Повышение качества распыла технологических жидкостей в энергетических установках

Тип работы:
Реферат
Предмет:
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ


Узнать стоимость новой

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

Якють розпилювання технологiчних piduH визначае ефективтсть багатьох тех-нологiчних процеЫв виробництва i робо-ти енергетичних установок. Розглянутi питання, пов'-язат з можливютю тдвищен-ня якостi розпилу технологiчних ри) ин, в першу чергу палив, pi3^x паливних емуль-сш i суспензш
Ключовi слова: гидровихрова форсунка,
розпил, композитне паливо
?-?
Качество распиливания технологических жидкостей определяет эффективность многих технологических процессов производства и работы энергетических установок. Рассмотрены вопросы, связанные с возможностью повышения качества распыла технологических жидкостей, в первую очередь топлив, различных топливных эмульсий и суспензий
Ключевые слова: гидровихревая форсунка, распыл, композитное топливо
?-?
The spray quality of technological liquids determines the efficiency of many technological processes of power plants production and work. The questions related to possibility of quality improvement of technological liquids spray above all things fuels different fuel emulsions and slurries are considered
Key words: hydro-vortex injector, spray, composite fuel
УДК 681. 3
ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА РАСПЫЛА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ЖИДКОСТЕЙ В ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВКАХ
О. В. Кравчен ко
Кандидат технических наук, старший научный сотрудник* Контактный тел.: 8 (0572) 94-27-34 Е-mail: krav@ipmach. kharkov. ua
И.Г. Суворова
Доктор технических наук, профессор, ведущий научный
сотрудник*
Контактный тел.: 8 (0572) 95-96-07 Е-mail: sig@ipmach. kharkov. ua
И. А. Баранов
Аспирант*
*Отдел нетрадиционных энерготехнологий Институт проблем машиностроения им. А.Н. Подгорного
НАН Украины
ул. Дм. Пожарского, 2/10, г. Харьков, Украина, 61 046 Контактный тел.: 8 (0572) 95-96-07 Е-mail: bia. 84@mail. ru
1. Введение
Распыливание технологических жидкостей широко представлено в процессах производства и эксплуатации энергетических установок. Одним из важных параметров при организации эффективного сжигания топлив в камерах сгорания является качество распы-ливания.
С этим параметром связаны не только конструктивные особенности камер сгорания, но и энергоэкологические показатели процессов сжигания. Решение данного вопроса требует непрерывного усовершенствования конструкций горелочных устройств и технологий сжигания жидких топлив. Кроме того, актуальность вовлечения в номенклатуру сжигаемых топлив широкого спектра веществ, биоотходов, угля, и
других в настоящее время очевидна. Как правило, для подачи горючего в камеры сгорания используются центробежные, струйные комбинированные форсунки, отличительной особенностью которых является высокие требования к чистоте топлива. Использование суспензионных комбинированных топлив не допускает применения в устройствах для сжигания перечисленных типов форсунок, поскольку наличие дисперсной к -фазы в топливе приводит к быстрому засорению трубопроводов и калиброванных проходных отверстий. В этой связи особый интерес представляют гидровихревые форсунки [1], которые открывают новые возможности по качеству распыливания & quot-плохо"- рас-пыливаемых жидкостей.
В основу процессов активации гидродинамического потока жидкости в таких устройствах положены

явления кавитации. Основной целью при проектировании нового типа форсунок является организация в течении кавитационных зон, в которых происходит сверхтонкое диспергирование жидкости и создание высококачественной гетерогенной смеси.
2. Математическое моделирование гидродинамических процессов в форсунках
2.1. Постановка задачи для поля скоростей
Плоское стационарное течение вязкой несжимаемой жидкости описывается следующей системой уравнений:
, avx «avx „эр 1 _
V dV+V dV+Eu dP — lie AV=0,
dVy ЭУ dP 1
V & quot-э#+V"-э^г+Euay-lieAV=
dx dy
= 0.
(1) (2)
(3)
Здесь (1), (2) — уравнения Навье-Стокса, (3) — уравнение неразрывности движения, Яе — число Рейноль-дса, Ей — число Эйлера.
