автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.13, диссертация на тему:Моделирование процессов смесеобразования в теплогенерирующем оборудовании предприятий коммунального хозяйства

На правах рукописи

005015976

(Сс

ЧЕРКИНА ВЕРА МИХАЙЛОВНА

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ СМЕСЕОБРАЗОВАНИЯ В ТЕПЛОГЕНЕРИРУЮЩЕМ ОБОРУДОВАНИИ ПРЕДПРИЯТИЙ КОММУНАЛЬНОГО ХОЗЯЙСТВА

05.02.13 - Машины, агрегаты и процессы (коммунальное хозяйство и бытовое обслуживание) 05.04.02- Тепловые двигатели

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

3 МА'Й 2012

Москва-2012

005015976

Работа выполнена на кафедре «Инженерные системы» ФГБОУ ВПО «Российский государственный институт туризма и сервиса»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

ПЕЛЕВИН Фёдор Викторович

Официальные оппоненты: ПОСЕРЕНИН Сергей Петрович

доктор технических наук, профессор, лауреат премии правительства РФ, директор по учебно-методической работе НП «Уникомсервис»

ШАЦКИЙ Олег Евгеньевич

кандидат технических наук, доцент доцент кафедры «Ракетные двигатели» ФГБОУ ВПО «Московский государственный технический университет им.Н.Э. Баумана»

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО « МАТИ-Российский государственный

на заседании диссертационного совета Д 212.150.05 при ФГБОУ ВПО «Российский государственный университет туризма и сервиса» по адресу: 141221, Московская область, Пушкинский район, пос. Черкизово, ул. Главная, 99, ауд. 1209, зал заседаний советов.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Российский государственный университет туризма и сервиса»

технологический университет им. К.Э. Циолковского»

Защита состоится

мая 2012 года

часов

Автореферат разослан «_.> апреля 2012 года.

Учёный секретарь диссертационного сове

Тюменев

У

Общая характеристика работы Актуальность работы. Жилищно-коммунальное хозяйство (ЖКХ) является сегодня крупнейшим потребителем энергии в стране, одной из самых затратных отраслей российской экономики, в которой энергоресурсы используются нерационально. По официальным данным Правительства РФ, содержание ЖКХ для государственного бюджета обходится в 100-120 млрд. руб. ежегодно, причем имеется тенденция к постоянному росту этих расходов. По оценке специалистов Минэнерго РФ, потенциал энергосбережения в ЖКХ составляет 25% всего потенциала энергосбережения РФ, который составляет 360-430 млн. тонн условного топлива. Если в ЖКХ эффективно проводить программу энергосбережения, то можно получить снижение затрат на услуги от 15% до 40%. По прогнозу Института энергетических исследований РАН цены на энергоносители в ближайшие десятилетия будут неуклонно расти. Это неизбежно отразится на динамике роста тарифов на тепло, воду и электроэнергию в сторону возрастания. На промышленных предприятиях и в сфере ЖКХ энергетическая составляющая в себестоимости конечного продукта доходит до 70% и в конечном итоге становится «тормозом» для развития производства. В настоящее время оборудование в котельных ЖКХ не отвечает современным требованиям. Поэтому улучшение полноты сгорания топлива является актуальной задачей при внедрении энергосберегающих технологий в сферу ЖКХ. Повышение экономичности теплогенерирующего оборудования является приоритетным направлением для решения этой задачи.

При увеличении полноты сгорания топлива не только сокращается расход топлива, но и улучшается экологическая ситуация, что особенно важно для мегаполисов.

Один из основных технических способов увеличения полноты сгорания топлива заключается в правильном выборе конструкции и характеристик

форсунок как основных элементов распиливающих и впрыскивающих устройств. В настоящее время хорошо известны различные типы форсунок, каждый из которых имеет свои преимущества, недостатки и область применения. Но постоянное стремление улучшить полноту сгорания топлива при малых перепадах давления на форсунке заставляют конструкторов разрабатывать новые типы форсунок. К таким форсункам относятся форсунки с компланарными каналами. Применение скрещивающихся компланарных каналов, образованных винтовыми параллельными рёбрами на противолежащих оболочках, является одним из способов формирования трактов, в которых реализуется турбулентный режим течения одно- и двухфазных жидкостей при малых потерях давления. Из работ В.М. Кудрявцева, Н.Д. Кузнецова, A.M. Грушенко, Д.И. Завистовского и других авторов известно, что тракты с компланарными каналами интенсифицируют как массообмен, так и теплоотдачу за счет взаимной подкрутки струй, турбулизации потока даже при малых числах Рейнольдса. Данных о применении их в газожидкостных форсунках внутреннего смешения нет, хотя они должны представлять большой практический интерес.

В компланарных каналах даже при малых скоростях движения топлива и малых перепадах давления возникает высокая турбулизация потока, способствующая интенсивному смешению компонентов, повышению эффективности процессов смесеобразования и полноты сгорания топлива, т.е. создаются условия для создания высокоэкономичной камеры сгорания с повышенной экологической безопасностью.

Этим обуславливается необходимость перехода к новым конструкциям форсунок, обеспечивающих более высокую полноту сгорания топлива при низких потерях давления.

Экономический эффект от применения форсунок с компланарными каналами заключается в экономии топлива.

