О возможности управления интенсивностью теплового взаимодействия между струей, создаваемой двойным коаксиальным завихрителем и внешней неподвижной

Жилкин Б.П., Зайцев К.В. (me@infoteck.ru), Миренский В. Ю. ГОУ ВПО Уральский государственный технический университет - УПИ

Введение

При эксплуатации топок, работающих с низкими избытками воздуха, воздействие на развитие процесса выгорания топлива и конфигурацию факела, от которых зависит распределение тепловых потоков, воспринимаемых экранами, а также экономичность и экологическая безопасность процесса, можно осуществить с помощью горелок, оснащенных системой регулирования конфигурацией факела и его положения в топке. Такими регулируемыми горелками оборудуются, в частности, парогенераторы газомазутных электростанций и отопительных котельных, несущих переменную часть графика нагрузки.

В настоящее время используют горелки с регулируемым соотношением расходов сред по каналам горелочного аппарата и изменением интенсивности закрутки потока путем поворота лопаток. Однако при указанных способах затруднено перераспределение тепловых потоков в топочном пространстве энергетического агрегата, например, котла, когда требуется изменить распределение тепла в различных участках рабочего канала при сохранении тепловой мощности горелки.

В основу рассматриваемых ниже способов регулирования легло известное положение о том, что на интенсивность теплового взаимодействия струи с внешней средой в значительной мере влияют условия смешения как внутреннего - между коаксиальными струями, так и внешнего - с окружающей средой на начальном участке результирующего течения.

Описание экспериментальной установки и методики исследования

Исследования процессов взаимодействия струи с внешней средой проводились на экспериментальной установке (рис. 1), где струйные течения создавались сменными коаксиальными завихрителями различной конфигурации, установленными на центральный и периферийный каналы установки (рис. 2). Эквивалентный гидравлический диаметр завихрителей обоих каналов был одинаковым и равнялся 10мм, углы установки лопаток в обоих каналах могли изменяться от 150 до 450. Максимальный диаметр внешнего канала был равен 50мм.

Скорость воздуха составляла 20 м/с как во внутреннем W1, так и во внешнем W2 каналах. Каналы были оснащены электрическими нагревателями и оборудованы системой автоматического регулирования, что позволяло поддерживать температуру среды в каналах постоянной и равной 80 0С.

Рис. 1. Схема экспериментальной установки: 1-лабораторный автотрансформатор; 2-электродвигатель; 3-вентилятор; 4-ротаметр; 5-электрический воздухоподогреватель; 6-внутренний канал; 7-внешний канал; 8-завихрители; 9-термовизуализирующая сетка;

10-тепловизионная камера; 11-вычислительная машина; 12-милливольтметр; 13-термостат; 14-регулирующее устройство (раструб)

Для определения температурного поля в результирующем потоке использовался метод термовизуализирующей сетки [1]. Метод заключается в том, что в неизотермический газовый поток помещается сетка из тонких фторопластовых нитей. Тепловое излучение от нитей, интенсивность которого соответствует температуре потока, с помощью тепловизионной камеры преобразуется в визуальный образ в виде цветового поля, отображаемого на мониторе тепловизионной камеры.

Рис. 2. Схема двухканального аксиального завихрителя. X, Y, Z - линейные координаты, yi и у2 - углы установки лопаток, d0, d1, d2 - диаметры соответственно внутренней вставки, внутреннего и внешнего завихрителей

Этот визуальный образ формировался по численным значениям температуры по шкале температура-цвет . Тем самым производится одномоментное измерение и визуализация температурного поля газового потока в большом числе точек контрольной области. В опытах использовались: тепловизор марки ThermaCAM E45; сетка из фторопластовых нитей толщиной 50 мкм и размерами ячейки 1х 1 мм. Визуальная термическая картина сопоставлялась с данными, полученными путем контрольного замера температур потока с помощью термопар.

Изучались два способа регулирования с разным механизмом взаимодействия на струю. Первый заключался в изменении места начала взаимодействия соосных закрученных струй. Для чего, внутренний канал экспериментальной установки был выполнен подвижным вдоль оси завихрителей. Конструкция лабораторной установки позволяла выдвигать внутренний канал на 10 мм, утапливать (задвигать) его на 20 мм, относительно внешнего канала, шаг перемещения канала составлял 10 мм.

Второй способ состоял в изменении условий смешения двойной струи с окружающей средой. С этой целью, экспериментальная установка была оснащена управляющим аппаратом в виде усеченного конуса, прикрепленного своим меньшим основанием к завихрителю и раскрывающегося в направлении потока.

