автореферат диссертации по энергетике, 05.14.05, диссертация на тему: Радиационный теплообмен в топках парогенераторов при образовании дисперсных продуктов сгорания
Автореферат диссертации по теме "Радиационный теплообмен в топках парогенераторов при образовании дисперсных продуктов сгорания"
ДЗЭРБАЛЧАН РЕСПУБЛИКАСЫНЫН ТЭЬСИЛ НАЗИРЛШИ
МиЭ.РЭСУЛ-ЗАДЭ адына БАКЫ Д9ВЛЭТ •'• • . УНИВЕРСИТЕТИ
ЬУСЕЛЮВ ТЭКМАСИБ ЭБИЛ оглу
УЗВИ ИСТИЛИКДАШЫЛЫЧЫЛАРЫН БвЬРАНДАН ¿УКСЭК ТЭЗЖГЛЭРДЭ ИСГИЛИК ВЕРМЭСИ
Ихтисас 05.14.05 - Истилнк техншхынын иэзэрн есаслары
' Техники елмлэри намизэдн алимлик дэрэчэси алмаг учул тагдим едилмиш диссертасщасыныи АВТОРЕФЕРАТЫ
Государственный комитет Российской Федерации по высшему образованию
Казанский Государственный Энергетический Институ т
Г ГС од 1 з и:он гзоо
11а правах рукописи
Левашов Роман Владимирович
Радиационный теплообмен в топках парогенераторов при образовании дисперсных продуктов сгорания
Специальность 05.14.05 -Теоретические основы теплотехники
АВТОРЕФЕРАТ диссертации па соискание ученой степени кандидата технических наук
Работа выполнена на ка(|)едре Тепловые электрические станции Казанского Государственного энергетического института.
доктор технических наук, профессор Шигапоп А.Б.
доктор технических паук, профессор Панфилович К.1>.
доктор технических паук, профессор Сагадеси В.И.
НЦ «Энергопро1-ресс» (г. Казань)
Заишта диссертации состоится " " июня 2000 года и 7 часов на заседании диссертационного совета Д063.37.02 в Казанском государственном технологическом университете (зал заседаний Ученого Совета) по адресу: 420015, г. Казань, ул. К. Маркса, 68.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке КГТУ Автореферат разослан " " 2000 года.
Ученый секретарь диссертационного совета Д063.37.02, Доктор технических наук, профессор Ц н ^ Лаптев А.Г.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.
Актуальность исследования. Известно, что подавляющую часть запасов органического топлива представляют ископаемые угли (свыше 90%). 13 тоже время многие электростанции, которые были спроектированы для работы на твердом и жидком топливе, в настоящее время но известным причинам работают на газе. Наличие запасов угля на складах делают электростанцию па твердом топливе менее подверженной конъюнктурным ситуациям, особенно в зимнее время. Использование углей перспективно в настоящее время и в будущем, для повышения конкурентоспособности необходимо использовать его именно в местах добычи. В настоящее время отсутствуют строгие, физически обоснованные методы расчета теплообмена излучением в топках котлов при схсигании жидких и твердых то пли в, имеющих дисперсные продуты сгорания. Поэтому, разработка научно обоснованных методов расчета является задачей актуальной не только в данное время, но и в перспективе.
Степень изученности проблемы. В настоящее время для расчета радиационного теплообмена в топках котлов широко используются зональные методы. При этом эффекты рассеяния практически не учитываются, предполагается, что для описания переноса энергии излучения применимы соотношения Бугера-Ламберта. Однако, это уравнение правильно описывает перенос излучения лишь в однофазных средах. Для дисперсных сред закон Бугера-Ламберта не выполняется. Рассеяние свсга, как известно, является комплексным эффектом отражения, преломления, поглощения света и собственного излучения полифракционных частиц. В результате рассеяния часть энергии перераспределяется в пространстве вокруг частицы, в то же время за счет рассеяния электромагнитного излучения, идущего от других направлений, интенсивность излучения в рассматриваемом направлении возрастает.
Корректный учет эффектов многократного рассеяния и перераспределения излучения в объеме топки возможен лишь при интегро-дифферепциальном представлении уравнения переноса энергии излучения (УПЭИ).
В связи с тем, что аналитическое решение иптегро-дифферепциального УПЭИ в общем виде невозможно, для получения приемлемых результатов чаще всего при его решении используют приближенные численные методы.
