления от паросодержания.

1-Данные, получеипые с использованием поправок ле (7) вместо средней плотности нормативного метода1; 2-по формуле (7); 3-тоже, по при ПВС рсм иногда используют использовании коэффициента £си; 4-по формуле (7)

тх при использовании напорной плотности потока о.

напорную плотность рф. Из г рч>

анализа рис. 11 видно, что в расчётах с достаточной точностью можно пользоваться формулой (7).

На основе выбранных соотношений для расчёта параметров пароводяной смеси разработана программа расчёта контура с естественной циркуляцией. Программа позволяет проводить гидравлический расчёт циркуляционного контура с учётом любого распределения локальных тепловых потоков, т.е. отпадает необходимость в таких параметрах, как коэффициент неравномерности тепловосприятия по ширине, высоте или коэффициент неравномерности разверенной трубы. Приведён пример расчёта контура циркуляции котла БКЗ-320-13,8Гк с использованием расчётных значений дг.

1 Гидравлический расчет котельных агрегатов: (Нормативный метод)/ Бапдина О.М., Лок-шин В.А., Пегерсон Д.Ф. и др.; Под ред. В.А. Локшина и др. - М.: Энергия, 1978. - 256 с.: ил.

14

ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЕ

Применительно к расчёту переноса энергии в дисперсных средах:

• разработана модель формирования количественной и качественной неравномерности распределения частиц дисперсной фазы под влиянием вращательного движения топочной среды, а также основных радиационных свойств среды в объёме топки, позволяющие решать уравнение переноса методом сферических гармоник;

• обобщены и представлены в виде аппроксимаций результаты экспериментальных измерений температуры и степени выгорания различных твёрдых тонлив;

• на основе анализа размерностей расчётных соотношений для радиационных свойств дисперсной фазы предложен порядок их расчёта для всей области топочного пространства;

• расширена база данных по комплексному показателю преломления дисперсной фазы топочной среды и уточнена программа её обработки.

Выполненные исследования позволили построить оптимальный расчётный алгоритм для радиационных свойств во всём объёме топки, расширить область функционирования программного комплекса, а также получить достоверные данные по распределению радиационных тепловых потоков в топочной камере.

Применительно к расчёту переноса энергии излучением в гомогенных средах обоснована возможность приближённого представления диффузных граничных условий. Проведены параметрические исследования влияния размеров топки, толщины пристенной зоны, режима работы котла на распределение радиационных тепловых потоков по экранным поверхностям.

Эти исследования позволили усовершенствовать программу расчёта радиационных тепловых потоков в гомогенных средах.

Используя полученные значения распределения qr, проведён расчёт одного из

циркуляционных контуров парового котла БКЗ-320-13,8ГК. При этом:

• выполнен анализ расчётных соотношений для пароводяной смеси и выработаны рекомендации по их использованию;

• разработана программа расчёта циркуляции в замкнутом контуре.

Таким образом, решена задача гидравлического расчёта контура с естественной циркуляцией, учитывающая тепловосприятие отдельной трубы экранных поверхностей.

Основное содержание работы отражено в следующих публикациях.

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Шигапов, А.Б. Индикатриса рассеяния полидисперсными частицами аэрозолей / А.Б. Шигапов, Р.Н. Шайдуллин, P.P. Танеев, A.B. Калимуллин. // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. 2008, №5-6, С. 21-27.

2. Шигапов, А.Б. Полиномиальное представление индикатрисы рассеяния полидисперсных частиц / А.Б. Шигапов, P.P. Танеев, A.B. Калимуллин, Р.Н. Шайдуллин. // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. 2008, №11-12, С. 1320.

... ; i'b ' -

3. Шигапов, А.Б. Результаты вариантных расчётов теплового излучения в топочной камере энергетического котла / А.Б. Шигапов, A.B. Калимуллин, Р.Н. Шайдуллин, P.P. Танеев // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. 2009, №7-8, С. 3-7.

