автореферат диссертации по энергетике, 05.14.04, диссертация на тему:Использование аппаратов пульсирующего горения для контактного нагрева воды

БЕЛОРУССКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ПОЛИТЕХНИЧЕСКАЯ __АКАДЕМИЯ_

Тг5 од ; ~

,.. - -1 На правах рукописи

ФЕДОТОВ Андрей Васильевич

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ АППАРАТОВ ПУЛЬСИРУЮЩЕГО ГОРЕНИЯ ДЛЯ КОНТАКТНОГО НАГРЕВА ВОДЫ

05.14.04 — Промышленная теплоэнергетика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Минск 1993

Работа выполнена в Белорусской государственной политехнической академии.

Научный.руковбдитель - доктор технических наук, профессор

СЕВЕРЯНИН B.C.

Официальные оппоненты: доктор технически* наук, профессор • БОШ H.A.,

кандидат.' технических наук . КОВАЛЕВ Б.Н.

Ведущее предприятие - Институт тепло- и ыасоообмена

т.А.В.Лыкова Ail Яг.

Защита диссертации состоится " 3 " /'№/>4 1993 года в часов на заседании специализированного совета'

К 056.02.09 при Белорусской государственной политехнической академии по,адресу: 220027, г.Минск, пр.Ф.Скорины, 65, корп.2, ауд.201.

С диооэртацией.можно ознакомиться в библиотеке Белорусской государственной политехнической академии.

Автореферат разослан " 2" C/Mj^e/rS 1993 года.

Ученьгй секретарь специализированного совета /у f

доктор техн.наук, профессор ^^^ ^ J А.Д.Качан

© Белорусская государственная

политехническая академия," 1993

ОБЩАЯ ХАРАМ'ЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Горячее водоснабжение малых объектов (чистка и мойка техники, сооружений; кухни, бани,'бытовые помещения лагерного базирования; технологические процессы в отдаленных от населенных мест районах; обработка протяженных объектов-до оо г, взлетно-посадочных полос; закачка горячей воды в скважины, промывки трубопроводов и многое другое) нуждается в теплотехническом оборудовании малой мощности, т.к. ближайших высокоэконо-мичньгх источников тепла (ТЭЦ, котельные), как правило, нет. Общеизвестны технические принципиальные трудности создания такого оборудования с высоким КОД. Транспортабельное оборудование усиливает эти проблемы. Трудно создать водонагреватель малых размеров с высокой производительностью.

Контактный водонагреватель - одно из наиболее удобных устройств для получения горячей воды. Он имеет огромное преимущество - простота конструкции и обслуживания, и при удовлетворительном качестве воды он весьма перспективен.

Пульсирующее горение топлив позволяет получить чистые продукты сгорания (без сажи, газовых недокогов, с малым содержанием оксидов азота) не только при сжигании газообразных, но и жидких: топлив (таких как дизельное топливо), поэтому представляется возможность усовершенствовать метод контактного нагрева технической воды.

Работа выполнена в рамках республиканской НИР Энергетика-57 № 2?6-0169003ь770 на 1989-1992 по направлению "Разработка научных основ расчета и управления процессами тепломассопереноса и физико-химическими превращениями в дисперсных системах с целью создания высокоаффективных экологически чистых технологических аппаратов".

Цель работы заключается в изучении процессов нагрева, испарения и движения капли воды в вихревом газовом пульсирующем потоке, а также создание высокоэффективного контактного водонагревателя с аппаратом пульсирующего горения.

Научная новизна. Составлена математическая модель, показывающая поведение капли воды в вихревом пульсирующем потоке. Разработала экспериментальная установка, на которой изучен про-

I

цесс нагрева капли вода в пульсирующем воздушном потоке. Создан промышленный аппарат контактного нагрева воды продуктами-сгорания, на который получено авторское сввдетельство; проведены экспериментальные и промышленные исследования- Даны рекомендации для создания и эксплуатации'контактных водонагревателей с аппаратами ■ пульсирующего горения.

