Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ТЕХНІЧНОЇ ТЕПЛОФІЗИКИ

УДК 629.7:533.6.001

УДОСКОНАЛЮВАННЯ ГЕНЕРАТОРІВ ТЕРМОАКУСТИЧНИХ КОЛИВАНЬ І ТЕПЛОТЕХНОЛОГІЧНИХ АГРЕГАТІВ

05.14.06- технічна теплофізика і промислова теплоенергетика

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Гоцуленко Володимир Володимирович

Київ -2005



Дисертація є рукописом

Робота виконана на кафедрі промислової теплоенергетики Дніпродзержинського державного технічного університету Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: Павленко Анатолій Михайлович, доктор технічних наук, професор, професор кафедри промислової теплоенергетики, Дніпродзержинський державний технічний університет;

Офіційні опоненти: Авраменко Андрій Олександрович, доктор технічних наук, провідний науковий співробітник, Інститут технічної теплофізики НАН України;

Радченко Юрій Миколаєвич, кандидат технічних наук, доцент, доцент кафедри теплотехніки та екології металургійний печей, Національна металургійна академія України.

Провідна установа: Інститут проблем машинобудування НАН України ім. А. М. Підгорного.

Захист відбудеться 17 травня 2005 р. о 14: 00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26. 224.01. в Інституті технічної теплофізики НАН України за адресою 03057.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Інституті технічної теплофізики НАН України за адресою 03057,

Автореферат розісланий 15 квітня 2005 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

кандидат технічних наук О. І. Чайка



АНОТАЦІЯ

Гоцуленко В.В. Удосконалювання генераторів термоакустичних коливань і теплотехнологічних агрегатів. - Рукопис.

Дисертація присвячена створенню основ керування термоакустичними коливаннями шляхом управління їх механізмами, які запропоновані та обосновані автором. Ефективність запропонованих способів зменшення амплітуди коливань вібраційного горіння в камерах горіння промислових агрегатів ілюстрована формами коливань та їх зміною, які побудовані застосуванням алгоритму математичного моделювання, що дозволяє зробити оцінку любих других діючих способів.

Алгоритм, що використовується в роботі, побудовано на власних розробках автора: модифікації кінцево-різницевих методів для розв'язання рівнянь інтегральних кривих та їх адаптації для чисельного інтегрування рівнянь з запізнюючим аргументом.

В дисертації також отримані закономірності термоакустичних автоколивань, які можуть бути використані при розробці відповідних генераторів коливань для використання їх в промислових агрегатах, що сприяє значному покращенню їх основних показників.

Ключові слова: термоакустичні автоколивання, вібраційне горіння, генератори коливань, теплотехнологічні агрегати, механізми автоколивань.



АННОТАЦИЯ

Гоцуленко В.В. Совершенствование генераторов термоакустических колебаний и теплотехнологических агрегатов. - Рукопись.

Диссертация посвящена созданию основ управления термоакустическими колебаниями путем воздействия на их механизмы, которые предложены и обоснованы автором. Эффективность предложенных способов уменьшения амплитуды колебаний вибрационного горения в камерах горения промышленных агрегатов иллюстрирована формами колебаний и их изменением, которые построены применением алгоритма математического моделирования позволяющим осуществить оценку любых действующих механизмов.

Алгоритм, использующийся в работе, построен на собственных разработках автора: модификации конечно - разностных методов для решения уравнений интегральных кривых и их адаптации для численного интегрирования уравнений с запаздывающим аргументом.

В работе получены закономерности термоакустических автоколибаний, которые могут быть использованы при разработке соответствующих генераторов колебаний для использования их в промышленных агрегатах, что способствует существенному улучшению их основных показателей.

Ключевые слова: термоакустические автоколебания, вибрационное горение, генераторы колебаний, теплотехнологические агрегаты, механизмы автоколебаний. коливання вібраційний горіння агрегат



ANNOTATION

Gotsoolenko V.V. Improvement of thermoacoustic oscillators and process heat generators. - The manuscript.

This dissertation deals with the creation of thermoacoustic oscillations control foundations through the management of their mechanisms, offered and proved by the author. The efficiency of the proposed ways to reduce the vibrational amplitude of vibrating burning in the primary furnaces of industrial aggregatesis illustrated by the mode shape and its change built by means of mathematical modeling algorithm application, which allow any functioning mechanism to be evaluated.

The algorithm used in the work is built based on author's own developments: the modification of finife-ddifference metods for soloving integral curve equations and their adoptatoin for numerical integration of the equations with retarded argument.

In the work obtained the thermoacoustic self-oscillations mechanisms, which may be used in the development of the respective oscillators for application in industrial units.

Key words: thermoacoustic oscillation, high-frequency burning, aggregate of oscillations, thermotechnology aggregates, autooscillations machinery.



ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА ПРОБЛЕМИ

Несталі рухи рідин і газів, а саме прикладні задачі, пов'язані з підводом теплоти вивчені досить повно, їх дослідження узагальнені в публікаціях, як вітчизняних, так і закордонних вчених, зокрема в монографіях академіка А.А. Долінського.

