145803 (Вихревые горелки), страница 3

Рис.1.30. Экспериментальная топка IFRF для исследования теплообмена в се­рии испытаний М-3.

Существует много различных типов топок - топка котла электростанции отличается, например, от топок в металлургической и обрабатывающей промышленностях. Топки играют важнейшую роль в современном обществе, и их эффективность и характеристики загрязнения среды могут привести к далеко идущим последствиям. Однако во всех случаях особенно важ­ной является возможность управления пламенем с целью со­здания заданных распределений лучистого и конвективного теплообмена, полного сгорания, предотвращения шума, пульса­ции и чувствительности к изменениям свойств топлива. В боль­шинстве топок пламени придается некоторая закрутка с целью повышения устойчивости, тогда как в некоторых других случаях, например в котлах с тангенциальной подачей топли­ва, потоки на входе направляются тангенциально к огневому ядру, образующемуся в центре камеры.

Рис.1.31. Конструкции высокоскоростных туннельных горелок: а - горизонтальная; б - наклонная.

Тогда в камере с закруткой возникает слабый эффект циклонного типа или в ре­зультате получается циклонная камера с движением закру­ченного потока относительно геометрической оси оборудования. Важными конечными характеристиками процесса являются температура, распределение тепловых потоков на стенках и эффективность сгорания, и они непосредственно связаны с об­разованием загрязняющих веществ, таких, как сажа и оксиды азота. Конструктору и оператору необходимо знать, как эти параметры зависят от количества движения и угла подачи струй топлива, температуры предварительно подогретого возду­ха и формы камеры. Ясно, что проблема моделирования очень сложна, она включает взаимодействие турбулентного горения многих химических компонент с многофазными процессами (частицы жидкого или твердого топлива и углерода в поле те­чения) и с лучистым теплопереносом. Как указывается в лите­ратуре, моделирование в той или иной степени включает рас­пределение по размерам частиц (рассчитанное в диапазонах конечных размеров во всех точках области), потоковые или. зонные характеристики лучистого теплопереноса и данные о рас­пределении сажи (сажа образуется в результате термического разложения углеводородов и ликвидируется окислением; оба процесса представляют собой сложную задачу химической ки­нетики).

В случае турбулентных диффузионных пламен процесс сгорания определяется структу­рой потока и смешением. В обзоре обсуждаются методы рас­чета, основанные на законах подобия турбулентных струй, тео­рии потока в гомогенном реакторе и на полных уравнениях в частных производных для турбулентного течения. При сгора­нии капель и частиц необходимо учитывать скорости гетероген­ных реакций и требуется знать распределения частиц по раз­мерам и в пространстве. Эмиссия загрязняющих веществ, та­ких, как углеводороды, сажа и оксиды азота, может быть уменьшена соответствующим управлением закономерностями изменения температуры и концентрации в области сгорания. В обзоре представлены также методы расчета лучистого пото­ка тепла от пламени к тепловым стокам в порядке возрастаю­щей сложности: модель с хорошим перемешиванием, модель длинной топки, многопотоковая модель и зонный метод анали­за.

Рассмотрим теперь некоторые применения закрученных те­чений: в горелках, вихревых устройствах и циклонах.

Особый случай представляют тороидальные горелки (рис.1.36), которые конструируются специально для достиже­ния высокой интенсивности тепловыделения при высокой тем­пературе в результате сжигания жидкого или газообразного топлива с непосредственным использованием кислорода. Про­дукты сгорания с высокой степенью диссоциации обеспечивают очень большие конвективные потоки тепла при рекомбинации на более холодных поверхностях; примеры их применения включают процессы рафинирования стали и меди при их про­изводстве электродуговым методом или в мартеновских печах. В этих горелках иногда возникает неустойчивость, аналогичная встречающейся в ракетных двигателях. Для ракетных двигателей характерны три основных типа неустойчивости: неустойчи­вость в камере сгорания, неустойчивость системы и собствен­ная неустойчивость. К первой категории от­носятся явления гидродинамической неустойчивости, возникаю­щие во многих системах сгорания, но особенно в камерах сго­рания твердотопливных и гибридных ракетных двигателей. Пример приведен на рис.1.37, где в определенной конструкции камеры сгорания, аналогичной тороидальной горелке, возникает гидродинамическая неустойчивость. Вблизи форсунки образу­ется тороидальный вихрь. Он захватывает горячие газообраз­ные продукты сгорания, поступающий из форсунки окислитель, газообразное горючее из области поверхности горючего, сопри­касающейся с вихрем. При критических условиях смесь этих газов воспламеняется и сгорает, создавая местное повышение давления, распространяющееся вниз по потоку. Этот процесс периодически повторяется.

