CC BY
36
монт : дис. канд. техн. наук: 05.22.07 /А. В. Обрывалин. — Омск, 2010. - 146с.
3. Тележные экипажи локомотивов для повышенных скоростей движения : тр. / ЦНИИ МПС, 1962. - Вып. 248. - 304 с.
4. Результаты исследований динамики электровозов ВЛ80, ВЛ22М и электропоездов ЭР2 и ЭР22: тр./ЦНИИ МПС, 1969. -Вып. 317. - 208 с.
5. Боровин, Г. К. Нелинейная вязкоупругая модель колли-неарного удара / Г. К. Боровин, Р. В. Дягель, В. В. Лапшин // ордена Ленина Институт прикладной математики имени М. В. Келдыша Российской академии наук. Препринт. — Москва, 2008. — 18 с.
6. Кузнецов, А. В. Ударное взаимодействие колеса и рельса : дис. канд. техн. наук: 05.22.07 /А. В. Кузнецов. — Москва, 2000. — 139 с.
7. Горячева, И. Г. Контактные задачи в трибологии / И. Г. Горячева, М. Н. Добычин. — М. : Машиностроение, 1988. — 253 с.
БИСЕРИКАН Михаил Иванович, преподаватель кафедры «Технология транспортного машиностроения и ремонта подвижного состава». ОБРЫВАЛИН Алексей Викторович, кандидат технических наук, преподаватель кафедры «Технология транспортного машиностроения и ремонта подвижного состава», заместитель декана механического факультета по учебной части.
РАУБА Александр Александрович, доктор технических наук, доцент (Россия), профессор кафедры «Технология транспортного машиностроения и ремонта подвижного состава».
Адрес для переписки: e-mail: [email protected]
Статья поступила в редакцию 22.12.2010 г. © М. И. Бисерикан, А. В. Обрывалин, А. А. Рауба
УДК 621.18 (075.8) д. С. НЕНИШЕВ
Л. Г. МИХАЙЛОВ П. А. БАТРАКОВ
Омский государственный технический университет
ВОПРОСЫ
ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА В ПОТОКЕ РЕАГИРУЮЩИХ ГАЗОВ В ГАЗОТРУБНЫХ КОТЛАХ
Рассмотрены вопросы интенсификации радиационной и конвективной составляющей теплопереноса в топках газотрубных котлов. Предлагаются для использования возможные схемы генерации закрученных потоков.
Ключевые слова: горение, топка, теплообмен, излучение, конвекция.
Процессы горения в топках газотрубных котлов всегда сопровождаются движением газов — воздуха, газообразного топлива, продуктов сгорания и являются совокупностью взаимообусловленных аэродинамических, тепловых и химических процессов [ 1 ].
Течения газов в подобных технических устройствах как правило всегда турбулентны. В процессах горения проблема турбулентности осложнена дополнительными факторами — химическими реакциями и излучением [ 1 — 3]. Исследование и интенсификация процессов совместного действия конвекции и излучения, которые определяются как суммарный теплоперенос, в топке малых котлов является актуальной задачей.
Современные водогрейные и паровые газотрубные котлы малой и средней мощности для автономного теплоснабжения характеризуются высоким КПД, низкими выбросами токсичных газов, компактностью, высокой степенью автоматизации, простотой эксплуатации и надежностью.
Данные котлы имеют, как правило, цилиндрический корпус, расположенный горизонтально. Внутри корпуса котлов размещаются одна или иногда две жаровые трубы, омываемые горячей водой (паром). В переднем торце каждой жаровой трубы обычно устанавливается наддувная (вентиляторная) горелка,
рассчитанная на сжигание газообразного или жидкого топлива. Таким образом, жаровая труба является топочной камерой, в которой сгорает практически все топливо. В зависимости от длины и избыточного давления применяются гладкие или волнистые жаровые трубы. Расположены они всегда в нижней части водяного пространства, что повышает теплообмен и улучшает циркуляцию котловой воды.
В качестве примера приведен комбинированный газотрубный водогрейный котел марки Unimat международной компании LOOS (рис. 1).
