Исследование параметров вихревого потока при сжигании газа

УДК 621
ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ВИХРЕВОГО ПОТОКА ПРИ СЖИГАНИИ ГАЗА
1)
Штым К.А.1), Соловьёва Т.А.1)
Дальневосточный федеральный университет, г. Владивосток, Россия
По проекту кафедры “Теоретической и общей теплотехники” ДВГТУ (на сегодняшний
день кафедра “Теплоэнергетики и теплотехники” ДВФУ) на сжигание природного газа в двух
циклонно-вихревых предтопках (ЦВП) [1] был модернизирован водогрейный котёл ПТМВ-100
ст.№2 Якутской ТЭЦ (ЯТЭЦ), см. рис.1. На одном из предтопков проведены исследования
формирования и развития закрученного потока. Длина камеры сгорания предтопка L=1750 мм,
диаметр D=1510 мм. Замеры производились в трех сечениях. Первое сечение на расстоянии
Х=300 мм (X/D=0,199) от торца камеры сгорания ЦВП, второе на расстоянии Х=770 мм
(X/D=0,51) от торца и третье на расстоянии Х=1170 мм (X/D=0,77) от торца. Вид ЦВП с расположением экспериментальных сечений и бобышек для ввода зонда представлен на рис.2. Для
исследований был изготовлен зонд (рис. 3). Исследовательский цилиндрический зонд позволил
пневмометрическим методом измерить векторы скорости вихревого потока, направление вихревого “холодного” и “горячего” потоков, статическое и динамическое давление потока, состав
газов на содержание О2 и СО.
Рис. 1. Водогрейный котёл ПТМВ-100 ст.№2 Якутской ТЭЦ
Газ в камеру сгорания ЦВП подводился тангенциально, аксиально и через сопла в переднем торце. Для определения оптимального долевого соотношения газа по вводам, эффективного способа раздачи газа по длине камеры сгорания и определения эффективной области подвода газа, при исследованиях производилось комбинирование подвода газа. Были определены
оптимальные подводы газа на горение для растопочного, номинального и основного (базового)
режимов работы котла. Основным режимом работы котла при номинальных и базовых нагрузках является режим при комбинировании подвода газа через тангенциальный, торцевой и осевой вводы. В данной статье условия формирования закрученного потока рассматриваются для
основного режима работы котла и ЦВП.
Задачей исследований являлось - оценка характера развития процесса горения в камере
предтопка, сопоставление теоретических и полученных опытных данных.
а) расположение экспериментальных сечений
1
б) вид снаружи
2
3
в) вид изнутри
Рис.2 Вид ЦВП с экспериментальными сечениями
Рис. 3 Пневмометрический цилиндрический исследовательский зонд
Взаимосвязь между основными параметрами исследуемого закрученного потока проанализируем в сравнении с идеальным плоским вихрем [2], безразмерные характеристики которого
представлены на рис. 4.
 Н пол
Р
W
а)
б)
в)
Рис. 4 Изменение безразмерных основных параметров идеального плоского вихря по радиусу
За масштабные величины приняты параметры на границе между твердым и потенциальным вращением - максимальная тангенциальная скорость Wmax и радиус rmax на котором тангенциальная составляющая вектора полной скорости Wmax максимальна. Закономерности изменения основных параметров представлены от относительного радиуса вращения =r/rmax.
Относительная масштабная величина перепада полного напора (рис. 4а) расcчитана по
формуле:
 Н пол 
H
1
  W2max
2
(1)
Относительная величина перепада статического давления (рис. 4б) расcчитана по формуле:
 P стат 
Р
1
  W2max
2
(2)
Относительная величина тангенциальной составляющей вектора полной скорости вращения (рис. 4в) расcчитана по формуле:
W
W
(3)
W max
Как видно из рис. 4а в комбинированном идеальном вихре без стока среды (вихре “Рэнкина”) полный напор сохраняется неизменным в зоне потенциального (безвихревого) вращения, а
затем убывает в зоне твердого вращения до значения Н пол  1 на оси. Тангенциальная скорость (рис. 4в) в зоне потенциального вращения возрастает до максимального значения, а затем
убывает с постоянной угловой скоростью, что соответствует вращению твердого тела. Статическое давление (рис. 4б) согласно условию равновесия в радиальном направлении убывает в зоне потенциального вращения до нулевого значения при переходе в приосевую зону разрежения.
Рассмотрим изменение основных параметров реального вихревого вращения, полученных
при проведении исследований. Формирование в ЦВП “холодных” вихрей осуществлялось при
условиях подачи воздуха в камеру ЦВП на остановленном котле, а формирование “горячих”
вихрей осуществлялось при работе котла и ЦВП на основном режиме - подача газа через тангенциальный, торцевой и осевой вводы.
Сопоставление данных исследований закрученного “холодного” потока с идеальным вихрем показало наличие во вращающемся “холодном” потоке двух областей: квазитвёрдой и квазипотенциальной. Характер изменения полного напора, который представлен рис.5а, практически сохраняется неизменным в зоне потенциального (безвихревого) вращения, а затем убывает
в зоне твердого вращения до отрицательных значений в приосевой области.