Рис. 3. Продольный разрез модели горелки: 1 - цилиндрический корпус; 2-подвижный внутренний канал; 3 - лопаточный завихритель внутреннего канала; 4 -внешний канал; 5 - лопаточный завихритель внешнего канала; 6 - раструб; 7 -регулирующие кольца; 8 - отверстия в регулирующих кольцах; 9 - отверстия в раструбе; 10, 11 - образующие конических поверхностей, на которых лежат оси отверстий в конусе и регулирующих кольцах

На стенках конуса (раструба) по его образующей располагались два ряда отверстий, которые могли перекрываться регулирующими кольцами, имеющими такую же систему отверстий: поворачивая кольца, можно было изменять проходное сечение перфорации и тем самым изменять условия смешения струи с окружающей средой (рис. 3).

Термическая структура и теплообмен

Для оценки эффективности регулирования интенсивностью теплообмена при смешении использовался линейный коэффициент теплового взаимодействия Klx , Вт/(м*К) [2]. Методика его вычисления основана на том, что чем выше интенсивность теплового взаимодействия, тем меньше размеры области потока, ограниченной изотермой с определенной температурой. В качестве характерного размера условной границы раздела для симметричных потоков может служить периметр - длина изотермы с выбранной температурой. Тогда коэффициент теплового взаимодействия будет равен переданному тепловому потоку, поделенному на этот размер и разность температур взаимодействующих сред.

В результате опытов было выявлено, что интенсивность теплового взаимодействия струи с окружающей средой зависит не только от конструктивно-режимных параметров завихрителя, включая направление закрутки потока, а также от положения внутреннего канала и от состояния перфорации (открыто - закрыто) регулирующего раструба.

В качестве базового был взят случай, когда центральный канал находился на одном уровне с внешним каналом и оба яруса перфорации были открыты, тем самым обеспечивалось максимальное сечение для прохода среды через отверстия раструба.

Центральный канал перемещался вдоль оси, относительно внешнего, неподвижного канала. Первоначально, центральный канал был утоплен на максимально возможное расстояние, равное двум калибрам (20мм), затем с указанным шагом перемещался в выдвинутое, на расстояние одного калибра (10 мм), положение. При каждом фиксированном положении центрального канала оказывалось воздействие на струю с помощью настроек раструба: вначале все отверстия раструба открывались, затем закрывался второй ряд отверстии, далее при открытом втором ряде отверстий закрывался первый ряд отверстий и последней настройкой раструба, было полное закрытее его отверстий.

На рис. 4 приведены термограммы струй, образованных завихрителем с установкой лопаток у1 =-150,y2 =-450, при различном положении центрального канала и при различных настройках раструба. С помощью такого завихрителя создается двойная струя со слабо закрученным центром и максимально закрученным периферийным коаксиальными потоками. Из приведенных термограмм видно, как по мере выдвижения центрального канала 1 - 2 - 3 - 4, увеличивается угол раскрытия струи, достигая максимального значения при крайне выдвинутом его положении, относительно внешнего канала. Так же, независимо от положения центрального канала, при закрытии рядов отверстий раструба в последовательности А - Б - В - Г (см. рис. 4), видна общая тенденция к уменьшению угла раскрытия струи и ее преимущественном распространении вдоль оси завихрителей. Следует отметить, что в случае с выдвинутым центральным каналом струя, вырываясь из раструба, широко раскрывается и образует веерное течение, практически перпендикулярное оси завихрителя.

Теперь обратимся к вопросу эффективности регулирования тепловым взаимодействием, критерием для оценки которого была выбрана величина линейного коэффициента теплового взаимодействия Klx.

На рис. 5 изображена столбчатая диаграмма, высота столбцов соответствует величине значения Klx , численные и буквенные обозначения соответствуют обозначениям, приведенным на рис. 4.

Анализируя этот рисунок следует отметить, что для случаев с утопленным центральным каналом (режимы 1 и 2) при попеременном закрытии рядов отверстий 1-А - 1-Б - 1-В и 2-А - 2-Б - 2-В наблюдалось небольшое снижение интенсивности теплового взаимодействия, примерно на 5% в первом случае и 8% во втором. При закрытии всех

отверстий раструба интенсивность теплового взаимодействия снижается еще на 14% в первом случае 1-В -1-Г и на 19% во втором 2-В -2-Г (см. рис. 5).

