автореферат диссертации по энергетике, 05.14.04, диссертация на тему:Гидродинамика, тепло- и массообмен в вихревых камерах сгорания водородных мини-парогенераторов

На правах рукописи

ИЛЬИЧЕВ Виталий Александрович

ГИДРОДИНАМИКА, ТЕПЛО- И МАССООБМЕН В ВИХРЕВЫХ КАМЕРАХ СГОРАНИЯ ВОДОРОДНЫХ МИНИПАРОГЕНЕРАТОРОВ

05.14.04 - Промышленная теплоэнергетика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

г 1 ноя 2013

Воронеж-2013

005539477

005539477

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет»

Научный руководитель доктор технических наук, доцент Дроздов Игорь Геннадьевич

Официальные оппоненты:

Ряжских Виктор Иванович, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» / кафедра высшей математики и физико-математического моделирования, профессор

Хрипунов Константин Григорьевич, кандидат технических наук, ОАО "Квадра"-" Воронежская региональная генерация" / заместитель главного инженера

Ведущая организация ОАО "Турбонасос", г. Воронеж

Защита состоится «12» декабря 2013 г. в 1400 часов на заседании диссертационного совета Д 212.037.05 ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» по адресу: 394026, Воронеж, Московский проспект, 14.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет».

Автореферат разослан « ^ » ноября 2013 г.

Ученый секретарь __—-—

диссертационного совета -^^У ^^ Дахин Сергей Викторович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Внедрение в промышленность водородных энергоустановок является одним из перспективных направлений использования природных возобновляемых энергоресурсов в системах энергообеспечения, в т.ч. устройств малой мощности. Для этого необходимо решить задачи создания надежных и эффективных высокотемпературных водоро-досжигающих устройств - минипарогенераторов тепловой мощностью до 150 кВт, в которых продукты сгорания смешиваются с водой.

В существующих минипарогенераторах процесс горения происходит в камере с конвективным охлаждением огневой стенки при температуре порядка 3500 К, давлении около 2,5 МПа и стехиометрическом соотношении компонентов а~1, а процесс парообразования охладителя (воды) - в камере испарения. При их работе на стенки камеры сгорания воздействуют высокие тепловые потоки, и вскипание воды в каналах системы охлаждения может привести к прогару жаровой трубы. Необходимость исключения кипения в каналах оказывает влияние на минимальные расходы охлаждающей воды и длину камеры сгорания, что ограничивает доступные степени перегрева пара.

Решение задачи повышения эффективности работы минипарогенераторов возможно с применением вихревых камер сгорания, в которых подача воды на охлаждение и парообразование осуществляется тангенциально для создания вихревой жидкой пленки завесы. При этом процессы горения и парообразования происходят в одной камере, что позволяет снизить массу и габариты устройств и ре1улировать в доступных пределах температуру пара на выходе.

Таким образом, теоретические и экспериментальные исследования процессов гидродинамики и тепломассообмена с фазовым переходом при тангенциальном движении жидкой пленки завесы с учетом воздействия высокоскоростного потока парогаза в едином объеме камеры сгорания мини-парогенератора являются актуальными.

Работа выполнена в соответствии с научным направлением ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» «Энергетические комплексы и системы»; в рамках НИР и ОКР по государственным контрактам № 02.516.11.6121, № 02.516.11.6173, № 14.740.11.0152, № 16.526.12.6004 и соглашения № 14.В37.21.0306 ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы» и «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 годы».

Цель работы — повышение эффективности работы водородных минипарогенераторов посредством применения вихревых камер сгорания.

Для достижения указанной цели в работе были поставлены и решены следующие задачи:

1. Разработка ЗБ сопряженной математической модели процессов гидродинамики и тепломассообмена между движущейся тангенциально жидкой пленкой завесы и высокоскоростным потоком парогаза в условиях фазового перехода.

2. Проведение численных и экспериментальных исследований гидродинамики и тепломассообмена в водородном минипарогенераторе, определение полей температуры, давления, скорости и объемной концентрации фаз в вихревой камере сгорания.

3. Разработка инженерной методики расчета параметров минипаро-генераторов с вихревыми камерами сгорания.

Научная новизна:

1. Разработана ЗО сопряженная математическая модель гидродинамики и тепломассообмена между движущейся тангенциально жидкой пленкой завесы и высокоскоростным потоком парогаза в условиях фазового перехода на основе многофазной модели Эйлера с неявной схемой расчета объемной концентрации фаз, уравнения энергии и квадратичной модели напряжений Рейнольдса, позволяющая рассчитать поля давления, скорости, температуры и объемной концентрации фаз.

2. В результате расчетов и обработки экспериментальных данных получена новая зависимость _ для определения безразмерного

/

коэффициента длины вихревой завесы г)" < 1, который учитывает сложное движение жидкой пленки завесы в вихревой камере сгорания и ее взаимодействие с высокоскоростным потоком парогаза.

3. Разработана инженерная методика расчета параметров минипаро-генераторов с вихревыми камерами сгорания, учитывающая сложное движение жидкой пленки завесы.

4. Разработаны принципиальные схемы водородных энергоустановок и парогенератора с вихревой камерой сгорания, новизна которых подтверждена патентами на изобретения и полезные модели.

Практическая значимость и реализация:

1. Разработанная ЗЭ сопряженная математическая модель гидродинамики и тепломассообмена в вихревых камерах сгорания водородных парогенераторов позволяет рассчитать поля давления, скорости, температуры и объемной концентрации с учетом взаимного влияния фаз друг на друга и служит основой для проектирования новых и повышения эффективности существующих энергетических установок.

2. Разработанная инженерная методика расчета параметров минипа-рогенераторов, учитывающая безразмерный коэффициент длины вихревой

завесы if, позволяет при проектировании вихревых камер сгорания уменьшить их длину на 56^-64%.

