Диссертация (781919), страница 32
Текст из файла (страница 32)
Отчетливовидна область с низкой скоростью газов, разделяющая верхний и нижний вихри, что свидетельствует об отсутствии передачи импульса, а значит и влияния кольцевых течений друг на друга взоне активного горения. В холодной воронке отсутствуют значительные вторичные вихри, основная его часть движется в сечении топки, достаточно полно и равномерно заполняя ее.После выхода потока из зоны активного горения, когда происходит значительное раскрытие вихрей, верхний вихрь несколько «поддавливает» нижний, в результате чего тот распадается.
Однако устойчивое вихревое течение необходимо прежде всего в зоне активного горения, апосле выхода из нее нет большой опасности интенсивного шлакования труб в силу сниженныхскоростей и температур.Косвенно об эффективности шлакоудаления можно судить по траекториям движения твердых частиц и оценить количество частиц путем численного моделирования. Поэтому вторая серия численных экспериментов была посвящена аэродинамической продувке с включеннымитвердыми частицами. Условия проведения расчета были аналогичны условиям численного эксперимента № 1, при этом были введены дополнительные параметры: расход твердых частицзадавался на уровне 0,1 кг/с, диаметр частиц 30 мкм, коэффициент упругости 0,5, плотность720 кг/м3.203Рисунок 3.46 – Поле скоростей в продольном сечении и вектора скорости воздушного потока насрезах ярусов горелок (100 % от номинального расхода)204Рисунок 3.47 – Поле скоростей в продольном сечении и вектора скорости воздушного потока насрезах ярусов горелок (75 % от номинального расхода)205Рисунок 3.48 – Поле скоростей в продольном сечении и вектора скорости воздушногопотока на срезах ярусов горелок (50 % от номинального расхода)Результаты численного моделирования представлены на рисунках 3.49-3.50.206Рисунок 3.49 – Объемная доля твердых частиц по ярусам на срезах горелокРисунок 3.50 – Эпюра скорости движения твердых частиц в поперечных сеченияхтопки по различным ярусамРезультаты расчетов с включением в поток твердых частиц показывают, что основная массачастиц, выходя из горелок вовлекается в кольцевой вихрь, где располагается основная зона горения топлива.
Траектории движения частиц в целом повторяют траектории движения воздушных потоков. При переходе от яруса к ярусу диаметр окружности, по которой вращаются частицы, увеличивается и происходит некоторое раскрытие вихря вследствие того, что поток изпоследующих горелок вовлекается в движение вокруг предыдущего.
На рисунке 3.49 видныскопления частиц в области холодной воронки. Однако следует заметить, что после выхода из207горелок основная масса частиц попадает в область кольцевых вихрей, где в реальном котельномагрегате происходит их выгорание, что в данном численном эксперименте не учитывается. Частицы неизменного диаметра при раскрытии вихрей будут выпадать из кольцевого течения. Исходя из отсутствия следов заброса значительной части твердых частиц в холодную воронкунепосредственно после выхода из горелок следует, что в данной конструкции топки не будетвысоких значений потерь, связанных с механическим недожогом топлива и его выпадением вхолодные воронки.В целом проведенные численные эксперименты по воздушным продувкам модели подтвердили формирование двух устойчивых вихрей, расположенных друг над другом, и обеспечениеустойчивой аэродинамики топочного пространства.
Одна продольная холодная воронка позволяет организовать эффективное шлакоудаление, не нарушая структуру течения и не создаваядополнительного аэродинамического сопротивления в тракте котла.Численные исследования аэродинамики подтверждают качественно картину течения средыв тракте котла, однако в реальном котельном агрегате в топке протекают сложные химическиереакции горения.
В химически реагирующем потоке под влиянием конвекции, химических реакций, молекулярного переноса и излучения скорость потока, давление, плотность и температура существенно меняются [274]. Данные изменения, безусловно, оказывают влияние на аэродинамику в топке, а значит необходимо провести проверку устойчивости аэродинамическойкартины в процессе горения топлива.Моделирование проводилось в программном комплексе Ansys CFX с использованием k-εмодели турбулентности со стандартной пристеночной функцией.
