Диссертация (781919), страница 29
Текст из файла (страница 29)
Область наиболее интенсивного горения сосредотачивается практически замкнутымкольцом и совпадает с зоной пониженных давлений, куда происходит приток более холоднойсреды из других частей объема.178а) поле температур в средних сечениях первой зоны топочной камерыб) поле скоростей в средних сечениях первой зоны топочной камерыРисунок 3.18 – Результаты численного моделирования первой зоны топочной камеры горизонтального котельного агрегата с тангенциальным расположением горелокСредняя температура дымовых газов в области устья холодной воронки составляет приблизительно 550 °С, что значительно ниже температуры начала деформации золы, и обеспечиваетвозможность твердого шлакоудаления.
Высота холодной воронки выбрана равной 10 м, исходяиз обеспечения максимально возможного соответствия рекомендациям, и составляет 8,6·bг. Если представить, что в данном случае проектируется традиционная вертикальная топочная камера, и мысленно отнести 4-5·bг на расстояние от оси нижнего ряда горелок до начала ската холодной воронки, как рекомендуется нормативным методом, а остальную часть – на саму холодную воронку, то при bг = 1580 м конструкция топки камеры будет соответствовать принятымнормам.Таким образом, при разработке горизонтального котельного агрегата целесообразно выбрать прямоточные горелочные устройства с тангенциальной схемой расположения на двух боковых стенах и потолке топки.
Сама топочная камера при этом имеет квадратное сечение в ос-179новном объеме с размерами 18×18 м, а высота холодной воронки увеличивается до 10 м исходяиз обеспечения условий твердого шлакоудаления.Позонный расчет топочной камеры позволяет определить распределение температур продуктов сгорания по ее длине (рисунок 3.20). С этой целью топочная камера разделяется на девять зон. Согласно нормативному методу граница первой зоны должна находиться на 1,5 мдальше оси амбразур верхнего (дальнего) ряда горелок, но при горизонтальной компоновке котельного агрегата удобно ограничивать первую зону выходной плоскостью первой по ходу газов холодной воронки. Последующие зоны отделяются плоскостями, разделяющими на четыреравные части основания холодных воронок (рисунок 3.19).Рисунок 3.19 – Схема деления горизонтальной топочной камеры на зоныДлина (высота) топки, м605040302010011501200125013001350Температура дымовых газов, °С14001450Рисунок 3.20 – Распределение температур по высоте (длине) топочной камеры 1803.3.3.1 Исследование аэродинамики топочных процессов в горизонтальной модели топкикотла УСКПЭкспериментальные исследования проведены на физической модели топки, включающейнаилучшие технические решения по организации отдельных ее частей.
Для успешного выполнения экспериментальных исследований и подтверждения характеристик топки были решенытри задачи по организации внутритопочного пространства: определено оптимальное с точкизрения структуры течения положение и угол наклона горелочных устройств (разработана схемаустановки горелочных устройств); предложена новая конструкция холодных воронок, обеспечивающих минимальное аэродинамическое сопротивление; разработана конструкция поворотагазохода за топочной камерой, обеспечивающая минимальную степень неравномерности профиля скорости за поворотом для недопущения возникновения неравномерного распределениятепловых потоков в поверхностях нагрева. Проработка конструкции физической модели топкигоризонтального типа была проведена путем выполнения численного эксперимента с использованием программного продукта Ansys CFX.1) Оптимизация формы холодных воронокПредложенная конструкция горизонтальной топки предполагает организацию системышлакоудаления с помощью трех поперечных холодных воронок, расположенных в один ряд подлине топочной камеры.
Радиационные и конвективно-радиационные поверхности нагрева расположены за последней холодной воронкой (по ходу газов) перед поворотом газохода. Уклонхолодных воронок составляет 55°. Котельный агрегат рассчитан на твердый способ шлакоудаления.Основным требованием, предъявляемым к конструкции холодных воронок, является отсутствие заброса потока газов в зоне активного горения и невыпадение значительного количествачастиц золы (не более 5-7 %) в зону холодных воронок.
