СОДЕРЖАНИЕ
Введение............................................................4
ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ И ПРАКТИЧЕСКОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПУЛЬСАЦИОННОГО ГОРЕНИЯ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА
1.1. Установки пульсационного горения твердого топлива,
их практическое приложение...................................11
1.2. Условия и механизмы возбуждения колебаний газа
при слоевом горении твердого топлива.........................19
1.3. Теоретические модели пульсационного горения
твердого топлива.............................................23
1.4.3адачи исследования диссертационной работы...............28
ГЛАВА 2. ПРОДОЛЬНЫЕ КОЛЕБАНИЯ ГАЗА В ТРУБЕ И УСТАНОВКЕ ТИПА ЕМКОСТЬ-ТРУБА
2.1. Уравнение частот колебаний газа
с продольным градиентом температуры
в открытой трубе.............................................30
2.2. Определение средней температуры в зоне горения, распределение скорости звука в горячем газе.............34
2.3. Уравнение частот колебаний газа
в установке типа емкость-труба...............*...............41
2.4. Вынужденные резонансные колебания газа,
имеющею продольный градиент температуры, в трубе.............46
ГЛАВА 3. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ АВТОКОЛЕБАНИЙ ГАЗА ПРИ ГОРЕНИИ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА В ТИПОВЫХ УСТАНОВКАХ
3.1. Акустическая энергия, сообщаемая газу в результате сгорания топлива..........................................62
3.2. Соотношения, определяющие границу неустойчивости и амплитуду’установившихся колебаний газа в открытой трубе..68
3.3. Уравнение границы неустойчивости, выражение для амплитуды автоколебаний газа
в установке типа емкость-труба............................72
3.4. Передаточная функция зоны горения твердого топлива...77
ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ И РАСЧЕТ ПУЛЬСАЦИОННОГО ГОРЕНИЯ ДРЕВЕСИНЫ В ТИПОВЫХ УСТАНОВКАХ
4.1. Самовозбуждение колебаний газа в трубе
- «мягкий» режим..........................................83
4.2. «Жесткий» режим автоколебаний газа в грубе...........94
4.3. Пульсациоиное горение в установке типа емкость-труба 104
4.4. Расчет максимального УЗД в типовых установках.......118
ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ.........................................129
Список литера гуры............................................131
Условные обозначения..........................................145
4
ВВЕДЕНИЕ
Установлено, что в колеблющихся потоках происходит существенное ускорение различных тепломассообменных процессов, увеличение теплонапряженности топочного объема, улучшение полноты сгорания топлива по сравнению с равномерным, устойчивым режимом горения. Эти преимущества могут быть использованы в энергетических установках, в которых амплитуда колебаний будет не такой большой, чтобы привести к каким-то серьезным последствиям.
В связи с ограниченными запасами природного топлива одной из главных задач энергетики является разработка эффективных, энергосберегающих способов сжигания основных видов топлива. Интенсификация процесса горения колебаниями - одно из возможных решений проблемы.
Другой современный аспект применения пульсационного (вибрационного) горения связан с проблемой утилизации промышленных и бытовых отходов. Использование вибрационного режима горения является одним из перспективных направлений, поскольку одновременно решаются две задачи - получение энергии за счет сжигания отходов и их частичное или полное уничтожение. Кроме того, при вибрационном горении уменьшается содержание ряда токсичных веществ, содержащихся в продуктах сгорания, что очень важно с точки зрения экологии окружающей среды.
B.C. Северянин, В.Н. Подымов, Т.И. Назаренко, Ф.Н. Имамутдинов,
A.B. Кочергин, Г.И. Павлов, Ю.В. Ваньков, J.A. Carvalho и другие разработали, создали и испытали ряд установок пульсационного горения твердого топлива, аналогичных трубе Рийке. Однако, физические механизмы, условия возбуждения колебаний газа остались до конца не исследованными. Кроме
того, имеющиеся математические модели пульсационного горения слишком упрощены и дают мало количественной информации о границах возбуждения, частотах и амплитудах колебаний газа.
