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
- Проблема управления структурой и теплообменом в факелах многоканальных горелочных устройств
- Методы анализа локальной интенсивности теплообмена в струях и факелах горелочных устройств
- Локальная интенсивность теплообмена в струях и факелах горелочных устройств
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. Таким образом, высокий уровень турбулентности на начальном участке двойных коаксиальных сильнозакрученных струй указывает на повышенную перемешивающую способность факела вихревых горелок. Для изучения смешения двух коаксиальных потоков в [46] внутренний поток подогревался дополнительно на 20 - 25С. Об интенсивности смешения судили по изменению безразмерной температуры 0 струи в её поперечных сечениях: 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).
Проблема управления структурой и теплообменом в факелах многоканальных горелочных устройств
Вихревые горелочные устройства получили широкое распространение в различных теплотехнических устройствах. Закрутка воздуха в них применяется для стабилизации горения и сокращения длины их факелов. Одновременно было установлено, что закрутка воздушных потоков вызывает заметную турбулизацию этих потоков и, как следствие, - интенсификацию большинства процессов, идущих в формируемых горящих факелах [54]. Увеличение единичной мощности различных теплотехнических устройств привело к постоянному повышению мощности и габаритов горелок.
Вместе с тем все более возрастающие требования к организации технологических процессов, проблема экологически чистого сжигания и требования экономии энергоресурсов поставили задачу разработки эффективных методов регулирования процессов в горелках, формирования требуемой структуры факела и его характеристик. В работе Р.Б. Ахмедова [9] подробно описаны аэродинамические методы регулирования, используемые в вихревых горелочных устройствах. Данные методы направлены на изменение аэроструктуры факела, перемене его положения в топочном пространстве или любом другом способе активного воздействия на динамику топочных газов. В частности, конструктивно это достигается: - применением в конструкции горелки поворотных лопаток завихрителя (изменение угла наклона) (рис. 1.8); - применением поворотных профилированных шиберов в горелках с простым тангенциальным подводом воздуха; - регулированием расходных характеристик окислителя, подаваемого в топку, посредством шиберов во входных патрубках; - перекрытием отдельных каналов многоканальных горелок, перераспределением расхода воздуха; - применением дополнительных турбулизаторов (шайб, уступов, т.е. так называемых плохообтекаемых тел) непосредственно на выходе смеси из горелки. Недостатком всех выше перечисленных методов является наличие в конструкции горелок механических приводов, обладающих низкой надежностью и узким диапазоном регулирования без ухудшения характеристик факела, т.е. без возникновения пульсаций, срыва факела, увеличения неполноты сгорания топлива и выхода вредных веществ в 37 атмосферу, а также перегрев и выход из строя узлов от воздействия высоких температур в топке. Диффузионные методы регулирования топочных процессов [55] основаны на изменении условий распределения газовых струй в воздушном потоке горелочных устройств.
Управляя потоком топлива, можно легко воздействовать на характеристики диффузионного процесса, определяя таким образом процесс выгорания топлива. В свою очередь, это дает возможность оказывать влияние на теплообмен в топочных устройствах. Авторами [55] введены два параметра: h - глубина проникнивения струй топлива в поток ні//- коэффициент заполнения слоя воздушного потока. В результате исследования развития струй в закрученном воздушном потоке были сформулированы исходные положения для расчета распределения струй, обеспечивающие наилучшие условия для перемешивания газа и воздуха: - газовые струи должны быть распределены равномерно в объеме воздушного потока; - глубина проникновения газовой струи должна обеспечивать попадание газа в зону максимальных скоростей. Предложена конструкция горелки с регулируемым газовыдающим узлом [55] (рис. 1.9): В коробе 2 для принудительной подачи воздуха по его оси установлена газоподводящая труба 3 с несколькими рядами отверстий 4. В трубе 3 расположен золотник 6, который с помощью штока 7, гайки 1 и маховика 8 перемещается вдоль оси горелки и может быть установлен своими прорезями 5 против любого ряда отверстий, благодаря чему открывается проход через них в короб для струй газа. В зависимости от числа и диаметра отверстий струи газа проникают глубоко в поток воздуха или сливаются в газовое кольцо, не перемешанное с воздухом. Соответственно этому факел становится коротким и прозрачным или длинным и светящимся. Подбором схем рассверловки, отверстий можно получить факел различной длины и светимости. Также авторами [55] были разработаны узлы диффузионного регулирования для многопоточных горелок, сочетающих радиальную и осевую подачу газа. К недостаткам подобных горелок можно отнести сложность конструкции, настройки и регулировки их в промышленных условиях. Рис. 1.10. Схема модели простейшей вихревой горелки с управляющим струйным вдувом через стенку ее выходного цилиндрического канала В.Н. Потаповым в работе [54] предложен оригинальный метод управления аэродинамикой и закруткой потока на выходе из горелки. Он заключается в воздействии на закрученный поток на выходе из горелки системой дискретных струй различной интенсивности. Пример реализации данного метода показан на рис. 1.10. Через стенку выходного канала модели вихревой горелки в основной поток радиально подаются струи воздуха, т.е. реализуется принцип струйного радиального вдува (СРВ).
