Введение к работе
Актуальность работы. Проблема повышения эффективности процессов преобразования энергии требует снижения затрат на их реализацию при соблюдении достигнутых условий по экономичности, компактности и надежности, что обуславливает необходимость поиска оптимальных условий эффективного и низкоэмиссионного сжигания углеводородного топлива.
Характерные особенности ограниченных закрученных течений могут быть полезны при разработке такого рода устройств. Повышение качества рабочего процесса возможно за счет высокой интенсивности турбулентности, наличия рециркуляционных зон, радиального перераспределения полной энтальпии и других свойств закрученного потока.
Вихревой эжектор при малых габаритах и простоте конструкции получил распространение в энергетике, машиностроении и других отраслях промышленности. Несмотря на накопленные экспериментальные данные, остаются вопросы, требующие дополнительного исследования: недостаточно изучено распределение давления вдоль приосевой области эжектора; отсутствует адекватная расчетная модель таких устройств, построенная на критериальных зависимостях; не исследованы акустические характеристики вихревых эжекционных устройств; не изучены процессы смесеобразования в проточной части вихревых эжекторов.
Решение этих задач позволит получить дополнительную информацию о закрученных течениях в ограниченном объеме и расширить область применения вихревых эжекторов.
Цель диссертационной работы состоит в исследовании особенностей течения закрученного потока газов в вихревом прямоточном эжекторе для организации процесса смешения топлива с окислителем и последующего горения с целью создания эффективных горелочных устройств бытового и технологического назначения.
Для достижения поставленной цели необходимо решить ряд задач:
численно и экспериментально исследовать рабочий процесс прямоточного вихревого эжектора с оценкой его функциональной пригодности для указанных технических направлений;
провести анализ распределения концентрации компонентов топлива в выходном сечении горелочного устройства и измерить эмиссионные характеристики;
разработать критериальные уравнения расчета проектируемых конструкций и методику математической обработки результатов эксперимента с использованием теории подобия и метода анализа размерностей;
с использованием полученных данных и разработанной методики расчета спроектировать горелочное устройство и инфракрасную горелку, работающие по механизму обедненной предварительно перемешанной топли- вовоздушной смеси.
Методы исследований. Для решения поставленных задач использованы: аналитические методы на базе основополагающих закономерностей газовой динамики, термодинамики, теории подобия и методов анализа размерностей, методы постановки и обработки теплофизического эксперимента, численное моделирование турбулентных течений.
Научная новизна работы
Выявлены режимы работы вихревого прямоточного эжектора- смесителя, позволяющие организовать подачу сжигаемого газа при пониженных давлениях на входе; повысить качество процесса смесеобразования; обеспечить приемлемую равномерность поля концентрации топлива на выходе из смесителя (s < 0,24) и выбросы оксидов азота NOx не более 10 ppm.
Определены акустические характеристики вихревого эжектора, которые позволяют осуществить необходимые защитные мероприятия при его включении в технологические цепочки различного назначения.
Достоверность и обоснованность научных положений обеспечивается применением основополагающих уравнений термогазодинамики, положений теории подобия и метода анализа размерностей, обработкой опытных данных с использованием методов математической статистики. Экспериментальные результаты получены на сертифицированном метрологическом оборудовании, прошедшим необходимую проверку. Достоверность подтверждается соответствием расчетных и опытных данных, а также совпадением с результатами исследований других авторов.
Практическая значимость
Разработанная методика позволяет по данным технического задания спроектировать модули смесеподготовки для различных топливосжигающих устройств бытового и технологического назначения с низким значением эмиссионных выбросов.
Экспериментальные данные по исследованию акустической неустойчивости в эжекторе позволят осуществить необходимые защитные мероприятия при его включении в технологические цепочки различного назначения.
Разработана вихревая инфракрасная горелка, предназначенная для отопления бытовых и производственных помещений, термической обработки материалов в авиационной, машиностроительной, химической и других отраслях. Эмиссионные выбросы горелки по СО и NOx не превышают 10 ppm. Новизна инфракрасной горелки защищена Патентом РФ.
Апробация работы
Основные результаты выполненных исследований докладывались:
I Международная научно-техническая конференция, посвященная 70 летию основателя Рыбинской школы теплофизиков доктора технических наук, профессора Пиралишвили Ш.А.;
Всероссийская молодежная научная конференция с международным участием « Х Королевские чтения» 2010;
Ежегодный конкурс научно- исследовательских работ студентов вузов Ярославской области 2010;
Пятая Российская Национальная Конференция по Теплообмену
Международная научная школа «Проблемы газодинамики и теплообмена в энергетических технологиях» 2010;
XVI и XVII Школа-семинар молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева « Проблемы газодинамики и тепломассообмена в аэрокосмических технологиях» 2009, 2011;
Международная научная школа «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических технологиях», Москва, 2011;
Публикации: ключевые положения опубликованы в 7 научных работах, 3 из них в рецензируемых изданиях по списку ВАК.
Структура и объём диссертации. Диссертация содержит 126 стр. машинописного текста, 123 рис. и состоит из введения, 5-ти глав, заключения, списка литературы из 116 наименований.
