Численное моделирование процессов тепломассопереноса при турбулентном горении газового топлива в топочном объеме Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

УДК 62-9

А. Г. МИХАИЛОВ Э. Э. НОВИКОВА Е. Н. СЛОБОДИНА С. В. ТЕРЕБИЛОВ

Омский государственный технический университет

ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛОМАССОПЕРЕНОСА ПРИ ТУРБУЛЕНТНОМ ГОРЕНИИ ГАЗОВОГО ТОПЛИВА В ТОПОЧНОМ ОБЪЕМЕ

Рассматриваются особенности конструкций топок газотрубных котлов. Приводятся результаты численных расчетов с использованием к—е модели турбулентного горения тепловых процессов в реверсивных и проточных топках для газового топлива. Максимальные значения температуры газовой смеси в объеме и концентрации оксидов азота соответствуют проточной топке.

Ключевые слова: газотрубный котел, реверсивная топка, горение, температура, оксиды азота.

Развитие конструкций паровых и водогрейных котлов в начале своего пути шло по двум основным направлениям — газотрубный и водотрубный способ нагрева теплоносителя. В первом случае продукты сгорания двигались изнутри разделительной поверхности, а вода омывала поверхность нагрева снаружи, во втором случае теплоноситель двигался внутри, а дымовые газы — снаружи.

Наибольшую поверхность нагрева (до 300 м2) имели комбинированные газотрубные котлы, у которых топкой являлась жаровая труба, а конвективной поверхностью — дымогарные трубки. По ходу дымовых газов существуют агрегаты с оборотом дымовых газов (реверс) в жаровой трубе или с двойным ходом, с тройным ходом дымовых газов [1, 2].

Основным токсичным компонентом, образующимся при сжигании природного газа и мазута в топках газотрубных котлов, являются оксиды азота ИОх. Оксиды азота оказывают негативное воздействие на здоровье людей, в частности на органы дыхания [3 — 6].

При сжигании органических топлив в топках котлов азот, содержащийся в топливе и воздухе, взаимодействуя с кислородом, образует оксиды: ИОх = НО + НО2 + Ы2О. Основная доля образовавшихся в продуктах сгорания паровых и водогрейных котлов ИОх (95...99 %) приходится на монооксид (оксид) азота N0. Диоксид ИО2 и гемиоксид И20 азота образуются в значительно меньших количествах.

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 [3-6].

Для описания турбулентных течений реагирующих газов используется модель турбулентности с двумя уравнениями. В ней значения скорости и значения характерной длины определяются с использованием различных транспортных уравнений (отсюда термин — «два уравнения»).

Эта модель турбулентности получила название к —е (к — турбулентная кинетическая энергия, е — величина рассеивания кинетической энергии) [7 — 9].

Рассмотрим основные уравнения, которые описывают реагирующую газовую смесь при следующих основных допущениях: газовая смесь, заполняющая топочный объем — серое тело; теплота от факела к стенке в основном переносится излучением и конвекцией; внутри пограничного слоя давление не изменяется вдоль нормали к контуру тела и равно соответственному давлению на внешней границе пограничного слоя; внутри температурного пограничного слоя члены, характеризующие изменение энергии вследствие конвекции и изменения времени, одного порядка с членами, характеризующими изменение энергии вследствие молекулярной теплопроводности; суммарный перенос теплоты на границе раздела газовой смеси — стенка осуществляется за счет конвективного теплообмена и излучения; реагирующий газ СН4 — 100 %, окислитель — воздух;

— неразрывности для всей смеси:

| ) = 0,

(1)

66

где р — плотность газовой смеси; и — вектор скорости; I — время;

— неразрывности для каждого компонента:

д(р1, ), д{ры y ) а (г д(pYj )

д,

дх,

дх,

\

i'ff

дх,

+ Sr

ленир метана) ; S о рр-

т Р

ства I -компошн+а; р 1 —

Г,

мом ент ов:

+ v-(peff vu) о

u-Vf+V-^VUY + B,

U :