Объектом исследования являются процессы смесеобразования компонентов топлива в двухкомпонентной газожидкостной форсунке

внутреннего смешения с компланарными каналами для камер

сгорания различного назначения.

Предмет исследования - двухкомпонентная газожидкостная форсунка внутреннего смешения с компланарными каналами, обеспечивающая высокоэффективное смешение и распыливание топлива в камерах сгорания теплогенерирующего оборудования коммунального хозяйства.

Дель и задачи работы. Цель работы состоит в исследовании процессов смесеобразования двухфазной жидкости в топливных форсунках с компланарными каналами для сферы ЖКХ, что позволяет увеличить полноту сгорания топливной смеси, уменьшить токсичность и сократить объем вредных выбросов.

Для достижения этой цели решены следующие задачи:

1. Обобщены результаты применения известных форсунок различных типов в котельных ЖКХ и сделан вывод о необходимости исследования форсунки с компланарными каналами.

2. Разработана конструкция малоперепадной двухкомпонентной газожидкостной форсунки внутреннего смешения с компланарными каналами для теплогенерирующего оборудования предприятий коммунального хозяйства.

3. Разработана методика расчета газожидкостной форсунки внутреннего смешения с компланарными каналами.

4. Выполнено экспериментальное исследование процессов смесеобразования компонентов топлива в газожидкостной форсунке внутреннего смешения с компланарными каналами.

5. Выполнена оптимизация параметров двухкомпонентной газожидкостной форсунки внутреннего смешения с компланарными каналами.

Работа относится к области исследования машин и агрегатов, используемых для теплоснабжения предприятий коммунального хозяйства и бытового обслуживания населения.

Научная новизна работы состоит:

- в разработке нового метода расчета параметров двухкомпонентной газожидкостной форсунки внутреннего смешения с компланарными каналами для сферы ЖКХ на базе современных технических решений;

- в получении новых экспериментальных данных, обеспечивших установление зависимостей для определения угла распыла, коэффициента гидравлического сопротивления и коэффициента расхода газожидкостной форсунки с компланарными каналами;

- в выявлении качественного и количественного влияния угла взаимного пересечения каналов и их числа в форсунке на величину расходного комплекса и полноту сгорания топлива.

Достоверность научных результатов:

- подтверждена соответствующим объемом экспериментальных исследований, проведенных с использованием современного лабораторного оборудования, использованием апробированных методов обработки результатов исследований; согласованием теоретических и экспериментальных исследований;

- подтверждена удовлетворительным согласованием полученных экспериментальных результатов с экспериментальными данными других исследователей.

Практическая ценность и реализация работы. Применение форсунок с компланарными каналами для распыливания топливной смеси в камерах сгорания повышает экономичность теплогенерирующего оборудования предприятий коммунального хозяйства и будет способствовать широкому распространению предлагаемой прогрессивной технологии смесеобразования. Экспериментально обоснована возможность создания высокоэффективной малоперепадной форсунки внутреннего смешения с

компланарными каналами. Полученные результаты позволяют прогнозировать и определять оптимальные параметры данн й форсунки. Разработаны конструкторские решения двухкомпонентной форсунки внутреннего смешения с компланарными каналами. Предложенные технические решения позволили увеличить коэффициент камеры на 13...17%.

Работа выполнялась в соответствии с планами НИР РГУТиС, утвержденными Федеральным агентством по образованию (Рособразование), по теме ГБ-ТФ-01-08 «Разработка научных основ смесеобразования двухфазной жидкости в компланарных каналах».

Результаты работы используются в Международном сервисном центре «Ти Джи» г. Красногорска в НИР и ОКР. Результаты работы внедрены в учебный процесс кафедры «Инженерные системы» РГУТиС.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на Х1-ой Международной научно-практической конференции «Наука - сервису» г. Москва.- 2006г.; на Международной научной конференции «XXXII Гагаринские чтения» г. Москва.-2006г.; на Международной конференции молодых ученых «Авиационная и ракетно-космическая техника с использованием новых технических решений» г. Рыбинск.-2006г.; на XVI Школе-семинаре молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева «Проблемы газодинамики и теплообмена в энергетических установках» г. С-Петербург.-2007г.; на Международной научно-технической конференции «Энергетические установки: теплообмен и процессы горения» г. Рыбинск.-2009г.

Публикации. По теме диссертации диссертантом опубликовано 12 печатных работ, из них 3 - в журналах, рекомендованных ВАК РФ.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и списка литературы. Диссертация содержит 106 страниц

текста, список литературы из 116 наименований, 1 таблицу, 48 рисунков, 2 приложения.

Основное содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, показана новизна и практическая значимость работы, дана общая характеристика работы.

В первой главе проведён анализ состояния и рассмотрены перспективы развития систем смесеобразования в теплогенерирующих устройствах в сфере ЖКХ. Показана актуальность проблем повышения полноты сгорания топлива, рассмотрены методологические подходы к изучению процессов смешения и распыливания топливных компонентов. Проведено сопоставление различных типов форсунок.