Прочие публикации:

4. Калимуллин, A.B. Сопряжённая задача теплообмена в топках котлов с естественной циркуляцией / Материалы докладов II Молодёжной научной конференции «Тинчуринские чтения» // Под общ. ред.д-ра физ. мат. наук проф. Ю.Я. Петрушен-ко. В 4т.; Т. 3.-Казань : Казан, гос. энсгр. ун-т, 2007.-176 с. С. 126.

5. Калимуллин, A.B. Распределение тепловых потоков по стенкам топочной камеры / Материалы докладов III Молодёжной научной конференции «Тинчуринские чтения» посвященной 40-ию КГЭУ // Под общ. ред. д-ра физ. мат. наук проф. Ю.Я. Петрушенко. В 4 т.; Т. 3. - Казань : Казан, гос. энегр. ун-т, 2008. - 196 с. С.121.

6. Калимуллин, A.B. Особенности теплообмена в топках паровых котлов / Радиоэлектроника, электротехника и энергетика // Четырнадцатая Международная науч. техн. конференция студентов и аспирантов : Тез. докл. В 3 т.; Т. 3. -М.: Издательский дом МЭИ, 2008. - Т.З - 384 с. С. 108-109.

7. Калимуллин, A.B. Диффузные граничные условия уравнения переноса энергии излучения / Материалы докладов XII научной конференции, посвящённой Дню энергетика // Под общ. ред.д-ра физ. мат. наук проф. Ю.Я. Петрушенко. В 4 т.; Т. 3. - Казань: Казан, гос. энегр. ун-т, 2009. - 176 с. С.126.

8. Калимуллин, A.B. Моделирование теплообмена в топочной камере энергетическо-

котла / Материалы докладов V Молодёжной научной конференции «Тинчуринские чтения» // Под общ. ред. д-ра физ. мат. наук проф. Ю.Я. Петрушенко. В 4 т.; Т. 3. - Казань : Казан, гос. энегр. ун-т, 2010. - 164 с. С.147.

9. Калимуллин, A.B. Гидравлический расчёт контура с естественной циркуляцией / Радиоэлектроника, электротехника и энергетика // XVI Международная науч. техн. конференция студентов и аспирантов : Тез. докл. В 3 т.; Т. 3. - М. : Издательский дом МЭИ, 2010.-Т.З-384 с. С. 128-129.

Подписано к печати 4.10.2010 Формат 60x84/ 16

Гарнитура «Times» Вид печати РОМ Бумага офсетная

Физ. печ. л. 1.0 Усл. печл. 0.94 Уч.-изд. л. 1.0

Тираж 100 экз. Заказ № 35/V

Типография КГЭУ 420066, Казань, Красносельская, 51

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ^ ИНДЕКСЫ И СОКРАЩЕНИЯ.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. РАДИАЦИОННЫЙ ПЕРЕНОС В ДВУХФАЗНЫХ СРЕДАХ.

1.1. Уравнение переноса энергии излучения в дисперсных средах.

1.2. Радиационные свойства полидисперсной системы частиц.

1.3. Основные соотношения теории рассеяния Ми. Расчёт радиационных параметров изолированной частицы.

1.4. Краткий обзор методов решения кинетического уравнения Больцмана. Метод сферических гармоник.

1.5. Векторно-матричное представление систем диффуравнений. Рп-приближения метода сферических гармоник для трехмерных геометрий.

1.6. Краткое описание программного комплекса МБОР5.

1.7. Анализ размерностей расчётных формул радиационных свойств дисперсной фазы и обоснование принятых допущений.

1.8. Расчётная модель формирования параметров дисперсной фазы в объёме топки котла.

1.9. Аэродинамика топочных процессов.

1.9.1. Аэродинамика факела впрыска топливовоздушной смеси на горизонтальном участке горелочных устройств.

1.10. Выбор расчётной сетки в топочном объёме и определение параметров среды в пределах расчётных сеток.

1.11. Численные исследования переноса энергии излучения.6 Г

ГЛАВА 2. РАДИАЦИОННЫЙ ПЕРЕНОС В ОДНОФАЗНЫХ СРЕДАХ.

