Гидродинамика и внутренний теплообмен закрученных струй, сформированных двухканальными аксиальными завихрителями топочных горелок тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

На правах рукописи

ГИДРОДИНАМИКА И ВНУТРЕННИЙ ТЕПЛООБМЕН ЗАКРУЧЕННЫХ СТРУЙ, СФОРМИРОВАННЫХ ДВУХКАНАЛЬНЫМИ АКСИАЛЬНЫМИ ЗАВИХРИТЕЛЯМИ ТОПОЧНЫХ ГОРЕЛОК

Специальности: 01.04.14 - Теплофизика и теоретические основы теплотехники, 05.14.14 - Тепловые электрические станции, их энергетические системы и агрегаты

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Екатеринбург 2005

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет-УПИ на кафедрах «Теоретическая теплотехника» и «Тепловые электрические станции».

доктор физико-математических наук, профессор Жилкин Б.П.; доктор технических наук, профессор Берг Б.В. доктор технических наук, профессор Торопов Е.В.; кандидат технических наук, доцент Сафронов А.И. ОАО «Всероссийский научно- исследовательский институт металлургической теплотехники», г. Екатеринбург.

Научный руководитель: Научный консультант: Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

Защита диссертации состоится 27 января 2006 г. в 14-30 на заседании диссертационного совета Д 212.285.07 при ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет - УПИ» по адресу:

г. Екатеринбург, ул. С. Ковалевской, 5 (8-й учебный корпус УГТУ-УПИ), ауд. Т-703.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке УГТУ-УПИ. Ваши отзывы, заверенные печатью организации, просим направлять по адресу: 620002, г. Екатеринбург, ул. Мира, 19, ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, ученому секретарю совета университета.

Тел.: (343) 375-45-74, факс.: (343) 374-52-14, (343) 374-38-84. e-mail: kanc@mail.ustu.ru. me@infoteck.ru.

Автореферат разослан " 22 " декабря 2005 г. Ученый секретарь диссертационного совета

доктор технических наук, доцент П.Н. Плотников

¿006 А

зя,

Актуальность темы. Одним из важнейших вопросов организации работы тепловых электрических станций является обеспечение полноты сжигания топлива, в том числе и при неноминальных нагрузках, и создание условий, способствующих минимальному выделению токсичных веществ. Решение этих проблем в большинстве случаев может быть достигнуто совершенствованием горелочных устройств и, прежде всего, путем оптимизации конструктивных характеристик и режимов работы закручивающего аппарата.

В известных конструкциях вихревых горелок котлов ТЭС чаще всего используются регулярные (с одинаковыми углом установки лопаток) аксиальные многоканальные завихрители с закруткой потоков в одну сторону. Вместе с тем введение нерегулярности (разные углы установки лопаток) в сочетании с применением различных видов закрутки (в одну и разные стороны) может интенсифицировать процессы тепломассообмена в факеле и расширить диапазон управления ими.

Однако сведения, содержащиеся в литературе о взаимодействии потоков в струе, сформированной нерегулярными многоканальными аксиальными завихрителями, весьма ограничены, что сдерживает совершенствование топочной техники.

Целью работы является исследование возможности углубления управления процессами тепло- и массопереноса в факеле путем применения нерегулярных завихрителей, для чего необходимо дальнейшее развитие представлений о гидродинамической структуре и внутреннем теплообмене результирующей закрученной струи, прежде всего для случая формирования ее двухканальным аксиальным завихрителем с различными углами установки лопаток и с закруткой потоков в одну и разные стороны, а также разработка на этой основе концептуальных рекомендаций по проектированию горелок с улучшенными характеристиками для котлов ТЭС.

Работа проводилась по г/б теме №1686 (гос.рег. №.01200205928)

«Создание теоретических основ теплотехниж арфе, вдад^^^^д^льзования

БИБЛИОТЕКА |

энергии топлива других видов энергоресурсов с целью создания эффективных методов энергосбережения и экологически чистых энерготехнологий».

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

1. На основании термической визуализации течения, анализа полей полного давления, градиента вектора скорости и температуры выявлена гидродинамическая структура течения и термическое строение затопленной газовой струи, сформированной двухканальным нерегулярным аксиальным завихрителем при закрутке потоков в одну и разные стороны.

2. Экспериментально установлены закономерности изменения формы и размеров гидродинамических структурных образований при изменении конструктивных параметров и режима работы двухканального завихрителя.

3. Предложен конструктивно-режимный параметр крутки для струи, сформированной двухканальным аксиальным завихрителем с закруткой потоков в одну и разные стороны, который позволяет более полно учесть разнообразие геометрических характеристик закручивающих устройств, а также свойства и режим истечения газовой среды.

4. Установлены закономерности изменения характеристик акустического шума, генерируемого турбулентными структурами в газовой струе, сформированной двухканальным завихрителем; на этой основе сделано заключение о влиянии на эти структуры геометрических и режимных факторов и их роли в процессе внутреннего теплообмена.

5. Найдены закономерности изменения интенсивности внутреннего теплообмена при смешении потоков в двойной затопленной закрученной струе, выявлены факторы, определяющие теплоперенос.

6. Полученные экспериментальные данные по теплообмену между коаксиальными закрученными струями, сформированными двухканальными регулярными и нерегулярными завихрителями, обобщены в виде уравнения подобия.

Достоверность результатов основывается на достаточном уровне надежности экспериментальных данных, полученных сочетанием независимых методик исследования, устойчивой воспроизводимостью результатов опытов и хорошим их согласованием на уровне тестовых экспериментов с данными других авторов.

Практическая значимость. Полученные экспериментальные данные создают основу для разработки инженерных методик расчета и проектирования горелочных устройств с многоканальными аксиальными завихрителями, а также позволяют оптимизировать параметры и улучшить качество управления процессами, которые организуются путем применения составных коаксиальных струй, формируемых такими завихрителями, что открывает перспективу повышения эффективности сжигания топлива в горелочных устройствах котлов

тэс.

Автор защищает:

1. Экспериментальные данные и сформированные на их основе представления о гидродинамической структуре и термическом строении двойной затопленной закрученной струи, а также конструктивно-режимный параметр крутки, описывающий интенсивность закрутки струи, созданной как регулярными, так и нерегулярными завихрителями с разным направлением крутки потоков.

2. Результаты экспериментального исследования акустических характеристик шума, генерируемого аэродинамическими структурами, и их влияние на внутренний теплообмен.

3. Данные по количественной оценке интенсивности внутреннего теплообмена в двойной коаксиальной закрученной струе и их обобщение в виде эмпирического уравнения.

4. Практические рекомендации по управлению горелкой, включая схему автоматизации процесса вихревого сжигания топлива, воплощенные в конструкции горелки с нерегулярным двухканальным завихрителем.

Реализация результатов работы. Результаты работы внедрены ОАО «УралОРГРЭС» при разработке проекта модернизации горелок ряда энергетических котлов на Омской ТЭЦ-5 в России и при разработке проекта горелок котла БКЭ-75-39 на Улан-Баторской ТЭС-3 в Монголии.

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

-Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы современной энергетики» (Россия, Екатеринбург, 2002); 3th International conference «Industrial Heat Engineering» (Ukraine, Kiev, 2003); XIV и XV Школах-семинарах молодых ученых и специалистов «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках» под. рук. акад. РАН А.И. Леонтьева (Россия, Рыбинск, 2003 и Калуга, 2005); V Minsk International Heat & Mass Transfer Forum MMF-2004 (Belaruss, Minsk, 2004); V Международной конференции по неравновесным процессам в соплах и струях NPNJ-2004 (Россия, Самара, 2004); 3-й Международной научно-практической конференции РУО Академии инженерных наук РФ «На передовых рубежах науки и инженерного творчества» (Россия, Екатеринбург, 2004); Всероссийской научно-практической конференции и выставке студентов, аспирантов и молодых ученых «Энерго-и ресурсосбережение и нетрадиционные возобновляемые источники энергии » (Россия, Екатеринбург, 2004); International conference «Power industry and market economy» (Mongolia, Ulaanbaatar, 2005); 4th International conference on Heat Transfer, Fluid Mechanics and Thermodynamics HEFAT 2005 (Egypt, Cairo, 2005), а также на научно-технических совещаниях-семинарах в ОАО «УралОРГРЭС» и «Уралмаш-МО». Основные положения диссертации опубликованы в 15 печатных работах. Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемой литературы, включающего 98 наименований, и приложения, содержит 140 страниц, 83 рисунка и 2 таблицы по тексту.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснованы выбор направления исследований и его цели, определен круг основных задач исследований, показаны актуальность, научная новизна и практическая значимость решаемых проблем, приведены главные положения, выносимые на защиту.

