Особенности расчета энергетической установки импульсно-детонационного сжигания органического топлива

УДК 534.142

ОСОБЕННОСТИ РАСЧЕТА ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ ИМПУЛЬСНО-ДЕТОНАЦИОННОГО СЖИГАНИЯ ОРГАНИЧЕСКОГО ТОПЛИВА

© 2012 г. П.О. Тимошенко, А.А. Синицын

Вологодский государственный Vologda State

технический университет Technical University

Рассмотрены особенности расчета энергетической установки импульсно-детонационного сжигания органического топлива на основе резонатора Гельмгольца, приведены результаты анализа степени изученности вопроса импульсно-детонационного сжигания топлива в энергетических устройствах, а также указаны проблемы в области применения подобных устройств. Дана теория процесса пульсирующего сжигания топлива, описан объект исследования и приведены пояснения методики расчета ог-нетехнических аппаратов, основанных на подобном способе горения. В качестве практической применимости результатов исследования дана методика экспресс-расчета его конструктивных характеристик. Полученные результаты позволят разработать методологию расчета энергоэффективных устройств пульсирующего сжигания топлива и выработки тепловой энергии. Результаты проведенных НИР могут быть использованы на производстве и при создании научно-образовательных курсов для вузов.

Ключевые слова: геометрические размеры; импульсно-детонационное сжигание; органическое топливо; резонатор Гельмгольца; термоаккустические колебания; ударная волна.

The work deals with the features of the calculation of the power unit ofpulse detonation combustion offossil fuel on the basis of Helmholtz resonator, the results of the study degree of the issue of pulse detonation combustion in power devices are shown and problems in the use of such devices are identified. According to tasks put by this theory of pulsating combustion process is given, the object of investigation is described and calculation explanations for the calculating methods of firetechnical devices based on such a burning method are explained. Technique of rapid calculation of design characteristics is given as a practical application of research results. The results of this research will allow to develop the methodology of calculating of energy efficient devices ofpulse fuel combustion and heat energy generation, recommendations for the use of the results of the research effort at plants and creation of scientific and educational courses for universities.

Keywords: geometry dimensions; pulse detonation combustion; fossil fuel; Helmholtz resonator; thermoacoustic oscillation; blast wave.

Введение

Актуальность проблемы повышения эффективности работы источников теплоты является бесспорным аргументом при разработке новых теплогенерирую-щих устройств и модернизации существующих. Традиционные методы, такие как повышение мощности горелочного устройства, применение топлива с повышенным тепловыделением при сгорании, увеличение поверхности теплопередачи и т.д., - не всегда выполнимы и зачастую являются высокозатратными. Простой механический перенос наработанного опыта проектирования, строительства и эксплуатации объектов газопотребления абсолютно неприемлем в современных условиях. Поэтому необходимо развитие теплотехники по новым и более эффективным путям технического развития и экологической безопасности [1].

В этом направлении весьма перспективной представляется реализация в теплоэнергетических установках процессов пульсирующего горения. Подобный режим позволяет обеспечить максимальную полноту тепловыделения топлива, существенно интенсифицировать тепломассообменные процессы и повысить теплонапряженность камеры сгорания. При таких условиях очевидно уменьшение металлоемкости конструкции, сокращение затрат на монтаж и обслуживание теплоэнергетических установок. Кроме того, продукты сгорания отвечают самым жестким экологическим требованиям [2].

Одним из факторов, который сдерживает широкое внедрение аппаратов на основе пульсирующего горения, является недостаточная изученность внутрика-мерных процессов. Хотя пульсирующее горение -относительно старая технология, математическое описание этого явления оказалось довольно сложным.

Такая ситуация не позволяет разработать надежную методику расчета для определения и конструкционных размеров аппаратов пульсирующего горения на заданную тепловую мощность. Кроме того, недостаток знания о внутрикамерных процессах не позволяет определить критерии для оценки эффективности процессов, протекающих в нем.

Анализ изученности процесса

Пульсирующим горением называют неустойчивый режим горения с изменяющимися во времени динамическими характеристиками процесса, имеющими периодическую составляющую. Процесс самовозбуждения акустических колебаний газа в энергетических установках с горением известен с работ Хиг-гинса и Рэлея. В литературе это явление называют также вибрационным горением, неустойчивостью горения, термическим возбуждением звука, а также термоакустическими колебаниями.

Вопросы вибрационных процессов изучаются во многих отраслях техники в связи с тем, что они осложняют работу технических систем. В частности, возникновение пульсаций при горении нарушает стабильность работы топочного устройства. Управление таким горением приобретает другой смысл, когда оно рассматривается как один из методов интенсификации топочных процессов при сжигании топлива в пульсирующем потоке среды.

