CC BY
2
и
Моделирование конструкции горелки на синтез-газе
И.С. Кудашкина, А.Д. Кузнецов, К.А. Миндров, А.А. Кузнецов
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Национальный исследовательский Мордовский государственный университет им. Н. П. Огарёва», Саранск
Аннотация: В работе описан процесс моделирования 3D-конструкций горелок на синтез-газе, с выполнением анализа полученных результатов моделирования для нескольких типов моделей и выбором оптимальных режимов для них. Основное применение горелки планируется на котельном оборудовании для бытовых нужд в частных, а также многоквартирных домах, при отсутствии центрального теплоснабжения. К тому же в статье приведено обоснование тепловых параметров на входе и выходе горелки. Ключевые слова: Синтез-газ, сжигание, конструктивные параметры, камера сгорания, форсунка, моделирование.
В данной статье проектируются различные конструкции горелок для использования на синтез-газе. Анализ конструкции горелки, её характеристик наиболее полно можно осуществлять, с помощью различных программных комплексов SD-моделирования. При проектировании конструкции горелки в данной работе активно применялся международный опыт производителей котельного оборудования. Разработка и внедрение водородных котлов наиболее актуально в настоящее время, особенно при условии постоянного повышения стоимости широко применяемых ресурсов, природного газа, сжиженного природного газа (СПГ), и прочего. Одним из способов использования полученного синтез-газа является его применением в котельном оборудовании [1, 2].
Предварительный расчет предполагаемой инструкции позволит значительно снизить затраты на создание экспериментальной горелки на синтез-газе. Рассмотрим основные процессы, происходящие при горении топлива, а также влияние геометрических параметров форсунок и конструкции в целом.
и
Среди моделей турбулентности, используемых в Ansys, стоит отметить, например, к-е и к-ю. Данные модели используется в различных областях и каждая обладает своими преимуществами. Так, например, модель к-ю применяется чаще для анализа состояния потока, в области прилегающей к стенке, а к-е используется, если интересуют больше внешние граничные параметры конструкции [3-5].
Моделирование конструкции горелки производится в несколько этапов. На первом этапе, строится 3D геометрии конструкции, затем на основе разработанной геометрии модели создаётся математическая модель с помощью расчетной конечно-элементной сеткой. Вычисления производятся на третьем этапе в соответствии с задаваемыми параметрами и выбранным методом моделирования. На последнем этапе осуществляется анализ полученных результирующих данных, на основе их визуального проецирования в формате 2D и 3D. А графическое отображение полученных результатов моделирования, например, поля температуры или скоростей, позволит произвести наиболее полный анализ процессов горения смеси газов и воздуха [6-8].
Перед моделированием процесса горения были определены наиболее перспективные конструкции с тепловой мощностью (рис.1).
а) б)
Рис. 1 - Исследуемые конструкции 3D- моделей: а - модель №1; б - модель
№2
и
Одной из задач моделирования является определение полноты и интенсивности сгорания топлива при использовании различных конструкций. Таким образом, в программном комплексе вычисления производим при различных начальных условиях [9].
В исследуемой модели массовые доли, для водорода задаём равной 1, а для кислорода 0,23. Также устанавливаем температуру для топлива и окислителя, равную 693,5 оС и 570,8 оС, и скорости 0,7 м/с и 68 м/с соответственно.
Приведём результаты анализа поля температур, для модели №1 (рис.2).
а) б)
Рис.2. Контурные поля температуры на трёх плоскостях камеры сгорания для модели №1: а - контурные поля температуры, по всему периметру камеры сгорания; б - контурное поле температуры на выходе камеры сгорания Поля скоростей, для разных типов моделей на рисунке 3, достаточно чётко описывают зависимость длины факела, от их конструктивных особенностей.
[— 7175е+003 6.776е+003 6.3786+003 5 979е*003 5 580е+003 5.1826+003 4.783е+003 4.385е+003 3.9866+003 3.587е+003 3.189е+003 2.7906+003 2 392е+003 1.993е+003 1.594в+003
|1.196е+003 7.972е+002 39866+002 0 000е+000 [т 8*-!]
Рис
0 0 200 (т)
0.100 1
а) б)
3. Контурное поле скорости потока: а - модель №1; б - модель №2
и
Как видно максимальная скорость потока для 1-й модели ниже, чем для 2-й на 5,5 %.
Далее рассмотрим результаты анализа поля температур для модели №2 (рис.4). Исходные данные для двух моделей были заданы идентичные.
в)
Рис.4. Режимы 3D-модели факела и расчетные поля температур: а - ТН20 = 1173,0 К; РН20 = 500000 Па; Т02 = 298,0 К; Р 02 = 30 00 Па; б - ТН20 = 1266,0 К;
РН20 = 500000 Па; Т02 = 298,0 К; Р 02 = 30 00 Па; в - ТН20 = 1366,0 К; РН20 = 500000 Па; Т02 = 298,0 К; Р 02 = 30 00 Па Как видно из рисунков, на модели, описывающей изменение температуры потока в горелке, происходит образование факела при сжигании топлива. Исходя из проведённого анализа построенной модели, можно определить, что 2-й режим, представленный на рисунке 4, обладает более устойчивой струёй пламени, чем в случае с 1-м и 3-м режимом [10, 11].
