Введение к работе
Актуальность темы. Согласно «Энергетической стратегии России на пер и-од до 2030 года», утвержденной распоряжением Правительства Российской Фед е-рации от 13.11.2009 г. № 1715-р, твердое органическое топливо, сжигаемое в топках котлов в распыленном виде, еще долгое время будет являться одним из о с-новных источников энергии. Поэтому теоретические и экспериментальные исследования тепломассообменных процессов при горении полидисперсных топли в-ных частиц с целью углубленного понимания физики происходящих процессов и совершенствования топливосжигающего оборудования являются необходимыми. Математическое моделирование является наименее затратным способом оценки эффективности разрабатываемых технических реш ений.
Существующие математические модели расчета выгорания топлива основ а-ны на кинетике горения одиночной частицы, которая достаточно полно из учена, но полидисперсность топлива в них учитывается по -разному. В одних моделях она не учитывается, и расчет ведется по среднему размеру частиц, в других - весь спектр частиц разбивается на отдельные фракции, и расчеты ведутся для каждой фракции с последующим усреднением полученных результатов, что требует р е-шения большого числа уравнений и времени счета.
Учет полидисперсности на основе решения кинетического уравнения для функции распределения частиц по размерам позволяет свести задачу выгорания всей массы топлива к решению небольшого числа нелинейных уравнений и пол у-чить эволюцию всей системы частиц с усредненными характеристи ками. Этим методом ранее решены упрощенные задачи выгорания смеси полидисперсной коксовой пыли с воздухом в адиабатических условиях.
Вполне актуально развитие этого метода для изучения горения полидисперсного натурального твердого топлива в факеле в услови ях, приближенных к реальным. Такой подход имеет большое значение для правильного понимания особенностей сжигания ансамбля частиц, ведет к упрощению математических м о-делей топочных процессов и представляет интерес для исследователей, занимающихся расчетами горения.
Объектом исследования является процесс горения твердого топлива.
Предметом исследования является моделирование процесса горения пол и-дисперсного пылевидного топлива в энергетических установках.
Целью работы является разработка физико-математической модели про-
4 цесса горения полидисперсной пыли натурального твердого топлива в энергетических установках на основе кинетического уравнения для функции распредел е-ния частиц по размерам.
Задачи исследования:
-
Анализ существующих моделей расчета горения пылевидного топлива и способов учета полидисперсности.
-
Оценка влияния влажности топливных частиц на температуру их поверхи о-сти при высокотемпературном нагреве и возможности разделения процессов сушки частиц и выхода из них летучих веществ.
-
Усовершенствование физико-математической модели горения смеси полидисперсной коксовой пыли с воздухом в адиабатических условиях.
-
Оценка влияния степени выгорания полидисперсной топливной пыли на радиационные характеристики пламени.
-
Разработка физико-математической модели горения смеси полидисперсной коксовой пыли с воздухом в неадиабатических условиях .
-
Разработка физико-математических моделей выгорания полидисперсной коксовой пыли в неадиабатических условиях с учетом теплообмена между част и-цами и газами для предельных (диффузионного и кинетического) и промежуточного режимов горения.
-
Разработка физико-математической модели горения по ли дисперсной пыли натурального топлива в условиях, характерных для реальных энергетических у с-тановок.
-
Анализ влияния различных параметров на процесс выгорания полидисперсного натурального топлива на основе полученной модели и формулирование общих рекомендаций по улучшению эффективности и надежности работы топл и-восжигающих энергетических установок.
Научная новизна:
-
Расчетами показано, что для пыли мелких частиц (<100 мкм) процессы сушки и выхода летучих можно считать последовательными и время сушки в ра с-четах не учитывать.
-
Усовершенствована физико-математическая модель выгорания смеси пол и-дисперсной коксовой пыли с воздухом в адиабатических условиях. Впервы е на основе кинетического уравнения для функции распределения частиц по разм ерам составлена математическая модель горения полидисперсной коксовой пыли вне-адиабатических условиях, позволяющая судить о поведении и изменении харак-
5 теристик всего ансамбля поли дисперсных частиц в процессе их выгорания.
-
Предложены зависимости для расчета влияния степени выгорания полиди с-персного твердого топлива на радиационные характеристики пламени: эффекти в-ные коэффициенты ослабления, поглощения и рассеяния для оптически крупн ых частиц.
-
Разработана физико-математическая модель выгорания полидисперсных коксовых частиц в неадиабатических условиях с учетом теплообмена между ча с-тицами и газами для кинетического, диффузионного и промежуточного режимов. Впервые введен режимный критерий для полидисперсных систем, позволяющий проанализировать соотношение между кинетическими и диффузионными факт о-рами в процессах разогрева, воспламенения и активного горения то пливной пыли.
-
Впервые на основе решения кинетического уравнения для функции рас пре-деления частиц по размерам разработана одномерная физико-математическая модель горения полидисперсной пыли натурального топлива, учитывающая хара к-теристики топлива, особенности организации подачи воздуха, рециркуляцию продуктов сгорания в зону воспламен ения, теплообмен со стенками топочной к а-меры, которая достаточно полно описывает процесс горения в реальных условиях. Численными исследованиями показано влияние различных условий на восплам е-нение и выгорание полидисперсной топливной пыли. Представлены предложения по дальнейшему совершенствованию модели.