Скорость химической реакциигорения одновременно ограничивалась как скоростью турбулентного смешения компонентов,так и уравнением Аррениуса, для этого использовалась комбинированная модель Finit RateChemistry and Eddi Dissipation. Температура воздуха при подаче в топку составила 200 °С.В связи с тем, что основной целью эксперимента прежде всего является изучение аэродинамики факела и структуры течения газов приняты следующие допущения: стены топки задавались изотермичными, а сопряженная задача теплообмена между газами и топочными экранамине рассматривалась, так как процесс теплообмена не оказывает существенного влияния нааэродинамическую картину в топке при рассмотрении короткого участка.Подача топлива и воздуха в модель осуществлялась с помощью прямоточной горелки, разделенной на два канала: канал аэросмеси, в который подаются 30 % всего необходимого воздуха на горение, и канал вторичного воздуха, куда подаются остальные 70 %.
Результаты численного эксперимента показаны на рисунках 3.51 и 3.52.208a) в поперечном сечении на срезе ярусов горелокб) в продольном сеченииРисунок 3.51 – Поля температур в прямоугольной двухвихревой топке209Рисунок 3.52 – Линии тока в продольном направленииНа представленных рисунках видно, что результаты численного моделирования подтвердили формирование устойчивой аэродинамической картины в разработанном конструктивномпрофиле топки. Фронт горения топлива располагается в пределах кольцевых вихрей, которыенесколько расширяются при переходе от яруса к ярусу горелок, при этом существенных набросов факела на стены топки в ее сечении не наблюдается.Выходя из зоны активного горения, поток сохраняет равномерное вращательнопоступательное движение и полностью заполняет сечение топки, что свидетельствует о равномерном распределении теплового потока по сечению топки.Результаты моделирования многочисленных вариантов конструктивного исполнения топочного устройства котельного агрегата показали, что двухвихревая топка прямоугольного сечения позволяет организовать тангенциальный подвод топливовоздушной смеси, благодаря которому в топке формируется устойчивая аэродинамическая картина, обеспечивающая эффективное сжигание топлива, защиту топочных экранов от чрезмерного зашлаковывания и равномерное распределение теплового потока по сечению топки.
Горелочные устройства, расположенные на боковых стенах топки, доступны для обслуживания. Конструкция холодной воронкипозволяет организовать эффективное шлакоудаление, не нарушая аэродинамику топки, а размещение нижней амбразуры горелок на рекомендуемом расстоянии от начала ската холодныхворонок позволяет горячим газам охладиться для обеспечения твердого шлакоудаления.Для подтверждения результатов проведенных численных исследований были разработанымасштабные модели топочных камер рассматриваемых вариантов (рисунок 3.53) и выполненыфизические эксперименты по их аэродинамической продувке. Совокупные результаты прове-210денных расчетов и экспериментов позволили сделать выводы о работоспособности разработанной конструкции топки горизонтального котла.а) квадратная топкаб) двухвихревая призматическая топкаРисунок 3.53 – Модели горизонтальных топокФизический эксперимент подтвердил формирование двух устойчивых кольцевых вихрей взоне активного горения топлива и исключение прямого высокоскоростного динамического воздействия топливных струй на противоположные стены топки в диапазоне расходов рабочейсреды от 50 до 100 % от номинального значения.
После выхода из горелок струи движутся подуглом, равным углу наклона горелок к вертикальной оси. Ближе к центру топки, в точке касания к условной окружности, они сталкиваются, формируя замкнутые кольцевые вихри, послечего начинается их плавное расширение по мере развития течения в продольном направлении.В продольном направлении диаметр вихрей увеличивается вследствие вовлечения в потокструй от последующих ярусов горелок, что соотносится с результатами численного моделирования.Основные характеристики разработанных конструктивных профилей котла с УСКП приведены в таблице 3.9.211Таблица 3.9 – Характеристики разработанных конструктивных профилей котла с УСКПЗначениеТопка квадратного Двухвихревая призматисеченияческая топкаформа сечения топкиквадрат со сторопрямоугольник со стоной 18 мронами 12 и 31 мвысота топки (без учета холодных воронок), м 1831количество горелочных устройств3632число ярусов горелок64расположение горелочных устройствна четырех стенахна двух боковых стенахтопкитопкишлакоудалениедве продольныходна продольная холодхолодные воронкиная воронкаХарактеристика1) Аэродинамические характеристикиАэродинамика в топке является одной из важнейших характеристик для котельного агрегата.
Устойчивое горение топлива, шлакование топочных экранов, распределение тепловых потоков на топочные экраны и теплообмен в конвективных поверхностях нагрева – все это в большой степени зависит от аэродинамических характеристик конструктивного профиля топки.Численные и физические экспериментальные исследования показали, что оба конструктивных профиля обладают высокими аэродинамическими характеристиками. Организация подводатоплива и конструкция топочных камер формируют устойчивые кольцевые вихри, что обеспечивает устойчивое горение и защиту стен топки от налипания шлака.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