Сравнительно простым и наглядным с физической точки зрения является энергетический подход, который использовали в своих работах Б.В. Раушеибах, М.С. Натанзон, К.И. Артамонов, В.И. Фурлетов, Р.Г. Галиуллин, A.A. Putnam, N. Rott. Используя этот подход, В.М. Ларионов разработал метод исследования автоколебаний газа в установках с тепловыми источниками, с учетом градиента температуры газа, нелинейного характера процесса тепловыделения и излучения звука. Интересным с научной и практической точки зрения являете я приложение этого метода к исследованию пульсационного слоевого горения твердого топлива.
Исходя из вышеизложенного, исследования пульсационного горения твердого топлива в модельных камерах сгорания актуальны для разработки и создания промышленных установок, направленных на решение проблем ресурсо и энергосбережения, экологии окружающей среды.
Цель работы: на основании экспериментальных данных определение физических механизмов и условий возбуждения пульсационного горения твердого топлива в трубе и установке типа емкость-труба; разработка математических моделей колебаний газа в исследуемых установках.
В Главе 1 дается анализ экспериментальных и теоретических работ по теме диссертации и на его основе формулируются задачи диссертации.
Результаты исследования продольных колебаний газа в трубе и установке типа емкость-труба приведены в Главе 2. На основании известных акустических соотношений, учитывающих понижение температуры газа и скорости звука после скачкообразного повышения в области теплоподвода, получены уравнения частот собственных колебаний газа в трубе, открытой на концах, и в установке, состоящей из камеры сгорания - акустической емкости, трубы для подачи воздуха и трубы для отвода продуктов сгорания. Предложена упрощенная методика для оценки температуры газа - средней по сечению
трубы, где горит топливо. Результаты расчета частот колебаний газа при пульсационном горении органического стекла количественно согласуются с экспериментальными данными. Проведено теоретическое исследование резонансных колебаний газа в трубе с колеблющемся на входе поршнем. Учитывалась вязкость и теплопроводность газа, скачкообразное повышение его температуры в некотором сечении трубы.
В главе 3 энергетическим методом разработаны математические модели автоколебаний газа, возникающих при горении твердого топлива в исследуемых установках. Использовалась известная общая формула для акустической энергии, генерируемой областью теплоподвода под воздействием акустических колебаний газа. Задача по определению амплитуды автоколебаний решалась в «квазилинейном» приближении. Считалось, что фазовый сдвиг между колебаниями скорости тепловыделения и колебаниями скорости потока на входе в область теплоподвода такой же, как и в линейном случае. Амплитуды колебаний указанных параметров связаны соотношением, в котором к линейной части добавлен дополнительный отрицательный член, пропорциональный квадрату амплитуды колебаний скорости потока, что позволяет учесть замедление темпа генерации акустической энергии по мерс увеличения амплитуды колебаний газа. Аналогично связывались амплитуды колебаний давления и скорости газа на концах колебательной системы, где происходит излучение звука. В этом случае дополнительный член имеет положительный знак и отражает тот факт, что при усилении колебаний доля акустической энергии, излучаемой из системы, возрастает. Пристеночные потери определялись в линейной постановке. С учетом акустических соотношений, полученных во второй главе, выделяемая акустическая энергия и ее потери были представлены формулами, в которых они зависят от одного и того же параметра - амплитуды колебаний давления в области теплоподвода. Из анализа соотношения между получаемой и теряемой газом акустической энергии в линейном приближении было получено уравнение границы
неустойчивости, а с учетом нелинейных эффектов - формула для амплитуды установившихся колебаний давления.
Дано обоснование того, что процесс слоевого горения твердого топлива можно представить в виде последовательно соединенных инерционного и запаздывающего звеньев, а для определения передаточной функции зоны горения можно использовать положения теории автоматического регулирования. Предложена полуэмпирическая методика нахождения времени инерции и времени запаздывания процесса горения.
