Підвищення енергоекологічної ефективності струменевих паливоспалюючих пристроїв на базі комбінованого сумішоутворення

Розвиток технології спалювання вуглеводневих палив шляхом розробки методів та засобів підвищення енергоекологічної ефективності та оптимізації струменевих пальників на основі комбінованого сумішоутворення. Оптимізаційні дослідження струменевих пальників.

Рубрика Физика и энергетика
Вид автореферат
Язык украинский
Дата добавления 23.11.2013
Размер файла 411,1 K

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ

“Київський політехнічний інститут”

ПІДВИЩЕННЯ ЕНЕРГОЕКОЛОГІЧНОЇ ЕФЕКТИВНОСТІ СТРУМЕНЕВИХ ПАЛИВОСПАЛЮЮЧИХ ПРИСТРОЇВ НА БАЗІ КОМБІНОВАНОГО СУМІШОУТВОРЕННЯ

Спеціальність 05.04.01 - Котли, парогенератори та камери згорання

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Ід Мохаммед Ібрагім Аль-Зубі

(Йорданія)

Київ - 1999 р.

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному технічному університеті України “Київський політехнічний інститут” Міністерства освіти України на кафедрі теплоенергетичних установок теплових та атомних електростанцій та науково-дослідному відділі проблем горіння.

Науковий керівник доктор технічних наук, професор

Любчик Геннадій Миколайович,

Національний технічний університет

України "КПІ", професор кафедри

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Шрайбер Олександр Авраамович,

Інститут загальної енергетики

НАН України, зав. відділом

доктор фізико-математичних наук, професор

Ганефельд Роланд Вільгельмович,

НТЦ вугільних енерготехнологій

НАН та Міненерго України,

провідний науковий співробітник

Провідна установа: Інститут газу Національної Академії наук України, м. Київ. Відділ захисту атомосферного повітря від забруднень.

Захист дисертації відбудеться 19 квітня 1999 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.002.09 при Національному технічному університеті України “Київський політехнічний інститут” за адресою: 252056, м. Київ, проспект Перемоги, 37, корпус 5, аудиторія 406.

З дисертацією можна ознайомитися в науково-технічній бібліотеці Національного технічного університету України “КПІ”.

Автореферат розіслано “18" березня 1999 р.

Вчений секретар спеціалізованої ради, кандидат технічних наук,

доцент Коньшин В.І.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Проблема зниження токсичності продуктів згорання є визначальною при створенні перспективних типів паливоспалюючих пристроїв. Це обумовлюється не тільки жорсткістю діючих норм гранично-допустимих викидів токсичних речовин, що містяться в продуктах згорання вуглеводневих палив, але й необхідністю в перспективі сплати значних штрафних компенсацій за їх реальні об'єми.

Складність розв'язання даної проблеми визначається одночасним існуванням в продуктах згорання газоподібних палив компонент хімічного не-допалу (СО, CxHy, СH2O та ін.) та оксидів азота (NO та NO2), що мають різну природу утворення і неоднозначний вплив одних і тих же факторів на рівень їх емісії. Останнє не дає можливості досягнути одночасної міні-мізації концентрації всіх токсичних компонентів в продуктах згорання.

В зв'язку з більш високими концентрацією та відносною токсичністю оксидів азоту сучасні топочні технології, як правило, спрямовані на зниження емісії NOx в продуктах згорання, без врахування особливостей утворення інших токсичних компонент і суттєво відрізняються для стехіометрічних пальників (топки котлів) та нестехіометрічних камер згорання ГТУ та ПГУ, а також пальників промислових теплогенераторів.

В зв'язку з викладеним, вельми актуальним є пошук таких методів зниження токсичності продуктів згорання, які б забезпечували суттєвий та однозначний вплив на емісію компонет різної природи.

Розв'язання такої проблеми особливо актуально для камер згорання ГТУ компресорних станцій магістральних газопроводів України, де на існуючому сьогодні обладнанні (маються на увазі камери згоряння установок ГТК-10 та ГТ-750-6, що у великій кількості знаходяться в стані експлуатації) концентрація NOx в продуктах згорання досягає 800 мг/м3.

Ця ж проблема є актуальною і для промислових теплогенераторів різного призначення, термокаталітичних реакторів та ін.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана в науково-дослідному відділі “Проблем горіння" та на кафедрі теплоенергетичних установок теплових та атомних електростанцій НТУУ “КПІ” і є складовою частиною плану науково-дослідних робіт Міністерства освіти України (тема “Розробка пальникової системи з комбінованим сумішоутворенням для термокаталітичних реакторів та промислових теплогенераторів”).

Мета і задачи досліджень. Метою даної дисертаційної роботи є подальший розвиток технології спалювання вуглеводневих палив шляхом розробки методів та засобів підвищення енергоекологічної ефективності та оптимізації струменевих пальників на основі комбінованого сумішотворення.

До задач досліджень входить: визначення умов розвитку дифузійного факела в струменевому елементі сталої ширини; аналіз альтернативних прийомів сумішоутворення; оптимізація конструктивних та режимних параметрів, а також енергоекологічних характеристик струменевих пальників.