Рис. 4. Термограммы струи формируемой завихрителем с углами установки лопаток Y1 =-150,y2 =-450 с присоединенным регулирующим раструбом и перемещающимся внутренним каналом: 1 - центральный канал утоплен на расстояние двух калибров; 2 -центральный канал утоплен на расстояние одного калибра; 3 - центральный и внешний каналы расположены на одном уровне; 4 - внешний канал выдвинут на расстояние одного калибра; А - оба ряда отверстий открыты; Б - первый по ходу среды ряд отверстий открыт, второй - закрыт; В - первый ряд закрыт, второй открыт; Г - оба ряда (яруса) отверстий закрыты

В случае, когда центральный и внешний каналы находились на одном уровне, при закрытии первого ряда отверстий (рис. 5, 3-Б) наблюдалось резкое снижение коэффициента теплового взаимодействия, относительно варианта с полностью открытыми

отверстиями раструба (рис. 5, 3-А), примерно на 18%. При дальнейшем попеременном закрытии рядов отверстий раструба, вплоть до полного их закрытия (3-Б - 3-В - 3-Г), интенсивность теплового взаимодействия снизилась еще на 15%.

При попеременном закрытии первого и второго ряда отверстий, вплоть до полного закрытия всех отверстий раструба в случае с выдвинутым центральным каналом (4-А - 4-Б - 4-В - 4-Г) динамика снижения Klx была пропорциональна динамике снижения этого показателя в случае с расположенными на одном уровне каналами, однако диапазон регулирования составил всего 24%.

Klx, Вт/(м*К)

12 3 4

Рис. 5. Зависимость Klx от положения центрального канала, относительно внешнего канала, в совокупности с различными режимами открытия отверстий раструба: комбинация завихрителей ух = -150, у2 = -450; 1 - центральный канал утоплен на 20 мм; 2 - центральный канал утоплен на 10 мм; 3 - центральный канал находится на одном уровне с внешним каналом; 4 - центральный канал выдвинут на 10 мм; А - оба ряда отверстий открыты; Б - первый по ходу среды ряд отверстий открыт, второй - закрыт; В - первый ряд закрыт, второй - открыт; Г - оба ряда отверстий закрыты

Таким образом, минимальный диапазон регулирования теплового взаимодействия при определенном положении центрального канала путем изменения степени закрытия отверстий раструба наблюдался в случае с максимально утопленным центральным каналом и составил 19%, а наибольший диапазон регулирования был зафиксирован в том случае, когда каналы были расположены на одном уровне и составил 31%.

В рассмотренном газодинамическом режиме максимальное значение коэффициента теплового взаимодействия Klx, соответствует случаям 2 и 3 с полностью открытыми отверстиями раструба, а минимальное значение Klx - режиму 4 с выдвинутым центральным каналом и полностью закрытыми отверстиями.

Общая эффективность регулирования процессом теплового взаимодействия струи с внешней средой составила порядка 34%.

Угол раскрытия струи

Важной характеристикой формирования факела является угол его раскрытия р, который равен углу между осями язычков струй, вырывающихся из раструба исследуемой регулируемой горелки (рис. 6).

Воздействие на формирование закрученного потока с помощью двух вышеописанных способов регулирования, оказывало значительное влияние на изменение угола раскрытия двойной закрученной струи р.

Рис. 6. Схема определения угла раскрытия двойной закрученной струи р: а) схема регулируемого горелочного; б) термограмма двойной струи, формируемой горелочным устройством (а); центральный и внешний канал находятся на одном уровне; оба ряда отверстий раструба открыты; у1 =-150,y2 =-450

Диапазон регулирования угла р составил 500 1350, с практически равномерным шагом дискретности регулирования, что хорошо видно на рис.7.

р

но Н

1113 118

.102

,96 96

4 Б

4 В

4 Г

4 А

2 Б

3 Б

А

1 Б

3 Г

в

2 В

1 Г

2 Г

1 В

Рис. 7. Зависимость угла раскрытия струи Р от положения регулирующих органов (комбинация завихрителей у1 = -150, у2 = -450): 1 - центральный канал утоплен на 20 мм; 2 - центральный канал утоплен на 10 мм; 3 - центральный канал находится на одном уровне с внешним каналом; 4 - центральный канал выдвинут на 10 мм; А - оба ряда отверстий открыты; Б - первый по ходу среды ряд отверстий открыт, второй - закрыт; В -первый ряд закрыт, второй - открыт; Г - оба ряда отверстий закрыты

При некоторых различных настройках регулирующих устройств углы раскрытия струй совпадали, например, при выдвинутом центральном канале, Р равнялся 1180 как при полностью открытых отверстиях раструба, так и при полном их закрытии (режимы: 4Г, 4А). Подобная ситуация наблюдалась в режимах 3Б и 1А, когда внутренний канал находился на одном уровне с внешним каналом, а первый ряд отверстий раструба был закрыт при открытом втором ряде отверстий и внутренний канал был максимально задвинут при полностью открытых отверстиях раструба; угол раскрытия в данных режимах составил 960. При этом, интенсивность теплового взаимодействия различалась (рис. 5) на 21%.

