Введение к работе
Актуальность работы. Жилищно-коммунальное хозяйство (ЖКХ) является сегодня крупнейшим потребителем энергии в стране, одной из самых затратных отраслей российской экономики, в которой энергоресурсы используются нерационально. По официальным данным Правительства РФ, содержание ЖКХ для государственного бюджета обходится в 100-120 млрд. руб. ежегодно, причем имеется тенденция к постоянному росту этих расходов. По оценке специалистов Минэнерго РФ, потенциал энергосбережения в ЖКХ составляет 25% всего потенциала энергосбережения РФ, который составляет 360-430 млн. тонн условного топлива. Если в ЖКХ эффективно проводить программу энергосбережения, то можно получить снижение затрат на услуги от 15% до 40%. По прогнозу Института энергетических исследований РАН цены на энергоносители в ближайшие десятилетия будут неуклонно расти. Это неизбежно отразится на динамике роста тарифов на тепло, воду и электроэнергию в сторону возрастания. На промышленных предприятиях и в сфере ЖКХ энергетическая составляющая в себестоимости конечного продукта доходит до 70% и в конечном итоге становится «тормозом» для развития производства. В настоящее время оборудование в котельных ЖКХ не отвечает современным требованиям. Поэтому улучшение полноты сгорания топлива является актуальной задачей при внедрении энергосберегающих технологий в сферу ЖКХ. Повышение экономичности теплогенерирующего оборудования является приоритетным направлением для решения этой задачи.
При увеличении полноты сгорания топлива не только сокращается расход топлива, но и улучшается экологическая ситуация, что особенно важно для мегаполисов.
Один из основных технических способов увеличения полноты сгорания топлива заключается в правильном выборе конструкции и характеристик форсунок как основных элементов распыливающих и впрыскивающих устройств. В настоящее время хорошо известны различные типы форсунок, каждый из которых имеет свои преимущества, недостатки и область применения. Но постоянное стремление улучшить полноту сгорания топлива при малых перепадах давления на форсунке заставляют конструкторов разрабатывать новые типы форсунок. К таким форсункам относятся форсунки с компланарными каналами. Применение скрещивающихся компланарных каналов, образованных винтовыми параллельными рёбрами на противолежащих оболочках, является одним из способов формирования трактов, в которых реализуется турбулентный режим течения одно- и двухфазных жидкостей при малых потерях давления. Из работ В.М. Кудрявцева, Н.Д. Кузнецова, А.М. Грушенко, Д.И. Завистовского и других авторов известно, что тракты с компланарными каналами интенсифицируют как массообмен, так и теплоотдачу за счет взаимной подкрутки струй, турбулизации потока даже при малых числах Рейнольдса. Данных о применении их в газожидкостных форсунках внутреннего смешения нет, хотя они должны представлять большой практический интерес.
В компланарных каналах даже при малых скоростях движения топлива и малых перепадах давления возникает высокая турбулизация потока, способствующая интенсивному смешению компонентов, повышению эффективности процессов смесеобразования и полноты сгорания топлива, т.е. создаются условия для создания высокоэкономичной камеры сгорания с повышенной экологической безопасностью.
Этим обуславливается необходимость перехода к новым конструкциям форсунок, обеспечивающих более высокую полноту сгорания топлива при низких потерях давления.
Экономический эффект от применения форсунок с компланарными каналами заключается в экономии топлива.
Объектом исследования являются процессы смесеобразования компонентов топлива в двухкомпонентной газожидкостной форсунке внутреннего смешения с компланарными каналами для камер сгорания различного назначения.
Предмет исследования – двухкомпонентная газожидкостная форсунка внутреннего смешения с компланарными каналами, обеспечивающая высокоэффективное смешение и распыливание топлива в камерах сгорания теплогенерирующего оборудования коммунального хозяйства.
Цель и задачи работы. Цель работы состоит в исследовании процессов смесеобразования двухфазной жидкости в топливных форсунках с компланарными каналами для сферы ЖКХ, что позволяет увеличить полноту сгорания топливной смеси, уменьшить токсичность и сократить объем вредных выбросов.
