Любое горелочное устройство должно быть спроектировано для конкретного процесса с учетом требований технологии. Однако до настоящего времени не была создана оптимальная конструкция горелочного устройства для сводового отопления зажигательных горнов агломерационных машин.
Основные технологические требования к таким горелкам следующие:
— равномерное распределение температур и скоростей в потоке перед входом в слой, находящийся на расстоянии 300−500 мм от среза горелки;
— достаточное содержание кислорода в продуктах сгорания.
Проведенный анализ показал, что наиболее полно этим требованиям может отвечать факел, образованный горелками с многоканальными аксиальными завихрителями. Данные о сложных закрученных потоках, образованных такими завихрителями, особенно с закруткой в разные стороны, весьма ограничены. Вместе с тем, для качественного проектирования горелочных устройств и эффективного регулирования процессов в них необходимы сведения о детальном строении и локальном теплообмене закрученных газовых струй, создающих факел.
Целыо работы являлось расширение представлений о структурно-гидродинамических факторах тепломассообмена закрученных струй, сформированных двухи трехканальными аксиальными завихрителями с закруткой потоков в одну и разные стороны, анализ локальной интенсивности теплопереноса и разработка на этой основе горелочного устройства для зажигательных горнов агломерационных машин.
Научная новизна основных положений работы заключается в том, что автором впервые:
— путем анализа полей полного давления и температуры выявлена структура струи, сформированной трехканальным аксиальным завихрителем при закрутке потоков в одну и разные стороны;
— предложен метод акустической диагностики линейных размеров турбулентных структур, образующихся в струях;
— установлены закономерности изменения размеров турбулентных структур в газовой струе от геометрических и режимных параметров завихрителей, и на этой основе сделано заключение об их роли в процессе тепломассообмена в факеле;
— разработаны методы оценки локальной интенсивности теплообмена при смешении внутри факела и между ним и окружающей средой;
— проведена комплексная апробация данных методов для ряда промышленных горелочных устройств.
Достоверность результатов основывается на достаточном уровне надежности экспериментальных данных, полученных сочетанием различных независимых методик исследований, стабильной воспроизводимости результатов измерений, хорошем согласовании полученных сведений с опубликованными данными других авторов, а также подтверждается положительными итогами опытно-промышленных испытаний горелочных устройств, разработанных на основе полученной информации.
Практическая значимость. Полученные экспериментальные данные расширяют представление о физическом содержании процессов в закрученных струях, сформированных двухи трехканальными аксиальными завихрителями, позволяют оптимизировать параметры процессов с участием таких струй, что дает возможность повысить качество проектирования и эффективность управления сжиганием топлива в горелочных устройствах.
Автор защищает:
— представления о гидродинамической структуре и термическом строении свободных закрученных струй, сформированных трехканальными аксиальными завихрителями с разными углами установки лопаток и различным направлением закрутки;
— результаты экспериментального исследования характеристик аэродинамического шума, генерируемого структурами, образующимися в закрученных струях, и сведения о линейных размерах и энергетических характеристиках этих структур, полученных на основе анализа спектров аэродинамического шумаразработанные методы оценки локальной интенсивности теплообмена и результаты их применения;
— практические рекомендации по разработке горелочных устройств, воплощенные в конструкции опытнопромышленного горелочного устройства с трехрядным аксиальным завихрителем для горнов агломерационных машин.
Реализация результатов работы. Результаты работы внедрены металлургическим комбинатом «Северсталь» (г. Череповец) в конструкции опытно-промышленных горелочных устройств ГУП-2,8/1,5Н (горелочное устройство плоскопламенное для зажигательных горнов агломашин с шириной конвейерной ленты 2,8 м, предназначенное для работы на низкокалорийном газовом топливе).
