Интенсификация процессов переноса в горелочном устройстве с цилиндрическим стабилизатором пламени

Chornij Z.P., Vajdanitch V.I., Pirko I.B., Djachuk N. V., Salapak V.M, Kob-runovitch M.S. Activator Radio Luminescence in BaCl2-Pb Crystal in the Temperature Interval 145-300 K

The mechanism of radio luminescence of BaCl2-Pb crystals in the temperature range 145300 K is studied in the linear model of the crystal. The probability of radioactive and thermal relaxation of electron-hole pairs in the crystal lattice and their dependence on the activator concentration and temperature exposure of the crystal are calculated. The spectrum of radio luminescence of BaCl2-Pb2 crystal is shown to consist of two bands with maxima at 1=550 nm and 320 nm. The energy output of radio luminescence in bands of 550 and 320 nm, and the dependence of the energy output on the content of impurities in the crystal are calculated.

Key words: crystals, radiation, radio luminescence, band, colour centers.

УДК 662.61:621 Проф. Н.М. Фиалко1, д-р техн. наук;

вед. науч. сотр. Ю.В. Шеренковский1, канд. техн. наук; мл. науч. сотр. Н.В. Майсон1; вед. науч. сотр. Н.О. Меранова\ канд. техн. наук; доц. Л.С. Бутовский2, канд. техн. наук; доц. М.З. Абдулин2, канд. техн. наук; мл.

науч. сотр. Н.П. Полозенко1; аспир. А.В. Клищ1; мл. науч. сотр. С.Н. Стрижеус1; мл. науч. сотр. А.Б. Тимощенко1

ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССОВ ПЕРЕНОСА В ГОРЕЛОЧНОМ УСТРОЙСТВЕ С ЦИЛИНДРИЧЕСКИМ СТАБИЛИЗАТОРОМ ПЛАМЕНИ

Представлены результаты исследования закономерностей процессов переноса в го-релочном устройстве с цилиндрическим стабилизатором пламени при использовании различных способов интенсификации этих процессов. Проанализирована ситуация, отвечающая применению прямоугольной кольцевой ниши на боковой поверхности стабилизатора. Приведены данные исследования, касающиеся возможности интенсификации смесеобразования топлива и окислителя путем варьирования расположения газопода-ющих отверстий относительно срывной кромки стабилизатора.

Ключевые слова: интенсификация процессов переноса, математическое моделирование, кольцевая ниша, цилиндрический стабилизатор пламени.

Введение. Одним из актуальных направлений развития огнетехнического оборудования является повышение эффективности сжигания топлива в соответствующих горелочных устройствах. В последний период широкое распространение в энергетической практике находят горелки стабилизаторного типа с внедрением топлива в сносящий поток окислителя с боковых поверхностей стабилизаторов пламени. Различные аспекты рабочих процессов в указанных горелочных устройствах исследованы во многих работах (например [1-3]). Однако, главным образом, рассмотрению подлежали ситуации, отвечающие применению плоских стабилизаторов пламени.

В настоящей работе проведено исследование закономерностей процессов переноса в горелочном устройстве с цилиндрическим стабилизатором пламени при использовании различных способов интенсификации этих процессов. Проанализирована ситуация, отвечающая применению прямоугольной кольцевой ниши на боковой поверхности стабилизатора, а также обсуждены результаты ис-

1 Институт технической теплофизики НАН Украины, г. Киев;

2 Национальный технический университет Украины "КПИ", г. Киев

следования, касающиеся возможности интенсификации смесеобразования топлива и окислителя путем варьирования расположения газоподающих отверстий относительно срывной кромки стабилизатора.

Основные результаты исследования. Схема, продольный разрез и основные геометрические характеристики рассматриваемого горелочного устройства с цилиндрическим стабилизатором пламени приведены на рис. 1.

Г

250

Рис. 1. Схема (а) и продольный разрез (б) горелочного устройства с цилиндрическим стабилизатором пламени при наличии кольцевой ниши: 1) цилиндрический канал; 2) цилиндрический стабилизатор пламени; 3) газоподающие отверстия; 4) кольцевая

ниша

Условия проведения исследования отвечали следующим исходным данным: средняя скорость воздуха во входном сечении горелки и0 = 10 м/с; средняя скорость природного газа на выходе из газоподающих отверстий и0 = 55,3 м/с; интенсивность турбулентности на входе в горелочное устройство 10 = 3 %; абсо-

лютная температура воздуха и газа Т = 300 К; расстояние от срывной кромки стабилизатора до газоподающих отверстий Ь1 = 0,06 м. При изучении влияния расстояния Ь1 на особенности смесеобразования топлива и окислителя нишовая полость отсутствовала, средняя скорость воздуха на входе в горелочное устройство принималась равной 4,7 м/с, а величина Ь1 варьировалась в пределах от 0,015 м до 0,14 м.