Также холодные воронки не должнысоздавать значительного аэродинамического сопротивления и не нарушать структуру вихревоготечения в топке.Проверка выполнения указанных требований проводилась до стадии экспериментальныхисследований путем численного эксперимента. В качестве рабочей среды для численного эксперимента был выбран атмосферный воздух, что позволило обеспечить сопоставимость полученных расчетных и опытных данных.
О выполнении требований, устанавливаемых для холодных воронок, можно судить по полученным эпюрам скорости, давления и линиям тока в трактемодели топки котла.181В ходе численного эксперимента задавался перепад давлений на входе и на выходе из топки котла. Граничными условиями эксперимента являлись два параметра: абсолютное давлениена входе и статическое давление на выходе из топки. Численный эксперимент выполнялся вдиапазоне перепадов давления от 1,2 до 2,1 МПа.
Изменение перепада давления позволило оценить изменение структуры течения воздуха в модели топки на различных режимах (при разныхрасходах воздуха). Для расчета была выбрана k-ε модель турбулентности со стандартной пристеночной функцией. В расчете было принято допущение об изотермичности стенки, что невлияет на сопоставимость данных в силу низких температур воздуха относительно температурыатмосферного воздуха.
Небольшой нагрев в 5-7 °С имеет место только в вентиляторе, расположенном за топкой, а, следовательно, в модели топки котла температура воздуха равна температуре атмосферного воздуха.В целях сокращения времени на проведение расчетов и, соответственно, увеличения количества проведенных численных экспериментов, численное моделирование истечения воздуха вмодели горизонтальной топки было рассмотрено только в части газового тракта топки до поворота газохода. Такой подход является допустимым, так как конструктивные особенности модели топки в выходной части оказывают незначительное влияние на структуру течения в силунизких скоростей движения воздуха в прямоточной части топки.На первом этапе выполнения задач по оптимизации формы холодных воронок было проведено численное моделирование течения воздуха в базовой модели топки горизонтального типа.Первый численный эксперимент был выполнен без включения в расчет уравнений движениятвердых частиц.
Было выполнено два численных эксперимента на базовой модели с граничнымусловием по максимальному перепаду давления 2,1 МПа, и минимальному – 1,2 МПа. Полученные результаты позволили судить о влиянии конструкции холодных воронок на основноевихревое течение в центре топки. Заданные для расчета граничные условия представлены втаблице 3.5.Таблица 3.5 – Условия и результаты численного эксперимента по воздушной продувке топочной камеры горизонтального типаПараметры расчетаУсловия экспериментаДавление полного торможения на входе в топку, кПаСтатическое давление на выходе из топки горизонатльного типа, кПаТемпература воздуха, °СВязкость, м2/с ×106Теплоемкость, кДж/(кг·К)Плотность, кг/м3Численный эксперимент № 1Численный эксперимент № 2101,325101,325100,12599,2252515,61,0051,1842515,61,0051,184182Продолжение таблицы 3.5Результаты экспериментаМассовый расход воздуха, кг/сСкорость воздуха на выходе из горелок, м/сСкорость воздуха на выходе из прямоточной камерытопки, м/с1,346131,842213,87,5Полученные в результате численного эксперимента № 1 результаты представлены на рисунках 3.21 и 3.22, результаты численного эксперимента № 2 – на рисунках 3.23 и 3.24.Рисунок 3.21 – Эпюры скорости с визуализацией линий тока в горизонтальной топочной камерес тремя поперечными холодными воронками (численный эксперимент № 1)а) середина первой холодной воронкиб) середина второй холодной воронкив) середина третьей холодной воронкиРисунок 3.22 – Эпюры статического давления в поперечных сечениях холодных воронок горизонтальной топочной камеры (численный эксперимент № 1)183Рисунок 3.23 – Эпюра скорости с визуализацией линий тока прямой камеры топки с тремя поперечными холодными воронками (численный эксперимент № 2)а) середина первой холодной воронкиб) середина второй холодной воронкив) середина третьей холодной воронкиРисунок 3.24 – Эпюры статического давления прямой камеры топки с тремя поперечными холодными воронками (численный эксперимент № 2)Согласно полученным данным предложенная конфигурация холодных воронок приводит кобразованию в них значительных вторичных вихревых образований как в при малом (1,2 МПа),так и при большом перепаде давления (2,1 МПа).