Существует численная реализация УПЭИ для различных геометрий: [плоской, цилиндрической, сферической. Однако, корректное решение уравнения, применительно к геометрии топки парогенератора, учитывающее реальное трехмерное) распределение термогазодинамических параметров отсутствует.
Предметом исследований является паровой котел тепловой электрической ланции, и происходящие в нем процессы: горения топливпо-воздушпой смеси с /четом подогрева воздуха; радиационный теплообмен с учетом влияния зеального распределения состава, температуры, давления, а также шсктрооптических свойств, концентрации и размеров частиц дисперсной фазы в >бъеме топки.
Цслыо исследовании является разработка математической модели и методики расчета радиационного переноса в топках котлов ТЭС, разработка алгоритма, программы расчета и проведение численных параметрических исследований влияния различных реальных факторов, имеющих место в топках котлов, на уровень радиационных тепловых потоков.
Научной новизной диссертации является комплексный подход моделирования процессов в топках котлов: горения, движения двухфазных продуктов сгорания в объеме, радиационного теплообмена. Расчет радиационного переноса в топках котлов проводится по разработанному автором методу и программному комплексу применительно к трехмерной геометрии и распределению физических параметров среды. Система уравнений численной реализации метода сферических гармоник в Рз - приближении для трехмерной геометрии и трехмерного распределения параметров среды. Также представляет новизну и методика проверки правомерности построенной модели расчета, алгоритма и программы расчета.
На защиту выносятся следующие положения:
1. Методика решения УПЭИ для трехмерной геометрии с учетом трехмерного распределения параметров двухфазной среды. Решение УПЭИ проводится в Р| - и Рз приближениях метода сферических гармоник.
2. Алгоритм расчета переноса энергии излучения в дисперсных средах. Для этого построено векторно-матричное представление системы дифференциальных уравнений относительно моментов сферических гармоник. Построен разностный аналог данного уравнения, а также предложен способ решения по выбранной сетке объема.
3. Программный комплекс расчета теплообмена излучением в котлах ТЭС с учетом геометрии топки котла, неравномерного распределения параметров, селективных характеристик излучения и поглощения газовой фазы, реальных оптических свойств, а также плотностей распределения частиц угольной пыли, летучей золы и анизотропии рассеяния.
4. Методика проверки правомерности построенной модели расчета, алгоритма и программы расчета, а также достоверность полученных результатов.
5. Результаты параметрического численного анализа основных определяющих факторов на теплообмен излучением в котельных установках ТЭС.
Практическая значимость работы: Результаты исследований программного комплекса могут быть использованы при создании новой техники, модернизации имеющихся конструкций, а также с целью увеличения КПД и ресурса котла, снижения вредных выбросов при переходе котлов с газового на альтернативные виды топлива.
Апробация работы. Основные результаты диссертации были доложены на I Республиканском конкурсе студенческих работ на соискание премии им. Н. И. Лобачевского в Казани в 1997 году; I аспиранско-магистерском научном семинаре КФ МЭИ Казань 1997 год; Республиканской научной конференции «Проблемы
энергетики» Казань 1998 год; 2-ом международном симпозиуме но энергетике, окружающей среде и экономике Казань 1998 год; Второй Российской национальной конференции но теплообмену Москва 1998 год; XII Школе-семинаре молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева Москва 1999 год. Одна статья находится в редакции, также основные моменты диссертации опубликованы в 4 тезисах и 3 докладах.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, включающего 136 наименований. Работа содержит 96 страниц текста, 24 рисунка.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ
Во введении подчеркнута актуальность исследования, выявлена степень изученности проблемы, определена цель работы, охарактеризована ее научная новизна.
В первой главе «Теоретические основы переноса энергии излучении в топках котлов» дается понятие интенсивности излучения, приведен вывод уравнения переноса энергии излучения (УПЭИ) для трехмерной геометрии топки котла имеющий следующий вид:
. n dlx(x,\\i,0) . п . 9/,(*,ш,0) „ di у (х, к|/,0) sin 0 cos хк N 1 + sin 0 sin \\i xv к ' + cos О >л и ' + S/? = дх ду dz
|'де - коэффициенты ослабления, поглощения и рассеяния дисперсных
топочных газов; у(ц0) - индикатриса рассеяния полидисперсных частиц; £2, £2' -векторы телесного угла в рассматриваемом и произвольном направлениях; х -радиус-вектор точки пространства; \|/, 6 - азимутальная и полярная компонен ты телесного угла.