На защиту выносятся:

- математическая модель движения, нагрева и испарения капли воды в вихревом пульсирующем потоке;

- результаты изучения на экспериментальной установке процессов нагрева и испарения воды при пульсирующем и стационарном потоках;

- конструкция и результаты испытаний промышленного контактного водонагревателя с камерой пульсирующего горения.

Практическая ценность. Контактные водонагреватели с аппаратами пульсирующего горения могут быть изготовлены практически в любой механической мастерской и надежно использоваться в любых отраслях народного хозяйства как стационарно, так и в виде транспортабельной установки.

Внедрение результатов работы. В войсковой части 715413 создан и эксплуатируется контактный водонагреватель с камерой пульсирующего горения, который получил высокую оценку у командования части и был предложен для использования в интересах Министерства Обороны Республики Беларусь.

Апробация работа. Результаты работы докладывались на ежегодной научной конференции преподавателей и аспирантов Белорусского политехнического института (Минск, январь 1УЬ9 г.); ХУ11 НТК Брестского политехнического института (Брест, июнь 1990 г.); на конференции, посвященной 25-лети» Брестского политехнического института (Брест, июль 1991 г.); Всесоюзной межвузовской конференции Московского Государственного технического университета им.Баумана (Москва, ноябрь 1591 г.); Ш НТК Брестского политехнического института (Брест, ноябрь 1992 г.).

Дубликании. По теме диссертации опубликовано 4 печатные работы и получено авторское свидетельство СССР.

Структура и обьем работы. Работа состоит из введения,

У

4 глав, выводов, списка литературы и приложений, общий объем работы 117 листов и включает 45 рисунков, 9 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Первая глава содержит обзор литературных данных по конструкциям контактных водонагревателей и аппартов пульсирующего горения. Основными достоинствами контактных водонагревателей являются: использование скрытой теплоты конденсации водяных паров, содержащиеся в продуктах сгорания; аппараты не подлежат регистрации в местных органах Госгортехнадзора; в установке происходит естественная деаэрация нагреваемой воды; возможность нагрева жестких вод без предварительного умягчения; самоочищение от накипи; взрыво-безопасность в эксплуатации; малая металлоемкость; внутри контактных водонагревателей происходит разрыв гидравлического контура системы отопления или горячего водоснабжения; аппараты имеют большую сферу применения на практике. Контактные водонагреватели просты в обслуживании, обеспечивают полное сжигание газа при коэффициентах избытка воздуха,.приближающихся к единице. Контактные водонагреватели не обладают большой тепловой инерцией. Их можно быстро вывести на заданный режим работы. Контактные аппараты не требуют вспомогательного оборудования: бойлеров, (насосов для подпитки, установок химводоочистки и пр.

Недостатками известных контактных водонагревателей являются:

- возможность работы только на газообразном топливе, дающем чистые продукты сгорания;

- требуется высоконапорное воздушное дутье (порядка 1000 мм водяного столба) для преодоления давления столба нагреваемой жедкосги, что приводит к большому расходу энергии;

- использование дополнительных насадок, что приводит к ухудшению эксплуатационных свойств с течением времени.

Для преодоления вышеперечисленных недостатков при нагревании жидкости контактным способом целесообразно использовать аппараты пульсирующего горения.

Горение топлива, сопровождающееся характерной особенностью • - ярко выраженной периодичностью изменения во времени основных параметров, известно сравнительно давно. При создании газотурбинных устройств (Карэводин, 190Ь г.), авиадвигателей (Шмццт,

194^ г.), топочных устройств (Рейнст, 1943 р.), ракетных установок (Раушенбах, 1961 г.), было описано это явление, которое в последствии стало известно специалистам как .пульсирующее (пульса-ционнае, вибрационное) горение. В СССР исследование пульсирующего горения отображены в работах таких исследователей, как: Северянин B.C. (Брестский политехнический институт), Бокун И. А.(Белорусская Государственная политехническая академия), Иихальцев В.Е. (Московский Государственный технический университет им.Н.Э.Баумана) , Щелоков Я.М., Назаренко Т.И., Попов В.А., Торопов Е.В., Дисков Б.Я. и др.

