Теория горения газообразного и жидкого топлива Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

УДК 541.126

А. Г. МИХАЙЛОВ

Омский государственный технический университет

ТЕОРИЯ ГОРЕНИЯ ГАЗООБРАЗНОГО

И ЖИДКОГО ТОПЛИВА_______________________________

В статье рассматриваются вопросы расчета топок котлоагрегатов с использованием методик, описывающих процессы в ламинарных и турбулентных струях реагирующей газовой смеси.

Ключевые слова: топка, пламя, ламинарная, турбулентная, аэромеханика.

В топках современных котлов для автономного теплоснабжения горение газообразного и жидкого топлива чаще всего происходит в факеле. В ряде известных работ (1, 2, 3] рассматриваются подобные вопросы, приводятся аналитические решения для определения характеристик факела, которые, как полагают авторы, являются определяющими при проектировании топки.

Ламинарное диффузионное пламя

Теория ламинарной струи используется в качестве основы теории горения. Задача состоит в расчете длины, ширины, формы и структуры пламени, которое образуется при истечении горючего газа из отверстии в неподвижную атмосферу. Теория построена для случая однородности свойств газа и носит приближенный характер 11, 2\. Основные допущения при формировании математической модели — предполагается, что пламя характеризуется следующими чертами: стационарностью ламинарного точения; быстрой химической реакцией; однородностью давления; пренебрежимо малым влиянием диффузии, теплопроводности и вязкости в осевом направлении (по оси х); пренебрежимо малым влиянием источников энергии (например, в результате излучения); малым числом Маха; пренебрежимо малым влиянием сил плавучести; равенством коэффициентов р, Г. Х/с; однородностью плотности и вязкости. Сама математическая модель включает в себя следующие уравнения в частных производных: неразрывности; количества движения; уравнения сохранения массы горючего и сохранения массы окислителя; уравнение сохранения энергии. Решение данной системы при определенных граничных условиях (1 ] имеет вид:

их

їх

Л-/т

адЛе г0Яе А,, - /іж г0 Де 8

= -їі+-Ке-С

16

(1)

где и — скорость, х — координата, го— радиус в плоскости входа газа, Ке — критерий Рейнольдса, Л — энтальпия, ( — смесевая доля, индекс «О» — плоскость входа газа, ««»> — параметры находятся на большом расстоянии от входа газа.

По методу Я. Б. Зельдовича |2, 3| можно получить приближенное аналитическое решение для определения плотности потока массы (массовой скорости течения) т и нормальную скорость распространения пламени V при условии, что скорость химической реакции постоянна:

(2)

(3)

где X — коэффициент теплопроводности, одинаковый для исходною и конечного продуктов реакции; ср — изобарная теплоемкость, одинаковая для исходного и конечного продуктов реакции; IV — скорость расходования исходного реагента; р - плотность участников реакции горения.

Турбулентное диффузионное пламя

Рассматривается идеальный случай осесимметричного турбулентного диффузионного пламени Данная модельаналошчна принятой для ламинарного пламени, за исключением того, что вместо молекулярной массы используется эффективная вязкость, которая постоянна по всему пространству. Пренеб-регаются всеми эффектами, связанными с изменением плотности, кроме расчета потока количества движения, в котором используется действительная плотносгыюдаваемого вещества — горючею. Учитываются пульсации величины Ги связанных с ней параметров. Основные параметры осредняются по времени. Тогда математическое описание идеального турбулентного пламени имеет вид 11 ]:

— = 7 = 6,57— ц, х

Ы”К)Т -

где Оп = 2г0; р — плотност ь.

При определении режимов турбулентного горения в соответствии с рекомендациями (2| скорость распространения турбулентного пламени по аналогии с формулой (3):

= 1 ¡2*т™т РУ Ср

(5)

где индекс «Г» — соответствует осредненным по времени параметрам.

