Гидродинамика и теплообмен затопленной газовой струи, сформированной одно- и двухканальным аксиальным завихрителем тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

ПЕРЕЧЕНЬ ОСНОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ.

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА

ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Структура и механизм развития одиночной свободной закрученной струи

1.2.Структура и механизм развития двойной свободной закрученной струи

1.3.0 методах регулирования топочными процессами.

1.4.Постановка задач исследований.

2. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ.

2.1.Методика определения гидродинамических и тепловых характеристик закрученной струи.

2.2.Оценка погрешности эксперимента.

3. ГИДРОДИНАМИКА И ТЕПЛОМАССООБМЕН ЗАТОПЛЕННОЙ СТРУИ, СФОРМИРОВАННОЙ ОДНОКАНАЛЬНЫМ АКСИАЛЬНЫМ ЗАВИХРИТЕЛЕМ.

3.1.Структура свободной закрученной струи.

3.2.Конструктивно-режимный параметр крутки.

3.3.Геометрические характеристики структурных образований.

3.4.Интенсивность тепломассообмена.

4. ГИДРОДИНАМИКА И ТЕПЛОМАССООБМЕН В ДВОЙНОЙ СВОБОДНОЙ ЗАКРУЧЕННОЙ СТРУЕ.

4.1. Структура двойной закрученной струи.

4.2.Результирующий параметр крутки.

ПЕРЕЧЕНЬ ОСНОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

Все символы поясняются при первом их применении в тексте. Из-за употребления большого количества символов некоторые из них используются для обозначения нескольких величин, поэтому их пояснения дублируются по ходу изложения и меняется вид их шрифта.

Ниже приводится перечень только наиболее употребительных обозначений: d - диаметр сопла или отверстий в перфорированной решетке, м; d3 - эквивалентный (гидравлический) диаметр, м; F - площадь поверхности, м2; G - массовый расход, кг/с; i - энтальпия, кДж/(кг-К); L - длина, м; - характерный линейный размер, м;

KF) К, - соответственно поверхностный и линейный коэффициенты теплового взаимодействия (коэффициент теплопередачи), Вт/(м2-К) и Вт/(м-К); п - физический параметр крутки; па, Пост ~ конструктивный параметр крутки завихрителя соответственно по Р.Б. Ахмедову и ОСТ 24.030.260-72; nCR, - конструктивно-режимный параметр крутки;

Р - давление, Па;

Q - тепловой поток, Вт; р q = ——- отношение плотностей потока импульса; Pi^f

Т - абсолютная температура, К; t - температура по шкале Цельсия, ° С;

W - скорость среды, м/с;

X, Y, Z- декартовы координаты; х, г, ф - цилиндрические координаты; у - угол установки лопаток завихрителя, градус (°);

0 - поток на входе в завихритель;

1 - внутренний завихритель;

2 - внешний завихритель;

I - линейный коэффициент; s - одноканальный завихритель; d - двухканальный завихритель; * - безразмерная величина; черточка сверху означает осреднение

Nl/e - линейное число теплового взаимодействия; Re = Wdjv - число Рейнольдса

0 =- - безразмерная температура;

ИНДЕКСЫ

ЧИСЛА ПОДОБИЯ

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 стороны; показано как меняется форма и размеры структурных образований при изменении режима работы завихрителя;

- предложены конструктивно-режимные параметры крутки для струи, сформированной одно- и 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

11

Теплофизика и теплоэнергетика» № ГР 01840005222 (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 одно- и 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;

1. Котлер В.Р. Оксиды азота в дымовых газах котлов. М.: Энергоатомиздат. 1987. 184 с.

2. Спейшер В.А., Горбаиенко А.Д. Повышение эффективности использования газа и мазута в энергетических установках. М.: Энергоатомиздат. 1991. 184 с.

3. Сигал И .Я. Образование оксидов в топочных процессах при сжигании газа.-Л.: Недра. 1989. 120 с.

4. Исследование комбинированного метода уменьшения выбросов окислов азота / В.А. Крутиев, Т.Б. Эфендиев, А.Д. Горбаненко и др. // Электрические станции. 1977. №4.С. 12-14.

5. Аэродинамика закрученной струи. Под ред. Ахмедова Р. Б. М.: Энергия. 1997. С. 240.

6. Халатов А.А. Теория и практика закрученных потоков. Киев: Наук. Думка, 1989. 192 с.

7. Нурсте Х.О., Иванов Ю.В., Луби Х.О. Исследование аэродинамики потока в закручивающих устройствах // Теплоэнергетика. 1978. №1. С. 37-39

8. Турбулентное смешение газовых струй. Под ред. Абрамовича Г. Н. М.: Наука. 1974. С. 272.

