CC BY
49
УДК 534.142
А. А. Синицын
Вологодский государственный технический университет
ИССЛЕДОВАНИЕ ВИБРАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК РАБОТЫ
КОТЕЛЬНЫХ АГРЕГАТОВ
Исследуются вибрационные характеристики работы котла, основанного на устройстве резонатора Гельмгольца. Численно и экспериментально изучены искусственно созданные в котле вибрации.
Постановка задачи. В настоящее время появились новые источники теплоты с высоким КПД, в которых основную роль играют термогидравлические процессы превращения различных видов энергии. К таким источникам теплоты относятся котельные агрегаты, в которых термогидравлическая энергия интенсифицируется искусственно создаваемыми вибрациями за счет удачно подобранной геометрии теплообменного устройства. Оценке этого эффекта на экспериментальном изделии и посвящена настоящая статья.
Для моделирования выбран теплогенератор водогрейного типа, камера сгорания и поверхности нагрева которого совмещены и представляют собой теплообменник типа „труба в трубе".
Геометрические характеристики теплообменника подобраны таким образом, что они обеспечивают резонансную частоту пульсаций, возникающих в процессе сгорания газовоздушной смеси, и конвективно-радиационную поверхность теплообмена. Полученные искусственные пульсации накладываются на пульсации турбулентного потока. Горение возникает в результате серии микровзрывов, энергия которых используется для всасывания компонентов горючей смеси, а также для проталкивания образуемых продуктов горения. Более подробно принцип работы устройства изложен в работах [1—3].
Связь геометрических характеристик резонатора с частотой колебаний определяется зависимостью
Для образования микровзрывов подбираются такие размеры устройства, которые определяют частоту колебаний. Необходимо создать математическую модель волнового распространения дымовых газов в тракте котла в виде системы уравнений тепло- и массообмена.
Теоретическое описание процесса. Исследование термоакустических эффектов было проведено с использованием теории резонансных колебаний газа в цилиндрической трубе, на одном конце которой по гармоническому закону колеблется „термодинамический" поршень, что приводит к микровзрывам газовоздушной смеси, давление на другом конце соответствует атмосферному.
Уравнение, описывающее волновое распространение газовой среды в пространстве и времени, может быть записано в виде функции, зависящей от скорости распространения волн и коэффициента затухания:
где / — частота, Гц; а — скорость звука в рабочей среде, м/с; Е и Ь — площадь сечения, м2, и длина, м, горловины; V — объем резонатора, м3.
где р0 — плотность среды; ю — угловая частота; т — время; х — координата перемещения; к — коэффициент затухания; рт — амплитуда колебаний давления.
Здесь для характеристики волнового периодического процесса используется гармоническая функция, но согласно проведенным ранее исследованиям [3, 4] реальная функция отличается от гармонической.
В настоящей статье волновой процесс описывается с помощью периодической функции f которая определяет реальное распределение волновых параметров во времени и пространстве.
Экспериментальное исследование процесса. Основные задачи эксперимента заключались в определении характера распространения волны. Экспериментально были изучены колебания давления на входе и выходе из канала для турбулентного течения дымовых газов.
На рис. 1 приведена схема проведения измерений параметров волнового процесса. Приборная база содержит оборудование для преобразования давления в камере сгорания в электрический сигнал, устройство тарировки, состоящее из обратного клапана и U-образного манометра, а также персональный компьютер. На рисунке использованы следующие обозначения: 1 — камера сгорания; 2 — водяная рубашка; 3 — резонансные трубы; 4 — резонаторный ресивер; 5 — глушитель выхлопа; 6 — дымовая труба. В точках 7, 8 осуществляется измерение давления дымовых газов в газовом тракте и давления природного газа.
Для определения характера распространения волны использована измерительная система, состоящая из микрофона и акустически изолированного конденсатора. С помощью микрофона звуковой сигнал преобразуется в электрический и поступает на микрофонный вход ПК.
Эксперимент проводился при следующих условиях: давление в газовом патрубке рг = 102 кПа; давление в воздушном патрубке ратм = 100 кПа (атмосферное давление); расход топлива В = 36 м /ч; коэффициент избытка воздуха а = 1,25; резонансная частота f = 33 Гц; показатель адиабаты дымового газа у = 1,4. При этом измерялись моментальное значение давления дымовых газов в газовом тракте и амплитуды изменения давления во времени.
Обработка результатов эксперимента проводилась в три этапа:
— получение исходного сигнала и его обработка с помощью звуковой программы до состояния расчетного;
— математическая обработка звукового сигнала;
— определение значений амплитуды колебаний.