В первой главе приведен аналитический обзор литературных источников, посвященных существующим методам и результатам исследования гидродинамики и теплообмена затопленных газовых струй, сформированных аксиальными завихрителями. Рассмотрены различные картины течения струй, проанализированы параметры, описывающие интенсивность крутки потоков. Обсуждаются физические представления и математические модели теплопереноса. Рассматриваются результаты исследований по взаимосвязи аэродинамических и акустических характеристик турбулентных струй. Приведён анализ работ, посвященных способам интенсификации теплообмена в газовых струях, сформированных аксиальными завихрителями. В результате анализа литературных данных было сделано предположение о том, что газодинамическим строением струй, а через него и теплообменом можно управлять путем подбора углов установки лопаток в сопряженных каналах и выбором соответствующего режима работы завихрителя, т.е. путем применения нерегулярных завихрителей.

Исходя из проведенного анализа литературных данных и учитывая цель работы, были сформулированы следующие основные задачи исследования:

1. Выявить изменения формы и размеров структурных образований струи при изменении конструктивных параметров и режима работы завихрителя.

2. Исследовать конструктивные и режимные условия формирования мелкомасштабных газодинамических образований, способствующих усилению внутреннего теплообмена в закрученных струях.

3. Определить основные закономерности изменения интенсивности внутреннего теплообмена струй в зависимости от геометрических и режимных параметров.

4. На основе полученных результатов сформулировать практические рекомендации по применению закрученных газовых струй, сформированных двухканальными регулярными и нерегулярными завихрителями в горелочных устройствах.

Во второй главе приводится описание методик и экспериментальных установок. Исследование гидродинамических и акустических характеристик проводилось на установке (рис.1), рабочей частью которой являлись аэродинамические каналы 5 и 6, состоящие из прямых труб, необходимых для стабилизации течения рабочего тела перед завихрителями, и испытуемых сменных завихрителей 8. Изучались 18 комбинаций внутреннего и внешнего завихрителей с углами установки лопаток 15°, 30° и 45°. Лопатки у всех завихрителей были плоскими толщиной 0,1 мм. Диаметр внутренней вставки для всех завихрителей составлял 5 мм, диаметр проходного сечения внутреннего завихрителя был постоянным и равнялся 24,5 мм, а внешнего завихрителя изменялся от 41 до 50 мм, так, чтобы все завихрители имели одинаковый эквивалентный гидравлический диаметр £?э = 10 мм. Параметр крутки "по Ахмедову" для внутреннего завихрителя пл> =0,246 - 0,916, а для внешнего пЛг =0,433-1,297.

Для описания интенсивности закрутки потока отдельным каналом завихрителем использовался конструктивно-режимный параметр лСЯ5, предложенный А.Н.Шубой, который определялся как

"си = 0,016л" Ке0,2"3""'', (1)

№1

где Яе = —- - число Яе, рассчитываемое по скорости IV на входе в

v

завихритель. Определяющей для коэффициента кинематической вязкости служила температура воздуха перед завихрителем. Конструктивно-режимный

параметр крутки для внутренних завихрителей находился в пределах "сю, = 0,116—0,826, для внешних завихрителей яСКг = 0,206 - 0,745.

Расход воздуха регулировался частотой вращения вентилятора путём изменения напряжения, подаваемого на электродвигатель, посредством лабораторного автотрансформатора 1, измерение расхода воздуха в каналах осуществлялось с помощью ротаметров 4.

Для определения газодинамических характеристик потока применялся пятиканальный пневмометрический зонд 9 с диаметром носика 1,3 мм.

Для перемещения зонда использовалось координатное устройство 10, которое обеспечивало перемещение зонда по трём взаимоперпендикулярным осям с точностью 0.01 мм.

Обработка данных, состоящих из преобразованных сигналов пневмометрического датчика, осуществлялась с помощью специальной программы, созданной на основе процедур МАТЪАВ 6.5.

Рис.1. Схема экспериментальной установки: 1 - лабораторный автотрансформатор; 2 - электродвигатель; 3 - вентилятор; 4 - ротаметр; 5 - внутренний канал; 6 - внешний канал; 7 - микроманометры; 8 - завихрители; 9 - пневмометрический зонд; 10 - координатное устройство; 11 - станина; 12 - газовый переключатель; 13 - датчик давления; 14 - термостат; 15 - ЭВМ

Анализ полей полного давления (рис.2) и градиента вектора скорости (рис.3), полученных с помощью этой программы, позволил более полно выявить основные структурные образования струи, изменение их форм и размеров при различных комбинациях геометрических и режимных параметров двухканальных завихрителей.

10 12 14 № 18 20 ИХли

Рис 2. Продольный (а) и поперечный (б) срезы поля полного давления Р для завихрителей с углами установки лопаток I - (у, = -15°, у2 = -45°), II - завихритель (у| =-45°, уг=-15°), IV, - = 20м/с. Структурные зоны 1 1 - основная и 1.2 - периферийная зоны обратных токов; 2 1 и 2.2 - зоны выхода потока и) межлопаточного пространства, соответственно, внутреннего и внешнего завихрителей; 3- зона внутреннего смешения

рчкИГ

20ч

Рис.3. Поля градиентов скорости потока в сечении на плоскости Х-У (2=0) и схема завихрителя Щ = 1Г2 = 20 м/с.

Завихрители с углами установки лопаток а - (у] = -15°, = -45°), б-(У1 = -45п,у2=-15°). Штрих - пунктиром выделен сектор соответствия

0

Подтвердились выводы предыдущих авторов о том, что на выходе из регулярного двойного завихрителя образуются две зоны обратных токов, две области выхода потока из межлопаточного пространства и зона общего конвективного смешения. При этом основная и периферийная зоны обратных токов проникают внутрь завихрителей. Основная и периферийная зоны

11

б

йпиНУ

2°\

обратных токов соединены между собой в промежутках между струями, выходящими из межлопаточных каналов внутреннего завихрителя.

Для всех исследованных комбинаций нерегулярных завихрителей и скоростных режимов их работы вышеуказанные зоны сохранялись, но сильно отличались формой и размером областей струи.

Было выявлено, что внутренняя (основная) зона обратных токов всегда значительно больше внешней, а внутренняя область выхода потоков из межлопаточных каналов намного меньше внешней одноименной области. Их размеры сильно зависят от угла установки лопаток внешнего завихрителя, с уменьшением угла установки лопаток этого завихрителя угол раскрытия струи и поперечный размер зоны обратных токов уменьшаются, крутка потоков снижается, а интенсивность смешения ухудшается. Так, в результирующей струе слабо закрученного внутреннего и сильно закрученного внешнего потоков (крутка в одну сторону) основная зона обратных токов имела характерные размеры: 3,2 калибра в диаметре и 7 калибров в длину. Наоборот, в случае, когда слабо закрученным являлся внешний, а сильно закрученным -внутренний поток, ее размер уменьшался примерно в 4 раза по диаметру и в 1,7 раза увеличивался в длину.

При сильной крутке внешнего, а слабой внутреннего потоков угол раскрытия струи увеличивается почти в 2 раза в сравнении со слабой закруткой внешнего потока в обоих направлениях.

Вместе с тем закрутка исходных потоков в разные стороны снижает результирующую крутку течения из-за того, что при смешении разнонаправленные потоки ослабляют друг друга, т.е. следует ожидать усиления внутреннего теплообмена между коаксиальными потоками и снижение внешнего теплообмена с окружающей средой.

В целом можно констатировать, что закрутка обоих потоков в разных направлениях приводит к интенсификации внутреннего смешения.

Было рассмотрено влияние одного из важнейших режимных факторов соотношения скоростей, а точнее скоростных напоров потоков

а = , во внутреннем (1) и внешнем (2) каналах, где р| и р2 -

соответственно, плотности сред на входе в указанные каналы.