Воздушные массы, локализированные междугидрозатвором в нижней части холодных воронок и боковыми наклонными и прямыми стенками, приводятся в движение кинетической энергией центрального вихря за счет сил вязкости.Конструкция холодных воронок не предполагает разбивку и выдавливание вихрей в областьосновного течения. Более того, текущее расположение горелок способствует смещению ядраосновного вихреобразования вниз и влево, что приводит к увеличению потока воздуха, проходящего через холодные воронки (в особенности через первую по ходу воздуха). Аналогичная184структура течения, переложенная на полноразмерный котел, в котором происходят процессыгорения топлива и радиационного теплообмена, означала бы увеличение потерь от химическогонедожога в силу выпадения значительного количества частиц несгоревшего угольного топливав холодных воронках.
Большие аэродинамические потери, связанные с неизбежностью затратэнергии на циркуляцию воздушных масс в области холодных воронок, приведут к необходимости установки более мощных дымососов, что вызовет рост затрат энергии на собственные нужды. Также в результате описанного физического процесса происходит перемещение основногофронта горения и значительное повышение температуры в области холодных воронок, что будет нарушать режим теплообмена в котле.В целях получения данных по количеству частиц, выпадающих в холодных воронках, былпроведен численный эксперимент на той же модели топки, выступающей в качестве базовой, свключенными твердыми частицами.
Условия проведения численного эксперимента были аналогичны условиями численных экспериментов № 1 и № 2. Дополнительным условием, заданным при расчете, был расход твердых частиц, установленный на уровне 0,18 кг/с, что соответствует величине расхода топлива, уменьшенной в соответствии с масштабом модели топки.Расширенные граничные условия и параметры расчета представлены в таблице 3.6.Таблица 3.6 – Условия и результаты численного эксперимента по воздушной продувке топочной камеры горизонтального типа с включенными твердыми частицами.Численный эксперимент № 3Условия экспериментаДавление полного торможения на входе в топку, кПа101,325Статическое давление на выходе из топки горизо100,125натльного типа, кПаТемпература воздуха, ºС25Массовый расход твердых частиц, кг/с0,18Коэффицент упругости частиц0,9Диаметр частиц, мм0,126Вязкость, м /с ×1015,6Теплоемкость, кДж/(кг·К)1,005Плотность, кг/м31,184Результаты экспериментаМассовый расход воздуха, кг/с1,346Скорость воздуха на выходе из горелок, м/с13Скорость воздуха на выходе из топки, м/с3,4Параметры расчетаЧисленный эксперимент № 4101,32599,225250,180,90,115,61,0051,1841,842217,5Результаты проведенного численного эксперимента представлены на рисунках 3.25 и 3.26.185Рисунок 3.25 – Эпюра скоростей частиц с визуализацией линий тока с включенными твердымичастицами (численный эксперимент № 3)Рисунок 3.26 – Эпюра скоростей частиц с визуализацией линий тока с включенными твердымичастицами (численный эксперимент № 4)Данные численного эксперимента при двух значениях расхода воздуха на модели демонстрируют избыточное выпадение частиц в первой холодной воронке (1 на рисунках 3.25 и 3.26),что является недопустимым, поскольку значительная часть топлива не успеет сгореть, и по этойпричине возрастут потери с механическим недожогом.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
