Введение к работе
Актуальность темы. Внедрение в промышленность водородных энергоустановок является одним из перспективных направлений использования природных возобновляемых энергоресурсов в системах энергообеспечения, в т.ч. устройств малой мощности. Для этого необходимо решить задачи создания надежных и эффективных высокотемпературных водоро-досжигающих устройств - минипарогенераторов тепловой мощностью до 150 кВт, в которых продукты сгорания смешиваются с водой.
В существующих минипарогенераторах процесс горения происходит в камере с конвективным охлаждением огневой стенки при температуре порядка 3500 К, давлении около 2,5 МПа и стехиометрическом соотношении компонентов а~1, а процесс парообразования охладителя (воды) - в камере испарения. При их работе на стенки камеры сгорания воздействуют высокие тепловые потоки, и вскипание воды в каналах системы охлаждения может привести к прогару жаровой трубы. Необходимость исключения кипения в каналах оказывает влияние на минимальные расходы охлаждающей воды и длину камеры сгорания, что ограничивает доступные степени перегрева пара.
Решение задачи повышения эффективности работы минипарогенераторов возможно с применением вихревых камер сгорания, в которых подача воды на охлаждение и парообразование осуществляется тангенциально для создания вихревой жидкой пленки завесы. При этом процессы горения и парообразования происходят в одной камере, что позволяет снизить массу и габариты устройств и регулировать в доступных пределах температуру пара на выходе.
Таким образом, теоретические и экспериментальные исследования процессов гидродинамики и тепломассообмена с фазовым переходом при тангенциальном движении жидкой пленки завесы с учетом воздействия высокоскоростного потока парогаза в едином объеме камеры сгорания мини-парогенератора являются актуальными.
Работа выполнена в соответствии с научным направлением ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» «Энергетические комплексы и системы»; в рамках НИР и ОКР по государственным контрактам № 02.516.11.6121, № 02.516.11.6173, № 14.740.11.0152, № 16.526.12.6004 и соглашения № 14.В37.21.0306 ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы» и «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 годы».
Цель работы - повышение эффективности работы водородных минипарогенераторов посредством применения вихревых камер сгорания.
Для достижения указанной цели в работе были поставлены и решены следующие задачи:
-
Разработка 3D сопряженной математической модели процессов гидродинамики и тепломассообмена между движущейся тангенциально жидкой пленкой завесы и высокоскоростным потоком парогаза в условиях фазового перехода.
-
Проведение численных и экспериментальных исследований гидродинамики и тепломассообмена в водородном минипарогенераторе, определение полей температуры, давления, скорости и объемной концентрации фаз в вихревой камере сгорания.
-
Разработка инженерной методики расчета параметров минипаро-генераторов с вихревыми камерами сгорания.
Научная новизна:
-
Разработана 3D сопряженная математическая модель гидродинамики и тепломассообмена между движущейся тангенциально жидкой пленкой завесы и высокоскоростным потоком парогаза в условиях фазового перехода на основе многофазной модели Эйлера с неявной схемой расчета объемной концентрации фаз, уравнения энергии и квадратичной модели напряжений Рейнольдса, позволяющая рассчитать поля давления, скорости, температуры и объемной концентрации фаз.
-
В результате расчетов и обработки экспериментальных данных
получена новая зависимость „« _ L*3/ для определения безразмерного
1 /Щ
коэффициента длины вихревой завесы rf < 1, который учитывает сложное движение жидкой пленки завесы в вихревой камере сгорания и ее взаимодействие с высокоскоростным потоком парогаза.
-
Разработана инженерная методика расчета параметров минипаро-генераторов с вихревыми камерами сгорания, учитывающая сложное движение жидкой пленки завесы.
-
Разработаны принципиальные схемы водородных энергоустановок и парогенератора с вихревой камерой сгорания, новизна которых подтверждена патентами на изобретения и полезные модели.
Практическая значимость и реализация:
-
Разработанная 3D сопряженная математическая модель гидродинамики и тепломассообмена в вихревых камерах сгорания водородных парогенераторов позволяет рассчитать поля давления, скорости, температуры и объемной концентрации с учетом взаимного влияния фаз друг на друга и служит основой для проектирования новых и повышения эффективности существующих энергетических установок.
-
Разработанная инженерная методика расчета параметров минипа-рогенераторов, учитьшающая безразмерный коэффициент длины вихревой
завесы ц , позволяет при проектировании вихревых камер сгорания уменьшить их длину на 56-К>4%.
-
Запатентованы новые принципиальные схемы водородных энергоустановок и парогенератора с вихревой камерой сгорания, внедрение которых в промышленность позволит существенно снизить массу и габариты устройств и повысить эффективность и надежность работы энергетического оборудования.
-
Исходя из полученных теоретических результатов и экспериментальных исследований, даны практические рекомендации для создания новых водородных парогенераторов и энергоустановок. Результаты диссертационного исследования внедрены в практику ОАО КБХА (г. Воронеж), ООО ПТК «Новые энергетические системы» (г. Воронеж).
Достоверность результатов исследований обеспечена обоснованным использованием теоретических зависимостей, допущений и ограничений, корректностью постановки задач, использованием современных надежных и эффективных методов исследования и подтверждается качественным и количественным согласованием результатов расчета с экспериментальными данными. Научные положения и практические результаты подтверждены результатами испытаний, двумя патентами РФ на изобретения и тремя патентами РФ на полезные модели.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на научно-технических семинарах и конференциях с 2009 года: Международной XVII школе-семинаре молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева (Москва, 2009); Российской научно-технической конференции «Ракетно-космическая техника и технология» (Воронеж, 2009); III Российской научной конференции «Управление интеллектуальной собственностью» (Воронеж, 2009); Всероссийской молодежной научно-технической конференции «Энергосбережение в секторе исследований и разработок: существующий потенциал и перспективы развития» (Москва, 2012); научно-технических конференциях молодых ученых, аспирантов и студентов ВГТУ. По результатам конференций получены дипломы. Инновационная разработка «Способ образования пара в парогазогенераторе и устройство для его осуществления» в 2010 г. награждена золотой медалью «Innovations for investments to the future» Американо-Российского Делового Союза (ARBU). Результаты работы отмечены Дипломом «X Московского международного салона инноваций и инвестиций» (Москва, 2010). Проект, в котором использованы результаты работы, стал лауреатом областного межвузовского конкурса инновационных проектов «Кубок инноваций» (Воронеж, 2012).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 научных работ, в том числе 7 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, получено 2 патента на изобретения, 3 патента на полезные модели. В работах, опубликованных
в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежат: [1, 2, 7-10, 14] - разработка экспериментальных установок, методик проведения исследований и анализ эмпирических данных; [11] -анализ и определение перспективных направлений исследований; [3-6, 15, 16] - разработка перспективных высокоэффективных схем и конструкций парогенерирующих агрегатов и энергоустановок; [12, 13] - способы интенсификации и моделирование тепломассообмена.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из
введения, четырех глав, основных результатов работы, списка использованной литературы из 103 наименований и приложения. Основная часть работы изложена на 139 страницах, содержит 54 рисунка, 12 таблиц.