П • Q' = ц0 = cos 0 cos 0' + sin 0 sin 0' cos (\\i - vj/)
Уравнение (1), будучи дифференциальным но пространственной переменной, требует задания граничных условий:
nQ. < 0, где £)х-,„, r-tsm - диффузный коэффициент спектральной излучателыюй способности и коэффициент отражения стенки, п - нормаль поверхности стенки. Условие л£2<0 в случае плоской границы соответствует внутренней к объему топки поверхности. Используя то обстоятельство, что в уравнении переноса (1) одним из аргументов является единичный радиус-вектор Q, решение уравнения (1) ищем в виде разложения в ряд по сферическим функциям (сферическим гармоникам)
различных направлений нормали, nfl — sinocos у/, /3Q = cosí?, «Q = siní?sin^. В диссертации приводятся системы уравнений для Р| и Pj -приближений метода сферических гармоник, даны векторно-матричные представления этих систем уравнений, а также дано решение систем методом сеток. Система уравнений Pj - приближения МСГ представляет матрицу коэффициентов разложения ф„±т размерностью 16x16. Р| - приближение - 4x4.
Но второй главе «Радиационные свойства двухфазной среды» рассматриваются коэффициенты ослабления, рассеяния, индикатриса рассеяния полидиспсрсной системы частиц. Представлено краткое изложение теории рассеяния Ми. Представлен анализ плотностей вероятностей распределения частиц по размерам и сделан обоснованный выбор вида f(r).
13 виду необходимости преобразования интегрального члена УПЭИ (1) индикатриса рассеяния также представлена в виде разложения по полиномам Лсжандра.
С использованием распределения Розина-Рамлсра и логарифмического распределения были рассчитаны радиационные свойства угольной пыли и золы топочных газов. Значения оптических констант веществ принимались по рекомендациям работы Л.Г. Блоха.
Третья глава «Горение частиц угольной ныли». Для корректного определения радиационных тепловых потоков к стенкам парогенерирующих труб необходимо располагать достоверной информацией о распределении термогазодинамических параметров (давления, температуры, плотности, молекулярного состава, размеров и концентрации частиц дисперсной фазы) в объеме топочного пространства. Эти данные могут быть получены при совместном рассмотрении процессов горения, аэродинамики движения топочных
газов в топке и теплообмена между топочными газами и стенками парогенерирующих труб. Совместное рассмотрение этих процессов па современном уровне вычислительной техники вряд ли осуществимо, поэтому столь сложную задачу целесообразно решать по этапам, методом последовательных приближении. В работе было рассчитано горение частиц угольной пыли в объеме топки котла.
Интегральные характеристики процессов горения пылеугольных частиц определялись по «методу определяющих реакций» и учитывалось лишь образование полных продуктов окисления горючих элементов Н20, СО2, БОг. Для теплотехнических расчетов данная методика вполне оправдана, поскольку влиянием на радиационный теплообмен неполных продуктов реакции, образующихся при горении, можно пренебречь ввиду их относительно малой концентрации.
Распределение температуры в объеме топки и степени выгорания топлива (выжига) принимались обобщением результатов для различных типов котлов. Принимались также ряд допущений при расчете выгорания частиц угольной пыли: о воспламенение топлиповоздушной смеси; о сгорании летучих, а также допущения о том, что все элементы топлива обладают одинаковой реакционной способностью. Следствием данного допущения является пропорциональное выгорание всех компонентов и химических элементов топлива.
Распределение частиц угольной пыли на входе в топку задавалось в виде зависимости Розина-Рамлера. Данное непрерывное распределение частиц топлива затем представлялось в виде набора дискретных, квазимонодисперсных частиц, имеющих постоянные размеры.
В начальном участке факела оценивалась количеством возможного осаждения крупных частиц пыли в области холодной воронки котла. Эти расчеты были выполнены в предположении сферической формы частиц угольной пыли, а также без учета неизотермичиости среды и возможного влияния па коэффициент аэродинамического сопротивления горения частиц и тепло-массообмепных процессов. Относительная скорость (скорость витания) частиц рассчитывалась для сечения топки на уровне горелок. Как показывают расчеты скорость витания частиц угольной пыли всех фракций топлива существенно меньше средней скорости движения среды, состоящей из топливно-воздушной смсси и частично сгоревших продуктов сгорания. Реальные аэродинамические процессы в топке сопровождаются возникновением обратных течений и рециркуляцией части высокотемпературных продуктов сгорания в зону подачи топлиповоздушной смсси. Этим объясняется захват части нссгоревшего топлива в область холодной воронки, с последующим его осаждением на стенках, что является причиной потерь из-за недожога при осаждении частиц угольной пыли. Горение частиц угольной пыли в топках парогенератора рассчитывалась по модели приведенной пленки. При этом влияние паров воды на поверхностные реакции не учитывались. Следующим является допущение одномерного распределения параметров топоч-
ных газов но высоте топки. Представленная методика и алгоритм были реализованы и программном пакете расчета горения угольной пыли на алгоритмическом языке FORTRAN.