Горение капли жидкого топлива

В большинство энергетических устройств и печей жидкие топлива впрыскиваются в пространство

камеры сгорания н виде, капель. Существуют математические модели, в которых аналитически описывается процесс горения последних [ 1. 2). Основные допущения при этом следующие: предполагается, что существует сферическая симметрия, т.е. не рассматриваются нерадиальные движения газа; состояние газа является квазистационарным; плотность газа значительно меньше плотности жидкости и количество топлива, находящегося в газовой фазе, в любой момент времени значительно меньше, чем в капле; расстояние между каплями значительно больше, чем диаметры капель; кинетические константы таковы, что значительного проникновения топливного пара или окислителя через зону реакции не происходит; коэффициенты переноса Г не зависят от радиуса. Опуская подробности решения данной задачи, запишем конечные формулы для определения скорости горения (б) и времени горения (7) капли:

1 +

Ф„-Ф

-Г.М /С0

\ с/г Л)

8ГЬ(Ж 1п

, + {С(Т.-Ткип) + Нток./5} о0/сй

(6)

(7)

где — скорость массообмена; — начальный диаметр капли; — массовая доля химически инертного вещества; г— радиус капли; Н — энталышя; т — масса; Г—температура; рж — плотность топлива; 5 — коли-чеспю окислителя; О —количество теплоты, выделившееся при сгорании топлива. В выражениях использованы следующие индексы: О/С — окислитель; КИП — кипение; 0 - начальное значение величины; — значение параметра на некотором удалении.

В соответствии с теорией Шваба-Зельдовича 12, 3| время полного сгорания /г определяется следующей формулой:

. 4я т 1

Г =--------Р. VII —

3 т

(8)

Если жидкое топливо подано в виде капель, то можно вычислить время испарения капель

8Гпор/.

ні)

и сравнить ею с величиной С№<11. Есливремя испарения капель превышает время смешения в струе, то следует использовать модель горения капель. Такое положение имеет место в ракетных двигателях. В другом предельном случае следует использовать модель горения при смешении струй, применимую для пламени в печах.

Уравнения аэромеханики

В настоящее время для детального расчета температурного состояния настенного металла в современных котлах требуе тся знание локальных тепловое -приятий на всех участках топочных стен. Кроме тою, нужно знать результирующий радиационный тепловой поток в выходном окне топочной камеры.

Поэтому горение топлива в топочном объеме необходимо рассматривать как совокупность взаимообусловленных аэродинамических, тепловых и химических процессов. Очень часто как раз физические факторы оказывают определяющее влияние на полноту сгорания и условия воспламенения. Только при идеальном перемешивании (что рассматривалось выше) аэродинамическими процессами можно пренебречь. Рассмотрим основные уравнения, которые описывают реагирующую газовую смесь.

Для произвольного объема, ограниченною гладкой поверхностью, запишем выражение, отражающее закон сохранения массы /с-го компонента газовой смеси:

&+у,Л>у,;-о.

(12)

Определим относительную массовую концентрацию Л-го вещества

К‘-р‘/р.

где рх - плотность жидкого топлива; г^0— радиус капли в начальный момент времени; т — скорос ть испарения с поверхности капли, которая также рас-считынается (2).

Комбинация модели горения капли и модели турбулентных струй

Время, требующееся для того, чтобы капли подаваемою топлива, двигаясь вдоль оси, достигли стехиометрической поверхности, можно вычислить следующим образом. Длина начального участка струи определяется выражением (1 ]

х, - 6,57

/ ч<>,5

Рц

ь Р'Л і

А,-

(9)

Время достижения каплей конечной точки контура стехиометрического состава

где р*- плотность /г-го компонента, р — плотность смеси, I — время, V' — комнента скорости.

Введём в рассмотрение относительную скорость V = И - V, относительно наблюдателя, движущегося со скоростью центра масс V, и запишем уравнение неразрывности компонентов смеси:

=-г/р(у* - !у,(Ру'‘к/)+—, (13)

ОТ Р Р

где МЛ — скорость изменения массы /г-го компонента.

Для импульса единицы объема ри, и для энергии единицы объема ре запишем:

+^, (ру, V,) = V ,а„ + X р* /,* ;

(14)

фс)

¿п

+ У1(реО = У,(о,/1',)-У1<?|+Хр*/>;, (15)

и*=0>5^-

%

где ст(/— тензор напряжений, q— компонента вектора (10) плотности потока тепла, // — компонента равнодействующей внешних сил.

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК М» 1 (ВТ) 20Л0

Данные выражения дополняются уравнением состояния и граничными условиями. Решается система (12) — (15) численными методами (2,4], что позволяет рассчитать не только суммарный и локальный теплообмен, но и структуру потоков излучения в топочном пространстве, а также соотношение лучистой и конвективной составляющих теплопереноса к каждому участку стен и помогает отыскать оптимальные значения при выборе размеров и формы топочной камеры, количество и расположение горелок.

