сотрудник с 01.01.2007 по настоящее время
Белгород, Россия
Белгородская область, Россия
студент с 01.01.2015 по настоящее время
Россия
ГРНТИ 67.53 Инженерное обеспечение объектов строительства
ОКСО 08.06.01 Техника и технологии строительства
ББК 38 Строительство
ТБК 5435 Газоснабжение
Статья посвящена разработке конструкции инжекционной горелки низкого давления, оснащенной тепловым рассекателем и исследованию процесса распределения концентрации метана и скорости газовоздушной смеси в корпусе горелки. Для исследования процесса образования газовоздушной среды в корпусе горелки разработанной конструкции использовали программный комплекс моделирования Solid Works Flow Simulation. Разработана конструкция инжекционной горелки низкого давления с тепловым рассекателем конической формы. Размещение рассекателя в корпусе горелки обеспечивает предварительный подогрев газовоздушной смеси и позволяет повысить скорость распространения пламени. Выполнено компьютерное моделирование процесса образования газовоздушной смеси в корпусе горелки для 3 конструкций горелок: без рассекателя, с рассекателем длиной 11 мм и рассекателем длиной 25,5 мм. В результате моделирования установлено, что размещение рассекателя длиной L=11 мм не влияет на распределение метана и скорость газовоздушной смеси в корпусе горелки и на выходе из огневых отверстий. Увеличение длины рассекателя до 25,5 мм приводит к росту скорости газовоздушной смеси и повышению концентрации метана в огневых отверстиях. Следовательно, оптимальным решением повышения эффективности и стабильности процесса горения является размещение в корпусе горелки теплового рассекателя длиной 11 мм.
газоснабжение, горение, горелка, инжекция, моделирование, концентрация метана, скорость газовоздушной смеси
Введение. В Российской Федерации основным видом топлива является природный газ, который занимает первое место в топливно-энергетическом балансе страны. Доля природного газа составляет 40 % в балансе источников энергии РФ [1]. Большая часть потребляемого в РФ природного газа (58,3 %) используется коммунально-бытовыми и промышленными потребителями. Уровень газификации страны составляет 68,1 %, из них 71,4 % в городах и 58,7 % в сельской местности [2]. Несмотря на высокий уровень газификации страны, системы газоснабжения и газораспределения продолжают активно развиваться. Основные направления развития системы газоснабжения России заключаются в модернизации существующих систем газораспределения и использовании альтернативных источников энергии (сжиженного природного газа, компримированного природного газа и сжиженного углеводородного газа) [3]. Одним их перспективных направлений развития систем газоснабжения является развитие систем газопотребления, заключающееся в повышении эффективности процесса горения и разработке высокоэффективного газоиспользующего оборудования, основным элементом которого является горелочное устройство. В настоящее время разработка газогорелочных устройств осуществляется в следующих направлениях: использование современных материалов; применение устройств, улучшающих образование газовоздушной смеси и применение элементов, обеспечивающих предварительный нагрев газовоздушной смеси в корпусе горелки [4–8].
Горение газообразного топлива включает следующие стадии: смешение газа с воздухом, подогрев газовоздушной смеси, термическое разложение горючих газов, воспламенение и химическое соединение горючего с кислородом воздуха [9–11]. Смешение газа с воздухом и подогрев газовоздушной смеси являются начальными этапами процесса горения и оказывают значительное влияние на эффективность процесса горения и тепловую мощность газового оборудования. Следовательно, актуальным является разработка конструкции инжекционной горелки низкого давления, оснащенной тепловым рассекателем и исследование процесса образования и распределения газовоздушной смеси в корпусе горелки и на выходе из огневых отверстий.
Методы, оборудование, материалы. Для описания движения газовоздушной смеси в корпусе горелки будем использовать уравнения неразрывности и Навье–Стокса, осредненные по времени (уравнения Рейнольдса):
(1)
(2)
где i,j=1,2,3; u1=ux; u2=uy; u3=uz – осредненные по времени проекции вектора скорости; P – осредненное значение давления; Πij – тензор турбулентных напряжений.