У той час періодичні рухи, обумовлені самозбудженням автоколивань, вивчені для порівняно невеликого числа нестаціонарних явищ і, крім того, не всебічно. Механізми збудження і підтримки коливань в своїй більшості залишаються невідомими. У зв'язку з цим керування термоакустичними коливаннями є обмеженим і можливе лише в окремих найпростіших випадках.

Автоколивання при русі рідини виникають: при пароутворенні (кипіння, кавітація), при підведенні теплоти, роботі сифону в періодичному режимі, збудженні помпажа лопатевого насоса. При русі газів автоколивання збуджуються: при теплопідводі, як від джерела постійної потужності, так і змінної, залежної від витрати повітря або диму, що має місце при вібраційному горінні, у режимі помпажа лопатевих нагнітачів, а також у дифузорах на знижених подачах витрати. Особливу значимість має явище вібраційного горіння в пристроях промислових агрегатів і реактивних двигунів.

Автоколивання малих амплітуд вібраційного горіння поліпшують економічні й експлуатаційні показники спалюючих пристроїв, але з підвищенням теплового навантаження амплітуди коливань зростають і стають руйнівними. Через малу вивченість і суперечливість результатів досліджень, нейтралізація вібраційного горіння ведеться наосліп з витратою значних засобів і часу.

Режим вібраційного горіння в регенеративних повітропідігрівачах (кауперах) доменних печей не дозволяє через значні амплітуди коливань підвищити температуру дуття, що забезпечило б на кожні 100 підвищення температури економічний ефект близько 3,5 млн. гривень у рік тільки на одній доменній печі.

Автоколивання великих амплітуд складають проблему при створенні високофорсованих топок, та при переході до форсованих режимів горіння.

У той час термоакуститчні коливання можливо застосовувати для генерування значних акустичних полів при зовнішніх випробовуваннях; створенні акустичних маяків; плазмених осцилляторів у МГД генераторах; для перетворення і переносу теплової енергії й у цілому ряді інших промислових високотемпературних технологічних процесах.

Однак поскільки контроль і керування термоакустичними коливаннями, як вище згадувалось, обмежені, то область їх можливого використання є не повною. Причину вібраційного горіння в ряді публікацій пов'язували з особливостями горіння, його характером і структурою, фізико-хімічними процесами, наявністю феноменологічного запізнення горіння.

В дисертації розглядаються термоакустичні автоколивання, обумовлені характером залежності зміни гідравлічної енергії потоку повітря або диму, в яку перетворюється підведена теплота, від витрати. Визначені їх механізми збудження та підтримки, які залишалися раніше невідомими, а діють спільно з відомим механізмом феноменологічного запізнення.

Система рівнянь руху перетворена так, що сили, які формують його в коливальному контурі, об'єднані утворивши, таким чином, напірну характеристику, яку легко розрахувати як функцію об'ємної витрати.

Автоколивання, при відсутності феноменологічного запізнення, виникають тільки при наявності висхідної гілки на напірній характеристиці. Фактори, що сприяють її утворенню, розглядаються як механізми нестійкості, що здійснюють збудження і підтримку коливань.

Знайдені автором такі механізми і встановлені закономірності термоакустичних автоколивань дозволили методом математичного моделювання вирішити задачу керування величиною їх амплітуди та визначити шляхи її зниження.

Способи зниження амплітуди коливань вібраційного горіння, ефективність яких ілюстрована в дисертації, лягли в основу удосконалення елементів конструкції кауперів з метою підвищення їх теплового навантаження і температури дуття.

Знайдені закономірності термоакустичних коливань дозволили запропонувати сімейство GL генераторів таких коливань, які характеризуються значною кількістю корисних для практики властивостей. На генератор, амплітуди якого більш ніж у 50 разів перевершують амплітуди коливань відомих генераторів при незначній споживаній потужності, отримано патент України.

Актуальність роботи визначається необхідністю зниження амплітуди термоакустичних коливань у кауперах доменних печей металургійних заводів, у камерах горіння промислових агрегатів для запобігання їх виходу із ладу. Дослідження закономірностей термоакустичних коливань, обґрунтування механізмів їх підтримки пов'язано з необхідністю вирішувати задачі їх практичного впровадження в теплотехнічних процесах промислових пристроїв, а також при створенні генераторів коливань.

Зв'язок роботи з науковими програмами і науковими напрямками. Тематика роботи відповідає визначеним Законом України пріоритетним напрямкам розвитку науки і техніки до 2006 року, зокрема , п.7 "Нові технології і ресурсозберігаючі технології в енергетиці, промисловості і агропромисловому комплексі". Матеріали дисертації є узагальненням наукових результатів отриманих автором за період з 1999 по 2004 рік при виконанні науково-дослідних робіт із плану НДР Дніпродзержинського державного технічного університету. Автор брав участь у виконанні науково - дослідних робіт: "Розвиток теорії масообміну у водяних технологічних МОР" (250/98ДБ,0198U005709) і "Створення наукових основ для розробки устаткування для комплексних систем, що забезпечують відділення маслених фаз від водяних МОР" (202/01ДБ,0101U001776). Тема дисертації відповідає науковим напрямкам кафедр "Промислова теплоенергетика" і "Прикладна математика і комп'ютерне моделювання".