Таким образом, изменяя настройки регулируемой горелки, в последовательности

4Б 4В 4Г 4А 2Б 2А ЗА 3Б 1А 1Б 3Г 3В 2В 1Г 2Г 1В,

можно достичь практически равномерного шага регулирования угла раскрытия факела с изменением его величины в 2,7 раза при неизменном расходе воздуха по обоим каналам и постоянных углах установки лопаток завихрителей.

Длина струи

С помощью описанных способов управления можно влиять также на длину струи L. Под длиной струи L понимается кратчайшее расстояние вдоль оси горелки от плоскости, совпадающей с большим основанием раструба, до максимально удаленного язычка струи, выделенной контрольной изотермой (см. рис. 8). Для оценки длины струи (факела) при различных режимах настройки регулирующих аппаратов была выбрана изотерма с температурой 30,6 0С.

Рис. 8. Схема определения длины L двойной закрученной струи: а) схема регулируемого горелочного устройства с комбинацией завихрителей у1 = -150, у2 = -450; б) термограмма двойной струи, формируемой горелочным устройством (а); центральный и внешний канал находятся на одном уровне; оба ряда отверстий раструба открыты; кривая черного цвета, изображенная на термограмме - контрольная изотерма

Для обобщения результатов лучше воспользоваться безразмерной длиной L струи, отнеся L к эквивалентному диаметру струеобразующей системы, состоящей из двух соосных завихрителей экв=10мм): L = L/d.

Таким образом, диапазон регулирования длины струи по параметру L составил 0,52 + 1,3. Эффективность регулирования длины факела в рассматриваемом случае была равна 40%.

Ниже приведена столбчатая диаграмма, на которой графически изображено влияние настроек рассматриваемых регулирующих аппаратов на длину закрученной струи.

А

Рис. 9. Зависимость L от положения центрального канала, относительно внешнего канала, в совокупности с различными режимами открытия отверстий раструба: комбинация завихрителей у1 = -150, у2 = -450; 1 - центральный канал утоплен на 20 мм; 2 - центральный канал утоплен на 10 мм; 3 - центральный канал находится на одном уровне с внешним каналом; 4 - центральный канал выдвинут на 10 мм; А - оба ряда отверстий открыты; Б - первый по ходу среды ряд отверстий открыт, второй - закрыт; В - первый ряд закрыт, второй - открыт; Г - оба ряда отверстий закрыты

Затрагивая вопрос совместного изменения угла раскрытия факела и его длины, логичным было бы сделать предположение о том, что при уменьшении Р, L должно увеличиваться.

Исходя из вышесказанного, рис. 9 был построен с учетом увеличение длины закрученной струи. Увеличению данного параметра соответствует следующая последовательность режимов настройки регулирующих аппаратов:

4Б 4А 2А 3А 1А 2Б 4Г 4В 3Б 1Б 2В 1В 1Г 3В 3Г 2Г.

Ниже приведена последовательность изменения настроек регулируемой горелки, соответствующая уменьшению угла раскрытия факела (рис. 7)

4Б 4В 4Г 4А 2Б 2А 3А 3Б 1А 1Б 3Г 3В 2В 1Г 2Г 1В. Сравнивая две вышеприведенные цепочки изменения настроек регулируемой горелки, можно сказать, что полного соответствия предположению об обратно пропорциональной зависимости между углом раскрытия и длиной закрученной струи нет.

Заключение

Таким образом, совместное, ступенчатое применение вышеописанных способов регулирования позволяет существенно расширить диапазон управления интенсивностью теплообмена струи (факела) с окружающей средой и широту регулирования угла раскрытия факела, а также изменять дискретность (шаг) регулирования этих параметров. Комплексное регулирование факела с помощью перемещения центрального канала и изменения проходного сечения отверстий раструба позволяет, не меняя угла раскрытия, изменять коэффициент теплового взаимодействия и длину закрученной струи, например в режимах 4Г, 4А или 3Б, 1А.

Литература

1. Пат. 2230300 РФ, МПК7 G01 К 13/02. Устройство для определения температурного поля газового потока/ Жилкин Б.П., Ларионов И.Д., Шуба А.Н. Заявл. 10.04.2002; Опубл. 20.01.2004. Бюл. 2

2. О коэффициенте теплового взаимодействия ыакла со средой топочных газов/ Жилкин Б.П., Берг Б.В., Лаптева Л.В., Шуба А.Н. Теплообмен ММФ-2000. тепломассообмен в энергетических установках. Минск: АНК ИТМО им. А.В. Лыкова АНБ, 2000. Т. 10. С. 345-348