2.1. Уравнение переноса в однородных средах с переменными параметрами.

2.2. Краткое описание метода расчёта по характерным направлениям переноса излучения.

2.3. Диффузные граничные условия уравнения переноса энергии излучения.

2.4. Вариантные расчёты теплового излучения в топочной камере энергетического котла.

2.5. Проверка достоверности расчёта радиационных тепловых потоков в топках котлов.

ГЛАВА 3. РАСЧЁТ КОНТУРА С ЕСТЕСТВЕННОЙ ЦИРКУЛЯЦИЕЙ.

3.1. Уравнения состояния.

3.2. Течение двухфазного потока в трубах.

3.3. Расходные параметры двухфазного потока.

3.4. Истинные параметры потока.

3.5. Структура двухфазного потока при адиабатном течении.

3.5.1. Вертикальные каналы.

3.5.2. Горизонтальные и наклонные каналы.

3.6. Структура двухфазного потока в обогреваемом канале.

3.7. Истинное объёмное паросодержание адиабатных двухфазных потоков.

3.8. Истинное объёмное паросодержание в обогреваемых каналах.

3.9. Гидравлические сопротивления в двухфазных потоках.

ЗЛО. Программа расчёта циркуляции в простом контуре.

3.11. Исследование циркуляции в котле БКЗ 320-13,8ГК.

3.11.1. Краткое описание котла БКЗ 320-13,8ГК.

3.11.2. Расчёт радиационных тепловых потоков в топке котла БКЗ 320-13,8ГК.

3.11.3. Сведение баланса теплоты в топке котла.

3.11.4. Гидравлический расчёт.

Большая часть электроэнергии в России вырабатывается на тепловых электростанциях, работающих на органическом топливе (ГРЭС и ТЭЦ). Можно выделить две основные технологии производства электроэнергии: газотурбинная и паросиловая. Газотурбинная технология сегодня бурно развивается, имеет массу достоинств. Однако использование этой технологии ограничивается тем, что основное топливо - исключительно газообразное. По паросиловой технологии работают почти все теплоэлектростанции в России. Основным оборудованием на таких электростанциях является паровой котёл и паротурбинная установка. В данной работе рассматриваются рабочие процессы, протекающие в паровом котле.

В котельном агрегате происходят сложные процессы горения и теплообмена. Основные технические показатели - надёжность и эффективность — напрямую зависят от развития экспериментальных, теоретических и расчётных исследований рабочих процессов в паровых котлах. В тяжёлых условиях работают поверхности нагрева топочной камеры. С одной стороны они подвержены влиянию высокотемпературных газов. С другой - по ним протекает парожидкостная смесь и возможны резкие значительные изменения коэффициента теплоотдачи. Представляет теоретический и практический интерес совместное рассмотрение внешнего теплообмена в топочной камере котла и гидродинамики процессов парообразования.

Теоретические и прикладные проблемы, связанные с динамикой процессов парообразования являются хорошо разработанными. Системы уравнений для расчётов приведены в [35, 57, 58, 62]. Методика расчёта описана в [16, 38]. Слабым местом указанных работ является то, что в пределах методов распределение радиационных тепловых потоков к поверхностям нагрева принимается приближённо.

Распределение тепловых потоков к стенкам не оказывает влияние на коэффициент полезного действия парогенератора. Прирост энтальпии паро-жидкостной смеси, от значения которого зависят энергетические показатели котла, не определяется темпом изменения тепловых потоков. Однако неравномерность тепловосприятия влияет на массовый расход пароводяной смеси. Это может послужить причиной ухудшенных температурных режимов. Расчёт гидродинамики прямоточного котла принципиально отличается от расчёта барабанного котла. Для упрощения задачи в данной работе рассматривается барабанный котёл с естественной циркуляцией.