При равномерном уменьшении скоростей потоков в обоих каналах наблюдается резкое изменение вида структуры течения. Если при высоких скоростях все вышеописанные зоны и области четко выражены, то с уменьшением скоростей размеры этих зон и областей уменьшаются, они «размазываются», а в случае совсем малых скоростей периферийная зона обратных токов вообще исчезает. Размер основной зоны обратных токов при этом уменьшается в два раза, что свидетельствует о снижении ее способности стабилизировать факел.

При резком отличии скоростей потоков в каналах вид структуры приобретает характерные способности. По мере того как скорость потока во внутреннем канале увеличивается, основная зона обратных токов постепенно сужается и на расстоянии примерно в 7 калибров исчезает. И, наоборот, когда скорость внешнего потока больше, то эта зона заканчивается уже на расстоянии трех калибров.

На основе полученных данных структурная модель обсуждаемой газовой струи была дополнена зоной внутреннего смешения (см.рис.2), получены

эмпирические уравнения, описывающие в обобщенном виде длину А^ = — и

ширину г'а = — основной зоны обратных токов, а также угол раскрытия |3

<1Э

изотермической закрученной струи, с учетом конструктивно-режимных параметров завихрителей:

к'и = (Аиги + 1,75)(0,012д2 - 0,5+ 6,44), (2)

г'и = 0,275(ДИ(ЯЛ +1) ехр(0,069), (3)

Уравнения справедливы в диапазоне п( = 0,61 - 0,83, п, яь = 0,24 - 0,66, д = 0,3 - 4,8.

В целом проведенные исследования показали, что, варьируя конструктивными характеристиками завихрителя, прежде всего соотношением

углов установки лопаток, отношением скоростных напоров q, можно в широких пределах изменять структуру и гидродинамические факторы теплопереноса в двойных закрученных струях, а следовательно, эффективно управлять процессом внутреннего теплообмена.

В третьей главе рассматриваются результаты экспериментальной работы по исследованию акустических характеристик закрученных газовых струй, сформированных аксиальными завихрителями.

Для понимания механизма внутреннего теплообмена важна конфигурация не только основных газодинамических зон, но и размеры когерентных турбулентных структур, образующих эти зоны. Относительной характеристикой размеров этих подструктур струи может служить спектр шума, создаваемого этими образованиями, формирующимися в турбулентном потоке. Согласно Д.И. Блохинцеву, частота аэродинамического шума/связана с характерным размером области существования потока 1 следующим соотношением:

/«¿(Не) у, (4)

где А - постоянный коэффициент; Яе - число Рейнольдса.

Следовательно, если в спектре присутствуют высокие частоты, то это свидетельствует о существовании в нем мелких газодинамических образований, а, напротив, появление низких частот говорит о формировании в нем крупных структур. При этом известно, что в потоке с мелкомасштабной структурой турбулентности интенсивность теплопереноса гораздо выше, чем в течениях, где преобладают крупные турбулентные структуры.

В экспериментах использовалась установка, описанная в главе 2. Основная часть рабочего участка размещалась внутри звукоизолирующей цилиндрической камеры высотой 800 мм и внутренним диаметром 500 мм, через стенку, которой вводился микрофон интегрирующего прецизионного шумомера Вгие1&К]аег Туре 2230.

Для того чтобы исключить уровень внешних шумов, сначала проводились измерения фонового шума, для чего струя с помощью специальной насадки, надевающейся на завихритель, выводилась вверх за пределы звукоизолирующей камеры. Затем были проведены измерения без насадки. После этого, из значений общего уровня звукового давления вычиталась величина звукового давления фона. Таким образом, полученные значения Рш характеризовали фактический аэродинамический шум струи.

Результаты обработки данных показали, что на интенсивность акустического поля влияют следующие геометрические и режимные факторы: углы установки лопаток завихрителей; взаимное направление закрутки потоков; соотношение скоростных напоров течений в каналах.

Было установлено, что при сильной закрутке внутреннего потока (рис.4) завихрителя в спектре звукового давления независимо от направления крутки потоков преобладают высокие частоты, т.е. в этом случае в струе доминируют мелкомасштабные микроструктуры, которые способствуют интенсивному внутреннему смешению потоков.

31, 5 63 125 250 500 1000 2000 4000 8000

Рис.4. Спектр звукового давления Рш при скоростях = = 20 м/с, для комбинаций завихрителей с углами установки лопаток 1 - (у] = -45°, уг = -15°); 2 - (у 1 = -45°, у2 = 15°) Напротив, при сильной закрутке периферийного потока (см. рис.5) и

высоких и одинаковых скоростях в обоих каналах примечательным является

отсутствие влияния направления крутки на уровень звукового давления в высокочастотной области спектра. А в низкочастотной части закрутка в одну сторону дает значительно большую интенсивность акустического шума, что указывает на образование в результирующем потоке преимущественно крупных структур, присущих зоне обратных токов. Таким образом, этот режим благоприятен для стабилизации факела, но обладает низким внутренним тепломассообменом.

В целом было установлено, что, воздействуя через геометрические характеристики двойного завихрителя и подбирая режим его работы, можно создавать коаксиальные газовые струи не только с требуемой макроструктурой, но и с определенными размерами подструктур, образующих эти макрообласти, и, тем самым, в широких пределах управлять уровнем внутреннего теплообмена и устойчивостью факела.

31,5 63 125 250 500 1000 2000 4000 8000

Рис.5. Спектр звукового давления Рш при скоростях Wi = W2= 20 м/с, для комбинаций завихрителей с углами установки лопаток: 1 - (Yt = — 15o, h = -45°), 2 - (yi = -15°, у2= 45°) Также на основании результатов проведенных исследований была

составлена карта геометрических условий и режимных параметров,

соответствующих случаям, когда в акустическом шуме преобладают высокие

частоты, т.е. наиболее вероятен высокий уровень внутреннего теплообмена.

В четвертой главе представлены методика и описание экспериментальной установки (рис.6) для изучения внутреннего теплообмена в закрученных струях.

Для определения температурного поля в изучаемом потоке использовалась методика тепловизионной диагностики, разработанная на кафедре теоретической теплотехники УГТУ-УПИ, основанная на применении термовизуализирующей сетки. Этот метод заключался в том, что в неизотермический газовый поток помещался датчик-сетка 9 из тонких фторопластовых нитей, которые принимали температуру потока. Тепловое излучение от нитей сетки, интенсивность которого соответствовала температуре потока, с помощью тепловизионной камеры преобразовывалось в визуальный образ в виде цветового поля, отображаемого на мониторе тепловизионной камеры 10.

Рис.6. Схема экспериментальной установки: 1 - лабораторный автотрансформатор; 2 - электродвигатель; 3 - вентилятор; 4 - ротаметр; 5 - электрический воздухоподогреватель, 6 - внутренний канал; 7 - внешний канал; 8 - завихритсли; 9 - термовизуализирующая сетка; 10 - тепловизионная камера; 11 - вычислительная машина; 12 - термостат; 13 - контрольная термопара

Этот визуальный образ трансформировался в численные значения температуры путем сопоставления цветов со шкалой «цвет-температура». Тем самым

10

1.

производится одномоментное измерение температурного поля газового потока в большом числе точек контрольной области. В опытах использовались: тепловизор марки IRTIS-200; сетка из фторопластовых нитей толщиной 50 мкм и размерами ячейки 1х 1 мм. Обработка термоизображений производилась по программе NewIRTIS 200 (Infrared Thermal Imaging Systems).

Для описания термической картины были предварительно выбраны две характерные области, различаемые по величине безразмерной температуры;

е = (5)

I ни — /0

где /,- характерная (контрольная) температура границы зоны, С°; /„- температура окружающей среды, С0; i„„- температура потока на входе в завихритель, С0.

Для области низких температур характерна безразмерная температура 0 = 0.69, а для области высоких температур - 6 = 0.91.

Первичный анализ термограмм показал, что для всех комбинаций углов установки лопаток характер изменения конфигурации термических зон, образующихся в результирующем течении, слабо зависит от взаимного направления крутки потоков. Единственное отличие заключалось в том, что при одинаковых условиях размеры температурных зон в струях, закрученных в одну сторону, всегда были больше, чем в разнонаправленных потоках.

