авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 |

Повышение эффективности процессов тепломассообмена прямоточной цилиндрической камеры сгорания мобильных парогенераторов

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

МИХАЙЛЕНКО ЕКАТЕРИНА ВИКТОРОВНА

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛОМАССООБМЕНА ПРЯМОТОЧНОЙ ЦИЛИНДРИЧЕСКОЙ КАМЕРЫ СГОРАНИЯ МОБИЛЬНЫХ ПАРОГЕНЕРАТОРОВ

Специальность 05.14.04 – Промышленная теплоэнергетика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва, 2009 год

Работа выполнена на кафедре «Теплотехники, теплогазоснабжения и вентиляции» Ухтинского государственного технического университета

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Бурмистрова Ольга Николаевна

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Байков Игорь Равильевич

кандидат технических наук, доцент

Шаповалова Галина Павловна

Ведущая организация: ООО «Газпром трансгаз Ухта».

Защита диссертации состоится «26» февраля 2009 г. в 15 часов 30 мин. в аудитории Г-406 на заседании диссертационного совета Д 212.157.10 при Московском энергетическом институте (техническом университете) по адресу: г. Москва, Красноказарменная ул., 17.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского энергетического института (технического университета).

Отзывы на автореферат (в двух экземплярах, заверенные печатью организации) просим направлять по адресу: 111250 Москва, Красноказарменная ул., д.14, Ученый совет МЭИ (ТУ).

Автореферат разослан «____» января 2009 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета С.К. Попов

к.т.н., доцент

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. В настоящее время для подъема экономики в России исключительное значение приобретает последовательное проведение энергосберегающей политики. Совершенствование парогенераторов промышленной теплоэнергетики и источников теплоснабжения является существенным резервом экономии ТЭР.

Длительное время (более 50 лет) основным источником для комплексного паро-теплоснабжения предприятий и жилищного фонда были стационарные паровые котлы ДКВР и разработанные на их базе модификации газо-мазутных котлов Е (ДЕ) и на твердом топливе Е (КЕ) паропроизводительностью от 2,5 до 25 т/ч. Для пароснабжения предприятий различных отраслей промышленности использовались также стационарные котлы типа К-50-40, ГМ-50 и серии УПГГ –9/120, УПГ-50/6 паропроизводительностью от 4,5 до 60 т/ч. КПД всех перечисленных котлов относительно малы из-за высоких температур уходящих газов. Поэтому в последние годы все большее развитие при невысокой «тепловой плотности» паровой или отопительной нагрузки получает децентрализованное автономное снабжение предприятий паром и теплом.

Особое место среди разрабатываемых конструкций занимают мобильные парогенераторы. Сфера применения мобильных парогенераторов весьма широка. Они используются на нефтяных и газовых месторождениях, в городском коммунальном хозяйстве, сельском хозяйстве, деревообрабатывающей промышленности, на мясокомбинатах и в кондитерских цехах, на строительных площадках.

Характерной особенностью этих конструкций является возможность их перемещения на объектах с быстрой установкой и подключением на новом месте. Среди рассмотренных конструкций мобильных парогенераторов наиболее перспективны цилиндрические прямоточные многоходовые парогенераторы со спиральными каналами. Они существенно превосходят по своим теплотехническим и массогабаритным показателям известные парогенераторы.



Конструктивные и теплотехнические показатели парогенераторов ЦППС (цилиндрических прямоточных парогенераторов со спиральными каналами) определяют использование высокофорсированных камер сгорания.

Особенности конструкции камер сгорания цилиндрических прямоточных парогенераторов ограничивают применение стандартных конструкций горелок и определяют необходимость разработки специальных конструкций горелок, отличающихся схемой организации рабочего процесса и тепловой мощностью.

Отсутствие систематических данных о влиянии режимных и конструктивных параметров на характеристики камер сгорания ЦППС затрудняет их разработку и оптимизацию работы. В связи с этим большое практическое значение приобретает исследование рабочих процессов в камерах сгорания ЦППС, оценка их теплотехнических и конструктивных показателей, разработка принципиальных конструкций камер сгорания ЦППС, отличающихся целевым назначением, тепловой мощностью и схемой организации рабочего процесса.

Целью диссертационной работы является улучшение эксплуатационных и экологических характеристик мобильных цилиндрических прямоточных парогенераторов со спиральными каналами.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи.