В рамках данной работы выполнен комплекс вычислительных экспериментов, базирующихся на использовании ЯАКБ подхода к моделированию турбулентных течений. При этом в качестве модели турбулентного переноса применялась к-в модель турбулентности в модификации КЫО.

Как свидетельствуют полученные данные, особенности течения топлива и окислителя в горелочном устройстве с цилиндрическим стабилизатором пламени для ситуаций наличия и отсутствия ниши существенно отличаются как в качественном, так и в количественно отношении (рис. 2, 3).

Рис. 2. Поля интенсивности турбулентности в продольном сечении цилиндрического горелочного устройства ф = 0, проходящем через центр газоподающего отверстия, при отсутствии (а) и наличии (б) нишевой полости

Как видно из рис. 3, при отсутствии нишевой полости радиальные распределения интенсивности турбулентности I характеризуются наличием двух локальных максимумов. Первый из них имеет место вблизи стенки канала горелки, связанный с пристеночной турбулентностью, второй, более ярко выраженный, соответствует оси газовой струи в сносящем потоке окислителя. При наличии кольцевой ниши к указанным максимумам добавляется еще один, расположенный в собственно нишевой полости и обусловлен наличием так называемого слоя смешения.

В соответствии с результатами расчетов (рис. 3), область наибольшего влияния кольцевой нишевой полости на интенсивность турбулентности потока располагается вблизи внешней поверхности стабилизатора пламени г = 0,015 м. По мере удаления от данной поверхности это влияние уменьшается и на некотором расстоянии от нее уровни I становятся практически одинаковыми, для

/ %

ситуаций наличия и отсутствия нишевой полости. Причем, приближаясь к передней по потоку кромке ниши в фиксированных сечениях 2=сопб1:, выравнивание значений интенсивности турбулентности потока происходит на все меньшем расстоянии Я от наружной поверхности стабилизатора. Так в сечениях, отвечающих задней стенке ниши (г= 0,235 м) и четверти длины ниши от ее передней стенки (2=0,2125), значения Я равны 0,025 м и 0,02 м соответственно.

0,039 0,033 0,027 0.021 0.015 0.009

1

0,04 0.035 0.03 0.025 0.02 0.015

/  — 1

/ /

—-

у

в) о 5 10 15 20 1 % г) 0 5 10 15 20 /, %

Рис. 3. Распределение интенсивности турбулентности по радиусу горелки при отсутствии (1) и наличии (2) прямоугольной кольцевой ниши в продольном сечении горелочного устройства, проходящем через центр газоподающего отверстия, при различных значениях осевой координаты г: а) 2 = 0,2125 м (четверть длины ниши); б) 2 = 0,22 м (середина ниши); в) 2=0,2275 м (три четверти длины ниши); г) 2=0,235 м

Таким образом, наблюдается локализация влияния кольцевой ниши на интенсивность турбулентности потока вблизи зоны ее расположения на расстоянии 5-10 мм от внешней поверхности стабилизатора пламени, что является важным для воспламенения топлива и стабилизации пламени.

Как показали выполненные исследования, в условиях применения нише-вой полости повышение уровня интенсивности турбулентности может быть значительным, по отношению к ситуации ее отсутствия. Так, в сечении проходящем через заднюю стенку ниши (г=0,235 м) вблизи внешней поверхности стабилизатора (г=0,016 м) значения I для сопоставляемых ситуаций равны примерно 12 %

и 23 %, т. е. наличие ниши обуславливает повышение интенсивности турбулентности почти в два раза.

Необходимо также отметить, что по результатам выполненных исследований потери давления, связанные с наличием кольцевой прямоугольной ниши, незначительны. А именно, для рассматриваемых условий, в случае отсутствия нишевой полости потери давления АР в горелке равны 33,2 Па, а при наличии ниши - 35,2 Па. То есть, указанные потери увеличиваются лишь на 2,0 Па.