Метою і задачами дослідження є удосконалення теорії термоакустичних коливань, зокрема вібраційного горіння та теорії явища Рійке, з метою ефективного керування автоколиваннями при підвищенні теплового навантаження промислових агрегатів, що забезпечить зменшення їх амплітуди, а також створення генераторів термоакустичних коливань зі значним спектром корисних для практики властивостей.

Об'єктом дослідження є генератори термоакустичних коливань та регенеративні повітронагрівачі доменних печей.

Предметом дослідження є:

1) термоакустичні коливання Рійке;

2) термоакустичні коливання, обумовлені тиском піднімальної сили, спрямованої проти руху у вертикальних каналах;

3) термоакустичні коливання, які створено різними генераторами;

4) автоколивання вібраційного горіння великих амплітуд;

5) амплітуда і форма коливань, обумовлені теплопідводом, можливості керування ними.

Методи дослідження. У роботі використовується як класичний метод Рунге-Кутта, так і оригінальні методи, розроблені автором для побудови періодичних рішень нелінійних систем диференціальних рівнянь. Для систем рівнянь із запізнюючим аргументом було використано запропонований автором метод чисельного інтегрування, в основі якого є приведення вихідної системи до регулярного виду дією деякого дифеоморфізма і подальшому інтегруванні отриманої системи звичайним методом Ейлера зі змінним кроком. При побудові граничних циклів використовується модифікований автором метод Ейлера.

Наукова новизна отриманих результатів.

1. Вперше створена математична модель явища Рійке, що враховує гідравлічний опір та силу тяжіння, яка в попередніх дослідженнях знехтувалась через математичні труднощі. Для цього в рівняння руху введена напірна характеристика труби Рійке, що враховуює діючі сили.

2. Вперше визначений основний механізм феномена Рійке, що обумовлений зменшенням гідравлічного опору при зростанні витрати повітря, що має місце при ламінарному режимі руху.

3. Вперше введений механізм феномена Рійке, що проявляється в запізненні тепловіддачі при високих температурних градієнтах, раніше розглянутий як механізм звучання резонатора Гельмгольца при відсутності в ньому наскрізного потоку. Запропоновано механізм запізнення зміни напору повітря в трубі Рійке, що зумовлений зміною опору електроспіралі джерела теплопідводу, величина якого визначається змінним значенням витрати повітря.

4. Вперше визначені умови зменшення теплового опору при збільшенні витрати димових газів.

5. Запропоновано механізм термоакустичних коливань, обумовлений дією тяги, спрямованої проти руху нагрітого потоку димових газів або нагрітого повітря у вертикальному каналі, коли залежність тяги від витрати спадаюча. Введення цього механізму в генератори термоакустичних коливань збільшує амплітуду коливань більш ніж у 50 разів у порівнянні з тими, що збуджуються в генераторах при відсутності такого механізму.

6. Визначені умови дії механізмів, пов'язаних із зменшенням гідравлічного опору при зростанні витрати димових газів для вібраційного горіння.

7. Визначено закономірності термоакустичних коливань, що дозволило розробити рекомендації для зниження їх амплітуди при вібраційному горінні в кауперах.

Практичне значення отриманих результатів.

1. Визначено механізми термоакустичних коливань, які дали змогу створити генератори коливань з більш ефективними показниками в порівнянні з генераторами Рійке та Лемана.

2. Розроблені алгоритми математичного моделювання термоакустичних коливань дали можливість створити способи керування ними, а також здійснити зниження амплітуди коливань вібраційного горіння.

3. Удосконалено конструкції камер горіння кауперів, які дозволяють здійснити максимальне підвищення температури дуття.

4. Способи нейтралізації коливань вібраційного горіння або зниження їх амплітуди, які представлені в дисертації, одержали позитивну оцінку і рекомендацію для впровадження у практику на Дніпровському металургійному комбінаті.

Особистий внесок здобувача. Всі теоретичні розробки і практичні рішення з проблеми, пов'язаній із збудженням термоакустичних коливань, належать автору. У роботах, що опубліковані у співавторстві, автору належать: експериментальне дослідження явища зменшення гідравлічного опору з зростанням витрати рідини при періодичному режимі роботи сифона, встановлення причини пульсацій в пальниках каупера, математичне обґрунтування рівності границь областей стійкості систем з зосередженими і розподіленими параметрами, обґрунтування способів нейтралізації явища зменшення гідравлічного опору з зростанням витрати рідини в елементах конструкції лопатевого нагнітача.

Апробація роботи. Основні наукові результати досліджень, що складають суть даної роботи обговорювалися і одержали позитивні оцінки на наступних науково-практичних конференціях: ЛНУ з прикладної математики та інформатики (Львів 2001р); ДонНТУ 1-й міжнародній конференції з механіки рідини і газів (Донецьк, 2002р); ЛНУ з прикладної математики й інформатики (Львів 2003р); ДонНТУ 2-й міжнародній конференції з механіки рідини і газів (Донецьк, 2003р), на ІV міжнародній конференції "Проблеми економії енергії " (Національний університет "Львівська політехніка", 2003р); Міжнародній конференції з доменного виробництва (Кривий Ріг, 2004р); Міжнародній конференції з математичного моделювання (ДДТУ, Дніпродзержинськ, 2004р).

