В теплоэнергетике с целью повышения эффективности процессов сжигания распыленного угольного топлива широко применяются вихревые технологии [3-4, 10]. Закрутка двухфазного потока в топочной камере приводит к его стабилизации, более однородному заполнению объема камеры, интенсификации процессов тепломассопереноса за счет усиления перемешивания и увеличения времени пребывания частиц топлива в камере горения, а следовательно – к уменьшению габаритов котлоагрегата. Возможность достижения заданных теплотехнических и экологических показателей при сжигании топлива в вихревом потоке в основном обеспечивается совершенством внутренней аэродинамики топочного устройства. И напротив, появление таких аэродинамических факторов, как рециркуляционные зоны и возвратные течения, прецессия вихревого ядра, эффект Коанда, может оказывать негативное влияние на протекание топочных процессов, и, соответственно, на энергоэффективность и другие показатели котла. Поэтому при разработке или модернизации топочных устройств, использующих вихревую технологию сжигания, необходимо детальное изучение сложной пространственной структуры их внутренней аэродинамики.
В данной работе исследуется вихревое топочное устройство с горизонтальной осью вращения конструкции Н.В. Голованова (ЦКТИ). Результаты предыдущих работ [6-8] показали, что для данного топочного устройства характерно наличие в центральной части камеры сгорания малоинтенсивного потенциального вихря с искривленной (W-образной) формой вихревого ядра потока. Для устранения указанной особенности вихревого течения с целью повышения уровня турбулентности потока и интенсификации процесса горения в топочной камере используется конструктивное решение, предусматривающее цилиндрическую вставку, установленную на условной оси камеры сгорания и позволяющую «зафиксировать» прямолинейную ось закрученного потока.
Экспериментальные установки и методика измерений
Физическое моделирование внутренней аэродинамики исследуемой вихревой топки проводилось на изотермической лабораторной модели, геометрически подобной (в масштабе 1:15) одной из секций опытно-промышленного котла ТПЕ-427 Новосибирской ТЭЦ-3 (рис. 1, а). Модель изготовлена из оргстекла и имеет следующие характерные размеры: xмакс = 300 мм, yмакс = 1300 мм, zмакс = 330 мм, отношение ширины горловины диффузора к диаметру вихревой камеры сгорания составляет H = 0.24. На фронтальной стенке под углом 15o к горизонту симметрично расположены два прямоугольных сопла соответствующие горелочным амбразурам.
а) б)
Рис. 1. Схема лабораторной модели вихревой топки ЦКТИ (а): 1 – камера сгорания, 2 – диффузор, 3 – камера охлаждения, 4 – сопла. Фотография экспериментального стенда с установленной на нем ЛДА системой (б)
Методика проведения экспериментов соответствовала работам [2, 5] и заключалась в следующем. Поток сжатого воздуха из магистрали подавался в модель вихревой топки через регулятор давления и ресивер с целью стабилизации расхода. Давление после регулятора контролировалось при помощи образцового манометра. До входа в модель поток воздуха засеивался частицами-трассерами (микрокапли глицерина, создаваемые дымогенератором). Для бесконтактной диагностики структуры течения применялся двухкомпонентный лазерный доплеровский анемометр ЛАД-06, разработанный в ИТ СО РАН. Число Рейнольдса, рассчитанное по диаметру камеры сгорания, составляло Re = 3105 (при этом среднерасходные скорости на срезе каждого сопла задавались равными 15 м/с). Измерения проводились в трех сечениях XOY: возле фронтальной стенки (z = 15 мм), по центру сопла (z = 80 мм) и в плоскости симметрии (z = 165 мм). Измерения были проведены в узлах пространственной сетки (шаг сетки составлял 5 мм) в плоскости, перпендикулярной оптической оси лазерного блока. Для получения среднего значения компонент скорости в каждой точке было сделано по 500 измерений на компоненту. Достоверность данных, полученных на основе лазерно-доплеровской анемометрии, подтверждается сопоставлением с результатами измерений, выполненных на основе применения панорамного бесконтактного метода цифровой трассерной визуализации (PIV) [1].
Результаты измерений
В экспериментах использовались цилиндрические вставки разных диаметров (диаметр камеры сгорания модели 300 мм): 63 мм, 75 мм, 90 мм, 110 мм. На рис. 2 приведены векторные поля скорости в трех сечениях ХОY при установленной вставке диаметром 63 мм. Видно, что наличие вставки устраняет потенциальный вихрь вблизи центра камеры сгорания, течение имеет выраженный кольцевой характер.
а) б) в)
Рис. 2. Векторное поле скорости в трех сечениях ХОY (диаметр 63 мм): а) z = 15 мм; б) z = 80 мм; в) z = 165 мм
а) б)
в) г)
Рис. 3. Распределение модуля скорости потока (z = 80 мм) для вставок различного диаметра: а) 63 мм; б) 75 мм; в) 90 мм; г) 110 мм
На рис. 3 представлены распределения модуля скорости в сечении по центру сопла при различном диаметре цилиндрической вставки. Анализ результатов показывает, что использование цилиндрической вставки не только позволяет в принципе устранить область низкого конвективного переноса (центральная часть потока), но и существенно сказывается на распределении скорости потока. В частности, для диаметра 90 мм (рис. 3, в) наблюдается наибольшее сокращение области потока с пониженным значением модуля скорости (менее 3 м/с). Эти результаты дают основание рассматривать данный вариант конструктивного решения как наиболее оптимальный с точки зрения интенсификации процессов переноса в камере сгорания, что важно для повышения энергоэффективности вихревой топки.
Заключение
На основе проведенного экспериментального исследования можно сделать вывод о том, что применение цилиндрической вставки в камере сгорания оказывает позитивное влияние на аэродинамическую структуру течения в вихревой топке, устраняя область течения, занятую малоинтенсивным потенциальным вихрем. Повышение скорости турбулентного потока обеспечивает интенсификацию процесса горения за счет усиленного перемешивания. Полученные результаты необходимы для постановки задачи и верификации математической модели при определении оптимального диаметра цилиндрической вставки на основе вариантных численных расчетов топочных процессов [9].
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда (проект № 14-29-00093).