На рис.7 представлены основные термические области, включающие описанные выше газодинамические зоны закрученных струй.

Высокотемпературная область I содержит зоны обратных токов (1.1 и 1.2), и области выхода потока из межлопаточных каналов (2).

В низкотемпературной области II содержатся оставшаяся часть зоны обратных токов (1.1) и зона (3) общего конвективного смешения (см. дополнительно рис.2).

Рис 7 'I ермограмчы струи для завихрителей с углами а-(/ = -15" =-45")

б - (у =-45°./ =-15"), ^ =Ц'г = 20м/с. =80' С и =19"С

1. II - области высоких и нижих гечлера1ур

Было установлено, что во всех случаях при уменьшении углов установки лопаток как внутреннего, так и внешнего завихрителей интенсивность теплообмена снижается. Это, по-видимому, объясняется уменьшением интенсивности движения среды в мелкомасштабных структурах.

Следует отметить, что когда закрутка внешнего потока является сильной, а внутреннего слабой, размеры всех вышеуказанных областей намного меньше, чем в противоположном случае. Это свидетельствует о том, что интенсивное 1ь внутреннего теплообмена в этом случае больше, чем в противоположном случае Было установлено, что угол установки лопаток внешнего завихрителя оказывает особенно сильное влияние на уровень теплового взаимодействия.

В целом оказалось, чю при сильных закрутках разнонаправленные сгруи имеют большую интенсивность теплообмена, а при слабых закрутках наибольший уровень теплового взаимодействия имеют однонаправленные потоки.

Как и следовало ожидать, влияние соотношения скоростей потока в каналах, а точнее, отношения динамических напоров определяется геометрическими характеристиками завихрителей.

В целом было выявлено, что термическое строение двойных закрученных струй, определяемое интенсивностью внутреннего теплообмена, являющегося сложной функцией геометрических и режимных характеристик, может быть учтено путем использования комплексных параметров, таких как число Рейнольдса, вычисленное по эквивалентному диаметру внутреннего канала завихрителей, конструктивно-режимный параметр крутки и соотношение динамических напоров (плотностей потока импульса) течений в каналах завихрителя.

Для количественной оценки интенсивности теплообмена при смешении использовался линейный коэффициент теплового взаимодействия К\х. Методика его вычисления основана на том положении, что чем выше интенсивность теплового взаимодействия, тем меньше размеры области течения, ограниченной изотермой с заданной температурой. Для осесимметричных потоков, каковыми являются рассматриваемые струи, в качестве характерного размера протяженности условной границы раздела может служить линейный размер (длина линии, периметр) изотермы с выбранной безразмерной температурой 9Х, соответствующей определенной стадии смешения х. Тогда линейный коэффициент теплового взаимодействия может быть найден как

К1Х=-&--(6)

где, внутренний тепловой поток, переданный на контрольной стадии смешения *, характеризующейся безразмерной температурой вх = в

(')— '2)

которой г, и /2- соответственно, исходные температуры горячей и холодной сред, С0; - длина характерной изотермы tx в продольном сечении результирующего струйного течения, м.

Как было показано ранее А.Н. Шубой, величина коэффициента К1Х зависит от определяющей безразмерной температуры 9Х, и конструктивно-режимного параметра крутки псы. Поэтому ее величину надлежит выбирать в области

автомодельности от указанных параметров.

На основе анализа этих зависимостей в качестве определяющей величины безразмерной температуры была выбрана 0Х = 0,05, что позволило сопоставить интенсивность теплового взаимодействия по завершению основной стадии смешения.

Следует подчеркнуть, что величина К1Х не является абсолютным показателем интенсивности теплообмена, поскольку зависит от 0Х, а играет роль параметра сопоставления интенсивности теплопереноса при 6Х = idem.

Как было показано выше, интенсивность теплового взаимодействия, выражаемая величиной К1Х, зависит в комплексе как от геометрических характеристик обоих завихрителей, так и режимов их работы. При этом одним из наиболее сильнодействующих факторов является значение q,

На рис.8 показаны характерные зависимости линейного коэффициента теплового взаимодействия К1Х от гидродинамического параметра q.

Установлено, что для всех исследованных комбинаций завихрителей максимальное значение коэффициента теплового взаимодействия Шх находится в той режимной точке, где скоростные напоры равны.

В целом вид полученных нами зависимостей также соответствовал данным А.Н. Шубы, кроме крайних значений параметра q. А именно, в диапазонах q <0,5 и q > 2,5 результата иные. Это объясняется тем, что коэффициент теплового взаимодействия, кроме величины крутки, по обоим каналом зависит

W -d

от числа Рейнольдса для потока внутреннего канала Re, = ———, где v, - коэф-

"i

фициент кинематической вязкости газа во внутреннем канале.

Поэтому дальнейший анализ зависимости К1Х от q проводился с учетом величины числа Рейнольдса для течения по первому каналу. Были выделены три характерные режимные точки по числу Re,: низкое число Re, = 6369; среднее - 9554; высокое - 12739.

Рис.8. Зависимость линейного коэффициента теплового взаимодействия К1Х от соотношения скоростных напоров q для завихрителей с соответствующими углами установки лопаток: 1 и 2 - (yi = 45°, у2 = 45°), 3 и 6 - (yi = 15°, 72 = 15°), 4 и 5 - (yi = 45°, уг = 15°), осредненная числам Рейнольдса для потока во внутреннем канале 9Х = 0,08, при разных соотношениях конструктивно-режимных параметров крутки: 1 и 2- nCRSi = 0,826; 3 и 6- nCRSt = 0,1725; 4 и 5- nCÄSi = 0,826. Здесь сплошная линия соответствует случаю закрутки струй в одну сторону, а пунктирная -в разные Было установлено что, при одинаковых числах Рейнольдса линейный

коэффициент теплового взаимодействия имеет большее значение при закрутке

в разные стороны во всем диапазоне изменения q и почти во всех комбинациях

конструктивно-режимных параметров. Среди конструктивных параметров,

определяющих закручивающую способность завихрителя nCRS, наиболее

сильным влиянием обладают углы установки лопаток, поэтому прежде всего

рассматривалось влияние этого фактора на теплообмен.

Было обнаружено, что при всех случаях уменьшения углов установки

лопаток внутреннего и внешнего завихрителей интенсивность теплообмена

снижается. Это, по-видимому, объясняется уменьшением интенсивности

движения среды в мелких структурах.

Когда закрутка внешнего потока является сильной (рис.9), а внутреннего -

слабой, размеры всех вышеуказанных термических областей намного меньше.

Это свидетельствует о том, что величина Ki при разной интенсивности крутки

потоков более чувствительна к изменению угла у2 внешнего завихрителя.

Рис.9. Зависимость линейного коэффициента теплового взаимодействия К1Х от соотношения скоростных напоров q¡: 1-Re, =12739; 2-9554 ; 3-6369. Сплошная линия соответствует завихрителю с углами yj = -15°, y¡ = -45°, а пунктирная - у i = -15°, уг - 45°.

Когда углы установки лопаток внешнего и внутреннего каналов одинаковые, внутреннее тепловое взаимодействие оказалось наиболее интенсивным при сильных закрутках потоков в обоих каналах, что согласуется с прогнозом, сделанным на основе анализа звукового спектра.

Было выявлено, что направление крутки потоков весьма сильно влияет на теплообмен, когда внутренний поток закручен сильнее, чем внешний а при обратном отношении круток действие этого фактора оказалось слабым (рис.10).

—•—1-

К1х. Вт/(м К) _В_,2

80

70 60 50 40 30 20 10 О

О 2 4 6 8 а

Рис.10. Зависимость линейного коэффициента теплового взаимодействия К1Х от соотношения скоростных напоров q,: 1-Re, =12739; 2-9554; 3-6369. Сплошная линия соответствует завихрителю с углами установки лопаток Yi = -45°, уг=-15°, а пунктирная y¡ = -45°, уг = 15°

В целом результаты изучения закономерностей теплообмена подтвердили

прогноз, сделанный на основе анализа гидродинамических и акустических характеристик течения.

Обобщение экспериментальных данных по теплообмену было проведено, для заключительной стадии процесса смешения, которой соответствовала безразмерная температура 0Х = 0,05.