U-U о

ди и ди+ ди f

дх ду

dz

U-(pU ®и)о

iiPuJ+l^l (ии)

|<Х'.uJ+§ KuJ+f (uuU

энергии и диссипации:

д{рк )

д.t

V - pUk ) = V

дрс)^

д,

р + — \Vk

С

V - (pUs) =

= V-

— + Р^|VP с

где Ccl, Cs2, U( р

Ph = —,VU -(VU + VUT)--Rv-U{3p,v-U + pk) + p

опредезения в+зкости:

к —е модель основывается на концепции турбулентной вязкости, поэтомо

Pf = Р + Р,,

(7)

(2)

где 4 — сиорость обрнзования 1-иомпонента (опре-деняется с иытнм ииндтической схемы о кис-

где [ — динамическая вязкость. В данной модели предполагается, чео турбуоентная вязоость /о{ свяо зана с турбулентной кинетической энергией и диссипацией через выроженое:

— концентрация веще-плотность 1-комионента;

Г1Р и Н1 о- -ДДа- — коэффициент дифф-зии; Г. — ко-

Осн '

эффиднеоо диффузии для 1-компонента; — турбулентна- составляющая динамической вязкости; у

Ос и а--чисыыо Шмидаа; о— кннематиоеская вяз-

к2

Р, = CpP—,

(8)

где С— справочная константа [8].

Переменные ь и е омляются ]эезульеатом решения дифференц ульных транспортных равнений для турбулентных киметичесоой онергии и диссипации:

— уравнение состоякит :

Уравнение состояния, предложенное Редли-хом — Квонгом, выгвдет следующим образом [7]:

P =-

RT

a(T )

и - b + н u(u + b) '

(9)

(3)

где В — сумма осех сил, деосовующих но объем газа, — эффектино) тудбионтнад вязкость,

Р — давлоние. Ю формулад ]3Ы — (и) используются следующие обмышочонид:

+ Pk -ps, (4)

+ р ^Срр - Cp2ps\ (5) к

оправ очные ке^станты [5]; Рк — параметр турб^т^е^т^ноотя, еараятеризует соотношение можду сяками вязкости и синами, выталкивающими Ркь [8] и

(6)

где V — удельный объем. Величины а, Ь, с — константы, зависящие от конкретного вещества.

Начальные условия. Принимаются значения всех параметров, входящих в систему уравнений, при времени 1 = 0 и при начальной температуре Т=300 К.

Граничные условия. Принимаются значения всех переменных, входящих в систему уравнений, наоснове рекомендаций [8].

Расчеты концентраций оксидов азота в топочном объёме при наличии турбулентного горения осуществляются вероятностным методом.

Ниже приводятся результаты расчетов по к —е модели турбулентного горения с учетом излучения реагирующих газов (модель излучения Р1) с использованием программного комплекса АНБУБ-СРХ, выполненные для топки газотрубного котла мощностью 200 кВт.

Длина топки — 1 метр. Топливо — природный газ, окислитель — воздух. Скорость подачи метана постоянна (40 м/с), скорость подачи окислителя — переменна.

Температура газовой смеси в топочном объеме является определяющим параметром для определения эффективности работы котла. Также при тепловом расчете данного агрегата необходимо определить концентрации оксидов азота, образующихся при процессе горения.

Топкам газотрубных котлов присуще явление рециркуляции смеси газов.

Движение последних осуществляется в разомкнутой системе и характеризуется коэффициентом рециркуляции г. Значение г изменяется от 0 до 1. Причем 0 является характеристикой проточной топки, 1 — характеристика реверсивной. Промежуточные значения г описывают процессы движения газов для проточной топки с различным соотношением диаметров на входе и выходе.

На рис. 1 изображено изменение максимальной температуры Т от коэффициента рециркуляции г. Как видно из графика, увеличение доли возврата смеси газов приводит к уменьшению температуры как в ядре факела, так и максимальной во всем топочном объёме.

