книги / 464

П р а к т и ч е с к а я р а б о т а 1

РАСЧЕТ АЭРОДИНАМИКИ И ГОРЕНИЯ ТОПЛИВА В ТОПОЧНОЙ КАМЕРЕ С ТАНГЕНЦИАЛЬНО РАСПОЛОЖЕННЫМИ ГОРЕЛКАМИ

Ц е л ь р а б о т ы

Получение навыков работы в программном пакете SigmaFlame.

В данной задаче рассматривается топочная камера с твердым шлакоудалением, тангенциальным расположением и четырьмя ярусами горелок. Принимается, что подача пылевоздушной смеси равномерная по ярусам. Необходимо построить геометрию и произвести расчет топочной камеры, используя программный пакет SigmaFlame: построить в разных сечениях поля скоростей, температур, концентрации кислорода, концентрации оксидов азота, выгорания топлива; получить интегральные значения основных величин на выходе из топочной камеры.

И с х о д н ы е д а н н ы е

Развертка топочной камеры представлена на рис. 26. (Здесь и далее все размеры даны в метрах). Топочная камера имеет высоту равную 90,10 м. Низ холоднойворонкинаходитсянавысоте6,40 мотносительнонулевогоуровня.

Холодная воронка имеет следующие размеры: 1,38 м (фронтальная стенка) × 23,08 м. Ширина фронтальной и задней стенок – 23,08 м. Ширина левой и правой стенок – 23,08 м. Низ холодной воронки находится на высоте 6,4 м относительно нулевого уровня. Начало ската холодной воронки – 20,7 м относительно нулевого уровня.

Расположение первого яруса горелок – 23,80 м; расположение второго яруса горелок – 28,40 м; расположение третьего яруса горелок – 33,80 м; расположение четвертого яруса горелок – 38,40 м относительно нулевого уровня. Пережим находится на высоте 67,00 м. На пережиме ширина фронтальной стенки – 18,08 м, ширина левой и правой стенок – 23,08 м. На высоте 81,35 м ширинафронтальнойстенки– 40,4 м, шириналевойиправойстенок– 23,08 м. Принимаем, чтовыходизтопочнойкамерынаходитсянавысоте63,60 м.

Расстояние между осью горелок от центра по горизонтали на левой и правой стенках – 3,91 м. Расстояние между осью горелок от центра по горизонтали на фронтальной и задней стенках – 5,31 м. Каждый канал пылевоздушной смеси имеет высоту 1,10 м, ширину − 1,10 м, всего сопел 12 · 2 = 24. Угол между осью горелки и осью сопла в вертикальной плоскости − 24о и 19,3о (рис. 27). Угол между осью горелки и осью сопла в горизонтальной плоскости составляет 10о (горелки направлены вниз).

31

Рис. 26. Развертка топочной камеры

Рис. 27. Расположение горелок в топочной камере

32

Для решения задачи нам необходимы данные по топливу и условия его подачи в топочную камеру. В табл. 1 приведен технический и элементный состав угля.

Плотность угольной пыли (истинная) – 1 300 кг/м3. Теоретическое количество воздуха на 1 кг топлива – 4,42 нм3/кг. Фракционный состав пыли задается в данной задачи значением остатка на сите R90 = 35 %. Расходы топлива – 452 880 кг/ч, количество подаваемого воздуха – 3 622 920 нм3/ч. Температура пылевоздушной смеси принимается равной 200 оС. Коэффициент избытка воздуха на выходе из топки – 1,25. Присосы холодного воздуха в топке примем равными 0,05. Температуру теплоносителя в настенных экранах примем равной 350 °С. Степень черноты экранов – 0,9. Коэффициент теплопередачи – 130 Вт/К·м2.

У к а з а н и я к р е ш е н и ю р а б о т ы

1.Ознакомиться с описанием программного пакета SigmaFlame и руководством пользователя.

2.Запустить программу SigmaFlame на предназначенном для этого персональном компьютере, создать новый проект.

3.Ввести параметры задачи согласно исходным данным, приведенных в работе 1.

4.Построить геометрию топочной камеры, для этого необходимо построить каркас топки, расположить ярусы и горелки, задать расходы аэровоздушной смеси через горелки, сохранить полученную модель.