Наукова новизна одержаних результатів. В результаті виконаних досліджень вперше отримані наступні результати, що мають наукову новизну:

Експериментальні характеристики, що описують особливості розвитку дифузійного факелу в струменевому паливоспалюючому елементі сталої ширини з реальною перфорацією повітряних отворів та результати їх узагальнень.

Узагальнене рівняння далекобійності факела, класифікація та аналіз структур дифузійних факелів при різних умовах їх розвитку;

Оптимізаційні дослідження струменевих пальників при змінних кутах їх розкриття та коефіцієнтах надлишку повітря;

4) Енергоекологічні характеристики альтернативних схем сумішоутворення в пальниках струменевого типу;

спалювання вуглеводне паливо пальник

5) Характеристики аеродинаміки та турбулентної структури зони змішування при альтернативних схемах подачи окисника за коротким стабілізатором;

6) Функції відгуку енергоекологічних характеристик струменевих пальників на базі комбінованого сумішоутворення, їх аналіз та оптимізація.

Практичне значення одержаних результатів. Основною практичною значимістю результатів дисертаційної роботи є те, що на базі виконаних досліджень, їх аналізу та узагальнень сформульована та реалізована концепція малотоксичної пальникової системи. Це дозволило провести однозначну мінімізацію енергоекологічних характеристик таких пристроїв.

Особистий внесок здобувача. Особистий внесок здобувача у виконанні представленого в дисертаційній роботі циклу досліджень полягає в наступному:

розроблена методика експериментальних досліджень та узагальнення характеристик далекобійності дифузійного факела в струменевому елементі сталої ширини;

виконано аналіз характерних структур дифузійних факелів в струменевому елементі сталої ширини;

досліджені та проаналізовані альтернативні схеми сумішоутворення та подачи повітря в первинну зону горіння;

досліджена аеродинамічна структура потоку за короткими стабілізаторами;

визначені засоби оптимізації режимних та конструктивних параметрів струменевих пальникових систем;

розроблена концепція малотоксичного пальника на базі комбінованого сумішоутворення та виконані порівняльні дослідження альтернативних схем струменевих пальників.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційної роботи доповідались та обговорювались на Міжнародному семінарі “ТЕПЛОТЕХНІКА-98” - Перспективні енерготехнології в енергетиці та промисловості, м. Київ, 26-29 травня 1998 р.

Публікації. По темі дисертації опубліковано п'ять статей в наукових журналах.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів, висновків, переліку посилань та додатків.

Дисертація викладена на 157 сторінках машинописного тексту, включає 38 рисунків, 9 таблиць, 120 найменувань посилань та 7 додатків.

Зміст роботи

У вступі сформульована мета та приведено обгрунтування актуальності теми дисертації.

В першому розділі на основі виконаного огляду літератури, що стосується “сухих” методів подавлення емісії оксидів азоту, встановлено існування чотирьох основних напрямків розвитку цієї технології, які характеризуються:

1) застосуванням підвищених надлишків повітря (камери згорання ГТУ та промислові теплогенератори);

2) використанням стадійного горіння;

3) гомогенізацією зони горіння;

4) використанням струменевих технологій спалювання палив.

Слід відзначити, що перший напрямок зниження емісії NOx був обгрунтований в роботах НТУУ “КПІ” та використовувався в розробках відомих фірм Maxon та Mid Continent (США), Eclipse (Франція). В останні роки за кордоном (Correa та ін.) виконані дослідження, які дають науково-технічне обгрунтування застосуванню підвищених надлишків повітря, як ефективного методу зниження емісії NOх.

Другий напрямок грунтується на можливості суттєвого зниження емісії NOх, як в області < 1,0, так і в області >1,0 і в спеціальній літературі отримав назву метода стадійного або зонного горіння.

По двостадійній схемі працюють камери згорання цілого ряду фірм (Allison, Toshiba та інститут CRIEPI). Застосовуються і більш складні (наприклад трьохзонні) схеми (Westinghouse El., Aero and Ind. Techn., MTU). Камери згорання в такому виконанні конструктивно досить складні. Мають місце значні труднощі в організації та регулюванні їх змінних режимів роботи, що потребує застосування чергових пальників або виконання камер згорання зі змінною геометрією.

Третій напрямок зниження емісії NOx пов'язаний з широким поширенням розробок, спрямованих на гомогенізацію зони горіння, застосування попереднього та комбінованого сумішоутворення. Ці положення покладено в основу циклу досліджень, що виконані Correa з співробітниками в Йєльському університеті (США).

Розробкою багатопальникових конструкцій камер згорання з метою зниження емісії NOx (за рахунок гомогенізації зони горіння) займаються відомі фірми: Aero and Industrial Technology (Англія), ABB (Германія) та ін.

В напрямку гомогенізації зони горіння за рахунок попереднього сумішоутворення успішно працюють фірми General Electric та General Motors (США), Nigashi Niigata (Японія), ABB (Германія) та ін.