Анализ результатов экспериментально-теоретических исследований вопросов смесеобразования позволил предположить, что использование трактов с компланарными каналами в двухкомпонентных форсунках внутреннего смешения для теплогенерирующего оборудования предприятий коммунального хозяйства позволит повысить полноту сгорания топлива. Тракт с компланарными каналами образован винтовыми параллельными ребрами на противоположных поверхностях двух сопрягаемых по вершинам этих ребер оболочек. Ребра противоположных оболочек расположены под углом 2р друг к другу и образуют систему взаимоперекрещивающихся каналов, сообщающихся друг с другом через межреберные ромбовидные ячейки на поверхности сопряженных оболочек. Результаты обзора литературы свидетельствуют о преимуществе расчетно-экспериментального метода исследования процессов смесеобразования в форсунках с компланарными каналами. В заключение первой главы на основании анализа состояния проблемы сформулированы цель и задачи исследования.

Во второй главе приведены результаты экспериментального моделирования процессов смесеобразования в форсунках с компланарными

каналами. Эксперименты выполнялись на пневмогидродинамической установке, предназначенной для исследования гидродинамики двухфазной среды (рис.1)

Рис. 1. Пневмогидравлическая схема гидродинамической установки

Для исследования угла распыла 2а, гидравлического сопротивления £, и коэффициента расхода форсунки щ, спроектированы и изготовлены экспериментальные модели форсунок с компланарными каналами (рис. 2).

Рис 2. Экспериментальная модель форсунки с компланарными каналами В рабочий участок установки поочерёдно помещались шесть моделей форсунок с компланарными каналами. Углы 2(3 взаимного пересечения

каналов составляли 60°, 90° и 110°, число N парных каналов - 6, 10 и 17. Размеры каналов выбраны по рекомендациям, в процессе эксперимента не варьировались и составляли 2x4 мм. Число Рейнольдса изменялось от 102до Ю3. Экспериментальные исследования (теневым методом и методом фотографирования) показали, что угол факела распыла форсунки 2а зависит только от угла взаимного пересечения каналов 2(3 (наблюдалось приблизительное равенство этих углов). Исключение - перепады давления на форсунке менее 0,01 МПа, при которых факел прилипает к торцу форсунки (2а~180°). Кроме того, установлено, что с увеличением угла 2(3 и при постоянном расходе топлива увеличивается перепад давления на форсунке. Установлено, что с увеличением перепада давления на форсунке расход смеси увеличивается. С увеличением числа каналов N (при постоянном расходе) необходимый перепад давления уменьшается. Обработка экспериментальных данных выявила рост гидравлического сопротивления с увеличением угла 2(3 при постоянном числе каналов и рост сопротивления с уменьшением числа каналов при постоянном угле 2(3 (рис.3)

Рис. 3. Зависимость коэффциента сопротивления на начальном участке от угла 2(3 и числа каналов N. 1- 2(3=110° //=10; 2-20=90° N=10; 3-20=60° N=6; 4-2(3=60° N=10; 5-20=60° №=17; 6- ОВС

При этом, в ограниченных вихревых системах (ОВС) для однофазной жидкости (рис. 3, № 6) гидравлическое сопротивление меньше.

Эксперименты позволили определить минимальную длину

компланарных каналов, при которой на выходе из форсунки поток имеет

полностью сформировавшуюся вихревую структуру. Установлено, что

протяженность начального участка, после которого имеет место

установившийся вихревой поток, равна 2,5-3 поясам взаимного пересечения

каналов (рис. 4). После прохождения этого участка газожидкостной поток

полностью формируется и коэффициент гидравлического сопротивления

практически не меняется. Дальнейшее увеличение длины компланарных

каналов приводит только к увеличению гидравлических потерь без какого-

либо изменения структуры вихревого потока.

10' «___ __

т I

1 -2Р = ПС° N=10

2 -" =90° "10 3-" =60° "6

4 -" = 60° " 10

5 -" = 60° " 17

поясов пересечения

Рис. 4. Протяженность начального участка формирования двухфазного потока

Также было выявлено, что с увеличением суммарного угла взаимного пересечения каналов 2р с 60° до 110° коэффициент гидравлического сопротивления ^ возрастает в 2,5...3 раза, с ростом N уменьшается в 1,5...2 раза (рис. 4).

В отличие от течения в гладкой трубе область автомодельности коэффициента гидравлического сопротивления в тракте с компланарными каналами начинается при значениях числа Яе = (1... 1,5)104. Этот вывод распространяется на все исследованные варианты трактов.

В результате обработки и обобщения экспериментальных данных была получена эмпирическая формула для определения коэффициента гидравлического сопротивления в компланарных каналах вихревой газожидкостной форсунки внутреннего смешения (погрешность аппроксимации составила не более 3%)

§=1,44-0,034 1п Яе+3,39 (2р)

На рис. 5 представлены экспериментальные зависимости коэффициента расхода форсунки Цф от угла взаимного пересечения каналов 2р.

0,4

0,3

А

/

у

20 = 60° 2р = 90° 2Р= 110°

2 4 6 8 104 Ые

Рис. 5. Зависимости коэффициента расхода форсунки от угла 20 и Яе

Путем обобщения экспериментальных данных для форсунок с компланарными каналами и использования широко применяемых методов гидродинамического подобия была получена эмпирическая формула для расчета коэффициента расхода:

цф= 1/ [2,444-0,0341п11е+3,39(2р)]а5

Расход через форсунку можно определить по формуле:

т = (ХфБ (2АРф р)0,5, где плотность газожидкостной смеси определялась по формуле:

Р = ХРж+(1-%) рг, где рж, рг - плотность жидкости и газа, соответственно; % ~ тж/тг+ тж - массовое содержание жидкости в смеси. Динамическая вязкость смеси определялась как: И = ХИж+(Нс)Цг,

где цж, цг - коэффициенты динамической вязкости жидкости и газа, соответственно.