Рассмотрим вопросы переноса теплоты излучением и конвекцией от факела к элементам конструкции. На кафедре «Теплоэнергетика» ОмГТУ в результате проведенных теоретических и экспериментальных исследований определено, что конвективная составляющая в суммарном теплопереносе от факела к стенкам в газотрубном котле составляет 25 — 30 % [4]. Поэтому для увеличения тепловой эффективности работы топки и котла в целом следует рассмотреть вопросы интенсификации процессов сложного теплообмена.
Методы интенсификации лучистого теплообмена основываются на том, что суммарное количество теплоты, поглощаемое или отдаваемое поверхностью пропорционально эффективной площади поверх-
Рис. 1. Схема котла:
1— горелка; 2 — дверца; 3 — гляделка; 4 — тепловая изоляция; 5 — газотрубная поверхность нагрева; 6 — лючок в водяное пространство котла; 7 — жаровая труба (топка); 8 — патрубок подвода воды в котел; 9 — патрубок для отвода горячей воды; 10 — газоход отходящих газов; 11 — смотровое окно; 12 — дренажный трубопровод; 13 — опорная рама
Рис. 2. Схема способа генерации закрученного потока
ности теплообмена [5]. Оказывает влияние на тепло-перенос и структура реальной поверхности.
Методы интенсификации конвекции можно подразделить на пассивные, которые не требуют прямых затрат энергии, и активные, которые требуют затрат энергии извне. Первый метод реализуется, в том числе, в устройствах, интенсифицирующих теплообмен за счет турбулизации пограничного слоя, и устройствах, закручивающих поток с помощью ряда геометрических вставок, которые вызывают вращение потока при вынужденном течении (или вторичные течения) [6]. В качестве вставок применяются скрученные ленты; стержневые вставки с винтовыми каналами; вставки, имеющие форму спиральных лопастей; завихрители, периодически размещенные по длине канала [7]. Вставки в виде скрученных лент используются в промышленных теплообменниках в течение длительного времени. Но применение подобных устройств в топках газотрубных котлов мало исследовано.
На рис. 2 приведена подобная конструкция. Её назначение состоит в генерации закрученного потока — развитии конвективных явлений и интенсификации радиационного теплообмена за счет использования ленты в качестве вторичного излучателя. Лента может занимать весь топочный объём либо часть его.
Математическая модель, описывающая турбулентные течения реагирующих газов (к-г модель) в данной конструкции, характеризуется следующими уравнениями [8]:
неразрывности
дг
+у(Р аи)=яа,
(2)
где р — плотность газовой смеси; ра — плотность каждого а-компонента; и — вектор скорости; Яа— скорость образования а-компонента; моментов
дt
= -У Р + + В,
(3)
где В — сумма всех сил, действующих на объем газа, М-е// — эффективная турбулентная вязкость, Р — давление. В формулах (1) — (3) используются следующие обозначения:
и =
Г7 тт ди* диУ ди*
V* ¿7 = —^ + —у- + —-дх ду дг
у»(р и®и)~-
дх ду у дг
Эр дг
+ У(р [/) = (),
111 к-г модель основывается на концепции турбулент-
ной вязкости, поэтому
^е/Г^+К' (4)
где — турбулентная динамическая вязкость. В данной модели предполагается, что турбулентная вязкость связана с турбулентной кинетической энергией и диссипацией через выражение:
Vi = СцР"
(5)
где Сц — справочная константа [5].
Переменные & и е являются результатом решения дифференциальных транспортных уравнений для турбулентных кинетической энергии и диссипации:
д(рк)
dt
+ V*(p Uk) = V*
V GkJ
Vk
+ Pk — p£ + S , (6)
a(ps) dt
+ V*(p t/e) = V«
Ve
+ -(CelP,-Cs2ре), (7) к
где S — источниковыйчлен; CEl, Се2, ак, ае— справочные константы [8]; Рк — параметр турбулентности, характеризует соотношение между силами вязкости и силами выталкивающими РкЬ [8]:
Рк =\xtVU•(WU + •U(3[itW + рк)+ Ркь. (8)
Рассмотренную выше математическую модель дополняют уравнением состояния, и она полностью описывает процессы турбулентного горения газообразного топлива в среде серого газа. Учитываются химические реакции взаимодействия элементов топлива и окислителя. Лучистый тепловой поток между факелом, лентой и стенкой рассчитывается методом Монте-Карло и учитывается в уравнении энергии (6) с помощью источника S.
