Влияние электрического поля в топке на теплотехнические характеристики котла Суворов Денис Владимирович

Введение к работе

Актуальность темы исследования.

Топливно-энергетический комплекс страны является базой развития российской экономики. Котельные установки относятся к оборудованию, потребляющему топливно-энергетические ресурсы в больших количествах. На выработку теплоты котлоагрегатами распространяется действие Федерального закона РФ от 23.11.2009г. №261-ФЗ "Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности» направленного на обязательное повышение использования и выработки энергетических ресурсов.

Одним из перспективных направлений повышения эффективности работы котлоагрегатов является воздействие электрического поля на факел пламени. Электрическое поле воздействует на факел пламени, изменяя его форму и режимы горения за счёт присутствия в нём большой концентрации высокоионизиро-ванных частиц. Исследования воздействия электрического поля при процессах горения проводились отечественными и зарубежными учёными: Их исследования показали, что воздействие электрического поля вносит значительный вклад в протекание реакции горения и процесса теплопередачи. Регулирование формы факела обладает потенциалом при интенсификации существующих котлоагрега-тов без существенной реконструкции котельной.

Соискателем предложены основные положения по разработке методики определения расположения и конструкции электродов в топке в зависимости от формы пламени, приведены экспериментальные исследования особенностей режимов работы котлоагрегатов при сжигании углеводородных топлив в условиях воздействия внешнего электрического поля на факел в топке.

Объект исследования - факел горения углеводородного газового топлива в топке теплогенератора.

Предмет исследования - режимы горения при воздействии электрического поля на факел пламени в топке котла и режимы горения в комплексе с применением конденсационного теплообменника в тепловой схеме котельной установки

Степень разработанности темы

В рамках диссертационной работы был произведён анализ нормативной и научно-технической литературы. Изучен и проанализирован опыт работы отечественных и зарубежных исследователей в области воздействия электрического поля на факел пламени. Важный вклад в исследование процессов и механизмов воздействия электрического поля на факел пламени внесли научные труды: Внукова. А. К.; Ягодникова Д. А.; Дьячкова Б. Г.; Петровой Е.А.; Гаранина А. Ф.; Лаутон Д.; Вязовика В. Н.; Саламандра Г. Д.; Громцева С. А.; Громцева А. С; Турлайс Д. П.; В. П. Гривцова; Русова Д. Е.; Пурмалис М. Я.; Минтусова Е. И.; Заке М. В.; Пурмал М.В.; Сермулиньш В. А.; Кидина Н. И.; Calcote H. F.; Lessieur D; Altendorfner F. и др.

Однако существующие исследования в большей степени разработаны в механизме воздействия электрического поля на характеристики протекания реакции горения и не отображают особенности при использовании электрического поля в топке теплогенераторов.

Цель диссертации - разработка экспериментального метода повышения теплотехнических и экологических характеристик котлоагрегатов за счет воздействия электрического поля на факел пламени в топке котла.

Задачи диссертации:

- определить механизм воздействия электрического поля на факел
пламени для обеспечения полноты сгорания углеводородного топлива при сни
жении коэффициента избытка воздуха и снижения вредных выбросов;

разработать физико-математическую модель сжигания углеводородного топлива в условиях электрического поля со снижением коэффициента избытка воздуха;

исследовать влияние внешнего электрического поля отрицательной напряжённости в топке на мощность теплогенератора;

определить параметры электрического поля и расположение электродов в топке для повышения тепловой мощности котла;

определить характеристики электрического поля, влияющего на

снижение концентрации CO и NOx в продуктах сгорания;

провести режимные испытания в отопительно-производственной котельной с установкой электродов в топку котла;

разработать методики определения конструктивных особенностей расположения электродов в топке котла;

произвести технико-экономическое обоснование применения электрического поля в топке.

Научная новизна работы:

1. доказана эффективность воздействия электрического поля отрицательной напряжённости на снижении концентрации выбросов СО и NO_x при расположении электродов в топке котла, работающим на газообразном углеводородном топливе;

2. разработана методика расположения высоковольтных электродов в топке котлоагрегата для повышения теплотехнических характеристик котло-агрегатов;

3. доказана возможность увеличения мощности котла, без его реконструкции при воздействии электрического поля на факел в топке;

4. подтверждён результат воздействия электрического поля на факел пламени в топке котлоагрегата;

5. установлены оптимальные параметры электрического поля, создаваемого в топке для снижения коэффициента избытка воздуха и концентрации вредных выбросов.

Теоретическая значимость работы:

6. впервые произведено наложение электрического поля на факел пламени в котлоагрегате, позволяющего снизить коэффициент избытка воздуха, подаваемого на горение;

7. разработана физико-математическая модель сжигания углеводородного топлива при снижении коэффициента избытка воздуха в условиях внешнего электрического поля;

3. выявлено эффективное воздействие поля отрицательной напряженности на форму факела и режимы процесса горения;

4. представлены экспериментальные результаты изменения температурных слоёв пламени при воздействии электрического поля отрицательной напряжённости.

