Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние вопроса и постановка задач исследования 11
1.1. Характеристики закрученной струи, сформированной одноканальным завихрителем 11
1.2. Характеристики закрученных струй, сформированных многоканальными завихрителями 30
1.3. Проблема управления структурой и теплообменом в факелах многоканальных горелочных устройств 35
1.4. Выводы и постановка задач исследования 39
2. Методики исследований 41
2.1. Определение гидродинамических и акустических характеристик струй 41
2.2. Методика исследования термической структуры струй 46
2.3. Методы анализа локальной интенсивности теплообмена в струях и факелах горелочных устройств 51
3. Структура, акустические характеристики и теплообмен закрученных струй 55
3.1. Гидродинамическая и термическая структуры струй 55
3.1.1. Двойная струя 55
3.1.2. Тройная струя 63
3.2. Акустические характеристики струй 69
3.1.1. Двойная струя 69
3.1.2. Тройная струя 77
3.3. Локальная интенсивность теплообмена в струях и факелах горелочных устройств 84
4. Создание горелки с трехрядным аксиальным завихрителем для горнов агломерационных машин 98
4.1. Требования к горелкам 98
4.2. Разработка горелки 101
4.3. Результаты внедрения опытно-промышленных горелочных устройств 113
Заключение 120
Список литературы 123
Приложения
- Характеристики закрученных струй, сформированных многоканальными завихрителями
- Методика исследования термической структуры струй
- Двойная струя
- Разработка горелки
Введение к работе
Любое горелочное устройство должно быть спроектировано для конкретного процесса с учетом требований технологии. Однако до настоящего времени не была создана оптимальная конструкция горелочного устройства для сводового отопления зажигательных горнов агломерационных машин.
Основные технологические требования к таким горелкам следующие: - равномерное распределение температур и скоростей в потоке перед входом в слой, находящийся на расстоянии 300-500 мм от среза горелки; - достаточное содержание кислорода в продуктах сгорания. Проведенный анализ показал, что наиболее полно этим требованиям может отвечать факел, образованный горелками с многоканальными аксиальными завихрителями. Данные о сложных закрученных потоках, образованных такими завихрителями, особенно с закруткой в разные стороны, весьма ограничены. Вместе с тем, для качественного проектирования горелочных устройств и эффективного регулирования процессов в них необходимы сведения о детальном строении и локальном теплообмене закрученных газовых струй, создающих факел.
Целью работы являлось расширение представлений о структурно-гидродинамических факторах тепломассообмена закрученных струй, сформированных двух- и трехканальными аксиальными завихрителями с закруткой потоков в одну и разные стороны, анализ локальной интенсивности теплопереноса и разработка на этой основе горелочного устройства для зажигательных горнов агломерационных машин.
Научная новизна основных положений работы заключается в том, что автором впервые: - путем анализа полей полного давления и температуры выявлена структура струи, сформированной трехканальным аксиальным завихрителем при закрутке потоков в одну и разные стороны; предложен метод акустической диагностики линейных размеров турбулентных структур, образующихся в струях; установлены закономерности изменения размеров турбулентных структур в газовой струе от геометрических и режимных параметров завихрителей, и на этой основе сделано заключение об их роли в процессе тепломассообмена в факеле; - разработаны методы оценки локальной интенсивности теплообмена при смешении внутри факела и между ним и окружающей средой; - проведена комплексная апробация данных методов для ряда промышленных горелочных устройств.
Достоверность результатов основывается на достаточном уровне надежности экспериментальных данных, полученных сочетанием различных независимых методик исследований, стабильной воспроизводимости результатов измерений, хорошем согласовании полученных сведений с опубликованными данными других авторов, а также подтверждается положительными итогами опытно-промышленных испытаний горелочных устройств, разработанных на основе полученной информации.
