Підвищення ефективності роботи котельних агрегатів шляхом пульсаційно-акустичного спалювання палива

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національна металургійна академія України

УДК 621.438:662.767:532.517.4

ПІДВИЩЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТІ РОБОТИ КОТЕЛЬНИХ

АГРЕГАТІВ ШЛЯХОМ ПУЛЬСАЦІЙНО-АКУСТИЧНОГО

СПАЛЮВАННЯ ПАЛИВА

05.14.06 Технічна теплофізика та промислова теплоенергетика

Автореферат

дисертації на здобуття наукового степеня

кандидата технічних наук

АДАМЕНКО ДЕНИС Сергійович

Дніпропетровськ 2008



Дисертація є рукописом.

Робота виконана в Національній металургійній академії України Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор ГІЧОВ ЮРІЙ ОЛЕКСАНДРОВИЧ, Національна металургійна академія України, професор кафедри промислової теплоенергетики, м. Дніпропетровськ.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор ЦИГАНКОВ ГРИГОРІЙ ТИМОФІЙОВИЧ, Український державний хіміко-технологічний університет, професор кафедри енергетики, м. Дніпропетровськ.

кандидат технічних наук, доцент КРЮЧКОВ ЄВГЕН МИКОЛАЙОВИЧ, Запорізька державна інженерна академія, доцент кафедри теплоенергетики, м. Запоріжжя.

Захист дисертації відбудеться “__12_”____02_____2008 р. о _12³⁰___ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.084.03 при Національній металургійній академії України за адресою: НМетАУ, пр. Гагаріна, 4, м. Дніпропетровськ, 49600.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національної металургійної академії України, пр. Гагаріна, 4, м. Дніпропетровськ, 49600.

Автореферат розісланий “__04_”____01_____2008 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Д 08.084.03,

доктор технічних наук, професор Л.В. Камкіна



АнотацІЇ

Адаменко Д.С. Підвищення ефективності роботи котельних агрегатів шляхом пульсаційно-акустичного спалювання палива. Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.14.06 Технічна теплофізика та промислова теплоенергетика. Національна металургійна академія України, Дніпропетровськ, 2007.

Дисертаційна робота присвячена підвищенню ефективності спалювання природного газу в промислових котлах на основі розроблених системи й технології пульсаційно-акустичного спалювання палива.

Уперше запропонована система диференціальних рівнянь теплообміну, руху й нерозривності газового потоку для турбулентного дифузійного факела, що перебуває під зовнішнім пульсаційно-акустичним впливом на основі лінейного розміру вихорів.

Розрахунковим шляхом визначено діапазон частот амплітудно-частотної характеристики факела залежно від конструктивних характеристик пальника. газ турбулентний теплообмін паливо

Визначено вплив лінійного розміру вихорів на інтенсифікацію процесів сумішоутворення та вигоряння газоподібного палива в об'ємі турбулентного дифузійного факела, що перебуває під зовнішнім пульсаційно-акустичним впливом.

Розроблена й адаптована математична модель теплових і газодинамічних процесів в топці парового котла при пульсаційно-акустичному спалюванні палива.

Уперше експериментально підтверджено вплив зовнішніх пульсаційно-акустичних дій на якість спалювання газоподібного палива в топці парового котла.

Розроблені спосіб і конструкція системи пульсаційно-акустичного спалювання палива в топках котельних агрегатів і топка котла для здійснення способу, що пройшли промислову апробацію.

Розроблено технологічні рекомендації зі застосування системи пульсаційно-акустичного спалювання палива на різних типах котельних агрегатів.

Ключові слова: котельні агрегати, топка, амплітудно-частотна характеристика, пульсаційно-акустичне спалювання, природний газ, енергозбереження.



Адаменко Д.С. Повышение эффективности работы котельных агрегатов путем пульсационно-акустического сжигания топлива. Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.14.06 Техническая теплофизика и промышленная теплоэнергетика. Национальная металлургическая академия Украины, Днепропетровск, 2007.

Диссертационная работа посвящена повышению эффективности сжигания природного газа в промышленных котлах на основе разработанных системы и технологии пульсационно-акустического сжигания топлива.

Впервые предложена система дифференциальных уравнений теплообмена, движения и неразрывности газового потока для турбулентного диффузионного факела, находящегося под внешним пульсационно-акустическим воздействием, на основе величины линейного размера вихрей.

Расчетным путем определен диапазон частот амплитудно-частотной характеристики факела в зависимости от конструктивных характеристик горелочного устройства.

Определено влияние линейного размера вихрей на интенсификацию процессов смесеобразования и выгорания газообразного топлива в объеме турбулентного диффузионного факела, находящегося под внешним пульсационно-акустическим воздействием.

Разработана и адаптирована математическая модель тепловых и газодинамических процессов, происходящих в топке парового котла при пульсационно-акустическом сжигании топлива.