Экспериментальная часть работы изложена в Главе 4. На установке типа трубы Рийке исследовано влияние длины трубы, местоположения слоя топлива - древесной щепы и древесного угля на условия возбуждения частоту и амплитуду колебаний газа. Определены условия, при которых переходит переход от «мягкого» к «жесткому» режиму автоколебаний газа. Обнаружено, что при перемещении зоны горения вдоль трубы возбуждение и затухание колебаний, соответствующих жесткому режиму автоколебаний имеет гистерезисный характер. Предложены физические механизмы, управляющие этими режимами автоколебаний газа.
Исследование пульсационного горения кубических древесных образцов на установке типа емкость-труба показало, что возбуждение колебаний газа имеет мягкий характер, и пульсационное горение наблюдается, когда слой топлива находится вблизи устья воздухоподающей трубы. Установлены зависимости частоты колебаний газа и уровня звукового давления в камере сгорания - емкости от геометрических параметров установки: объема камеры сгорания, длины и диаметра воздухоподающей и резонансной трубы, числа образцов.
В этой же главе приводятся результаты расчетов границ возбуждения, частот и УЗД колебаний газа в рассматриваемых установка, выполненных на основании математических моделей пульсационного горения, изложенных в Главе 3. Рассчитанные и экспериментальные данные удовлетворительно согласуются.
В конце Главы 4 выполнен теоретический анализ с целью определения условий, соответствующих максимальному УЗД, его величины при пульсационном горении в трубе и установке типа емкость-труба. Этот параметр позволяет оценить степень интенсификации процессов горения и теплообмена, уровень создаваемого шума. Установлено, что несмотря на значительное отличие температуры холодного и горячего газа, максимальный УЗД колебаний с частотой первой гармоники достигается в середине трубы, также как и в случае газа с одинаковой температурой. В результате расчетов установлены соотношения для геометрических параметров резонансной и воздухоподающей трубы, объема камеры сгорания, соответствующие максимальной амплитуде колебаний газа при пульсационном горении в установке типа емкость-труба.
Научная новизна. Новым в работе является следующее:
1. Разработаны новые методики расчета акустических колебаний газа в трубе и установке типа емкость-труба, которые в отличие от работ других авторов, учитывают градиент температуры газа и скорости звука.
2. Получены новые экспериментальные данные, позволившие определить физические механизмы возбуждения колебаний газа, обнаружить гистерсзисный эффект при горении твердого топлива в трубе.
3. Разработаны математические модели пульсационного горения твердого топлива, которые в отличие от имеющихся, позволяют рассчитать уровень звукового давления и более точно определить границы возбуждения и частоту колебаний газа в типовых установках.
4. Предложена оригинальная полуэмпирическая методика определения передаточной функции процесса слоевого горения твердого топлива.
5. Впервые установлены безразмерные соотношения геометрических параметров, соответствующих максимальной амплитуде колебаний газа при пульсационном горении в установке типа емкость труба.
Достоверность полученных результатов. Теоретические модели разрабатывались на основе фундаментальных физических законов и уравнений,
основополагающих результатов, полученных ранее другими учеными. Применялись строгие математические методы и надежное программное обеспечение. Результаты расчетов подвергались тщательной экспериментальной проверке. Использовались аттестованные приборы, апробированные методики получения данных, обработки результатов измерений, оценки их точности.
Теоретическая и практическая значимость. Разработанные в диссертации математические модели являются вкладом в теорию автоколебаний газа в установках с тепловыми источниками. Методики расчетов и экспериментальные данные послужат основой для проектирования и создания промышленных печей для утилизации твердых промышленных и бытовых отходов, установок иульсациониого горения для нужд малой теплоэнергетики. На защиту выносятся:
1. Математические модели автоколебаний газа при слоевом горении твердого топлива в трубе и установке типа емкость-труба.
2. Результаты расчетов и экспериментальные данные о возбуждении пульсационного горения твердого топлива в типовых установках.