Перейдем к рассмотрению результатов математического моделирования, иллюстрирующих особенности протекания процессов смесеобразования топлива и окислителя в горелочных устройства с цилиндрическим стабилизатором пламени при варьировании в широких пределах расстояния Ь1 между срывной кромкой стабилизатора и газоподающими отверстиями.

На рис. 4 приведены типичные поля массовой концентрации метана в го-релочном устройстве для Ь1 = 0,14 м; 0,1 м; 0,06 м и 0,015 м. Зоны отмеченные на рис. 4 отвечают составу смеси с различным содержанием метана: в зоне I массовая доля метана ГСН4 ниже нижнего концентрационного предела воспламенения (УСН4<0,028); зона II отвечает значениям ГСН4 превышающим верхний концентрационный предел (ГСН4>0,089); зона III характеризуется содержанием топлива в концентрационных пределах воспламенения (0,028<7СН4<0,089).

Рис. 4. Поля массовой концентрации метана в продольном сечении горелки с цилиндрическим стабилизатором, проходящем через центр газоподающего отверстия, при различных значениях расстояния от срывной кромки до газоподающих отверстий а) Ь1 = 0,14 м; б) Ь1 = 0,1 м; в) Ь1 = 0,06 м; г) Ь1 = 0,015 м

Согласно полученным данным при относительно больших величинах Ь1 (Ь1> 0,1 м) в поперечном сечении горелки, проходящем через срывную кромку стабилизатора, большая часть смеси топлива и окислителя находится в концентрационных пределах воспламенения, что соответствует условиям реализации механизма сжигания топлива близкого к кинетическому, т.е. высокоинтенсивному процессу горения.

При сравнительно небольших Ь1 (Ь1 < 0,06 м) значительную часть сечения горелочного устройства, проходящего через срывную кромку стабилизатора, занимает смесь с повышенным содержанием газа или окислителя, и механизм сжигания топлива приобретает характеристики менее интенсивного диффузионного горения.

Выводы:

1. Проведен комплекс математического моделирования по определению закономерностей влияния на характеристики процессов переноса различных способов их интенсификации в горелочных устройствах с цилиндрическим стабилизатором пламени при подаче топлива внедрением в сносящий поток окислителя.

2. Выполнены исследования влияния прямоугольной кольцевой ниши на параметры течения в цилиндрическом горелочном устройстве. В частности установлено, что:

• при наличии ниши интенсивность турбулентности потока I увеличивается, причем в местах ее максимальных значений может превышать соответствующие величины в случае отсутствия ниши почти в два раза;

• зона наибольшего влияния ниши на турбулизацию потока локализуется вблизи места ее расположения, что является важным для воспламенения топлива и стабилизации пламени;

3. Получены данные исследования закономерностей смесеобразования топлива и окислителя в цилиндрических горелках при варьировании в широких пределах расстояния Ь1 между срывной кромкой стабилизатора и газоподающи-ми отверстиями. Показано что:

• при относительно больших величинах (Ь^ > 0,1 м) смешение топлива и окислителя отвечает условиям реализации механизма сжигания топлива близкого к кинетическому, т.е. высокоинтенсивному процессу горения;

• при сравнительно небольших (Ь^ < 0,06 м) механизм сжигания топлива будет приобретать характеристики менее интенсивного диффузионного горения.

Литература

1. Фиалко Н.М. Компьютерное моделирование процесса смесеобразования в горелочных устройствах стабилизаторного типа с подачей газа внедрением в сносящий поток воздуха / Н.М. Фиалко, Л.С. Бутовский, В.Г. Прокопов и др. // Промышленная теплотехника. - 2011. - № 1. - С. 51-56.

2. Фиалко Н.М. Устойчивость факела за плоским стабилизатором при подаче газа внедрением в воздушный поток / Н.М. Фиалко, Л.С. Бутовский, Е.А. Грановская // Технологические системы. - 2010. - Т. 52, № 3. - С. 72-76.

3. Фиалко Н.М. Моделирование структуры течения изотермического потока в эшелонированной решетке плоских стабилизаторов пламени / Н.М. Фиалко, Л.С. Бутовский, В.Г. Прокопов и др. // Промышленная теплотехника. - 2010. - № 6. - С. 28-36.