Практическая значимость. Полученные экспериментальные данные расширяют представление о физическом содержании процессов в закрученных струях, сформированных двух- и трехканальными аксиальными завихрителями, позволяют оптимизировать параметры процессов с участием таких струй, что дает возможность повысить качество проектирования и эффективность управления сжиганием топлива в горелочных устройствах.
Автор защищает: - представления о гидродинамической структуре и термическом строении свободных закрученных струй, сформированных трехканальными аксиальными завихрителями с разными углами установки лопаток и различным направлением закрутки; - результаты экспериментального исследования характеристик аэродинамического шума, генерируемого структурами, образующимися в
9 закрученных струях, и сведения о линейных размерах и энергетических характеристиках этих структур, полученных на основе анализа спектров аэродинамического шума; - разработанные методы оценки локальной интенсивности теплообмена и результаты их применения; - практические рекомендации по разработке горелочных устройств, воплощенные в конструкции опытно- промышленного горелочного устройства с трехрядным аксиальным завихрителем для горнов агломерационных машин.
Реализация результатов работы. Результаты работы внедрены металлургическим комбинатом «Северсталь» (г. Череповец) в конструкции опытно-промышленных горелочных устройств ГУП-2,8/1,5Н (горелочное устройство плоскопламенное для зажигательных горнов агломашин с шириной конвейерной ленты 2,8 м, предназначенное для работы на низкокалорийном газовом топливе).
Апробация работы. Основные результаты исследований, изложенных в диссертации, докладывались и были представлены: на III Российской национальной конференции по теплообмену (Россия, Москва, 2002);
Международной конференции «Теплотехника и энергетика в металлургии» (Украина, Днепропетровск, 2002);
Международной научно-технической конференции «80 лет Уральской энергетики. Образование. Наука» (Россия, Екатеринбург, 2003);
IV Международной научно-технической конференции, посвященной 120-летию И.П. Бардина «Прогрессивные процессы и оборудование металлургического производства» (Россия, Череповец, 2003); V Minsk International Heat & Mass Transfer Forum MMF-2004 (Belarus, Minsk, 2004); V Международной конференции по неравновесным процессам в соплах и струях NPNJ-2004 (Россия, Самара, 2004); - Всероссийской научно-практической конференции и выставке студентов, аспирантов и молодых ученых «Энерго-и ресурсосбережение и нетрадиционные возобновляемые источники энергии » (Россия, Екатеринбург, 2004);
Второй Российской конференции «Тепломассообмен и гидродинамика в закрученных потоках» (Россия, Москва, 2005);
International conference «Power industry and market economy» (Mongolia, Ulaanbaatar, 2005).
Работа группы специалистов, в которой автором выполнен раздел по горелочным устройствам, удостоена на Всероссийской выставке научно-технического творчества студентов, аспирантов и молодых ученых «Энерго-и ресурсосбережение и нетрадиционные возобновляемые источники энергии» диплома за I место в номинации «Энергосбережение в энергетике» (Екатеринбург, 2004).
Основные положения диссертации опубликованы в 14 печатных работах.
Диссертационная работа проведена в рамках выполнения г/б темы №1686 (гос. per. №01200205928) «Создание теоретических основ теплотехнических процессов использования энергии топлива и других видов энергоресурсов с целью создания эффективных методов энергосбережения и экологически чистых энерготехнологий».
Автор выражает благодарность своему научному руководителю, д.ф.-м.н. профессору Жилкину Б.П. за доброжелательное отношение и критические замечания, высказанные в процессе обсуждения работы.
Особую благодарность автор выражает Винтовкину А.А., Доронину Д.Н., Жилкину В.П., Зыскину И.А., Малыгину А.В., Скачковой С.С, Скриповой Н.М. за техническую поддержку и полезную информацию, а также руководству и техническим службам аглопроизводства ОАО «Северсталь» за содействие в проведении опытно-промышленных испытаний горелочных устройств.