Апробация работы. Основные результаты исследований, изложенных в диссертации, докладывались и были представлены:
— на III Российской национальной конференции по теплообмену (Россия, Москва, 2002);
— Международной конференции «Теплотехника и энергетика в металлургии» (Украина, Днепропетровск, 2002);
— Международной научно-технической конференции «80 лет Уральской энергетики. Образование. Наука» (Россия, Екатеринбург, 2003);
— IV Международной научно-технической конференции, посвященной 120-летию И. П. Бардина «Прогрессивные процессы и оборудование металлургического производства» (Россия, Череповец, 2003);
— V Minsk International Heat & Mass Transfer Forum MMF-2004 (Belarus, Minsk, 2004);
— V Международной конференции по неравновесным процессам в соплах и струях NPNJ-2004 (Россия, Самара, 2004);
— Всероссийской научно-практической конференции и выставке студентов, аспирантов и молодых ученых «Энерго-и ресурсосбережение и нетрадиционные возобновляемые источники энергии «(Россия, Екатеринбург, 2004);
— Второй Российской конференции «Тепломассообмен и гидродинамика в закрученных потоках» (Россия, Москва, 2005);
— International conference «Power industry and market economy» (Mongolia, Ulaanbaatar, 2005).
Работа группы специалистов, в которой автором выполнен раздел по горелочным устройствам, удостоена на Всероссийской выставке научно-технического творчества студентов, аспирантов и молодых ученых «Энерго-и ресурсосбережение и нетрадиционные возобновляемые источники энергии» диплома за I место в номинации «Энергосбережение в энергетике» (Екатеринбург, 2004).
Основные положения диссертации опубликованы в 14 печатных работах.
Диссертационная работа проведена в рамках выполнения г/б темы № 1686 (гос. per. № 1 200 205 928) «Создание теоретических основ теплотехнических процессов использования энергии топлива и других видов энергоресурсов с целью создания эффективных методов энергосбережения и экологически чистых энерготехнологий».
Автор выражает благодарность своему научному руководителю, д.ф.-м.н. профессору Жилкину Б. П. за доброжелательное отношение и критические замечания, высказанные в процессе обсуждения работы.
Особую благодарность автор выражает Винтовкину A.A., Доронину Д. Н., Жилкину В. П., Зыскину И. А., Малыгину A.B., Скачковой С. С, Скриповой Н. М. за техническую поддержку и полезную информацию, а также руководству и техническим службам аглопроизводства ОАО «Северсталь» за содействие в проведении опытно-промышленных испытаний горелочных устройств.
1.4. ВЫВОДЫ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ.
Использование многорядных лопаточных завихрителей является эффективным и экономичным способом управления структурой струйных систем.
Из представленного обзора литературных данных можно сделать вывод, что наиболее полно изучены закрученные струи, сформированные одноканальными завихрителями. По струям, образованным двухи многоканальными завихрителями, перечень проведенных исследований не столь обширен. Структура таких струй изучена недостаточно.
По исследованиям акустических характеристик закрученных струй, особенно образованных многоканальными завихрителями, имеется весьма ограниченный объем информации. Практически не изучена их связь с когерентными турбулентными структурами, образующимися в струях.
Не разработаны методы оценки влияния геометрических и режимных характеристик завихрителя на интенсивность локального теплового взаимодействия при смешении потоков.
С учетом того, что сложности теоретического анализа рассматриваемых явлений чрезмерно велики, для ответа на поставленные вопросы следует избрать экспериментальный путь исследования.
Исходя из проведенного литературного обзора и учитывая цель исследования, можно сформулировать следующие задачи: изучить гидродинамическое строение закрученных газовых струй, образованных двухи трехканальными завихрителями, оценить влияние геометрических и режимных характеристик завихрителей на структуру этих струйна основе анализа спектров аэродинамического шума провести оценку размеров и энергетических характеристик турбулентных структур, образующихся в струях, при различных геометрических и режимных параметрах завихрителейразработать методы оценки локальной интенсивности теплообмена в потоке при смешении и применить их для изучения теплопереноса в струях и факелахна основании полученных результатов сформулировать практические рекомендации для проектирования горелочных устройств и создать перспективный образец горелкипроизвести сравнительные натурные испытания приоритетного ряда опытно-промышленных горелочных устройств.
РОССИЙСКАЯ.
ГОСУДАРСТВЕННА*? 41.
БИБЛИОТЕКА.
ГЛАВА 2 МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЙ.
2.1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ И АКУСТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК СТРУЙ.