Методы анализа локальной интенсивности теплообмена в струях и факелах горелочных устройств
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. Комплексная апробация данных методов проведена для факелов описанных выше горелочных устройств. Исследования были проведены на экспериментальной установке №3. В качестве топлива использовался природный газ. Метод приведенных градиентов Данная методика является графоаналитической и заключается в следующем. По результатам замеров температуры строится поле изотерм. На нем выделяются характерные точки (узлы).
Из них проводятся прямолинейные координатные линии по контрольным, характерным направлениям, в зависимости от конкретной конфигурации термического поля. Расчет градиента GT производится по следующей формуле: где -/и - разность температур между соседними изотермами; х{-хіл - расстояние между соседними изотермами; tmax - максимальная температура в потоке или в факеле, /ср - температура окружающей среды. Ранее [56], для определения градиента GT в знаменателе формулы (2.3) вместо значения максимальной температуры tmax использовалось значение средней температуры между соседними изотермами їм_,, однако расчет по данной формуле приводил к некорректным результатам (знаменатель обращался в ноль при приближении значений t.t;_, к значениям tcp). Метод градиентного моделирования термического строения основан на предположении о том, что области наиболее активного теплового взаимодействия в потоке характеризуются наибольшим изменением градиента температуры.
Реализация предлагаемого метода предполагает следующие этапы: - термометрирование плоскостей сечений факела по сетке координат; - интерполяция полученного массива данных на сетку необходимого размера существующими математическими методами; - апроксимация поля температур; - расчет вектор-функции градиента на поле скалярной трехмерной функции температур по формуле: - получение графического представления модулей значений вектор-функции на координатной сетке; - обработка изображения разложением на диапазоны с получением зональной или уровневой структуры поля градиентов; - анализ зональной и уровневой структуры с выявлением областей наибольшего теплового взаимодействия потока с окружающей средой. Для тонкого оперативного регулирования горелок различных теплотехнических устройств необходимо оперативно оценивать термическую структуру факела. Измерения температур термопарами требуют введения датчика в поле потока, дают значения только в определенных точках, трудоемки и, как правило, невозможны на действующих агрегатах. Как альтернатива для анализа термической структуры факелов горелок предложена методика многозонального компьютерного разложения фотографического или видеоизображения, которая представляет собой развитие подходов [57]. Метод основан на предположении о том, что при статическом изображении факела одинаковые диапазоны интенсивности свечения характеризуются одинаковыми диапазонами температур. Данная реализация предполагает следующие этапы: - фотографирование либо видеосъемка факела с соблюдением определенных условий экспозиции; - покадровое сканирование, оцифрование и сохранение изображений в одном из растровых графических форматов. При этом полученное изображение должно представлять собой матрицу, элементы которой имеют значения от 0 до 255 градаций интенсивностей серого цвета; - построение гистограммы распределения интенсивностей оттенков серого цвета и выборка характерных диапазонов; - преобразование растрового изображения в зональное с понижением количества диапазонов интенсивностей. При использовании видеотехнологий данная методика может быть использована для тонкого оперативного регулирования процесса на основе сравнения текущего изображения с эталонным, полученным при отладке горелочного устройства.