Во многих других типах циклонных пылевых газоочистите­лей, циклонных сепараторов, пылеосадителей с вращающимся потоком и форсунок для распыления жидкого топлива исполь­зуются свойства закрученного и вихревого течений. На­пример, в циклонных сепараторах (рис.1.38) крупные части­цы отбрасываются к стенкам под действием центробежных сил (или вследствие недостаточной величины центростремительных сил) в сильно закрученном потоке. Они опускаются вме­сте со вторичным течением и собираются в нижней части, в то время как относительно свободный от пыли воздух продолжает движение в центральном ядре и выходит у противополож­ного конца.

Центробежные эффекты также проявляются в на­гревателях типа бака с перемешиванием, когда бак с жидкостью нагревается от окружающей паровой рубашки. Переме­шивание жидкости с помощью колеса с лопатками и установ­ленные на стенке перегородки увеличивают турбулентность и интенсифицируют теплоперенос.

4. ХАРАКТЕРНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ЗАКРУЧЕННЫХ ПОТОКОВ

В топливосжигающих устройствах наряду с другими воз­можностями воздействия на характеристики пламени часто ис­пользуется закрутка . Закрутка воздуха, впрыскиваемого топлива или того и другого весьма благоприятно сказывается на структуре течения, что в свою очередь способствует дости­жению проектных характеристик устройств. Для того чтобы придать потоку вращение, используются лопаточные завихрители, закручивающие устройства с аксиаль­но-тангенциальным подводом, а также непосредственный тан­генциальный вдув в камеру сгорания. Интенсивность закрут­ки обычно характеризуется безразмерным параметром S, кото­рый представляет собой отношение потока момента количества движения к потоку осевого импульса, умноженному на эквива­лентный радиус сопла. Согласно экспериментальным данным закрутка влияет на крупномасштабную структуру потока и пропорциональ­но своей интенсивности изменяет ширину струи, скорость эжекции, темп вырождения неравномерности (в химически инерт­ных потоках), размер, форму и устойчивость факела и интен­сивность процесса горения (в потоках с химическими реакция­ми). В сильнозакрученных потоках (где S > 0,6) имеются значительные осевые и радиальные градиенты давления, кото­рые приводят к образованию ЦТВЗ, отсутствующей при мень­ших значениях параметра закрутки. Наличие этой зоны с ин­тенсивной завихренностью способствует выполнению ряда тре­бований, предъявляемых к камерам сгорания, а именно позволяет:

1. Уменьшить длину факела за счет повышения скорости эжекции воздуха из окружающей среды и увеличения интен­сивности перемешивания вблизи среза сопла и границ рециркуляционной зоны.

2. Повысить устойчивость факела благодаря вовлечению горячих продуктов сгорания в рециркуляционную зону.

3. Увеличить время жизни оборудования и уменьшить по­требность в его ремонте, поскольку стабилизация осуществляется аэродинамическими средствами, и потому воздействие пламени на твердые поверхности (воздействие, приводящее к перегреву и образованию нагара) минимально.

Кроме ЦТВЗ, появляющейся при значениях параметра за­крутки, превышающих некоторую критическую величину, в ка­нале с внезапным расширением может возникать угловая рециркуляционная зона. О существовании этой зоны и о ее влия­нии на характеристики пламени хорошо известно специалистам по горению, которые стараются использовать рециркуляцию горячих продуктов сгорания и плохообтекаемую форму зоны как средство повышения эффективности процесса горения. В сложных турбулентных реагирующих потоках взаимное влияние распыления топлива, закрутки, больших сдвиговых напряжений и рециркуляционных зон сильно осложняет иссле­дование устойчивости пламени, его осредненных и пульсационных характеристик.

