CC BY
82
УДК 621.453.034.3:621.646.7
Повышение полноты сгорания топлива в энергетических установках на предприятиях сервиса с использованием форсунок с компланарными каналами
Федор Викторович Пелевин, д.т.н., зав. каф. «Безопасность техносферы
и химические технологии», e-mail: pelfv@rambler.ru
Вера Михайловна Черкина, доцент, e-mail: kina75@mail.ru
ФГОУ ВПО «Российский государственный университет туризма и сервиса», Москва
Рассмотрены способы повышения эффективности смешения компонентов топлива в энергетических установках, основанные на применении щелевых трактов с вихревым течением жидкости; обоснована актуальность широкого использования конструкций цилиндрических трактов с взаимно перекрещивающимися каналами горючего и окислителя; приведены результаты определения гидравлического сопротивления в зависимости от числа каналов и угла их пересечения применительно к конструкциям форсунок с указанными трактами.
The article considers the ways of improving the efficiency of mixing the fuel in power plants, based on the use of slotted channels with a vortex flow of a liquid. The authors prove the urgency of wide use of designs of cylindrical channels with mutually intersecting channels of fuel and oxidizer. The article presented the results of determination of hydraulic resistance depending on the number of channels and the angle of their intersection applied to designs of nozzles with these paths.
Ключевые слова: смесеобразование, вихревые тракты, вихревое течение двухфазной жидкости, форсунки шнековые. Keywords: mixture formation, the vortex paths, vortex flow two-phase liquid jet screw, screw injectors.
Применение в технике «вихревых» трактов становится все более распространенным как в задачах охлаждения и нагрева, так и в задачах смешения компонентов. Один из способов формирования подобных трактов, в которых реализуется вихревой режим течения одно- и двухфазных жидкостей, состоит в использовании скрещивающихся компланарных каналов, образованных параллельными ребрами на противолежащих пластинах или оболочках, сопрягающихся по вершинам этих ребер без взаимного проникновения друг в друга. В ромбовидных областях пересечения каналов осуществляется интенсивное вихревое смешивание компонентов и турбулизация обоих потоков. В случае, когда по одной оребрённой поверхности протекает жидкость, а по другой подается газ, в этих областях может реализовываться пузырьковый, пробочно-снарядный, а возможно, даже и частично кольцевой режим течения. При этом гидравлическое сопротивление системы уменьшается по сравнению с такой же системой, в которой конструктивно реализуется ламинарное течение без смешения (например, когда оребрённые поверхности перед смыканием предварительно разделены непроницаемой прокладкой).
В последние годы область применения вихревых трактов интенсивно распространяется на мили-, микро- и наноразмеры, где необходимость
турбулизации течений жидкостей особенно велика в силу органически присущего микромиру доминирования сил вязкости и непривычно высоких значений гидродинамических сопротивлений элементов конструкций [1]. Достичь по-настоящему турбулентного течения со случайными пульсациями параметров в каналах с гидравлическими диаметрами в несколько десятков микрометров достаточно сложно; в этом случае даже искусственно созданные завихрения (например, вихри Дина [2]) часто существуют и медленно развиваются в ламинарном потоке [3].
Различают ограниченные [4] и неограниченные вихревые тракты (сокращенно ОВТ и НВТ). Первые можно условно описать как состоящие из пар плоских или искривленных незамкнутых обечаек конечных размеров, как правило, прямоугольных в плане. Ограниченность понимается как существование у таких конструктивных элементов краев, где потоки отражаются или поворачиваются. Вторые образованы замкнутыми, как правило цилиндрическими, поверхностями, между которыми течение жидкости происходит свободно, не испытывая резких поворотов и отражений. НВТ конструктивно часто выполняются как фрагменты втулки с внутренней «левой резьбой» каналов, в которую без зазора или с натягом вставлен цилиндр с внешней «правой резьбой» или наоборот (рис. 1) [5].
Рис. 1. Фото типичных конструктивных элементов с НВТ
Основными конструктивными параметрами ОВТ и НВТ, влияющими на их гидравлические сопротивления, характеристики смешивания и теплообмена, являются угол 2в пересечения компланарных каналов на смежных поверхностях, геометрические характеристики сечения единичного канала, размеры тракта (в том числе ширина ОВТ или характерный интегральный размер НВТ), а также число каналов.