В процессе обзора литературных источников было проанализировано положение дел в области моделирования огневых и турбулентных течений. Вопросы детонационного и турбулентного горения рассматриваются в работах Франк-Каменского, Семенова, сведения по турбулентным течениям приводятся в теории Дамкелера и опытах Никурадзе. При этом наиболее значимым вопросом становится рассмотрение нестационарного горения в условиях термоакустических колебаний, непосредственно участвующих в работе аппарата пульсирующего горения, их условий возникновения и распространения.

Наряду с проведением теоретических расчетов, посвященных методам сжигания топлива, осуществлено довольно много экспериментов на установках с подобными процессами. Особый интерес представляют исследования термоакустических колебаний в различных установках. Это поющее пламя Хиггинса, резонатор Гельмгольца, установка Зондхаусса, трубы Рийке, Шмидта и Марконе. Процессы такого типа горения моделировались на топочных устройствах различных конфигураций для различных видов топлива (на твердом, жидком и газообразном) В.С. Северяниным, Б.Д. Кацнельсоном, S.I. Keel, А.В. Потапки-ным и др.

Исследования, проводимые А.А. Синицыным под руководством В.И. Игонина [3 - 10], показали, что наиболее эффективным в области устройств пульсирующего горения являются аппараты, основанные на принципе автоколебательной системы типа резонатора Гельмгольца. В настоящее время во многих стра-

нах ведутся интенсивные исследования в области проектирования и внедрения в технологические процессы теплоэнергетических установок на основе пульсирующего горения подобного типа. Существующие котлы пульсирующего горения (Fulton (США), Pulsatoire AUER (Франция), ПГ («ЭкоЭнергоМаш», Россия)) отличаются от представителей котлов факельного горения экологичностью (выброс СО2 всего 10 мг/(кВт-ч)), высоким КПД и простотой работы. Отсутствие горелки как таковой и существенное давление дымовых газов на выходе, не требующее дымовой трубы, сохранение работоспособности даже при избыточном давлении, близком к нулю, в питающем газопроводе, - дополнительные преимущества котла пульсирующего горения, обеспечивающие его преимущества в теплоэнергетическом секторе рынка.

Постановка проблемы

Широкое внедрение устройств пульсирующего горения в технологические процессы сдерживается отсутствием надежной теории рабочего процесса для расчета конструктивных параметров при их проектировании, а также поверочного расчета для определения эффективности их работы, что делает необходимым дальнейшее изучение термогидравлических параметров работы котлов с последующим выходом на новые технические решения с более эффективными характеристиками работы.

Обзор показал закрытость методик расчета подобных устройств. Разработка инженерной методики конструкторского и поверочного расчетов необходима для дальнейшего развития отрасли производства аппаратов вибрационного горения.

Выделены следующие проблемы в области создания энергоэффективных устройств на базе пульсирующего горения:

1. Отсутствие в доступных литературных источниках определенной организационной структуры аппаратов и процессов пульсирующего горения. В обзорной литературе сделаны попытки увязать характеристики вибрационной пульсационной составляющей с параметрами движения рабочей среды, но определенных математических результатов не обнаружено.

2. Отсутствует четкая зависимость между термическими и гидравлическими параметрами теплоносителя в котлах пульсирующего горения, подтвержденная экспериментальными данными, а также математический аппарат для расчета вибрационной составляющей пульсирующего горения.

Задачи исследования

Основной задачей исследования является изучение нестационарных процессов, происходящих в ходе вибрационного горения в камере сгорания котла, для разработки методики расчета и нового конструкторского решения по созданию энергоэффективной системы импульсно-детонационного сжигания топлива.

Для этого требуется выполнить следующее:

- создать универсальный экспериментальный стенд на базе действующего котла для изучения процессов, сопровождающих вибрационное горение;

- провести расчетно-экспериментальное исследование рабочего процесса горения в котле типа камеры Гельмгольца;

- выполнить математическое моделирование нестационарных газодинамических процессов в котле с учетом воздействия на них периодического выделения тепла в зоне горения;

- разработать теорию рабочего процесса в аппаратах пульсирующего горения с учетом обратной связи между акустическими и тепловыми возмущениями, обеспечивающей поддержание автоколебательного режима работы котла;

- создать на ее основе методику расчета конструктивных параметров для проектирования экономичных и высокоэффективных теплоэнергетических установок широкого спектра применения.