Впервые экспериментально подтверждено интенсифицирующее влияние внешних пульсационно-акустических воздействий на качество сжигания газообразного топлива в топке парового котла.

Разработаны способ и конструкция системы пульсационно-акустического сжигания топлива в топках котельных агрегатов и топка котла для осуществления способа, прошедшие промышленную апробацию.

Разработаны технологические рекомендации по применению системы пульсационно-акустического сжигания топлива на различных типах котельных агрегатов.

Ключевые слова: котельные агрегаты, топка, амплитудно-частотная характеристика, пульсационно-акустическое сжигание, природный газ, энергосбережение.



Adamenko D.S. The increase of boiler units work effectiveness by pulsation-acoustic incineration of fuel. The manuscript.

Dissertation to seek the degree of Candidate of Technical Sciences in specialty 05.14.06 Technical thermal physics and industrial heat and power engineering. National Metallurgical Academy of Ukraine, Dnepropetrovsk, 2007.

The dissertation is devoted to the increase of natural gas incineration effectiveness in industrial boiler units on the basis of the designed system and technology of pulsation-acoustic incineration of fuel.

The system of differential equations for heat exchange, motion and continuity of a gas stream in a turbulent diffusion torch, which is formed under exterior pulsation-acoustic action, is proposed for the first time. This system is based on the quantity of the linear size of vortexes.

The frequency band of an amplitude-frequency characteristic of a torch depending on the constructive performances of the burner is determined.

The influence of the linear size of vortexes on intensification of processes formations of intermixture and incineration of gaseous fuel in the turbulent diffusion torch, which is formed under exterior pulsation-acoustic action, is determined.

The mathematical model of thermal and gasdynamic processes occurring in a steam boiler furnace during pulsation-acoustic incineration of fuel is elaborated and adapted.

The intensification of the external pulsation-acoustic actions influence on the quality of incineration gaseous fuel in a steam boiler furnace has been experimentally confirmed for the first time.

The method and design of the system of pulsation-acoustic incineration of fuel in boiler units furnaces as well as the boiler furnace for realization of the method have been developed and industrially probed.

The technological recommendations for applying the system of pulsation-acoustic incineration of fuel in different boiler units types have been developed.

Keywords: boiler units, furnace, amplitude-frequency characteristic, pulsation -acoustic incineration, natural gas, energy saving.



ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. В умовах дефіциту природного газу в Україні підвищення ефективності роботи котелень, які займають домінуюче положення серед джерел теплопостачання, є одним із пріоритетних завдань в енергозбереженні. Рішення цих завдань можливо шляхом підвищення ефективності згоряння палива за рахунок удосконалювання паливоспалюючих систем. Одним з таких напрямків є застосування пульсаційно-акустичних засобів впливу на процес спалювання палива, що дозволяють знизити втрати з хімічним недопалом і підвищити к.к.д. котельних агрегатів. Широкому впровадженню систем пульсаційно-акустичного згоряння палива перешкоджає відсутність науково-методичних основ їх створення, а також конструктивних рішень для промислової реалізації. Саме вирішенню цих завдань і присвячена дана робота.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами й темами. Дисертаційна робота виконана відповідно державній програмі енергозбереження України, програмам Міністерства освіти і науки України та планам науково-дослідних робіт Національної металургійної академії України (НМетАУ). Зокрема, зміст дисертаційної роботи ґрунтується на результатах виконання таких науково-дослідних робіт: “Розробка наукових основ впливу акустичних коливань на інтенсифікацію тепломасообмінних процесів” (тема Г007F10007), “Наукове обґрунтування та розробка систем автономного енергопостачання промислових підприємств” (тема Г007F10000), “Дослідження високотемпературної обробки відходів промисловості та сільського господарства з метою енергозбереження та поліпшення екологічного стану” (тема Г007G10006), у яких автор брав участь як відповідальний виконавець.

Мета та задачі досліджень. Метою роботи є підвищення енергетичної ефективності роботи котельних агрегатів за рахунок зниження недопалу палива шляхом застосування пульсаційно-акустичного способу спалювання.

Для досягнення поставленої мети в роботі необхідно вирішити наступні задачі:

· дослідити структуру та характеристики турбулентного дифузійного факела при пульсаційно-акустичному спалюванні на основі величини лінійного розміру вихорів;

· розробити математичну модель процесу вигоряння газоподібного палива в об'ємі турбулентного факела при пульсаційно-акустичному спалюванні;

· розробити математичну модель газодинамічних і теплових процесів у робочому об'ємі камерної топки при пульсаційно-акустичному спалюванні газоподібного палива;

· виконати експериментальні дослідження системи пульсаційно-акустичного спалювання на діючому паровому котлі;

· дослідити якісні та кількісні характеристики впливу акустичних пульсацій на показники ефективності роботи парового котла;

· розробити технологію та конструкцію системи пульсаційно-акустичного спалювання палива в топках котельних агрегатів і провести її промислову апробацію.

