Влияние распределения газа в прямоточно-вихревой горелке на процесс горения в ограниченном объеме топки
Аннотация
Цель работы заключается в оптимизации режима сжигания газообразного топлива в топке с ограниченным по направлению выхода дымовых газов объемом, оснащенной прямоточно-вихревыми горелками. Исследовано влияние конструктивно-режимных факторов, влияющих на экологические показатели (выбросы оксидов азота) и на надежную работу труб поверхностей нагрева, непосредственно подвергающихся воздействию факела горелок.
Приведены результаты численного моделирования с использованием программного комплекса ANSYS (программа ANSYS CFX) и натурных испытаний на промышленном объекте. Для исключения излишнего сгущения расчётной сетки поверхность нагрева, ограничивающая область свободного распространения струи факела, моделировали фильтром, который в программах CFD-моделирования позволяет создать требуемое аэродинамическое сопротивление и теплообмен. Установлено, что при моделировании топочного пространства фильтр оказывает воздействие, аналогичное поверхности нагрева, и создает адекватную обратную связь в потоке среды, что обусловливает его применение в дальнейших расчетах.
Численными экспериментами доказано, что области наиболее высоких температур находятся в прикорневой центральной зоне и в конце факела в результате догорания топлива. Увеличение подачи газа через сопла кольцевых периферийных каналов затягивает процесс сгорания топлива и смещает высокотемпературную область факела в конец топочной камеры, что снижает образование оксидов азота, но увеличивает температурное воздействие на трубы поверхности нагрева. Повышение расхода газа в центральную часть приводит к укорачиванию факела, смещает высокотемпературную зону к его корню, ускоряет процесс горения и однозначно приводит к увеличению концентраций NOx. Установлено, что перераспределение газа между внешним и внутренним кольцами периферийного канала горелок не дает видимого эффекта.
В процессе проведения натурных испытаний получена количественная оценка влияния процесса сжигания (формы факела) на выбросы оксидов азота и температуру поверхностей нагрева, расположенных на выходе их топки и подвергающихся непосредственному воздействию факела.
Рекомендована работа котла в номинальном режиме с минимально возможным расходом газа через центральный коллектор горелки, что позволит обеспечить наиболее благоприятные условия как по его надежности, так и экологическим показателям.
Литература
2. Introduction to ANSYS Meshing 14.5. Ansys Costumer Portal [Электрон. ресурс] https://support.ansys.com/AnsysCustomerPortal/en_us/Knowledge%20Resources/Tutorials%20&%20Training%20Materials/Training%20Files/Introduction+to+ANSYS+Meshing+14.5 (дата обращения 01.10.2023).
3. Хохлов Д.А., Зайченко М.Н., Верещетин В.А., Тугов А.Н. Влияние сопротивления поверхности нагрева на развитие газового факела // Енисейская Теплофизика: Тез. докл. I Всерос. науч. конф. с междунар. участием. Красноярск: Изд-во СФУ, 2023. С. 474—475.
4. Патанкар С. Численные методы решения задач теплообмена и динамики жидкости. М.: Энергоатомиздат, 1984.
5. Launder B.E., Spalding D.B. The Numerical Computation of Turbulent Flow // Computer Methods in Appl. Mech. and Eng. 1974. V. 3. Pp. 269—289.
6. Carvalho M.G., Farias T., Fontes P. Predicting Radiative Heat Transfer in Absorbing, Emitting, and Scattering Media Using the Discrete Transfer Method // ASME HTD. Fundamentals of Radiation Heat Transfer. 1991. V. 160. Pр. 17—26.
7. Chui E.H., Raithby G.D. Computation of Radiant Heat Transfer on a Non-orthogonal Mesh Using the Finite-volume Method // Numerical Heat Transfer. 1993. V. 3(23). Pр. 269—288.
8. Raithby G.D., Chui Е.Н. A Finite-volume Method for Predicting a Radiant Heat Transfer in Enclosures with Participating Media // J. Heat Transfer. 1990. V. 112. Pр. 415—423.
9. Magnussen B.F., Hjertager B.H. On Mathematical Models of Turbulent Combustion with Special Emphasis on Soot Formation and Combustion // Proc. XVI Intern. Symp. Combustion. 1977. V. 16(1). Pp. 719—729.
10. Верещетин В.А., Тугов А.Н., Хохлов Д.А., Зайченко М.Н. Анализ влияния распределения топлива в прямоточно-вихревой горелке на конфигурацию факела и экологические показатели горения // Енисейская Теплофизика: Тез. докл. I Всерос. науч. конф. с междунар. участием. Красноярск: Изд-во СФУ, 2023. С. 461—462.
11. Григорьев Д.Р., Гамбург М., Котлер В.Р. Современная система сжигания, обеспечивающая требования Гётеборгского протокола только за счет горелочных устройств Zeeco Free Jet // Промышленная энергетика. 2021. № 1. С. 56—63.
