Моделирование процессов впрыска жидкости в топки газотрубных котлов Текст научной статьи по специальности «Физика»

удк 621.181.76 А. г. МИХАИЛОВ

В. Н. ГОРЮНОВ С. А. КОРНЕЕВ И. А. ХОЛМЯНСКИИ Н. Е. КОРОТКОВА С. В. ТЕРЕБИЛОВ

Омский государственный технический университет

Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия,

г. Омск

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ВПРЫСКА ЖИДКОСТИ В ТОПКИ ГАЗОТРУБНЫХ КОТЛОВ

В статье рассматриваются вопросы моделирования процессов впрыска жидкости в топки газотрубных котлов. Приводятся уравнение движения капли воды и выражения, описывающие процессы тепломассообмена на границе раздела фаз жидкость-газ. Ключевые слова: капля, горение, впрыск, газотрубный котел, топка.

В топочных устройствах одним из возможных путей снижения выбросов оксида азота при сжигании природного газа и мазута является впрыск влаги в зону горения [1]. Подавление образования N0 происходит в результате снижения температуры в зоне горения топлива и разбавления действующих концентраций реагентов. Поступившая в топочное устройство капля прогревается и начинает испаряться. Вокруг капли образуется зона, насыщенная парами испаряющейся жидкости. Скорость испарения жидкости определяется скоростью ее парообразования, которая многократно увеличивается при распылении последней на мелкие капли. При этом процессе получаются капли размером от нескольких десятков до сотен микрометров.

Таким образом, процесс впрыска жидкости состоит из следующих последовательных этапов: распыление жидкости, образование вокруг капли зоны насыщенной парами, испарение капель жидкости.

Динамика движения капель жидкости

Рассмотрим закономерности динамики движения системы капель. Для моделирования движения частиц используется обычная мультифазная модель, в которой частицы переносятся через поток. Полная фаза частиц моделируется как совокупность частиц с индивидуальными свойствами. Движение последних описывается с помощью обычных нестационарных дифференциальных уравнений для каждой частицы, которые включают в себя уравнения положения, скорости, температуры и массы.

Перемещение частицы вычисляется с использованием выражения для текущей координаты х( с учетом шага по времени 8к

хП = х0 + У0р,&, где индексы 0 и п соответствуют предыдущей и новой

переменной во времени соответственно и ур1 — скорость частицы.

Полагается, что отдельные частицы движутся в сплошном потоке — газовой среде. Силы, действующие на частицы, и которые создают ускорение частицы из-за разницы в скорости между последней и потоком, как правило, действуют и на поток. Уравнение движения для таких частиц приведено в различных источниках [2, 3, 4] и выглядит следующим образом:

и

. = р + р + р + р + р + р

В В К УМ р ВА ,

(1)

В правой части уравнения (1) расположены следующие силы:

рс — сила аэродинамического сопротивления; рВ — подъёмная сила;

рр — сила, обусловленная вращательным движением;

рУМ — сила, обусловленная ускорением частицы относительно газа;

рр — сила, обусловленная градиентом давления; рВА — сила Бассэ.

Рассмотрим подробнее эти силы.

1. Сила аэродинамического сопротивления, действующая на частицу, пропорциональна разности из между скоростями частицы ир и жидкости ир:

11

ро = -СврРАрр5\и5 = -СвррАр|ир - ир\(ир - ир),

2

2

где Св — коэффициент сопротивления движению, Ар и рр — площадь поперечного сечения и плотность частицы.

2. Подъёмная сила — сила, действующая на частицу, погруженную в жидкость (газ). Эта сила пропорциональна весу перемещенной жидкости и определяется:

т

р

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 2 (110) 2012 ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА

ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 2 (110) 2012

204

рв = (тр- тр )д = т

1 г р

Рр

9 = Р (рр -рр )д ,

6

где тр, рр и тр , рр — масса, плотность частицы и потока окружающего газа соответственно; бр — диаметр частицы.

3. Сила, обусловленная вращательным движением частицы относительно собственного центра масс. В данных расчетах предполагается её величина незначительной и поэтому не учитывается [3, 4].

4. Сила, обусловленная ускорением частицы относительно газа. Определяется следующим выражением:

С

р = Сум т рум 2 тр

бис би„

б!

б

Конвективный перенос теплоты ОС определяется выражением:

ОС = Рбр Ши(Тс - Т),

где 1 — коэффициент теплопроводности жидкости, Тс и Т — температуры жидкости и частицы и Nu — число Нуссельта:

№ = 2 + 0,6 Яе0

где СУМ — справочный коэффициент.

