Эффективность подготовительных процессов сжигания водотопливных смесей в топках малого объема




НазваниеЭффективность подготовительных процессов сжигания водотопливных смесей в топках малого объема
страница3/6
Дата05.12.2012
Размер0.57 Mb.
ТипАвтореферат
1   2   3   4   5   6
На тонком теле условие непротекания


. (15)


Распределение давления связано с полем скоростей формулой


. (16)


После этого применяют правило Прандтля – Глауэрта: при известных характеристиках одного и того же тела, но с деформированной, сжатой в 1/ раз опорной поверхностью, для несжимаемой жидкости (М0; ; ; ) потенциал скоростей , возмущения давления , циркуляция , подъемная сила и ее коэффициент пересчитывают на дозвуковой режим (0 < M0 < 1; x, y, z) по следующим формулам:


(17)


При этом для суперкавитационных потоков число кавитации





или . (18)


Последнее условие будет представлять собой модификацию правила Прандтля – Глауэрта для линеаризованных суперкавитационных обтеканий. Это же правило можно сформулировать и в другой, более удобной для постановки и решения краевых задач суперкавитации форме, адекватной первой.

При заданном числе кавитации необходимо решить краевую задачу в пространстве фиктивной несжимаемой жидкости (M0 = 0,  = 0) для деформированной, сжатой в –1 раз опорной поверхности (; ; ), но с ординатами тела, увеличенными в –1 раз, т. е. с линеаризованным условием непротекания или


.


Первая форма удобна при пересчете данных, известных для несжимаемой жидкости, на режим дозвукового обтекания (М0<1). Вторая (адекватная первой) форма пригодна при формулировке и решении (например, численном) краевой задачи для тонкого суперкавитирующего тела.

На базе полученной системы уравнений разработаны алгоритм и программный продукт для численного решения задач обтекания суперкавитирующих изолированных профиля и крыла, решеток профилей и пластин. Наличие в жидкости пузырьков воздуха существенно меняет параметры кавитационного потока. С увеличением объемной концентрации пузырьков воздуха () наблюдается уменьшение числа кавитации. Такая тенденция принимает более выраженный характер с уменьшением статического давления. Найден-





Рисунок 1 – Схема обтекания твердого кавитатора в трубе с проницаемыми стенками


ные правила пересчета позволяют определить локальные и интегральные характеристики кавитационного обтекания двухфазным (пузырьковым) потоком по характеристикам безпузырькового, однофазного течения.

В работе получены соотношения, позволяющие учесть влияние сжимаемости пузырькового потока на энергетические характеристики течения. Построены вычислительные схемы решения задач суперкавитации для изолированного профиля, крыла и решетки профилей и нахождения локальных и интегральных характеристик элементов суперкавитационных аппаратов, а также гидромашин в условиях двухфазности течения.

При расчете течения в проточном суперкавитационном смесителе со стационарным кавитатором (рисунок 1) закон сохранения импульса представляют формулой


; (19)


уравнение расходов


; (20)


уравнение сохранения механической энергии


, (21)


где – коэффициент гидравлических потерь напора между сечениями и ; – гидродинамическое сопротивление кавитатора; – сила жидкостного трения потока о стенки трубы;  – площадь кавитатора.

Решение этих уравнений с учетом толщины вытеснения потока , потери импульса и энергии позволяет получить для относительной площади миделя каверны формулу


, (22)


где

Сравнение расчетов и опытов В. П. Карликова, Г. И. Шоломовича,
В. А. Лапина и А. П. Кулака дает их хорошее совпадение (рисунки 2 и 3). В соответствии с обобщением правила Прандтля – Глауэрта для сжимаемых потоков и на основании опытов Г. Рейнхарда, Л. А. Эпштейна и Г. В. Логвиновича возможно определить параметры каверны как


. (23)


На основе проведенных исследований возможно сформулировать физическую модель кавитационного гидротермодинамического воздействия, которая может быть представлена двумя основными механизмами: распростране-





Рисунок 2 – Сравнение расчета и опыта для площади миделя каверны за диском: - - - расчеты автора





Рисунок 3 – Сравнение расчета и опыта для длины каверны за диском:
- - - расчеты автора


нием ударных волн вблизи схлопывающихся кавитационных микропузырьков и ударным действием кумулятивных микроструек при их несимметричном коллапсе. При этом реализуются поля высоких температур (до 2000 °С) и давлений (до 10000 атм.). Скорость кумулятивных струек может достигать 500 м/с. Явление сопровождается интенсивным турбулентным микроперемешиванием и механотермолизом воды с образованием Н2, О2, Н2О2 и свободных водородных связей. Таким образом, локальная область вблизи схлопывающегося кавитационного микропузырька является уникальным реактором для проведения различных реакций и технологических процессов, проводимых при нормальных внешних физических условиях.