Применение численных методов для решения подобной математической модели в определенной мере облегчается благодаря использованию специализро-ванного расчетного комплекса AN SYS [8]. Методика расчета данной задачи заключается в том, что на начальном этапе создается трехмерная модель области — цилиндрической топки котла, с установленной в ней лентой. В расчете не участвуют твердые тела. Расчетная область представляет собой поток реагирующих газов, ограниченный стенками. Далее строится сетка, задаются граничные и начальные условия, выбираются химические реакции и физические модели, критерии сходимости и коэффициенты релаксации. Выполняются непосредственно вычисления и обрабатываются полученные результаты.
В заключение можно сказать, что рассмотренная конструкция газотрубного котла, с установленной скрученной лентой в топке, создает предпосылки длясоздания высокоэффективного теплогенератора. А численное решение рассмотренной математической модели, описывающей турбулентные течения реагирующих газов, позволяет исследовать не только суммарный и локальный теплообмен, но и структуру потоков излучения в топочном пространстве, а также соотношение лучистой и конвективной составляющих теплопереноса к каждому участку стен и помогает определить рациональные значения при выборе размеров, формы топочной камеры и скрученной ленты.
Библиографический список
1. Пашков, Л. Т. Основы теории горения / Л. Т. Пашков. — М. : МЭИ, 2002. - 136 с.
2. Госмен, А. Д. Численные методы исследования течений вязкой жидкости / А. Д. Госмен, В. М. Пан, А. К. Ранчел. — М.: Мир, 1972. - 328 с.
3. Алексеев, Б. В. Физическая газодинамика реагирующих сред/ Б. В. Алексеев, А. М. Гришин. — М.: Высшая школа, 1985. — 464 с.
4. Михайлов, А. Г. Расчет процессов переноса теплоты в топке котла / А. Г. Михайлов, С. В. Теребилов // Омский научный вестник. - 2009. - № 1 (77). - С. 151 - 152.
5. Эффективные поверхности теплообмена / Э. К. Калинин [и др.]. — М.: Энергоатомиздат, 1998. — 408 с.
6. Мартыненко, О. Г. Справочник по теплообменникам / О. Г. Мартыненко. — М.: Энергоатомиздат, 1987. — Т. 1. — 562 с.
7. Интенсификация теплообмена в закрученных кипящих потоках. Часть 1. Интенсификация теплообмена в закрученных с помощью ленты кипящих потоках / A. Е. Берглес [и др.] // Тепловые процессы в технике.- 2010. - Т. 2 - №7. - С. 294-299.
8. ANSYS CFX-Solver Theory Guide. ANSYS CFX Release 11.0/ ANSYS, Inc. // Southpointe 275 Technology Drive. — Canonsburg : PA 15317,2006. - 312p.
НЕНИШЕВ Анатолий Степанович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Теплоэнергетика».
МИХАИЛОВ Андрей Гаррьевич, кандидат технических наук, доцент кафедры «Теплоэнергетика». БАТРАКОВ Петр Андреевич, аспирант кафедры «Теплоэнергетика».
Адрес для переписки: e-mail: mikhailovand@yandex.
Статья поступила в редакцию 16.11.2010 г. © А. С. Ненишев, А. Г. Михайлов, П. А. Батраков
Книжная полка
Кустиков, Г. Г. Теплотехнические измерения: измерение температуры [Текст]: конспект лекций / Г. Г. Кустиков ; ОмГТУ. - Омск, 2010. - 46 с.: рис. - Библиогр.: с. 46.
Кратко рассмотрены вопросы, связанные с измерением температуры на теплоэнергетических объектах. Рассмотрены методика и приборная реализация измерения температуры с помощью термоэлектрических термометров, термометров сопротивления, термометров расширения, пирометров, а также других типов термометров.
