Режимы течения топливных водоугольных суспензий в каналах распыливающих устройств Текст научной статьи по специальности «Физика»

Journal of Siberian Federal University. Engineering & Technologies, 2018, 11(2), 242-249

yflK 621.18.002.52.62.004

The Flow Regimes of the Fuel Water Coal Slurries in the Canals of Spraying Devices

Ahmet K. Dzhundubaeva, Myrzatay S. Sultanaliyeva, Vasily I. Murkob, Ludmila V. Kulaginac and Marina P. Baranovad

aResearch Institute of Energy and Economics under the State Committee for Energy of the Kyrgyz Republic 119 Ahunbaeva, Bishkek, 720055, Kyrgyz Republic

bSibecotechnika 2 Kommunarov, Novokuznetsk, 654079, Russia cSiberian Federal University 79 Svobodny, Krasnoyarsk, 660041, Russia dKrasnoyarsk State Agrarian University 90 Mira, Krasnoyarsk, 660049, Russia

Received 26.06.2017, received in revised form 21.09.2017, accepted 12.01.2018

The article deals with the flow of highly concentrated water-coal fuel slurries (WCS) when they are added for the combustion through spraying devices - nozzles. The flow regimes of slurries in thin canals of spraying devices are studied. It is established that during the WCS flow through thin canals, the flow regime is violated, which is caused by the mutual influence of geometric dimensions and flow parameters of the slurries when it is burned in combustion chambers of power plants. Therefore, the design dimensions, especially the outlet diameters of the nozzle holes, must be selected, taking into account the obtained analytical expressions, which should be refined in carrying out model and full-scale experiments with specific types of WCS of constant composition.

Keywords: Water coal slurry, thin canals of spraying devices, flow regimes.

Citation: Dzhundubaev A.K., Sultanaliyev M.S., Murko V.I., Kulagin V.A., Baranova M.P. The flow regimes of the fuel water coal slurries in the canals of spraying devices, J. Sib. Fed. Univ. Eng. technol., 2018, 11(2), 242-249. DOI: 10.17516/1999-494X-0027.

© Siberian Federal University. All rights reserved Corresponding author E-mail address: [email protected]

Режимы течения топливных водоугольных суспензий в каналах распыливающих устройств

А.К. Джундубаева, М.С. Султаналиева, В.И. Муркоб, Л.В. Кулагинав, М.П. Баранова1

аНИИ энергетики и экономики при Госкомпромэнергонедр Киргизской Республики Кыргызская Республика, 720055, Бишкек, Ахунбаева, 119

бЗАО «Сибэкотехника» Россия, 654079, Новокузнецк, Коммунаров, 2 вСибирский федеральный университет Россия, 660041, Красноярск, пр. Свободный, 79 гКрасноярский государственный аграрный университет Россия, 660049, Красноярск, пр. Мира, 90

В статье рассмотрены вопросы течения высококонцентрированных водоугольных топливных суспензий при подаче их на сжигание через распыливающие устройства -форсунки. Исследованы режимы течения суспензий в тонких каналах распыливающих устройств. Установлено, что при течении ВУС по тонким каналам нарушается режим течения, что обусловлено взаимным влиянием геометрических размеров и параметров течения суспензии при организации ее сжигания в топочных камерах энергоустановок. Поэтому конструктивные размеры, особенно выходные диаметры отверстий форсунок, необходимо подбирать, учитывая полученные аналитические выражения, которые должны быть уточнены при проведении модельных и натурных экспериментов с конкретными типами ВУС постоянного состава.

Ключевые слова: Водоугольные суспензии, тонкие каналы распыливающих устройств, режимы течения.

Применение водоугольных суспензий (ВУС) в качестве топлива для промышленных энергоустановок, особенно в последние годы, привлекает к ним интерес многочисленных исследователей. Большинство работ посвящено проблемам, связанным с гидродинамикой течения высококонцентрированных ВУС применительно к магистральным трубопроводным системам. Однако ряд технических трудностей, возникающих при организации внутрицехового распределения ВУС на тепловых электростанциях и, главное, при распыли-вании их через специальные форсунки в топке или аппарате предварительного отделения влаги обусловлен недостаточной изученностью параметров и режимов течения ВУС в этих условиях.

