Кафедра ПромышленнойТеплоэнергетики
РАСЧЕТНО-ГРАФИЧЕСКАЯРАБОТА №1
Подисциплине Специальные Вопросы Сжигание Топлива
На тему:
«Вихревыепылеугольные горелки»
ПРОВЕРИЛ:
ВЫПОЛНИЛ:
Алматы 2007
СОДЕРЖАНИЕ
1 ВВЕДЕНИЕ
2 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ПЫЛЕУГОЛЬНЫХГОРЕЛКАХ
3 ВИХРЕВАЯ СТАБИЛИЗИРУЮЩАЯ ГОРЕЛКА
4 НОВЫЙ СПОСОБ РАСШИРЕНИЯВОЗМОЖНОСТЕЙ УПРАВЛЕНИЯ РАБОТОЙ ВИХРЕВЫХ ГОРЕЛОК СО СТАНДАРТНЫМИ ЗАВИХРИТЕЛЯМИ
5 ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
Пылеугольные горелкислужат для организованного ввода угольной пыли и воздуха в топку. С помощьюгорелок и рациональной компоновки их в значительной мере организуется топочныйпроцесс: устойчивое зажигание факела, смесеобразование, интенсивное выгораниепыли и бесшлаковочная
Работа парогенератора.
По аэродинамическомуспособу ввода компонентов горючей смеси горелки подразделяют на вихревые,прямоточные и плоскофакельные, по типу сжигаемого топлива – на пылеугольные,газомазутные, газовые, мазутные и комбинированные пылеугольные (пыль, газ илипыль и мазут).
Для сжигания угольнойпыли применяются два основных типа горелок: вихревые и прямоточные.
Пылеугольные вихревыегорелки применяют для сжигания практически всех видов твердого топлива, заисключением фрезерного торфа. Горелки имеют закручивающие аппараты,устанавливаемые в каналах ввода пылевоздушной смеси и воздуха. В зависимости отконструкции закручивающих аппаратов различают лопаточно-лопаточные (ГЛЛ), улиточно-лопаточные(ГУЛ), улиточно-улиточные (ГУУ), прямоточно-лопаточные (ГПЛ) ипрямоточно-улиточные (ГПУ) горелки. Первым после индекса Г (горелка)указывается тип закручивающего аппарата по первичному воздуху.
Направление вращенияпотоков первичного и вторичного воздуха одинаково, при этом по внутреннемуканалу (каналам) пылевоздушная смесь.
Вихревые горелки, какобладающие высокой устойчивостью зажигания, рекомендуются преимущественно длясжигания пыли АШ, полуантрацитов и тощих углей в открытых и полуоткрытых топкахс твердым и жидким шлакоудалением. Эти горелки могут быть использованы и длясжигания топлив и с большим выходом летучих. Вихревые горелки хорошозарекомендовали себя на парогенераторах средней производительности, на которыхих можно располагать сравнительно просторно. С переходом к мощным и сверхмощнымпарогенераторам роль самих горелок в организации топочного процессауменьшилась.
ГОРЕЛКАПЫЛЕУГОЛЬНАЯ
Устройство дляобразования смесей пылевидного топлива с воздухом и подачи его к местусжигания. Через горелки в топку поступают два различных потока: топливо-воздушная смесь (топливная пыль при температуре 70— 130°С и первичный воздух) ивторичный воздух с температурой 250—420°С Образование горючей смеси завершаетсяв топочной камере. От работы горелок и их размещения зависит характерсмесеобразования, что в сочетании с аэродинамикой топочной камеры определяетинтенсивность воспламенения, скорость и полноту сгорания. Горелка для камерногосжигания твердого топлива подразделяют на круглые (турбулентные), прямоточные(щелевые) и пылевые. Для сжигания пылевидного топлива совместно с газомприменяют комбинированные горелки.