Тензор турбулентных напряжений, возникающих в газовоздушном потоке определяется выражением:
, (3)
где ui’, uj’ – турбулентные пульсации проекций скорости газовоздушной среды, <…> – знак осреднения.
Учитывая вихревой режим движения газовоздушной среды в корпусе горелки и на выходе из огневых отверстий, принимаем k-ε модель турбулентности.
Тензор турбулентных напряжений k-ε модели определяется выражением:
, (4)
где к – турбулентная кинетическая энергия; ε – скорость диссипации турбулентной энергии; vt – коэффициент кинетической турбулентной вязкости; δij – символ Кронекера.
Для исследования процесса образования газовоздушной среды в корпусе горелки разработанной конструкции будем использовать программный комплекс моделирования Solid Works Flow Simulation. Методы компьютерного моделирования получили широкое применение для исследования процесса горения газообразного топлива [12–15].
Результаты и обсуждение. Разработана конструкция инжекционной горелки низкого давления, оснащенная тепловым рассекателем (рис. 1). Основными элементами газовой горелки являются: сопло, камера смешения, отверстия выхода газовоздушной смеси, тепловой рассекатель и регулятор подачи первичного воздуха.
Новизна данной конструкции заключается в использовании теплового рассекателя конической формы, при этом присоединение рассекателя к крышке горелки выполняется под плавным углом с радиусом изгиба равным длине рассекателя. Это способствует стабилизации потоков газовоздушной смеси в корпусе горелки и приводит к снижению потерь давления. Применение рассекателя оригинальной формы обеспечивает предварительный подогрев газовоздушной смеси за счёт процесса теплопередачи от пламени через рассекатель к газовоздушной смеси. В работе [16] авторами установлено, что предварительный подогрев газовоздушной смеси позволяет повысить скорость распространения пламени и температуру горения.
Рис. 1. Модель инжекционной горелки с тепловым рассекателем: 1 – сопло; 2 – корпус горелки;
3 – камера смешения; 4 – тепловой рассекатель;
5 – крышка горелки; 6 – огневые отверстия;
7 – регулятор подачи первичного воздуха
В результате компьютерного моделирования были получены визуальные картины распределения концентрации метана и скорости газовоздушной смеси в корпусе горелки и на выходе из огневых отверстий. При этом замеры концентраций и скорости газовоздушной смеси производились на 7 разных участках горелки (рис. 2).
Результаты моделирования распределения скорости газовоздушной смеси в корпусе горелки представлены на рис. 3.
а б в
Рис. 2. Точки измерений концентраций и скорости газовоздушной смеси:
а – без теплового рассекателя; б – с тепловым рассекателем L= 11 мм; в – с тепловым рассекателем L=25,5 мм
а б в
Рис. 3. Распределение скорости газовоздушной смеси в корпусе горелки:
а – без теплового рассекателя; б – с тепловым рассекателем L= 11 мм; в – с тепловым рассекателем L=25,5 мм
Из рис. 3 видно, что скорости газа в центральной части корпуса (точка 1) в горелке без рассекателя и в горелке с рассекателем L=11 мм имеют похожие значения – 14,15 м/с и 14,18 м/с соответственно. А в горелке с рассекателем L=25,5 мм скорость значительно возрастает (20,82 м/с).
Скорость газа в точках 5 и 6 в горелке без рассекателя составляет 3,10 м/с, в горелке с рассекателем L=11 мм скорость снижается до 2,54 м/с. А в горелке с рассекателем L= 25,5 мм скорость возрастает до 3,45 м/с.
Результаты моделирования распределения скорости газовоздушной смеси в огневых отверстиях представлены на рис. 4.
а б в
Рис. 4. Распределение скорости газовоздушной смеси в отверстиях: a – без теплового рассекателя; б – с тепловым рассекателем L= 11 мм; в – с тепловым рассекателем L=25,5 мм
Из рисунка 4 видно, что скорости газовоздушной смеси на выходе из огневых отверстий (точки 2, 3) в горелке без рассекателя и в горелке с рассекателем L=11 мм имеют похожие значения – 3,617 м/с и 3,620 м/с соответственно. При этом скорость смеси в горелке с рассекателем L=25,5 мм повышается до 6,710 м/с.