Схемы силового взаимодействия ударных волн и полидисперсной фазы в жидкости могут быть представлены следующими механизмами:

взаимодействие одиночной частицы дисперсной фазы с фронтом ударной волны;

взаимодействие частицы с кумулятивной струйкой при несимметричном коллапсе пузырька (при соответствующем размере частицы);

кроме гидродинамического проявляется и трибомеханическое разрушение частиц вследствие сил трения, качения и сдвиговых деформаций, возникающих при таком контакте;

взаимодействие одиночной частицы с системой ударных волн при схлопывании групп пузырьков;

воздействие ударных волн при схлопывании групп пузырьков на скопление частиц дисперсной фазы;

воздействие ударных волн при схлопывании групп пузырьков на скопление частиц дисперсной фазы;

деструкция несущей фазы в результате кавитационного воздействия и вызванных им механохимических реакций.

Для экспериментального подтверждения и обоснования расчетных методов разработана программа и методики исследований режимов топливоподготовки и различных многокомпонентных сред.

На основе проведенных исследований по оценке экоэффективности и полученных данных разработана методика, учитывающая конструктивные и режимные параметры различных пылеулавливающих установок, которая сводится к выражению:





где – константа (изменяется в зависимости от роста цен), – показатель территории (коэффициент относительной опасности), f – коэффициент, учитывающий характер рассеивания примесей в атмосфере, Аi – показатель от носительной активности примеси i-го вида, Ут – ущерб от загрязнения атмосферы, приходящийся на единицу массы уловленной пыли, З – приведенныезатраты на природоохранные мероприятия, С0i – начальная концентрация i-го компонента в долях, – степень улавливания i-го компонента, Цэ – цена электроэнергии, – гидравлическое сопротивление газоочистного сооружения, Q – массовая производительность установки по газу, – время работы улавливающей системы, Цуст – цена улавливающей установки, Е – нормативный коэффициент, учитывающий амортизационные отчисления.

Предложен критерий экоэффективности систем очистки атмосферных выбросов на основе формулы для предотвращенного ущерба





где индексы «0» и «1» означают, соответственно, базовый и новый варианты.

В третьем разделе изложена методика экспериментального исследования, разработана классификация кавитационных технологических аппаратов, дано описание лабораторных стендов и технических проектов крупномасштабных установок, принятых к внедрению.

Замеры температуры проводились с помощью платино-платинорениевых термопар и ЭПП-09. Оценивались радиальная и окружная составляющие неравномерности температур после выхода топки на рабочий режим. Анализ результатов показал, что относительные температуры (отнесенные к расчетной температуре), измеренные в различных точках топок, имеют значительную неравномерность ∆Т ≈ 0,22.

Расчетно-теоретическими методами, натурными и лабораторными исследованиями произведена оценка экологической обстановки в районах работы асфальтосмесительных установок. Производились хроматографический, термогравиметрический и рентгенофазный анализы технологических выбросов и расчеты рассеяния по программе «Эколог», которые показали высокую степень экологической опасности загрязнений и послужили основой для выбора базового варианта объекта исследования.

Для оценки эффективности кавитационной обработки использовался ряд физико-химических показателей дисперсных, гетерофазных, многокомпонентных систем: электропроводность, оптическая плотность, поверхностное натяжение, рН среды, а также седиментационные и фильтрационные характеристики (объем осадка и скорость осаждения, объем фильтрата и скорость фильтрации). Определялись также влажностно-дисперсионные параметры ВМЭ и «чистого» мазута, ВУС и других смесей: водосодержание, размеры капель воды и др.

Оценка погрешности подтвердила удовлетворительную точность полученных результатов, которая обеспечивалась использованием методов исследования, соответствующих современному состоянию теплофизики и гидродинамики. Результаты натурных наблюдений, модельных экспериментов и расчетные параметры исследуемых процессов достаточно удовлетворительно совпадают.

В четвертом разделе излагаются результаты экспериментальных исследований по изучению влияния гидротермодинамических особенностей кавитации на изменение характеристик топливно-водяных смесей и теплофизических особенностей при их сжигании в различных топочных устройствах. Приведены результаты влияния кавитационной обработки на свойства воды, которая в одном случае является дисперсной фазой, в другом – дисперсионной средой.