Осреднённая плотность пароводяной смеси в подъёмных трубах определяется местом подвода теплоты по высоте топки. При одинаковых значениях количества подведённой теплоты (что определяет показатель тепловой экономичности), подвод теплоты в нижней части парогенерирующих труб приводит к снижению средней плотности пароводяной смеси в подъёмных трубах, следовательно, к увеличению движущей силы циркуляции. Увеличение циркуляционного напора, соответственно, вызывает рост скоростей пароводяной смеси в контуре, следовательно, приводит к повышению эффективности теплосъёма с поверхностей подъёмных труб. И наоборот, при подводе подавляющей части теплоты к верхним участкам труб ухудшаются теплооб-менные процессы. Увеличение теплосъёма способствует снижению уровня температур поверхностей парогенерирующих труб, что в свою очередь обеспечивает работу металла в более благоприятных условиях, увеличивается срок службы и повышается общая надёжность работы котельного агрегата.

Создание и использование методов расчёта теплообмена в топочном пространстве позволит, как на стадии проектирования обеспечить надёжную работу парового котла, так и оптимизировать действующее оборудование ТЭС.

Определяющим видом передачи теплоты в топке энергетических котлов является радиационный механизм. Обычно влиянием конвективного теплообмена в топках пренебрегают. Вклад конвективного механизма в топках не превышает 3. .4 %. Однако экспериментальные исследования [4, 5] показывают, что пренебрежение конвективным механизмом в определённых условиях может привести к существенным погрешностям. Это касается области горелочных устройств, когда топливовоздушная смесь подаётся в топку с высокими скоростями, до 50.70 м/с. Область конвективного участка теплообмена (область возвратных течений) небольшая, при дальнейшем подъёмном движении факела параметры топочных газов и топливовоздушной смеси быстро выравниваются. На расстоянии 1,5.2 калибров горелочного устройства поток можно считать одномерным и однородным [69]. В этих условиях роль конвективного механизма теплоотдачи резко снижается, доминирует радиационный механизм передачи теплоты. Определяющей роли радиационного механизма способствуют следующие факторы, имеющие место в топках энергетических котлов:

- высокая температура топочных газов, которая достигает 2000 К в зоне активных химических реакций;

- малые скорости потока, которые не превышают 15.20 м/с;

- большие объёмы топочного пространства.

В этих условиях перенос энергии излучения имеет объёмный характер. Конвективный и кондуктивный механизмы играют роль только для пристенных областей топочного пространства. Около стенок может формироваться относительно холодная пристенная зона [61], однако, некоторые исследователи отрицают наличие пристенной области [4, 5]. Поток в поперечном сечении топки считают изотермичным.

Формирование около поверхностей парогенерирующих труб динамического пограничного слоя отрицать нельзя, однако исследований в этом направлении недостаточно для обобщения результатов и использования моделей в расчётах радиационного теплообмена.

Теплообмен излучением в топках котлов имеет свои особенности. Имея объёмный характер переноса энергии, эффективный радиационный тепловой поток к поверхности представляет суммарные значения потоков со всех направлений топочного объёма. Поэтому расчётами должны быть охвачены все направления полусферического телесного угла О = 2к. Следствием объёмного механизма переноса энергии излучения является то, что корректный расчёт плотности радиационных тепловых потоков возможен только в том случае, если задано распределение состава и свойств (давления, температуры, плотностей) излучающих газов, а также ограничивающих поверхностей.

Состав и термодинамические параметры (Г, р, р) топочных газов позволяют при априори известных радиационных свойствах компонентов газовой смеси - зависимости коэффициентов поглощения от длины волны, температуры, давления, кх(р,Т), расчётным путём находить необходимые радиационные свойства многокомпонентной газовой смеси.

Радиационные свойства ограничивающих топочный объём поверхностей теплообмена также рассчитываются, как правило, по эмпирическим зависимостям.

Следующей особенностью теплообмена излучением является практически мгновенное установление радиационного равновесия в среде. По скоростям прохождения процессов, радиационное равновесие опережает большинство существующих процессов (химическое равновесие, локальное термодинамическое равновесие, обусловленное установлением энергетического равновесия за счёт колебания атомов и молекул) и оказывает влияние на их прохождение в среде.