Цель работы - получение аналитических выражений, позволяющих определять геометрические размеры каналов сопел распыливающих форсунок ВУС с учетом параметров течения.

Для достижения поставленной цели проводили исследования режимов течения высококонцентрированных ВУС в тонких каналах распыливающих устройств.

Высококонцентрированная ВУС представляет собой сложную сплошную среду, свойства которой определяются такими параметрами, как влажность, зерновая характеристика исходной угольной пыли, присутствие поверхностно-активных добавок, физико-химические свойства

угля и т.д.[1- 4]. В ыидлте [5]усстиовлмныдривинысвабилизациивадоугольных суспензий. Как показывиетопыт,ВДС обладаетсвойствыми, присущимиитвыютоновской жидкости сте-инннакт вида, реологапе л -л в - ртвнение кок-и еИ име ет вид

н = Ну", (1)

где т - касательное напряжение; у - скорость деформации; k и n - постоянные коэффициенты, причем п < 1 [6,7].

Зависимость(1) приводим к значительному чсчожнениюуравнения движения ВУС по сравнению с ньютоновскими жидкостями. Однако в некоторых практических случаях движение ВУС может быть описано обычными уравнениями. При этом для конкретных технических зад ч необходимо учитывать реологические особенности ВУС. - качестве исходных примем тратнвнво даиамики тмкошной предычв неоуяжаниямл и уивннение н1 сжлмавмости, которые справедливы длялюЯдНсплошной среоы:

dU V дРо дРм дРа р —в ысв +——-ы—— +—;

dt х dx dy dz

dV dP dP дд

p— = pF + -—- + —^ —^ (2)

dt dx dy dz

dW F dPy dPyz dPB

p-= pFz +—— + —— +—s •

dt dx dy dz

dU dV dfV д

-+-+-= 0, (3)

dx dy dz

где U, V,W - проекции скорости на оси роординат; рн Pzx, Р1у- касттальньзт нспрожапия; пер-В1>1Й подстрочн ый ^няирщкс: нПозноиоеа ось, парпеидикуларно ыотдрой ориеачирочаеч площадзн, второ й индекс -оа , на которую спроектировано это напряжение.

PXX=PX

P„ = Py нормальные напряженны. (4)

P = P

zz z

Еили вяоность = л const,oо получтнные ураышениянорктнпкварае ураанерий Стокса. Их обыынооррмсырюют ib оомонныной ыннодооой форме:

—+ (fA) =F~ — gradP + vA2V; dt p

divV = 0,

(5)

М

где V = -— кинематическаявязкость.

/к

Рассмотрим случай слоистого течения, причем скорость в продольном направлении не изменяется, а зависимость носит линейный характер. Как показывают опыты, это обстоятельство справедливо в ограниченном диапазоне скоростей, характерных для движения ВУС по трубопроводам и через регулирующую арматуру. Наиболее общим видом связи между тензо-

ром напряжений P и тензором скоростей деформации S как для изотропной, так и для анизотропной жидкости будет выражение

P = aS + b s, (6)

где a и b -скаляры,имеющие смысл вязкости и давления соответственно [8].

Анизотропность среды будет учитываться ц, который в общем случае также является тензором. Написовыражен им (6) может быто есполязована в данной тостановке задачи. Это приводит к тому, что

^ = ы

5х д+

dW

PP = -P + (7)

dz

P P i du dv С D f dv dW .

ж n (dW dUT

Вопрос о вязко стс ПЗУС остзетсс наиболеесложным. Теоретические представления, при-ввиеннрю в работах [6, 19], показывают, чтодля жидкости, обладающей ст]руктурой, вязкость определяе тся из выр ажен и я

—те = еп+«(—-—,)> (9)

еде; - оаименошат нанко-оь прддельни разоушрннойструктуры; ц0 - наибольшая вязкость пракнически неразрушстнойструктуры; а - степень тасооттопного восстановления структу-рыв точке, з-оисящей от скорости деформации.

Чаде теего эта завис;имостьпредставадется аинеКной:

, РЙК

щщ йо-к— (10)

ay

или

u = u +~Ш' (11)

Т-

dy

где k - коэффициент, который зависит от структуры ВУС и внешнего воздействия - напряжения сдвига.