Скорости газовоздушной смеси на некотором расстоянии от огневых отверстий (точка 7) в горелке без рассекателя и в горелке с рассекателем L=11 мм также имеют похожие значения – 2,828 м/с и 2,834 м/с соответственно. Скорость смеси в горелке с рассекателем L=25,5 мм также повышается (5,580 м/с).
Увеличение скорости газовоздушной смеси в корпусе горелки с рассекателем L= 25,5 объясняется тем, что вершина рассекателя расположена в камере смешения, вследствие чего уменьшается площадь поперечного сечения камеры смешения. Уменьшение площади поперечного сечения при неизменном расходе приводит к увеличению скорости потока. Таким образом, установка рассекателя длиною L=11 мм в корпусе горелки не оказывает влияния на скорость газовоздушной смеси в корпусе горелки и в огневых отверстиях.
Результаты моделирования распределения концентраций метана в корпусе горелки представлены на рис. 5.
Из рисунка 5 видно, что концентрации метана в центральной части корпуса (точка 1) в горелке без рассекателя и в горелке с рассекателем L=11 мм имеют одинаковые значения – 26,5 %, а в горелке с рассекателем L=25,5 мм концентрация метана возрастает до 31,2 %.
Концентрация метана в точках 5, 6 в горелке без рассекателя и в горелке с рассекателем
L=11 мм имеют практически одинаковые значения – 21,6 % и 21,7 % соответственно. А в горелке с рассекателем L=25,5 мм концентрация метана незначительно повышается до 22,1 %.
Результаты моделирования распределения концентрации метана в огневых отверстиях представлены на рис. 6.
а б в
Рис. 5. Распределение концентрации метана в корпусе горелки:
a – без теплового рассекателя; б – с тепловым рассекателем L= 11 мм; в – с тепловым рассекателем L=25,5 мм
а б в
Рис. 6. Распределение концентрации метана в огневых отверстиях:
a – без теплового рассекателя; б – с тепловым рассекателем L= 11 мм; в – с тепловым рассекателем L=25,5 мм
Из рисунка 6 видно, что концентрации метана на выходе из огневых отверстий (точки 2, 3) в горелке без рассекателя и в горелке с рассекателем L=11 мм имеют похожие значения – 20,5 % и 20,7 % соответственно. При этом концентрация метана в горелке с рассекателем L=25,5 мм незначительно повышается до 21 %.
Концентрация метана на некотором расстоянии от огневых отверстий (точка 7) в горелке без рассекателя составляет 17,4 %. В горелке с рассекателем L=11 мм концентрация повышается до 17,8 %, а в горелке с рассекателем L=25,5 мм повышается до 20,2 %.
Повышение концентрации метана в горелках с рассекателями обусловлено повышением скорости потока газа, вследствие чего уменьшается количество первичного воздуха.
Выводы. Разработана конструкция инжекционной горелки низкого давления, оснащенной тепловым рассекателем в форме конуса. Применение рассекателя оригинальной формы обеспечивает предварительный подогрев газовоздушной смеси и позволяет повысить скорость распространения пламени и температуру горения
Проведены исследования процесса образования газовоздушной смеси в корпусе горелки для 3 конструкций горелок: без рассекателя, с рассекателем длиною 11 мм и рассекателем длиною 25,5 мм.
В результате моделирования установлено, что концентрация метана и скорость газовоздушной смеси в горелке без рассекателя и в горелке с рассекателем длиною 11 мм имеют похожие значения. Увеличение длины рассекателя до L= 25,5 мм приводит к уменьшению площади поперечного сечения камеры смешения, вследствие чего повышается скорость газовоздушной смеси и увеличивается концентрация метана. Увеличение скорости газовоздушной смеси может привести к нарушению процесса горения и отрыву пламени.
Можно сделать вывод, что оптимальным решением повышения эффективности и стабильности процесса сжигания газа является установка в корпусе горелки рассекателя длиною 11 мм. Это позволяет повысить скорость распространения пламени и тепловую мощность горелки.
