Диссертация (781919), страница 31
Текст из файла (страница 31)
При переходе отяруса к ярусу диаметр вихря увеличивается. По результатам эксперимента диаметр кольцевоговихря от первого яруса горелок к последнему увеличился на 60-65 %. Это происходит из-за того, что закрученный поток от каждого последующего яруса движется вокруг предыдущего[273]. Устойчивое вихревое течение сохраняется вдоль прямой камеры. Таким образом, разработав новую форму холодных воронок и схему включения горелок, были решены задачи пообеспечению на примере модели условий, необходимых для эффективного сжигания топлива,таких как исключение зон повышенного динамического давления факела на топочные экраны,рассредоточение высокотемпературного ядра факела по ширине, глубине и высоте топки, исключение выпадения значительного количества горящих частиц в холодную воронку.Рисунок 3.38 – Эпюры скорости потока воздуха с визуализацией линий тока.Модель горизонтальной топки с новой схемой включения горелок195а) срез первого яруса горелокб) срез второго яруса горелок в) срез третьего яруса горелокг) срез на выходе из топочнойкамерыРисунок 3.39 – Векторы скорости потока воздуха в поперечных сечениях модели топки (перепад давления 2,1 МПа)196а) срез первого яруса горелок б) срез второго яруса горелокв) срез третьего яруса горелокг) срез на выходе из топочнойкамерыРисунок 3.40 – Векторы скорости потока воздуха в поперечных сечениях модели топки (перепад давления 1,2 МПа)197Также на рисунках 3.39 г и 3.40 г показано, что кольцевая вихревая структура течения сохраняется вплоть до части топки, где располагаются первые пароперегревательные поверхности.
В случае полноразмерного котла при прохождении через ширмовый и конвективный пароперегреватели вихревая структура разрушится. Конвективные поверхности нагрева, в частностиэкономайзер, установлены за поворотом газохода. Эксплуатационные качества котельных агрегатов зависят от степени равномерности поля скоростей на входе в поверхность нагрева. В случае возникновения значительной неравномерности возникают динамические нагрузки на трубах, что сокращает межремонтный интервал. При превышении нормативных значений скоростипотока в газоходах отдельные участки труб могут зашлаковываться значительно быстрееостальных частей.
Поэтому важное значение приобретает рациональная организация поворотагазохода, которая обеспечивала бы низкую степень неравномерности поля скоростей на входе вповерхность нагрева.3.3.3.2 Двухвихревая топочная камера котла горизонтальной компоновкиРазмещение горелок на четырех стенах топки позволяет добиться равномерного распределения воздействия вытекающих струй по условной окружности, где происходит их столкновение, в результате чего формируется устойчивое вихревое течение среды в геометрическом центре сечения топки.Однако установка ряда горелок между холодными воронками является не лучшим решением с позиции эффективного шлакоудаления.
Размещение ряда горелок на нижней стене топкивлечет за собой наличие на ней горизонтальной поверхности, на которой будут неизбежнонакапливаться крупные шлаковые отложения. Под воздействием высоких температур зола размягчается, расплавляется и может оседать на слабонаклонных и горизонтальных поверхностях.В этом случае частицы не гранулируются и скатываются, а накапливаются на стенах. Когда образовавшийся слой золы достигает значительной толщины, температура на наружной поверхности стены сильно увеличивается, что ведет к спеканию золовых частиц и образованию достаточно крупных отложений.
Данные отложения периодически отрываются и падают в шлакоприемное отверстие, что значительно затрудняет работу шлакоудаляющих устройств [272].Возможна доработка предложенной конструкции топки, заключающаяся в продлении стенхолодных воронок, как показано на рисунках 3.41 и 3.42. Выполнение нижней стенки в видеконуса с углом, равным углу наклона холодных воронок, будет оказывать отрицательное влияние на аэродинамическую картину, так как будет вносить дополнительное аэродинамическиесопротивление и нарушать структуру течения. К тому же выходные сечения горелок будут зажаты между двумя стенами, где могут скапливаться крупные шлаковые наросты.198ДополнительноеаэродинамическоесопротивлениеНарушение структурытеченияЗначительноеуменьшение высотыхолодных воронокРисунок 3.41 – Конструктивный профиль горизонтальной топки квадратного сеченияРисунок 3.42 – 3D-модель конструктивного профиля топки котла с нижней стеной, выполненной в виде конусаДругим недостатком предложенной конструкции является большой угол наклона стен холодных воронок, который составляет 75°, что на 10-20° превышает существующие рекомендации.
Уменьшение угла наклона на 10° приводит к существенному сокращению высоты холодных воронок (рисунок 3.41). По существующим рекомендациям в котельных агрегатах большоймощности для организации твердого шлакоудаления рекомендуется располагать нижний рядгорелок на расстоянии не менее 10-12 м от горловины холодных воронок [273]. К тому же рекомендуется размещать нижний ряд горелок на некоторой высоте от начала скатов холодныхворонок для организации зоны охлаждения газов, что невозможно при данной схеме включениягорелок.199Также расположение горелочных устройсв на четырех стенах топки горизонтальногокотельного агрегата значительно усложнит подвод топливовоздушной смеси, особенно кгорелкам, расположенным между холодными воронками, для этого потребуются сложныесистемы пыле- и воздухопроводов, которые будут огибать холодные воронки.