3. Запатентованы новые принципиальные схемы водородных энергоустановок и парогенератора с вихревой камерой сгорания, внедрение которых в промышленность позволит существенно снизить массу и габариты устройств и повысить эффективность и надежность работы энергетического оборудования.

4. Исходя из полученных теоретических результатов и экспериментальных исследований, даны практические рекомендации для создания новых водородных парогенераторов и энергоустановок. Результаты диссертационного исследования внедрены в практику ОАО КБХА (г. Воронеж), ООО ПТК «Новые энергетические системы» (г. Воронеж).

Достоверность результатов исследований обеспечена обоснованным использованием теоретических зависимостей, допущений и ограничений, корректностью постановки задач, использованием современных надежных и эффективных методов исследования и подтверждается качественным и количественным согласованием результатов расчета с экспериментальными данными. Научные положения и практические результаты подтверждены результатами испытаний, двумя патентами РФ на изобретения и тремя патентами РФ на полезные модели.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на научно-технических семинарах и конференциях с 2009 года: Международной XVII школе-семинаре молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева (Москва, 2009); Российской научно-технической конференции «Ракетно-космическая техника и технология» (Воронеж, 2009); III Российской научной конференции «Управление интеллектуальной собственностью» (Воронеж, 2009); Всероссийской молодежной научно-технической конференции «Энергосбережение в секторе исследований и разработок: существующий потенциал и перспективы развития» (Москва, 2012); научно-технических конференциях молодых ученых, аспирантов и студентов ВГТУ. По результатам конференций получены дипломы. Инновационная разработка «Способ образования пара в парогазогенераторе и устройство для его осуществления» в 2010 г. награждена золотой медалью «Innovations for investments to the future» Американо-Российского Делового Союза (ARBU). Результаты работы отмечены Дипломом «X Московского международного салона инноваций и инвестиций» (Москва, 2010). Проект, в котором использованы результаты работы, стал лауреатом областного межвузовского конкурса инновационных проектов «Кубок инноваций» (Воронеж, 2012).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 научных работ, в том числе 7 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, получено 2 патента на изобретения, 3 патента на полезные модели. В работах, опубликованных

3

в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежат: [1, 2, 7-10, 14] - разработка экспериментальных установок, методик проведения исследований и анализ эмпирических данных; [11] -анализ и определение перспективных направлений исследований; [3-6, 15, 16] - разработка перспективных высокоэффективных схем и конструкций парогенерирующих агрегатов и энергоустановок; [12, 13] - способы интенсификации и моделирование тепломассообмена.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из

введения, четырех глав, основных результатов работы, списка использованной литературы из 103 наименований и приложения. Основная часть работы изложена на 139 страницах, содержит 54 рисунка, 12 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выбранной темы диссертации, сформулированы цель и задачи исследования, раскрыты научная новизна и практическая значимость работы.

В первой главе приводится обзор литературы по теме диссертации. Рассмотрены известные и предложены собственные схемы высокотемпературных водородно-кислородных энергоустановок и конструкция парогене-рирующего агрегата. Определены наиболее эффективные существующие методы тепловой защиты огневых стенок камер сгорания энергоустановок. Выполнен анализ процессов гидрогазодинамики и тепломассообмена в камерах сгорания энергоустановок. Сформулированы цель и задачи исследования.

Во второй главе формулируются исходные предпосылки и постановка задачи, приводится ЗЭ сопряженная математическая модель процессов гидродинамики и тепломассообмена в вихревой камере сгорания мини-парогенератора и результаты численного моделирования.

Разработана 30 сопряженная математическая модель гидродинамики и тепломассообмена в вихревых камерах сгорания водородных парогенераторов с использованием многофазной модели Эйлера, уравнения энергии и квадратичной модели напряжений Рейнольдса с учетом фазового перехода и взаимодействия между тангенциально движущейся жидкой пленкой завесы и высокоскоростным потоком парогаза.

Описания взаимодействия центрального парогазового потока с жидкой вращающейся пленкой завесы в вихревой камере сгорания парогенератора базируются на:

1) уравнениях Рейнольдса:

(2)

_дїї, _ дїї ср д дїї _ дІЇ,, си 俥, ; (1)

ді ; дх] дх, дх, дх, ' дх, дх, ' дх,

2) модели для тензора турбулентных напряжений с квадратичной моделью напряжений давления:

3) уравнении энергии турбулентного вихревого потока;

4) многофазной модели Эйлера.

С целью замыкания уравнений Рейнольдса использовано уравнение для определения турбулентных напряжений в виде: д_ ді

-(ри\и',) + -^-(рики\и',) = ~[р< и'* + +

Лоииышя производит т времени с,,•Конвективный пен

дх.

Г 5 /-г-г\1

-р V

■ ди

дхь

і . . он,

дх.

у=1'уроулентная диффузия

-рр^^д+з^д)

к

+Р

у =Молекулярная диффузия 2р

Р0 ^Производные напряжений

Оу = Гравитационные силы

ди', | ди', дх, дх.

-2рС1к (и',и\„Е,кт + и', и',„еуЬ„) дхк дхк ■-

• (3)

изег

> Нсточниковый член

сч =Диссипация

= Вранрние

ф^ = Напряжение о

Турбулентная диффузияот0.определена по скалярному соотношению Дэли и Харлоу:

/и, д"',"'./

О,-,, = — '•и дх,.

