CC BY
54
УДК 620.9; 532.529.5
М.В. Алексеев, А.Л. Сорокин, С.А. Шевырёв, А.Н. Гулев
ИССЛЕДОВАНИЕ ВОДОРОДНО-КИСЛОРОДНОГО ПЕРЕГРЕВА ПАРА В ПРОЦЕССЕ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ПАРОВОЙ ГАЗИФИКАЦИИ
ТВЕРДОГО ТОПЛИВА
Применение в энергетическом пароводяном оборудовании высокотемпературных водородно-кислородных перегревателей пара позволило существенно увеличить КПД паровых турбинных установок [1]. Основное достоинство технологии водородно-кислородного нагрева пара - это высокотемпературный перегрев пара (1000-1700°С), смешанный способ теплообмена, большая удельная мощность топочной камеры (более 500 МВт/м3), малая материалоемкость (менее 2 кг/МВт). Данные преимущества позволяют использовать данный вид перегревателей пара в химических технологиях, например, для высокотемпературной паровой газификации твердого топлива [2]. Главная задача при проектировании водородно-кислородных перегревателей пара для высокотемпературных паровых газификаторов твердого топлива поиск оптимальных режимных параметров температуры и расхода пара подаваемого в газификатор. Для выполнения данной задачи было проведено экспериментальное исследование и численный эксперимент.
Рис. 1. Конструкция пароперегревателя и участка для газификации твердого топлива
1 - сопло для подачи горючей смеси, 2 — жаровая труба, 3 - труба рабочего участка , 4 -смотровое окно, 5 - участок для газификации, 6 -реакционная зона участка газификации, 7 -термопара, 8 - труба для подвода пара.
На рис. 1 представлена конструкция
пароперегревателя и рабочего участка для
газификации твердого топлива. Рабочий участок 3 пароперегревателя выполнен из нержавеющей
трубы, внутренний диаметр которой 20 мм. Стехиометрическая водородно-кислородная смесь подается через медное сопло 1 диаметром 1,3 мм либо 1,1 мм в жаровую трубу 2 внутренним диаметром 10 мм. Жаровая труба и медное сопло осесимметрично устанавливались внутри рабочего
участка 3. Пар подавался в зазор между жаровой трубой и трубой рабочего участка через ввод 8. Расход пара менялся от 10 до 23 л/мин, расход горючей смеси составлял до 5 л/мин, температура горючей смеси 20°C, температура пара 100°C. Температура на выходе из пароперегревателя, внутри реакционной зоны участка газификации и на выходе из участка измерялось термопарами 7. Контроль устойчивости горения горючей смеси на выходе из жаровой трубы производилось с помощью смотрового окна 4.
Достоинствами данного типа конструкции пароперегревателя является простота
изготовления и малое гидравлическое сопротивление для потока пара. К недостаткам можно отнести напряженный высокотемпературный режим работы конструкции. Из выше сказанного возникла задача экспериментального исследования температурного профиля потока пара на выходе из пароперегревателя и профиля температуры стенки пароперегревателя при разном диаметре сопла подачи горючей смеси.
Измерение профиля температур по сечению осуществлялось термопарой хромель-алюмель через штуцер, расположенный перед реакционной зоной. Термопара равномерно подавалась в трубу рабочего участка при помощи микрометрического винта. При достижении максимальной температуры для заданных характеристик расхода пара и горючей смеси, происходило смещение от центра трубы рабочего участка к стенке. Измерение температуры стенки осуществлялось хромель-копелевой термопарой. На поверхности трубы рабочего участка через определенное расстояние были сделаны углубления, в которые помещались термопары.
В дополнение к экспериментальным исследованиям было проведено численное моделирование горения стехиометрической смеси водорода и кислорода в потоке пара в стационарной осесимметричной постановке с использованием пакета Fluent. Решалась система уравнений турбулентного течения идеального вязкого газа с учетом химических реакций. Моделирование турбулентности осуществлялось на основе рейнольсовых напряжений RSM (Reynolds Stress Model) [3]. Для учета влияния турбулентности на процесс горения использовалась обобщенная модель диссипации вихрей EDC (Eddy Dissipation Concept) [4, 5]. В описании кинетики горения применялась схема реакций, предложенная в [6].
Рис. 2. Фотографии перегревателя пара: а, б - вид на смотровое окно и в, г- вид с торца; а, в — диаметр сопла 1.3 мм; в, г — диаметр сопла 1.1 мм, расход пара 12,1 л/мин, расход горючей смеси 3,46 л/мин
Расчеты проводились на сетке, воспроизводящей в осесимметричном
приближении геометрию пароперегревателя. Предполагалось, что пар подается через кольцевую щель, расположенную в начале внешней трубы. На границах подачи в зону реакций горючей смеси и водяного пара
задавались равномерные профили всех переменных. На стенках сопла подачи смеси, жаровой трубе и внутренней стенке рабочего участка задавались условия прилипания для скорости течения смеси. Граничные условия для энергии турбулентности и диссипации энергии турбулентности ставились с использованием
Рис. 3. Профиль осевой температуры стенки пароперегревателя расход пара 12,1 л/мин, расход горючей смеси 3,46 л/мин, 1 -эксперимент, диаметр сопла 1.3 мм, 2 - эксперимент, диаметр сопла 1.1 мм, 3 - численное моделирование, диаметр сопла 1.3 мм.
«функций стенки», в выходном сечении задавалось давление. Учитывался кондуктивный перенос тепла в стенках сопла жаровой и внешней трубы. На внешней стенке трубы учитывался теплообмен с внешней средой в сопряженной постановке: внутри стенки рассчитывался
теплоперенос, на внешней стороне ставилось условие радиационно-конвективного
теплообмена. Коэффициент конвективного теплообмена с внешней средой принимался равным 5,6 Вт/м2-К, температура внешней среды 288 К. Излучательная способность стенки и внешней среды полагались равными 1, т.е. стенка и среда рассматривались в приближении черного тела.