В качестве безразмерного показателя интенсивности теплового взаимодействия было использовано введенное А.Н. Шубой линейное число теплового взаимодействия

м19=ВДь (7)

где К1в - линейный коэффициент теплового взаимодействия, Вт.

Аппроксимация проводилась методом наименьших квадратов в классе полиномов степени не выше N (И = 1, 2, 3). В качестве базиса при расчете были выбраны ортогональные многочлены Чебышева первого рода.

В результате аппроксимации с погрешностью не более 35% (в диапазоне псш = 0,11 б - 0,826; пС1т = 0,206 - 0,745; Яе = 6300 -12750, </ = 0,2-9) было получено уравнение подобия при кубическом приближении: N1,, =-7.071^ +0.15^^4, +0.000013^ Яе, ч, -0.3627^ -0.784Ч + + 0 00023Ке, ч, + 1.59571^ пСЫг +0.000161^ 1^ + 0.56291^ я, -0.0012%^ Яе,-- 0.8131^ +1 -48791^ -4436.3Яе,+ 0.021qf + 0.00002Же, qf - 0.0369%*, ч? +

(8)

+0.1494Югц1 -0.191^ -0.18*10"7 Яе? я, + 0.482Яе?-0.404г£1и,Я| -0.4141^4, + +34.211^ +0.8*10",пС|(5! Яе, я, + 2.031^ п^ -2.89^11^ -0.0077^ -0.000017^ + +0.00015^11^ -0.789*10"* п^ Яе^ОЛ^Ю'п^ 0.00431^11^ -56.61^ +13041662

Установленная взаимосвязь между интенсивностью тепломассообмена и видом спектра акустического шума позволила разработать принципиальную схему автоматического управления с использованием в качестве дополнительного регулирующего воздействия спектр аэродинамического шума.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Выполненный комплекс исследований показал, что применение аксиальных завихрителей с разными углами установки лопаток (нерегулярные

завихрители) позволяет в широких пределах изменять газодинамическую структуру двойной закрученной струи путем подбора конструктивных параметров и режима работы завихрите ля. Это расширяет диапазон управления интенсивностью внутреннего теплообмена между сопряженными коаксиальными потоками и, тем самым, рабочими процессами в факеле.

Получены следующие основные результаты:

1. Показано, как меняются формы и размеры газодинамических и термических структурных образований в струе при изменении конструктивных параметров и режима работы двойного завихрите ля. Обобщены сведения о геометрии основной зоны обратных токов и угле раскрытия струи.

2. Уточнена структурная модель затопленной газовой струи, сформированной двухканальным аксиальным завихрителем.

3. Предложен конструктивно-режимный параметр крутки, пригодный для описания интенсивности закрутки струи, сформированной двухканальными регулярными и нерегулярными завихрителями.

4. Анализ характеристик аэродинамического шума, создаваемого когерентными структурами, формирующимися в струях, позволил определить условия формирования мелкомасштабных газодинамических образований, способствующих усилению внутреннего теплообмена.

5. Найдены основные закономерности изменения интенсивности внутреннего теплообмена между сопряженными коаксиальными струями, образующими факел. Данные обобщены в виде уравнения подобия.

6. На основе всего комплекса результатов экспериментальных исследований были сформулированы рекомендации по проектированию и управлению, включая схему автоматизации процессами тепломассообмена в факелах вихревых горелок ТЭС.

7. Результаты работы внедрены ОАО «УралОРГРЭС» при разработке проекта модернизации горелок энергетических котлов на Омской ТЭЦ-5 и горелок котла БКЭ-75-39 на Улан-Баторской ТЭС-3.

Основное содержание диссертации изложено в следующих публикациях:

1. Влияние гидродинамического сопротивления на режимы работы вихревых горелок /Д.Н. Токарев, М.Ю. Коновалов, А.Н. Шуба, X. Дашпунцаг, Б.И. Зыскин, Б.В. Берг, Б.П. Жилкин //Вестник Уральского государственного технического университета: Актуальные проблемы современной энергетики. Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2002. №3 (18). С. 108.

2. Поле градиента скорости в потоке, создаваемом аксиальным завихрителем /А.Н. Шуба, К.В. Зайцев, X. Дашпунцаг, Б.П. Жилкин. //Проблемы газодинамики и тепло- и массообмена в энергетических установках: XIV Школы-семинара молодых ученых и специалистов; под рук. акад. РАН А.И. Леонтьева. (2003г. Рыбинск, Россия). МЭИ, 2003. С.346-348.

3. Enhancement of gas-jets ignition capability in power facilities /A.V. Zaitsev, K.V. Zaitsev, M.Yu. Konovalov, Kh. Dashpuntsag, A.N. Shuba, B.P. Gzhilkin //Industrial heat engineering Vol.25, №4. 2003. Kiev, Ukraine. National Academy of Sciences. PP. 36-38.

4. Гидродинамические характеристики газовых горелок с двойными аксиальными завихрителями /X. Дашпунцаг, Д.Н. Токарев, Б.П. Жилкин, Б.В. Берг //Вестник Уральского государственного технического университета -УПИ: На передовых рубежах науки и инженерного творчества. Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2004. №15 (45). 4.2. С. 147-150.

5. Внутреннее тепловое взаимодействие в коаксиальных закрученных струях /Б.П. Жилкин, X. Дашпунцаг, С.В. Зайцева, А.Н. Шуба //V Minsk International Heat & Mass Transfer Forum Proceedings MMF-2004. Section №8 "Heat & Mass Transfer in Power Facilities". 8 - 17. [Электронный ресурс] -Электрон, дан. - Минск: АНК «Институт тепло- и массообмена им. А.В. Лыкова НАНБ», 2004. - 1 электрон, опт. диск (CD-ROM); 12 см. - Системн. требования: IBM PC Pentium; Windows (2000, Me, XP); Adobe Acrobat Reader (5.05,6.0).

6. Тепловизионная диагностика неравновесных газовых струйных потоков/А.В. Ефимова, К.В. Зайцев, X. Дашпунцаг, Т.Ф. Богатова, Б.П. Жилкин

//Тезисы докладов V Международной конференции по неравновесным процессам в соплах и струях. (Самара). М.: Вузовская книга, 2004. С. 99-100.

7. Оптимизация теплообмена в затопленных газовых струях, сформированных двойными аксиальными завихрителями / X. Дашпунцаг, К.В. Зайцев, Д.Н. Токарев, Б.В. Берг, Б.П. Жилкин //Энерго- и ресурсосбережение. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии: Сборник материалов Всероссийской студенческой олимпиады, научно-практической конференции и выставки студентов, аспирантов и молодых ученых Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2004. С.99-100.

8. Тепловизионная диагностика термической структуры газовых потоков /А.В. Ефимова, Б.П. Жилкин, Д.Н. Токарев, К.В. Зайцев, X. Дашпунцаг //Вестник Уральского государственного технического университета: Теплоэнергетика. Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2004. №3 (33) С.139-143.

9. О возможности аэродинамического управления интенсивностью теплообмена в закрученных струях /Д.Н. Токарев, А.Н. Шуба, X. Дашпунцаг, К.В. Зайцев, Б.П. Жилкин, Т.Ф. Богатова //Вестник Уральского государственного технического университета: Теоретические и экспериментальные исследования в энерготехнологии. Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2005. №4 (56). С.57-62.

10.0 процессах теплообмена в затопленных газовых струях, сформированных двойными аксиальными завихрителями / X. Дашпунцаг, К.В. Зайцев, Д.Н. Токарев, Б.П. Жилкин //Вестник Уральского государственного технического университета: Теоретические и экспериментальные исследования в энерготехнологии. Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2005. №4 (56). С.68-71.

11. Гидромеханические характеристики и внутренний теплообмен в коаксиальных закрученных струях /X. Дашпунцаг, Б.П. Жилкин, М.Ю. Коновалов, А.Н. Шуба //Вестник Уральского государственного технического университета: Теоретические и экспериментальные исследования в энерготехнологии. Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2005. №4 (56). С.72-80.

¿Р064

~JJcT и- -352

12. Hydro mechanical characteristics of coaxial gas jets formed ЬуЧЬсШ fane swirlers / Kh. Dashpuntsag, M.Y. Konovalov, Kh. Enkhjargal, Ts. Erdenetsetseg, B.P.Zhilkin //Proceedings of the international conference Power industry and market economy. Ulaanbaatar, 2005. PP. 303-308.

