CC BY
86
УДК 6211801 П. А. БАТРАКОВ
Омский государственный технический университет
ЧИСЛЕННОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ ОКСИДА АЗОТА ПРИ СЖИГАНИИ ПРИРОДНОГО ГАЗА В ТОПКАХ РАЗЛИЧНОГО ПРОФИЛЯ ГАЗОТРУБНЫХ КОТЛОВ
В статье представлены результаты численного анализа процессов тепло-переноса и течения реагирующих газов в топках различных форм сечений газотрубных котлов. Расчеты выполнены с использованием программного комплекса ANSYS CFX. Представлены графические результаты исследования в виде переменных, характеризующих экологическую характеристику работы топки и котла в целом. Для выработки рекомендаций по выбору рациональной области максимальных значений экологических характеристик работы газотрубного котла с топками различного профиля приведены значения температур и концентрации оксидов азота на выходе.
Ключевые слова: газотрубный котел, топка, оксид азота.
Основным токсичным компонентом, образующимся при сжигании природного газа в топках паровых и водогрейных котлов, являются оксиды азота ИОх [1—3]. Оксиды азота оказывают негативное воздействие на здоровье людей, в частности на органы дыхания [4, 5].
При сжигании органических топлив в топках котлов азот, содержащийся в топливе и воздухе, взаимодействуя с кислородом, образует оксиды: ИОх = N0 + ЫО2 + Ы2О. Основная доля образовавшихся в продуктах сгорания паровых и водогрейных котлов N0 (95...99 %) приходится на монооксид (оксид) азота N0. Диоксид N02 и гемиоксид N20 азота образуются в значительно меньших ко-
личествах. Образование монооксида (оксида) азота при сжигании органических топлив происходит как за счет окисления азота воздуха так и за счет окисления азота, содержащегося в топливе. В настоящее время известны три механизма, по которым происходит образование оксидов азота: термический, быстрый и топливный. При образовании термических и быстрых N0 — источником азота является воздух, а в случае образования топливных N0 азотсодержащие составляющие топлива [3].
Механизм образования термических оксидов азота был предложен Я. Б. Зельдовичем. Реакции образования термических N0 характеризуются высокой энергией активации, поэтому образова-
Рис. 2. Распределение температур и скоростей в топке при различных формах её профиля: а — прямоугольная; б — квадратная; в — круглая; г — эллипс горизонтальный; д — эллипс вертикальный
ние оксидов азота происходит в области высоких температур, превышающих 1800 К. Концентрация термических N0 интенсивно возрастает от начала зоны горения и достигает наибольших значений непосредственно за зоной максимальных температур. Далее по длине факела концентрация оксидов азота практически не изменяется [4].
Исследования по сжиганию углеводородных то-плив, проведенные Фенимором [4], показали, что во фронте пламени за весьма короткий промежуток времени происходит образование оксидов азота по механизму, отличному от предложенного Я. Б. Зельдовичем. Обнаруженный оксид азота был назван быстрым из-за достаточно большой скоро-
сти его образования в корневой части факела. При этом вблизи зоны горения наблюдались значительные количества цианида водорода НС^ что объясняется реагированием молекулярного азота с углеводородными радикалами.
Реакции образования быстрых оксидов N0 протекают достаточно энергично при температурах 1200—1600 К, когда образование термических оксидов азота практически не происходит.
Далее представлены результаты решения реализованных в ANSYS-CFX [6]. Расчетная область топки газотрубного котла приведена на рис. 1, при этом предусматривается изменение формы профиля топки.
Рис. 3. Распределение средних температур газовой смеси в топке при различных формах профиля от числа Re
Рис. 4. Зависимость mass fraction NO( /mass fraction NO от числа Re
Изменяемыми величинами при численном исследовании являлись: форма профиля топки: прямоугольного, квадратного, круглого, горизонтально расположенного эллипса, вертикально расположенного эллипса (рис. 1), скорости топливовоздушной смеси на входе в топку. Экологическую эффективность топки характеризуют прежде всего концентрация NOx на выходе из топки.
На рис. 2 в изометрии изображено распределение температур, а линиями — распределение скоростей внутри топки.
Очевидно, что горение газа сопровождается температурными возмущениями и конвективными явлениями [7]. Область горения совпадает с размерами факела, границей которого является изотерма с максимальной температурой. Внутри топочного пространства процесс горения определяется временем химических процессов.
На рисунках видно как формируется факел по длине топки, а так же как распределяется поле температур. С учетом рис. 2 возможно проанализировать и определить нахождение средних температур по длине топки, в идеале факел должен занимать весь топочный объем и не касаться стенок. Также необходимо обратить внимание на распределение скоростей для определения их воздействия на теплообмена и рециркуляцию.
С ростом скорости наблюдается рост средних температур (рис. 3). Максимальные значения T
L J L v± ' average
соответствуют большим значениям чисел Re из-за больших теплоинерционных свойств топочного объема по сравнению с теплоинерционными свойствами факела. Причем минимальные средние температуры соответствуют топке в форме вертикального эллипса, что свидетельствует об интенсивном теплопереносе от факела к стенке.