Поставленная фундаментальная задача является продолжением НИОКР, проводимой ГОУ ВПО «Вологодский государственный технический университет» в рамках гранта имени выдающихся организаторов нефтяной и газовой промышленности (Н.К. Байбакова, В.А. Динкова, А.К. Кортунова, Н.А. Мальцева, В.И. Муравленко, С.А. Оруджева, В.Ю. Филановско-го, В.Д. Шашина, Б.Е. Щербины) Международной топливно-энергетической ассоциации по теме «Исследование энергетической и экологической эффективности системы пульсирующего сжигания природного газа» (Диплом президента МТЭА Г.Д. Маргулова, Москва, 2009 г.).

Объект исследования

Объектом исследования выбран котел пульсирующего горения типа резонатора Гельмгольца марки ПВ-400 (г. Королев), технические характеристики которого приведены в таблице. Характерной особенностью резонатора котла является способность совершать низкочастотные собственные колебания, длина которых значительно больше размеров резонатора (рис. 1).

Процесс пульсирующего горения происходит следующим образом. При первичном поступлении топливной смеси в камеру сгорания осуществляется ее поджог. После полного сгорания смеси возникает ударная волна и снижение давления за ударной волной с одновременным охлаждением дымовых газов за счет теплопередачи в стенку камеры. При этом происходит поступление новой порции газовоздушной смеси за счет разрежения. Эта смесь нагревается до температуры самовозгорания (около 600 °С) остаточным теплом дымовых газов. В процессе сгорания смеси дымовые газы из камеры сгорания под действием проталкивающей силы ударной волны направляются к открытому выходу через резонаторную горловину. Процесс повторяется без поджигания смеси посторонним источником. Система входит в автоколеба-

тельный режим. Устанавливается периодический процесс, именуемый пульсирующим горением.

Частота этого процесса определяется конструкцией резонаторной системы, имеющей собственную резонансную частоту. Камера сгорания, резонансные трубы и ресивер окружены водяной рубашкой, по которой движется (противотоком к дымовым газам) нагреваемая вода (рис. 1) [7].

9

10 11 12 13

Рис. 1. Схема устройства котла ПВ-400: 1 - дымовая труба; 2 - газовый ресивер; 3 - камера сгорания; 4 - резонансные трубы; 5 - воздушный ресивер; 6 - глушитель выхлопа; 7 - резонансный ресивер; 8 - патрубок для подачи воды; 9 - кран для отключения газовой линейки; 10 - электромагнитный запорный клапан; 11 - свеча зажигания; 12 - патрубок для отвода воды; 13 - дутьевой вентилятор

Технические характеристики котла [8]

Наименование показателя Значение

Номинальная теплопроизводительность, кВт 400

Диапазон регулирования мощности, % 0 - 100

Расчётный температурный перепад воды, °С 95 - 70

Температура уходящих газов, °С 130

Габаритные размеры котла, мм 2600x920x920

КПД котла, % 94

Методика расчета геометрических размеров устройства

Расчёт геометрических размеров котла пульсирующего горения с механическими пульсирующими клапанами проводился на основании известных уравнений для определения мощности энергетической установки, работающей на газообразном топливе по принципу резонатора Гельмгольца [9]. В качестве исходных данных принималась частота, давление

газа на входе, характеристики газовой смеси, соотношение газ - воздух, на основе чего определялся часовой расход газа и воздуха, а также остальные параметры по принципу расчета горелочного теплогенератора.

На основании указанных характеристик определялись параметры, характеризующие процесс пульсирующего горения, такие как скорость звуковой волны в резонаторном контуре, объём дымовых газов при температуре горения воздушно-газовой смеси, молекулярная скорость движения продуктов горения, величины изменения давления в камере сгорания в течение полного цикла, а также характерные размеры основных элементов конструкции аппарата: камеры сгорания, резонаторной и газовыводящей его частей.

В таком устройстве роль инерционного звена играет масса газа в резонансной трубе, а емкостного -присоединенный к ней объем. В трубе, открытой на концах при повышении давления, сжатый газ будет стремиться расшириться и под действием возникшего перепада давлений потечет к открытому концу. Со временем вся потенциальная энергия сжатого газа перейдет в кинетическую энергию истечения, после чего процесс будет продолжаться по инерции, пока в трубе не возникнет разрежение. Далее явление будет проходить в обратном порядке. Газ начнет двигаться назад, и там опять давление станет выше атмосферного. Так установится колебательный процесс с возникновением пучностей и узлов - стоячая волна.

За счет воспламенения газовоздушной смеси колебательный процесс получает новый импульс, который является источником энергии для проталкивания продуктов сгорания и для поступления новой порции газовоздушной смеси. Процесс возобновляется до прекращения подачи газа в камеру сгорания. Таким образом, система «пульсирующие клапаны - камера сгорания» выполняет роль некоего нагнетателя для подачи газа и воздуха в устройство.