Следствием больших скоростей распространения излучения является то, что расчёт радиационного теплообмена в энергоустановках можно проводить в равновесном приближении. В равновесном приближении справедливы законы статической термодинамики — заселённость энергетических уровней — число молекул в каждом энергетическом уровне определяется по статистической формуле Больцмана N = Сехр(~~-^£у,), где С — концентрация молекул в единице объёма; Е - энергетический уровень, в котором находится N молекул из общего числа С; к - универсальная константа Больцмана; Т - абсолютная температура.

Исключением рассмотренному случаю являются системы, в которых отсутствует термодинамическое равновесие. К таким системам относятся процессы в лазерах и мазерах. В теплоэнергетических системах и агрегатах неравновесный механизм переноса незначителен, им можно пренебречь.

Следствием выполнения термодинамического и энергетического равновесия является то, что спектральные параметры излучения описываются формулой М. Планка, интегральные - Стефана-Больцмана. Замечательным является также справедливость закона Кирхгофа. Закон Кирхгофа для элементарного объёма среды определяет равенство поглощенной и испускаемой энергии. Для ограничивающих поверхностей имеет место равенство гХст + Охт -15 где 8^ст, г\ст — спектральная излучательная и отражательная способность стенок.

Следующей особенностью радиационного теплообмена в теплоэнергетических установках является то, что параметры среды являются переменными. Неравномерное распределение параметров среды имеет место не только в топочном объёме котлов. Изотермическая среда — продукт абстракции и недостаток информации о действительных процессах. В реальных условиях она не встречается.

Сложное распределение таких параметров, как температура, давление, плотность, состав, следовательно, радиационных и оптических характеристик среды, естественно, приводит к осложнению расчётного алгоритма переноса излучения. В этих условиях классические «базовые» термины и определения такие как «излучательная способность», «средняя длина пути луча», «оптическая плотность» и другие теряют свой первоначальный смысл.

Следующей особенностью теплообмена излучением -является сложный газовый и дисперсный состав топочных газов. В общем случае топочные газы представляют двухфазную (дисперсную) среду. Однако, в некоторых случаях, концентрация и размеры- частиц дисперсной фазы настолько малы, что их можно считать крупными молекулярными включениями. Молекулярное рассеяние (рассеяние Релея-Ганса) по сравнению с высокотемпературным излучением газов на несколько порядков меньше и их влиянием в расчётах теплообмена излучением в энергоустановках пренебрегают.

Перенос энергии излучения в дисперсных средах описывается интегро-дифференциальным уравнением. Часто его называют кинетическим уравнением Больцмана. Решение данного уравнения представляет значительные трудности. Некоторые аспекты численных решений задачи переноса в дисперсных средах будут рассмотрены в главе I.

Определённые трудности представляет также расчёт радиационных свойств топочных газов, содержащих полидисперсные частицы. Трудности заключаются в необходимости выполнения сложных вычислений по теории рассеяния электромагнитных волн теплового излучения на фазовых неодно-родностях среды - на частицах дисперсной фазы. Эти трудности преодолеваются благодаря внедрению в расчётную практику современных вычислительных средств (персональных компьютеров).

Селективный характер поглощения и эмиссии компонентов газовой фазы приводит к осложнению расчётного алгоритма теплообмена излучением, которые также преодолеваются построением расчётных схем в приближении широких полос, а также в приближении «спектральных линий». Термин «спектральные линии», разумеется, условный. Речь идёт о расчётах переноса излучения в довольно узких интервалах длин волн, в пределах которых радиационные свойства (коэффициенты поглощения) газовой смеси принимаются постоянными и равными некоторым осреднённым значениям. Реальная ширина линий значительно уже. Во многих теплотехнических расчётах выбор интервала длин волн ДХ = 0,01мкм обеспечивает достаточную (менее

1,5.2%) точность расчётов плотности радиационных тепловых потоков. Эти. трудности становятся преодолимыми при использовании современных быстродействующих компьютеров.

