Исследование модели вихревой топки

Внедрение: 2016 г.

Разработка перспективных топочных устройств для сжигания пылеугольного топлива является актуальной задачей, направленной на интенсификацию процессов смесеобразования и воспламенения, повышение полноты сгорания топлива при уменьшенных габаритах топочной камеры и снижении выбросов токсичных продуктов сгорания. Обеспечивается это, в частности, за счет использования факельных вихревых технологий. Они реализуются в различных типах топочных устройств. Любая из этих конструкций обладает своими преимуществами и недостатками, которые обычно выявляются только на стадии полномасштабных стендовых испытаний или опытно-промышленной эксплуатации.

Данной теме посвящена серия публикаций учёных из Института теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН и Новосибирского государственного университета [1], [2], [3], [4], и в двух последних публикациях мы находим применение модуля АЦП E14-440.  

Исследования проводились [3] на лабораторной воздушной изотермической модели вихревой топки, выполненной в масштабе 1:15 к одной из секций опытно-промышленного котла ТПЕ-427 Новосибирской ТЭЦ-3 (рисунок 1).

Рисунок. 1. Схема модели вихревой топки НПО ЦКТИ.

Рисунок. 2. Экспериментальный стенд для исследования аэродинамики и процессов смешения в вихревой топке.

Измерения выполнены с помощью 3D лазерного доплеровского анемометра ЛАД-056 (разработанного в Институте теплофизики СО РАН), состоящего из двух 2D приборов ЛАД-05 и ЛАД-06 со взаимно ортогонально поляризованными лазерными лучами (рисунок 2).

Измерения пульсаций давления проведены при помощи анализатора шума Bruel&Kjaer (давление до 103,5 кПа, частота измерений 4 Гц – 20 кГц, чувствительность 54,9 мВ/Па). Датчик помещался в измерительный объем при помощи отборника – тонкостенной металлической трубки. Сигнал обрабатывался с помощью АЦП E14-440. Измерения проводились вблизи условного центра вихревой камеры при различных режимных параметрах. На рисунке 3 (слева) представлен характерный спектр давления с основным пиком на частоте около 60 Гц и меньшими пиками на кратных и иных частотах. Спектр имеет сложный вид, в нем представлены собственные частоты различных колебательных систем, которые можно оценить по формуле собственной частоты резонатора Гельмгольца для характерных параметров модели, воздушного и вентиляционного трактов. Диапазон этих частот 5 – 200 Гц.

Основная частота, представленная в спектре, не изменяется в широком диапазоне расхода, т.е. соответствует собственным колебаниям системы как акустического резонатора. Амплитуды регистрируемых пиков в спектре очень малы, что характерно для слабых случайных шумов, но не для организованной динамики. Тем самым, заметных пульсаций давления с частотой, зависящей от расхода, которые могли бы свидетельствовать о прецессии вихревого ядра потока, не обнаружено. Это подтверждается и представленным на рисунке 3 (справа) спектром вертикальной компоненты скорости потока, измеренной ЛАД-056 в той же точке, где регистрировалось давление.

Рисунок. 3. Спектры пульсаций давления при u₀ = 15 м/с (слева) и вертикальной компоненты скорости, нормированной на u₀ (справа).

Новый этап исследований [4] проводился на усовершенствованной изотермической лабораторной модели вихревой топки, выполненной из оргстекла (рисунок 4).

Рисунок 4. Схема лабораторной модели усовершенствованной вихревой топки: 1 – основные сопла; 2 – вторичные сопла; 3 – камера сгорания; 4 – диффузор; 5 – камера охлаждения; 6 – газоход. 

На фронтальной стенке под углом 30° к горизонту симметрично расположены два прямоугольных сопла, соответствующие горелочным амбразурам. На задней стенке вертикально расположены дополнительные сопла. «Козырек», расположенный под основными соплами и выполненный в виде дуги окружности (радиус в два раза меньше радиуса камеры сгорания), препятствует подпиранию основных струй и выносу потока из камеры сгорания.

Исследования внутренней аэродинамики модели вихревой топки выполнялись на модернизированном экспериментальном стенде (рисунок 5). Поток сжатого воздуха из магистрали подавался в модель вихревой топки через вихревой расходомер, синхронизированный с запорно-регулирующим клапаном с электроприводом, с целью стабилизации заданного расхода. При этом контролировалось давление и температура до и после клапана. 

Рисунок 5. Схема экспериментального стенда для исследования внутренней аэродинамики вихревой топки: 1 – магистраль подачи сжатого воздуха; 2 – запорный кран; 3 – запорно-регулирующий клапан с электроприводом; 4 – преобразователь расхода; 5 – шкаф управления; 6 – манометры; 7 – дымогенератор; 8 – модель вихревой топки; 9 – вентиляция, 10 – лазерная доплеровская измерительная система; 11 – компьютер.

Измерения пульсаций давления также проводились при помощи анализатора шума Bruel&Kjaer. Сигнал, оцифрованный с помощью АЦП E14-440, раскладывался в спектр с использованием быстрого преобразования Фурье (рисунок 6).

Рисунок 6. Характерные спектры пульсаций: давления (слева); вертикальной компоненты скорости (справа).
 

Важно, что основная частота пульсаций давления не зависит от режимных параметров: она остается постоянной в широком диапазоне изменения расхода воздуха, т.е. соответствует собственным колебаниям системы как акустического резонатора. Амплитуды регистрируемых пиков в спектре малы, что характерно для слабых случайных шумов, но не для организованной динамики потока. Тем самым, заметных пульсаций давления с частотой, зависящей от расхода, которые могли бы свидетельствовать о наличии прецессии вихревого ядра потока, не обнаружено.

Работа [4] выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда (проект № 14-19-00137).

Источники:

1. Саломатов В.В., Красинский Д.В., Аникин Ю.А., Ануфриев И.С., Шарыпов О.В., Энхжаргал Х. Экспериментальное и численное исследование аэродинамических характеристик закрученных потоков в модели вихревой топки парогенератора // Инженерно-физический журнал. – 2012. – Т. 85, № 2. – С. 266–276.

2. Саломатов В.В., Шарыпов О.В., Ануфриев И.С., Аникин Ю.А., Энхжаргал Х. Физическое моделирование внутренней аэродинамики вихревой топки энергетического парогенератора // Вестник Новосиб. гос. ун-та. Серия: Физика. – 2011. – Т. 6, вып. 1. – С. 60–65.

3. Аникин Ю.А., Ануфриев И.С., Шадрин Е.Ю., Шарыпов О.В. Диагностика пространственной структуры закрученного потока в модели вихревой топки // Теплофизические основы энергетических технологий: сборник статей V Всероссийской научной конференции с международным участием. – Томск: Изд-во Томского политехнического университета. – 2014. – С. 7–11.

4. И.С. Ануфриев, Е.Ю. Шадрин, О.В. Шарыпов. Исследование пульсационных характеристик потока в модели усовершенствованной вихревой топки // Международный научный журнал "Инновационная наука". – 2016 – № 3. – С. 17–20.

Разработчик: Ануфриев И.С., Шадрин Е.Ю., Шарыпов О.В., Аникин Ю.А., Саломатов В.В., Красинский Д.В., Энхжаргал Х.