Практическая значимость работы:
-
Разработанная физико-математическая модель, достаточно полно отражающая реальный процесс горения полидисперсного твердого топлива, может быть использована для исследования влияния режимных и конструктивных параметров топочной камеры и грелочных устройств на воспламенение и выгорание топл ива и повышения эффективности принимаемых проектных и наладочных реш ений.
-
Модель горения полидисперсного твердого топлива может быть рекоменд о-вана для интеграции в существующие программы трехмерного моделирования топочных процессов для уменьшения количества начальных данных и расче тного времени, а также для получения начальных условий для более сложных мод елей.
-
Проведенные исследования расширяют знания в области изучения физики процессов горения полидисперсных твердых топлив и могут быть использованы научными организациями, занимающимися вопросами сжигания твердых топлив (ОАО «ВНИИМТ», УралВТИ, ОАО «УралОРГРЭС» и др.), а также в учебном процессе ФГАОУ ВПО «УрФУ имени первого Президента России Б.Н.Ельцина»
для подготовки специалистов по специальностям 140100 «Теплоэнергетика и теплотехника», 140101 «Тепловые электрические станции». Автор защищает:
-
Результаты расчетного анализа влияния влажности частиц на температуру их поверхности при конвективной сушке в высокотемпературной газовой среде.
-
Теоретический и расчетный анализ влияния степени выгорания полиди с-персного твердого топлива на радиационные характеристики пламени.
-
Теоретические и расчетные иссле дования выгорания смеси полидиспер сных коксовых частиц с воздухом в адиабатических и неадиабатических услов иях.
-
Теоретические и расчетные исследования выгорания полидисперсных ко к-совых частиц в неадиабатических условиях с учетом теплообмена между част и-цами и газами.
-
Физико-математическую модель горения полидисперсной пыли натурал ь-ного топлива в неадиабатических условиях с учетом характеристик топлива и р е-жимных факторов.
Методология и методы исследования: в работе использована совокупность общенаучных и теоретических методов исследования, включающих в с ебя анализ и обобщение известных теоретических и практических данных по г орению полидисперсного твердого топлива, а также математическое моделирование, вое-нове которого лежат фундаментальные и прикладные наук и, такие как теория горения, вычислительная математика, теория тепло - и массообмена и др. Для проверки работоспособности полученных физико-математических моделей проведен вычислительный эксперимент, результаты которого сопоставлены с опытными данными других авторов.
Достоверность полученных результатов обеспечивается использованием в работе современных средств и методов научных исследований. Результаты в ы-числительного эксперимента, выполненного для составленной модели горения полидисперсной пыли натуральн ого топлива, имеют удовлетворительную сход и-мость с экспериментальными данными других исследоват елей.
Личный вклад автора заключается в постановке задач исследования, ан а-лизе существующих теоретических и экспериментальных данных по рассматриваемой теме, проведении численных исследований влияния влажности частиц на температуру их поверхности при высокотемпературной конвективной сушке, ус о-вершенствовании математической модели горения пылевоздушной смеси в ади а-батических условиях, разработке математической моде ли горения смеси полиди с-
7 персной коксовой пыли с воздухом в неадиабатических условиях, составлении моделей горения полидисперсной коксовой пыли в неадиабатических уел овиях с учетом теплообмена между частицами и газами для предельных (кинетич еского и диффузионного) и промежуточного режимов горения, составлении модели гор е-ния полидисперсной пыли натурального топлива в условия х, приближенных к реальным, проведении численных расчетов по составленным моделям, анализе полученных результатов, формулировке выводов и заключения по диссертации.
Апробация результатов. Результаты работы были представлены на: Всероссийской межвузовской научной конференции студентов и аспирантов «XXXVII неделя науки СПбГПУ» (Санкт-Петербург, Россия, 2008 г.); VII Всероссийской конференции с международным участием «Горение твердого то плива» (Новосибирск, Россия, 2009 г.); 12 и 13-й всероссийских научно-практических конференциях студентов, аспирантов и специалистов (Магнитогорск, Россия, 2011, 2012 гг.); Международной научно-практической конференции «Проблемы, перспективы и стратегические инициативы развития теплоэнергетического ко м-плекса» (Омск, Россия, 2011 г.); Всероссийской научно-практической конференции и выставке работ студентов, аспирантов и молодых ученых «Энерго - и ресурсосбережение. Энергообеспечение. Нетрадиционные и возобновляемые источи и-ки энергии.» (Екатеринбург, Россия, 2012 г.); XXXIII Всероссийской конференции по проблемам науки и технологий «Наука и технологии» (Миасс, Россия, 2013 г.).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 11 печатных работ, из которых 2 в журналах из перечня ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка условных обозначений, списка литературы из 151 наименования и приложений А-Г. Объем диссертации 173 страницы, включая 36 рисунков.
Похожие диссертации на Моделирование горения полидисперсного твердого топлива в условиях сложного теплообмена