Краткий обзор состояния исследований показывает возможность и актуальность этих работ для обеспечения надёжности работы котла.

Разумеется, полный набор всех направлений НИР,, отмеченных выше выходит за рамки кандидатской диссертации.

Целью диссертационного исследования является решение комплексной задачи гидравлического расчёта контура с естественной' циркуляцией, учитывающей локальные значения тепловосприятий экранных поверхностей.

Основные задачи исследования:

• усовершенствовать метод сферических гармоник и программу расчёта радиационных тепловых потоков в дисперсных средах, образующихся при сжигании твёрдого топлива;

• усовершенствовать метод характеристик и программу расчёта радиационных тепловых потоков в однородных средах, образующихся при сжигании природного газа;

• выполнить анализ результатов исследований и соотношений для расчёта параметров пароводяной смеси;

• разработать программу расчёта контура с естественной циркуляцией, учитывающую локальные значения тепловых потоков;

• выполнить численные исследования условий циркуляции солевого контура парового котла БКЗ-320-13,8ГК.

Научная новизна полученных результатов:

• обобщены и представлены в виде аппроксимаций результаты экспериментальных измерений температуры и степени выгорания для различных видов твёрдых топлив и горелочных устройств;

• разработана модель формирования концентрации и размеров дисперсной фазы, а также основных радиационных свойств среды в объёме топки, позволяющие решать уравнение переноса методом сферических гармоник;

• применительно к методу характеристик расчёта радиационных тепловых потоков обоснован выбор диффузных граничных условий в изотропном приближении;

• установлено расчётным путём влияние профиля температуры топочных газов, размеров топки на распределение радиационных тепловых потоков; решена задача гидравлического расчёта контура с естественной циркуляцией, учитывающая тепловосприятие отдельной трубы обогреваемого элемента.

Практическая значимость работы:

• разработанные методы позволяют рассчитать температурное состояние экранных поверхностей контуров циркуляции, расчётами определить надёжность работы котлов.

Результаты работы используются в учебном процессе при выполнении бакалаврских работ, курсовом и дипломном проектировании, а также в расчётных исследованиях циркуляционных контуров котлов-утилизаторов ПГУ-блока.

Рекомендации по использованию результатов:

• результаты могут быть использованы на предприятиях, занимающихся разработкой котельных агрегатов, а также эксплуатирующими организациями для расчёта надёжности котлов при изменении режимов работы и вида используемого топлива;

Достоверность научных положений подтверждается использованием признанных в мировой практике методов расчёта радиационных свойств дисперсной фазы по теории рассеяния Ми, радиационного переноса в Р5приближении метода сферических гармоник, а также совпадением результатов расчёта с имеющимися экспериментальными данными. Достоверность подтверждается сведением баланса теплоты для всех вариантов расчётных исследований.

На защиту выносятся:

• разработанный метод формирования параметров дисперсной фазы и радиационных свойств среды в объёме топки, этапы модернизации программного комплекса и результаты расчётов радиационных тепловых потоков к стенкам топочного объёма при сжигании твёрдых топлив;

• усовершенствованный метод и результаты расчёта радиационных тепловых потоков в топках при сжигании природного газа;

• результаты расчёта циркуляционных контуров барабанного котла БКЗ-320-13,8ГК при сжигании природного газа.

Основные методы научных исследований. В исследованиях использованы методы вычислительной математики, программирования, теории дифференциальных уравнений, теории горения твёрдого топлива и аэродинамики топочных газов, теории цилиндрических (Бесселевых) и сферических (Jle-жандра) функций, теория радиационного теплообмена. Расчёты проводились по программам, разработанным на алгоритмическом языке Compaq Visual

Fortran 6.6.0. Графоматематическая обработка результатов выполнена в среде пакетов программ Matlab, Advanced Grapher и MS Excel.

Апробация работы. Основные положения разработанных методов и результаты расчётных исследований докладывались на следующих конференциях.