Звуковой файл подготовлен к обработке с помощью звуковой программы Sound Forge 4.5. Математическая обработка звукового файла проводилась с использованием программы MathCad 11 Enterprise Edition и дополнительного пакета Signal Processing. Был считан сигнал из звукового файла, получена информация о нем и построен исходный график сигнала.
Далее, для преобразования электрического сигнала в сигнал давления проводится тарировка с помощью импульсной трубки, обратного клапана и U-образного манометра. На рис. 2, а представлена зависимость звукового сигнала от времени рт), где отчетливо видны периоды каждого импульса и накладывающиеся посторонние шумы от вибрации конструкций (круговые метки).
Анализ одного периода цикла горения топлива и движения дымовых газов в канале позволяет построить индикаторную диаграмму периодического изменения давления в единичном объеме камеры.
а) б) р, кПа -р> кПаГ
105
100
95
90
105
100
95
90
0,2
0,5
т, с
Рис. 2
т, с
На рис. 3 показан характер изменения давления в камере в процессе горения, где: участок А—В соответствует увеличению давления в процессе сгорания топливно-воздушной смеси (интервал тг);
участок В—А' соответствует процессу охлаждения дымовых газов (интервал то); участок С—Е соответствует процессу поступления природного газа через газопульсирующий клапан (интервал тгаз);
участок Б—Е соответствует процессу поступления воздуха через воздушно-пульсирующий клапан (интервал тв);
участок А— А' соответствует времени одного цикла (интервал тц).
Функциональная зависимость р{т) получена с помощью прямого преобразования Фурье [2].
р, кПа
рг
ратм
4 тц .В' Е / V
Тг То
\В \с
Т ^ ь
'А Б ^ Тв ^ Е Ау х, с
тгаз
Рис. 3
Математическое моделирование функции. Исходя из определения характера ударной волны, учитывая скорость и температуру горения среды, а также то, что форма распространяемых волн близка к гармонической, определяются максимальное и минимальное значения давлений газовой среды, а также параметры распространения звуковой и газовой волн.
Функцию распространения акустической волны можно представить следующим образом:
ЪР2 (т) = 0,5 АРг оотг т,
а функцию распространения молекулярной волны — как
5PU (т) = 0,5 APd cos( уш0т), где APZ и APU — амплитуды колебаний акустической и молекулярной волн, шz и ши — угловая скорость акустической и молекулярной волн, у — коэффициент соотношения угловых скоростей двух волн.
Действительная функция колебания давления будет определяться суммой колебаний акустической и молекулярной волн
5P(t) = 5Pz (т) + 5Pu (т)
и амплитудами колебаний давления
pmax = 5P(0h pmin = 5P(t).
Результат математического моделирования приведен на рис. 2, б, где кривая, обозначенная как ....., соответствует молекулярной волне (À, = 3,8 м), кривая • • • — акустической
волне (À, = 22,6 м), кривая--результирующей волне.
В результате были получены эмпирические зависимости изменения давления в течение одного цикла. Для сравнения основные экспериментальные характеристики были соотнесены с результатами аналогичных экспериментов, проведенных с использованием камеры Гельм-гольца с аэродинамическим клапаном [4]. Измерение давления осуществлялось с помощью пьезоэлектрических преобразователей, размещаемых на стенке камеры сгорания опытной установки PCS (Pulsating Combustion System).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Поляков М. И. Устройство пульсирующего горения (ПГ) — выбор в пользу принципиально иной технологии выработки тепла, путь к радикальному снижению его себестоимости // Энергетика в нефтегазодобыче. 2002. № 1. С. 15—27.
2. Синицын А. А., Игонин В. И. К построению математической модели гидротермических процессов в источнике теплоты пульсирующего горения // Прогрессивные процессы и оборудование металлургического производства. Материалы Междунар. науч.-техн. конф. Череповец: ЧГУ, 2006. С. 139—141.
3. Синицын А. А., Игонин В. И. Особенности автоматизации вычислений при проектировании источников теплоты пульсирующего горения // Автоматизированная подготовка машиностроительного производства, технология и надежность машин, приборов и оборудования: Материалы Междунар. науч.-техн. конф. Вологда: ВоГТУ, 2005. Т. 2. С. 193—195.
4. Keel S. I., Hyun Dong Shin. A study of the operating characteristics of a Helmholtz-type pulsating combustor // Institute of Energy. 1991. Vol. 64. P. 99.
Рекомендована кафедрой Поступила в редакцию
теплогазоснабжения и вентиляции 02.06.06 г.