13. Characteristics of heat exchange of the flooded gas jets generated by double- axial swirlers / Kh. Dashpuntsag, K.V.Zaitsev, T.F.Bogatova, Ch. Dashpuntsag, B.P.Zhilkin //Proceedings of the international conference Power industry and market economy. Ulaanbaatar, 2005. PP. 401-406.

14.0 возможности управления интенсивностью теплообмена затопленных струй, создаваемых двойными аксиальными завихрителями /X. Дашпунцаг, К.В. Зайцев, Б.П. Жилкин, Т.Ф. Богатова //Проблемы газодинамики и тепло- и массообмена в энергетических установках: труды XV Школы-семинара молодых ученых и специалистов, под рук. акад. РАН А.И. Леонтьева. Калуга, Россия. М.: Издательство МЭИ, 2005. С. 327-328.

15. Hydrodynamics and heat exchange characteristics of coaxial swirl jets /В.Р. Zhilkin, Kh. Dashpuntsag, K.V. Zaitsev, T.F. Bogatova, A.N. Shuba //Proceedings of the HEFAT2005, 4th International Conference on Heat Transfer, Fluid Mechanics and Thermodynamics. Cairo, Egypt, 2005, paper №ZB1. [Электронный ресурс] - Cairo, Egypt: Proceedings of the HEFAT-2005 (4th International Conference on Heat Transfer, Fluid Mechanics and Thermodynamics, Cairo, Egypt, 19-22 September, 2005) Edited by: J.P. Meyer & A.G. Alan - 1 электрон, опт. диск (CD-ROM); 12 см. - Системн. требования: Pentium 350 MHz CPU PC, 64 Mb RAM, 8 Mb Graphics Card, Super VGA Monitor; Windows (2000, Me, XP); Adobe Acrobat Reader (5.05,6.0).

Подписано в печать 16.12.2005 Формат 60x84 1/16

Бумага типографская Офсетная печать Усл. печ. л. 1,63

Уч.-изд. л. 1,44 Тираж 100 Заказ 212 Бесплатно

Редакционно-издательский отдел ГОУ ВПО УГТУ-УПИ 620002, Екатеринбург, ул. Мира, 19

Ризография НИЧ ГОУ ВПО УГТУ-УПИ 620002, Екатеринбург, ул. Мира, 19

ПЕРЕЧЕНЬ ОСНОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ.

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Гидродинамическая структура и механизм развития двойной свободной закрученной струи.

1.2. Акустические характеристики струйных потоков.

1.3. Теплообмен в газовых закрученных потоках.

1.4. Постановка задач исследования.

2. ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЗАКРУЧЕННЫХ ПОТОКОВ, СФОРМИРОВАННЫХ ДВУХКАНАЛЬНЫМИ АКСИАЛЬНЫМИ ЗАВИХРИТЕЛЯМИ.

2.1. Описание экспериментальной установки и методики исследований.

2.1.1 Тарировки датчика.

2.1.2. Методика обработки результатов измерений.

2.2. Изменение структуры и геометрических характеристик структурных образований в двойной закрученной струе.

2.2.1.Влияние углов установки лопаток внутреннего и внешнего завихрителей.

2.2.2. Влияние направления закрутки потоков.

2.2.3. Влияние скоростей потоков внутреннего и внешнего каналов на вид структуры струи.

2.3. Некоторые обобщенные геометрические характеристики гидродинамической структуры струй.

3. ИССЛЕДОВАНИЕ АКУСТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ЗАКРУЧЕННЫХ ПОТОКОВ, СФОРМИРОВАННЫХ ДВУХКАНАЛЬНЫМИ

АКСИАЛЬНЫМИ ЗАВИХРИТЕЛЯМИ.

3.1. Экспериментальная установка и методика исследований.

3.2. Влияние конструктивных и режимных параметров завихрителей на спектр звукового давления.

3.2.1. Влияние углов установки лопаток внутреннего и внешнего завихрителей.

3.2.2. Влияние направления крутки потоков во внутреннем и внешнем каналах завихрителя.

3.2.3. Влияние соотношения динамических напоров внутреннего и внешнего потоков.

4. ВНУТРЕННЫЙ ТЕПЛООБМЕН ЗАКРУЧЕННЫХ ПОТОКОВ, СФОРМИРОВАННЫХ ДВУХКАНАЛЬНЫМИ АКСИАЛЬНЫМИ

ЗАВИХРИТЕЛЯМИ.

4.1.Описание экспериментальной установки и методики исследований.

4.2. Воздействие на термическую структуру струи геометрических и режимных факторов.

4.2.1. Влияние углов установки лопаток.

4.2.2. Влияние направления крутки.

4.2.3. Влияние соотношения скоростей потоков во внутреннем и внешнем каналах.

4.3. Характеристики интенсивности внутреннего теплообмена в двойных закрученных струях.

4.3.1. Уровень интенсивности теплового взаимодействия.

4.3.2. Уравнения подобия для интенсивности внутреннего теплообмена в двойных закрученных струях.

Одним из важнейших вопросов организации работы тепловых электрических станций является обеспечение полноты сжигания топлива, в том числе и при неноминальных нагрузках, и создание условий, способствующих минимальному выделению токсичных веществ. Решение этих проблем в большинстве случаев может быть достигнуто совершенствованием горелочных устройств и, прежде всего, путем оптимизации конструктивных характеристик и режимов работы закручивающего аппарата.

В известных конструкциях вихревых горелок котлов ТЭС чаще всего используются регулярные (с одинаковыми углами установки лопаток) аксиальные многоканальные завихрители с закруткой потоков в одну сторону.

Вместе с тем введение нерегулярности (разные углы установки лопаток) в сочетании с применением различных видов закрутки (в одну и разные стороны) может интенсифицировать процессы тепло- массообмена в факеле и расширить диапазон управления ими.

Сведения, содержащиеся в литературе, не дают представлений о структуре и теплообмене в струе, сформированной нерегулярными многоканальными аксиальными завихрителями с различными направлениями закрутки потоков.

Разрабатываемая тема актуальна и для энергетики Монголии, имеющей 6 крупных пылеугольных ТЭЦ, которые в перспективе могут получить природный газ из России.

Целью работы является исследование возможности углубления управления процессами тепло- и массопереноса в факеле путем применения нерегулярных завихрителей, для чего необходимо дальнейшее развитие представлений о гидродинамической структуре и внутреннем теплообмене результирующей закрученной струи, прежде всего для случая формирования ее двухканальным аксиальным завихрителем с различными углами установки лопаток и с закруткой потоков в одну и разные стороны, а также разработка на этой основе концептуальных рекомендаций по проектированию горелок с улучшенными характеристиками для котлов ТЭС.

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

- на основании термической визуализации течения, анализа полей полного давления, градиента вектора скорости и температуры выявлена гидродинамическая структура течения и термическое строение затопленной газовой струи, сформированной двухканальным нерегулярным аксиальным завихрителем при закрутке потоков в одну и разные стороны.

- экспериментально установлены закономерности изменения формы и размеров гидродинамических структурных образований при изменении конструктивных параметров и режима работы двухканального завихрителя.

- предложен конструктивно-режимный параметр крутки для струи, сформированной двухканальным аксиальным завихрителем с закруткой потоков в одну и разные стороны, который позволяет более полно учесть разнообразие геометрических характеристик закручивающих устройств, а также свойства и режим истечения газовой среды.

- установлены закономерности изменения характеристик акустического шума, генерируемого турбулентными структурами в газовой струе, сформированной двухканальным завихрителем; на этой основе сделано заключение о влиянии на эти структуры геометрических и режимных факторов и их роли в процессе внутреннего теплообмена.

- найдены закономерности изменения интенсивности внутреннего теплообмена при смешении потоков в двойной затопленной закрученной струе, выявлены факторы, определяющие теплоперенос.

- полученные экспериментальные данные по теплообмену между коаксиальными закрученными струями, сформированными двухканальными регулярными и нерегулярными завихрителями, обобщены в виде уравнения подобия.

Достоверность результатов основывается на достаточном уровне надежности экспериментальных данных, полученных сочетанием независимых методик исследования, устойчивой воспроизводимостью результатов опытов и хорошим их согласованием на уровне тестовых экспериментов с данными других авторов.