Таким образом, экспериментально установлено, что вихревые форсунки с компланарными каналами устойчиво работают при перепадах давления более 0,01МПа. Форсунка с компланарными каналами является малоперепадной с высоким коэффициентом расхода. При постоянном числе Рейнольдса коэффициент расхода увеличивается с уменьшением угла 20 (см. рис. 6). Так, для 11е=400 при угле 20=60° коэффициент Рф = 0,4; при 20=90° Цф=0,37; при 20=110° Цф=0,33.

мФ

0.5 0,4 0,3 0,2

Ре= =400

шИ(2В)

30 60 90 120

23

Рис. 6. Зависимость коэффициента расхода от угла взаимного пересечения каналов при постоянном числе Рейнольдса

Для сравнения эффективности форсунки с компланарными каналами параллельно была испытана применяемая в настоящее время центробежная газожидкостная форсунка. При одном и том же перепаде давления на форсунках коэффициенты расхода у центробежной форсунки были по трактам жидкости |Хф=0,24...0,28, газа Цф=0,11...0,12. Эти результаты указывают на высокую эффективность форсунки с компланарными каналами по сравнению с центробежными форсунками.

В третьей главе приведены результаты экспериментального исследования полноты сгорания топлива в камере газогенератора. Эксперименты выполнялись с использованием форсунок с компланарными каналами на термодинамической установке, содержащей все основные системы теплогенератора: систему подачи компонентов, систему охлаждения, систему измерения давлений, расходов компонентов, температур и тяги. Огневые испытания вихревой форсунки с компланарными каналами подтвердили ее высокую эффективность.

Экспериментальное значение расходного комплекса (удельный импульс давления) определялось по формуле:

где т^=ток+тг - суммарный секундный расход, рк - давление в камере, .Ркр— площадь критического сечения камеры. Теоретическое значение расходного комплекса определялось термодинамическим расчетом с учетом потерь на водяное охлаждение двигателя. Коэффициент камеры срв определялся по зависимости:

фи =13э/ 13т.

Экспериментальные исследования показали, что число парных каналов и угол их взаимного пересечения оказывают существенное влияние на качество рабочего процесса камеры. Так, при соотношении компонентов Кт= 1 и увеличении угла 2р с 60° до 110° при постоянном числе парных каналов N=10 значение расходного комплекса увеличилось с 1440 до

1570 м/с (рис. 7), а коэффициента камеры возрос с 0,88 до 0,96 (рис. 8). Однако при угле взаимного пересечения каналов 2р=110° наблюдалось термическое разрушение форсунок - следствие уменьшения осевой составляющей скорости истечения и интенсивных обратных токов. Поэтому оптимальным, с точки зрения безопасной работы и получения высоких удельных параметров, признан угол взаимного пересечения каналов 2р = 90°.

Рис. 7. Зависимость расходного комплекса рэ от угла 2р, числа каналов N и соотношения компонентов топлива кга

Однозначное влияние на качество рабочего процесса в камере двигателя оказывает и число парных каналов. Так, при увеличении числа каналов с 6 до 17 при постоянном угле 2р =60°, значение расходного комплекса возросло с 1440 до 1660 м/с (рис. 7), а значение коэффициента камеры - с 0,88 до 0,99 (рис. 8). Это связано с улучшением равномерности распределения компонентов по сечению камеры. Поэтому при прочих равных условиях необходимо выбирать максимально возможное число парных каналов.

Результаты исследования двухкомпонентной центробежной форсунки показали, что при тех же начальных условиях коэффициент камеры не превышает 0,82.

Рис. 8. Зависимость коэффициента камеры <рр от угла 2р, числа каналов N и соотношения компонентов топлива кт

В четвертой главе представлена конструкция малоперепадной газожидкостной форсунки внутреннего смешения с компланарными каналами. Представлена методика расчета газожидкостной форсунки с компланарными каналами. Сформулированы требования, которым должна отвечать форсунка с компланарными каналами: угол взаимного пересечения каналов - 90°; линейный размер канала - 2 мм и более; длина - 3 ячейки взаимного пересечения каналов; число каналов как можно больше в зависимости от расхода и заданного перепада давления на форсунке.

ВЫ йоды

1. Проведен комплексный анализ различных типов форсунок для теплогенерирующего оборудования коммунального хозяйства; выявлена необходимость применения высокоэффективной форсунки с компланарными каналами.

2. Выполнено экспериментальное исследование процессов смесеобразования компонентов топлива в двухкомпонентной газожидкостной форсунке внутреннего смешения с компланарными каналами.

3. Экспериментально обоснована возможность создания высокоэффективной малоперепадной газожидкостной форсунки внутреннего смешения с компланарными каналами для предприятий ЖКХ.

4. Разработан метод расчета параметров газожидкостной форсунки внутреннего смешения с компланарными каналами применительно к теплогенерирующему оборудованию предприятий коммунального хозяйства.

5. Разработаны практические рекомендации по использованию газожидкостных форсунок внутреннего смешения с компланарными каналами для предприятий коммунального хозяйства.