Последнее равенство справедливо для достаточно узкого диапазона скоростей. Для гидродинамики течения ВУС главную роль играет второе слагаемое выражений (10) и (11). Интересно отметить, что для высококонцентрированных дисперсных систем известны случаи возрастания вязкости с увеличением скорости деформации [10]. Такое различие

- 24Н-_

результатов зависитне только отсодержаниятвердой ноиот режиматечения ВУС

[4].

Представление р можее б1>1Т1> оИобщено на трехмерное пространство. Однаков конечном счете можно огр оличитотя с лоисте>1м одномерным течением. Подставляя значения напряжений в уравнение (2), получим

дР дР дР д дП V д/лд2и (д2П „ д2У ) -н-+-н^+—дно-ое1 —-+о ~н—+^1 —-+о-1 +

дх еду дх дх дхдх ^ ду дхду)

дцЦи Рм) {д 2цг д2и+ д>ц(д]¥ ГП Л_

Р V дду дх) уРхд2 д?2 ) д? \ дх д? )

5Р (д2и д2П дП д д (дП дV дЖ )

_--+ И \ —2"—2" + —Г 1 + <" — I-+-+-1 +

дх ^ дх ду д? ) дхд, дх ду д? )

2 д/идП + днЛдП_= <1 + + ди )_др + и

дхдх ду ^ ду дх ) д? \ дх д? ) дх

ааокак

5U dV dW

= divV = 0

дх dy dz

(в силу уравнения неразрывности),

^ dU _ дц (дU dV )dyidW dUN

дх дх ду у ду дх ) дz ^ дх дz

(]в силя принятооо предположения о линейности он).

А налогичные ортоВрззованияможно провис ти для остальных проекций. В результате вид полученныхвыражений совпадает суравнениямиСтокса

ат{У)У = О?-—^гаКНнуА2!0;

а Р (13)

<ш = О,

топрпэтоя д определпнтся и;! выражения (8).

Как указывалось выше, практическое значение имеет слоистое течение, известное как течение Куэтта [11]. В случае ньютоновскойжидкостирешение имеет вид (рисунок)

Для ндаьютрно вскоД жидкнтти сдщественнуюиоль иераетзньизимосьь д. се скор ости деформации. Ч> твм езюг^ти^^, коодак возрастает во увеличением деформации пропорционально гра-диентускорости,возникаетдобавка

2л/2 dP

( 3 3 А b2 - у2

и—К 3 dx

V у

где К - коэффициент, зависящий от структуры потока ВУС.

(15)

У

"(у) 2b

J>

Рис. К расчету течения ньютоновской жидкости Fig. Forcalculationofacurrentofthe Newtonian liquid

Со поставляя по лученные результаты с литературными данными [7] , для ламинарног о потока ВУС нашли удовлетворительное соответствие. Следует отметить, что речь идет о деформации профащя сконнстсй.

Пили движенииВУС в тонких каналах, еслису ществует зависимость (6), уравнение (15) должно быть записано в виде

ЯР _ 1 (Шв (16)

откуда

dx KU dy2 ' dy

d2U_K dP_<d_ (17)

dy2 dx dy '

dP ни d2U ^ dU ^ dU

— = Kj, тогда 2 = Kj —— , Ьсли ввести —— dx dy dy dy

<¥ К г

то, интегрируя выражение — = К 1 ] , получим

Лу '

е = скеку, (18)

и = е1к2вк>у+е2. (19)

Используя гранечные услооия

г к^еЛО + с2 = 0+

еы (20)

сСЛе^ + с= =0,

находим

схк 2 ¡Ик Ь = 0 . (21)

Отсюда очевидно равенство

s}lkk = 0,

ЫХЪ = пп , (где п = 1,2,3... )

K—b = nn. (22)

dx

Таким образом, получено уравнение (22), в котором связаны структурный K, режимный

dP

— и геометрический b параметры.

dx

Проведенные исследования показали, что при течении ВУС по тонким каналам необходимо учитывать неньютоновский характер ВУС. Установлено, что при движении таких жидкостей нарушается режим течения, что обусловлено взаимным влиянием структурного K, режимного

— и геометрического b параметров. Поэтому конструктивные размеры, особенно выходные

dx

диаметры отверстий устройств для распыливания ВУС, необходимо подбирать, учитывая полученные соотношения.