3. Физические механизмы мягкого и жесткого режимов возбуждения колебаний.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на Всероссийских школах-семинарах молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН В.Е. Алемасова «Проблемы тепломассообмена и гидродинамики в энергомашиностроении», (Казань, 2000, 2002, 2004 гг.); XIII, XIV, XVI. XVII XVIII, XX Всероссийских научно-технических конференциях «Внутрикамерные процессы в энергетических установках, акустика, диагностика, экология» (Казань, 2001, 2002, 2004, 2005, 2006, 2008 гг.); IV НПК молодых ученых и специалистов РТ (Казань, 2001 г.); VIII Четаевской международной конференции «Аналитическая механика, устойчивость и управление движением» (Казань, 2002 г.); VI научной конференция «Нелинейные колебания механических систем», (Н. Новгород,
10
2002 г.); Международной конференции «Advanced Problems in Thermal Convection» (Пермь, 2003 г.); V Международной конференции по неравновесным процессам в соплах и струях (NPNJ-2004). (Самара, 2004 г.); Международной конференции «Актуальные проблемы математики и механики» (Казань, 2004 г.); Национальной конференций по теплоэнергетике (Казань, 2006 г.), VIII Всероссийской научной конференции «Нелинейные колебания механических систем» (Н. Новгород, 2008 г.), ежегодных итоговых конференциях Казанского государственного университета.
И
Глава 1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ И ПРАКТИЧЕСКОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПУЛЬСАЦИОННОГО ГОРЕНИЯ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА
1.1. Установки нульсационного горения твердого топлива, их практическое приложение
При создании первых ракетных двигателей, использующих твердое топливо, было обнаружено [1-3], что иногда давление газа в камере сгорания становится нестабильным - возникают пульсации, частота которых сравнима с собственными частотами акустических колебаний газа в камере сгорания. В ряде случаев амплитуда этих пульсаций была настолько большой, что они приводили к повреждениям конструкции двигателя. Установлено, что так же, как в ракетных двигателях, работающих на жидком топливе, наблюдается акустическая неустойчивость процесса горения [4-6].
Ряд исследований вибрационного горения пороха был выполнен под руководством А.Д. Марголина [7-11]. Изучалось влияние величины среднего давления, геометрических параметров порохового образца и камеры сгорания на характеристики вибрационного горения.
Возбуждались колебания с частотой первой тангенциальной моды. В ряде случаев наблюдались колебания, соответствующие второй тангенциальной моде.
Продольные колебания газа различных гармоник, возникали, обычно, в начальной стадии горения.
Было обнаружено наличие области значений параметров (давление -относительная длина образца), в которой возможно «жесткое» возбуждение
12
вибрационного горения пороха. Верхняя граница этой области по давлению значительно превышает верхний предел «мягкого» самовозбуждения колебаний.
Напомним, что жесткое самовозбуждение происходит в системе, устойчивой по отношению к малым возмущениям, но неустойчивой по отношению к возмущениям достаточно высокой амплитуды. Жесткое самовозбуждение может _ произойти только после толчка достаточной интенсивности. Если же система неустойчива по отношению к бесконечно малым возмущениям, то самопроизвольное возбуждение такой системы называется мягким [12].
Было установлено, что, подавая искусственные импульсы давления, можно возбудить продольные колебания продуктов сгорания пороха, ранее в подобных условиях не проявлявшиеся. В некоторых экспериментах жесткое возбуждение продольных колебаний вызывается импульсом давления, возникающим при срабатывании воспламенительного устройства, то есть в самый начальный момент времени горения основного образца топлива. Возбуждались продольные колебания с частотой 9 кГц, соответствующие второй гармонике собственных колебаний столба газа в канале образца.
Самовозбуждение акустических колебаний газа было также обнаружено в топках энергетических котлов и камерах сгорания типа трубы Шмидта [13], работающих на распыленном тзердом топливе. Угольная или торфяная пыль подавалась в камеру сгорания через форсунки или сразу из пылепровода, воздух поступал через механические или аэродинамические клапаны.
Ряд оригинальных конструкций установок пульсационного горения (УПГ) пылевидного топлива разработали и испытали B.C. Северянин,
В.Я. Лысков [13-15]. Дипольная, коаксиальная, форкамерная, кольцевая и другие УПГ отличаются формой резонансной трубы, способами подвода топлива и воздуха. Были сформулированы общие рекомендации по созданию УПГ распыленного топлива. Основные из них - следующие:
- Киев+380960830922