В области топливоподготовки и приготовления водотопливных эмульсий и суспензий с целью увеличения полноты сгорания топлива и подавления образования вредных веществ в технологических выбросах исследовалась водомазутная эмульсия (ВМЭ) и водоугольные суспензии (ВУС). Определено влияние размеров капель топлива на физические процессы испарения, теплообмена и смесеобразования с учетом полноты его сгорания. Разработаны конструкции и исследованы гидродинамические, расходные и дисперсионные характеристики кавитационных технологических аппаратов в зависимости от режимных параметров работы и ряда внешних факторов с целью определения оптимальных конструктивных и технологических параметров.

Анализ полученных данных о влиянии числа кавитации на величину кавитационного импульса давления показывает, что для увеличения интенсивности воздействия необходимо уменьшать число кавитации вплоть до
 = 0,2. Теоретическая зависимость строилась по формуле Рэлея–Лэмба, учитывающей «неодиночность» кавитационного пузырька в обрабатываемой жидкости. Отличие теории от эксперимента проявляется в области малых чисел кавитации и вызвано тем обстоятельством, что формула Рэлея – Лэмба не учитывает сжимаемость потока, которая в области малых чисел кавитации становится существенной.

На рисунке 4 представлены результаты кавитационной обработки ВМЭ различного водосодержания, показывающие, что при продолжительном кавитационном воздействии ВМЭ нагревается. Это позволяет получить дополнительную экономию энергии на нагревание топлива перед его сжиганием.

Включение в технологическую схему топливоподготовки кавитационной обработки мазута значительно уменьшило пределы колебаний влажности и дисперсности водной фазы топлива (при уменьшении абсолютного среднего диаметра капель воды в ВМЭ в 10–15 раз, рисунок 5), что достаточно убедительно подтверждается микрофотографиями проб ВМЭ. Попадая в топочный объем, капли топлива за счет вторичного дробления (в результате микровзрыва) существенно уменьшаются в размерах. В результате время пребывания капель в реакционном объеме топки возрастает за счет удлинения их траектории в процессе турбулентного перемешивания; увеличивается удельная реакционная поверхность капель топлива; скорость сгорания топлива в виде мелких капель увеличивается и сопровождается выделением меньшего количества твердых продуктов, чем у крупных капель мазута.

При замене подаваемого в топку мазута марки М100 на специально подготовленную водомазутную эмульсию неравномерность поля температур значительно сгладилось. При этом относительные температуры стали иметь более равномерное поле ∆Т ≈ 0,04.

Наряду со стабилизацией влажностно-дисперсионных характеристик топлива, другим важным эффектом диспергирования являются разрушение смолисто-асфальтеновых структур и повышение однородности мазута. На рисунке 6 показано распределение частиц воды в топливно-дисперсной смеси по размерам. Стабильность эмульсий определялась методом отстаивания.

Практически при всех значениях Wp (от 5 до 30 %) ВМЭ после обработки не расслаивалась в течение 6–7 суток и более. С эксплуатационной точки зрения, более длительный интервал наблюдений не требуется.

Результаты исследования проб дымовых газов при сжигании мазута М100 и ВМЭ показали (см. таблицу 1), что использование ВМЭ вместо собственно мазута позволяет уменьшить в дымовых газах концентрацию окислов азота в 3–5 раз, сернистого ангидрида – в 2–4 раза, оксида углерода в 2–2,5 раза. Наиболее целесообразно применение ВМЭ с Wp  15–20 %.

Подавление крекинга углеводородов происходит в результате не только уменьшения размера капель мазута, но и за счет отвода тепла испаряющейся водой, а также в результате протекания дополнительных реакций между диссоциированными молекулами воды и углерода.






Рисунок 4 – Кинетика изменения температурного режима при кавитационной обработке ВМЭ с Wp:
1 – 5 %; 2 – 10 %; 3 – 15 %; 4 – 20 %






Рисунок 5 – Изменение влажностно-дисперсионных характеристик топлива (мазут М100) до и после диспергирования перед сжиганием



Рисунок 6 – Распределение частиц воды в топливно-дисперсной смеси по размерам: а – мазут: 1 – без обработки; 2 – после обработки; б – ВМЭ после обработки при разном содержании воды Wp: 1 – 5 %; 2 – 10 %; 3 – 15 %

Результаты и рекомендации данной работы внедрены комплексно (и система топливоподготовки ВМЭ и система пылеулавливания) на АБЗ ОАО «Красноярская дорожно-передвижная механизированная колонна» (ДПМК).

На рисунках 7 и 8 представлены характерные результаты до, а на рисунках 9 и 10 – после применения комплекса мер подавления вредных выбросов в атмосферу.