Практическая значимость. Полученные экспериментальные данные создают основу для разработки инженерных методик расчета и проектирования горелочных устройств с многоканальными аксиальными завихрителями, а также позволяют оптимизировать параметры и улучшить качество управления процессами, которые организуются путем применения составных коаксиальных струй, формируемых такими завихрителями, что открывает перспективу повышения эффективности сжигания топлива в горелочных устройствах котлов ТЭС.

Автор защищает:

- экспериментальные данные и сформированные на их основе представления о гидродинамической структуре и термическом строении двойной затопленной закрученной струи, а также конструктивно-режимный параметр крутки, описывающий интенсивность закрутки струи, созданной как регулярными, так и нерегулярными завихрителями с разным направлением крутки потоков. результаты экспериментального исследования акустических характеристик шума, генерируемого аэродинамическими структурами, и их влияние на внутренний теплообмен.

- данные по количественной оценке интенсивности внутреннего теплообмена в двойной коаксиальной закрученной струе и их обобщение в виде эмпирического уравнения.

- практические рекомендации по управлению горелкой, включая схему автоматизации процесса вихревого сжигания топлива, воплощенные в конструкции горелки с нерегулярным двухканальным завихрителем.

Реализация результатов работы. Результаты работы внедрены ОАО «УралОРГРЭС» при разработке проекта модернизации горелок ряда энергетических котлов на Омской ТЭЦ-5 и при разработке проекта горелок котла БКЭ-75-39 на Улан-Баторской ТЭЦ-3 в Монголии.

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

-Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы современной энергетики» (Россия, Екатеринбург, 2002); -3th International conference «Industrial Heat Engineering» (Ukraine, Kiev, 2003); -XIV и XV Школах-семинарах молодых ученых и специалистов «Проблемы газодинамики и тепло-массообмена в энергетических установках» под. рук. акад. РАН А.И. Леонтьева (Россия, Рыбинск, 2003 и Калуга, 2005) -V Minsk International Heat & Mass Transfer Forum MMF - 2004 (Belaruss, Minsk, 2004);

-V Международной конференции по неравновесным процессам в соплах и струях NPNJ-2004 (Россия, Самара, 2004)

-3-й Международной научно-практической конференции РУО Академия инженерных наук РФ «На передовых рубежах науки и инженерного творчества» (Россия, Екатеринбург, 2004);

- Всероссийской научно-практической конференции и выставке студентов, аспирантов и молодых ученых «Энерго-и ресурсосбережение и нетрадиционные возобновляемые источники энергии » (Россия, Екатеринбург, 2004);

- International conference «Power industry and market economy» (Mongolia, Ulaanbaatar, 2005);

- 4th International conference on Heat Transfer, Fluid Mechanics and Thermodynamics HEFAT 2005 (Egypt, Cairo, 2005); а также на научно-технических совещаниях-семинарах в ОАО «УралОРГРЭС» и «Уралмаш-МО».

Основные положения диссертации опубликованы в 15 печатных работах.

Диссертационная работа была выполнена на кафедрах «Теоретической теплотехники» и «Тепловые электрические станции» и проведена по г/б теме №1686 (гос.рег.№.01200205928) «Создание теоретических основ теплотехнических процессов использования энергии топлива и других видов энергоресурсов с целью создания эффективных методов энергосбережения и экологически чистых энерготехнологий», и разделом «Совершенствование основных агрегатов и внедрение новых технологий на ТЭС» Мастер-плана Министерства топлива и энергетики Монголии.

Автор выражает благодарность своему научному руководителю, д.ф-м.н., проф. Жилкину Б.П., научному консультанту, д.т.н., проф. Бергу Б.В. за доброжелательное отношение, конструктивные замечания, сделанных в процессе подготовки и обсуждения работы.

Особую благодарность автор выражает Шульману B.JL, Шубе А.Н., Зыскину Б.И. за техническую поддержку и полезную информацию.

Автор благодарит Коновалова М.Ю., Токарева Д.Н., Зайцева К.В., Зайцева А.В., Лаптеву Л.В. и Ефимову А.В. за совместную плодотворную работу.

7. Результаты работы внедрены ОАО «УралОРГРЭС» при разработке проекта модернизации горелок энергетических котлов на Омской ТЭЦ-5 и горелок котла БКЗ-75-Э9 на Улан-Баторской ТЭС-3.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Выполненный комплекс исследований показал, что применение аксиальных завихрителей с разными углами установки лопаток (нерегулярные завихрители) позволяет в широких пределах изменять газодинамическую структуру двойной закрученной струи путем подбора конструктивных параметров и режимов работы завихрителя. Это расширяет также диапазон управления интенсивностью внутреннего теплообмена между сопряженными коаксиальными потоками и, тем самым - рабочими процессами в факеле.

Получены следующие основные результаты [62-78]:

1. Показано, как меняются формы и размеры газодинамических и термических структурных образований в струе при изменении конструктивных параметров и режима работы двойного завихрителя. Обобщены сведения о геометрии основной зоны обратных токов и угле раскрытия струи.

2. Уточнена структурная модель затопленной газовой струи, сформированной двухканальным аксиальным завихрителем.

3. Предложен конструктивно-режимный параметр крутки, пригодный для описания интенсивности закрутки струи, сформированной двухканальными регулярными и нерегулярными завихрителями.

4. Анализ характеристик аэродинамического шума, создаваемого когерентными структурами, формирующимися в струях, позволил определить условия формирования мелкомасштабных газодинамических образований, способствующих усилению внутреннего теплообмена.

5. Найдены основные закономерности изменения интенсивности внутреннего теплообмена между сопряженными коаксиальными струями, образующими факел. Данные обобщены в виде уравнения подобия.

6. На основе всего комплекса результатов экспериментальных исследований были сформулированы рекомендации по проектированию и управлению, включая схему автоматизации процессами тепломассообмена в факелах вихревых горелок ТЭС.

1. Ахмедов Р.Б., Балагула Т.Б. Аэродинамика закрученной струи. М.: Энергия. 1977. С.240.

2. Ахмедов Р.Б. Основы регулирования топочных процессов. М.: Энергия. 1977. С.280.

3. Потапов В.Н. Управление структурой потока на выходе из вихревой горелки.: Дисс. канд. техн. наук. Екатеринбург. 2002. С.225.

4. Шульман B.JI. Методические основы природоохранной деятельности ТЭС. Екатеринбург.: изд. Уральского университета. 2000. С.447.

5. Абрамов А.И. Елизаров Д.П. и др. Повышение экологической безопасности тепловых электростанций. М.: Изд. МЭИ. 2001. С.378.

6. Некоторые вопросы совершенствования энергетических вихревых горелок/ Берг Б.В., Жилкин Б.П., Потапов В.Н., Шуба А.Н.// Экология энергетики 2000. Материалы международ, науч. прак. конференции. М.: МЭИ, 2000. С.314-315.

7. Шницер И.Н., Литовкин В.В. Образование и снижение содержания оксидов азота в пылеугольных котлах. Киев. Техника. 1986.

8. Ахмедов Р.Б. Дутьевые газогорелочные устройства. М.: Недра.1977. С.272.

9. Потапов В.Н. Принципы создания современных горелок для факельного сжигания энергетических топлив //Проблемы сжигания углеводородных топлив: Тезисы докладов Всеросс. науч. техн. конф. М.: 1998. С.23-24.

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

11. Найденов Г.В. Вихревые горелки. Киев: Техника. 1966.

12. Щукин В.К., Халатов А.А. Теплообмен, массообмен и гидродинамика закрученных потоков в осесимметричных каналах. М.: Машиностроение. 1982. С.200.

13. Зыскин Б.И. Гидродинамика и теплообмен при смешении закрученных газовых струй с поперечным потокам.: Дисс.канд.техн.наук. Екатеринбург. 1999. С. 188.

14. Хзмалян Д.М., Каган Я.А. Теория горения и топочные устройства. М.: Энергия. 1976.

15. Kolar V., Filip P., Currev A. G. The swirling radial jet // Appl. Sci. Res. 1982. №4. pp. 329-335.

16. Сударев A.B., Маев В.А./Камеры сгорания газотурбинных установок интенсификация горения //Ленинград. Недра. 1990. С.274.