Об'єкт дослідження котельні агрегати із системами пульсаційно-акустичного спалювання палива.

Предмет дослідження газодинамічні та теплові процеси пульсаційно-акустичного спалювання палива в топках котлів.

Методи досліджень. Математичне моделювання процесів горіння, а також газодинамічних і теплових процесів при пульсаційно-акустичному спалювання палива з використанням ПЕОМ. Експериментальні дослідження технології пульсаційно-акустичного спалювання палива в топці парового котла.

Наукова новизна отриманих результатів.

1) Уперше запропонована система диференціальних рівнянь теплообміну, руху й нерозривності газового потоку для турбулентного дифузійного факела, що перебуває під зовнішнім пульсаційно-акустичним впливом на основі величини лінійного розміру вихорів, що дозволило:

· розрахунковим шляхом визначити діапазон частот амплітудно-частотної характеристики факела залежно від конструктивних характеристик пальника;

· визначити вплив лінійного розміру вихорів на інтенсифікацію процесів сумішоутворення та вигоряння газоподібного палива в об'ємі турбулентного дифузійного факела, що перебуває під зовнішнім пульсаційно-акустичним впливом.

2) Уперше експериментально підтверджено вплив зовнішніх пульсаційно-акустичних дій на якість спалювання газоподібного палива в топці парового котла: підвищення температури в топці на 5060 ^ОС, зниження хімічного недопалу палива з 2,0% до 0,5 %, що відбувається за рахунок інтенсифікації процесів сумішоутворення та переміщення максимуму температур газу до вихідного перерізу амбразури пальників.

Практичне значення отриманих результатів.

· Розроблена й адаптована математична модель теплових і газодинамічних процесів, що відбуваються в топці парового котла при пульсаційно-акустичному спалюванні палива.

· Розроблені спосіб і конструкція системи пульсаційно-акустичного спалювання палива в топках котельних агрегатів (патент на корисну модель "Спосіб спалювання палива" № 25300) і топка котла для здійснення способу (патент на корисну модель "Топка котла" № 25608), що пройшли промислову апробацію.

· Розроблені технологічні рекомендації зі застосування системи пульсаційно-акустичного спалювання палива на різних типах котельних агрегатів, на основі яких розроблено технічне завдання на реконструкцію топки парового котла ДКВР-10-13. Очікувана економія природного газу - 114 тис. м³/рік, строк окупності інвестицій менш одного року.

Особистий внесок здобувача. Експериментальні дослідження, що представлені в дисертаційній роботі, виконані при особистій участі автора разом зі співробітниками Національної металургійної академії України. Теоретичні дослідження виконані автором самостійно. У наукових працях автора, що виконані разом зі співавторами, його особистий внесок полягає: у розробці математичної моделі кінетики вигоряння газоподібного палива в об'ємі турбулентного факела і математичної моделі газодинамічних процесів, що відбуваються в топці парового котла при пульсаційно-акустичному спалюванні палива [1, 2, 4, 5, 9-13]; у розробці методики й участі в проведенні досліджень системи пульсаційно-акустичного спалювання палива в топці діючого парового котла, обробці й аналізі отриманих результатів [1-3, 5, 6, 10, 13, 14]; у розробці способу пульсаційно-акустичного спалювання палива й розробці конструкції топки котла для здійснення способу [7, 8].

Апробація результатів дисертації.

Матеріали дисертаційної роботи були повідомлені й обговорені на міжнародних конференціях: "Теплотехника и энергетика в металлургии", Дніпропетровськ (Україна), 2002, 1-3 жовтня; “Автоматизированные печные агрегаты и энергосберегающие технологии в металлургии”, Москва (Росія), 2002, 3-5 грудня; “Рациональное использование природного газа в металлургии”, Москва (Росія), 2003, 13-14 листопада; “Теория и практика решения экологических проблем в металлургической и горнодобывающей промышленности”, Дніпропетровськ (Україна), 2004, 5-7 жовтня; “Наука і Освіта ^/2005”, Дніпропетровськ (Україна), 2005, 7-21 лютого; "Теплотехника и энергетика в металлургии", Дніпропетровськ (Україна), 2005, 18-19 жовтня; “Металлургическая теплотехника: история, современное состояние, будущее. К столетию со дня рождения М.А. Глинкова”, Москва (Росія), 2006, 1-3 лютого; „Прикладні проблеми аерогідромеханіки та тепломасопереносу”, Дніпропетровськ (Україна), 2006, 16-17 листопада.

Публікації. Основні результати дисертаційної роботи опубліковані в 14 друкованих працях: 2 - у спеціалізованих журналах, 4 - у збірниках наукових праць, 6 - у матеріалах і працях наукових конференцій, 2 - патенти на винахід. З них 6 - у виданнях, що входять у перелік ВАК України.