Вводя функцию тока |/ с помощью соотношений
V =, V = система (1) — (3) сводится к нели-
Эу у Эх
нейному дифференциальному уравнению в частных производных 4-го порядка относительно функции тока |/ [2]
1.. Эш ЭАш Эш ЭАш.
-ААш----+ ---2- = 0.
Re dy dx dx dy
(4)
Граничные условия для такого уравнения вытекают из условия прилипания на твердой стенке и скорости на входе.
2.2. Граничные условия
На твердой стенке имеем условие прилипания (V = 0, V = 0), отсюда следует, что ЭУ y dx
ft = (V, i) = 0 —
dn=(**“)=».
Так как = 0 на твердой стенке, то у = const на Эт
этой же стенке.
На входе задается параболический профиль скорости.
2.3. Расчет гидродинамических характеристик в форсунке
Постановка задачи.
Найти распределения поля скоростей в потоке при протекании его через форсунку. Решаем уравнение (4) для функции тока в области Q (рис. 1), описанной уравнением ra (x, y) & gt- 0, функция ra (x, y) представлена на рис. 2.
Рис. 1. Область П
? ¦
? ¦
? ¦
?
¦31 332Е+01 27 851Е+01. 24 369Е+01, 208В8Е*01. 174В7Е+01. 13Э25Е+01. 10 444Е+01 69 627Е+00. 34 813Е+00 -. 35 527Е-14
Рис. 2. ю (х, у)
Структура решения для уравнения (4) с соответствующими граничными условиями имеет вид: у = + у0 [3,4], где у0 обеспечивает продолжение граничных условий внутрь области и получено с помощью формулы & quot-склейки"- [5].
Н ж2
V 0 =
3 1
где, ^ - значения функции у, заданные на участках границы Г, описываемых уравнением wi = 0. Здесь
щ _ 2а1
1 = ((x — Ь1К (y + a2) v0 (y + а1) v0 (г2-(x — bi)2-(y + c)2)) — _ 2a4
_J & gt- 2 3
W2 = ((X — b1) A0 (a2 — У) V0 (а1 — У) V0 (г'- - (X — b1)2 — (У — C)2)) —
= У -^-т, w3 = х. 3 ^ 3а4 3
Э^о
Таким образом, у0| =, = 0, i = 1,2,3 ,
11 Эп 1 1
где — неизвестная функция с нулевыми граничными условиями Дирихле и Неймана, которая имеет вид = ю/Р.
N
Здесь Р, = ^А^ - неопределенная компонента структуры-
Л! — константы, которые необходимо определить-
^ - специальные функции, образующие базис в гильбертовом пространстве, в котором ищется решение-
Ю1 АоК (*з АоК (4 4)
Л0(х, у) = х + у-у/х2 + у2 — Я-конъюнкция-
У0(х, у) = х + у +х2 + у2 — Я-дизъюнкция- = х (Ь + Ь2 -х)/(Ь4 + Ь2) — = (а, + у)(а, -у)/(2а,) — = (х — Ь1)/Ь1- = (а2 + У)(а2 — у)/(2а2& gt- - = (г2-(х — Ь)2-(у — С)2)/(2г) — = (г2-(х-Ь)2-(у + с)2)/(2т) —
Э1 — половина ширины на входе в форсунку- а2 — половина ширины на выходе из форсунки- Ь!+Ь2 — длина форсунки-
Ь1 — величина, на которую центр окружности отстоит от входа по оси Ох-
с — величина, на которую центр окружности отстоит от оси симметрии входа по оси Оу- г — радиус окружности-
Относительно функций |/4 и |/0 уравнение (4) имеет вид:
1 дду р^! эд?! ЭАу1 Эу1 ЭАуо Эуо ЭАу1 +
Яе 1 [ Эу Эх Эх ЭуЭу Эх Эу Эх
+ д?1 дд? о + д? о дд?1 =- 1 ААу | дАУо о. дАУо (9)
Пуассона с правой частью, зависящей от найденной функции тока [9]. Приближенное решение понимается в смысле нормы L2(Q).