6. Разработанные методы расчета, а также полученные результаты позволяют прогнозировать и определять оптимальные параметры газожидкостной форсунки с компланарными каналами.

7. Предложенные технические решения позволили увеличить коэффициента камеры сгорания и обеспечить экономию топлива на 13... 17%.

8. Результаты работы используются в Международном сервисном центре «Ти Джи» г. Красногорска. Результаты работы внедрены в учебный процесс кафедры «Инженерные системы» РГУТиС при изучении дисциплин «Теплотехника», «Гидравлика», «Промышленная экология».

Основное содержание диссертации отражено в следующих публикациях

1. Пелевин Ф.В., Черкина В.М. Вихревая газожидкостная форсунка с компланарными каналами. // Сборник научных статей Х1-ой Международной научно-практической конференции «Наука - сервису». -М.: МГУС, 2006. - Т. 1. - С. 221-224.

2. Пелевин Ф.В., Орлин С.А., Черкина В.М., Мартиросян A.A. Газожидкостная вихревая форсунка. // Материалы Международной школы-конференции молодых ученых им. П.А. Соловьева и В.Н. Кондратьева «Авиационная и ракетно-космическая техника с использованием новых технических решений» - Рыбинск, 2006. - Ч.З. - С. 73-75.

3. Черкина В.М. Вихревая газожидкостная форсунка с компланарными каналами. // Научные труды Международной молодежной научной конференции «XXXII Гагаринские чтения» в 8 томах. - М.: МАТИ, 2006. -С. 143-146.

4. Черкина В.М. К вопросу о качестве распыла. // XI-я Международная научно-практическая конференция «Наука - сервису». - М.: МГУС, 2006. -С. 110-113.

5. Пелевин Ф.В., Черкина В.М., Мартиросян A.A. Двухкомпонентная форсунка внутреннего смешения с компланарными каналами. // Труды XVI школы-семинара под руководством академика РАН А.И. Леонтьева «Проблемы газодинамики и теплообмена в энергетических установках». -М.: МЭИ, 2007. - Т.1. - С. 259-261.

6. Пелевин Ф.В., Мартиросян A.A., Черкина В.М. Двухкомпонентная форсунка внутреннего смешения с компланарными каналами. // Известия вузов. Машиностроение. - 2007. - №12. - С. 21-24.

7. Пелевин Ф.В., Мартиросян A.A., Черкина В.М. Экспериментальное исследование газожидкостной форсунки с компланарными каналами. // Вестник ассоциации вузов туризма и сервиса. Технология и техника -2008. -№ 4. - С. 80 - 83.

8. Пелевин Ф.В., Черкина В.М., Мартиросян А.А. Исследование процессов смесеобразования двухфазной жидкости в компланарных каналах двухкомпонентной топливной форсунки внутреннего смешения. // Материалы I Международной научно-технической конференции «Энергетические установки: тепломассообмен и процессы горения». -Рыбинск, 2009. - С. 118 -122.

9. Пелевин Ф.В., Черкина В.М. Экспериментальное исследование смесеобразования в газожидкостной форсунке с компланарными каналами. // Теоретические и прикладные проблемы сервиса. Техника и технологии -2009. - № 1 (30). - С. 20 -24.

10. Черкина В.М., Пелевин Ф.В. Повышение полноты сгорания топлива в энергетических установках на предприятиях сервиса с использованием форсунок с компланарными каналами. // Электротехнические и информационные комплексы и системы. -2011,- Т.7. - №2. - С. 60 - 64.

11. Черкина В.М., Пелевин Ф.В., Дугин Г.С., Тимошенко З.В. Увеличение полноты сгорания топлива, распиливаемого форсунками с компланарными каналами, для повышения эффективности и безопасности энергетических установок. // Проблемы безопасности и чрезвычайных ситуаций. — 2011. — №5.-С. 84-91.

12. Разработка научных основ смесеобразования двухфазной жидкости в компланарных каналах: Отчет о научно-исследовательской работе // РГУТиС; Руководитель Ф.В. Пелевин. - ГБ-ТФ-01-08; № Гос. per. 0120. 0807754, 2008.

КОПИ-ЦЕНТР св.: 77 007140227 Тираж 100 г. Москва, ул. Енисейская, д. 36. тел.: 8-499-185-79-54, 8-906-787-70-86 www.kopirovka.ru

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «Российский государственный университет туризма и сервиса»

(ФГБОУ ВПО «РГУТиС»)

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ СМЕСЕОБРАЗОВАНИЯ В ТЕПЛОГЕНЕРИРУЮЩЕМ ОБОРУДОВАНИИ ПРЕДПРИЯТИЙ КОММУНАЛЬНОГО ХОЗЯЙСТВА

05.02.13 - Машины, агрегаты и процессы (коммунальное хозяйство и бытовое обслуживание) и 05.04.02- Тепловые двигатели

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

61 12-5/3278

На правах рукописи

ЧЕРКИНА ВЕРА МИХАЙЛОВНА

Пелевин Федор Викторович

Москва-2012

СОДЕРЖАНИЕ

ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ, УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ, СИМВОЛОВ,