ЬнОлиографнчсскпй список

1. Сполдинг. Д.Б. Горение и массообмси /ДБ. Сполдинг. — М.: Машиностроение, 1985. - 237 с.

УДК 621.316.3

2. Пашков, Л.Т. Основы теории горения / Л.Т Пашков. -М.: Изд-во МЭИ. 2002. - 136 с.

3. Зельдович. Я.В. Математическая теория горения и взрыва / Я.Б. Зельдович. — М.: Наука. 1980 — 582 с.

4. Михайлов. А.Г. Методы расчета теплообмена и топках

котлов / А.Г. Михайлов // Омский научный вестник. Серия »Приборы, машины и технологии*. - Омск, 2008. — N<»3(70). -С-81-84. ____________________________

МИХАЙЛОВ Андрей Гаррьевич, кандидат техничес-ких наук, доцент кафедры «Гидромеханика и транспортные машины».

Адрес для переписки: 644050, т. Омск, пр. Мира, 11.

Статья поступила в редакцию 16.12.2009 г.

© Л. Г. Михайлов

А. С. НЕНИШЕВ А. В. ГЛАЗЫРИН

Омский государственный технический университет

НОВАЯ СХЕМА ЦИРКУЛЯЦИИ КОТЛОВ КВ-ГМ-3,65 С ПООЧЕРЕДНО СМЕЩЕННЫМИ МЕМБРАНАМИ ____________________

Разработаны и успешно эксплуатируются новые стальные водогрейные котлы серии КВ-ГМ, в которых в активном теплообмене участвует более 92% поверхности нагрева работающей под давлением. Новая схема циркуляции котла обеспечивает повышенные скорости воды в теплонапряженной части топочного экрана.

Ключевые слова: несимметричная нагрузка, водогрейный котел.

Основным фактором, определяющим надежность работы водогрейных котлов, является исключение парообразования в любом из элемен тов поверхности нагрева котла на всех режимах работы.

Тепловые расчеты существующего водогрейного котла КВ-ГМ —3,65 показывают, что локальное теп-лонапряжение в определенных местах поверхности нагрева заметно меняется в различных частях поверхности нагрева котла. Соответственно, в этих местах количество теплоты, отводимой циркулирующей в трубах водой должно увеличиваться для исключения процесса парообразования.

В то же время в традиционных конструкциях водогрейных КОТЛОВ скорость движения ВОДЫ во всех параллельно включенных трубах сохраняется одинаковой, с усреднением в зависимости от величины поступающих теплопых потоков.

Поэтому одной из основных задач, при разработке новых конструктивных схем водогрейных котлов этой серии, является обеспечение надежного охлаждения стенок труб в области максимального несимметричного тепловосприятия вокруг ядра юрепия факела, в местах наброса на экраны и первых рядах конвективного пучка труб с одновременным снижением тепловых разверок в цельносварной трубной панели.

Конструкция котла с новыми поверхностями нагрева [1] компоновалась таким образом, чтобы

скорость движения воды в трубах заметно возрастала в зоне ядра горения или в местах возможного наброса факела на экраны, т.е. там, где увеличивается тепловое напряжение поверхности нагрева. Необходимая скорость воды в трубах экранов, в соответствии с падающими тепловыми потоками на каждом участке экрана рассчитывалась для каждого вида топлива и максимальной нагрузки котла по формуле [ 1)

V

Ч' = — х

с1

1

0,023 х Рг

.(1)

где IV — скорость воды в трубах, м/с; и — кинематическая вязкость воды, м^/с; с1 — внутренний диаметр трубы (канала), м; Ргм— критерий Прандтлядля воды; I— коэффициенттеплопроводности, вт/(м*К); дти1— максимальная плотность теплового потока, вт/м2; Ы—температурный напор; 8—толщина стенки трубы (канала), мм; р — коэффициент растечки теплоты; Р — отношение наружного диаметра трубы к внутреннему.

Поверхность нагрева новой конструкции котла с производительностью 3,65 МВт выполнялась из гори-зо!ггальных цельносварных мембранных и-образиых панелей 111. Фронтовой экран с меньшим уровнем