Введение к работе
Актуальность темы. Возросшие экологические требования и высокие цены на топливо обуславливают необходимость совершенствования энергетического оборудования. Существующие нормативные методики расчета топочных камер, основанные на большом, часто противоречивом, эмпирическом материале, позволяют оценить только интегральные характеристики теплообмена. При этом достоверность результатов нормативных расчетов для нетрадиционных способов сжигания и вновь проектируемых топок со схемами подавления вредных выбросов существенно снижается. Методическая погрешность при проектировании может быть сокращена только с помощью математического моделирования с использованием современных результатов лабораторных, стендовых и промышленных исследований аэродинамики и теплообмена в топочных устройствах.
В настоящее время развитие моделей описания турбулентного движения многокомпонентной неизотермической газовой среды при наличии полидисперсной пыли, радиационного переноса, химического реагирования газов, процессов сушки, пиролиза угольной пыли и гетерогенного горения кокса достигло того уровня, когда стало возможным построение математических моделей процессов в топках, с достаточной для инженерной практики точностью воспроизводящих работу реального оборудования. Развитие вычислительной техники позволяет реализовать эти модели в виде программных комплексов для доступных ЭВМ. В связи с этим математическое моделирование топочных устройств становится одним из важнейших способов получения наиболее представительной информации об аэродинамике, локальном и суммарном теплообмене.
Работа проводилась в соответствии с государственной научно-технической программой «Экологически чистая энергетика».
Цель работы. Разработка методов расчета аэродинамики и сложного теплообмена в топочных камерах; создание комплекса программ, реализующих эти методы; анализ и оптимизация режимов работы топочных устройств.
Для достижения указанной цели были сформулированы следующие основные задачи исследования:
разработать эффективные математические модели для расчета аэродинамики в топочных камерах с произвольной геометрией и организацией топочного процесса;
разработать методику совместного расчета сложного теплообмена и аэродинамики в топочных камерах, основанную на комбинации дифференциального и зонального подходов;
создать упрощенную модель процессов в топочных камерах;
провести расчетные исследования аэродинамики для топочных камер с различной организацией топочного процесса;
провести расчетные исследования теплообмена в пылеугольных топочных камерах;
создать расчетные программы по моделированию аэродинамики и теплообмена в камерах сгорания.
Научная новизна.
Разработана математическая модель пространственной аэродинамики внутренних
несжимаемых течений, основанная на эффективных и устойчивых методах расче-
та с использованием схем повышенного порядка точности и реализованная в криволинейной неортогональной системе координат.
Усовершенствована зональная модель радиационного теплообмена для объектов с геометрией сложной формы, основанная на методе Монте-Карло. Для больших многозонных задач предложен итерационный метод решения систем балансовых уравнений.
Разработана комплексная математическая модель сложного теплообмена и аэродинамики в топочных камерах пылеугольных котлов.
Разработана упрощенная математическая модель процессов в топочных камерах, основанная на сочетании простой модели турбулентной аэродинамики, эмпирической модели выгорания пылеугольного топлива, грубой зональной сетки при решении радиационного теплообмена и представлении геометрии топок прямоугольными ячейками.
Практическая значимость и реализация результатов работы.
Созданы программные комплексы «МАТОК» и «AeroChem» для расчета процессов аэродинамики и теплообмена в камерах сгорания.
На основе разработанных методов проведены расчетные исследования топочных камер с различными аэродинамическими схемами.
Предложена и запатентована новая четырехвихревая, аэродинамическая схема топочного процесса, внедренная на котле БКЗ-640 Гусиноозерской ГРЭС. Изучено влияние способа ввода аэросмеси на аэродинамику экологически чистых котлов с тангенциальными топками. Выбрана аэродинамическая схема для вновь проектируемых водогрейных котлов КВТК-100, изучено движение газов в поворотном газоходе и сделан вывод о необходимости учета влияния конвективных поверхностей нагрева на аэродинамику потока. Оптимизирована аэродинамическая схема ввода сорбента с целью снижения выбросов оксидов серы для топки котла ПК-38 с фронтальным расположением горелок. Выполнено исследование теплообмена в водогрейном котле с вихревыми горелками, выявлен характер движения топочных газов и уровень тепловых потоков, приводящих к низкой надежности топочных экранов. Исследованы характеристики теплообмена в топке котла БКЗ-420 при переводе его с экибастузского угля на кузнецкий.
Достоверность результатов исследований, выполненных с помощью пространственной математической модели аэродинамики и теплообмена в топочных камерах, подтверждается сходимостью результатов моделирования по значению скорости, температур и радиационных потоков, определенных путем экспериментальных исследований.
Апробация работы. Основные результаты диссертации доложены и обсуждены на: II Всесоюзной конференции «Теплообмен в парогенераторах» (Новосибирск, 1990г.); IV Всесоюзной конференции молодых исследователей (Новосибирск, 1991г.); Всесоюзной научно-технической конференции «Проблемы использования канско-ачинских углей в энергетике» (Красноярск, 1991г.); II Всероссийском семинаре по динамике пространственных и неравновесных течений жидкости и газа (Миасс, 1993г.); Первой Российской национальной конференции по теплообмену (Москва, 1994г.); 14-ой Школе-семинаре по численным методам механики вязкой жидкости (Новосибирск, 1994г.); Международной конференции АМСА-95, (Новосибирск, 1995г.); III Минском международном форуме «Тепломассообмен-ММФ-96» (Минск, 1996г.); Международной конференции «Математические модели и численные методы
механики сплошных сред» (Новосибирск, 1996 г.); VI. Proc. of the Int. Conf. held in Tallahassee, USA, 1996г.; научно-технической конференции «Использование методов чатематического моделирования в котельной технике» (Красноярск, 1996г.).
Публикация результатов работы. По материалам диссертации опубликовано 32 работы, получен патент на изобретение.
Объем работы. Диссертация изложена на страницах машинописного
текста; состоит из введения, пяти глав и заключения; проиллюстрирована 65 рисунками, содержит 2 таблицы и список литературы из 124 наименований.
Автор выражает глубокую благодарность проф., д.т.н. | М.Я. Процайло | за организацию и поддержку исследований.