17. Штым А.Н. Аэродинамика циклонно-вихревых камер. Изд. Дальневосточного Университета. Владивосток. 1985. С.200.

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

19. Р.Б. Ахмедов., Л.М. Цирульников. Технология сжигания горючих газов и жидких топлив. Ленинград. Недра. 1984. С.238.

20. Свириденко А.А., Третьяков В.В. Экспериментальное исследование смешения турбулентных противоположно закрученных струй наначальном участке в кольцевом канале// ИФЖ. 1983. Том.44. №2. С.205-210.

21. 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.

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

23. 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.

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

25. Шуба А.Н. Гидродинамика и теплообмен затопленной газовой струи, сформированной одно-и двухканальными аксиальными завихрителями.: Дисс. канд.техн.наук. Екатеринбург. 2002. С. 107.

26. Жилкин Б.П. Влияние структурно-гидродинамических факторов на интенсификацию теплообмена в газовых струйных потоках.: Автореферат диссертации док.физ-мат.наук. Екатеринбург. 2001. С.47.

27. Шерстюк А.Н., Тарасов JI.A. Аэродинамика слабозакрученной турбулентной струи // Теплоэнергетика. 1986. №2. С.61-64.

28. 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. Выпуск №9. С.84-90.

29. Петухов В.В., Серант Ф.А., Устименко Б.П. Исследование осредненных и пульсационных характеристик двойных коаксиальных сильнозакрученных струй вихревых горелок // Проблемы теплоэнергетики и прикладной теплофизики. Новосибирск.: 1973. Выпуск №9. С.76-83.

30. Геометрические характеристики структурных образований в газовом факеле, созданном аксиальным завихрителем. Шуба А.Н., Токарев Д.Н., Устьянцев К.А., Жилкин Б.П., Берг Б.В //Проблемы энергетики.2000. №7-8. Казань. Изд. КГТУ. С.3-8.

31. Г.Н. Абрамович, С.Ю. Крашенинников, А.Н. Секундов. Турбулентные течения при воздействии объемных сил и неавтомодельности //М.: Машиностроение. 1975. С.96.

32. ОСТ 108.836.05-82. Горелки газомазутные и амбразуры стационарных паровых котлов. Типы, основные параметры и технические требования, конструкция и размеры. Методы расчета и проектирования. М.: 1982.

33. Костомаров В.М., Жилкин Б.П., Зыскин Б.И. Компьютерный анализ струйных течений //Вестник Уральского государственного университета: Сыромятниковские чтения. Екатеринбург. УГТУ. 1995. С.65-70.

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

35. Методические указания по проектированию топочных устройств энергетических котлов. Под.ред Вербовецкого Э.Х., Санкт-Петербург.: ЦКТИ. 1996. С.270.

36. Теория и практика сжигания газа /под. ред. А.С. Иссерлина //Ленинград. 1972. изд. Недра. С.375.

37. Шагалова С.Л., Кацман В.М., Балихина Т.Н. Исследование и расчет аэродинамической структуры факела //Горение твердого топлива: Материалы IV Всесоюз. Конференции. Новосибирск: Наука, 1974. Т.1. С.174-182.

38. Власов Е.В., Гиневский А.С., Макаренко Т.М. Влияние режима течения в начальном пограничном слое на эффект ослабления турбулентности при акустическом облучении струи // ИФЖ.1998. Том 71. №1. С.81-85.

39. Гиневский А.С., Власов Е.В., Каравосов Р.К. Акустическое управление турбулентными струями. М:. Физматлит. 2001. С.240.

40. Власов Е.В., Гиневский А.С. Вибрационное воздействие на аэродинамические характеристики турбулентной струи

41. Промышленная аэродинамика. 1973. №30.М.: Машиностроение. С.145-149.

42. Гиневский А.С., Почкина К.А. Влияние начальной турбулентности на характеристики осесимметричной затопленной турбулентной струи // ИФЖ.1967. Том12. №1. С.15-19.

43. Пимштейн В.Г. Аэроакустические взаимодействия. Структура и шум турбулентных струй //Альбом ЦАГИ.1999. С.64.

44. Raman G., Zaman К.В., Rice E.J. Initial turbulence effect on jet evolution with & without tonal excitation //Phys.Fluids. 1989. Vol. #7. pp. 1240-1248.

45. Lighthill M.J. On sound generated aerodynamically /Part I. General theory //Proc. Roy. Soc., Ser.A. Vol.211, №1107. 1952. pp.564-587.

46. Мунин. А.Г., Кузнецов B.M., Леонтьев E.A. Аэродинамические источники шума //М:. Машиностроение. 1986. С.248.

47. Власов Е.В., Гиневский А.С. Проблема аэроакустических взаймодействий. //Акустический журнал. 1980. Том.26. №1. С. 1-12.

48. Иофе В.К., Корольков В.Г., Сапожников М.А. Справочник по акустике. М.: Связь. 1979. С.312.

49. Расчеты и измерения характеристик шума, создаваемом в дальнем звуковом поле реактивными самолетами. Под. ред. Соркина Л.И. М.: Машиностроение. 1968. 99 с.

50. Власов Е.В. Исследование турбулентности в связи с определением акустических характеристик струи // ИФЖ. Т.8. №5. С.568.

51. Сигал И.Я. Образование оксидов в топочных процессах при сжигании газа. Л.: Недра, 1989. С. 120.

52. 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.

53. Спейшер В.А., Горбаненко А.Д. Повышение эффективности использования газа и мазута в энергетических установках //М.: Энергоатомиздат, 1991. С. 184.

54. 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.

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

56. Шульман В.Л., Маратканова Л.В. Регулирование процесса образования окислов азота в пылеугольном факелеаэродинамическими методами //Горение гетерогенных и газовых систем: Материалы Всесоюз. научн-техн. конф.Ташкент.1990.С.49-52.

57. Котлер В.Р. Оксиды азота в дымовых газах котлов. М.: Энергоатомиздат, 1987. С.184.

58. О влиянии закрутки потока на интенсивность тепломассообмена / Спиридонов Ю. А., Галицкий Ю. Я., Галицкая В. А., Сучилин Г. Н. //Труды МЭИ. М.: МЭИ. 1982. № 588. С.72 77.

59. Вулис JI.A. Аэродинамика процессов горения газа //Использование газа в народном хозайстве. М.: ВНИИЭгазпром. 1973. Выпуск №1. С.3-13.

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

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

62. Лыков А.В. Тепломассообмен. Справочник М.:Энергия, 1971.С. 560.

63. Roy G.D., Frolov S.M. Combustion and atmospheric pollution// Moscow.Torus press. 2003. p.680.

64. Д.И. Блохинцев. Акустика неоднородной движущейся среды. М.: Наука. 1981. С.208.

65. Пат. №2230300 РФ. Устройство для визуализации газовых потоков /А.Н. Шуба., Б.П. Жилкин. И др. заявл. 10.06.04.

66. О.Н. Буданин, А.И. Потапов, В.И. Колчанов, Е.В. Абрамова. Тепловой неразрушающий контроль изделий. М.: Наука. 2002. С.472.

67. Zhilkin В.Р., Dashpuntsag Kh., Zaitsev K.V., Bogatova T.F., Shuba A.N. Hydrodynamics and heat exchange characteristics of coaxial swirl jets // Proceedings of the HEFAT2005, 4th International Conference on Heat

68. Мучкин Г.Ф., Рубашов И.Б. Методы теории теплообмена. М.: Высшая школа. 1970. С.288.

69. Справочник по теплопроводности жидкостей и газов/ под ред. Филиппов А.А //М.: Энергоатомиздат, 1990. С. 352.

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

71. Под редакции Г.Ф. Кнорре. Теория топочных процессов. М.: Энергия. 1966. С.491.

72. Абрамович Г.Н., Гиршович Т.А., Крашенинников С.Ю., и др. Теория турбулентных струй// М:. Наука. 1984. С.717.

73. В. Я. Ротач. Теория автоматического управления теплоэнергетическими процессами. М.: Энергоиздат. 1985. С.326.

74. Ф. Крейт, У. Блэк. Основы теплопередачи /перевод с английского под. ред. АнфимоваН.А. М.: Мир. 1983. С.512.

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