Публікації. Основні результати роботи опубліковано в 22 статтях спеціалізованих наукових видань і одній депонованій монографії. Отримано два деклараційних патенти України на винахід.

Структура й обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, п'яти розділів, висновків, списку джерел 78 найменувань і 7 додатків. Обсяг роботи складає 110 сторінок машинописного тексту, 85 малюнків, загальний обсяг дисертації складає 200 сторінок.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність та доцільність роботи, визначено наукову новизну, практичне значення та реалізацію результатів дослідження, наведені відомості про апробацію та публікації.

У першому розділі, згідно з викладеними метою та задачами роботи формулюється уявлення про предмет дослідження - удосконалення теорії збудження автоколивань теплопідводом та її застосування для удосконалення теплотехнологічних агрегатів. Наводиться аналіз та класифікація нестаціонарних автоколивальних процесів, які були розглянуті в публікаціях різних авторів. Головну увагу приділяється термоакустичним автоколиванням.

Представлено коротко історію феномена Рійке, його дослідження та набуття актуальності у зв'язку з використанням для створення генераторів термоакустичних автоколивань.

Розглянуто та проаналізовано стан рішення проблеми вібраційного горіння в промислових агрегатах, зокрема в регенеративних повітропідігрівачах доменних печей, де її розв'язання дозволить отримати значний економічний ефект. Незважаючи на численні реальні експериментальні дослідження, спрямовані на розробку методів зменшення амплітуди коливань вібраційного горіння, відомі поодинокі випадки, коли амплітуда була зменшена до допустимої величини. У той же час їх обґрунтування є протирічним. У цілому проблема залишається не розв'язаною, через те, що невідомі механізми збудження та підтримки автоколивань як вібраційного горіння, так і феномена Рійке, за винятком механізму феноменологічного запізнення, природа якого різноманітна.

У цьому розділі розглянуто також і характер збудження автоколивань теплопідводом. Наведено методи його математичного обґрунтування, як для систем з дискретними, так і з розподіленими параметрами.

У другому розділі роботи розглядаються необхідні умови або причини збудження автоколивань. Приведено теореми для їх обґрунтування. Перша з них узагальнює еквівалентність необхідних умов нестійкості стаціонарного режиму, які зустрічались в різних фізичних системах зі збудженням автоколивань. Єдиною їх загальною умовою є наявність дії від'ємних опорів відповідної природи. У другій теоремі доказано, що квазіпружні сили феноменологічного запізнення є також механізмами збудження автоколивань, основними або допоміжними.

Виходячи з цього, в роботі визначено і обґрунтовано головні механізми збудження термоакустичних автоколивань: від'ємні опори гідравлічний та тепловий, дія сили, обумовленою тягою, яка спрямована проти руху потоку, коли тиск піднімальної сили є спадаючою функцією, а при горінні, діє механізм, коли тиск піднімальної сили зростає, а напрямок її дії збігається з напрямком руху потоку диму, а також механізм запізнення, зв'язаний із залежністю опору електроспіралі джерела теплоти зі швидкістю потоку, який нагрівається.

На основі встановлених механізмів збудження та підтримки автоколивань розроблені генератори термоакустичних коливань (сімейство GL рис. 1), які мають суттєві переваги над відомими. Так генератор термоакустичних коливань GL-6 збуджує коливання майже в 50 разів більші за амплітудою в порівнянні з генераторами Рійке або Лемана. Генератор GL-7 збуджує коливання в потоках з великими витратами, при цьому ламінарний режим забезпечується використанням пучка труб малого діаметру для зменшення числа Рейнольдса, а генератор GL-8 збуджує коливання низьких частот в декілька герц. У цьому розділі розглядається алгоритм побудови періодичних рішень систем диференціальних рівнянь, які описують нестаціонарні режими в трубі Рійке, установці Лемана, генераторах термоакустичних коливань, а також використовуються для математичного моделювання вібраційного горіння. Для побудови граничних циклів автором модифіковано метод Ейлера побудови інтегральних кривих. Періодичні рішення систем отримуються методом Ейлера із змінним кроком. Контрольним використовувався метод Рунге - Кутта 4-го порядку.

Для побудови періодичних рішень системи рівнянь з запізнюючим аргументом було розроблено власний метод [4].

Розглянута особливість критерію Релея у проблемах феномена Рійке та вібраційного горіння для системи з дискретними та розподіленими параметрами. Визначено, що його реалізація залежить від величини хвильового опору незалежно від параметрів розподілу системи.

Приведена біфуркація виникнення граничного циклу як наслідок деформації енергетичних характеристик при зміні біфуркаційного параметру.

У третьому розділі дисертації отримана система диференціальних рівнянь нестаціонарного руху в трубі Рійке як системи з дискретними параметрами. Для побудови рівнянь були використані: закони збереження енергії (1) та маси (2), закон зміни кількості руху (3) та рівняння політропного процесу (4).