В основополагающих исследованиях вихревых трактов с компланарными каналами, выполненных в ЦИАМ [6], КЛ8Л [7], ОКБ СНТК им. Н.Д. Кузнецова [8], МГТУ им. Н. Э. Баумана [9] и РГУТиС [10], априорно предполагались две различные модели течения. Одни авторы считали, что течение жидкости или газа осуществляется как единое целое в полости вихревого тракта в направлении его продольной оси (условно, фронтальная, или интегральная, модель течения), тогда как другие исследователи предполагали, что компоненты теплоносителя или топлива движутся
почти независимо по единичным каналам тракта (канальная модель). Обе модели по-разному определяют основные характеристики потока и различным образом объясняют качественные закономерности.
Так, число Рейнольдса Яе во фронтальной модели определяется, как тО/л¥, где т - суммарный секундный расход жидкости, газа или смеси; О - гидравлический диаметр потока во фронтальном сечении; /л - коэффициент динамической вязкости, однозначно определяемый только для однокомпонентного потока; ¥ - фронтальная площадь проходного сечения. Базовое свойство вихревых трактов с компланарными каналами - увеличение гидравлического сопротивления и теплоотдачи тракта с ростом угла 20 - в рамках фронтальной модели объясняют изменением поперечного сечения каналов от овального до волнистого.
Канальная модель течения требует определения Яе как md!лF, где d = 4/7р, а/ = ¥со^в и р - соответственно фактические суммарные площадь и периметр потока в каналах. Интенсификация теплообмена и рост гидравлического сопротивления предположительно объясняются взаимодействием скрещивающихся струй в межреберных ромбовидных окнах и, как следствие, турбулизацией потока в области смешения.
Фактически рассмотренные модели течения противоречат друг другу, так как при больших углах 2в различно определяют границы между ламинарным, переходным и турбулентным режимами течения. Кроме того, для ОВТ они по-разному объясняют механизм интенсификации теплообмена на боковых поверхностях вблизи границ. Это противоречие, по крайней мере для ОВТ, экспериментально разрешено недавно Ю. М. Ануровым [4] в пользу «канальной» точки зрения, которой последовательно придерживаются и авторы настоящей работы. Методами визуализации потока установлено, что для однофазных потоков в широком диапазоне скоростей имеет место преимущественно канальное течение по плоско-винтовым траекториям с перетеканием компонентов из каналов одной поверхности (оболочки) в каналы другой только вблизи боковых границ ОВТ. Для двухфазных жидкостей подобное исчерпывающее исследование авторам неизвестно.
Одна из областей техники, где конструктивное применение вихревых трактов с компланарными каналами, как ожидается, приведет к ощутимому прогрессу - это процессы смесеобразования различных веществ, в том числе топлив, элек-
тролитов, хладоагентов в микрочипах, биомедицинских жидкостей, наножидкостей, таких как оксиды меди, титана, и других химических элементов. Недавно появившийся термин «миксеры» применительно к рассматриваемым технологиям занял устоявшееся место в тематических разделах профильных международных конференций [11].
В области конструирования двигателей, нагревательных котлов, горелок и других устройств проблема кардинального улучшения смешения компонентов топлива, помимо обычного стремления к экономичности, связана с четко выраженной тенденцией к использованию обедненных смесей с целью снижения выбросов СОХ для углеродных или NOx для водородных топлив [12]. В обедненных же смесях устойчивость горения напрямую зависит от качества смешения.
Еще одна причина, в силу которой необходима разработка новых конструкций для смешивания топлив - интенсивное внедрение в массовую практику различных видов биотоплив. Это внедрение осуществляется пока только в США и других промышленно развитых странах с жарким климатом и относительно небольшими запасами углеводородных ископаемых, где стоимость выработки биотоплива сравнима с будущими розничными ценами на бензин и дизтопливо. В работе [13] показано, что использование растительных (овощных) топлив и соевых масел в дизельных двигателях приводит к высоким значениям эмиссий угарного газа и оксидов азота, причем уровень эмиссии удается снизить путем улучшения процессов дробления и смесеобразования. Именно это обстоятельство, помимо неустойчивости работы таких двигателей, обуславливает постоянное стремление американских инженеров к совершенствованию дизельных форсунок.
Интерес к возможности кардинального улучшения смесеобразования топлива вызван и рядом других необычных приложений. В последнее время «вторую жизнь» получила конструкция нагревателя (рис. 2) с открытым пламенем (горелки) с многорядным расположением топливных форсунок (matrix burner, матричная горелка, или модулируемая горелка) [14, 15].