Основные свойства пульсирующего горения: интенсификация горения; интенсификация конвективного теплообмена; уменьшение энергии m тягу и дутьё; уменьшение светимости факела; возможность работы на малых избытках воздуха; снижение температуры горения; снижение концентрации окислов азота; очистное воздействие на поверхности теплообмена; шум и вибрация.

Вторая глава посвящена теоретическому исследовании движения, нагрева и испарения капли воды в вихревом пульсирующем потоке. При опробовании технологической схемы контактного водонагревателя с круговым движением газа внутри корпуса наблюдался вихревой поток при воздействии на поверхность воды продуктами сгорания из камеры пульсирующего горения. Шэтому принята расчетная схема: имеется круговой газовый пофок (ввод - тангенциально периферии, вывод - по оси) с пульсациями скорости; в поток, на внешнем круге, вводится частица воды (круглая капля). Основной нагрев капли воды происходит именно в этом потоке.

Северяниным B.C. была предложена математическая модель вихревого пульсирущего потока. Представляет интерес использовать эту модель для построения математической модели движения и тепломассообмена для исследуемого процесса.

При распределении тангенциальных и радиальных скоростей в вихре по радиусу в » t<">*t/r* ; но показатель степени Л делит закручивающаяся вихрь на две зоны: квазшютенциаль-нуы, где к « 2(Г -Г')/ио-Г1) для г'<г<Г, и квазитвердую, где к =-1 для 0 Линии тока газа можно описать радиусом-

вектором г , повернутым на угол (г за время Т~ :

Здесь и далее — среднерасходная тангенциальная и

амплитудная состарлящая скорости газа;

ЙР. ^ - такие же радиальные составляющие;

и?- угловая частота пульсаций скорости газа; V/- скорость капли; - размер и плотность капли. Скорость потока (переносная скорость для капли) на данном. радиусе Г

Движение капли переменной массы задается формулой Мещерского:

ат 1

(3)

где 171 - текучее значение массы капли;

У; - проекции скорости капли на оси подвижной системы отсчета;

Ъ-в - составляющая, сил, действующих на капли; !■/- результирующая скорость отделяющихся ыасс. Изменение массы калли во времени при постоянной её плотности

.где коэффициент поправки, учитывающий влияние перемещения массы пара на теплоотдачу поверхности капли

1/£ <)

а тепловое число Нуссельта

\с/т

где с/с ~ скорость испарения калли; X- теплопроводность пара; Л - диаметр капли; ^ - температура пах».; %- температура капли; Нг- скрытая теплота испарения; с - удельная теплоемкость пара; 2- скорость обдувания капли; рг- плотность пара. При испарении изменение размера капли

(1% 2Х СпС^ТгСк -К)] [Ьк1

сп

Уравнение теплового баланса

Скорость обдувания капли по векторным построениям

Окончательно имеем:

сШг Л +7М-, б££ с/Уг Я - Л €х (^'ТЛ

тг^1"-1^;?^--с

г

с

с' - -ФЩ-^г- ,

[{К? * СО с) (г)*- МгЗ ^

($гр с'

ё? г

(В)

(9)

(Ю)

В выражении (10):

Расчет по (10) велся методом Рунге-Кутта. Анализу подвергались параметры обдувания, испарения, нагревания, движения капли воды в вихревом пульсирующем потоке, всего около 50 вариантов.

Математическое моделирование приводит к выводам, что мелкие капли воды, с 8 < 0,005 м, вовлекаются в вихревой поток и находятся в нем, стремясь к его -центру, более крупные капли S 0,005 и выделяются из потока и попадают на стенку водонагревателя; с увеличением частоты пульсаций от 0 до 500 Гц нагрев капли ускоряется на 30-45%, испарение на 20-30%; при увеличении начальной среднерасходной скорости потока капля воды быстрее нагревается и испаряется.