(4)

ак дхк

Напряжение давления ф.. рассчитывалось по квадратичной модели

Спациали и др., т.к. она обладает улучшенной точностью и применяется для потоков сложной структуры:

ф„ = -{с1Р£+с;р)ьи + С2р^ЬД - 1-Ьт„ЬтЛ^ + (С1 -с;л1^ь~)рк8,/ + + С4рк(ь^к + Ь^1к -\ьтп8тпдЛ + С5рк{ь,кп1к + ЬАП1к)• (5)

V ' ' 3

Для уравнения кинетической энергии турбулентности использовано следующее стандартное уравнение для вязкой сжимаемой жидкости:

—(рк)+—(рки,) = дГ '

М +

В. ак

дк

дх і

Тензор разложения е.. определялся согласно к —со модели:

єу=2/3 8урРШ1ко},

а турбулентная вязкость ц по к— є модели:

^ к2

(8)

Уравнение (3) дополнено граничными условиями на стенке, исходя из определения отдельных напряжений (нормальных, касательных и тангенциальных):

4 = 5,1; 4 = 1Л 4 = 2,3; - = 1,0 • (9)

Теплообмен рассмотрен исходя из принципа аналогии с переносом турбулентного импульса:

1.{рЕ)+±[щ{РЕ + р)] = ±-от ахі сх,

к +

Рг,

дТ ( \

>Ле/Г

(10)

Использование многофазной модели Эйлера позволило описать взаимодействие фаз (парогаз и жидкость) в предположении, что:

1) поле давлений общее для фаз;

2) уравнения импульса и неразрывности анализируются для каждой фазы несопряжено с последующим учетом межфазного взаимодействия через коэффициент скорости.

Для многофазного потока уравнение коррекции давления записано в

виде:

г „

1 \ д

X-і"57акРк + V" "кРкУк+Ч' «кРк^к *~ - та)

■ О

• (И)

При этом коррекция поля скоростей основывается на результатах коррекции поля давлений.

Уравнение неразрывности позволило найти объемные концентрации фаз, для которого использована дискретная форма представления:

ар,как = Т.(апЬ,капЬ,к)+Ьк = Ч ' (12)

пЪ

Исходные данные и условия на границе расчетной области задавались следующими:

1) на входе в расчетную область расход, температура и объемная концентрация парогаза и воды (дисперсность воды предполагалась в виде капель с диаметром не более 1,5 мм) считались известными:

- расход парогаза - 9 г/с при температуре 3460 К, объемная концентрация - 1,

- расход воды - 15, 19, 22 г/с при температуре 290 К, объемная концентрация - 1;

2) на выходе из расчетной области задавались «мягкие» граничные условия (условие продолжения решения) для обеих фаз с выходным давлением - 0 МПа, опорным давлением - 2,57 МПа;

3) на всей межфазной границе расчетной области принимались условия «прилипания» для скорости и адиабатные условия для поля температур;

4) межфазное взаимодействие учитывалось законом Ранзела-Маршала.

Геометрические параметры вихревой камеры сгорания представлены в таблице и на рис. 1, на основании которых построена расчетная область (рис. 2).

Геометрические параметры вихревой камеры сгорания

Параметр Обозначение Величина

Диаметр камеры сгорания, мм Dk 34

Длина камеры сгорания, мм Lk 350

Диаметр вихревой втулки, мм Dv 38

Длина вихревой втулки, мм Lv 20

Угол между вихревой втулкой и камерой сгорания, град. av 90

Длина сопла камеры сгорания, мм Lc 20

Угол сопла камеры сгорания, град. ac 80

Диаметр критического сечения сопла камеры сгорания. мм Dc 4,1

Длина критического сечения сопла камеры сгорания, мм lc 2

Радиусы в сопле камеры сгорания, мм rc 2

Диаметр отверстий тангенциального ввода, мм dc 1,5

Количество отверстий тангенциального ввода, шт. - 4

Длина от смесительного элемента до отверстий тангенциального ввода, мм Lo 12

Задача анализировалась с помощью программного комплекса Ansys Fluent (Лиц. № 618632 ВГТУ).

В расчетах была использована нерегулярная тетра-

Рис. 1. Разрез вихревой камеры сгорания 7

тональная сетка с заданным измельчением пристеночного слоя, а также области тангенциального подвода воды (рис. 3) с общим количеством ячеек (объемов) 950038 шт., поверхностей 2083725 шт., узлов сетки 281114 шт.

В результате вычислительного эксперимента были получены поля температуры, давления, скорости и объемной концентрации фаз при расходах воды на жидкую пленку завесы: 15 г/с, 19 г/с и 22 г/с.

Рис. 2. Расчетная область вихревой камеры сгорания

Рис. 3. Сеточная модель

Основные результаты вычислительного эксперимента для расхода воды 22 г/с в качестве примера представлены на рис. 4-6.

Рис. 4. Линии тока по длине вихревой камеры сгорания второй фазы (водяная пленка завесы)

Рис. 5. График изменения объемной концентрации второй фазы (водяная пленка завесы) по длине вихревой камеры сгорания

! ;

ЗЮ.!!' |

8 і

"(К».«* ;

УОІи^ІЙ !

?гае!іш ї

і

от«*<я і--

ЗЄ5 8! в 15 вк ві в»

3 466+03 ■■ 3 30е+03

■ 3 14е+03 2 98е+03 2 836+03 2 67е+03 2 51е+03 Ын< 2 35е+03 219е+03 ■¡Х 2 03е+03 ¡СТ.

....... № 1 Г ■ ШЩЩ^ШШ^^.....'

1 Т1е+03 1 56е+03 1 40е+03 1 24е+03 1 089+03 9 210+02

|7 62е+02 „

6 04е+02 I ;

4 456+02 %-£

? 866+0?

Рис. 6. Распределение температуры первой фазы (парогаз) по длине вихревой камеры сгорания

В третьей главе представлены результаты экспериментальных исследований гидродинамики и тепломассообмена в вихревой камере сгорания водородного минипарогенератора.

