Численное моделирование процессов аэродинамики в топке водогрейного котла со вторичным излучателем
Рассмотрено численное моделирование аэродинамики в топке водогрейного котла. Представлены поля векторов скорости и давления в различные моменты времени. Обсуждены результаты проведенного численного исследования....
Gespeichert in:
| Datum: | 2006 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Інститут технічної теплофізики НАН України
2006
|
| Schriftenreihe: | Промышленная теплотехника |
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/61363 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Численное моделирование процессов аэродинамики в топке водогрейного котла со вторичным излучателем / Б.И. Басок, В.Г. Демченко, М.П. Мартыненко // Промышленная теплотехника. — 2006. — Т. 28, № 1. — С. 17-22. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-61363 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-613632014-05-05T03:01:21Z Численное моделирование процессов аэродинамики в топке водогрейного котла со вторичным излучателем Басок, Б.И. Демченко, В.Г. Мартыненко, М.П. Тепло- и массообменные процессы Рассмотрено численное моделирование аэродинамики в топке водогрейного котла. Представлены поля векторов скорости и давления в различные моменты времени. Обсуждены результаты проведенного численного исследования. Розглянуто числове моделювання аеродинаміки в топці водогрійного котла. Наведено поля векторів швидкості та тиску в різні моменти часу. Обговорено результати проведеного числового дослідження. The numerical modeling of aerodynamic at hot-water boiler furnace is considered. Fields of magnitude velocity and pressure at different time moment are presented. The results of relevant numerical data are discussed. 2006 Article Численное моделирование процессов аэродинамики в топке водогрейного котла со вторичным излучателем / Б.И. Басок, В.Г. Демченко, М.П. Мартыненко // Промышленная теплотехника. — 2006. — Т. 28, № 1. — С. 17-22. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. 0204-3602 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/61363 536.24:697.32 ru Промышленная теплотехника Інститут технічної теплофізики НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| topic |
Тепло- и массообменные процессы Тепло- и массообменные процессы |
| spellingShingle |
Тепло- и массообменные процессы Тепло- и массообменные процессы Басок, Б.И. Демченко, В.Г. Мартыненко, М.П. Численное моделирование процессов аэродинамики в топке водогрейного котла со вторичным излучателем Промышленная теплотехника |
| description |
Рассмотрено численное моделирование аэродинамики в топке водогрейного котла. Представлены поля векторов скорости и давления в различные моменты времени. Обсуждены результаты проведенного численного исследования. |
| format |
Article |
| author |
Басок, Б.И. Демченко, В.Г. Мартыненко, М.П. |
| author_facet |
Басок, Б.И. Демченко, В.Г. Мартыненко, М.П. |
| author_sort |
Басок, Б.И. |
| title |
Численное моделирование процессов аэродинамики в топке водогрейного котла со вторичным излучателем |
| title_short |
Численное моделирование процессов аэродинамики в топке водогрейного котла со вторичным излучателем |
| title_full |
Численное моделирование процессов аэродинамики в топке водогрейного котла со вторичным излучателем |
| title_fullStr |
Численное моделирование процессов аэродинамики в топке водогрейного котла со вторичным излучателем |
| title_full_unstemmed |
Численное моделирование процессов аэродинамики в топке водогрейного котла со вторичным излучателем |
| title_sort |
численное моделирование процессов аэродинамики в топке водогрейного котла со вторичным излучателем |
| publisher |
Інститут технічної теплофізики НАН України |
| publishDate |
2006 |
| topic_facet |
Тепло- и массообменные процессы |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/61363 |
| citation_txt |
Численное моделирование процессов аэродинамики в топке водогрейного котла со вторичным излучателем / Б.И. Басок, В.Г. Демченко, М.П. Мартыненко // Промышленная теплотехника. — 2006. — Т. 28, № 1. — С. 17-22. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. |
| series |
Промышленная теплотехника |
| work_keys_str_mv |
AT basokbi čislennoemodelirovanieprocessovaérodinamikivtopkevodogrejnogokotlasovtoričnymizlučatelem AT demčenkovg čislennoemodelirovanieprocessovaérodinamikivtopkevodogrejnogokotlasovtoričnymizlučatelem AT martynenkomp čislennoemodelirovanieprocessovaérodinamikivtopkevodogrejnogokotlasovtoričnymizlučatelem |
| first_indexed |
2025-07-05T12:24:56Z |
| last_indexed |
2025-07-05T12:24:56Z |
| _version_ |
1836809765323276288 |
| fulltext |
ЛИТЕРАТУРА
1. Никитенко Н.И. Теория тепломассопере;
носа. Киев: Наук. думка, 1983.