На кривой ДТА, рисунок 7, наблюдаются 2 эндо- и 2 экзоэффекта. Эндоэффект, соответствующий Т = 130 С, отвечает удалению адсорбированной воды; происходит с потерей массы образца. Эндоэффект при Т = 845 С соот-ветствует диссоциации кальцита. Два экзоэффекта (при 370 и 430 С) проходят при потере массы образца – происходит выгорание органической части образца и полиморфические превращения Fe. Данные дифференциально-термического анализа, проводимого на дериватографе Q-1500D, подтверждаются результатами рентгенофазового анализа образцов, сделанного на аппарате ДРОН-3 в Cu-K излучении, (рисунок 8).


Таблица 1 – Концентрация загрязняющих веществ


Режим (топливо)

Wp, %

Объем газов, м3

Т, °С

Пыль, г/м3

Сажа, г/м3

СО, г/м3

NO2, г/м3

SO2, г/м3

Мазутная зола в пересчете на ванадий

Мазут М100

~3

3,89

70

1,596

0,479

0,721

0,055

0,517

0,0005

ВМЭ

5

->>-

->>-

0,19

0,0014

0,32

0,039

0,37

0,00049

10

->>-

->>-

0,19

0,0014

0,32

0,019

0,22

0,00047

15

->>-

->>-

0,20

0,0015

0,29

0,013

0,20

0,00045

20

->>-

->>-

0,19

0,0013

0,28

0,013

0,19

0,00042

Примечание: выбросы SO2 даны с учетом использования CaCO3 в системе очистки


Анализ кривой ДТА (рисунок 9), указывает на наличие трех эндотермических пиков при температурах 590, 640 и 845 С. Первые два соответствуют выделению конституционной воды из глинистых материалов. Эти процессы проходят с небольшим уменьшением массы образца (m1  0,4 %). Третий эндотермический эффект (Т = 845 С) относится к диссоциации кальцита СаСО3 и образованию СаО и СО2. Процесс происходит с потерей массы (m2  1,92 %), что соответствует количеству выделившегося СО2.

Рентгенофазовый анализ (рисунок 10), показывает, что образец состоит в основном из кварца (d = 4.25; 3.34; 2.45; 2.28; 2.13; 1.98; 1.82 и т.д.), полево го шпата (d = 4.02; 3.20; 3.18), незначительного количества кальцита
(d = 3.02; 2.28). В качестве примесей имеются окислы железа, каолит и другие глинистые минералы, расшифровка присутствия которых затруднительна ввиду их малого содержания в образце.

Сравнительные результаты применения кавитационнообработанной ВМЭ и комбинированного мокрого пылеуловителя с базовым вариантом (без применения предложенных мероприятий) по данным дифференциально-термического и рентгенофазного анализов, а также результатов расчета рассеивания вредных примесей в атмосферу с помощью программы «Эколог» показали высокую эффективность разработанных в диссертации мер по подавлению вредных веществ: резко снизилось содержание органики – содержание сажи уменьшилось до 0,75 % по твердым составляющим, снизилось количество СО, NOx и SO2, созданы условия по снижению образования бенз(а)пирена и др.

Данные измерения параметров температурных полей для стандартных топок АБЗ хорошо согласуются с результатами испытаний, представленными С. В. Парадеком и В. Я. Махониным, которые однозначно свидетельствуют о низкой эффективности тепловыделения топок АБЗ, доказательством чему яв-





Рисунок 7 – Термогравиграмма образца твердых выбросов из дымовой трубы АБЗ до внедрения
результатов







Рисунок 8 – Рентгенограмма образца твердых выбросов из дымовой трубы АБЗ до внедрения результатов




Рисунок 9 – Термогравиграмма образца твердых выбросов из дымовой трубы после внедрения результатов






Рисунок 10 – Рентгенограмма образца твердых выбросов из дымовой трубы АБЗ после внедрения результатов



ляются результаты замеров неравномерности температурного поля в выходном сечении топки.

Полученные результаты позволяют обеспечить высокую эффективность процесса горения при использовании типового технологического оборудования за счет улучшения гидродинамических и кинетических факторов в процессах смесеобразования и горения. В результате снижения эмиссии загрязняющих веществ, уменьшается негативное воздействие на окружающую среду и обеспечивается экономия углеводородного топлива.