  1. Теоретически обосновать и разработать усовершенствованную конструкцию камеры сгорания ЦППС с лопаточным аксиально-тангенциальным завихрителем.
  2. Определить расчетным путем аэродинамические характеристики аксиально-тангенциального завихрителя камеры сгорания ЦППС.
  3. Определить основные аэродинамические и тепловые характеристики разработанной конструкции камеры сгорания с лопаточным аксиально-тангенциальным завихрителем.
  4. На базе теоретических и экспериментальных исследований разработать методику теплового расчета камеры сгорания и горелки ЦППС.
  5. Выполнить оценку экологической эффективности использования ЦППС на примере применения конструкции на объектах Ярегского нефтяного месторождения.

Научная новизна работы.

    • Разработана усовершенствованная конструкция камеры сгорания с аксиальным подводом реагирующих компонент и закруткой потока с помощью аксиально-тангенциального завихрителя.
    • Определены основные аэродинамические и тепловые характеристики разработанной конструкции камеры сгорания с лопаточным аксиально-тангенциальным завихрителем.
    • Получены аналитические зависимости для расчетов коэффициентов сопротивления аксиально-тангенциального завихрителя и камеры сгорания ЦППС.
    • На базе теоретических и экспериментальных исследований разработана математическая модель теплообмена камеры сгорания и горелки ЦППС.
    • Разработана методика теплового расчета камеры сгорания и горелки ЦППС.

Практическая значимость работы состоит в том, что предложена принципиально новая конструкция камеры сгорания парогенераторов типа ЦППС с закруткой потока с помощью аксиально-тангенциального завихрителя (для работы на природном газе), позволяющая расширить пределы регулирования топочного устройства, обеспечивающая равномерную интенсивность процесса теплообмена, что в целом определяет экономичность ее использования. Произведен расчет основных геометрических и аэродинамических параметров аксиально-тангенциального завихрителя. Создана программа теплового расчета камеры сгорания ЦППС на ЭВМ. Конструкция горелки отличается простотой изготовления, стабильностью в работе и экономичностью. Основные результаты работы внедрены в учебный процесс кафедр «Теплотехники, теплогазоснабжения и вентиляции», «Промышленной безопасности и охраны окружающей среды» Ухтинского государственного технического университета. Представленные в диссертации результаты использованы в создании технических и рабочих проектов опытно- промышленного мобильного парогенератора в ДСП ООО «Северная Нефть» и приняты к реализации в ОАО «ЯНТК».

Достоверность и обоснованность результатов обусловлены тем, что в основу работы положены обобщенные автором эксплуатационные данные и характеристики различных типов ЦППС, применяемых в РФ, в основе разработки конструктивных решений заложены типовые характеристики камеры сгорания и применены проверенные методы теоретических расчетов, проведена экспериментальная проверка, подтвердившая теоретические расчеты теплообмена камеры сгорания.

Автор защищает:

  • разработанную конструкцию оригинального горелочного устройства с лопаточным аксиально-тангенциальным завихрителем;
  • полученные результаты исследования аэродинамики и тепломассообмена разработанной конструкции камеры сгорания парогенератора ЦППС с лопаточным аксиально-тангенциальным завихрителем потока;
  • полученные аналитические зависимости для расчетов коэффициентов сопротивления аксиально–тангенциального завихрителя и камеры сгорания ЦППС;
  • разработанную на базе теоретических и экспериментальных исследований математическую модель теплообмена камеры сгорания ЦППС;
  • разработанную методику теплового расчетов камеры сгорания ЦППС.

Личный вклад автора:

  • в обобщении и анализе технических характеристик различных конструкций прямоточных парогенераторов со спиральными каналами;
  • в разработке схемы экспериментального стенда, созданного для проведения комплексных испытаний камер сгорания цилиндрических прямоточных парогенераторов;
  • в разработке принципиальной конструкции газовой горелки;
  • в проведении исследования аэродинамики и тепломассообмена разработанной конструкции камеры сгорания парогенератора ЦППС с лопаточным аксиально-тангенциальным завихрителем;
  • в разработке на базе теоретических и экспериментальных исследований математической модели теплообмена и инженерной методики расчета камеры сгорания и горелки ЦППС.