9. Закрученные потоки. / Гупта, Ашвани К. и др. // Перевод с английского. М.: Мир. 1987. С. 588.

10. Шерстюк А. Н., Тарасова Л. А. К расчёту закрученной струи. // Изв. вузов энерг. 1982. № 9. С. 109- 111.

11. Назарчук А. П., Золотницкий А. Д. К вопросу об определении структуры затопленного вихревого потока при большой степени закрутки. // Харьков.: Энергетическое машиностроение, 1983. № 35. С. 42 - 45.

12. Анцупов А. В. Миронов В. М. Исследование гашения закрутки струи в демпферной камере. // Изв. СО АН СССР. Сер. тех. н. 1985. № 16 / 3. С. 70 - 76.

13. Шерстюк А. Н., Тарасова JL А. Аэродинамика слабозакрученной турбулентной струи. // М.: Теплоэнергетика 1986. № 2. С. 61 - 64.

14. Рябокобыленко И. В. Каневский 3. И. Численное моделирование истечения вихревой изотермической струи из сопла с косым срезом. // Харьков.: Энергетическое машиностроение. 1987. № 44. С. 105 - 110.

15. Волков В. И., Мурыгин А. П. Исследование аэродинамики реактора со встроенными закрученными потоками. // Сб. н. тр. М.: МЭИ. 1988. № 176 С. 78-81 /.

16. Новомлинский В. В. Математическое моделирование неизотермических турбулентных одно- и двухфазных закрученных потоков. // ИФЖ. 1991. №2. С. 191 197.

17. Бубнов В. А. Об эффективной вязкости в турбулентных закрученных потоках. // Гидродинамика и процессы тепломассообмена. Киев. 1986. С. 80 85.

18. Агафонов К. Н. Численный анализ гидродинамики и теплообмена турбулентной закрученной импактной струи. // Научные труды московского лесотехнического института. М.: 1989. № 219. С. 113 120.

19. Исследование аэродинамики закрученного факела, создаваемого горелками различной конструкции // Energietechnik. 1984. № 10. С. 371 -375. (нем.)

20. Suzuki Kohochi. Maki Huroshi. Torika Kinichi. Исследование вращающегося турбулентного диффузионного пламени. // Trans. Jap. Soc. Mech. Eng. 1985. В 51. № 471. P. 3794 3797 (яп.)

21. Kolar V. Filip P. Currev A. G. The swirling radial jet. // Appl. Sci. Res. 1982. № 4. P. 329 335. (англ.).

22. Добросельский К.Г. Методика оценки распространения вредных выбросов от вентиляционных шахт и дымоходов труб в приземном слое атмосферы // Автореф. канд. дис. Владивосток. 1995. С. 25.

23. Рашидов Ф.К., Кузнецов К.Г. Эффективная крутка потока на выходе из завихрителей реверсных горелочных устройств. // Известия АН УзССР. Серия технических наук. 1984. №4. С. 26-28.

24. Ахмедов Р.Б. Дутьевые газогорелочные устройства. 2-е изд. -М.: Недра. 1977. С. 272.

25. Зыскин Б.И. Гидродинамика и теплообмен при смешении закрученных газовых струй с поперечным потоком // Автореф. канд. дис. Екатеринбург. 1999. С. 28.

26. Альбицкий А.А., Миллер B.C. Исследование формирования потоков газа за кольцевыми регистрами. // Сб. «Теплофизика и теплотехника». Вып.21 Киев.: Наукова думка. 1972. С. 141-144.

27. Абрамович Г.Н., Крашенинников С.Ю., Секундов А.Н. Турбулентные течения при воздействии объемных сил и не автомодельности. М.: Машиностроение. 1975г. 96 с.

28. Теория турбулентных струй. Под ред. Г.Н. Абрамовича. М.: Наука. 1984. С. 715.

29. Вулис JI.A., Кашкаров В.Г. Теория струй вязкой жидкости. -М.: Наука. 1965. С. 431.

30. Методические указания по проектированию топочных устройств энергетических котлов. Под ред. Вербовецкрго Э.Х., Жмерика Н.Г. -С. Петербург: ЦКТИ. 1996. С. 270.

31. Петухов В.В., Серант Ф.А., Устименко Б.П. Исследование осредненных и пульсационных характеристик двойных коаксиальных сильнозакрученных струй вихревых горелок // Проблемытеплоэнергетики и прикладной теплофизики. Новосибирск: 1973. Вып. 9. С. 76-83.