Структура й обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, висновку, списку літературних джерел і додатків. Матеріал роботи викладений на 139 сторінках машинописного тексту, містить 10 таблиць, 34 рисунка, 5 додатків. Список використаних джерел становить 116 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовані мета та задачі дослідження. Наведено нові наукові результати, що отримані в роботі, показана їхня практична цінність, визначено особистий внесок здобувача, представлені відомості про апробацію роботи.

У першому розділі розглянуто способи та варіанти технічного здійснення пульсаційно-акустичних впливів, що підвищують ефективність спалювання газоподібного палива. На підставі аналізу літературних джерел для досліджень обраний спосіб, пов'язаний із зовнішнім акустичним впливом на процес згоряння палива, технічне здійснення якого не вимагає конструктивних змін у котельному агрегаті та пальниках.

Дослідження впливу зовнішніх акустичних дій на процес горіння проводилися такими вченими як Л.А. Вуліс, Ш.А. Єршин, А.П. Ярін, О.А. Кузнєцов, Д.М. Хзмалян, Я.А. Каган, В.І. Фурлетов, В.А. Скляров, В.Є. Дорошенко, Ю.Я. Борисов, Е.І. Розенфельд, В.М. Смоленський, О.Б. Хаврошкин, Н.Н. Панченко та ін. Переважно це експериментальні дослідження, які виконувалися на лабораторних стендах у вузькому інтервалі характеристик турбулентного газового струменя факела.

Аналіз літературних джерел по акустичному спалюванню дозволяє констатувати:

· акустичні впливи викликають зміну конфігурації факела, причому істотна ця зміна в початковій частині факела;

· по своїй фізичній суті зміна конфігурації факела пов'язана зі зміною характеру вихроутворення у факелі, яке найбільш чуттєве до акустичних коливань у порівнянні з іншими газодинамічними процесами, що відбуваються у факелі;

· у зміні параметрів факела під дією акустичних коливань відзначене збільшення ступеня турбулентності, швидкості просування фронту горіння, інтенсивності тепловиділення, температури факела й, як наслідок цих змін, відзначене поліпшення якості згоряння палива, тобто зниження хімічного недопалу;

· при акустичному впливі на факел проявляється ефект резонансу, тобто аномальна зміна параметрів факела при збігу частот акустичного впливу із частотами коливань у факелі та усередині робочого об'єму камери згоряння.

Для розробки та впровадження пульсаційно-акустичного спалювання палива в топках парових котлів, необхідне вирішення ряду наукових і технічних завдань, які не досліджувалися раніше: визначення характеру вигоряння газоподібного палива за довжиною турбулентного факела, що перебуває під впливом зовнішніх акустичних пульсацій; дослідження впливу зовнішніх акустичних пульсацій на газодинамічну й теплову картину в робочому об'ємі камерної топки котла; розробка технології та апаратурного забезпечення системи зовнішніх акустичних впливів, яка адаптована до конкретних умов згоряння палива для різних типів котельних агрегатів.

Рішення цих завдань вимагає математичного моделювання. Аналіз існуючих математичних моделей, що описують процеси вигоряння газоподібного палива в об'ємі турбулентного факела, а також моделей газодинамічних і теплових процесів у робочому об'ємі камерної топки показав, що відомі моделі не дозволяють урахувати вплив зовнішніх акустичних дій. Це потребує розробки нового підходу при математичному моделюванні.

У другому розділі виконано теоретичні та експериментальні дослідження структури та характеристик турбулентного дифузійного факела при пульсаційно-акустичному спалюванні палива.

Теоретичні дослідження виконані шляхом математичного моделювання процесу вигоряння газоподібного палива на основі величини лінійного розміру вихорів. Еквівалентний діаметр вихорів, що утворюються, залежно від конструктивних характеристик пальника і відповідно до характеру вихороутворення, приймався рівним d_В= (де - діаметр отворів, через які витікає газ у потік повітря, м). При русі вихорів у потоці, розміри вихорів збільшуються внаслідок їхньої асоціації до d_В=.

Математичне моделювання виконано шляхом розділення факела на лінійні відрізки, що відповідають розмірам вихорів, і опис процесу вигоряння в об'ємах цих відрізків. Допущеннями при моделюванні були фіксований об'єм факела, а також рівномірний попередній підігрів газу в об'ємі вихорів до температури запалювання.

На рис. 1 представлена розрахункова схема для моделювання процесу вигоряння газоподібного палива.