Недоліки попереднього сумішоутворення: необхідність застосування спеціальних змішувачів та пристроїв для стабілізації горіння вуглеводневих палив, можливість проскоку полум'я, звуження концентраційних границь розповсюдження полум'я, проблеми зі змінними режимами роботи спонукали ряд фірм до розробки нетрадиційних конструкцій пальникових пристроїв. Так фірма АВВ створила малотоксичну камеру згорання для газових турбін GT10 и GT35, фронтовий пристрій якої складається з одного пускового та 18 основних двоконусних EV-пальників (з попереднім сумішоутворенням). Однак розроблена конструкція дуже складна, що потребує застосування “ювелірної” технології для її виготовлення.

В значній мірі визначені недоліки можуть бути усунуті за рахунок застосування напівпопереднього сумішоутворення, однак в спеціальній літературі відсутня інформація з приводу особливостей використання цієї схеми.

Ще в більшій мірі визначені вище недоліки можуть бути усунуті за рахунок впровадження ефективних базових схем сумішоутворення та стабілізації горіння (четвертий напрямок), до числа яких відносяться так звані струменеві технології, в основу яких покладено використання різних ефектів взаємодії струменів палива та окисника, що перехрещуються в зоні горіння та стабілізації факела.

В цьому напрямку в НТУУ “КПІ” під керівництвом Христича В.О. та Любчика Г.М. проведено цикл науково-дослідних та дослідно-конструкторських робіт, в результаті чого були створені наукові основи робочого процесу струменевих пальників та загальні принципи їх конструювання.

Дослідження дифузійного факела, що взаємодіє з системою поперечних струменів окисника, виконані в КПІ, вказують на наявність цілого ряду особливостей, які необхідно враховувати при створені пальникових систем струменевого типу. Це стосується: впливу швидкості палива (Wп) та окисника (Wo) на величину далекобійності факела (lф); наявності ефекту са - морегулювання середнього коефіцієнту надлишку повітря в зоні розвитку факела; впливу на lф різних конструктивних факторів.

По результатам виконаних в КПІ досліджень побудована універсальна характеристика далекобійності у вигляді рівняння подібності

lф/dп = A (B/dп) n (qп/qо) m FrпlFrok, (1)

де A=AoKLKSK - система поправочних коефіцієнтів, що враховує: тип елемента (Ao), пару паливо-окисник (KL=1+Lo, де Lo - стехіометрічний коефіцієнт, кг/кг); відносний крок повітряних отворів (KS= 1+ 0,01 (S/dо) 2); кут розкриття перфорованого сектора (K = 1+0,2cos).

Крім того, до рівняня (1) входить: відносна ширина сектора - (B/dп); питома кінетична енергія паливного струменя (qп= =пWп2/2) та струменя окисника - (qо= оWо2/2); числа Фруда паливного струменя (Frп = =Wп2/gdп) та струменя окисника (Frо = Wo 2/gВ).

Рівняння подібності (1) отримане для струменевих паливоспалюючих елементів (СПЕ), на основі яких компонуються так звані конічні пальникові системи зі змінною по довжині шириною сектора (B = var). В той же час, в останні роки доведена перевага струменевих пальників з кутовою компоновкою елементів, в яких ширина елемета є незмінною (B = const).

Крім того, рівняння (1) отримане на основі досліджень паливних елементів з “умовною” перфорацією, яка характеризується рівномірним розподілом повітряних отворів по довжині елемента. В той же час в реальних пальникових системах (з метою реалізації стадійного горіння в самому еле-менті) застосовується нерівномірний розподіл повітряних отворів.

З метою визначеня можливості застосування рівняння (1) для прогнозу далекобійності дифузійного факела в СПЕ сталої ширини в рамках даної роботи були виконані попередні дослідження, які показали неможливість використання цього рівняння для елементів сталої ширини.

В зв'язку з цими моментами, а також, враховуючи результати виконаного літературного огляду, зроблено висновок щодо необхідності проведення дослідженнь в наступних напрямках:

1) Вивчення розвитку дифузійного факела в струменевих елементах сталої ширини, в умовах, що максимально наближаються до реальних;

Дослідження альтернативних прийомів сумішоутворення, в тому числі різних методів подачи палива та окисника в первинну зону горіння;

3) Науково-технічне обгрунтування концепції малотоксичного пальника струменевого типу.

В другому розділі проведені дослідження дифузійного факела в струменевому елементі методом фізичного моделювання на спеціалізованому стенді з застосуванням змінних перфорованих пластин, що мали реальну перфорацію, яка відповідала перфорації пальників СГЛ-50 (пластина типу А) та СГЛ-15 (пластина типу Б). Конструкція робочої ділянки стенду дозволяла змінювати діаметри газових отворів (1,2; 2,0; 2,5 та 4,0 мм), а також напір подачи газових (hп) та повітряних (hо) струменів.

Основні дослідження характеристик далекобійності факела проведені в діапазоні швидкостей окисника (повітря) Wо = 12,8.28,5 м/с, швидкостей витікання струменів палива (природний газ) Wп = 3.233 м/с (для плас-тини типу А) та Wп = 3.80 м/с (для пластини типу Б). Всього виконано вісім серій дослідів, що відрізнялися відносною шириною елемента B/dп, яка змінювалась в діапазоні від 3,75 до 18,33.

