Введение к работе
Актуальность темы. Сжигание тяжелых высокосернистых, высоковязких и дешевых топлив в судовых котлах связано с большими техническими трудностями. Присутствие в составе сжигаемых мазутов значительных количеств, воды, сернистых соединений, ваннадия и натрия приводит к загрязнению поверхностей нагрева трудноудаляемыми и коррозионноактивными отложениями, уменьшению теплопередачи, повышению газодинамического сопротивления котла. Это в существенной степени снижает надежность и затрудняет нормальную эксплуатацию судовых котельных установок.
По многочисленным исследованиям Витман Л. А., Кулагина Л. В., Сеня Л. П., Лышевского А. С. наибольший эффект в преодолении части указанных трудностей при сжигании тяжелых топлив дает метод его стехиометрического сжигания. В судовых условиях организация работы котла в режиме сжигания топлива с малыми избытками воздуха (при условиях, близких стехиометрическим) является сложной задачей, и требует значительной изученности явлений распыливания, смесеобразования и горения в объеме топочного пространства. Само же качество распыливания и смесеобразования зависит от совершенства конструкции топочного устройства. Косвенно это совершенство определяется коэффициентом избытка воздуха при сгорании топлива. Поэтому для повышения надежной долговечной и экономичной работы судовых котлов необходимо разрабатывать топочные устройства, которые позволяли бы сжигать высоковязкие и агрессивные мазуты с количеством воздуха, близким к теоретически необходимому для сгорания, при обеспечении удовлетворительного распыливания и смесеобразования.
Существующая низконапорная регулируемая горелка, разработанная Сенем Л. П., обеспечивает стехиометрическое смешение топливо-воздух во всем диапазоне нагрузок, а так же обеспечивает полное сжигание топлива, при малых коэффициентах избытка воздуха и обладает низким значением
коэффициента аэродинамического сопротивления. Однако процессы, происходящие в горелке, а именно, распыливание и смешение топлива с воздухом, воздействие закрутки потока на смесеобразование и коэффициент аэродинамического сопротивления, в достаточной степени не исследованы и не изучены. При этом данный тип горелки был ранее изучен Селезневым Ю. С. только при прямоточном потоке, для которого получены дисперсные и аэродинамические характеристики факела на номинальной нагрузке, используемые для оптимизационного проектирования котельной установки. Для улучшения процесса стабилизации горения в последующей модификации горелки использован нерегулируемый аксиальный завихритель, и получены Куренковым В. В. данные по аэродинамическому сопротивлению. Остальные характеристики по распыливанию топлива и формированию факела приняты без учета изменения степени закручивания потока. Последняя модификация горелки в своем составе содержит регулируемый тангенциальный лопаточный завихритель и регулятор соотношения топливо-воздух, которые позволяют существенно улучшить характеристики низконапорной регулируемой горелки (НРГ). Поэтому задача изучения и исследования процессов, происходящих в горелке НРГ, является актуальной.
Цель и задачи исследования. Разработка методики расчета низконапорных горелок и уточнение оптимизационных программных продуктов по проектированию судовых котельных установок в части согласования характеристик факела с объемом топочной камеры при низких коэффициентах избытка воздуха и высоких тепловых напряжениях топочного пространства. К задачам исследования относится:
экспериментальное изучение характеристик однофазного потока на выходе из горелки НРГ при прямоточном и закрученном течении и определение влияния режима течения на работу сопла Вентури, структуру потока, коэффициент аэродинамического сопротивления горелки без впрыска топлива;
экспериментальное изучение характеристик двухфазного потока (факела) на срезе сопла горелки НРГ и за ним при прямоточном и закрученном течении и определение влияния режима течения на работу сопла Вентури, структуру потока, коэффициент аэродинамического сопротивления горелки с впрыском топлива;
сопоставление полученных характеристик двухфазного потока с характеристиками однофазного для определения влияния впрыска топлива на структуру потока и коэффициент сопротивления горелки при различных режимах течения.
Объект исследования представляет собой низконапорную регулируемую горелку НРГ-200, производительностью 200 кг/ч по топливу, предназначенную для сжигания различных видов жидкого топлива в топках судовых котлов. Предметом исследования являются: процессы распределения аксиальной скорости, статического давления и плотности орошения в струях; процессы распределения статического давления воздуха по ходу его движения в горелке.