Характеристики закрученных струй, сформированных многоканальными завихрителями
Если по одиночным закрученным струям имеется обширная информация, то по струям, образованным многоканальными завихрителями, выполнены немногочисленные работы. Результаты исследования закрученных струй, образованных такими завихрителями, приводятся в работах [45-53].
В работе [45] исследовались характеристики двойных коаксиальных закрученных струй. Для экспериментов была использована модель вихревой горелки, представляющая собой два коаксиальных канала с центральной втулкой. На внешнем канале были установлены регулируемые лопатки для изменения угла закрутки потока. Было установлено, что вытекающиие из двух коаксиальных каналов закрученные потоки вблизи устья сопла сливаются в одну комбинированную закрученную струю. При определенной крутке потока в приосевой области возникает возвратное течение, направленное к источнику струи - обратный ток внутренней циркуляции. При дальнейшем увеличении крутки внешнего потока зона приосевой циркуляции существенно расширялась и удлинялась. Присоединенная масса струи, увеличиваясь по длине струи, резко возрастала с ростом параметра крутки. Сильное влияние параметра крутки сказывалось также на расширении границ струи. Также увеличение закрутки приводит к увеличению интенсивности турбулентности в струе.
В работе [46] изучались струи, сформированные двойным тангенциальным завихрителем, с изменяемым углом установки лопаток внутреннего и внешнего завихрителей (0, 15, 30, 45). В [46] указывается конкретное безразмерное значение относительной осевой координаты Z = Z/d = 1, где профили характерных величин сложной струи приобретают вид, соответствующий одиночной закрученной струе. Было замечено [45, 46], что на основные характеристики струи оказывает влияние как внутренний (центральный), так и внешний потоки. Причем влияние внешнего потока, обычно более мощного по импульсу, проявляется сильнее внутреннего.
Данные исследования показали, что в распределении интенсивности турбулентности в поперечном сечении закрученной коаксиальной струи существует два максимума, один из которых лежит в приосевой области струи, а другой - на внешней её границе. Вблизи оси струи имеют место резкие градиенты тангенциальной и радиальной составляющих скорости, что, очевидно, и обуславливает высокий уровень турбулентности. Высокая интенсивность турбулентности в приосевой области сохраняется по ширине струи до границы зоны обратных токов.
Повышенный уровень турбулентности вблизи внешней границы струи связывается с эффектом перемежаемости, благодаря которому в этой области образуются турбулентные моли с большой интенсивностью пульсации.
Вместе с тем в области выхода потока из межлопаточного пространства, где скорость потока высока, напротив, наблюдается минимум интенсивности турбулентности.
Было установлено, что профили избыточной температуры повторяют профиль аксиальной скорости и имеют максимум, отстоящий от оси и удаляющийся от неё при продвижении вдоль оси струи. Отмечено, что скорость перемешивания тем выше, чем больше крутка потоков.
Работы [47, 48] посвящены исследованию смешения коаксиальных закрученных потоков в цилиндрическом кольцевом канале. Из двух подводов, снабженных тангенциальными завихрителями, воздух подавался в общий канал. Закрутка потока осуществлялась как в одну сторону, так и в разные стороны.
Опыты показали, что турбулентный обмен в потоке с противоположной закруткой является наиболее интенсивным. Это выражается в большей величине генерируемых потоком турбулентных пульсаций и в более быстром выравнивании профилей скорости по длине канала.
В работе [49] на горелке с центральным соплом и двумя концентрическими кольцевыми каналами исследовалось влияние радиального распределения закрутки предварительно перемешанных пропан-воздушных смесей на тепловые характеристики пламени. Закручивание внутренней и внешней концентрических кольцевых струй производилось либо в одном направлении, либо в противоположных. С помощью микротермопар осуществлялись высокочастотные температурные измерения при одновременном фотографировании формы пламени. Установлено сильное влияние вида закручивания на симметрию пламени. Показана связь закрутки в различных направлениях с уровнями образования оксидов азота.