Математичне моделювання виконане шляхом спільного рішення диференціальних рівнянь теплообміну, руху й нерозривності газового потоку, перетворених з урахуванням прийнятих фізичних уявлень про утворення вихорів у турбулентному факелі та з урахуванням діаметрів вихорів (d_В):

, (1)

, (2)

, (3)



де - щільність (кг/м³), теплоємність (кДж/(кг·К)), температура (К) газоповітряної суміші; - час присутності вихору в потоці, с; - коефіцієнт випромінювання; - локальний коефіцієнт гідравлічного опору руху вихору в потоці за рахунок руйнування вихору в процесі вигоряння, обумовлений значенням числа Re; - коефіцієнт випромінювання абсолютно чорного тіла, Вт/(м²·К⁴); - швидкість одиночного вихору в турбулентному потоці, яка обумовлена для даного рішення рівнянням

, м/с

(тут - середня швидкість потоку, м/с).

Інтенсивність вигоряння газу за довжиною факела, а, отже, і концентрація газу визначалася за зміною щільності газоповітряної суміші, що підтверджувалося результатами експериментів. При цьому зміна концентрації газу підкорялася рівнянню . Значення показника ступеня який дозволяє врахувати розміри вихорів, визначається рішенням рівнянь (1-3):

, (4)

, (5)

(6)

де - вихідне значення щільності газоповітряної суміші (кг/м³); - швидкість просування фронту горіння в газоповітряній суміші, м/с; - час повного вигоряння вихору за довжиною факела, с; Т₀ - температура запалювання газоподібного палива, К; Т_К - температура газів наприкінці процесу горіння, К.

Для перевірки адекватності математичної моделі, проведено серію фізичних експериментів з аналізу процесу вигоряння природного газу в об'ємі турбулентного дифузійного факела. Характеристика досліджених режимів при різних витратах природного газу ().

При проведенні досліджень аналізувався вплив діаметра турбулентних вихорів (d_В) на характер вигоряння газоподібного палива. Розмір турбулентних вихорів змінювали шляхом установки на зрізі пальника сітки з діаметром отворів =0,002 м, що дозволило провести дослідження в діапазоні =0,00020,004 м.

Характер зміни концентрації природного газу за довжиною факела визначався за зміною концентрації СО₂ у продуктах згоряння.

Порівняння чисельних і експериментальних даних показало, що розроблена модель, якісно й кількісно відповідає реальному процесу вигоряння палива в об'ємі турбулентного факела. Відносна похибка розрахунку концентрації природного газу за довжиною факела не перевищує 7-15 %.

З використанням математичної моделі було проведено чисельні дослідження процесу вигоряння природного газу в об'ємі турбулентного факела в діапазоні варіювання вихідних даних, характерних для роботи котла ДКВР-10-13 з пальником ГМГ5,5/7 при різних відносних теплових навантаженнях () на котел.

Результати розрахунково-теоретичних досліджень у вигляді зміни відносної концентрації природного газу за довжиною факела ().

Аналіз результатів розрахунку показав, що концентрація горючого газу за довжиною факела в значній мірі залежить від розмірів вихорів, а, отже, від інтенсивності сумішоутворення. Вигоряння газу в об'ємі вихорів d_В=15 мм є локальним або об'ємним вибухом залежно від характеру перемішування палива з повітрям. Організація спалювання газу з домінуючим масштабом вихорів d_В=15мм може негативно позначитися на роботі паливовикористовуючого агрегату. Вигоряння газу в об'ємі вихорів середнього масштабу d_В=510 мм є з погляду теорії горіння об'ємним вигорянням газу, а в об'ємі вихорів d_В>10 мм - поверхневим.

Розрахунково-теоретичні дослідження дозволили визначити вплив лінійного розміру вихорів на інтенсифікацію процесів сумішоутворення та вигоряння газоподібного палива в об'ємі турбулентного дифузійного факела, що перебуває під зовнішнім пульсаційно-акустичним впливом.

На основі математичної моделі встановлено вплив лінійного розміру вихорів на вид амплітудно-частотної характеристики факела

, Гц , (7)

що дозволило уперше розрахунковим шляхом визначити діапазон частот амплітудно-частотної характеристики факела залежно від конструктивних характеристик пальника.

У третьому розділі розроблена й адаптована математична модель теплових і газодинамічних процесів у топці парового котла при пульсаційно-акустичному спалюванні палива.

В основу математичного моделювання покладено спільне рішення диференціальних рівнянь теплообміну, руху й нерозривності газового потоку в об'ємі камерної топки. У результаті визначені швидкості та температури продуктів згоряння за перерізом топки, характер зміни температур, а також зміна положення максимуму температур за довжиною факела при пульсаційно-акустичному впливі.

Об'єктом математичного моделювання була топка парового котла ДКВР-10-13. Розрахункова схема топки котла, що показує її конфігурацію, розміщення пальників, місце розташування вихідного газоходу й конструктивні розміри топки.

Для математичного моделювання, відповідно до фізичної суті процесів, що відбуваються, об'єм топки розділено на дві частини.