Теоретическая и методологическая основа исследования. При изучении прямоточной струи однофазного потока теоретической основой служили работы Идельчика И. Е и Сеня Л. П., посвященные течениям в диффузорных каналах. При изучении закрученных струй однофазного потока базой являлись работы Ахмедова Р. Б., Ляховского Д. Н., Гупты А. К. Исследования Сеня Л. П., Кулагина Л. В. и Горбунова В. М. явились основой при исследовании двухфазного потока. Методологической основой при разработке методики расчета низконапорных горелок послужила, разработанная Селезневым Ю. С, методика расчета прямоточной пневматической горелки. Работы Зорина В. М. и Рыжкова Ю. С. были взяты за основу при планировании и проведении экспериментов.
Научная новизна. Научная новизна диссертационного исследования заключается в разработанной на основе полученных экспериментальных данных методике расчета низконапорных горелок. Так же научная новизна
подтверждается положительным решением РОСПАТЕНТА о выдаче патента на изобретение "Низконапорная регулируемая горелка", заявка № 20061220096/06(023996).
Предмет защиты составляют следующие положения и результаты, полученные лично автором и содержащие элементы научной новизны:
характеристики, определяющие структуру однофазного потока, сформированного на срезе сопла горелки НРГ, при прямоточном и закрученном течении;
характеристики, определяющие структуру двухфазного потока, сформированного на срезе сопла горелки НРГ и за ним, при прямоточном и закрученном течении;
коэффициент аэродинамического сопротивления горелки НРГ и его зависимость от вида потока и режима течения;
алгоритм расчета низконапорных регулируемых горелок.
Теоретическая и практическая значимость работы. Основные
положения и результаты работы представляют собой существенный вклад в развитие физических представлений о закономерностях аэродинамики однофазных и двухфазных потоков, в части: влияния формы устья на характеристики струи; методов создания закрученных струй; влияний крутки потока на эжекционную способность струй и угол раскрытия; принципов организации факельного процесса; распыливание жидких топлив.
Выводы и результаты исследования ориентированы на использование в практике проектных организаций и институтах по аэродинамике и теплофизике процессов движения и смесеобразования однофазных и двухфазных потоков, а так же в проектных бюро котлостроительных и судостроительных заводов и верфей.
Самостоятельное практическое значение имеет методика расчета низконапорных регулируемых горелок и уточненные оптимизационные программные продукты по проектированию судовых котельных установок, которые могут быть использованы и используются в учебном процессе ВУЗов
при подготовке дипломированных специалистов по специальности "Эксплуатация судовых энергетических установок".
Достоверность результатов подтверждается расчетом погрешности измерений. Так погрешность коэффициента аэродинамического сопротивления горелки изменяется в пределах от 5,7 до 7,8 %, соответствующей максимальной степени крутки потока. При измерении расхода воздуха на срезе сопла горелки погрешность составляет 5,9 ? 7,8 %, а при измерении расхода жидкости составляет величину 2,3 ? 4,1 % в зависимости от степени крутки потока. Так же о достоверности результатов, полученных автором, можно судить по удовлетворительному совпадению с результатами работ других авторов.
Апробация и внедрение результатов исследования. Основные результаты работы докладывались и получили одобрительную оценку на: региональной научно-практической конференции "Техническая эксплуатация флота - пути совершенствования" (Владивосток, май, 2005г.); международной практической конференции "Проблемы транспорта Дальнего Востока" (Владивосток, октябрь, 2005г.); конкурсе инновационных проектов студентов, аспирантов, молодых сотрудников ВУЗов и научных учреждений Дальневосточного Федерального Округа (Владивосток, ноябрь, 2006г.); региональной научно-технической конференции "Молодежь и научно-технический прогресс" (Владивосток, апрель, 2007г.)
Основные результаты и положения нашли практическое применение в разработке судовой котельной установки нового поколения. Некоторые положения используются в учебном процессе МГУ им. адм. Г.И. Невельского в рамках дисциплины "Судовые котельные и паропроизводящие установки" и "Теория горения и взрыва".
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в девяти работах общим объемом 2,6 п.л., из которых лично автору принадлежат 1,3 п.л..
Структура диссертации. Диссертация представлена на 137 листах машинописного текста и состоит из введения, четырех глав и заключения. Содержит 6 таблиц, 58 рисунков. Список литературы включает 85 позиций.