Интересный результат был получен в работе [50], которая была направлена на разработку методов снижения выбросов N0 . Опыты, проведенные на промышленных установках, показали, что при стремлении отношения скоростей потоков в двух соседних каналах завихрителя энергетической горелки (в случае внешнего по первичному воздуху и внутреннего по вторичному) W\IW2 к 1, наблюдается снижение концентрации оксидов азота (рис. 1.7).
Методика исследования термической структуры струй
Изучение тепловых характеристик низкотемпературных струй проводилось на установке №1. В опытах с использованием традиционной методики в координатное устройство вместо зонда 9 устанавливалась медь-константановая термопара с диаметром горячего спая 0,3 мм.
Метод термовизуализирующей сетки
Для выявления термической структуры низкотемпературной закрученной струи использовался метод термовизуализирующей сетки [53]. Метод заключается в том, что в неизотермический газовый поток 1 (рис. 2.5) помещается сетка 2 из фторопластовых нитей, материал которых имеет коэффициент теплопроводности 0,9-1,05 коэффициента теплопроводности газа, расстояние между нитями сетки (размер ячейки) подбиралось таким, чтобы не загромождать поток.
Тепловое излучение от нитей, интенсивность которого соответствует температуре потока, с помощью тепловизионной камеры 3 преобразуется в визуальный образ 4 в виде цветового поля, отображаемого на мониторе 5 тепловизионной камеры. Этот визуальный образ расшифровывается в числовые значения температуры в точках газового потока путем сопоставления цветов со шкалой «температура-цвет» 6 на мониторе. Тем самым производится одномоментное измерение температурного поля газового потока в большом числе точек области течения, размеры которой определяются размерами сетки. Принципиальная схема экспериментальной установки представлена на рис. 2.6.
Воздух в горелочное устройство (далее - горелку) подавался с помощью вентилятора ВВД-9 (2), приводимого в движение электродвигателем 1. Общий расход регулировался с помощью поворотной заслонки 3 на всасе вентилятора. Для измерения расхода воздуха в тракт воздуховода была установлена измерительная диафрагма 5. Далее поток воздуха направлялся в два воздухоподводящих канала для внешнего и внутреннего регистров завихрителя горелки. Расход воздуха в каналах регулировался встроенными шиберами .
Измерение давления (динамического напора) в закрученной струе, образованной двойным аксиальным завихрителем горелки, осуществлялось с помощью пневмометрического зонда. Для перемещения зонда 12 в области потока, выходящего из завихрителя, использовалось координатное устройство 13, которое было жестко закреплено на станине. Координатное устройство обеспечивало перемещение зонда по трем взаимно перпендикулярным осям. Измерения производились на воздухе, имеющем температуру окружающей среды. Среднерасходые скорости устанавливались по перепаду динамического и статического давлений на пневмотрубках, встроенных в подводящие каналы, расходы регулировались положениями шиберов в подводящих каналах. Измерение температуры факела, создаваемого горелкой, производилось с помощью ХА термопары, подключенной к милливольтметру.
Для оценки общего уровня теплового взаимодействия наиболее применим метод коэффициентов теплового взаимодействия (теплопередачи) [43]. Однако интенсивность теплового взаимодействия в различных зонах факела может быть не одинакова, а сведения об этом распределении очень важны для организации ряда технологических процессов. Для оценки локальной интенсивности теплообмена были разработаны методы приведенных градиентов температуры и градиентного моделирования термического строения струй и факелов [56].
Вместе с тем для достижения наилучшего качества анализа указанными выше способами необходим детальный промер поля температур, что требует больших временных затрат и подчас не представляется возможным в промышленных условиях.
Поэтому для оперативной диагностики формы и термической структуры факелов горелок был разработан метод многозонального разложения изображения.