С целью проведения исследований была спроектирована, изготовлена и смонтирована на огневом стенде экспериментальная установка (рис. 7). По геометрическим параметрам вихревой камеры сгорания (таблица и рис. 1) была изготовлена экспериментальная модель, представленная на

Рис. 7. Экспериментальная установка: 1 - водородный парогенератор с вихревой камерой сгорания; 2 - система подачи компонентов топлива и рабочих сред с требуемыми расчетными параметрами;

3 - рама раскрепления

Рис. 8. Экспериментальная модель: 1 - вихревая камера сгорания; 2 - смесительная головка; 3 — сопло; 4 - электроэрозионная свеча

Заданные режимы экспериментальных испытаний:

1) Испытание № 1: подача кислорода - 8±0,6 г/с, подача водорода -1±0,1 г/с, подача воды - 15±1 г/с, длительность испытания 27 с;

2) Испытание №2: подача кислорода - 8±0,6 г/с, подача водорода -1±0,1 г/с, подача воды - 19±1 г/с, длительность испытания 70 с;

3) Испытание №3: подача кислорода - 8±0,6 г/с, подача водорода -1±0,1 г/с, подача воды - 22±1 г/с, длительность испытания 35 с.

Результаты экспериментальных исследований и расчета были обработаны с помощью метода наименьших квадратов. В результате обработки были получены зависимости Ттс = /(/я„_„) и р^ = /(шв_(|):

= 5,7-10"2 • т]0 -1,65 • т; „ - 52,37 • тв а + 2608,5;

(13)

=2,92-10"

т3в^ -2,49■ \0~3 ■ 0,1071,34. (14) По зависимостям (13) и (14) построены графики (рис. 9), на которых нанесены экспериментальные и расчетные точки согласно результатам численного моделирования и экспериментальных исследований.

Р1С, МПа

т„„, к

2,5 2 1,5 1

0,5

-Ркс

♦ Ркс экс А Тпкс мод • - - Тпкс

14 15 16 17 18 19 20 . 21 22

/ с

Рис. 9. Графики изменения температуры и давления пара в вихревой камере сгорания в зависимости от массового расхода воды: Ркс - расчетное давление в камере сгорания; Ркс экс - давление в камере сгорания, полученное в ходе эксперимента; Тпкс мод - температура в камере сгорания, полученная в ходе численного моделирования; Тпкс - температура в камере сгорания, полученная в

результате расчета

В четвертой главе представлены разработанная инженерная методика расчета параметров вихревой камеры сгорания минипарогенератора, созданный водородный минипароперегреватель с вихревой камерой сгорания

и результаты его испытания, рекомендации по практическому использованию результатов работы.

В результате численного моделирования и экспериментальных исследований была установлена длина участка вихревой камеры сгорания, на

котором происходит испарение завесы, 1?3. Траектория движения жидкой

пленки завесы складывается из двух составляющих. Сначала, после тангенциального ввода, жидкая пленка завесы движется по спиральной цилиндрической траектории, а затем вдоль оси. За счет наличия участка со спиральной траекторией Ьвз меньше Ь"с. Поэтому был введен безразмерный

коэффициент длины вихревой завесы г\ < 1, учитывающий сложное движение жидкой пленки и ее взаимодействие с продуктами сгорания:

4=/7е (15)

где

т,

■П

лЬ

сЛТ,-Т„)_ +

<хк{Тга-Тср) ак(Тг0-Т5)

(16)

Согласно (15) для соответствующих расходов воды рассчитаны значения безразмерного коэффициента длины вихревой завесы ц". Результаты расчета были обработаны с помощью метода наименьших квадратов.

В результате обработки была получена новая зависимость ц" = / •( тв_д

Т}' =16199,5899-т]_д -1192,8913• т]_г) +38,4485 • тв_„ ■ (17)

Из зависимости (17) следует, что сокращается относительно Щ на 56-64%.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Разработана ЗЭ сопряженная математическая модель гидродинамики и тепломассообмена между движущейся тангенциально жидкой пленкой завесы и высокоскоростным потоком парогаза в условиях фазового перехода в вихревых камерах сгорания водородных минипарогенераторов на основе многофазной модели Эйлера с неявной схемой расчета объемной концентрации фаз, уравнения энергии и квадратичной модели напряжений Рейнольдса, позволяющая рассчитать поля давления, скорости, температуры и объемной концентрации фаз.

2. Реализован вычислительный эксперимент с помощью разработанной модели, в результате которого определены соотношения «расход охлаждающей воды - температура парогаза», «расход охлаждающей воды -длина завесной охлаждающей пленки».

11

3. На основании расчетов и обработки экспериментальных данных получена новая зависимость _ д/ для определения безразмерного коэффициента длины вихревой завесы if < 1, учитывающего сложное движение жидкой пленки завесы в вихревой камере сгорания и ее взаимодействие с высокоскоростным потоком парогаза.

4. Разработана инженерная методика расчета параметров минипаро-генераторов, учитывающая безразмерный коэффициент длины вихревой завесы tf, которая позволяет при проектировании вихревых камер сгорания уменьшить длину на 56^64%.

5. Разработаны, запатентованы, исследованы теоретически и экспериментально новые принципиальные схемы водородных энергоустановок и парогенератора с вихревой камерой сгорания, отличающиеся высокой эффективностью и надежностью.

6. Результаты внедрены и используются в ОАО КБХА (г. Воронеж) (имеются акты внедрения), ООО ПТК «Новые энергетические системы» (г. Воронеж).

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Экспериментальные исследования рабочих процессов водородных высокотемпературных минипарогенераторов с вихревыми камерами сгорания [Текст] / В.А. Ильичев, В.И. Пригожин, А.Р. Савич, А.Н. Лешов, С.П. Мапышенко // Альтернативная энергетика и экология.-2009.-№ 8.-С. 72-77.

2. Экспериментальные исследования рабочих процессов модельной водородной высокотемпературной паротурбинной энергоустановки [Текст] / В.А. Ильичев, В.И. Пригожин, А.Р. Савич, И.Г. Дроздов, A.A. Пригожин // Вестник Воронежского государственного технического университета.-2010.-Т.6.-№ 8.-С. 11-16.