5.Провести инициализацию проекта, проверить правильность задания начальных данных.

6.Провести расчет, получить сходящееся решение, которое определяется по графику невязок, отображающиеся в процессе расчета.

7.Сделать анализ результатов расчета, используя визуализацию программного пакета.

8.Построить векторные поля скоростей, температурные поля, концентрации кислорода и других газов в основных сечениях топочной камеры. Построить изоповерхности температуры.

9.Получить интегральные характеристики на выходе из топочной камеры, используядляэтого специальный инструмент в программномпакете.

33

П р а к т и ч е с к а я р а б о т а 2

РАСЧЕТ АЭРОДИНАМИКИ И ГОРЕНИЯ ТОПЛИВА В ТОПОЧНОЙ КАМЕРЕ С ВИХРЕВЫМИ ГОРЕЛКАМИ

Ц е л ь р а б о т ы

Получение навыков работы в программном пакете SigmaFlame; рассмотрение проектно-технических решений, направленных на снижение оксидов азота в топочной камере.

Вданной задаче рассматривается топочная камера с двенадцатью вихревыми горелками, расположенными в два яруса на двух противоположных сторонах топочной камеры. В топочной камере имеется ярус сбросных сопел и ярус сопел третичного дутья. Наличие сбросных сопел дает возможность уменьшить количество подаваемого воздуха через основные горелки и тем самым уменьшить образование оксидов азота. Наличие сопел третичного дутья позволяет дожигать горючие компоненты, составляющие химический и механический недожог.

Вданной работе необходимо построить геометрию и произвести расчет топочной камеры с целью получения полей скоростей, температур, концентрации кислорода, концентрации оксидов азота, выгорания топлива. Необходимые данные для построения геометрии и задания необходимых данных приведены ниже.

И с х о д н ы е д а н н ы е

Развертка топочной камеры представлена на рис. 28. (Здесь и далее все размеры даны в метрах). Топочная камера имеет высоту, равную 42,00 м. Низ холодной воронки находится на высоте 4,35 м относительно нулевого уровня.

Холодная воронка имеет размеры 1,1 м (фронтальная стенка) × 10,84 м. Ширина фронтальной и задней стенок – 7,84 м. Ширина левой и правой стенок – 10,84 м. Начало ската холодной воронки находится на высоте 8,84 м относительно нулевого уровня. Расположение первого яруса горелок – 10,98 м; расположение второго яруса горелок – 13,78 м; расположение сбросных сопел – 15,78 м; расположение сопел третичного дутья – 19,50 м относительно нулевого уровня. Пережим начинается на высоте 24,34 м. На пережиме ширина фронтальной стенки – 6,2 м, ширина левой и правой стенок – 10,84 м. Принимаем, что выход из топочной камеры находится на высоте 33,98 м.

34

Ри с. 28. Развертка топочной камеры

Рис. 29 . Модель вихревой горелки (а); модель сбросных сопел (б); модель сопел третичного дутья (в)

35

На рис. 2 9 представлены р асчетные модели вихревой горелки и сопел. Вихревая горелка и меет центральный канал, канал аэросмеси и канал вторичного воздуха. Угловая скорость для первичн ого воздуха, подаваемого через канал аэросмеси, – 56 рад/с. Угловая скорость для вторичного возду ха – 66 рад/с.

Рис. 30. Расположение в ихревых горелок

а б

Рис. 31. Расположени е сопел вторичного воздуха (а); расположение сопел третичного воздуха (б)

Модель сбросных сопел представляет собой прямоугольный канал, через который подается часть аэросмеси и воздух. Через сопла третичного дутья подается воздух. Расположение горелок и сопел представлено на рис. 3 0, 31.

36

Для решения задачи необходимы данные по топливу и условия его подачи в топочную камеру. В табл. 2 приведен технический и элементный состав угля.

Таблица 2

Технический и элементный состав угля на рабочую массу

Плотность угольной пыли (истинная) – 1 300 кг/м3. Теоретическое количество воздуха на 1 кг топлива – 4,33 нм3/кг. В основные горелки подается угольная пыль с остатком на сите R90 = 12 %. В сбросные сопла подается пыль с остатком на сите R90 = 10 %. Расход топлива 90 000 кг/ч.