32. Устименко Б.П., Каймирасова С.Д. Влияние начальной крутки внутреннего и внешнего потока на аэродинамику сложной коаксиальной струи // Проблемы теплоэнергетики и прикладной теплофизики. Новосибирск: 1973. Вып. 9. С. 84 90.

33. Свириденков А.А., Третьяков В.В., Ягодкин В.И. Об эффективности смешения коаксиальных потоков, закрученных в противоположные стороны // ИФЖ. 1981. Т. XLI. №3. С. 407-413.

34. Свириденков А.А., Третьяков В.В. Экспериментальное исследование смешения турбулентных противоположно закрученных струй на начальном участке в кольцевом канале // ИФЖ. 1983. Т. 44. №2. С. 205-210.

35. Экспериментальное исследование смешения коаксиальных закрученных потоков в цилиндрическом кольцевом канале / Петров С.П. // Вихревой эффект и его применение в технике. Куйбышев. 1984. С. 228-233.

36. Рязанов В.Т., Суслов С.М., Винтовкин А.А. Сжигание природного газа с забалластированным воздухом: Обзор, информ. (Сер. Использование газа в народном хозяйстве) / ВНИИЭгазпром. 1989. Вып. 7. 26 с.

37. Характеристики крутки аксиальных завихрителей камер сгорания / Иванов А.В., Жилкин Б.П., Зыскин Б.И., Шуба А.Н., Ясников Г.П. // Совершенствование турбин и турбинного оборудования: Per. сб. науч. статей. Екатеринбург: УГТУ, 1998. С. 273-279.

38. Петунин А.Н. Методы и техника измерений параметров газового потока. М.: Машиностроение. 1972. 332 с.

39. Корнилов В.И. Пространственные течения в угловых конфигурациях. Новосибирск: Наука, Сиб. изд. фирма РАН, 2000. 399 с.

40. Справочник по теплообменникам. Пер. с англ. под ред. Мартыненко О.Г. и др. -М.: Энергоатомиздат. 1987. Т.1. С.352.

41. Кириллин В.А., Сычев В.В., Шейндлин А.Е. Техническая термодинамика. -М.: Энергия, 1974, С. 448.

42. Зайдель А.Н. Элементарные оценки ошибок измерений. Л.: Наука, 1968. С.98.

43. Сквайре Дж. Практическая физика. М.: Мир, 1971. С.246.

44. Новицкий П.В. Зограф И.А. Оценка погрешностей результатов измерений. Л.: Энергоатомиздат, 1991. С.304.

45. Берг Б.В., Жилкин Б.П., Потапов В.Н., Шуба А.Н. Некоторые вопросы совершенствования энергетических вихревых горелок // Материалы междунар. науч.-практ. конф. «Экология энергетики 2000». М.: МЭИ, 2000. С.314-315.

46. ОСТ 108.836.05-82. Горелки газомазутные и амбразуры стационарных паровых котлов. М.: Изд-во стандартов. 1985. 56 с.

47. Berg В.V., Zhilkin В.P. and Shuba A.N. Hydrodynamics and heat exchange of free swirl gas jet // Proc. of the 5th World Conference on Experimental Heat Transfer, Fluid Mechanics, and Thermodynamics. Pisa: Edizioni ETS, 2001. Vol. 2. P.1057-1060.

48. Гухман А.А. Применение теории подобия к исследованию процессов теплообмена. -М.: Высшая школа. 1974. С.256.

49. Лыков А.В. Тепломассообмен. Справочник- М.: Энергия. 1971. С. 560.

50. Теоретические основы энерготехнологических процессов цветной металлургии. Под. ред. Ярошенко Ю.Г. Екатеринбург: УГТУ-УПИ. 2000. С.310.

51. Шульман В.Л. Методические основы природоохранной деятельности ТЭС. Екатеринбург: Изд. Уральского университета. 2000. С.447.

52. Сударев А.В., Маев В.А. Камеры сгорания газотурбинных установок. Интенсификация горения. Л.: Недра. 1990. С. 274.

53. Патент №2142095 РФ МКИ 6 F 23 D 14/02, 17/00. Горелка / Жилкин Б.П., Ларионов И.Д., Потапов В.Н. Заяв. 22.05.98; опубл. 27.11.99. Бюл. №33.

54. Шуба А.Н., Берг Б.В. О возможности снижения вредных выбросов путем аэродинамического регулирования вихревых горелок // Науч. тр. I отчетной конф. молодых ученых ГОУ УГТУ-УПИ: Сб. тез. Екатеринбург: УГТУ-УПИ. 2001. С. 399.