, (2)

, (3)

, . (4)



У класичному підході для отримання диференціальних рівнянь з інтегральних тотожностей типа (2)-(3) використовуючи формулу Гауса - Остроградського замінюють поверхневі інтеграли об'ємними та в силу довільності вибору множини прирівнюють підінтегральні вирази. У загальному випадку отримані диференціальні рівняння не піддаються аналізу, бо вмістять в собі деякі величини, які мають дуже складну структуру (наприклад, тензор напруги тертя ). Тому для подальшого досліду роблять спрощення, наприклад, розглядаючи ньютонівську рідину (коли тензор напруги лінійно залежить від тензора швидкості деформації) з тотожності (3) елементарно отримується класичне рівняння Нав'є-Стокса. Але рівняння Нав'є-Стокса описує ламінарний рух, а автоколивання виникають коли рух є турбулентним, або при переході до нього. Більш того, при детальних дослідженнях, навіть чисельними методами, для того щоб чисельні розв'язки вихідних рівнянь типу Нав'є-Стокса були стійкими та швидко збіжними, деякі їх доданки лінеарізують, змінюючи в загальному випадку глобальну топологію розв'язків. Розглядаючи трубу Рійке як динамічну систему з дискретними параметрами, вводимо до розгляду оператор дискретизації (усереднення за просторовими координатами), який на фізичні величини діє наступним чином:

та величина визначається аналогічно. Дію наведеного оператора дискретизації можна формально інтерпретувати як виділення в потоці фіктивної усередненої частинки для подальшого досліду її руху. Цей підхід, на відміну від лінеарізаціїї не змінює якісної картини руху. Наприклад, якщо рух всіх частинок є періодичним, то періодичним буде і рух фіктивної усередненої частинки. Подіявши оператором дискретизації на інтегральні тотожності (2)-(3), та використовуючи інші вище наведені тотожності, в дисертації була отримана система, що описує рух повітря в трубі Рійке.

(4)

де та акустичні параметри коливального контуру

а зворотна функція до характеризує гідравлічний опір

і є характеристикою системи за допомогою якої визначаються параметри стаціонарного режиму.

Напірна характеристика визначається діючими силами, що формують характер руху, являє собою гідравлічну енергію потоку, в яку частково перетворюється підведена теплота із джерела .

Рис. 4. Визначення параметрів стаціонарного режиму та при

Приведена система рівнянь для нестаціонарного руху в трубі Рійке формально збігається з системою рівнянь гідродинамічної теорії помпажа малонапірного лопатевого нагнітача. Для системи рівнянь (4) побудована границя області стійкості, а також визначна її деформація в залежності від величини опору коливального контуру, а також від величини запізнення об'ємної релаксації.

У цьому розділі також розглянута стійкість руху в трубі Рійке як динамічної системи з розподіленими параметрами при дії механізму від'ємного гідравлічного опору. Показано, що при відсутності гідравлічних втрат в коливальних контурах, рівняння, які визначають границю нестійкості систем з дискретними та розподіленими параметрами збігаються.

Розглянута також особливість руху у вертикальній трубі, в якій він є зворотнім, у порівнянні з трубою Рійке і створюється нагнітачем. Автоколивання у такій системі збуджуються дією механізму феномена Рійке одночасно з раніше невідомим механізмом, який обумовлюється тягою нагрітого стовпа повітря, яка спрямована проти руху, і зменшується із збільшенням його швидкості. Останній механізм створює значне збільшення амплітуди коливань, що було використано в генераторах коливань GL-3 та GL-6.

Залежність втрат напору по довжині труби, на якій виникає спадаюча гілка від'ємного опору для ряду дискретних значень теплових потоків , що обумовлює виникнення висхідної гілки напірної характеристики .

В четвертому розділі наводиться характер виникнення зростаючих гілок характеристики , їх деформація та зникнення при зміні величини діаметра труби та величини теплового потоку.

Використовуючи напірну характеристику при , довжині труби та побудовані граничні цикли та фазові криві для дискретних величин витрат при власному хвильовому опору. При малих витратах повітря граничний цикл є незмінним при зменшенні хвильового опорі і складається із горизонтальних траєкторій та гілок характеристики . При збільшенні витрати хвильовий опір у трубі збільшується, граничні цикли змінюються, стають меншими та наближаються до еліпса або мають форму околу.

Автоколивання при цьому також змінюються від релаксаційних незмінної амплітуди, далі до релаксаційних змінних по амплітуді, а потім близьких до гармонійних коливань. Характер зміни вище згаданих коливань для окремо вибраних граничних циклів. При збільшені теплового потоку автоколивання стають релаксаційними при довільних величинах витрати повітря. Слід зазначити, що при зростанні хвильового опору , амплітуди коливань зменшуються і режим стає стаціонарним незважаючи на зростаючий характер напірної характеристики.

При сумісній дії механізму від'ємного гідравлічного опору та механізму запізнення тепловіддачі при значному температурному градієнті система рівнянь (4) стає системою з запізнюючим аргументом:

(5)

Розв'язок системи (5) та її рівняння інтегральних кривих показують, що граничний цикл, незмінний при зменшенні хвильового опору, не змінюється і при наявності в системі рівнянь запізнення. Граничні цикли, які є змінними по величині хвильового опору, в залежності від зростання величини збільшуються, а амплітуди автоколивань також відповідно зростають.

У цьому розділі отримані розв'язки рівнянь феномена Рійке для системи з двома ступенями вільності та проведено їх аналіз. Розглядаються умови збудження низькочастотних коливань декількох герц, як в установці Лемана, так і в трубі Рійке при виникненні в останній зовнішнього акумулятора маси. Також розглянуті особливості нестаціонарної роботи генератора коливань Лемана.

Отримано аналітично своєрідні форми коливань, які обумовлені дією гістерезісного атрактора. Одна з цих форм спостерігалась експериментально Леманом.

У п'ятому розділі розглядаються закономірності зміни автоколивань в залежності від головних параметрів у різних генераторах автоколивань. Серед них доцільно виділити особливість значного зростання амплітуди автоколивань при зменшенні також значному споживанні необхідної потужності, що є особливо корисним при практичному застосуванні генераторів GL-3.

У цьому розділі особлива увага приділяється розв'язанню проблеми управління величиною амплітуди коливань вібраційного горіння з метою її зменшення при зростанні теплового навантаження регенеративних повітронагрівачах доменних печей. Динамічна модель регенератора складається із двох основних коливальних контурів, які мають спільну частину камери горіння, що визначена зоною горіння. До цієї зони приєднується пасивний контур з розподіленими параметрами, на виході з якого знаходиться насадка каупера.

Для визначення механізмів нестійкості в коливальних контурах каупера розглянемо ймовірні особливості фізичних процесів у приведених моделях.

При збільшенні теплового навантаження в моделі зростають витрати диму та його температура. Якщо збільшити гідравлічний опір в цій моделі, то ріст температури стає значнішим, у порівнянні із зростанням витрат диму. Це сприяє зменшенню числа Рейнольда Re та зміні турбулентного режиму на ламінарний. При цьому має місце зменшення гідравлічних втрат при збільшенні витрати, тобто проявляється дія механізму від'ємного гідравлічного опору при горінні.

Тяга труби, коли при збільшені витрат диму зростає його температура, стає зростаючою залежністю і також є причиною або механізмом збудження коливань. Крім того, наряду з цими механізмами нестаціонарність спричиняється також механізмами теплового і гідравлічного від'ємних опорів. Це обумовлює значний зріст зміни інтенсивності в області зростаючої гілки характеристики коливального контуру моделі каупера. Збудження коливань при горінні також спричиняється відомим механізмом Крокко, обумовленим феноменологічним запізненням згорання палива.

У моделі при подачі повітря вентилятором спочатку турбулентний режим переходить в ламінарний, а далі при збільшенні витрати, через обмеженість подачі палива зменшується температура і режим ламінарний переходить в турбулентний.

Головною метою для реконструкції каупера, є зменшення амплітуди коливань при збільшені теплового навантаження для підвищення температури дуття доменних печей. Підвищення температури дуття з до збільшує випуск чавуну на , зменшує витрати коксу та витрати повітря, яке подається компресором. У той же час, при цьому зростають амплітуди коливань вібраційного горіння, що є еквівалентним навантаженню на конструкцію каупера 20 т 5-7 разів за секунду в залежності від частоти автоколивань.

В роботі шляхом математичного моделювання, алгоритм якого також розроблений автором, показано, що при дії механізмів нестійкості, є можливість зменшити амплітуди коливань до незначної величини, коли вони є корисними.

Оскільки величина хвильового опору коливального контуру

то для камери горіння циліндричної форми

де - густина диму, - швидкість звуку, а - площа її перетину, зменшенням останньої є можливість збільшити величину . При зростанні хвильового опору камери горіння амплітуда коливань зменшується і таким чином забезпечується абсолютно стійкий режим роботи каупера при збільшенні теплового навантаження. Це забезпечується наступною реконструкцією каупера. До основної камери горіння замість штуцера на її вході приєднується блок індивідуальних камер горіння значно менших площ перетину кожна з яких має свій пальник, з'єднаний з колекторами постачання повітря та газової суміші.

Практика показує, що процес горіння в таких індивідуальних камерах горіння має більшу повноту згорання і є суттєво економічним. Довжина індивідуальних камер горіння визначається такою, що забезпечує повне згорання.

Зменшення амплітуди коливань вібраційного горіння шляхом створення в камері горіння вихорових рухів за допомогою лопатевих завихрювачів. Зміною кутів установки лопатей є можливість керувати інтенсивністю таких рухів і величиною допоміжних вихорових втрат, які збільшуються при збільшенні витрати диму в камері горіння. Це дозволяє зменшити величину інтенсивності напору по витраті на висхідній гільці напірної характеристики. Таким чином, дію механізмів нестійкості є можливість послабити, або нейтралізувати повністю.

Якщо проявляється дія механізмів вібраційного горіння, визначених в дисертації, у коливальному контурі каупера, в якому є вентилятор, то його напірна характеристика , яка входить в рівняння (5), складається з наступних складників:

, (7)

де - напірна характеристика вентилятора, - тиск піднімальної сили, - гідравлічні, а - теплові втрати. Зростаюча гілка характеристики виникає, якщо або також мають зростаючі гілки, а та - спадаючі.