На котлоагрегатах большойпроизводительности устанавливают одно- и двухулиточиые,лопаточные и улиточно-лопаточные пылеугольные круглые горелки. При любойконструкции круглой горелки потоки пылевоздушной смеси и вторичного воздухазакручиваются в одном направлении. В одноулиточной горелке пылевоздушная смесьпоступает в топку прямоточно (Рис. 1); вторичный воздух закручивается в улиткеи, пройдя кольцевой канал, через амбразуру поступает в топку. Необходимый дляхорошего перемешивания со вторичным воздухом разнос струи пылевоздушной смесидостигается
рассекающим конусом. Вполучивших широкое распространение двух-улиточных горелок и улиточно-лопаточныхгорелок оба потока закручиваются в улиточном или лопаточном подводе (Рис. 2).Потоки образуют в топке два концентрически расходящихся усеченных конуса, какбы опирающихся малыми основаниями на кольцевые выходы из горелки. Внутриобразуется конус пылевоздушной смеси, которому снаружи примыкает конусообразныйпоток вторичного воздуха. По мере движения в топке оба потока проникают один вдругой, перемешиваются, увлекая за собой топочные газы
Чем больше горячих топочныхгазов вовлекается в этот процесс, тем быстрее воспламеняется и сгорает топливо.Для увеличения угла раскрытия факела мощные горелки имеют коническую выходнуюнасадку. С этой же целью выходную часть амбразуры часто выполняют конический,расширяющейся к устью, в результате чего достигается лучшее сочетание формразвития факела и амбразуры, увеличивается площадь поверхности контакта факела,ускоряется воспламенение топлива. Полнота сгорания топлива зависит от скоростивдувания в топку первичной смеси и вторичного воздуха. При малой скоростипервичной смеси возможны выпадение из потока крупных частиц топлива и обгораниевыходных патрубков горелок; при слишком большой скорости ухудшаются условиявоспламенения, и увеличивается длина факела. Скорость пылевоздушной смеси вкруглых закручивающих горелок при сжигании пыли антрацитов, полуантрацитов итощих углей принимают равной 15—20 м/с, а каменных и бурых углей — 20—25 м/с;соответственно скорости вторичною воздуха принимают равными 20—30 и 25—35 м/с.Кол-во первичного воздуха, которое необходимо подавать в Г., с повышениемвыхода летучих веществ из топлива возрастает с 20— 30% при сжигании антрацитадо 50—60% при сжигании бурых углей. «Остальное кол-во воздуха приходитсяна вторичный. Круглые горелки применимы для любого твердого топлива, нонаиболее распространены для топлива с малым выходом летучих веществ. Единичнаямощность круглых горелок достигает 14 т/ч.
ВИХРЕВАЯСТАБИЛИЗИРУЮЩАЯ ГОРЕЛКА
1.НАЗНАЧЕНИЕ
Предлагаемая горелкаможет быть использована в технологических и энергетических установках,использующих сжигание углеводородного топлива и, прежде всего, в установках,работающих в экстремальных условиях (при низких температурах, давлении, прииспользовании низкокалорийных топлив).
Использование новыхпринципов организации процесса горения при конструировании горелочных устройствпозволит улучшить пусковые и рабочие характеристики камер сгорания путеминтенсификации процесса подготовки и сжигания топливовоздушной смеси;обеспечить многотопливность энергоустановки.
2. ОБЛАСТИПРИМЕНЕНИЯ.
В газотурбинныхдвигателях и газотурбинных установках:
эффективный розжигиобеспечение рабочего процесса основных и форсажных камер сгорания;
создание режима дежурногозажигания длительного непрерывного действия;
улучшение экологичностидвигателя за счет предварительной подготовки топливовоздушной смеси.
В прямоточныхвоздушно-реактивных двигателях: розжиг камеры сгорания;
стабилизация горениятопливовоздушной смеси,
Розжиг и стабилизациягорения газовых, мазутных и пылеугольных горелок топок теплоэнергоценралей.
В технологическихпроцессах газопламенной обработки материалов в машиностроении ив химическойпромышленности.
Переработка экологическивредных отходов производств.
3.УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП РАБОТЫ
Особенность конструкцииявляется способность организовать рабочий процесс так, что пусковойстабилизирующий факел первой ступени поступает тангенциально во вторую ступень.Во второй ступени образуется сильно закрученный высокотемпературный поток, вкоторый впрыскивается топливо из основной форсунки. Из второй ступени в жаровуютрубу или топочную камеру выходит устойчивый стабилизированный факел, состоящий(в зависимости от коэффициента избытка воздуха) из продуктов сгорания инесгоревших компонентов топливо-воздущной смеси, которые дожигаются в жаровойтрубе или в топочной камере.
4.ОСНОВНЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ОПЫТНЫХ ОБРАЗЦОВ
Расход сжатотого воздуха,г/с 5(60
Давление сжатого воздуха,МПа 0,15(0,6
Температура воздуха и топливана входе в первую ступень,
не менее, (С-55
Давлениетопливо-воздушной смеси в разжигаемой камере сгорания, КПа 10,3(101,3
Топливо первой ступени жидкоеили газообразное
Топливо второй ступени газообразное,жидкое, твердое измельченное
Диапазон надежногозапуска и устойчивой работы по коэффициенту избытка воздуха 0,3(8,0)
Температура факела насрезе выходного сопла, (С) 700(2000)
НОВЫЙСПОСОБ РАСШИРЕНИЯ ВОЗМОЖНОСТЕЙ УПРАВЛЕНИЯ РАБОТОЙ ВИХРЕВЫХ ГОРЕЛОК СОСТАНДАРТНЫМИ ЗАВИХРИТЕЛЯМИ
Все проблемы экологическибезопасного и экономичного сжигания топлив на котлах тепловых электростанций,так или иначе, связаны с выбором и настройкой горелок. Причем всегда следуетрассматривать оптимизацию всей системы «горелки-топка», включая системусбросных воздушных сопел, расположенных на стенах топки выше горелок для подачивоздуха в разные зоны надгорелочного пространства. Конечно, имеем в виду нетривиальные неэффективные схемы так называемого двухстадийного сжигания и невсегда удачные схемы сжигания трехстадийного. Речь, конечно, далее пойдет о сложныхсовременных и весьма индивидуальных схемах настройки топочного процесса,которые называют по-разному: двухзонным, просто стадийным илинестехиометрическим сжиганием. В любом случае, эти технологии предусматриваютпервичное сжигание топлива в несколько стадий при разном дефиците кислорода,что необходимо для управляемого образования и подавления оксидов азота (NOx)разных групп (быстрых, топливных, термических). Для этого в индивидуальномфакеле каждой горелки необходимо осознано управлять температурой и составомгазовой атмосферы в отдельных зонах. Дожигание топлива, точнеевосстановительной атмосферы производится в средней и даже в верхней частитопки. Это, в свою очередь, требует создания эффективной аэродинамической схемыдля тщательного смешения воздуха с потоком вязких почти ламинарно текущихтопочных газов большой толщины. Удачная реализация подобной схемы обеспечиваетв настоящее время достижение рекордных одновременно экологических иэкономических характеристик топочного процесса на лучших зарубежных котлах.
Конкретная технологиясжигания топлива на котлах по наиболее эффективным схемам нестехиометрическогосжигания (наиболее принятая отечественная терминология) в топках котловэлектростанций связана, прежде всего, с использованием совершенно определенныхтипов горелок с особыми схемами индивидуальной их настройки. Горелки для самойполной реализации подобных технологий должны, по нашему мнению, удовлетворятьопределенным требованиям. Выделим некоторые из них, на наш взгляд, самыеважные.
Во-первых, это почтивсегда вихревые горелки, гарантирующие самую надежную стабилизациювоспламенения и горения в индивидуальном факеле. Эти горелки позволяютдополнительно создавать в отдельных областях их факелов зон повышенной ипониженной интенсивности смешения механизмами турбулентности. Это условиевсегда должно быть выполнено, так как без него трудно формировать специальныезоны факелов с нужными избытками воздуха и температурами, а настраивать ирегулировать эти процессы трудно.
Поэтому, во-вторых, этигорелки должны обеспечивать регулирование интенсивности крутки формируемых имипотоков, — хотя бы части из них. Без этого нельзя оптимизировать размерыотмеченных выше зон индивидуального факела, а также его длину и угол раскрытияв топке. Без этого, в свою очередь, очень трудно влиять на теплотехническиехарактеристики результирующего факела в топке и на процессы теплообмена погазовому тракту котла.
В третьих, горелки должныформировать длинные факела сильно пониженной крутки. Эти удлиненные факеланеобходимы для достижения многих целей. Прежде всего, выделим время пребыванияпервичных продуктов, содержащих NOx, в восстановительной атмосфере. Обеспечивместные избытки воздуха в зоне горения на уровне значений 0,8-0,9 (часто всегоэто внешние и дальние участки индивидуального факела горелки), можно сильноослабить процессы образования NOx. При этом они даже почти не будут зависеть(по Рослякову — МЭИ) от температуры, если она не слишком высока. Снижениекрутки индивидуальных факелов вплоть до затухания (захлопывания) приосевогообратного тока может, по данным ряда зарубежных и отечественных работ 60-70-хгодов, вызывать усиление турбулентного обмена в протяженной приосевой областифакела. Это, на наш взгляд, особенно важно для подавления образования сажи (содержатканцерогены группы С20Н12) в области сжигании топлива с недостатком О2,особенно при экстремально низких избытках воздуха (примерно равных 0,4-0,6).Эта зона горения очень важна для экологически чистого сжигания не толькоприродного газа. При сжигании углей, это может понизить образование «топливных»NOx при умеренном выходе «быстрых» NOx (следует из работ Рослякова изарубежного опыта).
В связи с этим, вчетвертых, такие горелки должны иметь дополнительные средства стабилизациигорения, так как иначе их эксплуатация вообще невозможна из-за опасности обрывафакела при сильном снижении его крутки в режимах приближения к достижениюмаксимального подавления выбросов оксидов азота. В лучших современныхамериканских и немецких конструкциях горелок чистого и экономичного сжиганиятвердых топлив этому служат совсем небольшие конусы, уступы, шайбы(плохообтекаемые тела), не вызывающие увеличения аэродинамическогосопротивления. Они одновременно являются еще и весьма эффективнымитурбулизаторами отдельных зон горящего факела за горелкой, где вследствиерезкого роста температур снижается эффективность проявления механизмовтурбулентного переноса. Еще один прием совместной стабилизации горения иактивизации механизмов перемешивания в приосевой зоне факела горелки, былпопулярен за рубежом уже более 30 лет тому назад, — это установка в центральнойчасти горелок (в потоке воздуха или аэропыли) неподвижного или подвижного(например, горелки фирмы Stork) лопаточного регистра с радиальными илинаклонными (диагональными) лопатками. Этот прием применялся также на газовыхгорелках самой высокой эффективности, например, компанией Deutsche Babcock, аныне – John Zink, а сегодня — и в ряде подобных новых отечественныхконструкций.
В пятых, наряду свозможностью регулировать расходы воздуха и топлива по любому из каналовгорелок, необходимо добиться предельного повышения осесимметричости всехформируемых потоков. Считаем, что это очень важно, так как осесимметричностьпозволяет предельно снижать местные избытки воздуха в факелах и общие — врезультирующем факеле всей топки. Это обеспечит значительно более полноеиспользования потенциала любых схем позонного подавления или восстановления«термических» или иных NOx с достижением предельной полноты выгорания вкамерной топке любого вида энергетического топлива.
Достижение оптимальногоминимума перечисленных требований невозможно, следуя требованиям давноустаревших ОСТ. Стандартные или нормализованные горелки не имеют регулируемыхрегистров (завихрителей) воздуха и дополнительных средств стабилизации горения.Не предусмотрены на них дополнительные средства повышения интенсивноститурбулентного обмена в отдельных зонах потоков или факелов на их основе.Регулирование расходов воздуха по каналам — слабое и совершенно недостаточноесредство управления смешением и размерами отдельных зон факела. И всеприведенные нами выше требования обеспечения безопасного и экономичногосжигания реализуется только в специальных горелках, принципиальнопротиворечащих требованиям ОСТ. Эти горелки иногда называют горелкамиэкологически чистого сжигания. Далее обозначим их как ГЭЧС.
В связи с изложенным,выделим три ключевые технологические проблемы, которые необходимо разрешить приразработке ГЭЧС. Первая – они должны позволить регулировать интенсивностькрутки в широком диапазоне, по крайней мере, одного потока. Причем диапазонрегулирования крутки должен быть реализован в условиях реальной эксплуатациикотла. Вторая – закручивающие аппараты (регистры) ГЭЧС должны обеспечиватьисходную (до включения регулирования) структуру потока (факела), котораяпозволит в эксплуатации изменять крутку в нужном для практике направлении.Третья — решение двух перечисленных технологических проблем должно бытьобеспечено с минимальными затратами энергии, в пределах возможностей обычныхдутьевых средств энергетического котла.
При анализе горелок и ихрегистров в отечественной практике ограничиваются сильно условными расчетамикрутки по геометрии устройств, используя как стандартные (ОСТ), так инестандартные и популярные методы (Ахмедов, Найденов, Иванов и др.).Разумеется, что эти расчеты крутки при таких крайне условных подходах никогдане совпадают со значением крутки, найденной интегрированием экспериментальныхпрофилей (полей) скоростей, давлений и плотностей. Но даже независимо от этогопротиворечия, мы подчеркнем неоспоримый факт: существует несколько типоврегистров для закрутки воздуха на горелках. Каждый из них формирует поток снекоторыми существенными для практики особенностями, а простейшие горелки на ихоснове, имеют некий свой диапазон значений коэффициента аэродинамическогосопротивления и характеристик горящего факела. Другой особенностью каждого типарегистра является реальный диапазон регулирования крутки и структурыформируемого им потока в диапазоне допустимых на практики коэффициентоваэродинамического сопротивления.
Известно несколькопохожих классификаций регистров горелок или горелок с этими регистрами.Считаем, удобнее принять классификацию Ахмедова (или Найденова), в которойвыделены 1-2 вида камерных регистров и 3 основных типа лопаточных регистров:тангенциальные лопатки (ТЛ), аксиальные лопатки (А), и АТЛ(аксиально-тенгенциальные). Здесь и далее все абревиатуры нами даны поАхмедову. Однако считаем, что тип АТЛ лучше было бы называть диагональнымрегистром и обозначить как «Д», что мы и делаем.
Многие современныеспециалисты считают, что самые успешные типы – это регистры А и Д, которыеболее удачно совмещаются в неком регистре промежуточного типа, близконапоминающем тип Д, но не выделяемом специально. Они формируют устойчивыедлинные, хорошо стабилизированные горящие факела, с хорошими условиями смешениятоплива с воздухом в приосевой области корня факела до и после воспламенения — в зоне первичного горения топлива. К таким регистрам можно отнести некоторыеконструкции центральных регистров стандартных (ОСТ) отечественных газовыхгорелок. Другой еще более удачный пример,
-это центральный регистррекордных по своим характеристикам вихревых горелок камер сгорания газовыхтурбин корпорации «Siemens» серии «3а». Мы также имеем удачный опытиспользования подобных регистров, разработанных нами в 1985 году дляспециальных вихревых газовых горелок, с необычно длинными, устойчивыми, хотя ислабо закрученными турбулентными факелами, но, тем не менее, сохраняющими устойчивыеосевые обратные токи. Горелки эти на практике показали рекордно низкоеаэродинамическое сопротивление и были установлены на опытном водогрейном котлес топкой циркулирующего кипящего слоя в котельной УПИ, который был пущен в 1991году. Регистры этих горелок (комбинация типа А и Д) геометрически совершенноподобны осевым регистрам горелок газовых турбинах «Siemens», поступивших вэксплуатацию в том же году. А необычные параметры горелок опытного котлаЦКС-УПИ были связаны с внедрением нового способа влияния на крутку и структуройпотока (о нем речь дальше), который и обеспечил устойчивое воспламенение иполное сгорание природного газа при сверхнизком сопротивлении и пониженнойкрутке.
Иная ситуацияскладывается при использовании камерных регистров типа У и Т. Эти регистрыимеют очень надежную стабилизацию горения и активное смешение на перифериифакелов, но у них ухудшено смесеобразование на оси корня факела. Можноутверждать, что этот порок регистров У и Т можно устранить при формированиипотока циклоном (Ц) – диафрагмированной камерой, подобной, в том числе,регистрам Т или У. Этот тип регистра мы рекомендуем выделять принципиально всамостоятельный тип «Ц». На основе собственного опыта можем утверждать, что этирегистры Ц формируют потоки с постоянной структурой даже при заметном изменениикрутки всего потока в циклоне. Во вторых, в регистрах Ц надежно устраним другойнедостаток регистров Т и У – несимметричность потока на выходе из устройства.Использование горелок с камерным регистром типа Ц пока не нашло широкогоприменения, несмотря на ряд достоинств. К регистрам Ц, по нашему мнению, можноотнести и удачные циклонные предтопки разработки ДВПИ и вышедших из негоспециалистов, а также ряд газомазутных горелок для небольших котлов разработкиамериканской корпорации John Zink.
Все эти проблемы взначительной мере или даже полностью можно решить в рамках приемлемых дляпрактики аэродинамических сопротивлений и высокой эксплуатационной надежностиприменением нового оригинального способа управления структурой и круткойзакрученного потока. Есть модель вихревой горелки с этим новым способомуправления. Эта модель, исследованная нами ранее наряду с некоторыми другими,состояла из нерегулируемой улитки с выходным каналом, длина которого соизмеримас диаметром. Стенка канала по всей длине была перфорирована отверстиями малогодиаметра. Через них в закрученный поток радиально вдувался воздух в видесистемы равномерно рассредоточенных струй со скоростями, соизмеримыми соскоростями в самом вихре. Такой струйный радиальный вдув (СРВ) разнойинтенсивности через стенку оказался чрезвычайно эффективным средствомуправления потоком, вызывал сильную перестройку его структуры и на порядокизменял интенсивность крутки интегрального вихря на выходе из модели.
В этой модели простейшейвихревой, формально нерегулируемой горелки, установлен нерегулируемый регистрпостоянной геометрии. Все остальные узлы модели также были неизменны инеподвижны. Тем не менее, на этой модели нами были получены течения,характерные для всех основных типов регистров, применяемых в вихревых аппаратахразного назначения, например, на вихревых горелках разных типов. Интенсивностьуправляющего СРВ была положена нами как относительный радиальный импульс вдував отверстиях перфорации стенки. Это среднерасходный импульс всех струй СРВ вотверстиях перфорации стенки выходного канала модели горелки, отнесенный косевому интегральному импульсу (также среднерасходному) всего потока при выходеиз модели:
k = Kвд/Kвых /1/
Величина k – то естьизменение интенсивности вдува, в данной работе было необычно значительным, — дозначений на два порядка выше, чем обычно принято при организации охлаждающих ирегулирующих вдувов через проницаемые (пористые) стенки аппаратов изаэрокосмической отрасли (в отличие от данной работы — вдувов в незакрученныйпотоки). Нами установлено соотношение импульса Kвд вдува и осевого импульсаKвых вихря, при котором прекращалось взаимодействие закрученного потока (иливихря с сильным осевым стоком) со стенкой выходного цилиндрического каналамодели горелки. В этих режимах до нуля уменьшалась вращательная скорость(Wφ=0) у стенки перфорированного цилиндра в модели. Во всех этих режимахпродувок параметр СРВ всегда был равен примерно k ≈ 0,7.