Перша частина (з боку пальників) з газодинамічної точки зору представляє собою струминний плин газу безпосередньо перед пальниками. Профілі швидкості тут описуються рівнянням Шліхтінга. Струминний плин газу вдалині від пальника деформовано внаслідок втікання газу в потенційну область плину. Деформація профілю швидкості в цьому випадку відбувається за експоненціальним законом, а швидкість газу визначається рівнянням, отриманим у результаті рішення рівняння Ейлера методом власних функцій:

, (8)

де u_Ш - швидкість газу в перерізі струменя відповідно за профілем Шліхтінга; - радіус вихідного перерізу пальника; - коефіцієнт члена ряду

.

Для визначення швидкостей газу в другій частині топки, з потенційним плином газу, використане рішення рівняння Лапласа методом власних функцій. Власні функції для розглянутої задачі мають вигляд:

Х=, (9)

У=, (10)

Z=, (11)



де , , - власні числа, обумовлені виразами:

(тут k і n - індекси підсумовування членів ряду).

Отримані значення швидкостей газу в топці використані при описі теплових процесів, який виконувався шляхом спільного рішення рівняння теплообміну й руху методом кінцевих різниць з визначенням температури і концентрації продуктів згоряння за довжиною факела та по висоті топки.

Адекватність математичної моделі перевірена шляхом порівняння результатів математичного моделювання з результатами, отриманими при промисловому випробуванні системи пульсаційно-акустичного спалювання природного газу в топці парового котла ДКВР-10-13. При використанні математичної моделі початкова температура при розрахунках приймалась рівною експериментальній (див. рис. 4) температурі газоповітряної суміші на перерізі амбразури пальників (по осях пальників). Порівняння результатів чисельного дослідження й даних випробувань показало, що похибка розрахунку температури уздовж вісі факела не перевищує 5-14%.

З використанням математичної моделі проведено чисельні дослідження й розраховані температури в робочому об'ємі камерної топки котла ДКВР-10-13 при роботі котла з відносним тепловим навантаженням у діапазоні значень =0,41,5. Дослідження проведені при звичайному режимі роботи котла та з впливом акустичних пульсацій на процес спалювання палива. Результати розрахункових досліджень температур за віссю пальника 1.

Чисельні дослідження дозволили встановити наступне:

- робота котла при відносних теплових навантаженнях нижче 0,6 від номінального характеризується низьким температурним рівнем у топці через зниження витрати продуктів згоряння й появи в топці холодних застійних зон;

- при роботі котла з впливом акустичних пульсацій положення максимального значення температур при всіх режимах його роботи переміщається до вихідного перерізу амбразури пальника й становить 0,50,7м.

Отримані в цій главі значення температур газу, а також дані про зміну положення максимуму температур використано при комплексному аналізі ефективності впливу акустичних пульсацій на показники роботи парового котла.

У четвертому розділі наведено результати експериментальних досліджень, що підтверджують позитивний вплив зовнішніх пульсаційно-акустичних дій на якість спалювання газоподібного палива, та їхня залежність від розмірів топки парового котла.

В основу методики експериментальних досліджень покладено застосування резонансного ефекту при пульсаційно-акустичному спалюванні палива, що полягає в збігу частот зовнішніх вимушених акустичних пульсацій із частотами пульсацій у топці парового котла. Дослідження пульсаційно-акустичного спалювання палива проводилися в промислових умовах на паровому котлі ДКВР-10-13. Вид котла й необхідне апаратурне забезпечення для визначення акустичних характеристик топки.

Виміри акустичних характеристик топки парового котла виконувалися за допомогою комплекту акустичної апаратури фірми “Brьel & Kjжr”.

Дослідження системи пульсаційно-акустичного спалювання палива виконано у два етапи.

На першому етапі визначалися власні частоти акустичних коливань у робочому об'ємі топки парового котла для дотримання резонансу із частотами зовнішніх акустичних коливань. Одночасно із записом амплітудно-частотної характеристики виконувалися виміри температур у камері згоряння, здійснювався хроматографічний аналіз продуктів згоряння, відібраних за топкою, і обчислювався хімічний недопал палива. Вимір температур у топці котла виконувався шляхом зондування топки по глибині й по ширині в горизонтальній площині.

На другому етапі фіксувалися зміни теплотехнічних характеристик роботи парового котла внаслідок впливу на факел акустичних коливань із частотою 145 Гц (рівень звукового тиску 108Дб), що була прийнята як робоча й відповідала одному з максимумів звукового тиску на амплітудно-частотній характеристиці топки. Акустичні коливання, що порушувалися динамічним збудником, установленим в оглядовому вікні топки котла, направляли на факел.

Аналіз експериментальних досліджень підтвердив результати теоретичних досліджень. Зміна характеристик роботи котла проявлялася в підвищенні температури газів у топці котла на 5060^ОС та зниженні хімічного недопалу палива з 2,0 % до 0,5 %.

Для одержання загальної картини впливу пульсаційно-акустичного спалювання палива на характеристики роботи котла проведені розрахункові дослідження, які виконано на основі нормативного методу розрахунку котельних агрегатів.