3. Результаты вычислительных и экспериментальных исследований
На следующих рисунках приведены результаты вычислительных экспериментов: распределения скоростей и давлений в потоке при протекании его через форсунку. Вычислительные эксперименты проводились на сетке 40×40 сплайнов 5-го порядка. Количество итераций 9.
¦. 70 014Е+00
?. 54 456Е+00 |. 38 897Е+00
п. 23 330Е+00
¦. 77 794Е-01
? -. 77 794Е-01
¦ -. 23 330Е+00
? -. 38 897Е+00
¦ -. 5445БЕ+00
¦ -. 70 014Е+00
Яе
Эу Эх Эх Эу
После применения процесса линеаризации получим последовательность линейных уравнений [7]:
ддш ЭАУп+1 + э? п+1 эд? п э? п эд? п+1 э? п+1 эд? п
Яе ^п+1 [ Эу Эх Эу Эх Эх Эу Эх Эу
Рис. 3. Функция тока (1?е=1000)
¦. 12 172Е+01 П ¦10 620Е+01
¦. 94 675Е+00
?. 81 150Е+00
¦. В7626Е+00
?. 54 101Е+00
¦. 40 576Е+00
?. 27 052Е+00
¦. 13 527Е+00 ¦. 21 441Е-04
Рис. 4. Функция модуля скорости ^=1000)
дуп+1 эд^с Эдуп+1, Эуп+1 Эду0, Эу0 Эду
1
Эу Эх Эу
Эх
+ _Ц1--Гм! =--ддУс
Эх Эу Эх Эу Яе
+ (10)
+ ^ эд0 Э0 Эду0 Эуп. Эдуп + Эуп _ эдуп
Эу Эх Эх Эу Эу Эх Эх Эу
Задача решается методом наименьших квадратов [8]. Статическое давление определяется из уравнения
е"

? ¦
? ¦
? ¦
?
. 10 902Е+01. 10 752Е+01. 10 601Е+01. 10 451Е+01. 10 301Е+01. 10 150Е+01. 10 000Е+01. 98 497Е+00 ¦9В994Е+00. 95 491Е+00
Рис. 5. Функция статического давления ^=1000, Eu=10)
3
Уникальная особенность данного типа форсунок состоит в возможности обеспечения подачи в камеру сгорания теплогенерирующих установок суспензионных и эмульгированных горючих. Основной проблемой для получения стационарного горения для таких топлив является образование конгломератов наполнителя, как вдоль топливоподающего тракта, так и непосредственно в камере сгорания. Наиболее эффективным способом борьбы с конгломератами является кавитация. Поэтому, при проектировании гидровихревых форсунок, необходимо стремится к образованию в течении интенсивных кавитационных зон.
На основании анализа модели форсунки была создана унифицированная методика расчета, что позволило создать и успешно применить в промышленности ряд гидровихревых форсунок для различных дисперсных к-фаз в топливе. Численные эксперименты показали, что после диффузора форсунки реализуются термодинамические условия для эффекта коллапса пузырьков горючего, который разбивает на капли пленку горючей смеси. Возможно, что также имеет место распад молекулы воды на радикалы и ионы Н+ и ОН, что активирует протекание реакции гидролиза и гидрогенизации высокомолекулярных фракций органических энергоносителей [9].
На основе теоретических, численных и экспериментальных исследований разработаны различные по своему практическому применению типы гидровихревых форсунок (рис. 6).
Рис. 6. Типы гидровихревых форсунок
Дисперсность распыла топлива после гидровихревой форсунки определялась с помощью лазерной установки (рис. 7).
на очистных сооружениях в г. Харькове на установке по производству и сжиганию ИКЖТ (рис. 8), разработанной сотрудниками Харьковского национального университета радиоэлектроники.