Отметим, что автоколебательная система включает собственно колебательную систему, источник энергии и механизм обратной связи, управляющий источником. При возбуждении вибрационного горения колебательной системой является камера сгорания, к которой в более сложных случаях могут добавиться другие элементы установки.

Ввиду того что на выходе из колебательного контура температура продуктов сгорания завышена, необходимо ее снизить до оптимальной величины, поэтому следом за резонансными трубами устанавливается ещё одна колебательная система, имеющая геометрические размеры, позволяющие максимально передать теплоту газа теплоносителю и не нарушить пульсирующий процесс горения в камере. Это возможно в том случае, если геометрия дополнительных поверхностей теплоотвода будет иметь близкие частотные характеристики с основной частью котла и не создаст сильного противофазного сопротивления. Расчет второй колебательной системы ведется по тем же формулам и имеет аналогичную последователь-

ность вычислений. Этот контур включает в себя резонансный ресивер, а дымовая труба играет роль резонансной трубы. Таким образом, создаётся аналогичный колебательный контур со своими параметрами.

В работах [6 - 10] приведены основные результаты расчетно-экспериментальных исследований рабочего процесса горения в котле типа камеры Гельм-гольца, а также результаты математического моделирования нестационарных газодинамических процессов в котле с учетом воздействия на них периодического выделения тепловой энергии в зоне горения.

Для разработки инженерной методики расчета аппаратов пульсирующего горения с учетом обратной связи между акустическими и тепловыми возмущениями, обеспечивающей поддержание автоколебательного режима работы устройства, требуется укрупненная методика вычисления конструктивных ее параметров.

На основании указанной последовательности определения конструктивных и энергетических характеристик котла пульсирующего горения типа резонатора Гельмгольца, а также уравнений, приведенных в работах [9 - 10], разработана методика экспресс-расчета его конструктивных характеристик. В качестве примера инженерной апробации этой методики составлен алгоритм-номограмма (рис. 2).

Исходя из задаваемой теплопроизводительности котлоагрегата и теплотворной способности топлива определяются диаметры камеры сгорания Dк и резо-наторной трубы Dр. По значениям диаметров и исходной частоты работы устройства находятся соответствующие диаметрам длины (см. ниже уравнения

(1) - (4)).

1. Диаметр камеры сгорания Dk, м, определяется по формуле:

Dk = л/K1G ,

где К1 - коэффициент соотношения мощности и диаметра, K1n = nf(cz, t, Q/, рктах, pKmin); K1 = 0,0011 ч/м;

G - расход газового топлива, м3/ч.

2. Диаметр резонаторной трубы Dр, м, соотносится с размерами камеры сгорания в соотношении

Бр = 0, 5Dk ,

3. Длина камеры сгорания Lk, м, зависит от следующих параметров:

Lk = —,

f

где K2 - коэффициент соотношения частоты и длины, К2 = f (cz, t, pKmax, pKmin); K2=46 м/с; f - частота работы котла пульсирующего горения, Гц, определяемая как

f = ^f^. VKLp

Dp 1 DK /

ь

f— р

^о --------

1 1 1 1 ^

-г 1- S- \ \

50 150 250 350 450 550

Тепловая мощность котлоагрегата, кВт

650

U, м

Lp, м

f, Гц

выходные параметры

Fк, М' -JZ

£)к, м

Fp, м Ш

Dp, м

750

Lk, м Lp, 2,60 у- 4,00

2,35 -

3,50

3,00 1,85 -

1,60 - 2,50 •4----

1,35 -

0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 0,45 Диаметр камеры сгорания^к и резонаторной трубьЮр , м

2,10 -

входные параметры

Q, Вт 3

Qh , ккал/м

1,10 -

0,85 -

G, м/ч

Тг, С

Те, С"

2,00

1,50

0,60 1,00

м

f=2D Гц

1_ОП

I-OU 1 ц

к___ __4 ь_

-у.--- С

МО Гц

f=50 Гц

1-1-t s—1-1-; \-1-1-1-1-1

.2D

0.73

3.I4

4.3I

7.D7

Э.Б2

I2.5G

IB.9D

Площадь живого сечения камеры сгорания^ и резонaтopaFр *10" м"

Рис. 2. Номограмма экспресс-расчета конструктивных характеристик аппаратов пульсирующего

горения типа резонатора Гельмгольца

4. Длина резонаторной трубы Lр, м, определяется по уравнению:

.2

Lp =

2826Dp2 Dk2 f к2

Выводы

Таким образом, в работе показана актуальность исследований, проводимых при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований по гранту №11-08-00226-а, их научная новизна и практическая применимость. Приведены результаты анализа степени изученности вопроса импульсно-детона-ционного сжигания топлива в энергетических устройствах, а также указаны проблемы в области применения подобных устройств. В соответствии с поставленными задачами дана теория процесса пульсирующего сжигания топлива, описан объект исследования и

приведены пояснения методики расчета огнетехниче-ских аппаратов, основанных на подобном способе горения. В качестве практической применимости результатов исследования дана методика экспресс-расчета его конструктивных характеристик.