II, III, IV, V Молодёжная научная конференция «Тинчуринские чтения», 2007г., 2008 г., 2009 г. соответственно в Казанском государственном энергетическом университете.

XIV и XVI Международная науч. техн. конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» в Москве, 2008, 2010 гг.

XII аспирантско-магистерский семинар, посвящённой Дню энергетика и 40-летию образования КГЭУ, 2008 г.

XIII аспирантско-магистерский семинар, посвящённой Дню энергетика, 2009 г.

Публикации. Основные результаты диссертационной работы представлены в 9 печатных работах, среди которых три статьи опубликованы в журналах, рекомендованных ВАК РФ.

Личный вклад автора. Представленные в диссертации результаты получены автором под руководством д.т.н. А.Б. Шигапова.

Основные результаты диссертационной работы представлены в следующих публикациях.

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Индикатриса рассеяния полидисперсными частицами аэрозолей / А.Б. Шигапов, Р.Н. Шайдуллин, P.P. Танеев, A.B. Калимуллин // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. - 2008. - №5-6, С. 21-27.

2. Полиномиальное представление индикатрисы рассеяния полидисперсных частиц / А.Б. Шигапов, P.P. Танеев, A.B. Калимуллин, Р.Н. Шайдуллин // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. - 2008. — №11-12.-С. 13-20.

3. Результаты вариантных расчётов теплового излучения в топочной камере энергетического котла / А.Б. Шигапов, A.B. Калимуллин, Р.Н. Шайдуллин, P.P. Танеев // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. - 2009. - №7-8. - С. 3-7.

Прочие публикации:

4. Калимуллин, A.B. Сопряжённая задача теплообмена в топках котлов с естественной циркуляцией / A.B. Калимуллин // Материалы докладов, II Молодёжной научной конференции «Тинчуринские чтения» / Под общ. ред.д-ра физ. мат. наук проф. Ю.Я. Петрушенко. В 4 т.; Т. 3. - Казань.: Казан, гос. энегр. ун-т, 2007. — С. 126.

5. Калимуллин, A.B. Распределение тепловых потоков по стенкам топочной камеры / A.B. Калимуллин // Материалы докладов III Молодёжной научной конференции «Тинчуринские чтения» посвящённой 40-ию КГЭУ / Под общ. ред. д-ра физ. мат. наук проф. Ю.Я. Петрушенко. В 4 т.; Т. 3. -Казань : Казан, гос. энегр. ун-т, 2008. — С. 121.

6. Калимуллин, A.B. Особенности теплообмена в топках паровых котлов / A.B. Калимуллин // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. Четырнадцатая Международная науч. техн. конференция студентов и аспирантов : Тез. докл. В 3 т.; Т. 3. - М. : Издательский дом МЭИ, 2008. - С. 108-109.

7. Калимуллин, A.B. Диффузные граничные условия уравнения переноса энергии излучения / A.B. Калимуллин // Материалы докладов XII научной конференции, посвящённой Дню энергетика / Под общ. ред.д-ра физ. мат. наук проф. Ю.Я. Петрушенко. В 4 т.; Т. 3. — Казань : Казан, гос. энегр. унт, 2009.-С. 126.

8. Калимуллин, A.B. Моделирование теплообмена в топочной камере энергетического котла / A.B. Калимуллин // Материалы докладов V Молодёжной научной конференции «Тинчуринские чтения» / Под общ. ред. д-ра физ. мат. наук проф. Ю.Я. Петрушенко. В 4 т.; Т. 3. - Казань : Казан, гос. энегр. ун-т, 2010. - С Л 47.

9. Калимуллин, A.B. Гидравлический расчёт контура с естественной циркуляцией / A.B. Калимуллин // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. XVI Международная науч. техн. конференция студентов и аспирантов : Тез. докл. В 3 т.; Т. 3. - М. : Издательский дом МЭИ, 2010. - С. 128129.

Объём и структура диссертационной работы.

Объём диссертационной работы - 145 страниц, 68 рисунков, 9 таблиц.