Для инженерных расчетов необходимо проводить модельные и натурные эксперименты с конкретными типами форсунок для определения структурного параметра k, зависящего от структуры потока ВУС.

Исследование выполнено при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований, Правительства Красноярского края, Красноярского краевого фонда поддержки научной и научно-технической деятельности» в рамках научного проекта № 17-48-240386р_а.

Список литературы

[1] Осинцев В.В., Джундубаев А.К., Хидиятов А.М., Козьмин Г.В., Костовецкий С.П. Применение прогрессивных технологий подготовки и сжигания основных энергетических углей Киргизии. Фрунзе: Илим, 1989. 187 с. [Osintsev V.V., Bulakh K.G. Physico-chemical properties of minerals and components of solutions, Leningrad, Nedra, 1989, 187 p. (in Russian)].

[2] Осинцев В.В., Джундубаев А.К., Торопов Е.В., Кузнецов Г.Ф., Сулейменов К. А. Энергоэкологические проблемы сжигания твердого топлива в котельных установках. Челябинск: Изд-во ЧГТУ, 1995. 162 с. [Osintsev V.V., Dzhundubaev A.K., Toropov E.V., Kuznetsov G.F., Suleimenov K.A. Energy-ecological problems of burning solidfuel in boiler plants. Chelyabinsk: Publishing house ChSTU, 1995. 162 p.].

[3] Кулагин В.А. Методы и средства технологической обработки многокомпонентных сред с использованием эффектов кавитации, дисс. ... д-ра техн. наук. Красноярск: КГТУ, 2004. 379 с. [Kulagin V.A. Methods and means of technological processing of multicomponent media using the effects of cavitation, diss. ... Dr. techn. sciences. Krasnoyarsk: KSTU, 2004. 379 p. (in Russia)].

[4] Баранова М.П. Технология получения нетрадиционных топлив в виде водоугольных суспензий из углей различной степени метаморфизма, дисс. ... д-ра техн. наук. М.: МЭИ, 2014. 275 с. [Baranova M.P. The technology of obtaining non-traditional fuels in the form of water-coal suspensions from coals of various degrees of metamorphism, diss. ... Dr. techn. sciences. Moscow: MEI, 2014. 275 pp. (in Russia)].

[5] Baranova M.P., Kulagin V.A., Taraban'ko V.E. Nature of stabilization of water-coal fuel suspensions. Russian Journal of Applied Chemistry, 2011, 84, (6), 939-944.

[6] Зайденварг В.Е., Трубецкой К.Н., Мурко В.И., Нехороший И.Х. Производство и использование водоугольного топлива, М.: Из-во Академии горных наук, 2001. 176 с. [Zaydenvarg V. E., Trubetskoy K.N., Murko V.I., Nehoroshi I.H. Production and use of water coal fuel. M., Publishing house of Academy of mountain sciences, 2001.176 p. (in Russia)].

[7] Мурко В.И., Джундубаев А.К., Баранова М.П., Бийбосунов А.И., Кулагин В.А. Гидротранспортные топливно-энергетические комплексы. Российско-кыргызское научно-техническое сотрудничество в области теплоэнергетики. Красноярск: Сиб. федер. ун-т. 2015. 250 с. [Murko V.I., Dzhundubaev A.K., Baranova M.P., Biibosunov A.I., Kulagin V.A. Hydrotransport fuel and energy complexes. Russian-Kyrgyz scientific and technical cooperation in the field of heat power engineering, Krasnoyarsk, Sib. feder. un-t, 2015. 250 p. (in Russia)].

[8] Лойцянский Л.Г Механика жидкости и газа. М.: Наука, 1978. [Loitsyansky L.G., Mechanics of Fluids and Gas. M., Nauka, 1978. (in Russia)].

[9] Ребиндер П.А. Поверхностные явления в дисперсных системах. М.: Наука, 1978. [Rebinder P.A. Surface phenomena in disperse systems. Moscow, Nauka, 1978. (in Russia)].

[10] Бояркин Л.М. Трубопроводный гидротранспорт твердых материалов. М., 1981. [Boyarkin L.M. Pipeline hydrotransport of solid materials. M., 1981. (in Russia)].

[11] Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. М.: Наука, 1974. [Schlichting G. The theory of the boundary layer. Moscow, Nauka, 1974. (in Russia)].