ЕДИНИЦ И ТЕРМИНОВ.......................................................................................4

ВВЕДЕНИЕ..............................................................................................................6

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА СМЕСЕОБРАЗУЮЩИХ УСТРОЙСТВ ДЛЯ ТЕПЛОГЕНЕРИРУЮЩЕГО ОБОРУДОВАНИЯ ЖИЛИЩНО-КОММУНАЛЬНОГО ХОЗЯЙСТВА.........13

1.1. Актуальность проблемы повышения полноты сгорания топлива для оборудования котельных коммунального хозяйства.........................................13

1.2. Анализ процессов смесеобразования и распыливания топливных компонентов...........................................................................................................18

1.3. Типы форсунок, применяемых в котельных установках жилищно-коммунального хозяйства.....................................................................................33

1.4. Двухкомпонентная топливная форсунка внутреннего смешения с компланарными каналами....................................................................................49

1.5. Выводы и постановка задач исследования.................................................55

ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ГИДРОДИНАМИКИ СМЕСЕОБРАЗОВАНИЯ В ФОРСУНКЕ С КОМПЛАНАРНЫМИ КАНАЛАМИ..........................................................................................................57

2.1. Описание экспериментальной гидрогазодинамической установки..........57

2.2. Оценка погрешности измерений и методика обработки экспериментальных данных. Методика препарирования моделей..................59

2.3. Анализ и обобщение результатов исследования гидродинамики смесеобразования..................................................................................................62

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛНОТЫ СГОРАНИЯ ТОПЛИВА В КАМЕРЕ ТЕПЛОГЕНЕРИРУЮЩЕГО ОБОРУДОВАНИЯ................................................................................................77

3.1. Экспериментальная термодинамическая установка. Оценка погрешности измерений.......................................................................................77

3.2. Влияние параметров форсунки на эффективность смесеобразования.....80

ГЛАВА 4. ЭФФЕКТИВНОСТЬ ДВУХКОМПОНЕНТНОЙ ГАЗОЖИДКОСТНОЙ ФОРСУНКИ ВНУТРЕННЕГО СМЕШЕНИЯ С КОМПЛАНАРНЫМИ КАНАЛАМИ..........................................................................................................88

4.1. Конструктивная схема двухкомпонентной газожидкостной форсунки внутреннего смешения с компланарными каналами.........................................88

4.2. Влияние параметров форсунки на полноту сгорания топлива. Оптимальная геометрия форсунки с компланарными каналами.....................91

4.3. Методика расчета газожидкостной форсунки внутреннего смешения с компланарными каналами....................................................................................92

ВЫВОДЫ...............................................................................................................94

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.....................................................................................95

ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ, УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ, СИМВОЛОВ, ЕДИНИЦ И ТЕРМИНОВ

ЖКХ - жилищно-комунальное хозяйство;

КС - камера сгорания; р - плотность газожидкостной смеси, кг/м3; р<р - коэффициент расхода форсунки;

Ар- перепад давления, Па;

Шф - расход жидкости через форсунку, кг/с;

А - геометрическая характеристика форсунки;

Fc - площадь сопла форсунки, м ;

Rex - радиус окружности во входном отверстии, м;

гс - радиус сопла форсунки, м;

гвх- радиус входного отверстия, м;

рвх- давление жидкости во входном отверстии, Па;

совх- скорость входа жидкости в форсунку, м/с; сои- тангенциальная (окружная) составляющая скорости, м/с; соа - осевая составляющая скорости, м/с; N - число каналов;

2ß - угол взаимного пересечения компланарных каналов, рад; 2а - угол распыла факела на выходе из форсунки, град Re - число Рейнольдса;

- коэффициент гидравлического сопротивления; ß - расходный комплекс, м/с;

(j, - динамическая вязкость газожидкостной смеси, Па с; tp - коэффициент камеры сгорания

г - горючее; о - окислитель; к - камера сгорания; т - теория; э - эксперимент

Индексы:

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Жилищно-коммунальное хозяйство (ЖКХ) сегодня является крупнейшим потребителем энергии в стране, одной из самых затратных отраслей российской экономики. В коммунальной теплоэнергетике в последние годы усложнились условия добычи первичных топливно-энергетических ресурсов. Поэтому основной тенденцией научно-технического направления в данной области является снижение затрат при выработке тепловой энергии за счет повышения полноты сгорания топлива. По оценке специалистов Минэнерго РФ, потенциал энергосбережения в ЖКХ составляет 25% всего потенциала энергосбережения, который составляет 360-430 млн. т. условного топлива. Если в ЖКХ эффективно проводить программу энергосбережения, то для населения можно получить снижение затрат на услуги от 15% до 40%.

Один из основных технических способов улучшения полноты сгорания топлива заключается в правильном выборе конструкции и характеристик форсунок как основных элементов распыливающих и впрыскивающих устройств. В настоящее время хорошо известны различные типы струйных, центробежных одно- и двухкомпонентных форсунок, каждый из которых имеет свои преимущества, недостатки и область применения. Но постоянное стремление улучшить полноту сгорания топлива при малых перепадах давления на форсунке заставляют конструкторов разрабатывать новые типы форсунок. К таким форсункам относятся, например, форсунки с компланарными каналами. Применение скрещивающихся компланарных каналов, образованных винтовыми параллельными рёбрами на противолежащих оболочках, является одним из способов формирования трактов, в которых реализуется турбулентный режим течения одно- и двухфазных жидкостей при малых потерях давления. Из работ В.М. Кудрявцева, Н.Д. Кузнецова, A.M. Грушенко, Д.И. Завистовского и других авторов известно, что тракты с компланарными

каналами интенсифицируют как массообмен, так и теплоотдачу за счет взаимной подкрутки струй, турбулизации потока даже при малых числах Рейнольдса. Данных о применении их в газожидкостных форсунках внутреннего смешения нет, хотя они представляют большой практический интерес.