Двойная струя
Исследования проводились на экспериментальной установке №1. Изучались струи, образованные двойными аксиальными завихрителями с плоскими лопатками толщиной ОД мм, с закруткой потока в одну и разные стороны, общий вид которых дан на рис. 3.1. Использовалось 6 наиболее характерных комбинаций завихрителей с закруткой потока в одну и разные стороны. Характеристики завихрителей приведены в табл. 3.1, где уі и у2 -углы установки лопаток соответственно внутреннего и внешнего завихрителей; d0 - наружный диаметр центральной втулки завихрителя; dj и d2 соответственно внутренние диаметры проходного канала внутреннего и внешнего завихрителей. Среднерасходные скорости потока W во внутреннем W\ и внешнем W2 каналах варьировались от 0 до 20 м/с.
Все исследователи (см. гл. 1), занимавшиеся данной проблемой, полагали, что потоки, сформированные двух- (и более) канальными аксиальными завихрителями, уже вблизи устья сопла сливаются в одну комбинированную закрученную струю, в которой также, как в одиночной струе, разграничивали зоны обратного тока, конвективного смешения и сплошной кольцевой области периферийного выхода потока.
Расшифровка внутренней структуры закрученной струи производилась путем анализа поля полного давления. Под полным давлением понимали превышение давления (статическое давление + динамический напор) в контрольной точке над барометрическим давлением.
Подробный анализ опытных данных, полученных путем пневмо- и термометрии, позволил выявить структуру струи, сформированную двойным аксиальным завихрителем [58]. Путем компьютерного анализа поля полного давления была выстроена внутренняя структура течения (рис. 3.2). На этом рисунке наблюдаются все области, ранее выделенные авторами в струе, сформированной одиночным завихрителем [1,2, 23].
Установлено, что форма и размеры зоны обратных токов 1.1 (назовем её основной) зависят от режимных и конструктивных характеристик завихрителя. Влияние на форму и размеры основной зоны обратных токов наибольшее влияние оказывает режим работы внешнего завихрителя - её размеры прямо пропорциональны скорости W2 и в меньшей степени -внутренний поток. При уменьшении угла установки лопаток интенсивность закрутки потока падает и зона обратных токов (1.1) «схлопывается».
Закрутка потоков в разные стороны снижает крутку результирующего потока - смежные струйки из внутреннего и внешнего завихрителей соударяясь, теряют свой импульс. В результате размеры основной зоны обратных токов, а также разрежение на оси струи меньше, чем при закрутке в одну сторону (рис. 3.3). Внешняя зона обратных токов 1.2 (рис. 3.2, 3.4) значительно меньше основной, и её размеры зависят от режимов работы обоих каналов завихрителя - её габариты прямо пропорциональны W2 и обратно пропорциональны W\, причем с уменьшением скорости W\ зона обратных токов 1.2 увеличивается и при W\ \0 м/с сливается с основной. 6 10 14 (В 22 26 2 5 10 14 18 22 26 30 X, ММ
На экспериментальной установке №2 исследовались струи, образованные двойным аксиальным завихрителем (уі/у2 = -45745) вихревой горелки (рис. 2.5, табл. 2.1). По сравнению с аналогичными двойными аксиальными завихрителями, использованными на установке №1, завихритель вихревой горелки имел большее втулочное соотношение (dB=d0/d2), равное 0,348 против 0,1 у завихрителя №1 (табл. 3.1) из-за наличия сопла подвода газа.
Поперечный срез поля полного давления при Z=0 вихревой двухрядной горелки представлен на рис. 3.9. В структуре струи также можно выделить зоны обратных токов (1.1) и (1.2) и области выхода потока из межлопаточных каналов (2.1) и (2.2). Области выхода потоков из межлопаточных каналов начинают взаимодействовать между собой уже на срезе завихрителя. Основная зона обратных токов 1.1 имеет сплошную форму, располагается в кольцевой области вокруг сопла, а зоны обратных токов 1.2 имеют локальный характер и не соединяются между собой.