Аналіз характеристик далекобійності (якщо lф приймати за критерій ін-тенсифікації горіння) показує, що в системі поперечних струменів окисника досягається більш ніж двократна інтенсифікація сумішоутворення в порівнянні з вільним дифузійним факелом. Крім того, дифузійний факел в струменевому елементі по своїй структурі суттєво відрізняється від вільного дифузійного факела (який має три симетричні структури: ламінарну, перехідну та турбулентну) і особливістю його розвитку є: несиметричність у профільній площині, що обумовлена “прилипанням” до стінки СПЕ газового струменя (эфект Коанда) та наявністю шести характерних модифікацій: ламінарної, гібридної, турбулентної, турбулентної - віялоподібної, турбулентної - з розщепленням та турбулентної L-подібної з відривом.

При проведенні даних досліджень вперше зафіксоване особливе явище, яке характеризується “кризою" далекобійності, тобто зменшенням lф у відповідному діапазоні зростання швидкостей витікання газового палива. Цей феномен розвитку дифузійного факелу обумовлениий кількома обставинами, що приводять до “переінтенсификації" тепломасообмінних процесів в кінцевій частині факела.

Основним гідродинамічним параметром, що визначає кризу далекобійності є відносна швидкість Wп/Wо. Причому, значення цього параметра залежить від відносної ширини елемента (B/dп) і характеристика появи кризи далекобійності (Wп/Wо) кр =f (B/dп) є індівідуальною для кожного струменевого елемента, що обумовлено різними варіантами їх перфорації.

В зв'язку з негативним впливом кризи далекобійності на ефективність процесу горіння і недоцільністю роботи пальників поза кризою далекобійності узагальнення характеристик далекобійності було проведено для докризових режимів розвитку дифузійних факелів (при Wп/Wо (Wп/Wо).

В основу узагальнення характеристик далекобійності факела було взято рівняння подібності КПІ (1), яке з урахуванням симетричності впливу гідродинамічних параметрів було представлено в значно спрощеному вигляді

lф/dп = AoKS (Wп/Wо) А1. (2)

Пошук ймовірних значень Aо та A1 виконувався на основі методу найменших квадратів за допомогою спеціально розробленої програми. Аналіз отриманих результатів показує, що (на відміну від елементів зі змінною шириною) в елементі сталої ширини степінь впливу відносної швидкості (А1) є змінною і залежить від конструктивного параметра B/dп. Також від B/dп залежить стала Aо.

В результаті обробки отриманих даних характеристики Aо=fо (B/dп) та A1=f1 (B/dп) представлено у виглячді співвідношень

Ao=13,16 (В/dп) 0,649 (3)

та

А1=0,167 (В/dп) 0,23, (4)

за допомогою яких можна перейти до більш узагальненого рівняння подібності.

Порівняння степені впливу параметрів (B/dп) та (Wп/Wо) на відносну далекобійність факела (lф/dп) в елементі сталої ширини з відповідними даними КПІ (для елементів змінної ширини) дає ряд важливих висновків. Так, в СПЕ зі змінною шириною Ао = 0,5.0,6, а в результаті виконаних досліджень (для СПЕ - B =const) визначено Ао 0,649.

Степінь впливу гідродинамічного параметру (Wп/Wо) на (lф/dп) для СПЕ змінної ширини (по даним КПІ) змінюється в діапазоні Ао = 0,2.0,4, а для елемента сталої ширини - в діапазоні Ао = 0,23.0,3, що є додатковим підтвердженням достовірності виконаних досліджень.

Крім далекобійності факела вивчалась також його структура (рис.1).

При цьому встановлено, що факел має складну трьохмірну структуру, яка трансформується при зміні режимів горіння (в результаті зміни умов взаємодії паливного струменя з системою повітряних струменів).

При одночасному існуванні ламінарних режимів течії паливної та повітряних струменів, що має місце при малих витратах паливного газу (режим 1 на рис.2), дифузійний факел має ламінарну структуру.

Зі збільшенням числа Reп виникає турбулізація верхівки факела (режим 2 на рис.2), а загальна структура є гібридною, і при появі такої структури підвищується інтенсиність горіння.

При течії паливного струменя у перехідній області Reп> 2000 більша його частина потрапляє в поле взаимодії з турбулентними струменями окисника. В цьому випадку спостерігається чітко окреслена турбулентна структура зони сумішоутворення та горіння (режим 3 на рис.1).

При подальшому збільшенні швидкості витікання палива верхівка факела потрапляє в зону інтенсивної взаємодії з системою повітряних струменів великого діаметру, в результаті чого виникає “розщеплення” факела і він приймає “віялоподібну" форму (режим 4 на рис.2). Така структура обумовлена “видуванням" палива повітряними струменями великого діаметра з тіньової зони перфорованого сектора.

При наближенні режиму течії газового струменя до турбулентної зони (режим 5 на рис.2) і турбулентному режимі витікання повітряних струменів має місце скачкоподібне зменшення lф (криза далекобійності).