2. Теория тепломассообмена. Под редакцией
А. И. Леонтьева. М.: МГТУ им. Баумана. 1997.
3. Никитенко Н.И. Сеточный метод расчета
течения и теплообмена вязкой несжимаемой
жидости. // ИФЖ. 1986. T. 50, N 3. С. 476 – 482.
4. Никитенко Н.И., Кольчик Ю.Н., Сороковая
Ю.Н. Метод канонических элементов для моде;
лирования гидродинамики и тепломассообмена
в областях произвольной формы. // ИФЖ. 2002.
T. 75, N 6. С. 74–80.
5. Роуч П. Вычислительная гидродинамика.
М.: Мир, 1980.
6. Никитенко Н.И. Сопряженные и обрат;
ные задачи тепломассопереноса. Киев: Наук.
думка, 1988.
7. Исаченко В.П., Осипова В.А, Сукомел А.С.
Теплопередача. М. : Энергоиздат, 1981.
Получено 15.11.2005 г.
ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2006, т. 28, № 1 17
ТЕПЛО) И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ
Розглянуто числове моделювання ае)
родинаміки в топці водогрійного котла.
Наведено поля векторів швидкості та ти)
ску в різні моменти часу. Обговорено ре)
зультати проведеного числового дослід)
ження.
Рассмотрено численное моделиро)
вание аэродинамики в топке водогрей)
ного котла. Представлены поля векто)
ров скорости и давления в различные
моменты времени. Обсуждены резуль)
таты проведенного численного иссле)
дования.
The numerical modeling of aerody)
namic at hot)water boiler furnace is con)
sidered. Fields of magnitude velocity and
pressure at different time moment are pre)
sented. The results of relevant numerical
data are discussed.
УДК 536.24:697.32
БАСОК Б.И., ДЕМЧЕНКО В.Г., МАРТЫНЕНКО М.П.
Институт технической теплофизики НАН Украины
ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ
АЭРОДИНАМИКИ В ТОПКЕ ВОДОГРЕЙНОГО КОТЛА СО
ВТОРИЧНЫМ ИЗЛУЧАТЕЛЕМ
C – константы;
D – диаметр топочной камеры;
d – диаметр;
Gk – генерация турбулентной кинетической
энергии, обусловленная градиентом сред;
ней скорости;
H – длина топочной камеры;
h – глубина погружения горелки;
K – отношение расхода газов, идущих на повтор;
ный дожог к расходу газа в горелке;
k – кинетическая энергия турбулентности;
L – геометрический параметр, включающий пе;
ремещение огневой трубы относительно жа;
ровой, изменение глубины погружения го;
релки и ширину плоскости выхода;
l – расстояние от трубы излучателя до фронталь;
ной стенки котла;
p – статическое давление;
t – время;
u – скорость;
x –координата;
α – коэффициент избытка воздуха;
ε – скорость диссипации;
μ – коэффициент эффективной вязкости;
ρ – плотность;
σ – число Прандтля;
τ – касательное напряжение.
Индексы
k – обусловленное кинетической энергией турбу;
лентности;
Процессы, происходящие в тупиковых топках
котлов малой мощности с вентиляторными го;
релками, достаточно сложны. Работа котла со;
провождается сложными физико;химическими
процессами сжигания органического топлива и
переносом в его элементах топочных газов.
Высокие требования к герметичности котлов с
вентиляторными горелками и сложность их кон;
струкции затрудняет проведение в их топках экс;
периментальных аэродинамических исследова;
ний, необходимых для объективных оценок
применения вторичных излучателей, повышения
эффективности котлов и снижения эмиссии за;
грязнения окружающей среды. Поэтому перспек;
тивным методом анализа аэродинамики и массо;
переноса является его численное моделирование.