Для исследования характеристик закрученных струй, образованных тройными аксиальными завихрителями, использовалась экспериментальная установка №1. Внутренний канал подвода воздуха был заглушён.
Разработка горелки
Проведенные исследования работы горелочных устройств - вихревой двухрядной горелки и туннельной горелки показали, что они не полностью соответствуют описанным выше требованиям.
Вихревая двухрядная горелка (см. п. 3.3) создает поле температур с неравномерностью 30-40 % на расстоянии Z =Z/d2 2 от среза сопла. Высокотемпературная зона факела находится в области обратных токов, что приводит к обгоранню и высокотемпературной коррозии сопла и может привести к его разрушению.
В результате испытаний туннельной горелки было установлено, что ее факел обладает небольшим углом раскрытия, по форме напоминающий прямоточный. Максимальные температуры в факеле наблюдаются в зоне выхода потока из горелочного туннеля. Поле температур в плоскости, перпендикулярной оси Z горелки, характеризуется большой неравномерностью. Кроме того, измерения химического состава продуктов сгорания показали большое содержание окиси углерода на характерном технологическом расстоянии Z =Z/d2 3 от среза горелочного туннеля, что указывает на неполное выгорание топлива в факеле.
Вместе с тем результаты проведенных исследований тройных аксиальных завихрителей позволили сделать заключение о том, что их применение может позволить создать горелочное устройство, отвечающее указанным требованиям. Однако образуемая ими струя имела все же большую дальнобойность и недостаточный угол раскрытия.
Для создания факела с требуемой длиной и углом раскрытия, учитывая особенности конструкции промышленных вихревых горелочных устройств, была разработана конструкция тройного аксиального завихрителя с коническими отражателями с углами наклона лопаток 45 (рис. 4.1). Отражатели были установлены на срезах всех регистров завихрителя. Было исследовано 6 комбинаций завихрителей, геометрические характеристики которых приведены в табл. 4.1. Новые завихрители геометрически подобны исходным тройным завихрителям, описанным в п. 3.1, единственное различие состоит лишь в размещении отражателей. Это позволило оценить влияние этого конструктивного элемента на рабочий процесс.
Установлено, что в такой струе сохраняются те же структурные области, что и в случае тройной закрученной струи, образованной завихрителем без отражателей: основная область обратных токов 1.1, внутренние области обратных токов 1.2 и 1.3, области выхода потока из межлопаточных каналов 2.1, 2.2 и 2.3, области внутреннего смешения (сдвига) 3.1, 3.2 и область результирующего потока 4. Однако угол раскрытия такой струи больше, что объясняется отклонением потоков отражателями.
О термической конфигурации тройной закрученной струи и закономерностях её изменения конфигурации от конструктивных и режимных параметров можно судить по тепловым снимкам (рис. 4.3), полученным методом термовизуализирующей сетки (см. раздел 2.1). В опытах использовалась экспериментальная установка №1 (см. п. 2.1). Поток, проходящий через завихритель, подогревался в электрическом воздухоподогревателе 5 до температуры 55 - 60 С. Температура окружающего воздуха составляла 20 - 22 С.
В данном случае так же, как это было показано в главе 3, важнейшим фактором организации процесса является взаимное направление крутки. Оказалось, что закрутка потока в противоположные стороны приводит к уменьшению угла раскрытия струи (рис. 4.3 а, в). Она же создает эжектирование потока в основную область обратных токов.
Как видно из диаграммы, установка отражателей меняет характер распределения локального теплопереноса. Максимальные значения приведенных градиентов располагаются в направлениях зоны обратных токов, что, по-видимому, свидетельствует о появлении дополнительного фактора стабилизации горения.
Анализ характеристик аэродинамического шума, создаваемого структурами в струях, образованными аксиальными завихрителями с коническими отражателями показал, что характерный вид спектров звукового давления и плотности акустической энергии близок к виду спектров для струй, образованных исходными тройными завихрителями .