3. Разработка турбоводородной энергоустановки и эффективных схем ее использования в энергокомплексе [Текст] / В.И. Пригожин, C.B. Дахин, И.Г. Дроздов, С.Н. Чембарцев, В.А. Ильичев, А.Р. Савич // Тепловые процессы в технике.-2010.-Т.2.-№ 12.-С. 565-569.

4. Разработка высокотемпературного водородного минипароперегре-вателя [Текст] / В.А. Ильичев, В.И. Пригожин, А.Р. Савич, О.П. Свиридов, С.П. Малышенко, О.В. Назарова, А.И. Счастливцев // Тепловые процессы в технике.-2011.-Т.З.-№ 11.-С. 517-522.

5. Опытная универсальная модульная водородная паротурбинная энергоустановка с мощностью на валу до 5 МВт [Текст] / A.B. Иванов, В.А. Ильичев, B.C. Рачук, A.B. Шостак, В.И. Пригожин, A.A. Циганов // Вестник Воронежского государственного технического университета.-2011,-

Т.7.-№ 10.-С. 117-119.

6. Эффективность генерации пара в водородокислородных парогенераторах мегаваггного класса мощности [Текст] / С.П. Малышенко, В.И. Пригожин, А.Р. Савич, А.И. Счастливцев, В.А. Ильичев, О.В. Назарова // Теплофизика высоких температур.-2012.-Т.50.-№ 6.-С. 820-829.

7. Разработка и моделирование испытательного стенда для экспериментальной отработки водородной паротурбинной энергоустановки [Текст] / A.C. Игнатов, Т.С. Тимошинова, С.А. Курьянов, В.А. Ильичев, С.А. Лебединский // Вестник Воронежского государственного технического универси-тета.-2013.-Т.9.-№ 4.-С. 46-53.

Статьи и материалы конференций

8. Экспериментальные исследования рабочих процессов модельной водородной паротурбинной энергоустановки [Текст] / В.А. Ильичев, В.И. Пригожин, А.Р. Савич, И.Г. Дроздов, A.A. Пригожин // Ракетно-космическая техника и технология 2009 : Росс, науч.-техн. конф., посвященная 80-летию со дня рождения главного конструктора, профессора В.П. Козелкова (1929-2009). - Воронеж : ГОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет».-2009.-С. 21-26.

9. Экспериментальные исследования рабочих процессов в вихревых камерах сгорания водородных микропарогенераторов [Текст] / В.А. Ильичев, В.И. Пригожин, А.Р. Савич, А.Н. Лешов, И.Г. Дроздов // Проблемы газодинамики и тепломассообмена в аэрокосмических технологиях: XVII Школа-семинар молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева.-М.: МЭИ, 2009.-Т.1.-С. 346-348.

10. Ильичев В.А. Экспериментальные исследования рабочих процессов в вихревых камерах сгорания водородных парогенераторов [Текст] / В.А. Ильичев, И.Г. Дроздов // Сборник трудов победителей конкурса на лучшую научную работу студентов и аспирантов ВГТУ. - Воронеж : ГОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет», 2009.- С. 111-112.

11. Шивцова А.Б. Особенности оценки инноваций в области использования водородных технологий на стадии НИОКР [Текст] / А.Б. Шивцова, В.А. Ильичев //Управление интеллектуальной собственностью: материалы III Росс. науч. конф. - Воронеж : ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет», 2009.

12. Пригожин A.A. Моделирование высокотемпературного потока в парогенераторе для интенсификации добычи нефти [Текст] / A.A. Пригожин, В.А. Ильичев, И.Г. Дроздов // Сборник трудов победителей конкурса на лучшую научную работу студентов и аспирантов ВГТУ. - Воронеж : ГОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет», 2010.-С. 41-42.

13. Моделирование работы системы охлаждения соплового устрой-

13

ства парогенератора [Текст] / A.A. Пригожин, И.Н. Лазаренко, Д.П. Шматов, В.А. Ильичев, И.Г. Дроздов // Ракетно-космическая техника и технология 2011: труды Росс, науч.-техн. конференции, посвященной 70-летию со дня основания КБХА. - Воронеж : ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет», 2011.-С. 26-29.

14. Экспериментальные исследования рабочих процессов в вихревых камерах сгорания водородных парогенераторов различной мощности [Текст] / В.А. Ильичев, В.И. Пригожин, A.A. Пригожин, А.Р. Савич // Научно-технический юбилейный сборник 1941-2011 г., посвященный 70-летию образования КБхимавтоматики - Воронеж : ИПФ «Воронеж», 2011.-Т.З.-С. 225-233.

15. Опытная универсальная модульная водородная паротурбинная энергоустановка с мощностью на валу до 5 МВт [Текст] / A.B. Иванов, В.А. Ильичев // Энергосбережение в секторе исследований и разработок: существующий потенциал и перспективы развития : тез. докл. Всерос. молодежной науч.-техн. конф. - М.: AHO «ЦЭРТ», 2012.-С. 13-14.

16. Некоторые методы утилизации криогенных компонентов топлива при испытаниях жидкостных ракетных двигателей в ОАО КБХА [Текст] / В.В. Зарницын, Е.И. Зюбин, В.А. Ильичев, А.Н. Колнышенко, В.И. Пригожин, А.Р. Савич // Космонавтика.-2012.-№ 1 -2.-С. 116-120.

Патенты

17. Патент 2371594 Российская Федерация, МПК F 02 С 6/00 Способ образования пара в парогазогенераторе и устройство для его осуществления [Текст] / В.И. Пригожин, Э.В. Завьялов, С.П. Малышенко, В.А. Ильичев, А.Р. Савич-2008105213/06; Бюл. № 30. - 5 е.: ил.

18. Патент 2393358 Российская Федерация, МПК F 01 К 17/02 Энергоустановка (варианты) [Текст] / Ю.В. Демьяненко, В.А. Ильичев, С.П. Малышенко, В.И. Пригожин, Ю.В. Пичугин, А.Р. Савич - 2009102132/06; Бюл. № 18.-6 е.: 2 ил.