Визначені особливості розвитку факела за пластиною типу А (шириною 22 мм) в основному характерні і для пластини типу Б (шириною 15 мм).

Однак, при B/dп > 3,5 має місце “видування” палива з тіньової зони перфорованої пластини на всіх режимах витікання паливного струменя і при Reп > 6600 - відрив факела та його зависання на відповідній відстані від зрізу паливного отвору. При цьому факел приймає характерну L-подібну форму. При подальшому збільшенні Reп виникає зрив горіння.

Отримана в другому розділі інформація відповідає умовам роботи ізольованих СПЕ, тому при синтезі пальникових систем на базі таких елементів необхідні додаткові дані, що стосуються інтегральних енергоекологічних характеристик їх робочого процесу і степені впливу на ці характеристики конструктивних та режимних параметрів.

В третьому розділі дисертаційної роботи виконано цикл досліджень, спрямованих на розв'язання поставленої задачи, який складаються з 3-х етапів.

На першому етапі проведена оптимізація струменевих пальників по куту компоновки струменевих елементів () та коефіцієнту надлишку повітря (). В звязку з наявністю в спеціальній літературі аналогічних досліджень КПІ проведене дослідження мало також тестове навантаження (перевірка методики досліджень, стендового обладнання та вимірювальної апаратури).

З метою виявлення впливу конструктивного () та режимного () фак-торів на рівень хімічного недопалу (q3, CH) та токсичності продуктів згорання (СО, NOx) на спеціалізованому стенді проведені дослідження методом планування експерименту. За допомогою центрального композиційного планування (ЦКП) по ортогональному плану вивчався факторний простір - , в якому в центрі плана прийнято значення о = 2.0 а на гра-ницях плану - = о . Причому дорівнювало 0,5.

При реалізації цього етапу використовувались пальники типу СГ-10 з різними кутами компоновки елементів, але з однаковим діаметром (140 мм) та числом елементів. Зміна конструктивного фактора відбувалася по такій схемі: о = /2 (в центрі плану) та = /2 /6 (на границях плану). За параметри оптимізації прийнято: Y1 - концентрація оксиду вуглецю (СО, ppm); Y2 - концентрація суми горючих (СН, ppm); Y3 - концентрація оксидів азота (NOx, ppm); Y4 - хімічний недопал (q3, %).

При аналізі експериментальних даних введені кодовані змінні: X1 - для першого фактора () та X2 - для другого фактора ().

Для всіх параметрів оптимізації функція відгуку Yj (де j = 1,2,3,4 означає номер функції відгуку) описувалась за допомогою рівняннь регресії аналіз яких дозволив зробити ряд важливих висновків.

Yj=b0j+b1jX1+b2jX2+b12jX1X2+b11jX12+b22jX22, (5)

Так, поверхня відгуку для параметра СО має сідлоподібну форму, тобто для цього параметра відсутній центр оптимізації. Цей параметр має мінімум по режимному фактору () та максимум по конструктивному фактору ().

В той же час, поверхня відгуку для хімічного недопалу (q3) має колоколоподібну форму з мінімумом (центр абсолютної оптимізації), положення якого знаходиться поза факторним простором.

Поверхня відгуку, що характерізує рівень емісії оксидів азоту, як і щодо емісії СО, теж має сідлоподібну форму, але з протилежними знаками екстремумів по параметрам оптимізації. З цього аналізу можна зробити важливий практичний висновок відносно неможливості одночасної оптимізації струменевих пальників КПІ (при традиційній схемі їх виконання) по всім дослідженим параметрам (СО, q3, NOx та ін.).

В результаті проведеного аналізу, можна вважати, що оптимальне значення конструктивного параметра (по компромісу) для струменевих пальників КПІ становить 60о.

На другому етапі виконані дослідження модифікацій того ж пальника (СГ-10) з двома альтернативними схемами сумішоутворення. Перша модифікація (тип А) виконана по традиційній схемі КПІ (з дифузійним сумішоутворенням, коли паливо подається окремими струменями безпосередньо в тіньову зону за перфорованими секторами). Друга модифікація (тип Б) виконана з попереднім сумішоутворенням (подача паливних струменів у простір між двома перфорованими пластинами).

Дослідження були реалізовані з використанням ротатабельного ЦКП, з факторним простором - - Wo. В центі плана фактори приймали значення: = 2,5 та Wo = 18 м/с і мали крок варіації: = 0,8 та Wo = 5 м/с.

В задачу досліджень входило визначення та аналіз енергетичних (q3, CH) та екологічних характеристик (СO, NОx). Як і на першому етапі, функція відгуку визначалася по формі рівняння регресії (5).

В результаті аналізу отриманої інформації встановлено, що варіант з попереднім сумішоутворенням має перевагу в порівнянні з дифузійним варіантом практично на всій області факторного простору.

На третьому етапі виконані аеродинамічні дослідження течії за коротким стабілізатором (який імітував струменевий пальник лінійного типу) з альтернативними схемами подачи повітря в зону сумішоутворення та горіння.