В третьей главе описана экспериментальная установка и результаты исследований. Установка представляет собой улиткообразный цилиндр, высотой 0,06 м, диаметром 0,25 м (рис.1). Улиткообразный металлический корпус I закрыт сверху прозрачным оргстеклом 14. На нижнем конце трубки 10 закреплен пористый шарик, диаметром 0,01м из пемзы, представляющий собой модель капли воды. В шарик введен королек 2 хромель-алюмелевой термопары 12. На верхнем конце трубки 10 находится открытый калиброванный сосуд с водой 5 емкостью 2 см3.

Снаружи корпуса I, прямо перед отверстием 15 расположен механический прерыватель, позволяющий регулировать подачу воздуха в корпус I с определенными частотами.

Порядок проведения эксперимента был следующим: подключаем все приборы, устанавливаем термометры и дроссельную шайбу, включаем пылесос и воздухонагреватель, регулируем температуру подаваемого воздуха. В корпус 1 и емкость 5 наливаем воду, подстыковываем воздуховод к корпусу напротив отверстия. За счет обдувания шарик, закрепленный на нижнем конце трубки начинает вращаться вместе с трубкой. В это время производим замеры: времени убыли жадности из емкости 5; нагрев шарика, при помощи термопары; нагрев воды, находящейся в корпусе X.

На рис.2 показаны типичные графики изменения температуры

воды.

Испарение вода с поверхности шарика можно оценить парамет-

Рис Л. Экспериментальная установка: I - корпус, 2- королек термопары, 3 - подшипник, 4 - скользящие контакты, 5 - калиброванный сосуд, б - патрубок для отвода воздуха, 7 - возвышенность, 8 - пористый шарик, У, II - милливольтметр, 10 - трубка, 12 - хромель-алюмедевая термопара, 13 - термометр, 14 - оргстекло, 15 - отверстие в корпусе I, 16 - подставка

30 °С 20

2с

,24

¿а

20

Г

у

г

/

зо°с

3 м/с Л - 0 1/о /г - 3 1/о Ь = 5 1/с ^ - 10 1/с

а А X О

О

10

15 го 25

г--

за

Рис.2.Зависимость изменения температуры капли води от времени при температуре воздушного потока Т,, = 30°С

ром,представляющим собой отношение убыли массы во времени к начальной поверхности капли

ТТс/г

где / ~ объем испаренной вода, сы3;

Р - плотность воды, г/смп;

£1 - диаметр шарика, см; время испарения, с.

1Ь результатам этих экспериментов видно, что при увеличении скорости воздушного потока с 3 до 10 м/с уменьшается время нагрева капли на 8-12^; с увеличением температуры воздушного потока с 30 до 120°С, время нагрева сокращается в 5-6 роз; с появлением и увеличением пульсаций потока воздуха от 0 до 10 1/с время нагревания капли уменьшается на 10-15$; воды, находящейся в корпусе I - на 5-7/2; время испарения на 4-6%.

В четвертой главе приведены основные результаты исследований разработанного нагревателе.

Контактный водонагреватель (рис.3) содержит камеру пульсирующего горения, состоящую из камеры воспламенения I в виде конусной полости, к которой прикреплены форсунка (или горелка) 2, пусковая электросвеча 3, аэродинамический клапан 4 и резонансная труба 5. Камера пульсирующего горения расположена в корпусе 6 со скругленной верхней частью. Дно корпуса может отсутствовать, если устройство использовать для нагрева воды в большой ванне, цистерне, бассейне.

Аэродинамический клапан 4 подсоединен к воздушному коробу 7 большего диаметра, чем аэродинамический клапан 4. От воздушного короба 7 отходит труба Ь, причем вход её в воздушный короб 7 обязательно по одной оси с аэродинамическим клапаном 4. В корпусе 6 имеется выхлопное отверстие 9 и водяной коллектор 10, для слива горячей воды. Воздушный короб 7 выводится наверх и заканчивается воздухозаборником II. Выхлопное отверстие 9 соединено с ■ выхлопной трубой 12, в которой расположено сопло 13 на конце напорной трубы 6. На выхлопной трубе 12 закреплен водяной патрубок 10

14 для подачи холодной воды.