Как уже отмечалось, даже основные свойства течения количественно определены с недостаточной степенью точности; это относится, например, к угловой и приосевой рециркуляционным зонам, существование, форма и раз­мер которых зависят в основном от следующих факторов:

1. Интенсивность закрутки; характеризуется параметром за­крутки S или углом установки лопаток завихрителя φ.

2. Способ создания закрутки - с помощью лопаточного за­вихрителя или закручивающего устройства с тангенциальным подводом, а в зависимости от типа устройства реализуется вращение по закону свободного вихря, по закону вращения как целого или поток с равномерным распределением окружной скорости.

3. Наличие втулки (отношение d/d_h).

4. Степень диффузорности камеры сгорания (отношение D/d).

5. Наличие на выходе вихревой горелки диффузорной над­ставки (из огнеупора) или камеры с внезапным расшире­нием.

Форма надставки, угол наклона торцевой стенки камеры с внезапным расширением α.

6. Процесс горения.

7. Поджатие выходного сечения камеры сгорания.

8. Форма лопаток завихрителя - плоские или профилиро­ванные.

9. Форма лопаток завихрителя - радиальные или простран­ственные.

Рис. 4.1. Схема вихревой горелки с аксиально-тангенциальным подводом:

1 - трубка для впрыска топлива; 2 — аксиальная подача воздуха; J — тангенциаль­ная подача воздуха; 4 — направляющие устройства; 5 — четыре прямоугольных от­верстия размером 20 X 100 мм для тангенциальной подачи воздуха.

На практике наиболее распространены два типа топливосжигающих устройств, в которых используется закрутка:

Рис.4.2. Схема камеры сгорания циклонного типа с распределенной подачей топлива и воздуха (конструкция ЭНИН). Камера относится к типу IV.

1) вихревая горелка (рис.4.1), из которой поток истекает в атмосферу, в топку или замкнутую полость. Горе­ние происходит главным обра­зом за сечением выхода вне горелки. Набор таких горелок можно использовать для под­держания огня в топке или в замкнутом объеме.

2) камера сгорания циклон­ного типа, в которой подвод воздуха осуществляется тан­генциально, а выхлоп произво­дится через отверстие в цен­тре торцевой поверхности (рис. 4.2). Горение происходит главным образом внутри цик­лона, а его стенки часто слу­жат теплообменником.

При достаточно больших значениях числа Рейнольдса и большой величине парамет­ра закрутки (Re > 1,8∙10⁴ и S > 0,6) в обоих системах об­разуется ЦТВЗ и генерируется высокий уровень турбулентно­сти. Циклоны обычно исполь­зуются для сжигания плохо горящих материалов, таких, как бурый уголь, уголь с большой зольностью или органические отходы. Течения с сильной закруткой, приводящей к образованию рециркуляционных зон, можно создать различными способами:

• тангенциальным подводом (закручивающее устройство с аксиально-тангенциальным подводом)

• непосредственным вращением (вращающаяся труба);

• спиральным закручивающим устройством;

• эймёйденским закручивающим устройством с адаптивны­ми блоками (более подробное описание дано ниже.

При создании лопаточ­ных завихрителей в настоящее время используются профили­рованные пространственные лопатки, которые более эффективно закручивают поток. У таких лопаток передняя кромка распо­лагается навстречу набегающему потоку, и потому отрывная зона минимальна, а в результате получается более равномер­ный поток на выходе. Важной характеристикой таких лопаток является угол установки задней кромки.

Помимо параметра закрутки поток, в котором наблюдается явление распада вихря, характеризуется также числом Рейнольдса, определяющимся параметрами на выходе из сопла и его диаметром:

где Ucp — среднее значение осевой составляющей скорости,. v—кинематическая вязкость, зависящая от температуры на выходе из сопла.