Введение к работе
Актуальность темы. В современных энергетических установках часто используют вихревые горелки с двух- и многоканальными подводами топлива и воздуха. Их применение позволяет увеличить качество управления процессами, протекающими в топке котельного агрегата, а следовательно, повысить экономические и экологические показатели данных установок. Термическая и концентрационная картины, складывающиеся в топочном пространстве, локальные тепловые потоки к технологическим поверхностям и состав уходящих газов определяются внутренним и внешним тепломассообменом струи соответственно между образующими ее коаксиальными потоками и средой дымовых газов, а также теплообменом с нагреваемыми элементами топки. Применительно к указанным процессам практически отсутствуют количественные сведения о внешнем конвективном тепломассообмене результирующей струи с окружающей средой, и поэтому не разработаны ни инженерные методики расчета, ни эффективные способы управления этим процессом.
В горелках известных конструкций регулирование топочных процессов производится обычно путем варьирования расходов среды по каналам, а также их соотношения, что приводит к изменению теплопроизводительности горелочного устройства. Вместе с тем для более гибкого управления топочными процессами необходимы способы регулирования, при которых мощность горелки остается неизменной, а происходит изменение формы факела и перераспределение тепловых потоков.
Целью работы является расширение представлений о гидродинамической и термической структуре струи, сформированной двухканальным аксиальным завихрителем, в условиях внешнего тепломассообмена, установление закономерностей данного процесса и разработка на этой основе методов управления и конструктивной концепции горелочных устройств с расширенным диапазоном регулирования и возможностью воздействия на топочный процесс без изменения мощности горелки.
Диссертационная работа выполнена в рамках госбюджетной темы №1686 (гос. per. №1200205928) «Создание теоретических основ теплотехнических процессов использования энергии топлива и других видов энергоресурсов в целях создания эффективных методов энергосбережения и экологически чистых энерготехнологий».
Научная новизна основных положений работы заключается в том, что автором впервые:
уточнена термическая конфигурация двойной закрученной газовой струи в процессе ее взаимодействия с внешней покоящейся средой при различных геометрических и режимных условиях;
установлены закономерности изменения интенсивности тепломассообмена двойной закрученной струи с внешней средой, которые обобщены в виде уравнений подобия;
разработаны и экспериментально опробованы два способа воздействия, позволяющие без изменения расходов рабочих сред (мощности горелки) менять интенсивность внешнего теплообмена факела;
сформирован принцип ведения процесса тепломассообмена, основанный на анализе конфигурации структурных образований в факеле, идентификация которых осуществляется динамическим методом по тепловизионному изображению.
Достоверность результатов основывается на надежности экспериментальных данных, полученных сочетанием независимых методик исследования и подтвержденных воспроизводимостью результатов опытов, а также их хорошим согласованием на уровне тестовых опытов с данными других авторов.
Практическая значимость. Полученные экспериментальные данные создают основу для разработки инженерных методик расчета и проектирования горелочных устройств, а также позволяют оптимизировать параметры топочного процесса с участием струй, сформированных двойными аксиальными завихрителями, что в совокупности с
предложенными методами влияния на уровень теплового и массового взаимодействия струи с нагреваемой средой дает возможность повысить эффективность сжигания топлива в котлах ТЭС и других энергетических устройствах. Отдельные результаты работы уже реализованы в ОАО ТГК - 9 при разработке проектов модернизации горелок энергетических котлов. Автор защищает:
экспериментальные данные о термической структуре и гидродинамическом строении двойной затопленной закрученной струи, созданной двухканальным аксиальным завихрителем с разным направлением крутки потоков, и сформированные на этой базе представления о механизме теплообмена такой струи с внешней средой;
методику количественной оценки интенсивности массообмена при смешении струи с окружающей средой;
результаты количественной оценки интенсивности внешнего тепло- и массообмена двойной закрученной струи со средой, их обобщение в виде эмпирических уравнений;
результаты экспериментальной апробации двух способов газодинамического воздействия на структуру струи и ее теплообмен с окружающей средой;
практические рекомендации по организации управления процессом вихревого сжигания топлива, реализованные в конструкции горелки с подвижным центральным завихрителем и регулирующим раструбом, а также принцип регулирования, основанный на анализе структуры факела.
Личный вклад автора состоит в том, что им на основе анализа литературных источников поставлены задачи исследования, разработаны основные методики, созданы и отлажены экспериментальные установки, проведены опыты, обработаны и проанализированы полученные экспериментальные данные. Автором диссертации разработаны методы воздействия на уровень
тепломассообмена между двойной закрученной газовой струей и неподвижной внешней средой, конструктивная реализация которых защищена патентами РФ.
Апробация работы. Основные результаты исследований, изложенных в диссертации, докладывались и были представлены на 3th International Conference "Industrial Heat Engineering" (Ukraine, Kiev, 2003); International Symposium on Combustion and Atmospheric Pollution (Russia, St.Peters-burg, 2003); Международной научно-технической конференции «80 лет Уральской энергетике. Образование. Наука» (Россия, Екатеринбург, 2003); V Minsk International Heat & Mass Transfer Forum Proceedings MMF-2004 (Belarus, Minsk, 2004); V Международной конференции по неравновесным процессам в соплах и струях NPNJ - 2004 (Россия, Самара, 2004); Второй Российской конференции «Тепломассообмен и гидродинамика в закрученных потоках» (Россия, Москва, 2005); International conference «Power industry and market economy» (Mongolia, Ulaanbaatar, 2005); XV Школе-семинаре молодых ученых и специалистов под руководством акад. РАН А.И. Леонтьева «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках» (Россия, Калуга, 2005); 4th International Conference of Heat Transfer, Fluid Mechanics and Thermodynamics (Egypt, Cairo, 2005).
Работа группы специалистов, в которой автором выполнен раздел «Теплообмен в закрученных газовых потоках», удостоена на Всероссийской выставке научно-технического творчества студентов, аспирантов и молодых ученых «Энерго- и ресурсосбережение и нетрадиционные возобновляемые источники энергии» диплома за I место в номинации «Энергосбережение в энергетике» (Екатеринбург, 2004).
Основные положения диссертации опубликованы в 14 печатных работах, в том числе в 4 статьях в источниках, рекомендованных ВАК. Получены два патента РФ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 77 наименований, и 3 приложений. Она содержит 133 страницы, 65 рисунков и 1 таблицу по тексту.