Снизу корпуса 6 может быть закреплена донная крышка 15. Для отвода горячей воды водяным коллектором 10, имеются водосливные отверстия 16 в корпусе 6.

Диаметр камеры 1-200..-.300 мм, длина и диаметр клапана 4 в виде трубы: 50....70 мм, 350....420 мм, диаметр и длина резонансной трубы 70. ...90 мм, 1700....2000 мм.

Контактный водонагреватель может работать в двух режимах:

1. Как автономный подогреватель.

2. Подогреватель жидкости в бассейне, баке, цистерне непосредственным подогревом.

Работа в режиме I. К корпусу б снизу прикрепляется донная, крика 15, при этом образуется в корпусе замкнутая полость, которая предварительно заполняется водой до уровня на 3-5 см вше камеры воспламенения I. Далее последовательно подается от внешнего источника пусковой воздух в сопло 13, включается электросвеча 3, подается топливо на форсунку 2. Устройство выводится на пульсационный рабочий режим, при этом из резонансной трубы 5 по стрелке, показанной на рис.3 выходит горячий газовый поток, в котором отсутствуют недожоги. Скорость потока 20....70 м/с, пульсации скорости с амплитудой 10....50 м/с, частота пульсаций

40....70 герц, температура 600...,1200°С. Пусковой воздух и олектросвеча отключаются. Воздух для горения засасывается в камеру воспламенения I аэродинамическим клапаном 4 через воздухозаборник II и воздушный короб 7, пульсации напорной трубой 8 передаются в сопло 13 и при помощи выхлопной трубы 12 через вы- • хлопное отверстие 9 в корпусе 6 создается разрежение.

Основной процесс работы водонагревателя - это обдувание капель вода в вихревом'потоке, созданным выхлопом из резонансной трубы 5 в корпусе 6. Струя газов из резонансной трубы 5 разрушает уровень воды, образуется поток смеси воды, пара и газов. За счет пульсаций резко интенсифицируется тепломассообмен. Кроме того, идет интенсивный теплосъем с поверхностей камеры воспламенения I и резонансной трубы 5. Вывод продуктов сгорания идет через выхлопное отверстие 9 и далее в выхлопную трубу 12. Горячая вода по 'верхней стенке корпуса 6 попадает через отверстие 16 в водяной Коллектор 10 и выводится потребителю. Холодная вода подается водяным патрубком 14, по выхлопной трубе 12 она стекает 12

вниз и через выхлопное отверстие 9 попадает в рабочую зону теплообмена (верхняя половина корпуса 6).

Работа в режиме 2. Корпус 6 освобождается от, донной крышки 15. Устройство опускается в объем обрабатываемой жидкости так, чтобы уровень ее в корпусе 6 установился таким, как описано выше. Затем производится запуск. Вода обрабатывается непосредственно ,в объеме бассейна, бака, цистерны. Горячая вода, кроме того, свободно сливается из коллектора 10.

Благодаря выполнению камеры сгорания в виде камеры пульсирующего горения, предлагаемое устройство обеспечивает получение преимуществ контактного нагрева жидкости с меньшими энергетическими, топливными и конструкционными затратами, чем в известных контактных водонагревателях.

Кроме вышеописанного, был создан водонагреватель несколько упрощенной конструкции, принципиально не отличающийся от него. Размеры водонагревателя, на котором Проводились эксперименты, следующие: длина - 1 и, ширина - 0,5 и, высота - 1,85 м, вода • заливалась до 1,3 и по высоте, т.е. объем нагреваемой воды в водонагревателе составлял 650 литров.

Основной параметр, который изучался на промышленном образце, это время нагрева воды. Температура вода замерялась термометрами на глубине 0,4 м от поверхности воды.

Чтобы определить, какова доля нагрева воды за счет теплосьема с поверхносхей элементов камеры, была изготовлена камера пульсирующего горения с такими же параметрами, но располагалась она вне водонагревателя. Выявлено, что эта доля составляет порядка 15-20% общей теплоотдачи камеры.

Основные параметры нагревателя сравнительно с известным устройством приведены в таблице I.