Расчеты показали, что горение частиц всех фракций угольной пыли происходит в основном в кинетической области. На высоте 0,7 м вертикального участка факела угольная пыль сгорает полностью. Это позволяет в расчетах радиационного переноса в подавляющей части объема учитывать лишь влияние летучей золы в с оста не топочных газов.
В четвертой главе «Результаты численных исследований переноса излучении» описан программный комплекс (ПК) расчета переноса энергии излучения.
Алгоритм вычислений в ПК следующий. Для длины полны излучения Ау определяем оптические константы угля и золы, радиационные характеристики дисперсной фазы, а также коэффициенты разложения индикатрисы рассеяния. Затем для заданной высоты топки определяем термогазодинамические параметры (температуру, давление, выжиг топлива, коэффициент поглощения газа и т.д.). Данная процедура выполняется для ряда значений координат но высоте топочного объема. Далее, изменяя длину волны излучения в соответствии с выбранным шагом ДА., повторяем расчеты для объема топки котла.
На каждом шаге по А происходит решение переноса излучения методом сферических гармоник, расчет плотности спектральных радиационных тепловых потоков, их суммирование, накопление значений интегральных тепловых потоков.
Наиболее обобщенные научные результаты могут быть получены при параметрических исследованиях влияния различных факторов на уровень радиационных тепловых потоков, таких как геометрические размеры топки, распределение температуры в объеме, распределение концентрации и изменение размеров частиц дисперсной фазы в топке, а также, распределение перечисленных факторов в пределах относительно холодного пристенного слоя. Результаты таких параметрических исследований от перечисленных факторов представлены в данной главе.
На рисунке графика 1 показано изменение концентрации частиц золы по высоте топки котла. В виду того, что количество уносимой золы является постоянной по высоте, ее концентрация однозначно определяется плотностью топочных газов. С. увеличением плотности газов, концентрация частиц золы Nz растет. Плотность газовой фазы зависит от совместного влияния давления, температуры и состава топочных газов. В пределах принятого допущения о равномерном выгорании всех элементов топлива определяющим влиянием па характер изменения концентрации являются давление и температура. Поскольку уменьшение давления по высоте топки не превышает 1,5%, главным факторов выступает температура топочных газов. Поэтому концентрация представляет зер-
«ш.пое отображение температурной зависимости, где правда точка минимума сонцснтрации не совпадает с точкой максимума температуры, что является следствием влияния давления и состава топочных газов.
Рис.1. Распределение концентрации но высоте.
Спектральные радиационные свойства по высоте при Х=0,25; 5; 10 мкм представлены на рис.2. Для всех значений длин ноли X наблюдается одинаковый код изменения спектральных свойств, схожий с изменением концетрации частиц золы, следовательно, можно сделать вывод о превалирующем влиянии на коэффициенты ослабления и рассеяния концентрации частиц золы. Коэффициент ослабления по всей высоте топки с увеличением X растут. По графикам заметен рост £ в интервале Х=0,25 - 5 мкм и в меньшей мере при увеличении X от 5,0 до 10 мкм. Коэффициенты рассеяния также изменяются по высоте тонки монотонно. Однако с ростом длин волн излучения резко снижается в диапазоне А.=0,25 -5- 5 мкм, в дальнейшем заметен рост коэффициент;! рассеяния частиц золы.
1 , 1 I 9 II П 14 II 11 II I) II 1Я И II 14 II II '1 4) 41 41
Рис.2. Коэффициенты ослабления и рассеяния для частиц золы
Если изменение параметров потока в параллельных горизонтальных плоскостях топки является равномерным, (происходит изменение температур только по координате г), то наблюдается относительно равномерное распределение теплового потока по высоте топки. Максимальное значение составляет, при относительной координате /.= 15, приблизительно 160 кВт/м , минимальное - в районе газохода, приблизительно 130 кВт/м2. В дальнейшем для сравнений такой поток назовем «средним потоком», цср на рис.3. Увеличение концентрации частиц золы и угольной пыли по поперечному сечению топки у стенок (дг(Ыг) 1,5:1,9 па рис.3) приводит к снижению радиационного теплового потока, причем с увеличением концентрации у стенок уровень цр падает сильнее. Эго вызвано с ростом эффектов рассеяния излучения частицами дисперсной фазы.