Для исследования гидродинамических и акустических характеристик закрученных струй использовались следующие экспериментальные установки.
Экспериментальная установка № 1.
Принципиальная схема экспериментальной установки № 1, предназначенной для изучения низкотемпературных закрученных струй, представлена на рис. 2.1, а ее общий вид — на рис. 2.2.
Центральной частью экспериментальной установки являлся струеобразующий аппарат, состоящий из сменных коаксиальных завихрителей 8 и примыкающих к ним внутреннего 5 и внешнего 6 каналов в виде прямолинейных труб, играющих роль участков стабилизации течения.
Подача воздуха в каналы осуществлялась вентиляторами 3, приводимыми в движение электродвигателями 2. Расход воздуха в каналах регулировался числом оборотов вентиляторов путём изменения напряжения, подаваемого на электродвигатели, с помощью лабораторных автотрансформаторов 1. Определение расходов воздуха осуществлялось посредством ротаметров 4 марки РМ-15ЖУЗ. Температура воздуха измерялась медь — константановыми термопарами, горячие спаи которых размещались в каналах 6 и 7, а холодные спаи находились в термостате 13. Величина ЭДС измерялась прибором 14 марки Щ-4315.
Измерение газодинамических характеристик потока осуществлялось пневмометрическим датчиком 9, представляющим собой 5-ти канальный зонд с цилиндрической головкой (диаметр носика 1,3 мм). Сигнал от зонда поступал к микроманометрам 11. При малых перепадах давления использовался микроманометр МКВ-250.
Рис. 2.1. Схема экспериментальной установки: 1 — лабораторный автотрансформатор- 2 — электродвигатель- 3 — вентилятор- 4 — ротаметр;
5 — электрический воздухоподогреватель- 6 — внутренний канал;
7 — внешний канал- 8 — завихритель- 9 — пневмометрический датчик;
10 — координатное устройство- 11 — микроманометр- 12-термопара, 13 — термостат, 14 — электронный милливольтметр
Для перемещения зонда в области потока, выходящего из завихрителя, использовалось координатное устройство 10, которое было жёстко закреплено на станине. Координатное устройство обеспечивало перемещение зонда по трём взаимо перпендикулярным осям отрезками по 25 мм в горизонтальных плоскостях, и 50 мм в вертикальной плоскости. Внутри каждого отрезка осуществлялось плавное перемещение с точностью 0,01 мм.
Рис. 2.2. Общий вид экспериментальной установки № 1.
Станина выполняла роль несущей конструкции, придавая жёсткость всей экспериментальной установке и исключая влияние неблагоприятных внешних факторов, таких как вибрация и колебания температуры, которые так или иначе могли бы повлиять на ход выполняемой работы.
Экспериментальная установка № 2.
Принципиальная схема экспериментальной установки для изучения шумовых характеристик двойной закрученной струи представлена на рис. 2.3, а ее общий вид — на рис. 2.4. Установка выполнена на основе установки № 1.
Измерение аэродинамического шума (уровня звукового давления), создаваемого струей, производились интегрирующим прецизионным шумомером фирмы Вгие1&К]аег Туре 2230. При измерениях характеристик шума рабочие каналы завихрителей размещались в звукоизолирующей цилиндрической камере с высотой 800 мм и внутренним диаметром 500 мм, через стенку которой вводился микрофон шумомера, который располагался перпендикулярно оси камеры. Чтобы исключить обуславливаемые телом оператора нарушения исследуемого звукового поля, шумомер был закреплен на штативе.
Рис. 2.3. Схема экспериментальной установки: 1 — лабораторный автотрансформатор- 2 — электродвигатель- 3 — вентилятор- 4 — ротаметр- 5 — воздухоподогреватель- 6,7 — внутренний и внешний каналы- 8 — завихритель- 9 — звукоизолирующая камера- 10 — шумомер- 11 — штатив.
Так как камера все же не обеспечивала полную звукоизоляцию от внешних источников шума, сначала были проведены измерения фонового уровня звукового давления в камере, для чего струя изолировалась с помощью специальной насадки, надевающейся на завихритель, вывод воздуха в которой осуществлялся вверх за пределы звукоизолирующей камеры. Затем были проведены измерения без насадки.