12. Зройчиков Н.А., Григорьев Д.Р., Gamburgс M., Пай А.В. Внедрение на энергетическом котле горелочных устройств с внутритопочной рециркуляцией дымовых газов // Теплоэнергетика. 2021. № 11. С. 71—79.
---
Для цитирования: Тугов А.Н., Верещетин В.А., Хохлов Д.А., Зайченко М.Н. Влияние распределения газа в прямоточно-вихревой горелке на процесс горения в ограниченном объеме топки // Вестник МЭИ. 2024. № 3. С. 56—65. DOI: 10.24160/1993-6982-2024-3-56-65
---
Конфликт интересов: авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов
#
1. Cavalcante-Neto J.B. Survey Meshing Lection RPCMOD08 lia.ufc.br: Laboratórios de Pesquisa em Ciência da Computação Departamento de Computação — UFC [Elektron. Resurs] http://www.lia.ufc.br/~joaquimb/lects/Survey%20Meshing%20Joaquim%20RPCMOD_Abr2008.pps (Data Obrashcheniya 01.10.2023).
2. Introduction to ANSYS Meshing 14.5. Ansys Costumer Portal [Elektron. Resurs] https://support.ansys.com/AnsysCustomerPortal/en_us/Knowledge%20Resources/Tutorials%20&%20Training%20Materials/Training%20Files/Introduction+to+ANSYS+Meshing+14.5 (Data Obrashcheniya 01.10.2023).
3. Khokhlov D.A., Zaychenko M.N., Vereshchetin V.A., Tugov A.N. Vliyanie Soprotivleniya Poverkhnosti Nagreva na Razvitie Gazovogo Fakela. Eniseyskaya Teplofizika: Tez. Dokl. I Vseros. Nauch. Konf. s Mezhdunar. Uchastiem. Krasnoyarsk: Izd-vo SFU, 2023:474—475. (in Russian).
4. Patankar S. Chislennye Metody Resheniya Zadach Teploobmena i Dinamiki Zhidkosti. M.: Energoatomizdat, 1984. (in Russian).
5. Launder B.E., Spalding D.B. The Numerical Computation of Turbulent Flow. Computer Methods in Appl. Mech. and Eng. 1974;3:269—289.
6. Carvalho M.G., Farias T., Fontes P. Predicting Radiative Heat Transfer in Absorbing, Emitting, and Scattering Media Using the Discrete Transfer Method. ASME HTD. Fundamentals of Radiation Heat Transfer. 1991;160:17—26.
7. Chui E.H., Raithby G.D. Computation of Radiant Heat Transfer on a Non-orthogonal Mesh Using the Finite-volume Method. Numerical Heat Transfer. 1993;3(23):269—288.
8. Raithby G.D., Chui E.N. A Finite-volume Method for Predicting a Radiant Heat Transfer in Enclosures with Participating Media. J. Heat Transfer. 1990;112:415—423.
9. Magnussen B.F., Hjertager B.H. On Mathematical Models of Turbulent Combustion with Special Emphasis on Soot Formation and Combustion. Proc. XVI Intern. Symp. Combustion. 1977;16(1):719—729.
10. Vereshchetin V.A., Tugov A.N., Khokhlov D.A., Zaychenko M.N. Analiz Vliyaniya Raspredeleniya Topliva v Pryamotochno-vikhrevoy Gorelke na Konfiguratsiyu Fakela i Ekologicheskie Pokazateli Goreniya. Eniseyskaya Teplofizika: Tez. Dokl. I Vseros. Nauch. Konf. s Mezhdunar. Uchastiem. Krasnoyarsk: Izd-vo SFU, 2023:461—462. (in Russian).
11. Grigor'ev D.R., Gamburg M., Kotler V.R. Sovremennaya Sistema Szhiganiya, Obespechivayushchaya Trebovaniya Geteborgskogo Protokola Tol'ko za Schet Gorelochnykh Ustroystv Zeeco Free Jet. Promyshlennaya Energetika. 2021;1:56—63. (in Russian).
12. Zroychikov N.A., Grigor'ev D.R., Gamburgs M., Pay A.V. Vnedrenie na Energeticheskom Kotle Gorelochnykh Ustroystv s Vnutritopochnoy Retsirkulyatsiey Dymovykh Gazov. Teploenergetika. 2021;11:71—79. (in Russian)
---
For citation: Tugov A.N., Vereshchetin V.A., Khokhlov D.A., Zaichenko M.N. The Effect of Gas Distribution in a Straight-Flow Vortex Burner on the Combustion Process in a Limited Furnace Volume. Bulletin of MPEI. 2024;3:56—65. (in Russian). DOI: 10.24160/1993-6982-2024-3-56-65
---
Conflict of interests: the authors declare no conflict of interest