Не касаясь всех, полезныхдля практики эффектов, полученных нами на модели, выделим лишь самый важныйфакт. С помощью одного лишь изменения интенсивности СРВ (параметр k) черезперфорированную стенку цилиндрического канала модели получено изменение круткипотока на порядок при выходе из этого устройства неизменной геометрии. Причемречь идет только о действительной крутке потока, определенной в соответствии склассическими подходами (Дубов и др.) — прямым интегрированиемэкспериментальных полей скоростей, плотности и статических давлений в точкахзондирования потока в модели. Другим и, по нашему мнению, самым важнымрезультатом является четко установленная нами необычно сильная деформация всейструктуры закрученного потока перед его выходом из модели. При этом в любыхдеформированных потоках полностью сохранялись все его структурные особенности.Эти особенности проще всего наглядно представлять радиусами характерных зонзакрученного потока. Эти зоны или их границы обычно, хотя и в разном наборе,определяют через максимумы и нулевые значения некоторых составляющих вектораскорости и нулевые значения полных и статических давлений. Для теоретическихмоделей или инженерных расчетов используют также радиусы локализации в вихреобластей потока с разным предполагаемым или явным законом вращения или другихособенностей.
Изменение этиххарактерных радиусов или характерных зон потока, изучено нами в рамках сериирежимов изменения интенсивности управляющего СРВ в диапазоне измененияпараметра вдува 0
0
Анализ известныхисточников показывает, что получить такой диапазон деформации закрученногопотока с сохранением его структуры невозможно без сильного увеличения егоаэродинамического сопротивления. Такой эффект невозможно получить ни в одномином известном вихревом регулируемом устройстве, кроме выше сказанной модели.Управляющий СРВ заменит любой регулируемый регистр на любом устройстве, преждевсего, на горелках.
Продувки модели горелки суправляющим СРВ и более глубокий анализ результатов также убедительно показали,что с помощью вдува можно регулировать процессы смешения в потоке и формируемомфакеле. Расчетами была установлена необычно сильное влияние СРВ нараспределение турбулентных характеристик в объеме потока. Прежде всего, намибыло уточнено количество и локализация в потоке характерных кольцевых зонповышенных и пониженных значений коэффициента турбулентной вязкости инапряжений турбулентного трения, участвующих в переносе момента вращения порадиусу потока. Эти характеристики, видимо, являются определяющими в процессеформирования факела и процессов выгорания топлива в разных областях его объема.Их значения и распределение в потоке являются главным способом создания виндивидуальном горящем факеле горелки схем стадийного сжигания с контролем вних нужной атмосферы и температуры. Нами установлено, что СРВ является необычноэффективным средством управления положения в потоке подобных зон с более или менееактивным турбулентным тепломассообменом, а также значением величин,характеризующих интенсивность этих процессов.
Для анализа работысуществующих и при разработке новых горелок – ГЭЧС считаем важным знатьположение трех характерных зон закрученного потока. Первая зона, — это зона накрайней периферии потока радиусом R=Rk (радиус максимумов импульса потока восевом направлении). Этот импульс, в том числе, определяет в значительной мередальнобойность факела. Высокий уровень значений ряда турбулентных характеристикв этой узкой зоне при выключенном СРВ соответствует известным представлениям ине является новостью. При этом зона R=Rk почти совпадает с зоной R=Rz — максимумов осевых скоростей (Wz=Wzmax) у стенки канала. Новым является то, чтовключение и усиление СРВ отодвигает эту зону от стенки канала и при этом,одновременно происходит струйная турбулизация вдувом этой зоны, но радиусы Rk иRz уже немного расходятся (Rk › Rz). На практике это не существенно, нопозволит управлять интенсивностью процессов на периферии факела вблизи горелкии размерами периферийной зонами планируемых стадий горения топлива примногостадийном его сжигании непосредственно в объеме горящего факела горелки.