В высокотемпературную зону горения после рас-пыливания попадает поток ультрадисперсных капель углеводородного топлива, воды и наполнителя (био-ила). Попадая в зону горения, частицы воды (размерами 5−15 мкм), находящиеся внутри капель углеводородного топлива, быстро испаряются, «взрываются» и разбрызгивают его, производя дополнительное диспергирование. Улучшается доступ окислителя к топливу, ускоряются процессы газификации в твердом наполнителе, уменьшается механический и химический недожог. При этом факел горения увеличивается в объёме на 11−12% и более плотно заполняет топочную камеру. Улучшаются теплообменные процессы, полнота сгорания некондиционного углеводородного топлива (в нашем случае — отработанное масло) достигает 99. 5%.
Рис. 8. Экспериментальная установка по сжиганию композитного топлива
Созданный макетный образец форсунки прошел успешные испытания по сжиганию альтернативного биотоплива и доказал преимущества гидрокавитаци-онного подхода для интенсификации физико-химических процессов в устройствах распыливания.
На рис. 9 показаны испытания рабочего образца гидровихревой форсунки на действующем котле мининефтеперерабатывающего завода в Харьковской области. Испытания проводились на водомазутном топливе. Следует отметить, что на данном образце были получены наилучшие энергоэкологические показатели работы котла по сравнению с форсунками других типов, представленных на рынке.
Рис. 7. Стенд по определению дисперсности распыла
Огневые испытания форсунок, разработанных для распыливания альтернативного топлива, проводились
Рис. 9. Испытания гидровихревой форсунки на мини-НПЗ
5. Выводы
Разработаны и предложены методы интенсификации процессов подготовки эмульсионных и суспензи- 4. онных топлив и их ультрадисперсного распыливания с использованием кавитационных явлений. Проведено математическое и компьютерное моделирование течения в гидровихревой форсунке.
Представлены результаты экспериментальных ис- 5
следований разработанных гидровихревых форсунок в составе установки по получению и сжиганию искусственных композитных жидких топлив.
Проведенные испытания показали преимущества использования предложенных принципов предварительной активации топлив, доказали то, что использование гидрокавитационных технологий подготовки и 7. распыливания топлив может существенно улучшить технико-экономические и экологические показатели §. эффективности работы энергетических установок.
Литература
1. Пат. 82 138 Украша. МПК7 В0№ 5/02, 04, 06, В02С 19/06. Змшувач-форсунка 1.Г. Суворова, О. В. Кравченко (Украша). — Заявл. 19. 06. 2006- 0публ. 11. 03. 08. Бюл. № 9. 5.
2. Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Теоретическая физика, Т. 6, Гидродинамика. — М.: Наука, 1988.- 736 с.
3. Баранов И. А. Метод R-функций для расчета взаимосвязанных полей в гидропотоках / И. А. Баранов, О.В. Крав-
ченко, И. Г. Суворова // Вюн. Харк. нац. ун-та — Сер. Мат. моделювання. 1нформацшш технологи. Автоматизоваш системи управлшня. — Харгав, 2007. — № 780. — С. 9−18. Суворова И. Г. Математическое моделирование потока жидкости методом R-функций / И. Г. Суворова, О. В. Кравченко // Системш технологи: Репон. мiжвуз. зб. наук. пр. — Дншропетровськ, 2006. — Вип. 4 (45). — С. 57 — 69.
Рвачев В. Л. Теория R-функций и некоторые ее приложения. — Киев: Наук. думка, 1982. -552 с. Суворова И. Г. Метод R-функций в исследованиях и расчетах физико-механических полей для задач строительства: Автореф. дис. … д-ра техн. наук. — Харьков, 1991. -21с.
Михлин С. Г. Вариационные методы в математической физике. — М.: Наука, 1970.- 512 с.
Баранов И. А. Расчет гидродинамических характеристик потока вязкой несжимаемой жидкости методом R-функ-ций / И. А. Баранов, О. В. Кравченко, И. Г. Суворова // Вюн. Харк. нац. ун-та — Сер. Мат. моделювання. 1нфор-мацшш технологи. Автоматизоваш системи управлшня. — Харгав, 2009. — № 809. — С. 9−19.
Кравченко О. В. Физико-химические преобразования углеводородных соединений с использованием новых кавитационных устройств //Авиационно-космическая техника и технология. Науч. -техн. журнал НАУ ХАИ. -Харьков, 2007. — № 1 (37). — С. 65 — 69.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой