Исследование особенностей работы котла пульсирующего горения

Размещено на http://www.allbest.ru/

Исследование особенностей работы котла пульсирующего горения

К.т.н. А.А. Синицын,

доцент, д.т.н. В.И. Игонин,

действительный член Международной

академии наук экологии и безопасности

жизнедеятельности, профессор,

кафедра «Теплогазоснабжение и

вентиляция», Вологодский государственный

технический университет, г. Вологда

Введение

Актуальность проблемы повышения эффективности работы источников теплоты является бесспорным аргументом при разработке новых теплогенерирующих устройств и модернизации существующих. Традиционные методы, как повышение мощности горелочного устройства, применение топлива с повышенным тепловыделением при сгорании, увеличение поверхности теплопередачи и т.д. не всегда выполнимы и зачастую являются высокозатратными. Простой механический перенос наработанного опыта проектирования, строительства и эксплуатации объектов газопотребления абсолютно неприемлем в современных условиях. Поэтому необходимо развитие теплотехники по новым и более эффективным путям технического развития и экологической безопасности [1]. В этом направлении весьма перспективным представляется реализация в теплоэнергетических установках процессов пульсирующего горения. Такой режим горения позволяет обеспечить максимальную полноту тепловыделения топлива, существенно интенсифицировать тепломассообменные процессы и повысить теплонапря- женность камеры сгорания. При таких условиях очевидно уменьшение металлоемкости конструкции, сокращение затрат на монтаж и обслуживание теплоэнергетических установок. Кроме того, продукты сгорания отвечают самым жестким экологическим требованиям.

В настоящее время, во многих странах ведутся интенсивные исследования в области проектирования и внедрения в технологические процессы теплоэнергетических установок на основе пульсирующего горения. Отсутствие горелки как таковой и значительное давление дымовых газов на выходе, не требующее высокой дымовой трубы, сохранение работоспособности даже при избыточном давлении, близком к нулю в питающем газопроводе являются дополнительными преимуществами котла пульсирующего горения, обеспечивающими его привлекательность в теплоэнергетическом секторе рынка. Однако широкое внедрение устройств пульсирующего горения в технологические процессы сдерживается отсутствием надежной теории рабочего процесса для расчета конструктивных параметров при их проектировании, а также поверочного расчета для определения эффективности их работы.

Общие сведения о процессе пульсирующего горения

котельная установка теплоснабжение микрорайон

Пульсирующим горением называют неустойчивый режим горения с изменяющимися во времени динамическими характеристиками процесса, имеющими периодическую составляющую.

Существует большое количество устройств пульсирующего горения или аппаратов пульсирующего горения с различным видом организации автоколебательной системы и различного назначения - от котлов до печей-утилизаторов и сушильных установок [2-3].

Объектом исследования является котел пульсирующего горения (КПГ) типа резонатора Гельмгольца. Характерной особенностью подобного аппарата является способность совершать низкочастотные собственные колебания, длина которых значительно больше размеров резонатора.

Процесс пульсирующего горения происходит следующим образом. При первичном поступлении топливной смеси в камеру сгорания КПГ осуществляется ее поджог. После полного сгорания смеси возникает ударная волна и снижение давления за ударной волной с одновременным охлаждением дымовых газов за счет теплопередачи через стенку камеры. При этом происходит поступление новой порции газовоздушной смеси за счет возникновения разрежения в камере. Эта смесь нагревается до температуры самовозгорания (около 600 ОС) остаточным теплом дымовых газов. В процессе сгорания смеси дымовые газы из камеры сгорания под действием проталкивающей силы ударной волны направляются к открытому выходу через резонаторную горловину. Процесс повторяется без поджигания смеси дополнительным источником. Система входит в автоколебательный режим. Устанавливается периодический процесс, именуемый пульсирующим горением.

Частота этого процесса определяется конструкцией резонаторной системы, имеющей собственную резонансную частоту. Камера сгорания и резонансные трубы окружены водяной рубашкой, по которой движется (противотоком к дымовым газам) нагреваемая вода (рис. 1). Более подробно процесс изложен в работах [4-6].

В рассматриваемом аппарате на режим турбулентного движения накладывается пульсационная составляющая, которая повышает эффективность теплопередачи, снижает площадь теплообмена и, тем самым, определяет малые габаритные размеры агрегата с повышенной теплонапряженностью при тех же мощностях, что и у факельных теплогенераторов.

Наряду с достоинствами КПГ, связанными с повышением теплонапряженности, возникают и недостатки, заключающиеся в прогорании поверхностей нагрева, а также значительный шум, обусловленный процессом пульсирующего горения. Все это приводит к тому, что при необходимости установки нового теплогенерирующего оборудования подобные устройства отодвигаются на второй план, и выбор делается не в их пользу. Поэтому основной задачей при проектировании, а также при поверочном расчете подобных агрегатов является определение термогидродинамических параметров, влияющих на теплопередачу в котлоагрегате.

Термогидродинамическая модель

Источник теплоты пульсирующего горения условно представляет собой теплообменное устройство, состоящее из газо-водяного жаротрубного теплообменника типа «труба в трубе», в котором энергия сгораемого топлива идет на изменение внутренней энергии продуктов сгорания, совершение работы всасывания и проталкивания, на нагрев сетевой воды системы теплоснабжения.

Для исследования особенностей работы котла проведено математическое моделирование протекающих в нем тепломассообменных процессов и комплексное экспериментальное апробирование на действующей промышленной установке (рис. 2).

Процесс пульсирующего горения - это неравновесный процесс, поэтому ставилась нестационарная задача, направленная на изучение закономерностей влияния пульсирующих параметров течения на термогидродинамические характеристики рабочего процесса. Решение заключалось в построении модели через описание явления движения и теплопередачи в виде систем дифференциальных уравнений с начальными и граничными условиями применительно к данной конструкции котла пульсирующего горения.

В результате моделирования построены термогидродинамические функции распределения параметров теплоносителей по длине исследуемого тракта котла [6]:

· термодинамическая функция - T=fT(L, S, T1, T2, T3, Рн, Рк);

· гидродинамическая функция - P=fP(L, S, T1,T2, T3, Pmax, Pmin),

где L - расстояние, на котором определяется значение давления; S - шаг выборки по длине, показывающий точность расчета; T1 - начальная температура дымовых газов; T2 - граничная температура охлаждающей воды; T3 - начальная температура стенки с внутренней стороны к газу; Рн - начальное давление в камере сгорания; Рк - конечное давление в камере сгорания.

Компьютерные расчеты позволили определить значение давления на заданном участке длины тракта котлоагрегата пульсирующего горения с заданной точностью при исходных значениях температуры газовой среды, температуры стенки и конечной температуры охлаждаемого теплоносителя.

Для подтверждения достоверности и точности расчета параметров работы КПГ было проведено комплексное экспериментальное апробирование термогидродинамической модели:

· определение режима работы установки;

· оценка влияния вибрационного режима работы.

Опыты проводились на различных рабочих режимах установки по три замера на каждой опытной точке. С этой целью определялись изменения амплитуд колебаний давления среды в камере и распределения температур газового и водяного теплоносителя по длине тракта котла.

Анализ результатов исследований

Проведен анализ результатов моделирования термогидродинамических характеристик КПГ

Гидравлическая характеристика. Основные условия, влияющие на изменение давления в газовом канале, - это падение давления в результате термоакустических колебаний (рис. 3). Потери давления на трение и местные сопротивления имеют несущественное воздействие. Результаты расчета соответствуют опытным данным.

Термическая характеристика. Распределение температур в КПГ по длине канала определяется равномерным понижением по аналогии с газоводяным теплообменным рекуперативным аппаратом с противоточной схемой движения теплоносителей (рис. 4). Точность расчета также подтверждена экспериментальными замерами.

Энергетическая характеристика. Для четырех рабочих режимов (см. таблицу) построена обобщенная энергетическая характеристика, отображающая зависимость теплонапряженности сечения канала по его длине (рис. 5).

Согласно распределению теплового потока в КПГ по длине газового канала, более 75% тепловой энергии, воспринятой водой, передается в камере сгорания, около 20% - в резонаторных трубах и около 5% - в резонаторном ресивере. Характер распределения теплового потока в КПГ также определяется конструктивными характеристиками резонаторных труб (количество, геометрические размеры). Их соотношение с характеристиками камеры сгорания изменяет ее теплонапряженность в общей доле нагрузки котлоагрегата.

Оценка влияния пульсационного режима работы КПГ

Для оценки эффективности пульсационно-турбулентного режима течения газа по сравнению с турбулентным проведено сравнительное моделирование термогидродинамических характеристик в тракте КПГ и жаротрубного котла с подобными геометрическими и расходными характеристиками. Необходимым условием подобия было равное начальное давление дымовых газов и температуры в зоне горения. В результате моделирования получены следующие характеристики.

На основании расчета падение температуры газового теплоносителя на выходе из канала при пульсационно-турбулентном течении больше, чем при только турбулентном на 25%, что объясняется более высокими скоростями движения газа относительно стенки за счет пульсационной составляющей и, как следствие, повышенной теплоотдачи (рис. 6).