19. Патент 119812 Российская Федерация, МПК F 02 С 6/18 Парога-зогенератор [Текст] / В.И. Пригожин, С.П. Малышенко, В.А. Ильичев, О.П. Свиридов, А.Р. Савич, Лешов А.Н., Э.В. Завьялов - 2009134305/06; Бюл. № 24. - 2 е.: ил.

20. Патент 113537 Российская Федерация, МПК F 01 К 17/02 Энергоустановка [Текст] / А.Р. Савич, В.А. Ильичев, С.П. Малышенко, О.П. Свиридов, A.A. Пригожин -№ 2010124469/06; Бюл. №5.-2 е.: ил.

21. Патент 105947 Российская Федерация, МПК F 02 К 9/52 Смесительная головка с запальным устройством [Текст] / А.Р. Савич, В.А. Ильичев, A.C. Игнатов, P.C. Ильин, A.A. Пригожин - № 2010154694/06; Бюл. № 18. -2 с.: ил.

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

DT у - турбулентная диффузия; ф^ - напряжение давления; s¡j - тензор разложения; ц - турбулентная вязкость; ит - скорость трения; Е - общая энергия; (г ) - тензор, определяющий нагрев в результате трения;

V У 'ejy

ргк - опорная плотность; р'11Ш - условие моделирования напряжения давления; Т - температура пара в вихревой камере сгорания, К; Ркс- давление пара в вихревой камере сгорания, МПа; тв А - массовый расход воды на

жидкую пленку завесы, г/с; Е3 - длина участка камеры сгорания, на котором происходит испарение вихревой завесы, мм; Щ' - длина участка камеры сгорания, на котором происходит испарение завесы, движущейся вдоль оси, мм; rf - безразмерный коэффициент длины вихревой завесы; т. - секундный расход на жидкую пленку завесы, кг/с; сж - теплоемкость жидкости при средней температуре Тср, Дж/кг-К; Тн и Ts - начальная температура жидкости и температура ее кипения или разложения при заданном давлении в камере, К; Тго — температура газа (продуктов сгорания) в пристеночном слое, К; Qs - теплота парообразования воды, Дж/кг; ак — конвективный коэффициент теплообмена, Вт/м -К; ц - коэффициент, учитывающий частичное разбрызгивание пленки на капли.

Подписано в печать 11.2013 Формат 60x84/16. Бумага для множительных аппаратов. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Зак. № »¿¿"^

ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» 394026 Воронеж, Московский просп., 14

ФГБОУ ВПО «ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

4 2014 5260 4

На правах рукописи

ИЛЬИЧЕВ Виталий Александрович

ГИДРОДИНАМИКА, ТЕПЛО- И МАССООБМЕН В ВИХРЕВЫХ КАМЕРАХ СГОРАНИЯ ВОДОРОДНЫХ МИНИПАРОГЕНЕРАТОРОВ

Специальность 05.14.04 - «Промышленная теплоэнергетика»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель д.т.н., доцент, И.Г. Дроздов

Воронеж 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ...................................................................................4

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ......................................................................9

1.1 Перспективные схемы высокотемпературных водородно-кислородных энергоустановок и конструкции парогенерирующих агрегатов................................................................................9

1.2 Гидрогазодинамика и тепломассообмен в камерах сгорания энергоустановок...........................................................................19

1.3 Выводы и задачи исследования................................................27

2. ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ГИДРОДИНАМИКИ И ТЕПЛОМАССООБМЕНА В ВИХРЕВЫХ КАМЕРАХ СГОРАНИЯ ВОДОРОДНЫХ МИНИПАРОГЕНЕРАТОРОВ................................29

2.1. Теоретические предпосылки...................................................30

2.2. Постановка задачи. Математическая модель...............................35

2.3. Методика расчета гидродинамики и тепломассообмена в вихревых камерах сгорания водородных минипарогенераторов...................47

2.4. Анализ полученных результатов..............................................52

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ГИДРОДИНАМИКИ И ТЕПЛОМАССОПЕРЕНОСА В ВИХРЕВЫХ КАМЕРАХ СГОРАНИЯ ВОДОРОДНЫХ МИНИПАРОГЕНЕРАТОРОВ................................57

3.1. Описание экспериментальной установки....................................57

3.2. Экспериментальные модели.....................................................65

3.3. Методика проведения эксперимента и обработка опытных

данных..............................................................................67

3.4. Анализ результатов экспериментальных исследований..................70

4. РАЗРАБОТКА ВОДОРОДНОЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ С ВИХРЕВОЙ КАМЕРОЙ СГОРАНИЯ. РЕКОМЕНДАЦИИ

ПО ИСПОЛЬЗОВАНИЮ РЕЗУЛЬТАТОВ В ПРОМЫШЛЕННОСТИ.....84

4.1. Создание водородного минипароперегревателя с вихревой камерой сгорания..................................................................85

4.2. Инженерная методика расчета параметров вихревой камеры сгорания с учетом сложного движения жидкой пленки завесы.........89

4.3. Огневое испытание водородного минипароперегревателя с вихревой камерой сгорания.....................................................108

4.4. Рекомендации по практическому использованию результатов........117

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ..............................................118

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ.................................120

ПРИЛОЖЕНИЕ...........................................................................132

ВВЕДЕНИЕ

Внедрение в промышленность водородных энергоустановок является одним из перспективных направлений использования природных возобновляемых энергоресурсов в системах энергообеспечения, в т.ч. устройств малой мощности. Для этого необходимо решить задачи создания надежных и эффективных высокотемпературных водородосжигающих устройств - минипарогенераторов тепловой мощностью до 150 кВт, в которых продукты сгорания смешиваются с водой.