Локальная интенсивность теплообмена в струях и факелах горелочных устройств
Для исследования локального теплообмена двойных и тройных закрученных струй с окружающей средой использовалась экспериментальная установка №1 (см. п. 2.1). Потоки, проходящие через каналы завихрителей, подогревались до температуры 55 - 60 С в электрических воздухоподогревателях 5, температура окружающего воздуха составляла 18 -22 С. Для получения температурных полей в изучаемых потоках использовалась методика термовизуализирующей сетки (п. 2.1). Для оценки локальной интенсивности теплопереноса в низкотемпературных струях применялся метод приведенных градиентов. На рис. 3.35, а приведены поля температур и значения приведенного градиента температуры в двойной струе, а на рис. 3.35, б дано распределение значений приведенного градиента в зависимости от угла к оси ZQ. Оказалось, что в двойной струе при закрутке потоков в разные стороны (рис. 3.35, пунктирные линии) локальная интенсивность теплового взаимодействия с окружающей средой выше, чем при закрутке в одну сторону (сплошные линии) по всем выбранным направлениям. Такая же закономерность наблюдается и в тройной струе (рис. 3.36). Сопоставление полей позволяет сделать вывод о том, что в тройной струе интенсивность теплового взаимодействия выше, чем в двойной струе. При этом наиболее интенсивный теплообмен происходит в тройной струе с разнонаправленной закруткой. Следует отметить, что, выбирая положение полюса в сечении струи, можно судить о локальном распределении теплообмена на любой стадии смешения. Высокотемпературные исследования были проведены на экспериментальной установке №3 (см. п. 2.2). Использовались два горелочных устройства: туннельная горелка с горелочным камнем (рис. 3.37) и вихревая двухрядная горелка (рис. 3.38). Технические характеристики горелок приведены соответственно в таблицах 3.5 и 3.6. Туннельная горелка имеет центральное газораспределительное устройство с радиальным расположением выходных отверстий, на котором жестко закреплены плоские лопатки завихрителя.
Поток воздуха, проходя через завихритель, смешивался с газовыми струями и далее, предварительно перемешанная газовоздушная смесь воспламенялась в горелочном тоннеле. Горелочный туннель был выполнен из силицированного графита. Вихревая двухрядная горелка состоит из двух воздухоподводящих патрубков, двойного аксиального завихрителя и расположенного по оси горелки газораспределительное устройство. Имелась возможность подачи воздуха отдельно во внешний и внутренний регистры горелки. Газовое топливо (природный газ) подавалось в газораспределительное устройство с радиальным расположением выходных отверстий. Расход газа регулировался краном перед горелкой. Измерение расхода газа осуществлялось с помощью встроенной в газоподводящий тракт диафрагмы. Факелы горелок истекали в неподвижную среду, температура которой была равна температуре окружающего воздуха. Измерения температурных полей факелов горелок производилось ХА термопарой, холодные концы которой подключались к милливольтметру. Шаг перемещения температурного зонда был выбран равным 10 мм по осям X и Z. В качестве топлива использовался природный газ. Характеристика природного газа в магистрали стенда приведена в табл. 3.7. Режимы работы горелок приведены в таблице 3.8.
Продольный срез поля температур туннельной горелки приведен на рис. 3.39, продольный срез поля температур вихревой двухрядной горелки приведен на рис. 3.40. Из-за наличия симметрии факелов горелок относительно оси Z на рисунках приведены половины срезов температурных полей по осям X-Z. Факел туннельной горелки имеет меньший угол раскрытия и большую дальнобойность по сравнению с факелом вихревой двухрядной горелки. По своей форме он приближается к прямоточному факелу. Высокотемпературная зона факела формируется в горелочном туннеле, который служит стабилизатором горения. Факел вихревой двухрядной горелки имеет больший угол раскрытия. Высокотемпературная зона (t=l 100-1200 С) находится в области обратных токов, создаваемой аксиальным завихрителем горелки. Эта зона служит стабилизатором устойчивости горения. На расстоянии Z =Z/d2 2 по оси горелки температура снижается и составляет 700 - 800 С. Проведем анализ графического представления поля температур высокотемпературного факела вихревой двухрядной горелки и тепловых снимков низкотемпературной неизотермической струи, создаваемой двойным завихрителем, полученных методом термовизуализирующей сетки. На рис. 3.41 изображена тепловая картина двойной закрученной струи, образованной двойным аксиальным завихрителем с углами наклона лопаток Уі/у2 = -45/45 (аналочичным завихрителю вихревой двухрядной горелки).