Исследование процессов в топках с примене;
нием вторичных излучателей приведены в [1;3].
Авторы этих работ применяли в топочных каме;
рах различного типа котлов вторичные излучате;
ли разнообразной конструкции. Во всех описан;
ных опытно;экспериментальных установках при
помощи вторичных излучателей добивались по;
вышения КПД котла и снижения эмиссии за;
грязняющих веществ, выбрасываемых в атмо;
сферу, что подтверждает перспективность
данного направления исследований.
Целью настоящей работы является исследова;
ние аэродинамики в топке котла, серийно выпус;
каемого Броварским заводом коммунальной тех;
ники [3], при помощи широко распространенной
в инженерной практике k;ε модели турбулентно;
сти, основанной на численном методе решения
уравнения Навье;Стокса.
Геометрия расчетной области представлена на
рис. 1. Топочная камера 1 выполнена в виде ци;
линдра высотой H и диаметром D. Газовоздушная
смесь попадает в топку котла через вентилятор;
ную горелку в виде двух струй – воздуха и метана
с постоянным избытком воздуха α = 1,1. Сопло
горелки диаметром d1 включает вход воздуха 2 и
метана 3. Метан подается в центральное отвер;
стие 3 диаметром d2. Глубина погружения горел;
ки 2 составляет h.
18 ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2006, т. 28, № 1
ТЕПЛО) И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ
t – турбулентная;
ε – обусловленное диссипативным масштабом;
1 – воздух;
2 – метан.
Рис. 1. Геометрия расчетной области. 1 – жаровая труба; 2 – сопло воздуха; 3 – сопло метана; 4 – вы%
ход топочных газов; 5 – вторичный излучатель; 6 – центральное сечение пространства котла.
Задача решается при таких граничных услови;
ях. На выходе из сопла горелки 2 принимается
равномерный профиль продольной скорости для
сопла метана и воздуха, массовый расход 0,004 и
0,044 кг/с – соответственно. Начальная кинети;
ческая энергия турбулентности принимается
равной 1 м2/с. Стенки – абсолютно гладкие, нор;
мальная компонента скорости на них равна ну;
лю. На выходе из топки – давление атмосферное.
Задача решалась в трехмерной стационарной
постановке. Для описания движения топочных
газов использовалась система уравнений Навье;
Стокса:
уравнение неразрывности
, где i = 1,2,3; (1)
уравнение сохранения количества движения
, (2)
где тензор напряжений
, а i, j = 1,2,3.
Модель турбулентности основывалась на
транспортных уравнениях для кинетической
энергии турбулентности:
уравнение для кинетической энергии турбулент;
ности
, (3)
уравнение для скорости диссипации
, (4)
где Gk – генерация турбулентной кинетической
энергии, полученная благодаря градиенту сред;
ней скорости, определяется из соотношения
.
Турбулентная вязкость μt учитывалась комби;
нацией кинетической энергии и скорости дисси;
пации
.
Модельные константы принимают следующие
значения: С1ε = 1,44, С2ε = 1,92, Сη = 0,09,
σk = 1,0, σε = 1,3.
Первоначально исследовалась аэродинамика
топочной камеры котла с вентиляторной горел;
кой без вторичного излучателя. Результаты рас;
чета поля векторов скорости приведены на рис. 2 а.
На следующем этапе моделирования в топочную
камеру была интегрирована огневая труба 5 (см.
рис. 1), выполняющая роль вторичного излучате;
ля. Результаты представлены на рис. 2 б.
При работе горелки без установки вторичного
излучателя под основным потоком появляется
устойчивый вихрь, в центре которого зона низко;
го давления (рис. 3 а), это образование подпира;
ет пламя к верхней части жаровой трубы, в ре;
зультате чего жаровая труба может неравномерно
нагреваться. Установка вторичного излучателя
(рис. 2 б) способствует появлению зон обратных
токов на фронтальной и тыльной сторонах топоч;
ной камеры. Появившаяся рециркуляция топоч;
ных газов с установкой в жаровую трубу вторич;
ного излучателя способствует дожогу топочных
газов, вовлеченных в замкнутый контур рецирку;
ляции.
ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2006, т. 28, № 1 19
ТЕПЛО) И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ
Рис. 2. Поля векторов скорости в центральном
сечении камеры.
а – без излучателя; б – с излучателем.
Однако в связи появлением рециркуляции
возникает задача нахождения оптимальных гео;
метрических размеров, при которых на повтор;
ный дожог будет направлено как можно большее
количество топочных газов. Первоначально ис;
следовался случай, при котором изменялось по;
ложение трубы излучателя 5. Менялось расстоя;
ние l от фронтальной стенки котла до трубы
излучателя. Рециркуляция рассчитывалась через
кольцевой зазор между трубой излучателя и го;
релкой. При l = 70 мм рециркуляция рассчитыва;
лась как отношение расходов через плоскость,
расположенную на расстоянии h от фронтальной
стенки котла, к расходу газа в горелке (cм. рис. 4).
Из (рис. 4 а) следует, что от излучателя до плоско;
сти, через которую рассчитывалась рециркуля;
ция, векторы скорости направлены вдоль. Таким
образом можно принять, что в этом направлении
рециркуляция отсутствует. На рис. 4 б показаны
векторы скорости через поверхность рецирку;
ляции. Результаты численного моделирования
расхода топочных газов, идущих на повторный
дожог, отнесенного к расходу газа в горелке K в
зависимости от l, представлены на рис. 5. Как
видно из представленного рисунка, максимум
рециркуляции соответствует положению излу;
чателя на расстоянии l от фронтальной стенки
котла.
Регулирование объемов рециркуляционных
топочных газовых потоков также возможно осу;
ществлять изменением геометрического параме;
тра L, включающего перемещение огневой трубы
относительно жаровой, изменение глубины по;
гружения горелки h, а также ширины плоскости
выхода 4 (рис.1).
Результаты численного моделирования расхо;
да топочных газов через зазор между горелкой и
излучателем, идущих на повторный дожог, отне;
сенного к расходу газа в горелке K в зависимости
от L, представлены на рис. 6.
20 ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2006, т. 28, № 1
ТЕПЛО) И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ
Рис. 3. Поля давлений в центральном сечении
камеры. а – без излучателя; б – с излучателем.
Рис. 4. Векторы скорости в различных сечениях камеры.
Из рисунка следует, что наибольший объем ре;
циркуляции – 101,6 % осуществляется при зазо;
ре L = 70 мм. При нулевом зазоре рециркуляция
вовсе отсутствует.
Косвенная экспериментальная проверка чис;
ленного моделирования проводилась на котле
“Виктор” с вентиляторной горелкой мощностью
до 100 кВт. При зазоре между обмуровкой фрон;
тальной стенки котла и огневой трубой 20 мм и при
различных значениях температуры котловой воды
среднее арифметическое значение КПД составило
96% (рис.7а), а концентрации NOx = 78,8 мг/м3
(рис.7б). Визуальные наблюдения через смотро;
вое отверстие котла также выявили резкие флук;
туации пламени.
Затем огневая труба была совмещена с жаро;
вой, так что их кромки стали находиться в одной
плоскости. Таким образом был образован зазор в
40 мм между кромками труб и внутренней обму;
ровкой фронтальной стенки котла. В результате
серии проведенных измерений был определен
КПД котла, составивший в этой серии измерений
96,4% (рис.7а), а концентрация NOx = 69,41 мг/м3
(рис.7б). Визуальные наблюдения через смотро;
вое отверстие выявили стабилизацию формы и
направленности пламени, также было отмечено
и снижение шума при работе котла.
Если предположить, что концентрация NOx на
прямую зависит от кратности рециркуляции про;
дуктов сгорания K, то из проведених расчетов
ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2006, т. 28, № 1 21
ТЕПЛО) И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ
Рис. 5. Кратность рециркуляции топочных газов
в зависимости от параметра l.
Рис. 6. Кратность рециркуляции топочных газов
в зависимости от параметра L.