В компланарных каналах даже при малых скоростях движения топлива и малых перепадах давления возникает высокая турбулизация потока, способствующая интенсивному смешению компонентов, повышению эффективности процессов смесеобразования и полноты сгорания топлива, т.е. создаются условия для создания высокоэкономичной камеры сгорания (КС) теплогенерирующего оборудования с повышенной экологической безопасностью.

Актуальность этих вопросов приобрела особую важность в настоящее время, когда потребности в тепловых агрегатах и машинах (в бытовом обслуживании населения, энергетике, коммунальном хозяйстве, на транспорте) непрерывно увеличиваются, а экологическая обстановка ухудшается. Экономически и социально более выгодно идти по пути научно-технического развития и производства современного теплотехнического оборудования, оснащения им коммунального хозяйства.

Этим обуславливается необходимость перехода к новым конструкциям форсунок, обеспечивающих более высокую полноту сгорания топлива при низких потерях давления.

Объектом исследования являются процессы смесеобразования компонентов топлива в двухкомпонентной газожидкостной форсунке внутреннего смешения с компланарными каналами для КС различного назначения.

Предмет исследования - двухкомпонентная газожидкостная форсунка внутреннего смешения с компланарными каналами, обеспечивающая

высокоэффективное смешение и распиливание топлива в КС теплогенерирующего оборудования коммунального хозяйства.

Цель и задачи работы. Цель работы состоит в исследовании процессов смесеобразования двухфазной жидкости в топливных форсунках с компланарными каналами для сферы ЖКХ, что позволяет увеличить полноту сгорания топливной смеси, уменьшить токсичность и сократить объем вредных выбросов.

Для достижения этой цели решены следующие задачи: 1. Обобщены результаты применения известных форсунок различных типов в котельных ЖКХ и сделан вывод о необходимости исследования форсунки с компланарными каналами.

2. Разработана конструкция малоперепадной двухкомпонентной газожидкостной форсунки внутреннего смешения с компланарными каналами для теплогенерирующего оборудования предприятий коммунального хозяйства.

3. Разработана методика расчета газожидкостной форсунки внутреннего смешения с компланарными каналами.

4. Выполнено экспериментальное исследование процессов смесеобразования компонентов топлива в газожидкостной форсунке внутреннего смешения с компланарными каналами.

5. Выполнена оптимизация параметров двухкомпонентной газожидкостной форсунки внутреннего смешения с компланарными каналами.

Работа относится к области исследования машин и агрегатов, используемых для теплоснабжения коммунального хозяйства и предприятий бытового обслуживания населения.

Научная новизна работы состоит:

- в разработке нового метода расчета параметров двухкомпонентной газожидкостной форсунки внутреннего смешения с компланарными каналами для сферы ЖКХ на базе современных технических решений;

- в получении новых экспериментальных данных, обеспечивших установление зависимостей для определения угла распыла, коэффициента гидравлического сопротивления и коэффициента расхода газожидкостной форсунки с компланарными каналами;

- в выявлении качественного и количественного влияния угла взаимного пересечения каналов и их числа в форсунке на величину расходного комплекса и полноту сгорания топлива.

Достоверность научных результатов:

- подтверждена соответствующим объемом экспериментальных исследований, проведенных с использованием современного лабораторного оборудования, использованием апробированных методов обработки результатов исследований; согласованием теоретических и экспериментальных исследований;

- подтверждена удовлетворительным согласованием полученных экспериментальных результатов с экспериментальными данными других исследователей.

Практическая ценность и реализация работы.

Применение форсунок с компланарными каналами для распыливания топливной смеси в КС повышает экономичность теплогенерирующего оборудования предприятий коммунального хозяйства. Экспериментально обоснована возможность создания высокоэффективной малоперепадной форсунки внутреннего смешения с компланарными каналами. Полученные результаты позволяют прогнозировать и определять оптимальные параметры данной форсунки. Разработаны конструкторские решения двухкомпонентной форсунки внутреннего смешения с компланарными каналами.

Газожидкостная форсунка с компланарными каналами может быть использована в различных областях техники.

Результаты работы являются новыми и могут быть распространены на межотраслевом уровне.

Работа выполнялась в соответствии с госбюджетной темой РГУТиС ГБ-ТФ-01-08 «Разработка научных основ смесеобразования двухфазной жидкости в компланарных каналах».