Рис. 2.4. Общий вид экспериментальной установки.
Пересчет значений уровня звукового давления (Дб) в значения звукового давления /?зв (Па) осуществлялся по формуле [27]: Ь зв=А>-Ю20 (2.1) где р0 = 2−10° Па — условное действующее значение для нулевого уровня по звуковому давлению.
Далее для каждого измерения из значений общего звукового давления в камере (измерения без насадки) вычитались значения звукового давления фона:
Рзв =Рзв1-Рзвф (2−2).
Таким образом, полученные значения рзв являлись характеристикой фактического аэродинамического шума струи.
Для каждой комбинации завихрителей измерялся уровень звукового давления ЬР в октавных полосах частот 31,5, 63, 125, 250, 500, 1000, 2000, 4000, 8000 Гц и общий уровень в диапазоне 10 Гц — 50 кГц.
Интегрирующий прецизионный шумомер Вгие1&К]аег Туре 2230:
— в процессе обработки исследуемого акустического сигнала позволяет автоматически и одновременно измерять уровень звука или звукового давления, максимальный, минимальный и эквивалентный уровни и уровень звуковой экспозиции;
— соответствует 1 классу точности по ГОСТ 17 187–71 и занесен в Государственный реестр средств измерений.
2.2. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕРМИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ СТРУЙ.
Изучение тепловых характеристик низкотемпературных струй проводилось на установке № 1. В опытах с использованием традиционной методики в координатное устройство вместо зонда 9 устанавливалась медь-константановая термопара с диаметром горячего спая 0,3 мм.
Метод термовизуализирующей сетки.
Для выявления термической структуры низкотемпературной закрученной струи использовался метод термовизуализирующей сетки [53]. Метод заключается в том, что в неизотермический газовый поток 1 (рис. 2.5) помещается сетка 2 из фторопластовых нитей, материал которых имеет коэффициент теплопроводности 0,9−1,05 коэффициента теплопроводности газа, расстояние между нитями сетки (размер ячейки) подбиралось таким, чтобы не загромождать поток.
Тепловое излучение от нитей, интенсивность которого соответствует температуре потока, с помощью тепловизионной камеры 3 преобразуется в визуальный образ 4 в виде цветового поля, отображаемого на мониторе 5 тепловизионной камеры. Этот визуальный образ расшифровывается в числовые значения температуры в точках газового потока путем сопоставления цветов со шкалой «температура-цвет» 6 на мониторе. Тем самым производится одномоментное измерение температурного поля газового потока в большом числе точек области течения, размеры которой определяются размерами сетки.
Рис. 2.5. Схема визуализирующей установки: 1 — поток- 2 — сетка- 3 — тепловизионная камера- 4 — изображение- 5 — монитор;
6 — цветовая шкала.
Для визуализации использовались: тепловизор с программным пакетом ЫеуЛК. Т18 200- сетка 400×500 мм из фторопластовых нитей толщиной 50 мкм и размерами ячейки 2×2 мм.
Высокотемпературные исследования были проведены на базе крупномасштабного стенда для испытаний узлов агломерационного и обжигового оборудования.
Экспериментальная установка № 3.
Принципиальная схема экспериментальной установки представлена на рис. 2.6.
Воздух в горелочное устройство (далее — горелку) подавался с помощью вентилятора ВВД-9 (2), приводимого в движение электродвигателем 1. Общий расход регулировался с помощью поворотной заслонки 3 на всасе вентилятора. Для измерения расхода воздуха в тракт воздуховода была установлена измерительная диафрагма 5. Далее поток воздуха направлялся в два воздухоподводящих канала для внешнего и внутреннего регистров завихрителя горелки. Расход воздуха в каналах регулировался встроенными шиберами 7. Для измерения статического и динамического напоров в каждый канал были встроены пневмотрубки 8.
Рис. 2.6. Схема экспериментальной установки: 1 — электродвигатель;
2 — вентилятор- 3 — поворотная заслонка- 4 — подвод воздуха- 5 — измерительная диафрагма- 6 — И-образный манометр- 7 — шибер- 8 — пневмотрубка- 9 — микроманометр- 10 — горелочное устройство- 11 — подвод газа- 12 — пневмометрический зонд- 13 — координатное устройство- 14 — шахта из огнеупорного кирпича- 15 — отвод продуктов горения.
Использовались два горелочных устройства с различной организацией закрутки: вихревая двухрядная горелка (рис. 2.7) и туннельная горелка с горелочным камнем.
Описания конструкции горелок приведены в п. 3.3.
Отвод продуктов горения осуществлялся в шахту прямоугольного сечения 14, выложенную огнеупорным кирпичом с помощью дымососа ВМ-50.
Рис. 2.7. Вихревая двухрядная горелка, установленная на стенде.
Измерение давления (динамического напора) в закрученной струе, образованной двойным аксиальным завихрителем горелки, осуществлялось с помощью пневмометрического зонда. Для перемещения зонда 12 в области потока, выходящего из завихрителя, использовалось координатное устройство 13, которое было жестко закреплено на станине. Координатное устройство обеспечивало перемещение зонда по трем взаимно перпендикулярным осям. Измерения производились на воздухе, имеющем температуру окружающей среды. Среднерасходые скорости устанавливались по перепаду динамического и статического давлений на пневмотрубках, встроенных в подводящие каналы, расходы регулировались положениями шиберов в подводящих каналах.
Измерение температуры факела, создаваемого горелкой, производилось с помощью ХА термопары, подключенной к милливольтметру. Эксперименты проводились при различных режимах работы горелки по газу и воздуху.
При использовании туннельной горелки экспериментальная установка была перенастроена (рис. 2.8). Воздух от вентилятора 2 через измерительную диафрагму 5 поступал в воздухоподводящий короб 8. В коробе была установлена горелка 9. Воздух из короба поступал в завихритель горелки. Подвод газа осуществлялся аналогично предыдущей схеме.
Рис. 2.8. Схема экспериментальной установки: 1 — электродвигатель;
2 — вентилятор- 3 — поворотная заслонка- 4 — подвод воздуха- 5 — измерительная диафрагма- 6 — 11-образный манометр- 7 — патрубок подвода воздуха- 8 — воздухоподводящий короб- 9 — завихритель горелки;
10 — горелочный туннель- 11 — подвод газа- 12 — пневмометрический зонд- 13 — координатное устройство- 14 — шахта из огнеупорного кирпича- 15 — отвод продуктов горения- 16 — микроманометр
2.3. МЕТОДЫ АНАЛИЗА ЛОКАЛЬНОЙ ИНТЕНСИВНОСТИ ТЕПЛООБМЕНА В СТРУЯХ И ФАКЕЛАХ ГОРЕЛОЧНЫХ УСТРОЙСТВ.
Для оценки общего уровня теплового взаимодействия наиболее применим метод коэффициентов теплового взаимодействия (теплопередачи) [43]. Однако интенсивность теплового взаимодействия в различных зонах факела может быть не одинакова, а сведения об этом распределении очень важны для организации ряда технологических процессов. Для оценки локальной интенсивности теплообмена были разработаны методы приведенных градиентов температуры и градиентного моделирования ® термического строения струй и факелов [56].
Вместе с тем для достижения наилучшего качества анализа указанными выше способами необходим детальный промер поля температур, что требует больших временных затрат и подчас не представляется возможным в промышленных условиях.
Поэтому для оперативной диагностики формы и термической структуры факелов горелок был разработан метод многозонального разложения изображения.
Комплексная апробация данных методов проведена для факелов описанных выше горелочных устройств. Исследования были проведены на ® экспериментальной установке № 3. В качестве топлива использовался природный газ.
Метод приведенных градиентов.
Данная методика является графоаналитической и заключается в следующем. По результатам замеров температуры строится поле изотерм. На нем выделяются характерные точки (узлы). Из них проводятся прямолинейные координатные линии по контрольным, характерным направлениям, в зависимости от конкретной конфигурации термического поля.