Системышлакоудаления, находящиеся под холодными воронками, будут препятствовать доступу книжнему ярусу горелочных устройств, что значительно осложнит проведение работ по ихобслуживанию.Тангенциальный подвод топливовоздушной смеси можно реализовать, разместив горелочные устройства на двух противоположных стенах топки, что позволит добиться формированиякольцевого вихря без размещения горелок на нижней стене топки (рисунок 3.43).Рисунок 3.43 – Тангенциальный подвод топливовоздушной смеси при расположении горелок надвух противоположных сторонах топкиВ этом случае в одном ярусе возможно расположить только четыре горелочных устройства,а значит для размещения 36 горелок, необходимых для работы котла на номинальной мощности, необходимо девять ярусов горелок, что превышает существующие рекомендации и приведет к существенному увеличению длины топки.
Поэтому для котлов большой мощности частоприменяют вытянутую по ширине топку с двумя холодными воронками, где пространство топки разделено двусветным экраном на два объема квадратного сечения, в каждом из которыхформируется кольцевой вихрь [272]. Очевидно, что для горизонтальной компоновки котельногоагрегата «вытягивание» конструктивного профиля по ширине невозможно, так как в этом случае горелки можно будет разместить лишь на потолке и боковых стенах топки, что не обеспечит формирования вихревого течения. Предложена конструкция вытянутой в высоту топкипрямоугольного сечения, где в продольном направлении формируются два вихря за счет тангенциального подвода топлива с противоположных стен топки, расположенных друг над дру-200гом.
Число горелок в одном ярусе в предложенной конструкции составит восемь. При небольшом увеличении единичной мощности каждой горелки и расположении их в четыре ярусаобеспечивается возможность подвода необходимого количества топлива и воздуха. Конструктивный профиль котла и схема размещения горелок представлены на рисунке 3.44.Рисунок 3.44 – Конструктивный профиль прямоугольной топки горизонтального котлаУстановка двухсветного экрана посередине невозможна по причине его неизбежного зашлаковывания, сложности монтажа и влияния на кольцевую структуру течения продуктов сгорания.
Увеличение высоты топки позволяет уменьшить ее ширину при неизменной площадиэкранных поверхностей нагрева. Новая ширина топки обеспечивает возможность установки одной продольной холодной воронки. Предложенная конструкция топки дает возможность располагать нижний ряд горелок от начала скатов холодных воронок на расстоянии h = 4·b.
Выполнение данного условия позволит добиться охлаждения дымовых газов и эффективного шлакоудаления.Расчетная 3D-модель конструктивного профиля котельного агрегата представлена на рисунке 3.45.201Горелки, формирующие верхнийвихрьГорелки, формирующие нижнийвихрьЗона охлаждения газов длятвердого шлакоудаленияРисунок 3.45 – Расчетная 3-D модель конструктивного профиля горизонтальной топки прямоугольного сеченияДля получения предварительной аэродинамической картины в разработанном конструктивном профиле топки и проверки возможности формирования устойчивого двухвихревого течения было проведено несколько серий численных экспериментов в программном комплексе Ansys CFX.Первая серия экспериментов включала в себя аэродинамическую продувку модели.
Рабочейсредой в численном эксперименте был выбран атмосферный воздух, что позволяет сопоставлять расчетные и экспериментальные данные. Вторая серия экспериментов включает в себяаэродинамическую продувку с включением движения твердых частиц. Третья серия экспериментов посвящена изучению аэродинамики при сжигании топлива в разработанной топке котла.При выполнении первой серии численных экспериментов в качестве граничных условийзадавался расход рабочей среды, соответствующий (в масштабе) расходу движущихся газов вполноразмерном котле. Была выбрана k-ε модель турбулентности со стандартной пристеночнойфункцией.
Стенки модели изотермичны. На выходе из модели задавалось статическое давление.Так как котельный агрегат должен обеспечивать разгрузки до 50 % от номинальной тепловой мощности, структура течения должна быть устойчивой не только в базовом режиме нагрузки, но и во всем диапазоне изменения паропроизводительности котла, поэтому для проверкиработоспособности конструктивного профиля было проведено три численных эксперимента,отличающихся расходом рабочей среды: 100, 75 и 50 % базового расхода.
Заданные для расчетаграничные условия представлены в таблице 3.8.202Таблица 3.8 – Граничные условия и результаты численного эксперимента по воздушной продувке топочной камеры горизонтального типаЧисленный экс- Численный эксперимент №1перимент №2Граничные условия на входеРасход воздуха0,750 кг/с0,563 кг/сТемпература воздуха25 °С25 °С3Плотность воздуха1, 184 кг/м1, 184 кг/м326Вязкость воздуха м /с ×1015,615,6Граничные условия на выходеСтатическое давление, кПа101,325101,325РезультатыСкорость воздуха на выходе из го26 м/с19 м/срелокПерепад давления в топке0,41 кПа0,23 кПаПараметры расчетаЧисленный эксперимент №30,375 кг/с25 °С1, 184 кг/м315,6101,32513 м/с0,1 кПаРезультаты численного эксперимента представлены на рисунках с 3.46 по 3.48.Результаты численного эксперимента подтверждают формирование двух кольцевых вихрей, расположенных друг над другом, во всем диапазоне расходов рабочей среды.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