Результаты работы используются в Международном сервисном центре «Ти Джи» г. Красногорска в НИР и ОКР. Результаты работы внедрены в учебный процесс кафедры «Инженерные системы» РГУТиС.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на Х1-ой Международной научно-практической конференции «Наука - сервису» г. Москва. - 2006г.; на Международной научной конференции «XXXII Гагаринские чтения» г. Москва.-2006г.; на Международной конференции молодых ученых «Авиационная и ракетно-космическая техника с использованием новых технических решений» г. Рыбинск.-2006г.; на XVI Школе-семинаре молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева «Проблемы газодинамики и теплообмена в энергетических установках» г. С-Петербург.-2007г.; на Международной научно-технической конференции «Энергетические установки: теплообмен и процессы горения» г. Рыбинск.-2009г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ, из них 3 - в журналах, рекомендованных ВАК РФ. Основные публикации по теме диссертации:

1. Пелевин Ф.В., Черкина В.М. Вихревая газожидкостная форсунка с компланарными каналами. // Сборник научных статей Х1-ой Международной научно-практической конференции «Наука - сервису». - М.: МГУС, 2006. -С. 221-224.

2. Пелевин Ф.В., Орлин С.А., Черкина В.М., Мартиросян A.A. Газожидкостная вихревая форсунка. // Материалы Международной школы-конференции молодых ученых им. П.А. Соловьева и В.Н. Кондратьева «Авиационная и ракетно-космическая техника с использованием новых технологических решений» - Рыбинск,-2006. - Ч.З.- С.73-75.

3. Черкина В.М. Вихревая газожидкостная форсунка с компланарными каналами. // Научные труды Международной молодежной научной конференции «XXXII Гагаринские чтения» в 8 томах. - М.: МАТИ, 2006. - С. 143-146.

4. Черкина В.М. К вопросу о качестве распыла. // XI-я Международная научно-практическая конференция «Наука - сервису». - М.: 23 мая 2006. - С. 110-113.

5. Пелевин Ф.В., Черкина В.М., Мартиросян A.A. Двухкомпонентная форсунка внутреннего смешения с компланарными каналами. // Труды XVI школы-семинара под руководством академика РАН А.И. Леонтьева «Проблемы газодинамики и теплообмена в энергетических установках». -М.: МЭИ, 2007. - Т.1.- С. 259-261.

6. Пелевин Ф.В., Мартиросян A.A., Черкина В.М. Двухкомпонентная форсунка внутреннего смешения с компланарными каналами. // Известия вузов. Машиностроение. - 2007.- №12. - С. 21-24.

7. Пелевин Ф.В., Мартиросян A.A., Черкина В.М. Экспериментальное исследование газожидкостной форсунки с компланарными каналами // Вестник ассоциации вузов туризма и сервиса. Технология и техника - 2008. -№4. - С. 80-83.

8. Пелевин Ф.В., Черкина В.М., Мартиросян A.A. Исследование процессов смесеобразования двухфазной жидкости в компланарных каналах двухкомпонентной топливной форсунки внутреннего смешения. // Материалы I Международной научно-технической конференции

«Энергетические установки: тепломассообмен и процессы горения». -Рыбинск, 2009. - С. 118-122.

9. Пелевин Ф.В., Черкина В.М. Экспериментальное исследование смесеобразования в газожидкостной форсунке с компланарными каналами // Теоретические и прикладные проблемы сервиса. Техника и технологии-2009.- № 1 (30). - С. 20-24.

10. Черкина В.М., Пелевин Ф.В. Повышение полноты сгорания топлива в энергетических установках на предприятиях сервиса с использованием форсунок с компланарными каналами // Электротехнические и информационные комплексы и системы. - 2011.- Т.7. - №2. - С. 60-64.

11. Черкина В.М., Пелевин Ф.В., Дугин Г.С., Тимошенко З.В. Увеличение полноты сгорания топлива, распыливаемого форсунками с компланарными каналами, для повышения эффективности и безопасности энергетических установок. // Проблемы безопасности и чрезвычайных ситуаций.- 2011. - №5. -С. 84-91.

12. Разработка научных основ смесеобразования двухфазной жидкости в компланарных каналах: Отчет о научно-исследовательской работе // РГУТиС; Руководитель Ф.В. Пелевин. - ГБ-ТФ-01-08; № Гос. per. 0120. 0807754, 2008.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, выводов, списка литературы, 110 страниц текста, 1 таблицы, 48 рисунков, 2 приложений. Список литературы содержит 116 наименований.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА СМЕСЕОБРАЗУЮЩИХ УСТРОЙСТВ ДЛЯ ТЕПЛОГЕНЕРИРУЮЩЕГО ОБОРУДОВАНИЯ ЖИЛИЩНО-КОММУНАЛЬНОГО ХОЗЯЙСТВА

1.1. Актуальность проблемы повышения полноты сгорания топлива для оборудования котельных коммунального хозяйства

Рост стоимости топливно-энергетических ресурсов, ресурсные ограничения, усиливающаяся конкуренция, непредсказуемость развития экономической ситуации делают задачу выбора эффективного и оптимального пути развития сферы ЖКХ актуальной [1-3].

По официальным данным Правительства РФ, содержание ЖКХ для государственного бюджета обходится в 100-120 млрд. руб. ежегодно, причем имеется тенденция к постоянному росту этих расходов [4]. Ежегодная потребность в расходах на жилищно-коммунальный сектор составляет от 35% до 50% муниципальных расходов. На промышленных предприятиях и в сфере ЖКХ энергетическая составляющая в себестоимости конечного продукта доходит до 70% и в конечном итоге становится «тормозом» для развития производства. Поэтому внедрение энергосберегающих технологий в ЖКХ является важнейшей государственной задачей [5]. Реформа ЖКХ по плану правительства включает в себя реализацию мер по повышению эффективности использования затрат в ЖКХ