а)
W , м/ с
б)
в)
Рис. 5 Изменение основных параметров “холодного” вихря по радиусу
Тангенциальная скорость (рис. 5в) в зоне потенциального вращения возрастает до максимального значения, а затем убывает, в зоне твердого вращения. В области пережима тангенциальная составляющая скорости максимальна во всех трех экспериментальных сечениях и со-
ставила Wmax =(37-40) м/с. Максимальная по значению тангенциальная составляющая W вектора полной скорости условно разделяет между собой области квазитвердого и квазипотенциального вращения, переход между которыми осуществляется постепенно и принципиально
обуславливается диаметром выходного отверстия – пережимом. Конструктивно радиус пережима соответствует R=630 мм.
Статическое давление “холодного” вихря (рис. 5б) убывает в зоне потенциального вращения до нулевого значения, при переходе в приосевую область рст убывает в зоне разрежения
аналогично характеру изменения статического давления идеального плоского вихря без стока
(рис. 4б).
Рассмотрим изменение основных параметров “горячего” вихря, см рис. 6.
а)
б)
в)
Рис. 6 Изменение основных параметров “горячего” вихря по радиусу
На рис.6а представлен характер изменения полного напора, который не постоянен в квазипотенциальной области, но при этом сохраняется наличие во вращающемся “горячем” потоке
двух областей - квазитвёрдой и квазипотенциальной. В квазитвердой области при распределении Нпол по сечению ЦВП отмечается влияние стока и неизотермичности потока, так как снижение полного напора в зоне твердого вращения в приосевой области не достигает отрицательных значений. Максимальная по значению тангенциальная составляющая вектора полной скорости W = 23-33 м/с так же условно разделяет между собой области квазитвердого и квазипотенциального вращения в зоне пережима, рис. 6в.
Разрежение в осевой и приосевой зоне отсутствует по всей длине камеры сгорания ЦВП
(рис. 6б). Относительно несущественное снижение статического давления неизотермического
потока на входе (потенциальная область) и увеличение значения давления в приосевой зоне в
сравнении с теоретическим параметром идеального плоского вихря (рис. 4б) и значениями параметров “холодного” потока (рис. 5 б) объясняется тем, что в процессе сгорания топлива объём среды увеличивается как минимум четырёхкратно, что влечёт необходимость затрат вход-
ной энергии Нпол на стабилизацию закрученного потока и необходимость вывода (выталкивания) потока из камеры, осуществляемое в осевой зоне камеры ЦВП.
Таким образом, при сравнении основных параметров идеального плоского вихря без стока
с основными параметрами “холодного” и “горячего” вихрей отмечается наличие квазитвердой
и квазипотенциальной зон в обоих исследуемых экспериментах, переходом между которыми
является область максимальных значений тангенциальной скорости.
Реальное распределение основных параметров “холодного” потока со стоком среды близко
к характеру распределения параметров в идеальном вихре без стока.
Наличие радиального и осевого стока, а так же неизотермичность “горячего” вихря существенно изменяют основные параметры “горячего” потока в сравнении с идеальным вихрем.
При этом неизотермичность и сток потока вносят принципиальные отличия в распределении
основных параметров - Нпол, рст, W.
Наличие радиального и осевого стоков “холодной” и “горячей” сред наглядно отражает характер изменения осевой составляющей вектора полной скорости Wх по радиусу камеры ЦВП,
см. рис. 7.
а) “холодный” вихрь
б) “горячий” вихрь
Рис. 7 Изменение основных параметров “горячего” вихря по радиусу
Осевая скорость Wx “холодного” потока (рис. 7а) изменяется 0 м/с до 17 м/с, при этом изменение Нпол, рст и W “холодного” вихревого потока не принципиально отличается от идеального плоского вихря. Поэтому расчёт “холодных” вихревых камер по модели идеального плоского вихря, которым пользуются при моделировании и проектировании вихревых устройств,
логически оправдан и обоснован.
Осевая скорость “горячего” вихревого потока (рис. 7б) в 2 раза больше осевой скорости
“холодного” потока и даже превышает по значениям тангенциальную составляющую вектора
скорости “горячего” вихря на выходе из камеры W. При расчёте вихревых камер этот аспект
надо принимать во внимание, так как существенно изменяются основные параметры потока в
сравнении с идеальным вихрем.
Неизотермичность потока и сток вихря при проектировании, моделировании и изготовлении вихревых устройств для сжигания топлив необходимо учитывать.
Список литературы
1. Штым К.А., Соловьёва Т.А. Оценка эффективности распределения воздуха и газообразного
топлива в циклонно-вихревом предтопке // Тез. док. Всероссийской конференции ХХХI Сибирский теплофизический семинар. – Новосибирск, 2014. – С 474 – 476.
2. Штым А.Н., Штым К.А., Дорогов Е.Ю. Котельные установки с циклонными предтопками.
Владивосток: Издат. дом Дальневост. федерал. ун-та, 2012. - 421 с.