Апробация и публикации. Результаты работы были представлены на XXVI Российской конференции – Москва 2004 г., VI научно-технической конференции «Вузовская наука – региону» 2006 г., Вологда, на научно-технической конференции УГТУ, 2006, 2007 гг., г. Ухта, на международной молодежной научной конференции «Севергеоэкотех», 2005, 2007, 2008 гг., г. Ухта, на IX международной научно - технической конференции «Проблемы строительного комплекса России», 2008 г., г.Уфа, в работе Четвертой международной школы – семинара молодых ученых и специалистов «Энергосбережение – теория и практика» 2008 г., г. Москва.

Основное содержание работы изложено в 10 публикациях.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность проблемы, сформулированы цель, задачи, объекты и методы исследований, показаны научная новизна, практическое значение, результаты внедрения, структура и объем диссертационной работы.

В первой главе диссертации выполнен обзор существующего теплоэнергетического оборудования, используемого в промтеплоэнергетике. Рассмотрены конструкции российских и зарубежных теплогенерирующих установок.

Проанализированы технические характеристики рассмотренных конструкций цилиндрических прямоточных парогенераторов со спиральными каналами. Особенности конструкции камер сгорания цилиндрических прямоточных парогенераторов ограничивают применение стандартных конструкций горелок и определяют необходимость разработки специальных конструкций горелок, отличающихся схемой организации рабочего процесса и тепловой мощностью.

На основании проведенного в первой главе анализа сформулированы цель и основные задачи исследования.

Во второй главе на основе анализа требований по производительности и параметрам рабочего агента мобильных парогенераторов, произведенного в главе 1, приняты исходные расчетные теплотехнические показатели ЦППС, необходимые для разработки его основных элементов (топки, горелки и конвективных поверхностей нагрева).

При разработке топочного устройства ЦППС за основу была принята идея прямоточной камеры сгорания с аксиальным вводом реагирующих компонентов. В газоходе внутреннего цилиндра установлено горелочное устройство. На внешней стенке парогенерирующих цилиндров организовано спиральное движение нагреваемого теплоносителя (нарезка шестизаходной резьбы с внешней стороны толстостенных цилиндров). Для улучшения процессов тепло- и массопереноса в проточной части камеры сгорания ЦППС устанавливается сужающее устройство - водоохлаждаемая диафрагма (рисунок 1).

Конструктивные особенности цилиндрических прямоточных парогенераторов выдвигают ряд требований к топочным устройствам: они должны быть компактными и создавать такой рабочий режим, при котором интенсивный турбулентный обмен способствует интенсивному тепломассопереносу. В связи с этим, для предлагаемой конструкции камеры сгорания цилиндрического прямоточного парогенератора в УГТУ при участии автора была разработана оригинальная конструкция горелки с аксиальным вводом реагирующих компонентов для работы на газовом топливе. При ограниченном объеме камеры сгорания наиболее эффективно применение газовых горелок с центральной выдачей топливных струй в поперечный закрученный или прямоточный поток. Особенностью предлагаемой конструкции горелочного устройства является аксиальный ввод окислителя и применение лопаточного завихрителя, что позволило расширить пределы регулирования горелочного устройства и значительно сократить поперечное сечение топочного объема. Предлагаемая конструкция газовой горелки позволяет обеспечить хорошее смесеобразование рабочих компонентов при малом коэффициенте избытка воздуха и высоких давлениях газа и воздуха. Схема топочного устройства ЦППС представлена на рисунке 2.





Рисунок 1 – Принципиальная схема цилиндрического прямоточного парогенератора со спиральными каналами

При разработке принципиальной конструкции газовой горелки особое внимание уделялось выбору оптимальных геометрических параметров аксиально-тангенциального завихрителя (АТ), обеспечивающих требуемую степень крутки потока и допустимое гидравлическое сопротивление.

Величина параметра крутки n является определяющей для всех основных интегральных и локальных характеристик потока и определяется по результатам исследований скоростей и давлений в топочном пространстве.

Анализ данных экспериментальных исследований, проведенных на горелках, оборудованных АТ завихрителями потока, выявил следующую зависимость параметра интенсивности крутки n от конструктивных параметров АТ завихрителя:

, (1)

где d1, d - диаметр соответственно обоймы завихрителя и внутренний диаметр камеры сгорания; – угол наклона лопатки к касательной, проведенной к окружности, образуемой одной из любых плоскостей течения, проведенного перпендикулярно к оси завихрителя между передними и задними торцами завихрителя, и проходящими через выходную кромку лопатки; – угол наклона выходной кромки лопатки к оси завихрителя; Z- число лопаток АТ завихрителя.