Сравнение энергетических характеристик (рис. 7) при турбулентном и пульсационно-тур- булентном течениях показало увеличение теп- лонапряженности топочного устройства при пульсационно-турбулентном течении в 3 раза при равных начальных условиях.

Уход от старт-стопного режима работы КПГ

На основе данных зависимости потребления топлива от рабочего давления газа (рис. 8) можно сделать заключение, что по сравнению с изменением давления газа на входе, объем поступления газа в котел уменьшается незначительно. Это позволяет уйти от системы старт-стопного режима работы к режиму регулирования подачи газа от заданной температуры на выходе воды из котла. Тем самым, снизить нагрузку на клапанную систему котла, которая изнашивается в основном при перезапуске, и, одновременно, обезопасить котел от перегрева и интенсивного парообразования в водяной рубашке.

Согласно проведенным опытам, зависимость расхода газового топлива B (м3/ч) от установленного давления Рг (Па) на входе в КПГ можно определить как линейную:

B(Pr) = 3,8* Pr -355,4

Отличительной особенностью КПГ можно отметить работу котлоагрегата в области давления газа ниже атмосферного (около -600 Па), когда в момент разрежения в камере сгорания он работает как «топливный насос», выкачивая необходимое для горения количество газа. Это наиболее рационально в случае понижения давления в газовой сети ниже рабочего значения, когда обычные горелочные устройства останавливаются.

Основные результаты и выводы

В результате исследования вибрационных характеристик работы котла, основанного на устройстве резонатора Гельмгольца, получены следующие результаты.

Основные влияющие условия на изменение давления в газовом канале - это падение давления в результате термоакустических колебаний (потери давления на трение и местные сопротивления имеют несущественное воздействие).

На основании расчета падение температуры газового теплоносителя при пульсационно-турбулентном течении больше, чем при турбулентном, что объясняется более высокими скоростями движения газа за счет пульсацион- ной составляющей, и, как следствие, повышенной теплоотдачей.

Согласно распределению теплового потока в КПГ по длине газового канала, более 75% тепловой энергии, воспринятой водой, передается в камере сгорания, около 20 % - в резона- торных трубах и около 5% - в резонаторном ресивере.

Возможен переход от системы старт- стопного режима работы к режиму регулирования подачи газа от заданной температуры на выходе воды из котла для снижения нагрузки на клапанную систему котла.

Сравнение энергетических характеристик при пульсационно-турбулентном и турбулентном течениях показало увеличение теплонапряженности топочного устройства в первом случае в 3 раза. Повышенная теплонапряженность топочной камеры при пульсационно-турбулентном течении греющей среды в условиях теплообмена по сравнению с жаротрубными установками повышает эффективность работы устройства, основанного на пульсационном горении топлива, что создает преимущество в энергоэффективности и металлоемкости по сравнению с котлами факельного горения.

Литература

1. Поляков М.И. Устройство пульсирующего горения (ПГ) - выбор в пользу принципиально иной технологии выработки тепла, путь к радикальному снижению его себестоимости // Энергетика в нефтегазодобыче. 2002. № 1. С. 15-27.

2. Кацнельсон Б.Д., Мароне И.Я., Таракановский А.А. Экспериментальное исследование пульсирующего горения // Теплоэнергетика. 1969. № 1. С. 3-6.

3. Ларионов В.М., Зарипов Р. Г. Автоколебания газа в установках с горением. Казань: Изд-во Казанского государственного технического университета, 2003. 227 с.

4. Синицын А.А. Расчетно-экспериментальное моделирование гидродинамического состояния теплообменного устройства с резонатором Гельмгольца // Материалы третьей всероссийской научно-технической конференции «Вузовская наука - региону». Вологда: ВоГТУ, 2005. С. 84-86.

5. Синицын А.А. К построению математической модели гидротермических процессов в источнике теплоты пульсирующего горения // Материалы Международной научно-технической конференции «Прогрессивные процессы и оборудование металлургического производства», посвященной 50-летию ОАО «Северсталь». Череповец: ГОУ ВПО ЧГУ, 2006. С.139-141.

6. Синицын А.А., Игонин В.И. Особенности автоматизации вычислений при проектировании источников теплоты пульсирующего горения // Материалы Международной научно-технической конференции «Автоматизированная подготовка машиностроительного производства, технология и надежность машин, приборов и оборудования». Вологда: ВоГТУ, 2005. Т. 2. С.193-195.

Размещено на Allbest.ru