Аналогичные исследования, проведенные с ВУС, показали перспективность ее применения. В работе использовались различные фракции угля: 0–100, 100–1000, 1000–1600, 1600–2500 мкм и уголь различного исходного грану-лометрического состава, оцениваемого по относительному содержанию фракции менее 100 мкм – 15, 30, 45, 90 %. Подготовка экспериментальных партий угля различного гранулометрического и фракционного состава осуществлялась в такой последовательности: грубый размол угля; усреднение; последовательные этапы тонкого размола, оцениваемые по показателю эффективности конверсии (ЭК). Эффективность конверсии – это отношение содержания фракции угля (0–100 мкм) к общей массе всех фракций угля выборки.

Для приготовления проб ВУС использовался уголь Канско-Ачинского бассейна из тракта пылеприготовления котлов БКЗ-75 и БКЗ-420 на Красноярской ТЭЦ-2. Канско-Ачинские угли относятся к типично гумусовым, а по степени углефикации – к группам 2Б и ЗБ. Для них характерны достаточно высокое содержание углерода (от 69,3 до 74,5 %); низкая зольность (от 6 до




Рисунок 11 – Термограмма угольной пыли:
а – образец № 1; б – ВУС (концентрация 50 %) без КО (образец № 2); в, г – ВУС (концентрация 50 %), время КО соответственно
4 мин (образец № 3) и 5 мин (образец № 4):
------- – температурная кривая






Рисунок 12 – Уменьшение массы золового остатка М3 при сжигании ВУС: I – исходная пыль; II – без обработки; III, IV время КО соответственно 4 и 5 мин
1   2   3   4   5   6

Похожие:

Эффективность подготовительных процессов сжигания водотопливных смесей в топках малого объема iconПрограмма повышения квалификации «Организация малого бизнеса»
Значение и задачи малого предприятия. Жизненный цикл малого предприятия. Как создать успешное малое предприятие. Предпринимательская...
Эффективность подготовительных процессов сжигания водотопливных смесей в топках малого объема iconПерелік нормативних документів (НД), які встановлюють вимоги до продукції, що випробовується, та методів її випробувань
Баллоны стальные малого и среднего объема для газов на Рр  19,6 мпа (200 кгс/см2). Технические условия
Эффективность подготовительных процессов сжигания водотопливных смесей в топках малого объема iconПрограмма учебной дисциплины «разделение многокомпонентных смесей в технологии природных энергоносителей и углеродных материалов»
Целью дисциплины является формирование знаний в области технологий разделения многокомпонентных смесей, широко применяющихся в нефтеперерабатывающей,...
Эффективность подготовительных процессов сжигания водотопливных смесей в топках малого объема iconП/п Наименование субъекта малого предпринимательства
Забайкальского края субсидий субъектам малого и среднего предпринимательства и организациям, образующим инфраструктуру поддержки...
Эффективность подготовительных процессов сжигания водотопливных смесей в топках малого объема iconАвтоматизация технологических процессов производства асфальтобетонных смесей при ультразвуковой обработке битума
Специальность 05. 13. 06 – Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (промышленность)
Эффективность подготовительных процессов сжигания водотопливных смесей в топках малого объема iconМетодика оценки последствий аварийных взрывов топливно-воздушных смесей (рд 03-409-01)
Методика оценки последствий аварийных взрывов топливно-воздушных смесей (далее Методика) позволяет провести приближенную оценку различных...
Эффективность подготовительных процессов сжигания водотопливных смесей в топках малого объема iconАвтоматизация процессов управления связным многокомпонентным дозированием промышленного производства бетонных смесей с оптимизацией по критерию качества
Специальность 05. 13. 06 – Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (промышленность)
Эффективность подготовительных процессов сжигания водотопливных смесей в топках малого объема iconОрганизация рекламной деятельности малого торгового предприятия и ее эффективность
Д 212. 196. 04 при фгбоу впо «рэу имени Г. В. Плеханова» по адресу: 117997, г. Москва, Стремянный пер., д. 36, ауд. 353
Эффективность подготовительных процессов сжигания водотопливных смесей в топках малого объема iconПрограмма вступительных испытаний (в форме собеседования) для поступающих в магистратуру по направлению 150400 «Технологические машины и оборудование»
Классификация неоднородных смесей и методы их разделения. Материальный баланс процессов разделения
Эффективность подготовительных процессов сжигания водотопливных смесей в топках малого объема iconПрограмма ОАО «Российский банк развития» по поддержке малого и среднего предпринимательства Москва 2006 год
Российской Федерации по вопросам развития малого и среднего предпринимательства, определяет понятие «субъектов малого и среднего...
Разместите кнопку на своём сайте:
Библиотека


База данных защищена авторским правом ©lib.znate.ru 2014
обратиться к администрации
Библиотека
Главная страница