Рис.7. Энергетическая (а) и экологическая (б) эффективность работы котла с огневой трубой и рецирку%
ляцией дымовых газов в зависимости от температуры котловой воды и зазора: 1 – зазор 40 мм; 2 – 20 мм.
a б
следует, что отношение K2 (при l = 40 мм ) к K1
(при l = 20 мм ) равно 1,54. Предположим, что
кратность рециркуляции не влияет на образова;
ние NO и количество NO и NO2 примерно одина;
ково. Тогда экспериментально измеренное коли;
чество NO2 при l = 20 мм соответствует 39,4 мг/м3.
Их соотношение составляет 1,31, что несколько
меньше теоретического 1,54.
Выводы
Проведенное численное моделирование поз;
волило установить, что труба от фронтальной
стенки котла излучателя должна располагаться
на расстоянии, равном глубине погружения го;
релки. Оптимальный геометрический размер L
составляет 0,07 м, при этом рециркуляция топоч;
ных газов будет наибольшей и составляет более
100%. Экспериментально подтверждено, что на;
личие излучателя снижает вредный выброс окси;
дов азота, что объясняется увеличением рецирку;
ляционного расхода продуктов сгорания, идущих
в корень факела на повторный дожог.
ЛИТЕРАТУРА
1. Гришкова А.В., Красовский Б.М., Раки�
тин А.Ю. Уменьшение выбросов оксидов азота
от водогрейных котлов путём внесения в топку
промежуточного излучателя с оптимальными пара;
метрами // Промышленная энергетика. – 2004. –
№ 5.
2. Сигал И.Я. Защита воздушного бассейна
при сжигании топлива.– Л.: 1988. – 312 с.
3. Демченко В.Г. Снижение выбросов NOx
путём установки в топку котла экранов;отража;
телей // Актуальные вопросы теплофизики и фи;
зической гидродинамики. – 2005. г. Алушта,
С. 112–113.
4. Упрощенная схема рециркуляции дымовых
газов как средство сокращения выбросов оксида
азота // Котлер В. Р., Кругляк Е. Д., Беликов С. Е.
и др. – Энергетик, 1995. №1. С. 16;18.
Получено 13.01.2006 г.
22 ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2006, т. 28, № 1
ТЕПЛО) И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ
Робота присвячена доcлiдженню на)
копичення тепла, яке поглинаєтья в про)
цесi нагрiву дисперсного матерiалу VOx
в областi фазового переходу дiелект)
рик)метал. Основна частина цього теп)
ла поглинається в скритiй формi за раху)
нок перебудови структури речовини
частинок та десорбцiї кисня, який знахо)
диться у поверхневих шарах частинок
пicля механохiмичної активацiї.
Настоящая работа посвящена исследо)
ванию накопления избыточной теплоты,
поглощаемой в процессе нагрева дисперс)
ного материала VOx в области фазового пе)
рехода диэлектрик)металл. Основная часть
этой теплоты аккумулируется в скрытой
форме за счет перестройки структуры ве)
щества частиц и десорбции кислорода, на)
ходящегося в поверхностных слоях частиц
после механохимической активации.
The present work is devoted to the
investigation of accumulation of the
excess heat absorbed in the course of
heating of disperse material VOx in the
range of dielectric)metal phase transition.
The main part of this heat is accumulated
in latent form due to restructuring the par)
ticle substance and oxygen desorption
from external layers of the particles after
machanochemical activation.
УДК 536.244
ЕМЕЛЬЯНОВ А.А.1, ПОЛУБОЯРОВ В.А.2, БУРКА А.Л.1, КОРОТАЕВА З.А.2, ВЕЛИКАНОВ Е.В.1,
ЛАПИН А.Е.2, БАН БОНГ>ЧАН3
1Институт теплофизики СО РАН
2Институт химии твердого тела и механохимии СО РАН
3Санченский национальный университет, Корея
ТЕПЛООБМЕН ПРИ ФАЗОВОМ ПЕРЕХОДЕ И
АДСОРБЦИИ)ДЕСОРБЦИИ КИСЛОРОДА В
ДИСПЕРСНОМ МАТЕРИАЛЕ
|