и
Распределение температуры в камере сгорания удобно рассматривать одновременно с распределением массовых долей основных компонентов
(рис.5).
в) г)
Рис.5. Контурные поля массовых долей, для модели №2: а - массовые
доли б - массовые доли O2; в - массовые доли H2O; г - массовые доли N2
Таким образом, в соответствии с поставленной целью, были
разработаны 3D модели горелок на синтез-газе. В итоге были определены два
основных типа горелок, и для 2-й модели, выполнены расчеты в нескольких
режимах, из которых представлены три основных и выбран оптимальный. В
результате расчета доказано что наибольший КПД получен для модели №2.
Температура потока на выходе, для второй модели, составила в среднем на
19,0 оС выше чем для первой.
Литература
1. Сафонов, А. П. Сборник задач по теплофикации и тепловым сетям, Москва, ЭнергоАтомИздат, 1985. С. 64-65.
и
2. Бакластов А.М. Горбенко В. А., Удыма П. Г. Проектирование, монтаж и эксплуатация тепломассообменных установок. М.: Энергоиздат, 1981. 336 с
3. Беллман Р., Динамическое программирование / Р. Беллман - М.: Изд-во иностр. лит., 1960. - 400 с.
4. ANSYS Theory 14.0. User's Guide. Canonsburg: ANSYS Inc., 2011. 862
р.
5. Огородникова О. М. Компьютерный инженерный анализ в среде ANSYS Workbench: монография. Екатеринбург: Техноцентр компьютерного инжиниринга, 2017. 720 с.
6. Макаров Ю. А., Зевайкин А. Е. Оценка деформаций балок на упругом винклеровском основании с помощью программного комплекса ANSYS WORKBENCH // Инженерный вестник Дона, 2022, №8. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n8y2022/7853
7. Bathe K.-J. Finite Element Procedures. K.-J. Bathe // New Jersey: Prentice Hall, 1996. pp. 10-12.
8. Клевцов С.И. Имитационное моделирование взаимосвязи инициаторов высокотехнологичных инноваций // Инженерный вестник Дона, 2012, №3. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2012/920
9. Навацкая В.А. Моделирование системы управления давлением пара во внешней паровой ёмкости // Russian Journal of Logistics & Transport Management. 2021. Т. 6, №2. С. 58-63.
10. Лойцянский Л. Г. Механика жидкости и газа. - М.-Л., Гостехиздат, 1950. - 676 с.
11. Басс В. П. Молекулярная газовая динамика и её приложения в ракетно-космической технике. - К.: Наукова думка, 2008. - 272 с.
и
References
1. Safonov, A. P. Sbornik zadach po teplofikacii i teplovym setjam [Collection of tasks on heating and heating networks], Moskva, JenergoAtomIzdat, 1985. pp. 64-65.
2. Baklastov A.M. Gorbenko V. A., Udyma P. G. Proektirovanie, montazh i ekspluatatsiya teplomassoobmennykh ustanovok [Design, installation and operation of heat and mass transfer installations]. M.: Energoizdat, 1981. 336 p.
3. Bellman R., Dinamicheskoe programmirovanie [Dynamic programming] / R. Bellman - Moskva: Izd-vo inostr. lit., 1960. 400 p.
4. ANSYS Theory 14.0. User's Guide. Canonsburg: ANSYS Inc., 2011. 862
P.
5. Ogorodnikova O. M. Komp'yuternyj inzhenernyj analiz v srede ANSYS Workbench: monografiya [Computer Engineering Analysis in ANSYS Workbench: Monograph]. Ekaterinburg: Tekhnocentr komp'yuternogo inzhiniringa, 2017. 720 p.
6. Makarov Y. A., Zevajkin A. E. Inzhenernyj vestnik Dona, 2022, №8. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n8y2022/7853
7. Bathe K.-J. Finite Element Procedures. New Jersey: Prentice Hall, 1996. pp. 10-12.
8. Klevcov S.I. Inzhenernyj vestnik Dona, 2012, №3. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2012/920
9. Navackaja V.A. Russian Journal of Logistics & Transport Management. 2021. T. 6, №2. pp. 58-63.
10. Lojcjanskij L. G. Mehanika zhidkosti i gaza [Fluid and gas mechanics]. M. L., Gostehizdat, 1950, 676 p.
11. Bass V. P. Molekuljarnaja gazovaja dinamika i ejo prilozhenija v raketnokosmicheskoj tehnike [Molecular gas dynamics and its applications in rocket and space technology]. K.: Naukova dumka, 2008. 272 p. ISBN 978-96600-0746- 8.
Дата поступления: 6.05.2024 Дата публикации: 19.06.2024