Спосіб установки моделі стабілізатора в робочій ділянці спецілізованого стенду та досліджені чотирі варіанти перфорації пластинстабілізаторів відображали можливі на практиці умови роботи реальних пальників.

Аналіз аеродинамічних досліджень показав, що структура течії за коротким стабілізатором є неоднородною, складається з дискретних вихореутворень як в мерідіональній, так і в осьовій плоскості. При цьому, аеродинамічна структура кормової зони суттєво залежить від схеми перфорації пластин-стабілізаторів.

По багатьом ознакам: відсутність асиметрії, однорідність та стабільність течії перевагу має схема з 50% початковою перфорацією, яка і є основою струменевих пальників КПІ в традиційному варіанті їх виконання.

Отримані результати досліджень дозволили сформулювати концепцію малотоксичної пальникової системи, суть якої полягає в одночасному застосуванні: струменевої технології сумішоутворення, стабілізації факела та формування полів продуктів згорання; комбінованої подачи палива в СПЕ; оптимальної перфорації фронту; уніфікованих конструктивних рішень, що забезпечують спрощення виготовлення та експлуатації пальників, повну ремонтоздатність та “тиражування” потужності.

= Vпоп/Vсум - відносна подача палива на попереднє сумішоутворення;

ф = lф/lс - відносна далекобійність дифузійного факела (lс - довжина

перфорованого сектора);

NO min - зона мінімальної емісії оксиду азоту;

СО min - зона мінімальної емісії оксиду вуглецю.

однозначної оптимізації. Як видно з рис.4 мінімум СО при комбінованій подачі палива ( 0,5) досягається при пал 1,0, а мінімум NOx має місце при пал 1,6.

Криза далекобійності, на відміну від пальника СГЛ-15, має місце при пал < 1,0, тобто знаходиться поза межами діапазону робочого регулювання пальникової системи.

Перевагою пальника з комбінованим сумішоутворенням є досягнення низького рівня емісії оксидів азоту. Так, в діапазоні пал = 1,0.1,7 концентрація NOx в продуктах згорання (приведена до = 1,0) не перевищує 45 мг/м3.

Висновки

В результаті проведених досліджень, їх аналізу та узагальнень виконана основна мета дисертаційної роботи, що спрямована на подальше вдосконалення технології спалювання палив шляхом розробки методів та засобів підвищення енергоекологічної ефективності та оптимізації робочого процесу струменевих пальників на базі комбінованого сумішоутворення.

При цьому вирішено ряд науково-технічних задач, що відіграють виз-начальну роль в розумінні робочого процесу струменевих пальників та оптимізації їх енергоекологічних характеристик, в тому числі:

1) Виконано цикл досліджень розвитку дифузійного факела в струме-невому паливоспалюючому елементі сталої ширини в широкому діапазні зміни режимних та конструктивних факторів: B/dп = 3,75 - 18,33 та Wп/Wо = 0,664 - 7,4, що охоплює всі можливі на практиці комбінації визначених параметів. Отримані рівняння подібності, які можуть бути використані при проектуванні пальників струменевого типу і розрахунках їх змінних режимів роботи;

2) Встановлено, що в СПЕ має місце складна взаємодія паливного струменю з системою спарених рядів повітряних струменів при впливі основних визначальних факторів, що якісно співпадають з аналогічним впливом цих факторів в СПЕ змінної ширини;

3) Виявлено суттєву зміну структури дифузійних фекелів в СПЕ сталої ширини та встановлено ряд кризових проявів, до числа яких відноситься: криза далекобійності, поява специфічних модіфікацій структур дифузійних факелів та ін. Ці особливості розвитку дифузійних факелів визначають ефективність згорання палива та рівень емісії токсичних CO та NОx на змінних режимах роботи пальників струменевого типу;

4) В результаті виконаного циклу досліджень отримані нові наукові результати: проведена діагностика складу продуктів згоряння в дифузійних пальниках струменевого типу з різними кутами компоновки СПЕ; отримані рівняння регресії, що описують функції відгука (CH, q3, CO та NОx), аналіз яких дозволяє уточнити оптимальні режимні та конструктивні параметри пальників; доведена можливість ефективної роботи струменевих пальників з попереднім сумішоутворенням;

Сформульована концепція малотоксичного пальника та запронований спосіб її реалізації. В результаті виконаної діагностики складу продуктів згорання встановлено:

в пальнику з комбінованим сумішоутворенням досягається суттєве зниження емісії токсичних оксидів азоту - NOx < 25 мг/м3 (приведені до = 1,0) при наявності режимів з практично нульовою емісією NOx.

при використанні комбінованого сумішоутворення досягається практично однознана оптимізація енергоекологічних характеристик, що неможливо в пальникових системах інших типів;

6) Встановлені області оптимального застосування пальників струменевого типу з комбінованим сумішоутворенням: в складі теплогенераторів широкого промислового призначення; в складі термокаталітичних реакторів нейтралізації промислових газових викидів; як елементів фронтових пристроїв камер згорання ГТУ та ПГУ, а також в складі паливної інфра-структури каталітичних камер згорання.