Для разделения горящегофакела на области разных местных избытков воздуха или для разделения стадийсжигания топлива в объеме факела целесообразно использовать вторую зону — область очень резкого затухания процессов турбулентного переноса в закрученномпотоке, которое происходит даже при резкой интенсификации управляющим СРВпереноса в центральных и периферийных областях потока. Нами, видимо, впервыебыло установлено, что эта кольцевая область минимальных значений турбулентнойвязкости и напряжений турбулентного трения совпадает с локализацией взакрученном потоке нулевых значений радиальной скорости (Wr = 0). Здесьскорость Wr изменяет направление на противоположное, то есть, — это границарасширяющейся и сужающейся областей любого закрученного потока или факела.Радиус (Rr0) этой зоны всегда меньше радиуса максимальных осевых скоростей, нобольше радиусов максимумов вращательной скорости, а также радиусов нулевыхполных давлений (Rh0). Нами установлено, что управляющий СРВ сильно влияет наизменение радиуса обсуждаемой области (Wr = 0), при нашем желании сильноуменьшая его.
Третья, важная дляинженерной практики зона, — это зона центральной турбулизации потока, появлениекоторой и ее локализацию разные авторы чаще связывают с приосевым обратнымтоком сильно закрученного потока (вихря). Нами уточнено положение этой зоны,которое соответствует зоне радиусов локализации максимальных радиальныхскоростей, то есть зоны наиболее интенсивного расширения центральной областипотока, где происходит наиболее активное взаимодействие среды обратного тока сосновным закрученным потоком, выходящим из горелки. Струйный вдув резкоактивизирует эти процессы, уменьшая радиус этой хоны, приближая ее почти ксамой оси вращения потока. При этом этот радиус всегда на 10-15% больше радиусавнешней границы приосевого обратного тока. Эти сведения на наш взгляд особоважны для оптимизации схем центрального ввода топлива и его сжигания безвыбросов канцерогенов на отдаленных участках факела при местных избыткахвоздуха на оси корня факела значительно ниже стехиометрических.
Таким образом,управляющий вдув через стенку выходного канала горелки способен превратитьстандартную нерегулируемую вихревую горелку любого типа в регулируемую сшироким диапазоном регулирования. Использование СРВ способно конструкциюобычной горелки, при использовании позонного разделения потока на областиразной интенсивности турбулентного массообмена, превратить в специальную экономичнуюгорелку экологически безопасного сжигания (ГЭЧС) для любого видаэнергетического топлива.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Таким образом, вследствиеплохого взаимодействия сильно раскрытых завихренных факелов при плохомзаполнении ими топочного объема вихревые горелки на крупных парогенераторах всебольше вытесняются щелевыми горелками. Это способствует имеющиеся недостатки вработе вихревых горелок. Горелки большой производительности крупногабаритны иимеют амбразуры больших размеров. Так, например, для горелок производительностью11 т/ч по АШ амбразура выполняется диаметром 1480 мм в цилиндрической части и 1625 мм в устье конической части.
Мощным излучением ипроникновением горячих продуктов сгорания в амбразуры большого размераметаллические насадки и рассекатель горелки сильно нагреваются и обгорают. Вэтих условиях ненадежно работают прямоточно-улиточные горелки. Для уменьшенияобгорания и повышения надежности работы горелки амбразуры стали выполнять цилиндрическим.Но это связано с уменьшением раскрытия факела, т.е. противоречит основномупринципу работы вихревых горелок. В вихревых пылеугольных горелках имеются иконструктивные недостатки. Вихревые горелки громоздки, сложны в изготовлении,требуют сложной разводки экранных труб у больших круглых амбразур. И, наконец,вихревые горелки обладают повышенным аэродинамическим сопротивлением иподвержены большему износу пылевоздушным потоком.