Диссертационная работа включает в себя введение, три главы и библиографию.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЕ

Применительно к расчёту переноса энергии в дисперсных средах:

• обобщены и представлены в виде аппроксимаций результаты экспериментальных измерений температуры и степени выгорания различных твёрдых топлив;

• разработана модель формирования количественной и качественной неравномерности распределения частиц дисперсной фазы под влиянием вращательного движения топочной среды, а также основных радиационных свойств среды в объёме топки, позволяющие решать уравнение переноса методом сферических гармоник;

• на основе анализа расчётных соотношений для радиационных свойств дисперсной фазы предложен порядок их расчёта для всей области топочного пространства;

Выполненные исследования позволили построить оптимальный расчётный алгоритм для радиационных свойств во всём объёме топки, расширить область функционирования программного комплекса, а также получить достоверные данные по распределению радиационных тепловых потоков в топочной камере.

Применительно к расчёту переноса энергии излучением в гомогенных средах обоснована возможность приближённого представления диффузных граничных условий. Проведены параметрические исследования влияния размеров топки, толщины пристенной зоны, режима работы котла.

Эти исследования позволили усовершенствовать программу расчёта радиационных тепловых потоков в гомогенных средах.

Используя полученные значения распределения , проведён расчёт одного из циркуляционных контуров парового котла БКЗ-320-13,8ГК. При этом:

• выполнен анализ расчётных соотношений для пароводяной смеси и выработаны рекомендации по их использованию;

• разработана программа расчёта циркуляции в замкнутом контуре.

Таким образом, решена задача гидравлического расчёта контура с естественной циркуляцией, учитывающая тепловосприятие отдельной трубы экранных поверхностей

1. Адрианов, В.Н. Основы радиационного и сложного теплообмена / В.Н. Адрианов. -М.: Энергия. 1972. -463 с. : ил.

2. Александров, A.A. Система уравнений^ IAPWS-IF97 для вычисления термодинамических свойств воды и водяного пара в промышленных расчетах. Ч. 1. Основные уравнения / A.A. Александров // Теплоэнергетика. 1998. - № 9. - С. 69-77.

3. Александров, A.A. Система уравнений IAPWS-IF97 для вычисления термодинамических свойств воды и водяного пара в промышленных расчетах. 2. Дополнительные уравнения / A.A. Александров // Теплоэнергетика. 1998. -№ 10. - С. 64-72.

4. Антоновский, В.И. Метод и результаты экспериментального изучения радиационно-конвективного теплообмена в топках паровых котлов. / В.И. Антоновский, О.В. Кисилев, Б.Р. Чудновский // PK CT ТТЗЭУ: Тез. докл. Киев. 1987. - С. 49-50.

5. Антоновский, В.И. Опытное изучение радиационно-конвективного теплообмена при набросе пламени на стены топки / В.И. Антоновский, О.В. Киселёв // Теплоэнергетика. 1984. - № 5. - С. 20-24.

6. Бакиров, Ф.Г. Образование и выгорание сажи при сжигании углеводородных топлив. /Ф.Г. Бакиров и др.. М.: Машиностроение, 1989. -126с.

7. Бард, С. Содержание углеродных частиц в небольших пламенных топ-ливах, сжигаемых в тигельных горелках/ С. Бард, Р.Дж. Тагни // Теплопередача. 1981.-Т. 108. №2.-С. 205-7-212.

8. Бикмуллин, Р.Х. Оптические константы частиц сажи в продуктах сгорания топлива керосин + кислород / Р.Х. Бикмуллин, А.Ф. Дрегалин, А.Б. Шигапов // 3-е ВС по ФНП КДФ. Тез.докл. Одесса. 1988. - С. 62.

9. Блох, А.Г. Излучение частиц углерода в пламени / А.Г. Блох // Теплоэнергетика. 1964. — №7. - С.16 - 19.

10. Блох, А.Г. Тепловое излучение в котельных установках / А.Г. Блох. Л.: Энергия, 1967. - 326 с. : ил.12