Результати виконаних досліджень передані для їх подальшого впровадження проектним інститутам Київпромбудпроект та Укргіпроінжпроект (всі м. Київ), ВАТ "Турбоатом" (м. Харків) та Інституту газу НАН України.

Основні результати дисертації викладені у роботах

1. Любчик М.Г., Аль-Зубi I.М., Любчик Г.М. Структура та особливостi розвитку дифузiйного факелу за перфорованим сектором сталої ширини // Наукові вiстi НТУУ “КПI”. Серiя теплоенергетики, 1997. - С.113-118.

2. Любчик Г.М., Марченко Г.С., Кравчук О. Е, Аль-Зубі І.М. До застосування технології каталітичного горіння в камерах згоряння ГТД // Наукові вiстi НТУУ “КПI”. Серiя теплоенергетики, 1997. - С.118 - 124.

3. Аль-Зуби И.М., Любчик Н.Г., Любчик Г.Н., Марченко Г.С. Оптимизация режимных и конструктивных параметров струйных горелок // Экотехнологии и ресурсосбережение. - 1998, № 1. - С.37-42.

4. Аль-Зуби И.M., Любчик Н. Г, Любчик Г. Н, Марченко Г.С. Характеристики дальнобойности и структура диффузионного факела в струйном топливосжигающем элементе постоянной ширины // Экотехнологии и ресурсосбережение. - 1998, № 2. - С.50-55.

5. Аль-Зубі І.М., Любчик Г.М., Марченко Г.С. Розробка та реалізація концепції малоток-сичної пальникової системи // Вісник Українського Будинку економічних та науково-техніч-них знань. - 1998, N8. - С.85-88.

Анотації

Ід Мохаммед Ібрагім Аль-Зубі

Підвищення енергоекологічної ефективності струменевих паливо-спалюючих пристроїв на базі комбінованого сумішоутворення. Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук по спеціальності 05.04.01 - Котли, парогенератори, камери згорання. Націоальний технічний університет України “КПІ”, Київ, 1999.

Дисертація присвячена розробці методів та засобів підвищення енер-гоекологічної ефективності пальникових пристроїв, що працюють при високих та змінних коефіцієнтах надлишку повітря.

Проведено цикл досліджень дифузійного факела в струменевому елементі сталої ширини, отримані узагальнені характеристики далекобійності та структури факела, а також виконані оптимізаційні дослідження струменевих пальників при змінних кутах їх розкриття, коефієнтах надлишку повітря та різних схемах сумішоутворення.

На основі виконаних досліджень побудована концепція малотоксичного пальникового пристрою та запропоновано спосіб її реалізації.

Ключовi слова: пальникова стистема; струменева технологiя; комбiноване сумiшоутворення; енергоекологiчнi характеристики; оптимiзацiя; дифузiйний факел; далекобiйнiсть; структура; криза джалекобiйностii.

Ид Мохаммед Ибрагим Аль-Зуби

Повышение энергоэкологической эффективности струйных топливосжигающих устройств на базе комбинированного смесеобразования. Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.04.01 - Котлы, парогенераторы, камеры сгорания. Национальный технический университет Украины “КПИ”, Киев, 1999.

Диссертация посвящена разработке методов и средств повышения энергоэкологической эффективности горелочных устойств, работающих при вы-соких и переменных избытках воздуха.

Проведен цикл исследований диффузионного факела в струйном элементе постоянной ширины, получены обобщенные характеристики дальнобойности.

Установлены условия трансформации структуры диффузионного факела в струйном топливосжигающем элементе, который в отличие от свободного факела характеризуется несимметричностью (эффект Коанда) и имеет шесть характерных модификаций: ламинарную, гибридную, турбулентную, турбулентную - веероподобную, турбулентную с расщеплением и турбулентную L-образную с отрывом. Впервые зафиксировано особое явление, которое характеризуется "кризисом" дальнобойности диффузионного факе-ла в струйном топливосжигающем элементе и проанализирована связь этого явления с эффективностью процесса горения.

Выполнены три этапа оптимизационных исследований струйных горелок и их элементов.

На первом этапе с помощью ортогонального центрального композицион-ного планирования (ЦКП) исследовано влияние определяющих факторов (угла раскрытия струйной горелки и коэффициента избытка воздуха) на энергоэкологические характеристики горелки, а также определены оптимальные значения определяющих факторов.

На втором этапе с помощью рототабельного ЦКП исследованы энергоэкологические характеристики струйной горелки при двух альтернативных схемах смесеобразования: диффузионной и предварительной. Установлены определенные преимущества использования предварительного смесеобразования.

На третьем этапе выполнено экспериментальное сравнение аэродинамической и турбулентной структуры потока за коротким стабилизатором при четырех схемах подачи воздуха в зону смесеобразования и горения. По ряду признаков: отсутствие асимметрии, однородности и стабильности течения установлено преимущество 50-процентной начальной перфорации, которая является основой струйных горелок КПИ.