Расчет градиента (ЗТ производится по следующей формуле: max ср где — разность температур между соседними изотермамих{-х{л — расстояние между соседними изотермамиtmах — максимальная температура в потоке или в факеле, tcp — температура окружающей среды.
Ранее [56], для определения градиента GTb знаменателе формулы (2.3) вместо значения максимальной температуры imax использовалось значение средней температуры между соседними изотермами однако расчет по данной формуле приводил к некорректным результатам (знаменатель обращался в ноль при приближении значений t- ?, к значениям tcp).
Метод градиентного моделирования термического строения.
Метод градиентного моделирования термического строения основан на предположении о том, что области наиболее активного теплового взаимодействия в потоке характеризуются наибольшим изменением градиента температуры.
Реализация предлагаемого метода предполагает следующие этапы:
— термометрирование плоскостей сечений факела по сетке координат;
— интерполяция полученного массива данных на сетку необходимого размера существующими математическими методами;
— апроксимация поля температур;
— расчет вектор-функции градиента на поле скалярной трехмерной функции температур по формуле:
УТ (х, у, ?) = 8гас1Г (*, = + ~ j + (2.4) гас оу ог.
— получение графического представления модулей значений вектор-функции на координатной сетке;
— обработка изображения разложением на диапазоны с получением зональной или уровневой структуры поля градиентов;
— анализ зональной и уровневой структуры с выявлением областей наибольшего теплового взаимодействия потока с окружающей средой.
Метод многозонального разложения изображения.
Для тонкого оперативного регулирования горелок различных теплотехнических устройств необходимо оперативно оценивать термическую структуру факела. Измерения температур термопарами требуют введения датчика в поле потока, дают значения только в определенных точках, трудоемки и, как правило, невозможны на действующих агрегатах.
Как альтернатива для анализа термической структуры факелов горелок предложена методика многозонального компьютерного разложения фотографического или видеоизображения, которая представляет собой развитие подходов [57].
Метод основан на предположении о том, что при статическом изображении факела одинаковые диапазоны интенсивности свечения характеризуются одинаковыми диапазонами температур.
Данная реализация предполагает следующие этапы:
— фотографирование либо видеосъемка факела с соблюдением определенных условий экспозиции;
— покадровое сканирование, оцифрование и сохранение изображений в одном из растровых графических форматов. При этом полученное изображение должно представлять собой матрицу, элементы которой имеют значения от 0 до 255 градаций интенсивностей серого цвета;
— построение гистограммы распределения интенсивностей оттенков серого цвета и выборка характерных диапазонов;
— преобразование растрового изображения в зональное с понижением количества диапазонов интенсивностей.
При использовании видеотехнологий данная методика может быть использована для тонкого оперативного регулирования процесса на основе сравнения текущего изображения с эталонным, полученным при отладке горелочного устройства.
ГЛАВА 3.
СТРУКТУРА, АКУСТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И ТЕПЛООБМЕН ЗАКРУЧЕННЫХ СТРУЙ.
3.1. ГИДРОДИНАМИЧЕСКАЯ И ТЕРМИЧЕСКАЯ СТРУКТУРЫ СТРУЙ 3.1.1. Двойная струя1.
Исследования проводились на экспериментальной установке № 1. Изучались струи, образованные двойными аксиальными завихрителями с плоскими лопатками толщиной 0,1 мм, с закруткой потока в одну и разные стороны, общий вид которых дан на рис. 3.1. Использовалось 6 наиболее характерных комбинаций завихрителей с закруткой потока в одну и разные стороны. Характеристики завихрителей приведены в табл. 3.1, где 71 и у2 -углы установки лопаток соответственно внутреннего и внешнего завихрителейс!0 — наружный диаметр центральной втулки завихрителяи соответственно внутренние диаметры проходного канала внутреннего и внешнего завихрителей. Среднерасходные скорости потока? V во внутреннем 1? и внешнем У2 каналах варьировались от 0 до 20 м/с.
Все завихрители имели одинаковый эквивалентный диаметр с1э =10мм.
Рис. 3.1. Общий вид двойного аксиального завихрителя 1 Исследования проведепы совместно с Шубой А.Н.