На рис. 2 приведена зависимость концентрации N0 от коэффициента рециркуляции г.

y

Рис. 1. Зависимость максимальной температуры T от коэффициента рециркуляции г

Рис. 2. Зависимость концентрации NO от коэффициента рециркуляции г

Во всем исследуемом интервале для данных величин изменение значений NO определяется законом изменения температуры в объеме, который характеризуется коэффициентом рециркуляции. Поэтому максимальные значения этих величин соответствуют реверсивной топке.

Таким образом, одним из эффективных технологических мероприятий является рециркуляция смеси газов в топке, что обеспечивает снижение температуры факела и выравнивание температурных полей.

При этом за счет разбавления инертными продуктами сгорания реальные концентрации кислорода и топлива в зоне реакции уменьшаются.

В результате происходит интенсивное подавление образования термических оксидов азота.

Библиографический список

1. Annaratone, D. Steam generators, Springer-Varlag, Berlin, Heidelberg. - 2008. - 434 p.

2. Михайлов, А. Г. Эффективные поверхности теплообмена в топке газотрубного котла : моногр. / А. Г. Михайлов, П. А. Батраков. - Омск : ОмГТУ, 2014. - 120 с.

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. Разработка теоретических основ снижения образования оксидов азота в топках газотрубных котлов / А. Г. Михайлов, П. А. Батраков, С. В. Теребилов // Политемат. сетевой электрон. науч. журн. Кубанского гос. аграр. ун-та. -2013. - № 90. - С. 320-332.

5. Михайлов, А. Г. Вопросы образования оксидов азота при сжигании газообразных и жидких топлив / А. Г. Михайлов // Омский научный вестник. Сер. Приборы, машины и технологии. - 2009. - № 3 (83). - С. 103-106.

6. Михайлов, А. Г. Расчетное исследование влияния геометрических характеристик топки газотрубного котла на процессы образования оксидов азота / А. Г. Михайлов, П. А. Батраков, С. В. Теребилов // Научные труды SWorld. -2013. - Т. 10. - № 2. - С. 13-22.

7. Fenimore, C. P. Formation of nitric oxide in premixed hydrocarbon flame / C. P. Fenimore // 13-thSympos. (Interm.) On Combustion. - 1971. - P. 373.

8. ANSYS CFX-Solver Theory Guide. ANSYS CFX Release 11.0 / ANSYS, Inc. // Southpointe 275 Technology Drive. -Canonsburg : PA 15317, 2006. - 312 p.

9. Spolding, D. B. Calculations of Combustion Processes / D. B. Spolding // Rep-t. RF/TN/ A/1-8, 1971, Dept. Of Mechanical Engineering, Imperial College, London, England.

МИХАИЛОВ Андрей Гаррьевич, кандидат технических наук, доцент (Россия), заведующий кафедрой «Теплоэнергетика».

НОВИКОВА Элина Эдуардовна, студентка гр. ТЭ-121 Энергетического института.

СЛОБОДИНА Екатерина Николаевна, ассистент кафедры «Теплоэнергетика».

ТЕРЕБИЛОВ Сергей Викторович, старший преподаватель кафедры «Теплоэнергетика». Адрес для переписки: [email protected]

Статья поступила в редакцию 20.02.2016 г. © А. Г. Михайлов, Э. Э. Новикова, Е. Н. Слободина, С. В. Теребилов

Книжная полка

621.311/Г85

Гриценко, В. И. Энергосбережение в теплоэнергетике и теплотехнологиях : учеб. пособие / В. И. Гриценко, Ю. Т. Усманский. - Омск : Изд-во ОмГТУ, 2015. - 1 о=эл. опт. диск (CD-ROM).

В учебном пособии рассмотрены законодательно-правовая и нормативно-техническая базы, приведены новейшие методические материалы по энергосбережению в теплоэнергетике и теплотехнологиях. Особое внимание уделено конкретным вопросам энергосбережения применительно к источникам теплоты и системам теплоснабжения. Предназначено студентам теплоэнергетического факультета, обучающимся по направлению 140100 «Теплоэнергетика», для специальностей: 140101 «Тепловые электрические станции» и 140104 «Промышленная теплоэнергетика».