Результати досліджень показали, що збудження акустичних пульсацій може помітно підвищити ефективність роботи котла в усіх режимах його експлуатації й цим забезпечити економію палива на виробництво теплової енергії, а саме, в результаті застосування пульсаційно-акустичного спалювання палива к.к.д. котла збільшується на 1,01,5%, питома витрата умовного палива знижується на 0,50,7 кг у.п. / ГДж.

Оцінка поліпшення екологічних показників роботи котла показала, що річне зниження викидів СО в атмосферу залежить від навантаження на котел і складає 3356 т/рік при незмінному рівні викидів N_XO_У.

В результаті досліджень розроблені спосіб і конструкція системи пульсаційно-акустичного спалювання палива в топках котельних агрегатів (патент на корисну модель "Спосіб спалювання палива" № 25300) і топка котла для здійснення способу (патент на корисну модель "Топка котла" № 25608), що пройшли промислову апробацію. Суть технічних рішень, що покладені в основу винаходів, полягає в тім, що топка по периметру обладнується акустичним поясом, що є гофрованою поверхнею.та дозволяє використовувати енергію відбитих акустичних коливань.

Розроблені технологічні рекомендації із застосування системи пульсаційно-акустичного спалювання палива на різних типах котельних агрегатів, на основі яких розроблено технічне завдання на реконструкцію топки парового котла ДКВР-10-13. Очікувана економія природного газу - 114 тис. м³/рік, строк окупності інвестицій менш одного року.



ВИСНОВКИ

У дисертації вирішена важлива науково-технічна задача підвищення ефективності спалювання природного газу в промислових котлах на основі технології пульсаційно-акустичного спалювання палива.

Основні результати роботи полягають у наступному:

1. На підставі аналізу напрямків підвищення ефективності роботи промислових котлів доведена перспективність використання пульсаційно-акустичного методу спалювання палива на серійних котельних агрегатах.

2. Уперше запропонована система диференціальних рівнянь теплообміну, руху й нерозривності газового потоку для турбулентного дифузійного факела, що перебуває під зовнішнім пульсаційно-акустичним впливом на основі величини лінійного розміру вихорів, що дозволило розрахунковим шляхом визначити діапазон частот амплітудно-частотної характеристики факела залежно від конструктивних характеристик пальника.

3. На основі математичного моделювання визначено вплив лінійного розміру вихорів на інтенсифікацію процесів сумішоутворення та вигоряння газоподібного палива в об'ємі турбулентного дифузійного факела, що перебуває під зовнішнім пульсаційно-акустичним впливом. Порівняння чисельних і експериментальних даних показало, що відносна похибка розрахунку концентрації природного газу за довжиною факела не перевищує 7-15 %.

4. Розроблена й адаптована математична модель газодинамічних і теплових процесів у робочому об'ємі камерної топки котла, яка дозволяє визначати швидкості і температури продуктів згоряння за перерізом топки, характер зміни температур, а також зміну положення максимуму температур за довжиною факела при пульсаційно-акустичному впливі. Порівняння результатів чисельного дослідження та експериментальних даних показало, що, похибка розрахунку температури уздовж вісі факела з використанням моделі не перевищує 5-14%. Отримані значення температур газу, а також дані про зміну положення максимуму температур використано при комплексному аналізі ефективності впливу акустичних пульсацій на показники роботи парового котла.

5. Уперше експериментально підтверджено вплив зовнішніх пульсаційно-акустичних дій на якість спалювання газоподібного палива в топці парового котла: підвищення температури в топці на 5060 ^ОС, зниження хімічного недопалу палива з 2,0 % до 0,5 %, що відбувається за рахунок інтенсифікації процесів сумішоутворення та переміщення максимуму температур газу до вихідного перерізу амбразури пальників.

6. Розрахунковим шляхом показано, що збудження акустичних пульсацій може помітно підвищити ефективність роботи котла у всіх режимах його експлуатації й цим забезпечити економію палива на виробництво теплової енергії, а саме, в результаті застосування пульсаційно-акустичного спалювання палива к.к.д. котла збільшується на 1,01,5%, питома витрата умовного палива знижується на 0,50,7 кг у.п./ГДж. Річне зниження викидів СО в атмосферу складає 3356 т/рік при незмінному рівні викидів N_XO_У.

7. Розроблені спосіб і конструкція системи пульсаційно-акустичного спалювання палива в топках котельних агрегатів (патент на корисну модель "Спосіб спалювання палива" № 25300) і топка котла для здійснення способу, яка обладнана акустичним поясом для використання енергії відбитих акустичних коливань (патент на корисну модель "Топка котла" № 25608), що пройшли промислову апробацію.