Результаты проведенных исследований позволят в дальнейшем провести экспериментальные исследования особенностей автоколебательного режима, тепло-массопереноса в камере сгорания котла, а также сложного теплообмена в комбинированной технической системе на основе новой огнетехнической автоколебательной системы, построенной на основе предложенных моделей и методов. Это создаст условия для разработки методологии расчета энергоэффективных устройств пульсирующего сжигания топлива и выработки тепловой энергии, рекомендаций по использованию результатов проведенных НИР на производстве и создании научно-образовательных курсов для вузов.

Литература

1. Синицын А.А. Исследование особенностей работы котла, основанного на пульсирующем горении газообразного топлива // Электронный журнал «Нефтегазовое дело» / Уфимский государственный нефтяной технический университет. Уфа, 2006. Сетевой адрес: http://www.ogbus.ru

2. Синицын А.А. Исследование термогидродинамических характеристик котла пульсирующего горения типа резонатора Гельмгольца // Электронный журнал «Наука и образование. Инженерное образование» / Московский государственный технический университет им. Баумана. М., 2006. Сетевой адрес: http://technomag.edu.ru.

3. Синицын А.А. Моделирование процессов в теплогенераторе на основе пульсирующего горения // Электронный журнал «Исследовано в России» / Московский физико-технический институт. М., 2006. Сетевой адрес: http://zhumal.ape.relarn.ru

4. Синицын А.А., Игонин В.И. Влияние вибрационных характеристик на работу котла пульсирующего горения // Научно-технический справочник. Инженерный журнал. М., 2006. № 12 (117). 64 с.

Поступила в редакцию

5. Синицын А.А. Пульсирующее горение. Энергия: экономика, техника, экология. М., 2007. № 1. 80 с.

6. Синицын А.А. Исследование вибрационных характеристик работы котельных агрегатов // Изв. вузов. Приборостроение. 2008. Т. 51, № 7. С. 68 - 71.

7. Синицын А.А., Игонин В.И. Исследование особенностей работы котла пульсирующего горения // Новости теплоснабжения. 2010. № 3 (115). С. 24 - 27.

8. К выбору автономного источника теплоты / А.А. Синицын [и др.] // Энергетика, экология, экономика средних и малых городов. Проблемы и пути их решения: Материалы Всерос. науч.-практ. конф. М., 2003. С. 31 - 33.

9. Разработка методики теплового расчета котлов пульсирующего горения / А.А. Синицын [и др.] // Современные проблемы строительства и реконструкции зданий и сооружений: Материалы Междунар. науч.-техн. конф. Вологда, 2003. С. 256 - 259.

10. Синицын А.А., Игонин В.И. К построению математической модели гидротермических процессов в источнике теплоты пульсирующего горения / Прогрессивные процессы и оборудование металлургического производства: Материалы Междунар. науч.-техн. конф., посвященной 50-летию ОАО «Северсталь». Череповец, 2006. С. 139 - 141.

17 января 2012 г.

Тимошенко Павел Олегович - аспирант, кафедра «Теплогазоснабжение и вентиляция», Вологодский государственный технический университет. Тел. (8172)72-20-93 (доб. 345). E-mail: nee-energo@yandex.ru

Синицын Антон Александрович - канд. техн. наук, доцент, кафедра «Теплогазоснабжение и вентиляция», Вологодский государственный технический университет. Тел. (8172)72-20-93 (доб. 345). E-mail: nee-energo@yandex.ru

Timoshenko Pavel Olegovich - post-graduate student, department of heat and gas supply and ventilation, Vologda State Technical University. Ph. (8172)72-20-93 (доб. 345). E-mail: nee-energo@yandex.ru

Sinitsyn Anton Aleksandrovich - Candidate of Technical Sciences, assistant professor, department of heat and gas supply and ventilation, Vologda State Technical University. Ph. (8172)72-20-93 (доб. 345). E-mail: nee-energo@yandex.ru