Восновные горелки подается 93 % топлива, в сбросные сопла – 7 %.

Восновные горелки подается 93 % топлива и 81,2 % от теоретически необходимого количества воздуха. Доля воздуха подаваемого через вторичный канал в основных горелках составляет 72 %. Доля воздуха через канал аэросмеси составляет 28 %. Через центральный канал воздух не по-

дается. Избыток воздуха в основных горелках αгор = 0,873. Также в данной схеме сжигания реализован сброс сушильного агента в отдельные сопла.

Вчетыре сбросных сопла подается 7 % топлива и 13,8 % воздуха от теоретически необходимого. В сопла третичного воздуха подается 20 % воздуха

от теоретически необходимого. Присосы воздуха составляют 5 %. Температуры первичного воздуха − 120 оС, вторичного воздуха − 300

оС, присосы воздуха – 30 оС. Температуру теплоносителя в настенных эк-

ранах примем равной 350 °С. Степень черноты экранов – 0,8. Коэффициент теплопередачи – 180 (Вт/К·м2).

У к а з а н и я к р е ш е н и ю р а б о т ы

1.Ознакомиться с описанием программного пакета SigmaFlame и руководством пользователя.

2.Запустить программу SigmaFlame на предназначенном для этого персональном компьютере, создать новый проект.

3.Ввести параметры задачи согласно исходным данным работы. Необходимо создать два пылегазовоздушных потока (один из них будет подаваться через канал вихревой горелки, а второй – через сбросные сопла),

37

три воздушных потока, которые будут подаваться через канал для первичного воздуха и через центральный канал горелки, сопла третичного дутья.

4.Построить геометрию топочной камеры, для этого необходимо построить каркас топки, расположить ярусы и горелки, задать расходы аэровоздушной смеси через имеющиеся каналы, сохранить полученную модель. В центральный канал вихревой горелки подается поток с нулевым расходом, который необходимо создать в параметрах задачи. Расходы воздуха рассчитываются исходя из количества подаваемого топлива и теоретически необходимого воздуха на 1 кг топлива.

5.Провести инициализацию проекта, проверить правильность задания начальных данных.

6.Провести расчет, получить сходящееся решение, которое определяется по графику невязок, отображающимся в процессе расчета.

7.Сделать анализ результатов расчета, используя визуализацию программного пакета.

8.Построить векторные поля скоростей, температурные поля, концентрации кислорода и других газов в основных сечениях топочной камеры. Построить изоповерхности температуры.

9.Получить интегральные характеристики на выходе из топочной камеры, используя для этого специальный инструмент в программном пакете.

38

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1.Chen, Y. S. Computation of turbulent flows using an extended k-εturbulence closure model / Y. S. Chen and S. W. Kim. – NASA CR-179204, 1987.

2.Siegel R. Thermal Radiation Heat Transfer / R. Siegel and J. R. Howell. – Hemisphere Publishing Corporation, Washington D.C.,1992.

3.Magnussen, B. F. On the structure of turbulence and a generalised eddy dissipation concept for chemical reaction in turbulent flow / B. F. Magnussen and B. W. Hjertager // 19th AIAA Aerospace Meeting. – St. Louis, USA, 1981.

4.Бабий, В. И. Горение угольной пыли и расчет пылеугольного факела / В. И. Бабий, Ю. Ф. Куваев. – М. : Энергоатомиздат, 1986. – 209 с.

5.Зельдович, Я. Б. Окисление азота при горении / Я. Б. Зельдович, П. Я. Садовников, Д. А. Франк-Каменецкий. – М. : Изд-во АН СССР, 1947.

–317 с.

6.Fenimore, C. P. Studies of fuel-nitrogen in rich flame gases / C. P. Fenimore // 17th Symp. (Intl.) Comb. – The Combustion Institute. – Pittsburgh, 1979. – P. 661.

7.De Soete, G. G. Overall Reaction Rates of NO and N N2 Formation from Fuel Nitrogen / G. G. De Soete // In 15th Symp. (Int'l.) on Combustion, page 1093. – The Combustion Institute, 1975.

39

ОГЛАВЛЕНИЕ

40