В существующих минипарогенераторах процесс горения происходит в камере с конвективным охлаждением огневой стенки при температуре порядка 3500 К, давлении около 2,5 МПа и стехиометрическом соотношении компонентов а~1, а процесс парообразования охладителя (воды) - в камере испарения. При работе минипарогенераторов на стенки камеры сгорания воздействуют высокие тепловые потоки, и вскипание воды в каналах системы охлаждения может привести к прогару жаровой трубы. Необходимость исключения кипения в каналах оказывает влияние на минимальные расходы охлаждающей воды и длину камеры сгорания, что ограничивает доступные степени перегрева пара.

Решение задачи повышения эффективности работы минипарогенераторов возможно с применением вихревых камер сгорания, в которых подача воды на охлаждение и парообразование осуществляется тангенциально для создания вихревой жидкой пленки завесы. При этом процессы горения и парообразования происходят в одной камере, что позволяет снизить массу и габариты устройств и регулировать в доступных пределах температуру пара на выходе.

В данной работе представлены результаты теоретических и экспериментальных исследований процессов гидродинамики тепломассообмена с фазовым переходом при тангенциальном движении жидкой пленки завесы с учетом воздействия высокоскоростного потока

парогаза в едином объеме камеры сгорания минипарогенератора.

Работа выполнена в соответствии с научным направлением ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» «Энергетические комплексы и системы».

Цель работы - повышение эффективности работы водородных минипарогенераторов посредством применения вихревых камер сгорания.

Для достижения указанной цели в работе были поставлены и решены следующие задачи:

1. Разработка ЗО сопряженной математической модели процессов гидродинамики и тепломассообмена между движущейся тангенциально жидкой пленкой завесы и высокоскоростным потоком парогаза в условиях фазового перехода.

2. Проведение численных и экспериментальных исследований гидродинамики и тепломассообмена в водородном минипарогенераторе, определение полей температуры, давления, скорости и объемной концентрации фаз в вихревой камере сгорания.

3. Разработка инженерной методики расчета параметров минипарогенераторов с вихревыми камерами сгорания.

Научная новизна полученных результатов заключается в следующем: 1. Разработана ЗБ сопряженная математическая модель гидродинамики и тепломассообмена между движущейся тангенциально жидкой пленкой завесы и высокоскоростным потоком парогаза в условиях фазового перехода на основе многофазной модели Эйлера с неявной схемой расчета объемной концентрации фаз, уравнения энергии и квадратичной модели напряжений Рейнольдса, позволяющая рассчитать поля давления, скорости, температуры и объемной концентрации фаз.

2. В результате расчетов и обработки экспериментальных данных

коэффициента длины вихревой завесы ц < 1, который учитывает сложное

получена новая зависимость

определения безразмерного

движение жидкой пленки завесы в вихревой камере сгорания и ее взаимодействие с высокоскоростным потоком парогаза.

3. Разработана инженерная методика расчета параметров минипарогенераторов с вихревыми камерами сгорания, учитывающая сложное движение жидкой пленки завесы.

4. Разработаны принципиальные схемы водородных энергоустановок и парогенератора с вихревой камерой сгорания, новизна которых подтверждена патентами на изобретения и полезные модели.

Практическая значимость и реализация:

1. Разработанная ЗЭ сопряженная математическая модель гидродинамики и тепломассообмена в вихревых камерах сгорания водородных парогенераторов позволяет рассчитать поля давления, скорости, температуры и объемной концентрации с учетом взаимного влияния фаз друг на друга и служит основой для проектирования новых и повышения эффективности существующих энергетических установок.

2. Разработанная инженерная методика расчета параметров минипарогенераторов, учитывающая безразмерный коэффициент длины вихревой завесы ц°, позволяет при проектировании вихревых камер сгорания уменьшить их длину на 56^-64%.

3. Запатентованы новые принципиальные схемы водородных энергоустановок и парогенератора с вихревой камерой сгорания, внедрение которых в промышленность позволит существенно снизить массу и габариты устройств и повысить эффективность и надежность работы энергетического оборудования.

4. Исходя из полученных теоретических результатов и экспериментальных исследований, даны практические рекомендации для создания новых водородных парогенераторов и энергоустановок. Результаты диссертационного исследования внедрены в практику ОАО КБХА (г. Воронеж), ООО ПТК «Новые энергетические системы» (г. Воронеж) и в учебный процесс на кафедре «Теоретическая и промышленная

теплоэнергетика» ВГТУ при выполнении государственных контрактов № 02.516.11.6121, № 02.516.11.6173, № 14.740.11.0152, № 16.526.12.6004 и соглашения № 14.В37.21.0306 в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы» и «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 годы».

Достоверность результатов исследований обеспечена обоснованным использованием теоретических зависимостей, допущений и ограничений, корректностью постановки задач, использованием современных надежных и эффективных методов исследования и подтверждается качественным и количественным согласованием результатов расчета с экспериментальными данными. Научные положения и практические результаты подтверждены результатами испытаний, двумя патентами РФ на изобретения и тремя патентами РФ на полезные модели.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих научно-технических семинарах и конференциях:

- Международной XVII Школе-семинаре молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева «Проблемы газодинамики и теплообмена в аэрокосмических технологиях», (Москва, 2009);

- Российской научно-технической конференции «Ракетно-космическая техника и технология» (Воронеж, 2009);

- III Российской научной конференции «Управление интеллектуальной собственностью» (Воронеж, 2009);

- Всероссийской молодежной научно-технической конференции «Энергосбережение в секторе исследований и разработок: существующий потенциал и перспективы развития» (Москва, 2012);

- научно-технических конференциях молодых ученых, аспирантов и студентов ВГТУ.

По результатам конференций получены дипломы.

Инновационная разработка «Способ образования пара в парогазогенераторе и устройство для его осуществления» в 2010 г. награждена золотой медалью «Innovations for investments to the future» Американо-Российского Делового Союза (ARBU).

Выполненная работа отмечена Дипломом «X Московского международного салона инноваций и инвестиций» (Москва, 2010).

