Горение высокоскоростных потоков природного газа

Расчет массоэнергетических характеристик дискового вентильного двигателя... Петрищев С.А., Сергеев Ю.С.

применен при проектировании дискового вентильного электромеханического привода (см. рисунок), разработанного КБ «Мехатроники» г. Златоуста.

Список литературы

1. Андреева Е.Г., Шамец С.П., Колмогоров Д.В. Конечно-элементный анализ стационарных магнитных полей с помощью программного пакета Ansys: учеб. пособие. Омск: Изд-во Ом-ГТУ, 2002.

2. Буль О.Б. Методы расчета магнитных систем электрических аппаратов. Программа Ansys: учеб. пособие. М.: ИД «Академия», 2006. 288 с.

3. Расчет электромагнитных полей с помощью программного комплекса ANSYS / Вишняков С.В., Гордюхина Н.М., Федорова Е.М. и др.; под ред. проф. Казанцева Ю.А. М.: Изд-во МЭИ, 2003. 62 с.

4. Туровский Я. Электромагнитные расчёты элементов элекгриче-

ских машин: пер. спольск. М.: Энергоатомиздат, 1986. 200 с.

List of literature

1. Andreeva E.G., Shamec S.P., Kolmogorov D.V. The final-element analysis of stationary magnetic fields by means of a software package Ansys: The manual. Omsk: Publishing Om-STU, 2002.

2. Bul O.B. Methods of calculation of magnetic systems of electric devices. The program Ansys: The manual. Moskow: PH «Academy», 2006. 288 p.

3. Calculation of electromagnetic fields by means of program complex ANSYS / Vishniakov S.V., Gordukhina N.M., Fedorova E.M. and others; Under edition of professor Kazanceva U.A. Moskow: Publishing MEI, 2003. 62 p.

4. Turovsky Ia. Electromagnetic calculations of elements of electric drives: Translate. from the polish. Moskow: Energyatompublish-ing, 1986. 200 p.

УДК 662.612.31

Задонская Т.А, Швецова Е.С., Копцев В.В.

ГОРЕНИЕ ВЫСОКОСКОРОСТНЫХ ПОТОКОВ ПРИРОДНОГО ГАЗА

Как было показано ранее [1], рациональное горение потоков газовоздушной смеси невозможно обеспечить только за счет механизма нормального горения, т.е. за счет нагрева смеси теплопроводностью. Скорость движения температурной волны в подобной газовоздушной смеси ничтожно мала [1], порядка 3 10-2—15 10-2 м/с. Такая скорость распространения пламени не обеспечивает необходимую скорость горения топлива и, что особенно важно, необходимое месторасположение факела. Большинство печей, а вращающиеся печи в особенности, требуют по технологическим условиям расположения зоны горения в непосредственной близости от го-релочного устройства. Скорость истечения природного газа из сопла горелочного устройства типа ГЦГ (рис. 1) лежит в пределах 1,2-1,5 М\ (здесь М\ - скорость Маха). Высокая скорость обеспечивает, во-первых, подачу в зону горения больших объемов топлива а, во-вторых, вьЕокоэнергетический газо- -Э

вый поток обеспечивает его высокую степеньсмешивания со с путным потоком воздуха [2] на внешних поверхностях (боковой конической и торцевой) центрального тела 1.

Но высокая скорость газовоз -душной смеси сдвигала бы зону горения на значительное удаление от сопла горелочного устройства в случае нагрева смеси только за счет теплопроводности. Создание

ударной адиабаты обеспечивает активный и быстрый прогрев газовоздушнойсмеси

уже на расстоянии 3-4 калибров от среза сопла [2, 3]. Ударная адиабата является следствием «косого» скачка уплотнения, возникающего при обтекании трансзвуковым потоком препятствия, в данном случае наклона обечайки 2. Зависимость направления косого скачка Р от величины угла отклонения потока приведена на рис. 2. Абрамович Г.Н. [4] приводит подобную зависимость для воздуха при показателе изоэнтропы к=1,4, тогда как зависимости (см. рис. 2) рассчитаны для природного газа с показателем изоэнтропы к= 1,306. Для расчета использовалась зависимость [5]:

tg 8 =

M12 sin2 р-1

M2

к+1 .2 о

--------sin р

+1

tg Р

ІРі - радиус штока; - радиус цилиндрической трубы горелки; 1Рз - максимальный

радиус конического центрального тела; 1?4 - радиус кормовой части конического центрального тела; И - минимальная ширина кольцевого зазора между обечайкой 2 и центральным телом 1; аі- угол конусности обечайки 2 и центрального тела;

02 - угол конусности лобовой части центрального тела 1

ЭНЕРГЕТИКА И ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКА МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОЙ ОТРАСЛИ

а,

4G

35

3G

25

2G

15

1G

5

G

которая также применялась для расчета подобной зависимости, но при к=1,3.