Фактори, які спричиняють зростаючу гілку напірної характеристики поряд з феноменологічним запізненням згорання є причинами або механізмами збудження автоколивань вібраційного горіння. При застосуванні будь-якого способу дії на процеси в камері горіння одразу при цьому змінюються всі ці механізми, причому в різних кауперах по-різному. У зв'язку з цим в експериментах часто спостерігається протилежний результат, що неодноразово зустрічалось в публікаціях.

Представлений алгоритм математичного моделювання дозволяє розглянути і оцінити дію будь-якого із визначених вище механізмів нестійкості або дію всіх їх одночасно в довільному коливальному контурі, а також оцінити ефективність того чи іншого способу стабілізуючої дії на динамічну систему.

Зображені граничний цикл та відповідна йому форма автоколивань з урахуванням дії всіх вище визначених механізмів, а також при підключенні до основного коливального контуру пасивного допоміжного контуру з акустичними параметрами та . Нестаціонарний режим у такому випадку описується системою рівнянь:

(8)

де - гідравлічні втрати в допоміжному коливальному контурі, - гідравлічні втрати на дроселі



.

Амплітуда коливань зменшується до найменшої, якщо та і є практично допустимою.

Зниження амплітуди коливань можна здійснити, також підвищивши опір будь-якої частини камери горіння, поза зоною горіння, тому що в такому випадку коливання, що діють на купол і насадку, будуть менших амплітуд.

Для нейтралізації висхідної гілки залежності тиску підіймальної сили камеру горіння варто зробити горизонтальною, а насадку двосхідчастою, що дозволить здійснити нейтралізацію відповідного механізму вібраційного горіння.

Стабілізуючою дією є також нейтралізація від'ємного теплового опору, що може бути досягнуто шляхом збільшення величини показника політропи процесу теплопідводу при горінні.



ВИСНОВКИ

1. Запропоновані механізми збудження та підтримки автоколивань вібраційного горіння та феномена Рійке: від'ємні опори гідравлічний та тепловий; дія тиску піднімальної сили, спрямованої проти руху потоку повітря або диму, коли залежність тиску піднімальної сили спадаюча, а також коли зростаюча, а напрямок її дії і руху збігаються; механізм феноменологічного запізнення, взаємодіючий з джерелом теплопідводу труби Рійке, які раніше залишались невідомими.

2. Рівняння нестаціонарного руху представлені так, що в них ввійшла напірна характеристика коливального контуру, яка об'єднує всі сили, що формують характер руху.

3. Вперше представлено рішення проблеми керування термоакустическими коливаннями шляхом управління запропонованими механізмами, що дозволило здійснити реконструкцію тепло-технологічних агрегатів, яка дозволить покращити їх економічні та експлуатаційні показники.

4. Математичне моделювання термоакустичних автоколивань здійснено алгоритмом, який базується на модифікації кінцево-різницевих методів, а також розроблених методів розв'язання рівнянь із запізнюючим аргументом.

5. Реконструкція регенеративного повітронагрівача (каупера), використовуючи запропоновані методи зниження амплітуди коливань, дозволить підвищити температуру дуття доменних печей, висока економічна ефективність якого відома.

6. Збудження помпажа вентилятора призводить до виникнення від'ємної витрати диму через нагнітач з камери горіння одночасно з полум'ям у потоці. Причиною цього явища є великий об'єм камери горіння, значні акумулюючи властивості штуцера каупера та наявність гілки з від'ємними витратами напірної характеристики.

7. Амплітуда коливань вібраційного горіння перед насадкою каупера залежить від співвідношення акустичних параметрів основних коливальних контурів камери горіння та пасивного, параметри якого являються розподіленими, а об'єм якого визначається відсутністю горіння в ньому. Збільшення гідравлічного опору останнього сприяє зменшенню амплітуди коливань.



СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ РОБІТ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Гоцуленко В.В., Павленко А.М., Басок Б.И. Управление автоколебаниями при вибрационном горении // Промышленная теплотехника.- 2005. -Т. 27.- № 1.- С. 9-13.

Особистий внесок: Математично обґрунтував можливості розв'язання проблеми управління термоакустичними автоколиваннями.

2. Гоцуленко В.В. Об аналогии нестационарных режимов воздухонагревателя доменной печи (каупера) и трубы Рийке // Системные технологии (Государственная металлургическая академия Украины, г. Днепропетровск). - 1999. - № 8. - C. 24-26.

3. Гоцуленко В.В. Математическая модель трубы Рийке и условия ее звучания // Математическое моделирование (Днепродзержинский государственный технический университет). - 2000. - № 5. - C. 39-41.

4. Гоцуленко В.В. Об особенностях действия механизмов обратной связи при вибрационном горении // Системные технологии (Государственная металлургическая академия Украины, г. Днепропетровск).- 2001. - № 12. - C. 94-98.

5. Гоцуленко В.В. Об одном численном методе интегрирования систем обыкновенных дифференциальных уравнений с запаздывающим аргументом // Математическое моделирование (Днепродзержинский государственный технический университет). - 2004. - № 2 (12). - C. 5-7.

6. Гоцуленко В.В. Низкочастотные колебания в трубе Рийке при ее собственном волновом сопротивлении // Математическое моделирование (Днепродзержинский государственный технический университет). - 2004. - № 1(11). - C. 28-31.

