Двухступенчатая вихревая горелка со ступенью для генерации стационарного спирального вихря

Полезная модель относится к области теплоэнергетики. Полезная модель может найти применение в любой отрасли промышленности, связанной со сжиганием угольного топлива в вихревых топках, в частности, в установках по глубокой переработке угля в другие виды топлива, например, синтез-газ.
Известным из уровня техники решением для интенсификации закрутки потока является диафрагмирование, т.е. сужение выходного сечения топочной камеры.
Эффект интенсификации вращения потока при установке сужающей диафрагмы с центральным отверстием был продемонстрирован для гидравлической модели вихревой (тангенциальной) топки [Гешева Е.С., Шторк С.И., Алексеенко С.В. Исследование характеристик концентрированного вихря в тангенциальной камере с помощью PIV техники и компьютерного моделирования // Вестник НГУ. Серия физика. - 2014. - Т. 9, вып. 3. - С. 39-48]. Интенсификация закрутки потока приводила к увеличению длины траектории и времени пребывания частицы в камере сгорания, что свидетельствует о том, что интенсификация закрутки потока будет приводить к более полному выгоранию топлива.
Эффект увеличения длины траектории и времени пребывания частицы в камере сгорания усиливается, если выходное отверстие диафрагмы сместить относительно центра топочной камеры. Как было показано в гидравлической модели тангенциальной топки, при установке диафрагмы со смещенным отверстием в топочной камере формируется вихрь со спиральной осью вращения, который дает увеличение средней траектории движения частицы внутри камеры примерно в 1,5 раза, а времени пребывания почти в 2 раза в сравнении с вариантом, где образуется прямолинейный вихрь [Gesheva E.S., Shtork S.I., Alekseenko S.V. Evaluation of the efficiency of using the swirl flow with the formation of helical vortices // IOP Conf. Series: Journal of Physics: Conf. Series 899 (2017); Shtork S.I., Litvinov I.V., Gesheva E.S., Tsoy M.A., Skripkin S.G. Experimental modeling of swirl flows in power plants // IOP Conf. Series: Journal of Physics: Conf. Series 980 (2018)].
Описанные выше результаты по влиянию диафрагмирования и смещения выходного отверстия на аэродинамическую структуру течения в горелочном устройстве были получены в модельных установках со специфической геометрией. В частности, модельные рабочие участки имели квадратную форму поперечного сечения, а также генератор закрутки потока в виде распределенных по периметру сопловых блоков. Типичные промышленные горелочные устройства имеют отличающуюся конструкцию, в частности, цилиндрическую геометрию с круглым поперечным сечением и горелки с односторонней или двусторонней подачей топлива и окислителя. Закрученные (вихревые) потоки относятся к одним из самых сложных объектов гидро- и аэродинамики, а влияние различных конструктивных элементов проточного канала на их структуру подчас непредсказуемо. Поэтому возможность создания закрученного потока со спиральным вихрем в канале с геометрией, отличающейся от известных из литературы, не является очевидной и требует специальной проверки. Данная проверка для заявляемого устройства, как будет изложено ниже, была проведена на основе численного эксперимента.
Наиболее близким по совокупности признаков к заявляемому устройству является двухступенчатая вихревая горелка [патент РФ №2635178, F23D 1/02, 13.12.2016], включающая три последовательно и соосно установленные осесимметричные камеры. В камере первой ступени реализуется устойчивое горение, в том числе в случае обедненных режимов, которые представляют интерес с точки зрения достижения низких выбросов оксидов азота. Первая ступень вихревой горелки служит для воспламенения угольного топлива, которое подают во вторую ступень. Закрутка потока во второй ступени противоположна закрутке потока в первой ступени. Противокрутка способствует более быстрому смешению горелочной струи первой ступени с потоком пылеугольной смеси, которую подают во вторую ступень, и более эффективному поджигу пылеугольной смеси. Преимуществами данной горелки является более равномерное заполнение объема рабочей камеры в сочетании с выраженной умеренной закруткой потока и устойчивость течения, что в принципе позволяет обеспечить более эффективное и безопасное сжигание угольного топлива.
К недостаткам данной конструкции можно отнести то, что в результате встречной закрутки потока в первой и второй ступенях горелки происходит общее уменьшение степени крутки потока. Это приводит к быстрому затуханию вращательного движения факела по длине камеры сгорания (топочной секции), следующей за второй ступенью закрутки. Исходя из этого, для обеспечения полного выгорания топлива необходима установка удлиненной топочной секции, что увеличивает габариты устройства, и, соответственно, металлоемкость и затраты на изготовление.
Задачей настоящей полезной модели является создание компактной двухступенчатой вихревой горелки оптимизированной конструкции, позволяющей повысить полноту выгорания угольного топлива.
За основу заявляемой конструкции вихревой горелки взята двухступенчатая схема с завихрителями первой и второй ступеней. Предлагаемая двухступенчатая вихревая горелка содержит последовательно и соосно установленные три осесимметричные камеры с цилиндрической геометрией с круглым поперечным сечением: камеру первой ступени с тангенциальными патрубками подачи окислителя и центральной подачей пропана через газовое запальное устройство, камеру второй ступени с тангенциальным патрубком подачи пылеугольного топлива и камеру сгорания. Камеры первой и второй ступеней соединены при помощи установленного соосно с камерами профилированного сопла. В камере сгорания установлена диафрагма с выходным отверстием, смещенным относительно центра камеры таким образом, что оно генерирует вихревой поток со спиральной осью вращения. Аэродинамическая структура течения со спиральным вихрем характеризуется увеличением длины пути и времени пребывания частиц топлива в камере сгорания, что способствует увеличению полноты выгорания топлива и устойчивости факела.