Смысл нагрева газовой смеси можно пояснить на следующем примере: при резком качке поршня ручного велосипедного насоса происходит нагрев смеси и от нее -нагрев корпуса насоса, который мы ощущаем. Нагрев происходит за счет прохождения ударной адиабаты, образованной в результате «прямого» скачка уплотнения при резком движении поршня. Любой косой скачок уплотнения можно разложить на нормальную (прямую) и тангенциальную компоненты. Скорость движения поршня мала по сравнению со скоростью трансзвукового газового потока, также соотносятся и тепловые эффекты, т.е. при прохождении ударной адиабаты (адиабаты Гюгонио) через газовый поток происходит значительный нагрев смеси. Скорость прохождения такой волны пропорциональна углу скачка. Так, при малых значениях углов отклонения потока и рассмотренных скоростях (М=1,2-1,5) величины угла скачка лежат в пределах 45-65°, так как утверждается [5], что плоскому косому скачку отвечают только меньшие значения р. При достаточно малом соотношении ширины кольцевого зазора к его диаметру и всегда очень малой толщине скачка уплотнения формулы для расчета плоско параллельного (одномерного) косого скачка применимы и к осесимметричному скачку. Процесс преобразования давления в скорость в сверхзвуковом и звуковом потоках протекает без существенных потерь, т.е. примерно при постоянной энтропии и, следовательно, очень близок к идеальной адиабате. Поэтому формулы для расчета идеального сверхзвукового сопла применимы для реальных сопел. Таким образом, скорость распространения ударной адиабаты вдоль оси горелки представляет собой произведение скорости движения ударной адиабаты на косинус угла скачка р.

Приведенная скорость ударной адиабаты за косым скачком уплотнения

X,2 = X2 cos2

а1 +

1- kzj X ;cos2 01

^(1- cos2 aj

X а k1 • cos p.

При расчетах горения обычно применяют обращенную схему явления, согласно которой газ притекает в зону горения, а фронт ударной адиабаты считается неподвижным. В нашем случае картина горения представляется несколько иначе: в момент достижения концентрации природного газа в газовоздушной смеси, соответствующей верхнему пределу воспламе-

30 4 0 5 0 6 0 70 80 90 Р

Рис. 2. Зависимость между углом отклонения потокаа 1 и углом скачка р при различных скоростях невозмущенного потока

нения и «прохождения» ударной адиабаты, и начинается процесс горения.

Вывод. Представлена модель высокоскоростного сжигания природного газа, учитывающая эффект детонационной подготовки горючей смеси.

Список литературы

1. Зельдович Я.Б. Теория горения и детонация газов. М.; Л.: Изд-воАН СССР, 1944.

2. Копцев В.В. Методика раснета горелочных устройств на базе сопла с центральным телом // Вестник СамГТУ. Сер. Физикоматематические науки. 2007. № 1 (14). С. 148-154.

3. Двухпроводная горело с центральным телом для газовых одностопных колпаковых печей / Копцев В.В., Борисова М.П., Казаков О.В., Г орбулин В.Н. // Металлург. 2006. № 10. С. 76-78.

4. Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика: учеб. руководство длявтузов. 5- еизд., перераб. идоп. М.: Наука, 1991. 304 с.

5. Дейч М.Е. Техническая газодинамика. 2-е изд., перераб. М.; Л.: Госэнергоиздат, 1961. 671 с.

List of literature

1. Zeldovich J.B. Theory of burning and detonation of gases. M.; L.: Academy of sciences publishing USSR, 1944.

2. Kopzev V.V. Methodik of counting burning apparatus based on nozzle with central bodi// Vestnik SamGTU. «Physik and mathematics sciences» Series. 2007. № 1 (14). P. 148-154.

3. Kopzev V.V., Borisova M.P., Kazakov O.V. Two wired burnen with central bodi for oneaxled gas concreted furnaces // Metallurg. 2006. № 10. P. 76-78.

4. Abramovich G.N. Applied dynamic of gases: T raining appliances for high school. 5-th edition, remade and added. M.: Science, 1991. 304 p.

5. Deich M.E. Technikal dynamic of gases. 2-nd edition, remade. M.; L.: Gosenergo-isdat, 1961. 671 p.