Проект, в котором использованы результаты работы, стал лауреатом областного межвузовского конкурса инновационных проектов «Кубок инноваций» (Воронеж, 2012).

Публикации: по теме диссертации опубликовано 16 научных работ, в том числе 7 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, получено 2 патента на изобретения и 3 патента на полезные модели.

Структура и объем работы: работа состоит из введения, четырех глав, основных результатов работы, списка использованной литературы из 103 наименований и приложения. Основная часть работы изложена на 139 страницах, содержит 54 рисунка, 12 таблиц.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ

\Л Перспективные схемы высокотемпературных водородно-кислородных энергоустановок и конструкции парогенерирующих агрегатов

Тема водородно-кислородной генерации пара начала встречаться в научных публикациях с начала 1980-х годов. Анализ научно-технической литературы показал, что работы в данном направлении проводились очень ограниченным количеством развитых стран [1-9]. Это обусловлено в первую очередь тем, что разработки подобных водородосжигающих установок требуют большого опыта во многих областях науки и техники.

Теоретические исследования различных перспективных схем энергоустановок с использованием водорода и кислорода в качестве компонентов топлива для водородно-кислородных парогенераторов, их технико-экономический и термодинамический анализ проводились в рамках государственных научных программ и международных грантов, выполнялись исследования и разработки новых ключевых элементов таких энергоустановок [10-13].

Центральной проблемой создания эффективных водородных паротурбинных и парогазовых энергоустановок является разработка их главных ключевых элементов, обеспечивающих эффективность и устойчивость рабочих процессов получения пара при переменных режимах работы с высокой надежностью и с величиной термического КПД порядка 60 % от высшей теплоты сгорания и более. Процессы высокотемпературного парообразования, системы топливообеспечения, управления процессами генерации пара, проектирование высокотемпературных элементов турбин должны обеспечивать длительный ресурс работы конструкции энергоустановки, технологичность изготовления, безопасность эксплуатации энергоустановок и должны

соответствовать требованием, принятым в энергетике.

Наиболее ранние теоретические и экономические оценки перспективных схем, с использованием водородно-кислородных парогенераторов и высокотемпературных водородных турбин были проведены в Европе [14], США [15], Германии [16, 17] и России [18], чтобы определить возможную область применения водородного топлива в энергетике. Исследования показали, что в таких схемах коэффициент использования водорода может достигать 65-70%. С развитием водородных технологий к этим исследования подключился ещё ряд развитых стран, среди которых можно отметить Италию [19] и Японию [20].

Зависимость КПД различных энергоустановок от температуры рабочего тела представлена на рис. 1.1 [21]. Представленные зависимости построены с учетом затрат на производство водорода при использовании его в циклах перспективных устройств преобразования энергии.

Видно, что оптимальное значение температуры перегретого пара для установок различного цикла находится в диапазоне 1200-1700К. Их реализация требует включения в схемы водородно-кислородных парогенераторов и пароперегревателей [22].

Рис. 1.1. Зависимость КПД установки от температуры рабочего тела: 1 -область работы современных ПТУ; 2 - область работы ПТУ с использованием водородных технологий; 3 - область работы ГТУ с использованием водородных

технологий.

Недостатком известных энергетических устройств традиционного типа является низкий КПД и недостаточная экологичность установок, что не позволяет использовать их в ограниченных и/или замкнутых пространствах [23-26]. Так же работа подобных энергоустановок на переменных режимах сильно снижает эффективность работы электростанции. По оценкам учёных многих стран [7-9, 11-21], для покрытия неравномерности графика нагрузки может быть создана система водородного аккумулирования энергии, которая окажется более эффективной и экономически выгодной. Известно, что при увеличении пикового потребления энергии выходной мощности энергоустановки до 10 % за счёт увеличения подачи высокотемпературного пара в качестве рабочего тела в установленной на электростанции турбину можно избежать строительства дополнительных электростанций и увеличить общую эффективность использования потребляемого топлива.

К настоящему времени требования к экологическим показателям и резкий рост стоимости топлива создали условия, вынуждающие использовать в энергетике высокоэффективные технологии производства электроэнергии с электрическим коэффициентом полезного действия (/7Э) 50 % и более.

Дальнейшего увеличения (т]э) электростанций до 70 % планируется

достичь за счет использования предвключенных высокотемпературных топливных элементов. Однако их ресурс в настоящее время не превышает нескольких тысяч часов, а единичная мощность - 300 кВт [27].

При создании высокоэффективных энергетических установок необходимо решить ряд новых технических задач, а именно:

- обеспечить сжигание водорода в среде кислорода с температурой до 1200 К и давлением 7 МПа;

- использовать регенерацию перегретого водяного пара на выходе из турбины;

- включить в схему дополнительные элементы непрерывного производства водорода и кислорода методом электролиза воды, которые позволят получить КПД водородной турбоустановки 70 % и обеспечат

полную экологическую безопасность.

Использование водородной турбоустановки, концептуальная схема которой предложена ВГТУ и ОАО КБХА, в пиковом режиме ТЭС, обеспечивающих энергией объекты и работающих на органическом топливе, обусловлено высокой энергетической маневренностью. Пуск (остановка) водородной турбоустановки происходит не более чем за 10 минут, в отличие от турбоустановки ТЭС, которые вынуждены вырабатывать неиспользуемую «провальную электроэнергию», например, в ночное время из-за невозможности оперативно резко увеличивать или снижать электрическую мощность [28-32].

В схему действующей ТЭС монтируется водородная турбоустановка для покрытия пиковых нагрузок электрической энергии (рис. 1.2) [33, 34]. В часы пиковых нагрузок по электрической энергии водородный парогенератор (ВПГ) вырабатывает водяной пар высоких параметров (Р = 7 МПа, I ~ 800 -1200 К), который поступает в водородную турбину (ВТ), соединенную с валом электрогенератора (ЭГ). Вырабатываемая электроэнергия поступает внешнему потребителю для покрытия пиковой нагрузки. Па