Практическая значимость работы:

повышена эффективность сжигания топлива, снижен выброс СО и NO_x, без реконструкции увеличена мощность котла;

снижено потребление электрической энергии дутьевых вентиляторов и дымососов за счёт уменьшения количества продуктов сгорания;

разработана инженерная методика выбора и расположения электродов в топке в зависимости от формы пламени;

увеличена интенсивность теплоотдачи от факела пламени к тепло-воспринимающим поверхностям нагрева в топке котлоагрегата;

достигнуто снижение концентрации вредных выбросов на трёх ото-пительно-производственных котельных Нижнего Новгорода и Нижегородской области.

Методология и методы исследования

Методология включает в себя анализ исследований отечественных и зарубежных ученых в области конденсационной техники. Использовались методы обобщения получения и обработки экспериментальных данных, системного анализа, молекулярно-кинетической теории. Для изучения воздействия электрического поля в топке котлоагрегата использовались физические эксперименты на моделях в реальных условиях. Для объяснения особенностей воздействия электрического поля на процессы горения использовалась модель кинетического горения и воздействие поля на заряженные частицы. В диссертационной работе использовались методы лабораторного и натурного эксперимента.

Положения, выносимые на защиту:

механизмы воздействия электрического поля на факел пламени в топках теплогенерирующих установок;

параметры электрического тока при воздействии на факел;

- влияние электрического поля на температуру и форму факела;
влияние электрического поля отрицательной напряжённости на сни
жение концентрации вредных примесей NO_x и CO;

снижение коэффициента избытка воздуха при сохранении полноты сгорания за счёт ориентации заряженных частиц факела и увеличения числа столкновений молекул топлива с молекулами окислителя;

влияние электрического поля в топке на мощность котлоагрегата и режимы горения. Конструктивные особенности расположения электродов в топке для повышения полноты сгорания топлива и снижения концентрации вредных выбросов в дымовых газах.

Степень достоверности. Достоверность полученных данных подтверждается сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований, применением высокоточных сертифицированных приборов. Погрешность полученных результатов не превышает 10% при доверительной вероятности 95%.

Апробация результатов. Основные результаты работы обсуждались и докладывались на международной конференции «Актуальные вопросы науки и образования» (Москва, 2012), на 32-й межвузовской студенческой научно-технической конференции по итогам научно-исследовательской работы студентов ( пос. Морозовский нижегородской области, 2016), на всероссийском конкурсе по программе «УМНИК» (победа в конкурсе по Поволжскому федеральному округу, Нижний Новгород 2016), на расширенном заседании кафедры ТГС Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова (Белгород 2016), на 33-й межвузовской студенческой научно-технической конференции по итогам научно-исследовательской работы студентов (Самара, 2014г); На расши-

ренном заседании кафедры ТГВ МГСУ (Москва 2017); На расширенном заседании кафедры ТГС ННГАСУ (Н. Новгород 2017); На международной научной конференции «Перспективы развития вузовской науки» (Сочи 2017).

Область исследования соответствует паспорту специальности 05.23.03 «Теплоснабжение, вентиляция, кондиционирование воздуха, газоснабжение и освещение», а именно:

п. 1. «Совершенствование, оптимизация и повышение надежности систем теплогазоснабжения, отопления, вентиляции и кондиционирования, методов их расчета и проектирования. Использование нетрадиционных источников энергии»;

п. 2. «Технологические вопросы теплогазоснабжения, вентиляции и кондиционирования воздуха».

Личный вклад

Личный вклад соискателя в решение исследуемой проблемы заключается в анализе и обобщении исследований отечественных и зарубежных ученых в области применения электрического поля, воздействующего на факел пламени, в постановке цели и задач исследования, в выборе методов исследования, в разработке основных положений, определяющих научную новизну и практическую значимость работы, в проведении экспериментальных исследований, в разработке методики обработки и обобщения опытных данных по экспериментальному исследованию, в разработке методики определения расположения и конструкции электродов в топке в зависимости от формы пламени.

Реализация результатов работы

Предложенные инновации по внедрению электродов в топку котла для коррекции факела пламени применены на котлах типа ДКВР-10/13 в котельных Нижнего Новгорода.

Публикации

По теме диссертационного исследования опубликовано 11 статей, в том числе 3 из них опубликованы в научных журналах, входящих в «Перечень рецензируемых научных изданий, в которых должны быть опубликованы основ-

ные научные результаты диссертации на соискание ученой степени кандидата наук, на соискание ученой степени доктора наук» ВАК Минобрнауки РФ;

Структура и объем диссертационной работы