8. Розроблені технологічні рекомендації зі застосування системи пульсаційно-акустичного спалювання палива на різних типах котельних агрегатів, на основі яких розроблено технічне завдання на реконструкцію топки парового котла ДКВР-10-13. Очікувана економія природного газу - 114 тис. м³/рік, строк окупності інвестицій менш одного року.



ПЕРЕЛІК ОПУБЛІКОВАНИХ рОБІт по темІ дисертацІЇ

1. Гичёв Ю.А., Адаменко Д.С. Возможность повышения эффективности энерготехнологических агрегатов путем пульсационно-акустического сжигания топлива // Металлургическая и горнорудная промышленность. 2007. №3. - С. 115-117.

2. Гичёв Ю.А., Адаменко Д.С., Коваль К.М., Косенко Ю. А. Результаты испытания и эффективность пульсационно-акустического сжигания топлива // Металургійна теплотехніка: Збірник наукових праць Національної металургійної академії України.- Дніпропетровськ: “ПП Грек О.С.”, 2007. С. 86-95.

3. Гичёв Ю.А., Адаменко Д.С. Снижение энергозатрат и решение экологической проблемы путем пульсационно-акустического сжигания топлива // Компрессорное и энергетическое машиностроение. 2006. №4 (6). - С. 40-42.

4. Гичёв Ю.А., Адаменко Д.С., Коваль К.М. Моделирование тепловых и газодинамических процессов в топке парового котла // Металургійна теплотехніка: Збірник наукових праць Національної металургійної академії України.- Дніпропетровськ: “ПП Грек О.С.”, 2006. С. 53-67.

5. Гичёв Ю.А., Адаменко Д.С., Коваль К.М. Моделирование процесса выгорания газообразного топлива в объеме турбулентного факела // Металургійна теплотехніка: Збірник наукових праць Національної металургійної академії України. У двох книгах. - Книга друга. - Дніпропетровськ: Пороги, 2005. С. 42-50.

6. Гичёв Ю.А., Адаменко Д.С. Влияние акустических воздействий в топке и газоходах парового котла на характеристики его работы // Металлургическая теплотехника. Сборник научных трудов Национальной металлургической академии Украины. Том 6. - Днепропетровск: НМетАУ, 2002. - С. 3-7.

7. Патент на корисну модель № 25300, МПК(2006) F23C 15/00, Спосіб спалювання палива; Гічов Ю.О., Адаменко Д.С. Номер заявки: u 2007 00185; Заявл. 09.01.2007. Опубл. 10.08.2007. Бюл. № 12. - 6 с.

8. Патент на корисну модель № 25608, МПК(2006) F23C 5/00, Топка котла; Гічов Ю.О., Адаменко Д.С. Номер заявки: u 2007 04475; Заявл. 09.01.2007. Опубл. 10.08.2007. Бюл. № 12. - 12 с: іл.

9. Гичёв Ю.А., Адаменко Д.С. К расчету выгорания газообразного топлива в объеме турбулентного факела под воздействием акустических пульсаций // Матеріали регіональної наукової конференції „Прикладні проблеми аерогідромеханіки та тепломасопереносу” - Дніпропетровськ: Дніпропетровський національний університет, 2006. - С. 79-80

10. Гичёв Ю.А., Адаменко Д.С. Исследование тепловых и газодинамических процессов в топке парового котла // Матеріали регіональної наукової конференції „Прикладні проблеми аерогідромеханіки та тепломасопереносу” - Дніпропетровськ: Дніпропетровський національний університет, 2006. - С. 85-86.

11. Гичёв Ю.А., Адаменко Д.С. Моделирование процесса выгорания газообразного топлива применительно к пульсационно-акустическому сжиганию // Сборник трудов III Междунар. науч.-практ. конф. “Металлургическая теплотехника: история, современное состояние, будущее. К столетию со дня рождения М.А. Глинкова” - М.: МИСиС, 2006. - С. 237-241.

12. Гичев Ю.А., Адаменко Д.С., Коваль К.М. Подход к решению задачи горения газообразного топлива в турбулентном факеле // Матеріали VІІІ Міжнародної науково-практичної конференції “Наука і освіта /2005”. Том 61. Техніка. - Дніпропетровськ: Наука і освіта, 2005. - С. 27-29.

13. Гичёв Ю.А., Адаменко Д.С., Ткаченко Г.А. Снижение выбросов СО в атмосферу путем пульсационно-акустического сжигания топлива // Матеріали І Міжнародної науково-практичної конференції “Науковий потенціал світу 2004”. Том 60. Технічні науки. - Дніпропетровськ: Наука і освіта, 2004. - С. 51-53.

14. Гичев Ю.А., Адаменко Д.С. Повышение эффективности использования природного газа при акустическом воздействии в топках энерготехнологических агрегатов // Сборник тезисов междунар. науч.-практ. конф. “Рациональное использование природного газа в металлургии” - М.: МИСиС, 2003. - С. 61-62.

Размещено на Allbest.ru