В расчетах принималось линейное изменение концентрации дисперсной фазы № по поперечному сечению топки. В центре условно принята концентрация 0,1 или 0,5, у стенок 1,9 и 1,5 соответственно. Эти распределения соответствуют постоянной концентрации дисперсной фазы в потоке топочных газов. Перераспределение концентрации дисперсной фазы на практике может быть реализовано для случая тангенциальной подачи топлива, т.е. закрутки потока. Эти графики отражают лишь влияние перераспределения концентрации в чистом виде. Отметим также, что при исследованиях распределения концентрации принималось независящим от высоты топки.
Вихрсобразное движение топочных газов может привести также к перераспределению размеров частиц в поперечном сечении. Более крупные частицы будут сконцентрированы у стенок, а мелкие - в центре топки. Влияния данного фактора моделировалось изменением оптических размеров (оптического радиуса) частиц по ослаблению и рассеянию. Средний радиус частиц принимался равным 3,35 мкм, который при плотности вероятности распределения частиц пс размерам /(г) летучей золы соответствует среднему значению гср по ослаблению и рассеянию. Изменение размеров гср выбиралось линейным, при этом параметры Дг) в центре потока соответствуют среднему радиусу 1,35 мкм, у стенки — 5,35 мкм.
Влияние перераспределения приводит к существенному (приблизительно г 1,5 раза) увеличению теплового потока в топке. На рис.3 значения Цр эги> расчетов обозначены цг ([г).
В нижней части топки тепловой поток, при этом снижается относительнс «среднего» приблизительно в 1,2 раза, при относительной координате /. больше Ч тепловой поток больше «среднего потока». Максимальное отличие наблюдается I зоне горения, которое составляет приблизительно в 1,5 раза. Увеличение др прт росте концентрации крупных частиц у стенки объясняется тем, что с увеличение?» размеров частиц доля рассеянного вперед излучения возрастает. Снижение ¡7,, I нижней части топки вызвано коллективным эффектом экранирования излучения
ютииами из-за рассеяния, а также относительно невысокой температуры »ночных газов в зоне горелочных устройств.
Совместное влияние концентрации и /(г) (цг([г,Ь12 1,9) па рис.3) приводит к )лсс сущестненному изменению профиля теплового потока в тонко. Совместное шяние приводит к увеличению <7^ до относительной координаты 20. В ип.иейшем наблюдается снижение теплового потока, и можно заметить, что шяние этих двух противоположных факторов приводит к тому, что в области :рхних радиационных экранов г > 39 тепловой поток приблизительно равен ¡реднему потоку».
При движении топочных газов около стенки формируется динамический эграничный слой, который образуется от места окончания активных химических ¡акций (зоны горения топлива). За счет вязкости, а также влияния :плопроподности и конвективного теплообмена толщина данного пограничного юя растет, образуется пристенная зона относительно низкой температуры, определение температуры в пределах данного пристенного слоя, а также ее ундина, определяется в результате аэродинамических расчетов движения точных газов.
В численных исследованиях толщина данного пристенного слоя нами ринята постоянной и равной 0,7 м. Распределение температуры в пределах ристенного слоя принималось линейным от значения температуры в ядре потока э температуры стенки. Влияние данного фактора приводит к существенному (в 2 1за) снижению Цр. Результаты данной серии расчетов обозначены ЦГ(Г) 1,3 рис.3.
Коллективное влияние распределения температуры в пристенном слое и определения концентрации приводит к более сильному падению тепловых отоков (для примера, увеличение концентрации в 2 раза - снижает цр на « 40 %), VI. графики ч,(¡',N2^-1,5; 1,9) на рис.3. Рассматривалось также парное влияние аспределения температуры и размеров частиц. Как показывают эти расчеты, при гом происходит существенное уменьшение радиационного теплового потока >ТП) обозначенных Цг((г,Т) на рис.3. Это приводит также к качественному ерераспределению теплового потока по высоте топки. Например, происходит нижение др в нижней части топки в 5 раз, в то время как снижение <7,, в верхней асти топки составляет «50% от «среднего». Комплексное влияние всех еречислснных факторов приводит к еще более существенному снижению РТП. [ри этом не компенсируется относительный рост за счет изменения размеров и онцентрации частиц