5. Сила, обусловленная градиентом давления. Эта сила приложена к частице благодаря наличию градиента давления в газе, окружающем частицу и определяется как:

рр =-—VP ,

Рр

где УР — градиент давления вдоль направления движения капли.

Эта сила существенна, если существуют большие градиенты давления в газовой среде.

6. Сила Бассэ, которая рассчитывается при медленном относительном движении частицы в газовом объёме. Влияние на частицу пренебрежимо мало [4].

Теплоперенос на границе раздела фаз

Перенос теплоты на границе газ — капля осуществляется преимущественно за счет основных физических процессов — конвекции и излучения. Это сопровождается переносом массы вещества из-за испарения жидкости [4].

где СР , т — теплоемкость и динамическая вязкость жидкости, Яе — число Рейнольдса.

Перенос теплоты ОМ, связанный с переносом массы, определяется выражением:

о,=1 бту,

где сумма берется для всех компонентов всех частиц, для которых теплообмен рассмотрен. Скрытая теплота парообразования У зависит от температуры, элементарного химического состава и свойств жидкости.

Перенос теплоты излучением Ог для частицы с диаметром бр, температурой Тр и излучательной

способностью е„

определяется:

1

аг = -ерКбр (I -спТр4),

где I — интенсивность излучения, пропорциональная полученному тепловому потоку поверхностью капли, п — коэффициент преломления лучей в газе и о — постоянная Стефана — Больцмана.

Температура частицы рассчитывается с помощью выражения теплового баланса:

£(тсСр)^ = Ос + Ом + Ог ■

б

(2)

Рис. 1. Распределение температур по топочному объему и траектории движения капель жидкости

Рис. 2. Зависимость температуры в топочном пространстве от скорости капель жидкости на входе

где сумма в этом уравнении берется для всех компонентов частицы.

Модель испарения жидкости

Модель испарения жидкости рассчитана для частиц с учетом теплоотдачи и однокомпонентным массопереносом, в котором непрерывная среда в газообразной фазе имеет более высокую температуру, чем температура капли. Модель использует два выражения для перемещения массы жидкости в зависимости от того, является ли температура капли выше или ниже точки кипения. Определяющим является выражение для расчета давления:

PVAP = Pref еЩ А -

B

T + C

где А, В и С — справочные коэффициенты. Жидкость в капле кипит, если давление пара РуАР больше, чем газообразное давление. Когда параметры капли находятся выше точки кипения, перемещение массы топлива определено выражением:

dm

dt

_Qc_

V

(3)

Когда термодинамические параметры капли ниже точки кипения, массообмен выражается формулой:

— = ndpDShW^log

dt

1 - X 1 -

(4)

Здесь Шс и — молекулярные веса пара и смеси

в газообразной фазе, Х и Хс — мольные фракции веществ в капле и газообразной фазе, Sh — число Шервуда, Б — коэффициент диффузии.

Уравнения (1), (2), (3) или (4) дополняются системой уравнений аэротермохимии, приведенной в [5]. В эту систему входят в том числе и уравнения неразрывности для всей смеси и для каждого компонента, моментов, энергии и диссипации, состояния, выражение для турбулентной вязкости. Задаются соответствующие начальные и граничные условия.

Данная система уравнений в трехмерной постановке решается численно с использованием программы ANSYS CFX.

Расчетная модель — горизонтальный цилиндр диаметром 0,5 метра. В левой вертикальной плоскости располагается вход для газообразного топлива (CH4) и окислителя (воздуха), в правой — вход для воды и выход для продуктов сгорания. Скорость газа и окислителя на входе 10 м/с, скорость капель на входе — величина переменная.

Результаты расчетов приведены на рис. 1, где представлены распределение температур по топочному объему и траектории движения капель жидкости, и на рис. 2, где изображена зависимость температуры в топочном объеме от скорости капель жидкости на входе. C увеличением скорости капель на входе в топочный объем наблюдается снижение средней температуры газовой смеси, что в дальнейшем должно обеспечить снижение концентрации оксидов азота на выходе из топочного объема.

Библиографический список

1. Росляков, П. В. Нестехиометрическое сжигание природного газа и мазута на тепловых электростанциях / П. В. Росляков, И. А. Закиров. — М. : Издательство МЭИ, 2001. — 144 с.

2. Дейч, М. Е. Газодинамика двухфазных сред / М. Е. Дейч, Г. В. Филиппов. — М. : Энергия, 1968. — 423 с.

3. Щерба, В. Е. Рабочие процессы компрессоров объёмного действия / В. Е. Щерба. — М. : Наука, 2008. — 320 с.

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

5. Михайлов, А. Г. Численное моделирование процессов тепломассопереноса при горении газообразного топлива в топочном объеме / А. Г. Михайлов, П. А. Батраков, С. В. Те-ребилов // Естественные и технические науки. — 2011. — №5 (55). - С. 354-358.

МИХАЙЛОВ Андрей Гаррьевич, кандидат технических наук, доцент кафедры «Теплоэнергетика» Омского государственного технического университета (ОмГТУ).

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 2 (110) 2012 ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА

ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 2 (110) 2012

ГОРЮНОВ Владимир Николаевич, доктор технических наук, профессор кафедры «Энергоснабжение промышленных предприятий», декан энергетического института ОмГТУ.

КОРНЕЕВ Сергей Александрович, доктор технических наук, профессор (Россия), заведующий кафедрой «Сопротивление материалов» ОмГТУ. ХОЛМЯНСКИЙ Игорь Антонович, доктор технических наук, профессор кафедры «Двигатели внутреннего сгорания» Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии.

КОРОТКОВА Наталья Евгеньевна, магистр гр. ТПЭ-610 кафедры «Теплоэнергетика» ОмГТУ. ТЕРЕБИЛОВ Сергей Викторович, аспирант кафедры «Теплоэнергетика» ОмГТУ.

Адрес для переписки: 644050, г. Омск, пр. Мира, 11.

Статья поступила в редакцию 31.01.2012 г.

© А. Г. Михайлов, В. Н. Горюнов, С. А. Корнеев,

И. А. Холмянский, Н. Е. Короткова, С. В. Теребилов

УДК 531.7 В. В. НЕЧАЕВ

Ю. В. БАБКИН А. В. КОЛУНИН А. Е. СИЗОВ

Омский танковый инженерный институт

МЕТОД

ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ПРИБОРОВ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ АВТОМОБИЛЯ________________________________________

В статье представлены метод диагностирования генераторной установки автомобиля при помощи осциллографического устройства.

Ключевые слова: осциллографическое устройство, фигуры Лиссажу, генераторная установка.

К системе электроснабжения предъявляются высокие требования как со стороны надежности работы, так и качества электрической энергии. Интерес к вопросу о качестве напряжения в сети автомобиля в последние годы особенно возрос. Связано это в первую очередь с широким применением на автомобиле электроники, требующей строгого соблюдения рекомендуемых режимов эксплуатации и имеющей незначительную перегрузочную способность.

Генераторная установка состоит из генератора, который непосредственно вырабатывает напряжение, и регулятора напряжения, предназначенного регулировать это напряжение в заданных режимах. От технического состояния генератора и регулятора напряжения, правильной и своевременной регулировки и качественного диагностирования во многом зависит безотказность всей системы электрооборудования. Способы проверки генераторных установок ВАТ отработаны и применяются достаточно хорошо, как и способы проверки всей системы электрооборудования, но быстрая автомобилизация и возрастающие требования, предъявляемые к качеству электрической энергии, привели к необходимости широкого применения новых методов диагностирования. В данном направлении ведутся работы.

В предлагаемом методе диагностирования генераторов переменного тока на обмотку возбуждения подается переменное напряжение незначительной амплитуды и контролируется сигнал на выходе генератора с помощью осциллографического устрой-

ства [1]. При этом амплитуда и частота контролируемого сигнала будут определяться техническим состоянием генератора и при различных неисправностях имеют различный вид. Причем при повороте ротора генератора амплитуда и форма импульса контрольного сигнала несколько изменяются, даже при исправном состоянии генератора. Полное изменение сигнала происходит при повороте ротора на угол а, который можно определить по формуле:

а = 360°/Р, (1)

где Р — количество пар полюсов генератора.

Поэтому для определения неисправности необходимо иметь эталонный сигнал, который сравнивается с контролируемым сигналом. В представленном способе в качестве эталонного сигнала используется напряжение, подаваемое на обмотку возбуждения, которая одновременно подается на усилитель развертки осциллографа, а на вертикальный вход подается контролируемый сигнал с выхода генератора. При этом на экране осциллографа, как показано на рис. 1, наблюдается фигура Лиссажу, по которой определяют техническое состояние генератора и конкретный вид неисправности.

При разработке метода диагностирования регулятора напряжения учитывалась необходимость контроля за напряжением срабатывания и отпускания, наличием колебательных процессов при переключении схемы регулятора и, в случае неисправности, возможность поиска неисправного каскада.