Рисунок 2 – Принципиальная схема топочного устройства
цилиндрического прямоточного парогенератора со спиральными каналами

Степень крутки n, согласно формуле (1), зависит от величины углов и . Таким образом, изменяя значения геометрических параметров АТ, можно получить различную степень крутки потока на выходе из аксиально-тангенциального завихрителя и, как следствие, получить поток с заданными аэродинамическими показателями. Критерием выбора, оптимального значения углов и , для заданного диапазона изменения параметра n служит минимальное аэродинамическое сопротивление вх, создаваемое АТ завихрителем, при расчетном геометрическом комплексе горелки. Аналитическую зависимость, определяющую коэффициент аэродинамического сопротивления горелки, получаем из совместного решения уравнений гидродинамики с применением условия минимума сопротивлений по формуле:

, (2)

где Ro- плечо крутки потока на входе в горловину горелки; – угол установки лопатки, угол между касательной к средней линии профиля в точке ее пересечения с фронтом решетки и самим фронтом; ' – угол наклона плоскости узкого сечения межлопаточного канала к плоскости нулевого уровня; f – суммарная площадь узких сечений межлопаточных каналов горла решетки завихрителя; – коэффициент потери скорости, характеризующий уменьшение вектора абсолютной скорости на выходе из горелки, вызванного различного рода потерями; – потеря момента количества движения в вихревой камере; 1 – угол крутки, угол между вектором абсолютной скорости W1 и его окружным направлением на выходе из горелки.

Исследование выражения (2) на экстремум угла 1 показало, что каждому значению комплекса соответствует единственное значение угла 1, при котором наблюдаются минимальные затраты энергии на преодоление сопротивления. Наличие оптимального значения 1 предоставило возможность, используя методы аналитической алгебры, определить вид аналитической зависимости между углом крутки потока и параметрами АТ завихрителя предлагаемой конструкции горелочного устройства:

. (3)

По формулам (2) и (3) выполнен расчет гидравлических параметров аксиально-тангенциального завихрителя. Исходными данными расчета являются следующие величины: r1 -внешний радиус обоймы завихрителя; r2 -внутренний радиус камеры сгорания; b1 – толщина обоймы завихрителя; – угол наклона лопатки к касательной, проведенной к окружности, образуемой одной из любых плоскостей течения, проведенного перпендикулярно к оси завихрителя между передними и задними торцами завихрителя, и проходящими через выходную кромку лопатки; – угол наклона выходной кромки лопатки к оси завихрителя; Z – число лопаток, АТ завихрителя.

Для упрощения расчета была составлена программа расчета гидравлических параметров завихрителя на ЭВМ. По результатам расчета установлено, что для обеспечения минимального аэродинамического сопротивления в расчетном диапазоне изменения параметра n АТ завихритель должен обладать максимально возможным значением угла и соответственно минимальным значением угла . Расчет позволил определить оптимальные значения , , Z, обеспечивающие минимальное аэродинамическое сопротивление для данного типа АТ завихрителя.

В третьей главе представлены результаты экспериментальных стендовых исследований аэродинамических и тепловых характеристик камеры сгорания ЦППС.

Исследование выполнено на экспериментальном стенде, созданном для проведения комплексных испытаний камер сгорания цилиндрических прямоточных парогенераторов. Стенд включает в себя автономные системы, обеспечивающие возможность регулирования расходов топлива, окислителя, давления в камере сгорания и других параметров, что позволяет изменять в широких пределах коэффициент избытка воздуха 0,5 < < 10, тепловую мощность 1 МВт < N < 5 МВт, интенсивность отвода тепла в стенки и пр. Разработанный стенд позволяет провести комплексное исследование камер сгорания цилиндрических прямоточных парогенераторов, работающих как на тяжелом жидком, так и на газовом топливе.

В главе приведена также методика и результаты экспериментальных исследований. В первой серии экспериментов проведено исследование влияния конструктивных элементов на сопротивление экспериментального образца камеры сгорания ЦППС. Эксперименты проводились с изменением места установки и диаметра диафрагмы в камере сгорания, при изменении нагрузки горелки от 50% до номинальной.



Pages:   || 2 |
 

Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.