Обеспечивая высокую экономичность и низкие выбросы в атмосферу, высокую температуру и малошумность, матричная горелка является привлекательной для использования в качестве основного элемента конденсационных котлов автономного теплоснабжения жилых домов, а также технического и производственного теплоснабже-
б)
Рис. 2. Фото модулируемой горелки (а) и ее пламени (б)
ния небольших предприятий сервиса и промышленности. Однако неустойчивость работы на бедных смесях топлива вкупе с паразитным взаимодействием плазменных струй пламени свидетельствуют о слабости в конструктивном решении проблемы подготовки, смешения и впрыска топлива в рассмотренном агрегате.
Представляется, что многие из перечисленных выше задач улучшения смешения компонентов топлива в тепловых агрегатах - горелках и двигателях, включая двигатели внутреннего сгорания, газотурбинные двигатели и установки, а также ракетные двигатели, - частично или полностью решаются путем внедрения в широкую практику новых типов вихревых каналов. Применительно к конструкциям форсунок горелок и двигателей, через которые, как правило, и осуществляется подача топлива, наиболее перспективными, на взгляд авторов, будут вихревые тракты с компланарными каналами, поскольку другие типы вихревых трактов (например, тракты с искусственными шероховатостями, тракты с лунками или полости с тангенциальным впрыском) либо уже широко апробированы и не дают более повыше-
Рис. 3. Конструктивная схема шнековой газожидкостной форсунки с компланарными каналами
ния эффективности, либо ограничены в применении технологией их изготовления.
Схема форсунки для смешения и распылива-ния двухфазных топлив, в которой подача компонентов горючего и окислителя осуществляется по раздельным смежным поверхностям вихревого тракта с компланарными каналами, представлена на рис. 3. Подобная форсунка имеет много общего со шнековой форсункой, однако обладает и принципиальными отличиями, обусловленными реализацией во внутреннем вихревом тракте компланарного смешения жидкости и газа, турбулизаци-ей потока уже через пару витков, падением гидравлического сопротивления по сравнению с гладким шнеком и другими рассмотренными выше особенностями течения и смешения. Несмотря на определенную неясность в картине двухфазного течения, основные интегральные характеристики форсунки и их зависимость от определяющих конструктивных параметров уже выяснены.
Проведенные авторами оценочные расчеты и экспериментальные исследования показали, что форсунка, выполненная по данной схеме, обеспечивает хорошее качество смеси даже при малых перепадах давления на входе и выходе вплоть до АР = 0,01 МПа. Экспериментально определен один из самых критических параметров для форсунок с подкруткой потока - коэффициент гидравлического сопротивления
& = 2аАРф / (Ьрж2),
где а - эквивалентный гидравлический диаметр системы каналов; Ь - длина тракта вдоль оси; р -плотность газожидкостной смеси; Ж - скорость течения смеси.
Именно данный параметр практически лимитирует число витков шнека и, следовательно, сте-
пень закрученности потока, число поясов пересечения компланарных каналов, смешиваемость компонентов топлива и полноту сгорания.
Зависимость £н от угла пересечения каналов представлена на рис. 4, где пунктиром выделена экспериментальная кривая £н(2Д) для однофазной жидкости. На рис. 5 приведены аналогичные зависимости при различном числе каналов. На расход-
30 60 90 120
2Д град
Рис. 4. Гидравлическое сопротивление на начальном участке в зависимости от угла пересечения каналов
103 2 4 6 8 1 04 2 4 6 8 Яе
Рис. 5. Зависимость гидравлического сопротивления на начальном участке от угла и числа каналов: 1 - 2@ = 110°, N = =10; 2 - 2в=90°, N = 10; 3 - 2в = 60°, N=6; 4 - 2в = 60°, N=10; 5 - 2в = 60°, N = 17; 6 - для ОВТ
т0 • Ю3, кг/с
—1
У —5
/ X/
к У
0,1 0,2 0,3 0,4
АР,, МП,
ф’ А
Рис. 6. Зависимость расхода от числа каналов N и угла пересечения каналов 2в: 1 - 2в = 60°, N = 17; 2 - 2в = 60°, N = =10; 3 - 2в = 60°, N=6; 4 - 2в = 90°, N=10; 5 - 2в = 110°, N = 10
ных графиках рис. 6 приведены данные о потребных перепадах давления для обеспечения заданного расхода при различных углах пересечения и разном числе каналов.
Остальные экспериментальные данные, в том числе результаты огневых испытаний, были изложены в работе [10]. Там же представлена аппроксимирующая эмпирическая зависимость коэффициента гидравлического сопротивления от угла пересечения каналов и числа Рейнольдса, намечены способы определения оптимального значения этого угла и оптимального числа витков компланарного шнека.
Таким образом, созданы определенные экспериментально-теоретические основы для разработки и опытной эксплуатации семейства газожидкостных форсунок с компланарными трактами - форсунок нового типа, способных дать как ощутимый экономический эффект, так и качественно новые научнопрактические результаты. В этих форсунках за счет улучшения характеристик смешивания компонентов повышается полнота сгорания топлива - ключевой параметр современного направления оптимизации энергетических установок.
ЛИТЕРАТУРА
1. Kastner, J.,Transverse Jets in Confined Laminar Micro Crossflow // ASME Conf. Proc. Year 2008. ASME 2008 6th International Conference on Nanochannels, Microchannels and Minichannels / Micro Jets and Micro Turbines. Paper no. ICNMM 2008 - 62242. P. 1455 - 1463.
2. Bhunia, A., Chen, C. L., Flow Characteristics in a Curved Rectangular Channel With Variable Cross-Sectional Area. J.Fluids Eng. September 2009. V. 131. Is. 9.
3. Kockmann, N., Holvey, C., Roberge, D. M., Transitional Flow and Related Transport Phenomena in Complex Microchannels // ASME Conf. Proc. Year 2009. ASME 2009 7th International Conference on Nanochannels, Microchannels and Minichannels. Paper no. ICNMM 2009 - 82139. P. 1301 - 1312.
4. Ануров Ю. М. Эффективные методы интенсификации теплообмена в системах охлаждения лопаточных аппаратов высокотемпературных газовых турбин [Электронный ресурс]: Дисс. ... докт. техн. наук: 05.04.02.М.: РГБ. 2006.
5. Бильмаер В. В. Теплообмен и гидравлическое сопротивление в компланарных каналах рекуперативных теплообменных аппаратов жилищно-коммунального хозяйства и бытовой техники: Дисс. ... канд. техн. наук: 05.02.13. М. 2005.
6. Миллер Р. А. Расчет ресурсов теплозащитных покрытий для авиационных ГТД // Современное машиностроение. Сер. А. 1989. № 11.
7. Говард К. П. Характеристики теплопередачи и гидравлического сопротивления теплообменных поверхностей со скошенными каналами и поверхностей из стеклокерамики // Энергетические машины и установки. 1965. № 1. С. 85 - 101.
8. Кузнецов Н. Д. Эквивалентные испытания газотурбинных двигателей. М.: Машиностроение. 1976.
9. Орлин С. А., Поснов С. А., Пелевин Ф. В. Теплообмен и гидравлическое сопротивление в щелевых трактах с компланарными каналами // Изв. вузов. Машиностроение. 1984. № 2. С. 78 - 84.
10. Пелевин Ф. В., Черкина В. М. Экспериментальное исследование смесеобразования в газожидкостной форсунке с компланарными каналами // Теоретические и прикладные проблемы сервиса. Техника и технологии. 2009. № 1(30). С. 20 - 24.
11. Kawahara, A., et al. Characteristics of Two-Phase Flows in s Rectangular Microchannel With a T-Junction Type GasLiquid Mixer // ASME Conf. Proc. Year 2009. ASME 2009 7th International Conference on Nanochannels, Microchannels and Minichannels. Paper No. ICNMM 2009 - 82217. P. 1133-1140.
12. Therkelsen, P., Werts, T., McDonel, V. L., Samuelsen, S. Analysis of NOx Formation in Hydrogen-Fueled Gas Turbine Engine // J. Eng. Gas Turbines Power. May 2009.V. 131. Is. 3.
13. Panchasara, H. V., and oth. Combustian Performance of Biodiesel and Diesel-Vegetable Oil Blends in a Simulated Gas Turbine Burner J. Eng. Gas Turbines Power. May 2009. V. 131. Is. 3.
14. Bohn et al. Uniform-Burning Matrix Burner. // USA Patent No. 6,183,241 B1, Feb. 6, 2001.
15. Floyd, J., Heyes, A. L., Kempf, A. M. Computed Tomography of Chemiluminescence (CTC) Instanteneous Measurements of a Matrix Burner. Imperial College London. P. 810365.
Поступила 11. 04. 2011г.
