Введение к работе
Актуальность. В настоящее время в связи с бурным развитием вычислительных средств резко возрос интерес к решению технических задач путём моделирования рабочих процессов. В данной работе рассматривается моделирование процессов теплообмена в топочной камере парового котла с естественной циркуляцией.
Ресурс и надёжность парового котла в значительной мере определяется температурным состоянием теплообменных поверхностей. В особенно тяжёлых условиях работают поверхности экранов топочной камеры. Неравномерный обогрев по ширине экранов приводит к различному расходу среды в параллельно работающих трубах и может вызвать такие нарушения гидродинамики, как застой и опрокидывание потока. Эти режимы неустойчивые и приводят к переменным условиям охлаждения труб, а значит, вызывают их усталостные разрушения.
Для расчёта температурного состояния экранных поверхностей требуется комплексный подход, учитывающий передачу теплоты от топочного пространства к трубам и внутренний теплообмен от поверхности труб к пароводяной смеси.
Разработка и развитие методов расчёта теплообмена в топке позволяет выбрать оптимальное конструкторское решение при разработке новых котлов, а также обеспечить надёжную работу при модернизации, изменении вида топлива, режимных параметров установленного оборудования.
Целью диссертационного исследования является решение комплексной задачи гидравлического расчёта контура с естественной циркуляцией, учитывающей локальные значения тепловосприятий экранных поверхностей.
Основные задачи исследования:
усовершенствовать метод сферических гармоник и программу расчёта радиационных тепловых потоков в дисперсных средах, образующихся при сжигании твёрдого топлива;
усовершенствовать метод характеристик и программу расчёта радиационных тепловых потоков в однородных средах, образующихся при сжигании природного газа;
выполнить анализ результатов исследований и соотношений для расчёта параметров пароводяной смеси;
разработать программу расчёта контура с естественной циркуляцией, учитывающую локальные значения тепловых потоков;
выполнить численные исследования условий циркуляции солевого контура парового котла БКЗ-320-13,8ГК.
Научная новизна полученных результатов:
обобщены и представлены в виде аппроксимаций результаты экспериментальных измерений температуры и степени выгорания для различных видов твёрдых топлив и горелочных устройств;
разработана модель формирования концентрации и размеров дисперсной фазы, а также основных радиационных свойств среды в объёме топки, позволяющие решать уравнение переноса методом сферических гармоник;
применительно к методу характеристик расчёта радиационных тепловых потоков обоснован выбор диффузных граничных условий в изотропном приближении;
установлено расчётным путём влияние профиля температуры топочных газов, размеров топки на распределение радиационных тепловых потоков;
решена задача гидравлического расчёта контура с естественной циркуляцией, учитывающая тепловосприятие отдельной трубы обогреваемого элемента.
Практическая значимость работы:
разработанные методы позволяют рассчитать температурное состояние экранных поверхностей контуров циркуляции, расчётами определить надёжность работы котлов.
Результаты работы используются в учебном процессе при выполнении бакалаврских работ, курсовом и дипломном проектировании, а также в расчётных исследованиях циркуляционных контуров котлов-утилизаторов ПГУ-блока.
Рекомендации по использованию результатов:
результаты могут быть использованы на предприятиях, занимающихся разработкой котельных агрегатов, а также эксплуатирующими организациями для расчёта надёжности котлов при изменении режимов работы и вида используемого топлива;
Достоверность научных положений подтверждается использованием признанных в мировой практике методов расчёта радиационных свойств дисперсной фазы по теории рассеяния Ми, радиационного переноса в -приближении метода сферических гармоник, а также совпадением результатов расчёта с имеющимися экспериментальными данными. Подтверждением достоверности является также баланс теплоты, выделившейся при сгорании топлива, и интегрального значения тепловых потоков.
На защиту выносятся:
разработанный метод формирования параметров дисперсной фазы и радиационных свойств среды в объёме топки, этапы модернизации программного комплекса и результаты расчётов радиационных тепловых потоков к стенкам топочного объёма при сжигании твёрдых топлив;
усовершенствованный метод и результаты расчёта радиационных тепловых потоков в топках при сжигании природного газа;
результаты расчёта циркуляционных контуров барабанного котла БКЗ-320-13,8ГК при сжигании природного газа.
Основные методы научных исследований. В исследованиях использованы методы вычислительной математики, программирования, теории дифференциальных уравнений, теории горения твёрдого топлива и аэродинамики топочных газов, теории цилиндрических (Бесселевых) и сферических (Лежандра) функций, теория радиационного теплообмена. Расчёты проводились по программам, разработанным на алгоритмическом языке Compaq Visual Fortran 6.6.0. Графоматематическая обработка результатов выполнена в среде пакетов программ Matlab, Advanced Grapher и MS Excel.
Апробация работы. Основные положения разработанных методов и результаты расчётных исследований докладывались на следующих конференциях.
II, III, IV, V Молодёжная научная конференция «Тинчуринские чтения», 2007г., 2008 г., 2009 г. соответственно.
XIV и XVI Международная науч. техн. конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» в Москве, 2008, 2010 гг.
XII аспирантско-магистерский семинар, посвящённой Дню энергетика и 40-летию образования КГЭУ, 2008 г.
XIII аспирантско-магистерский семинар, посвящённой Дню энергетика, 2009 г.
Публикации. Основные результаты диссертационной работы представлены в 9 печатных работах, среди которых три статьи опубликованы в журналах, рекомендованных ВАК РФ.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, трёх глав и списка литературы (92 наименования). Работа содержит 139 страниц, 8 таблиц и 65 рисунков.
Личное участие автора. Представленные результаты получены лично соискателем под руководством д.т.н. А.Б. Шигапова.