На основе полученных результатов разработана концепция малотоксичного горелочного устройства, суть которой состоит в одновременном применении: струйной технологии смесеобразования, стабилизации факела и формирования полей продуктов сгорания; комбинированной подачи топлива в струйном топливосжигающем элементе, оптимальной воздушной перфорации фронта; унифицированных конструкторских решений, которые обес-печивают простоту изготовления и эксплуатации горелок, их полную ремонтоспособность и "тиражирование" мощности.

Предложен способ реализации концепции малотоксичного горелочного устройства и выполнен сравнительный анализ энергоэкологических харак-теристик горелок струйного типа: в традиционном исполнении (СГЛ-15) и с комбинированным смесеобразованием (СГЛК-15).

Установлены существенные преимущества горелки с комбинированным смесеобразованием, в частности, показана возможность практически однозначной оптимизации энергоэкологических харакристик.

Ключевые слова: горелочное устройство; струйная технология; комбинированное смесеобразование; энергоэкологические характеристики; оптимизация; диффузионный факел; дальнобойность; структура; кризис дальнобойности.

Eid Moh'd Ibrahim Al-Zoubi

Increase of energoecological efficiency of jet fuel burning devices on the basis of combined mixing. Typescript.

Thesis to receive the degree of Candidate of Science by the speciality 05.04.01. - Boilers, steam generators, and combustion chambers. National Technical University of Ukraine “KPI”, Kyiv, 1999.

The thesis is devoted to development of methods and ways to increase energoecological efficiency of burning devices operating at high and variable air excess coefficients.

A cycle of investigations of diffusive flame in a jet element with constant width has been carried out, generalized characteristics of the long range and flame structure have been obtained; investigations of the jet burners optimization at variable angles of their opening, air excess coefficients, and different mixing schemes have been performed as well.

A conception of low toxic burning device has been carried out on the basis of the investigations, and a method of its realization has been proposed.

Key words: burning device; jet technology; combined mixing; energoecological characteristics; optimization; diffusive flame; long range; structure; long range crisis.

Размещено на Allbest.ru


Подобные документы

  • Підвищення ефективності спалювання природного газу в промислових котлах на основі розроблених систем і технологій пульсаційно-акустичного спалювання палива. Розробка і адаптація математичної моделі теплових і газодинамічних процесів в топці котла.

    автореферат [71,8 K], добавлен 09.04.2009

  • Вибір пристроїв релейного захисту й лінійної автоматики. Характеристика релейного захисту типу МП Діамант. Розрахунок техніко-економічної ефективності пристроїв релейного захисту. Умови експлуатації й функціональні можливості. Контроль ланцюгів напруги.

    магистерская работа [5,1 M], добавлен 08.07.2011

  • Призначення теплоенергетичних установок. Основні характеристики ідеального циклу Ренкіна. Переваги базового циклу Ренкіна. Методи підвищення ефективності. Зв’язане підвищення початкової температури і тиску пари. Проміжний або повторний перегрів пари.

    курсовая работа [311,2 K], добавлен 18.04.2011

  • Призначення та класифікація теплового устаткування. Будова електронагрівальних елементів і принцип регулювання потужності. Недоліки закритих нагрівальних елементів. Переваги застосування трубчастих електронагрівачів. Принцип дії інжекційних пальників.

    практическая работа [473,3 K], добавлен 12.09.2012

  • Основні принципи та критерії створення і функціонування екологічних поселень. Розробка пропозицій і технічних рішень, спрямованих на розвиток і поліпшення існуючої концепції екологічно збалансованих форм організації поселень. Оцінка їх ефективності.

    дипломная работа [2,6 M], добавлен 09.09.2014

  • Техніко-економічне обґрунтування будівництва ГАЕС потужністю 1320 МВт. Розрахунок графіків електричних навантажень, вибір силового обладнання. Підбір комутаційної апаратури та струмоведучих частин. Розрахунок і побудова витратних характеристик агрегатів.

    дипломная работа [2,4 M], добавлен 11.06.2013

  • Складання загального та технологічного енергобалансу. Теплоспоживання, електроспоживання, водоспоживання й гаряче водопостачання підприємства. Заходи підвищення ефективності використання енергії. Техніко-економічне обґрунтування енергозберігаючих заходів.

    курсовая работа [246,0 K], добавлен 22.07.2011

  • Необхідність впровадження прогресивних джерел світла для підвищення ефективності електроосвітлювальних установок. Силова схема ТзОВ "Агрітон". Розрахунок освітлення з використанням різних типів ламп: розжарення, компактно-люмінесцентних та світлодіодних.

    курсовая работа [765,0 K], добавлен 23.11.2013

  • Питання електропостачання та підвищення ефективності використання енергії. Використання нових видів енергії: енергія океану та океанських течій. Припливні електричні станції: принцип роботи, недоліки, екологічна характеристика та соціальне значення.

    реферат [22,8 K], добавлен 09.11.2010

  • Аналіз стану та рівня енергоспоживання в теплогосподарствах України. Енергетичний бенчмаркінг як засіб комплексного розв’язку задач енергозбереження, його функції в системах теплопостачання. Опис структури показників енергоефективності котелень та котлів.

    дипломная работа [1,9 M], добавлен 13.07.2014

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.