ФiалкоН.М., Шеренковський Ю.В., Майсон М.В., Меранова Н.О., Бу-товський Л.С., Абдулт М.З., Полозенко Н.П., Клщ А.В., Стрижеус С.М., Тимощенко О.Б. 1мтемсиф1кац1я процеав переносу в пальниковому пристро! з цилшдричним стабШзатором полум'я

Представлено результати дослщження закономiрностей процеив переносу в пальниковому пристро! з цилшдричним стабшзатором полум'я у разi застосування рiзних способiв штенсифшаци цих процеив. Проаналiзовано ситуацию, що вщповщае викорис-танню прямокутно! кшьцево! нiшi на бiчнiй поверхш стабшзатора. Наведено даш досль джень щодо можливост штенсифшаци сумшоутворення палива та окисника шляхом ва-

ршвання мюця розташування газоподавальних отвор1в вщносно зривно'1 кромки стабш-затора.

Ключовi слова: штенсифшацш процеив переносу, математичне моделювання, кшь-цева шша, цилшдричний стабшзатор полум'я.

Fialko N.M., Sherenkovsky Y.V., Maison M.V., Meranova N.O., Bu-tovsky L.S., Abdulin M.Z., Polozeko N.P., Klishch A.V., Stryzheus S.M., Ti-moshchenko O.B. The Intensification of Transfer Processes within a Burner with a Cylindrical Flame Holder

The patterns of relationship investigation results of transfer processes within a burner with a cylindrical flame holder, using different intensification methods of the processes are presented. The case of application a rectangular circular cavity on a lateral face of the flame holder is analyzed. The data of the research concerning potentiality of fuel and oxidizer mixing intensification in way of variation gas supply holes locations relatively the flame holder stalling edge is discussed.

Key words: transfer processes intensification, mathematical simulation, circular cavity, cylindrical flame holder.

УДК 674.047 Проф. П.В. Бтей, д-р техн. наук;

доц. I.A. Соколовський, канд. техн. наук - НЛТУ Украти, м. Льв1в

ОСНОВИ К1НЕТИКИ ПРОЦЕСУ СУШ1ННЯ

Розглянуто фiзичнi явища, що описують кшетику процесу сушшня, яка характеризуемся змшою вологост (вологов)шсту) матерiалу за певний про)шжок часу. Процес сушшня подшено на два перюди: стало! та сповшьнено! швидкостей сушшня. Виведено за-лежност мiж штенсившстю теплообмену i швидюстю сушшня для обох перiодiв з вико-ристанням закону збереження енергп i маси речовини. У цих ршняннях використано теп-лообмiнний i масообмшний критерп Нуссельта i Ребшдера. Наведена методика дае дос-татньо точнi для практичного використано результата з визначення кiнетики процесу будь-якого способу сушiння.

Ключовi слова: теплообмен, масообмiн, вологiсть, вологовмiст, температура, теп-лопровiднiсть, конвекцш, сушшня, кинетика, критерп, швидкiсть сушшня, iнтенсивнiсть.

Вступ. Кшетика процесу сушiння характеризуеться змiною середнього вологовмкту - U(t) (або середньою за об'емом вологiстю - Wt, %, де U (,)=0,01 • W t) i середньо! температури матерiалу - t(t за певний промiжок часу -t Змiна локального вологовмкту i локально!' температури залежить ввд взаемо-пов'язаного механiзму перенесения тепла i вологи в серединi матерiалу та тепло-обмiну i масообмшу матерiалу з оточуючим його середовищем. Внутрiшнiй теп-ломасообмiн залежить вщ будови матерiалу i характеру зв'язку вологи в ньому. Зовнiшнiй тепломасообмш визначаеться закономiрностями взаемодл матерiалу з середовищем. Знаходження полiв вологовмiсту U (x, y, z, t) i температури можливе розв'язком системи диференцшних рiвиянь тепло- i вологоперенесення за ввдпо-ввдних початкових i граничних умов залежно вiд способу i режиму сушiння [1-4].

Основна частина. Розглядаючи найбiльш простий випадок сушшня дуже тонкого вологого матерiалу м'якими режимами з постiйними параметрами сере-довища (tc=const, j=const, w=const), то процес сушшня вщбуваеться таким чином. У початковий перiод зменшення вологостi матерiалу е незначним, а температура поверхневих i внутртшх шарiв зростае до температури змоченого термо-