На рис. 2 представлены фотографии перегревателя пара с видом на смотровое окно -(а, б) и видом с торца - (в, г) при режиме горения с разным диаметром сопла, но при одинаковых расходах пара и горючей смеси. Как можно заметить при режиме горения с диаметром сопла 1,3 мм жаровая труба накаляется до красного состояния (рис. 2.а). На фотографии с торца (рис.
2.в) видно, что пламя занимает полностью жаровую трубу, что и приводит к её разогреву до красного состояния. При этом излучение от жаровой трубы распространяться в зазоре между жаровой трубой и основной трубой пароперегревателя. На рис. 2.б, 2.г представлен режим горения с диаметром сопла 1,1 мм. На фото 2.б видно, что жаровая труба слабо накалена. Если рассмотреть данный режим работы перегревателя с торца (рис. 2.г), то можно заметить, что пламя находится внутри жаровой трубы и не касается стенок. Так же отсутствует излучение от жаровой трубы в зазоре между жаровой трубой и основной трубой пароперегревателя.
На рис. 3 представлен осевой профиль температуры стенки пароперегревателя при диаметрах сопла 1,3 мм и 1.1 мм. Можно заметить, что осевой профиль температуры для диаметра 1,3 мм имеет пик на уровне 370°С при осевой координате 50 мм. Далее температура стенки падает до 280°С. Осевой профиль температуры при диаметре 1,1 мм не имеет пика температуры. Температура возрастает с увеличением координаты от 130°С до 300°С.
Для сравнения на графике представлено численное моделирование осевого профиля температуры для режима работы пароперегревателя с соплом 1,3 мм. Как можно заметить результаты расчета показывают качественное совпадение с экспериментальными данными.
На рис. 4 представлен результат эксперимента и численного моделирования профиля
температуры пара на выходе из пароперегревателя при диаметре сопла 1,3 мм. Можно заметить, что экспериментальные значения температуры пара уменьшаются с значения 930°С на оси до 590°С около радиуса трубы. Линией 2 показан расчет профиля температуры пара на выходе.
200 1 ........................................
0 0,002 0,004 0,006 0,008 0,01
г, М
Рис. 4. Профиль температуры пара на выходе из пароперегревателя.диаметр сопла 1,3 мм, расход пара 12,1 л/мин, расход горючей смеси 3,46 л/мин,1 - эксперимент
2 - численное моделирование
В работе зафиксировано существенное изменение в режиме работы пароперегревателя при изменении диаметра сопла с 1,3 мм на 1,1 мм при одинаковых расходах пара и горючей смеси. Показано, что горение горючей смеси для сопла 1,1 мм локализовано на оси и не приводит к значительному нагреву жаровой трубы. При горении горючей смеси для сопла 1,3 мм пламя заполняет всю жаровую трубу, что приводит к ее заметному нагреву.
Выявлено, что осевой профиль температуры стенки также зависит от режима горения горючей смеси. Для сопла с диаметром 1,3 мм осевой профиль температуры имеет локализованный пик температуры лежащий в районе раскаленной жаровой трубы. Для режима горения с соплом диаметром 1,1 мм в осевом профиле температуры стенки пик отсутствует. Проведено численное моделирование для режима с соплом 1 ,3 мм, результаты расчета показывают качественное совпадение с экспериментальными данными.
В работе получен профиль температуры пара на выходе из пароперегревателя для режима работы с соплом 1,3 мм; результаты численного моделирования удовлетворительно согласуются с экспериментальными данными.
Работа выполнена при финансовой поддержке ГК № 14.740.11.0101.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Мильман, О. О. Теплофизические проблемы создания комбинированных электрогенерирующих
установок с турбинными энергоблоками / О.О. Мильман, Н.А. Прибатурин, В.А. Федоров // Труды 4 РНКТ, Москва. - Изд-во МЭИ, 2006, Т. 1. - С. 258-262.
2. Прибатурин, Н. А. Конверсия углеродсодержащих материалов в среде высокотемпературного водяного пара / Н.А. Прибатурин, А.Р. Богомолов, М.В. Алексеев, С.А. Шевырёв // Вестник КузГТУ. -2010, № 4. - С. 89-93.
3. B. E. Launder, G. J. Reece, and W. Rodi. Progress in the Development of a Reynolds-Stress Turbulence Closure. J. Fluid Mech., 68(3):537-566, April 1975
4. B. F. Magnussen. On the Structure of Turbulence and a Generalized Eddy Dissipation Concept for Chemical Reaction in Turbulent Flow. Nineteeth AIAA Meeting, St. Louis, 1981.
5. I. R. Gran and B. F. Magnussen. A numerical study of a bluff-body stabilized diffusion flame. Part 2. Influence of combustion modeling and finite-rate chemistry. Combustion Science and Technology, 119:191, 1996.
6. Волчков Э.П., Дворников Н.А., Перепечко Л.Н. Математическое моделирование турбулентного горения водорода в пограничном слое// Инж.-физ.журн. 1998. Т.71, №1. C.86-91
□ Авторы статьи:
Алексеев Максим Валерьевич, канд. физ.-мат. наук, научн.сотр. (Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН) E-mail: alekseev@itp.nsc.ru
Сорокин Анатолий Львович, научн. Сотр. (Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН). E-mail: als@itp.nsc.ru
Шевырëв Сергей Александрович, аспирант КузГТУ.
E-mail:
ssa.pmahp@kuzstu.ru
Гулев
Александр Николаевич, ведущий инженер (КузГТУ). Теле.+7-904-375-8993
