Введение к работе
Актуальность работы. В стационарной энергетике железнодорожного транспорта, а также в котельных установках промышленных предприятий в качестве топлива все еще широко используется жидкое топливо, главным образом, мазуты. В этом случае эффективность топливоиспользования зависит от правильной организации сжигания топлива, включающей процессы топливоподготовки, топлизоподачи и рационального сжигания.
Долгое время считалось, что присутствие воды в топливе является отрицательным признаком, поэтому воду из топлива старались удалить. Тем не менее, экспериментальные работы многих исследователей доказывают обратное: добавление воды в мазут и создание водомазутнои эмульсии (ВМЭ) как нового вида топлива со своими характерными теплофизическими и энергетическими свойствами способствует повышению коэффициента полезного действия (КПД) котла и снижению токсичных выбросов в атмосферу.
Вместе с тем, подобные работы носили лишь экспериментальный характер, и на их основании делался вывод о целесообразности применения ВМЭ для конкретного котла при определенных условиях. Ни в Нормативном методе, ни в другой специальной литературе нами не обнаружена методика расчета процесса горения многокомпонентного топлива (в частности, ВМЭ) в топке котла, которая бы учитывала специфические свойства этих топлив и степень их влияния на экономичность и токсичность дымовых газов.
Задачи исследования:
создать качественную модель горения единичной капли ВМЭ с учетом наблюдаемых физических явлений, происходящих с ней в процессе горения;
разработать физико-математическую модель горения единичной капли ВМЭ с учетом эффекта «микровзрыва», позволяющей по заданному компонентному составу и диаметру капли приближенно оценить полное время выгорания, количество «микровзрывов» и моменты их возникновения;
проверить численным моделированием на ЭВМ предлагаемую математическую модель на основе опытных данных и проанализировать выгорание единичной капли ВМЭ при различных значениях диаметра капли и ее компонентного состава;
создать и проверить математическую модель горения факела ВМЭ методом численного моделирования на ЭВМ, позволяющую по заданным условиям сжигания топлива рассчитать геометрические размеры факела, его температурные и скоростные поля, а также концентрации топлива и окислителя в заданном сечении факела;
разработать и рассчитать на ЭВМ приближенную математическую модель горения капельного факела ВМЭ с учетом особенностей горения многокомпонентной капли эмульсии;
экспериментально на реальной котельной установке подтвердить полученные расчетные и модельные результаты.
' 3
Методика исследования. В основу исследования положена разработка приближенных математических моделей и численное моделирование на ЭВМ с последующим качественным экспериментальным подтверждением результатов испытаний котельного агрегата. Экспериментальные исследования опытного сжигания нового вида топлива проведены на действующем котельном оборудовании с применением современной аттестованной измерительной аппаратуры.
Научная новизна:
создана физико-математическая модель горения единичной капли ВМЭ с учетом эффекта «микровзрыва»;
разработан алгоритм и выполнено численное моделирование на ЭВМ динамики выгорания единичной капли ВМЭ с последующим анализом;
предложена приближенная математическая модель диффузионного горения капельного факела однокомпонентного тяжелого жидкого топлива применительно к его сжиганию в топке котельной установки малой и средней мощности;
создана приближенная математическая модель горения капельного факела с учетом особенностей горения капли ВМЭ как многокомпонентного топлива;
разработан алгоритм и выполнено численное моделирование горения факела мазута и ВМЭ, проведен их сравнительный качественный и количественный анализ;
предложен обобщенный энергоэкологический критерий для комплексной оценки эффективности перевода котельной установки на новый (многокомпонентный) вид топлива.
Практическая ценность:
результаты работы используются в отчетах НИР кафедры «Теплоэнергетика» ОмГУПС по госбюджетной и хоздоговорной тематике для расчетной оценки параметров горения ВМЭ в топке котла;
предложенные методики могут быть применены для оценки изменения КПД и выбросов котельной установки при переводе котла на сжигание ВМЭ;
результаты исследования используются в учебном процессе при изучении курсов «Котельные установки», «Топливо и основы теории горения».
Внедрение результатов работы. Результаты исследований и практические предложения внедрены в котельной НГЧ-9 ст. Карасук Западно-Сибирской ж.-д., что подтверждено соответствующими документами; опытное сжигание ВМЭ выполнено также в котельных депо Московка Западно-Сибирской ж.-д., котельной ПО «Сибкриотехника» - в паровых и водогрейных котлах различных типов.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на научно-технической конференции «Проблемы железнодорожного транспорта и транспортного строительства Сибири» (Новосибирск, 1997), третьей межвузовской научно-методической конференции «Актуальные проблемы и перспективы развития железнодорожного транспорта» (Москва, 1998), научно-практических конференциях ОмГУПС (Омск, 1997, 1998), научно-технической конференции «Актуальные проблемы развития железнодорожного транспорта и роль молодых ученых в их решении» (Ростов-на-Дону, 1998).
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 16 печатных работах; получено авторское свидетельство на изобретение (полезную модель).
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, выводов, списка использованных источников (116 наименований), 5 приложений; изложена на 147 страницах текста; содержит 29 рисунков, 5 таблиц.