7. Гоцуленко В.В. Влияние объемной релаксации на устойчивость течения в трубе Рийке // Системные технологии (Государственная металлургическая академия Украины, г. Днепропетровск). - 2001. - № 6'(17). - C. 102-104.

8. Гоцуленко В.В. О характере деформации составляющих характеристики трубопровода при теплопроводе к потоку газа // Системные технологии (Государственная металлургическая академия Украины, г. Днепропетровск). - 2001. - № 6'(17). - C. 98-101.

9. Гоцуленко В.В. Об устойчивости потока в трубе Рийке как динамической системе с распределенными параметрами // Математическое моделирование (Днепродзержинский государственный технический университет). - 2001. - № 2(7). - C. 90-92.

10. Гоцуленко В.В. Автоколебания в трубе Рийке при ее собственном волновом сопротивлении// Системные технологии (Государственная металлургическая академия Украины, г. Днепропетровск). - 2004. - № 4'(33). - C. 45-51.

11. Гоцуленко В.В. Закономерности термоакустических колебаний в модели насадки каупера при переменном напоре //Сборник научных трудов, ДГТУ, Днепродзержинск, 2002- 2003.- C. 111-115.

12. Гоцуленко В.В. О причине изменения формы колебаний в трубе Рийке //Системные технологии (Государственная металлургическая академия Украины, г. Днепропетровск). - 2002.- № 6'(23). - C. 118-121.

13. Гоцуленко В.В., Гоцуленко В.Н. Механизмы термоакустических колебаний и их роль в проблеме снижения стоимости чугуна // Сборник научных трудов, ДГТУ, Днепродзержинск, 2002-2003.- C. 40-43.

Особистий внесок: Визначив механізми термоакустичних коливань.

14. Гоцуленко В.В. Особенность движений в трубе Рийке при изменении ее акустических параметров // Математическое моделирование (Днепродзержинский государственный технический университет).- 2003. - № 1(9). - C. 40-44.

15. Гоцуленко В.Н., Куприн А.А., Мамаев Л.М., Гоцуленко В.В. Автоколебания обусловленные сифонным эффектом / Рукопись деп. в Институте НИИТЭХИМ, Черкассы, № 14ХП 97, 1997, 89 с.

Особистий внесок: Експериментально знайшов спадаючу залежність гідравлічного опору при зростанні витрати рідини.

16. Гоцуленко В.В., Гоцуленко В.Н., Федоренко Г.И. К проблеме пульсации пламени в горелках воздухонагревателей // Сб. научн. тр. НМетАУ.- Днепропетровск, 2001. - Т. 4. - С. 34 -38.

Особистий внесок: Обґрунтував причину пульсацій полум'я у пальниках каупера.

17. Гоцуленко В.В., Гоцуленко В.Н. К вопросу об устойчивости лопастного компрессора в системе с распределенными параметрами //Системные технологии (Государственная металлургическая академия Украины, г. Днепропетровск).- 2002. - № 1'(18). - C. 18-21.

Особистий внесок: Математично доказав збіжність границь областей стійкості для систем з зосередженими і розподіленими параметрами.

18. Гоцуленко В.В., Гоцуленко В.Н., Федоренко Г.И. Об одном способе защиты лопастного компрессора от помпажа //Системные технологии (Государственная металлургическая академия Украины, г. Днепропетровск). - 2002. - № 1'(18). - C. 22-25.

Особистий внесок: Математично обґрунтував спосіб захисту компресора від помпажа.

19. Гоцуленко В.В. Релаксационные автоколебания феномена Рийке // Системные технологии (Государственная металлургическая академия Украины, г. Днепропетровск). - 2004.- № 2'(31). - C. 122-129.

20. Гоцуленко В.В., Гоцуленко В.Н. К проблеме подавления помпажа центробежного компрессора // Сб. научн. тр. ДГТУ. - Днепродзержинск, 2001.- С. 154-157.

Особистий внесок: Запропонував використання струминного ежектору для нейтралізації зростаючої залежності напору від витрати характеристики компресора.

21. Гоцуленко В.В. Термоакустические колебания в модели насадки каупера при постоянном напоре // Математическое моделирование (Днепродзержинский государственный технический университет).- 2003.- № 2(10). - С. 62-66.

22. Деклараційний патент на винахід 70033A України G01F13/00, F15B21/00 Генератор термоакустичних коливань / Гоцуленко В.В.- № 20031212178; Заявлено 23. 12. 2003; Опубл. 15. 09. 2004; Бюл. № 9.

23. Деклараційний патент на винахід 4208 України 7F04D17/00 Одно-ступеневий відцентровий компресор / Гоцуленко В.В., Долгополов І. С., Гоцуленко В.Н. - № 20031212178; Заявлено 15. 03. 2004; Опубл. 17. 01. 2005; Бюл. № 1.

Особистий внесок: Запропонував ввести еластичну камеру в спіральний дифузор та включення в конструкцію струминного ежектора.

24. Гоцуленко В.В. Математическое моделирование особенностей феномена Рийке при изменении мощности теплового потока // РАН, Математическое моделирование.- 2004. - Т. 16.- № 9. - С. 23-28.

Размещено на Allbest.ru