Источник финансирования. Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 18-38-00351.
1. Россия имеет одну из самых «зеленых» в мире структур топливно-энергетического баланса [Электронный ресурс]. URL: https://tass.ru/ekonomika/4055397 (дата обращения 19.06.2019).
2. «Газпром» в 2017 году газифицировал 207 российских населённых пунктов. [Электронный ресурс]. URL: https://bel.ru/news/economy/29-06-2018/gazprom-v-2017-godu-gazifitsiroval-207-rossiyskih-naselyonnyh-punktov (дата обращения 11.07.2019).
3. Газификация [Электронный ресурс]. URL: http://www.gazprom.ru/about/production/ gasification/ (дата обращения 11.07.2019).
4. Пелипенко В.Н. Горелки бытовых газовых плит: Учебное пособие. Тольятти: ТГУ, 2004. 138 с.
5. Пат. 2522260 Российская Федерация, МПК F23D 14/06, F23D 14/58. Энергосберегающая газовая горелка / В.В. Ветер, А.В.Коняхин; заявитель и патентообладатель Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственное предприятие "Валок" (ООО НПП "Валок"). №2013108121/06; заявл. 22.02.2013; опубл. 10.07.2014 Бюл. № 19.
6. Пат. 2498157 Российская Федерация, МПК F23D 14/06. Система горелок бытовой газовой плиты / Лакке Тициано; заявитель и патентообладатель Индезит компани. №2009135756/06; заявл. 14.02.2008; опубл. 10.04.2011 Бюл. № 10.
7. Пат. 2528787 Российская Федерация, МПК F23D 14/06. Газовая горелка (варианты) / М. Паджетт Б. Шивз; заявитель и патентообладатель Электролюкс хоум продакс. №2011138273/06; заявл. 17.02.2010; опубл. 27.03.2013 Бюл. № 26.
8. Горелки стола бытовых газовых плит [Электронный ресурс]. URL: https://www.c-o-k.ru/articles/gorelki-stola-bytovyh-gazovyh-plit (дата обращения 20.12.2018).
9. Суслов Д.Ю., Рамазанов Р.С. Изучение механизма горения биогазового топлива // Актуальные вопросы охраны окружающей среды: материалы Всероссийск. науч.-техн. конф. (г. Белгород, 17-19 сентября 2018 г.) Белгород: Изд-во БГТУ, 2018. С. 243-249.
10. Гуськов Б.И., Кряжев Б.Г. Газификация промышленных предприятий: Учебник для техникумов. М.: Стройиздат. 1982. 368 с.
11. Брюханов О.Н., Жила В.А., Плужников А.И. Газоснабжение: учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений. М.: Издательский центр «Академия», 2008. 448 с.
12. Liu Y.-F., Liang X.-J., Gao Z.-Y., Wang J.-Q. Numerical simulation of O2/CO2 recycled flue gas combustion in a 300 MW Boiler // Reneng Dongli Gongcheng / Journal of Engineering for Thermal En-ergy and Power. 2009. Vol. 24, Issue 2. Pp. 177-181.
13. Kuznetsov V.A., Trubaev P.A. Resources and Problems of the Mathematical Simulating Thermo-Technological Processes // Journal of Physics: Conference Series. 2018. 1066. 012024. doi:https://doi.org/10.1088/1742-6596/1066/1/012024
14. Kuznetsov V.A. Mathematical Model of the Radiative Heat Exchange in the Selective Gases of a Diffusion Flame // Journal of Engineering Physics and Thermophysics. 2017. 90(2). Pp. 357-365.
15. Feng M.-J., Li D.-L., Wang E.-G. Numerical simulation of an adjustable length of flame gas burner // Dongbei Daxue Xuebao/Journal of Northeastern University. Vol. 35, Issue 9. 2014. Pp. 1279-1283. doi:https://doi.org/10.3969/j.issn.1005-3026.2014.09.015
16. Кущев Л.А., Суслов Д.Ю., Рамазанов Р.С., Швыдкая М.А. Интенсификация процесса сжигания природного газа в системах газоснабжения ЖКХ // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2017. №11. С. 95-99.