Таблица I

Основные характеристики машины ЬТ 311 и контактного водонагревателя с камер-ой пульсирующего горения

',!?! Технические характеристики

Машина : Контактный водо-ЬТ 311 : нагреватель с

: камерой пульсиру-: впзего горения

Примечание

1. Мобильность водо нагревая е ¡¡л

Работа толь-Работа автономно то на 1 ст .ташины

Продолжение табл.1

Технические п: характеристики а:.

Машина : Контактный водо-

311 : нагреватель с

: камерой пульсиру-

: гацего горения

Примечание

2. Рабочее топливо

3. Ыаксимальный объем нагреваемой жидкости за 1 раз, л

4. Количество форсунок, шт.

5. Время нагрева воды с 10 до 60°С всего объема, мин.

6. Время нагрева с 10 до 60°С 100 литров воды, мин.

а) двумя форсунками

б) одной форсункой

V. Расход соляра на нагрев с 10 до 60 С 100 литров воды, кг

Ь. К 11 д, %

Соляр.бен- Соляр, бензин, зин,керосин керосин, газ

1900 650

62

25

3 мин.15 сек. 6 мин.30 сек 3

мин.45 сек.

0,85

60-65

0,69 80-92

основный вывода

1. Исследовано поведение капли нагреваемой воды в газовом вихревом пульсирующем потоке. Предложена схема расчета нагрева капли воды в пульсирующем потоке. Проведен теоретический расчет движения, нагрева и испарения капли воды в вихревом пульсирующем потоке , в результате которого можно сделать вывод, что например, с увеличением частоты пульсаций от 0 до 500 Гц нагрев капли ускоряется на 30-45%.

2. Изготовлена экспериментальная установка, на которой исследован нагрев и испарение капли воды. Эксперимент подтвердил основные выводы теоретических расчетов, что с увеличением скорости обдувания и создания пульсаций воздушного потока от О до 10 1/с ускоряется нагрев капли на 10-15%.

3. Проведены эксперименты на промышленном образце контактного водонагревателя с камерой пульсирующего горения, которые 14

доказывают, что создание пульсаций интенсифицируют нагрев воды на 20-25%.

4. Экономический эффект от контактного водонагревателя с камерой пульсирующего горения заключается в возможности использования жвдкого топлива без применения дорогостоящих гаэификациониых топочных устройств, так как камера пульсирующего горения позволяет сжигать топливо с малыми избытками воздуха, без недорогов.

5. Отказ от высоконапорных (около 1000 мм водяного столба) вентиляторов, характерных для обычных контактных нагревателей и насадок, применяемых в них, позволяет отказаться от использования электроэнергии для наддува.

6. Применение контактного водонагревателя с камерой пульсирующего горения для нувд Министерства Обороны FE повысило жизнеспособность комплекса, выходящего в полевой район. Экономический эффект, по сравнению с существующими водонагревателями в войсках, составляет 15-25$. от общих расходов на получение горячей технической воды.

Основное подержание диссертации опубликовало в работах:

1. А.с.СССР 1663334. Контактный водонагреватель /Северянин B.C., Горбачева И.Г., Федотов A.B.- Опубл.в В.И., 1991,-№ 26." 4.С..

2. Северянин B.C., Федотов А.В.Горячее водоснабжение малых объектов. Тезисы докладов юбилейной научно-технической конференции, посвященной 25-летшз института,- Брест.- Политехнический институт, 1991,- С.92.

3. Федотор A.B., Северянин B.C.Применение устройств пульсирующего горения для контактного нагрева жидкостей. Тезисы докладов Всесоюзной межвузовской конференции.- М.: МТСУ, 1991.-С.Ш-Т13.

4. Федотов A.B.Об использовании пульсирующего горения для контактного нагрева поди.-Известия В-УЗов "Энергетика", 1991.-Jf 10.-Cv92-Ü6.

5. Федотоз Л.В.Контактный нагрев воды.Тезисы докладов XX ноучно-технлческой копфг-Р'-ниде з рамках проблемы "Наука и ыир",-Брест.- Политехнический инрадагу»»• 1902.- 0.6b.

Ж