Для достижения этой цели решены следующие задачи:
1. Обобщены результаты применения известных форсунок различных типов в котельных ЖКХ и сделан вывод о необходимости исследования форсунки с компланарными каналами.
2. Разработана конструкция малоперепадной двухкомпонентной газожидкостной форсунки внутреннего смешения с компланарными каналами для теплогенерирующего оборудования предприятий коммунального хозяйства.
3. Разработана методика расчета газожидкостной форсунки внутреннего смешения с компланарными каналами.
4. Выполнено экспериментальное исследование процессов смесеобразования компонентов топлива в газожидкостной форсунке внутреннего смешения с компланарными каналами.
5. Выполнена оптимизация параметров двухкомпонентной газожидкостной форсунки внутреннего смешения с компланарными каналами.
Работа относится к области исследования машин и агрегатов, используемых для теплоснабжения предприятий коммунального хозяйства и бытового обслуживания населения.
Научная новизна работы состоит:
– в разработке нового метода расчета параметров двухкомпонентной газожидкостной форсунки внутреннего смешения с компланарными каналами для сферы ЖКХ на базе современных технических решений;
– в получении новых экспериментальных данных, обеспечивших установление зависимостей для определения угла распыла, коэффициента гидравлического сопротивления и коэффициента расхода газожидкостной форсунки с компланарными каналами;
– в выявлении качественного и количественного влияния угла взаимного пересечения каналов и их числа в форсунке на величину расходного комплекса и полноту сгорания топлива.
Достоверность научных результатов:
– подтверждена соответствующим объемом экспериментальных исследований, проведенных с использованием современного лабораторного оборудования, использованием апробированных методов обработки результатов исследований; согласованием теоретических и экспериментальных исследований;
– подтверждена удовлетворительным согласованием полученных экспериментальных результатов с экспериментальными данными других исследователей.
Практическая ценность и реализация работы. Применение форсунок с компланарными каналами для распыливания топливной смеси в камерах сгорания повышает экономичность теплогенерирующего оборудования предприятий коммунального хозяйства и будет способствовать широкому распространению предлагаемой прогрессивной технологии смесеобразования. Экспериментально обоснована возможность создания высокоэффективной малоперепадной форсунки внутреннего смешения с
компланарными каналами. Полученные результаты позволяют прогнозировать и определять оптимальные параметры данной форсунки. Разработаны конструкторские решения двухкомпонентной форсунки внутреннего смешения с компланарными каналами. Предложенные технические решения позволили увеличить коэффициент камеры на 13…17%.
Работа выполнялась в соответствии с планами НИР РГУТиС, утвержденными Федеральным агентством по образованию (Рособразование), по теме ГБ-ТФ-01-08 «Разработка научных основ смесеобразования двухфазной жидкости в компланарных каналах».
Результаты работы используются в Международном сервисном центре «Ти Джи» г. Красногорска в НИР и ОКР. Результаты работы внедрены в учебный процесс кафедры «Инженерные системы» РГУТиС.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на ХI-ой Международной научно-практической конференции «Наука – сервису» г. Москва.- 2006г.; на Международной научной конференции «XXXII Гагаринские чтения» г. Москва.-2006г.; на Междуна-родной конференции молодых ученых «Авиационная и ракетно-космическая техника с использованием новых технических решений» г. Рыбинск.-2006г.; на XVI Школе-семинаре молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева «Проблемы газодинамики и теплообмена в энергетических установках» г. С-Петербург.-2007г.; на Международной научно-технической конференции «Энергетические установки: теплообмен и процессы горения» г. Рыбинск.-2009г.
Публикации. По теме диссертации диссертантом опубликовано 12 печатных работ, из них 3 – в журналах, рекомендованных ВАК РФ.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и списка литературы. Диссертация содержит 106 страниц текста, список литературы из 116 наименований, 1 таблицу, 48 рисунков, 2 приложения.