Одновременно с изменением формы профиля и увеличением числа Re уменьшается концентрация оксидов азота на выходе из топки котла. Это дости-
гается за счет увеличения скорости газового потока
Re, уменьшения средней температуры T газо' J 1 г—I L j L average
вой смеси в топке и наличию процессов рециркуляции [2, 3, 7] в соответствии с уравнением:
NO + vpFuel^1/2N2 + vCO2CO2 + vH2OH2O,
где v — стехиометрический коэффициент; Fuel — разновидность топлива.
На рис. 4 представлены зависимость отношения (mass fraction NO) / (mass fraction NO) от чисел Re (mass fraction NO — массовая концентрация оксидов азота на выходе из топки с поперечным сечением в форме круга, i = 1, 2, 3, 4 mass fraction (NO)1 — массовая концентрация оксидов азота на выходе из топки с поперечным сечением в форме вертикального эллипса, mass fraction (NO)2 — массовая концентрация оксидов азота на выходе из топки с поперечным сечением в форме горизонтального эллипса, mass fraction (NO)3 — массовая концентрация оксидов азота на выходе из топки с поперечным сечением в форме квадрата, mass fraction (NO)4 — массовая концентрация оксидов азота на выходе из топки с поперечным сечением в форме прямоугольника).
При теоретических исследованиях определенно, что топка с формой профиля в виде вертикально расположенного эллипса имеет концентрации NO на выходе из топки минимальные значения у топки с формой профиля в виде вертикального эллипса. По отношению к кругу концентрация NO на выходе ниже на 20 — 23 %.
Библиографический список
1. Пашков, Л. Т. Основы теории горения / Л. Т. Пашков. — М. : МЭИ, 2002. - 136 с.
2. Михайлов, А. Г. Вопросы образования оксидов азота при сжигании газообразных и жидких топлив / А. Г. Михай-
лов // Омский научный вестник. Сер. Приборы, машины и технологии. - 2009. - № 3 (83). - С. 103-106.
3. Росляков, П. В. Нестехиометрическое сжигание природного газа и мазута на тепловых электростанциях / П. В. Росляков, И. А. Закиров. - М. : МЭИ, 2001. - 144 с.
4. Михайлов, А. Г. Эффективные поверхности теплообмена в топке газотрубного котла : моногр. / А. Г. Михайлов, П. А. Батраков. - Омск : ОмГТУ, 2014. - 120 с.
5. Пугач, Л. И. Энергетика и экология / Л. И. Пугач. -Новосибирск : Изд-во НГТУ, 2003. - 504 с.
6. ANSYS CFX-Solver Theory Guide. ANSYS CFX Release 11.0 / ANSYS, Inc. // Southpointe 275 Technology Drive. -Canonsburg : PA 15317, 2006. - 312 p.
7. Михайлов, А. Г. Расчет процессов переноса теплоты в топке котла / А. Г. Михайлов, С. В. Теребилов // Омский научный вестник. Сер. Приборы, машины и технологии. — 2009. — № 1 (77). - С. 151-152.
БАТРАКОВ Петр Андреевич, старший преподаватель кафедры теплоэнергетики. Адрес для переписки: peter_1cool@mail.ru
Статья поступила в редакцию 07.09.2015 г. © П. А. Батраков
УДК 621.92.02
И. А. БУГАЙ Е. В. ВАСИЛЬЕВ М. В. ВАСИЛЬЕВА
Омский государственный технический университет
ПОВЫШЕНИЕ ТОЧНОСТИ И ЭФФЕКТИВНОСТИ ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ ИЗ ТРУДНООБРАБАТЫВАЕМЫХ МАТЕРИАЛОВ ВЫСОКОТОЧНЫМИ СБОРНЫМИ ПРОТЯЖКАМИ С ТВЕРДОСПЛАВНОЙ РЕЖУЩЕЙ ЧАСТЬЮ_
Разработка конструкции протяжки, позволяющей осуществлять обработку поверхностей с более высокой точностью и ресурсом инструмента. При обработке деталей из труднообрабатываемых материалов существующие конструкции протяжек и инструментальные материалы не обеспечивают стабильность получаемых размеров и стойкости инструмента. Использование сборных протяжек с твердосплавной режущей частью с радиусом округления лезвия менее 1 мкм позволяет добиться увеличения точности обработки поверхностей до 2 мкм и увеличить срок службы протяжки до 3 раз. Ключевые слова: протяжка, твердый сплав, стойкость, производительность, крепление, обработка.
Данная работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ в рамках договора № 02.G25.31.0099.
Важнейшим и обязательным требованием современного машиностроительного производства является систематическое повышение требований к деталям из труднообрабатываемых сплавов на алюминиевой, никелевой и титановой основе. Повышение износоустойчивости данных материалов приводит к возникновению трудностей с их механической обработкой, в частности с протягиванием. При протягивании контуров сложной формы используются комплекты протяжек, состоящие из 2 и более протяжек. В качестве инструментального материала режущей части протяжек, как
правило, используют быстрорежущую сталь Р18. Не всегда физико-механические свойства данной стали удовлетворяют требованиям стойкости инструмента и стабильности получаемых размеров при обработке различных труднообрабатываемых материалов.
Применение сборных твердосплавных протяжек позволяет: увеличить период стойкости протяжек в среднем в 4-6 раз, увеличить подъём на зуб и тем самым сократить длину протяжки. Крепление твердосплавных пластин на основание протяжки возможно двумя способами: пайкой и механическим