Такое решение позволяет, с одной стороны, сжигать в горелочном устройстве низкосортное низкореакционное топливо, с другой стороны, при сжигании обычного топлива уменьшить длину камеры сгорания, т.е. уменьшить габариты горелочного устройства. Последнее важно в плане снижения расхода материала и соответственно затрат на изготовление горелочного устройства.
Сущность технического решения поясняется рисунками.
На Фиг. 1 показана схематично двухступенчатая вихревая горелка.
Где: 1 - газовое запальное устройство; 2 - камера первой ступени; 3 - патрубки подачи окислителя; 4 - камера второй ступени (улиточный завихритель); 5 - профилированное сопло; 6 - диафрагма; 7 - соединительный фланец; 8 - камера сгорания; 9 - патрубок подачи воздуха с углем микропомола.
Заявляемое устройство состоит из трех камер.
Камера первой ступени 2 имеет цилиндрическую форму круглого поперечного сечения. Для подвода окислителя в камеру выполнены два входных тангенциальных патрубка 3. Для подачи пропана служит газовое запальное устройство 1. Тангенциальные патрубки подачи окислителя в камеру первой ступени установлены противоположно и зеркально относительно друг друга. Камера второй ступени 4 также имеет цилиндрическую форму круглого поперечного сечения. Для подачи в камеру воздуха с углем микропомола служит тангенциальный патрубок 9. Камеры первой и второй ступеней соединены с использованием профилированного сопла 5, на выходе из которого реализуется закрученное течение. Камера второй ступени и камера сгорания соединены с использованием соединительного фланца 7. Диафрагма 6 со смещенным отверстием установлена в камере сгорания 8. Диафрагма 6 может быть установлена в любом месте по длине камеры.
Устройство работает следующим образом.
Первоначально производят подачу воздуха через патрубки 3 в тангенциальную камеру первой ступени 2 вихревого горелочного устройства. После подают пропан или любой другой горючий газ в центральную часть первой ступени 2 через газовое запальное устройство 1, которое производит воспламенение пропана или любого другого горючего газа за счет высоковольтного разряда электрического тока. Факел выходит из профилированного сопла 5 во вторую ступень 4 вихревого горелочного устройства. Таким образом, производится прогрев второй ступени 4 и вывод вихревого горелочного устройства на заданную температуру. В камере первой ступени 2 реализуется закрученный реагирующий поток, выходящий через сопло во вторую ступень 4. Производят подачу пылеугольной смеси в улиточную камеру второй ступени 4 вихревого горелочного устройства через патрубок 9, закручивающие поток противоположно закрутке потока первой ступени. Производится поджигание пылеугольной смеси факелом, выходящим из профилированного сопла 5. Двухступенчатая горелка соединяется с топочным объемом 8 при помощи фланцевого соединения 7, которое позволяет организовать универсальное соединение. Вихревое горелочное устройство начинает работать. Горящая пылеугольная смесь поступает в топочный объем 8, где установлена смещенная диафрагма 6. В результате прохождения закрученного потока через смещенную диафрагму 6 образуется стационарная винтовая структура.
in
5
3
Возможность реализации спиральной структуры во второй ступени двухступенчатой вихревой горелки была подтверждена путем численного моделирования. При моделировании потока был использован LES метод моделирования потока со следующими параметрами: решалась нестационарная неявная задача, количество ячеек составило 500 тысяч, было рассчитано порядка 12 тыс. итераций, шаг по времени составил 0,05 с, скорость на входе V=1 м/с, число Рейнольдса Re=10, расход жидкости (вода) Q=10 м/ч.
При моделировании потока исследовались три варианта расчетной геометрии горелочного устройства: без диафрагмы, с диафрагмой с центральным отверстием (центральная диафрагма), с диафрагмой со смещенным отверстием (смещенная диафрагма).
2
Визуализации вихревых структур с помощью критерия λ представлены на фиг. 2, 3 и 4.
2
На фиг. 2 показана визуализация вихревых структур для расчетной геометрии горелочного устройства без диафрагмы, λ=-300.
2
На фиг. 3 - для расчетной геометрии горелочного устройства с центральной диафрагмой, λ=-14000.
2
На фиг. 4 - для расчетной геометрии горелочного устройства со смещенной диафрагмой, λ=-9000.
Вихревая структура в камере без диафрагмы нестационарная и прецессирует вокруг оси камеры (Фиг 2).
Центральное расположение выходного отверстия диафрагмы приводит к образованию устойчивого прямолинейного вихря вблизи оси канала (фиг. 3). Поток ниже диафрагмы нечувствителен к условиям позади диафрагмы.
Смещение выходного отверстия диафрагмы приводит к образованию односпирального вихря (фиг. 4).
Сравнение результатов расчета показывает, что длины траекторий для режима со спиральным вихрем заметно больше, чем для режима с прямолинейным вихрем. В случае односпирального вихря среднее время пребывания частицы в камере сгорания увеличивается почти в 2 раза.
Таким образом, расчеты показали, что для двухступенчатой вихревой горелки со смещенной диафрагмой режимы с одиночным и особенно двойным спиральным вихрем характеризуются большей вовлеченностью объема внутренней камеры в интенсивное вихревое движение, что может интенсифицировать процессы перемешивания и улучшить теплообмен в камере сгорания, что, соответственно, способствует повышению полноты выгорания угольного топлива.