На рис. 1.30 приведен эскиз экспериментальной топки Международной организации исследования горения (IFRF) с переменным отводом тепла, использованной для подробного экспериментального исследования гидродинамики и теплообмена. Топка имеет длину примерно 6,3 м и поперечное сечение 2 X 2 м. Она состоит из 17 поперечных охлаждаемых водой секций. Горелка и труба расположены в центре ториевых поверхностен. Во время испытаний серии М-3 использовались две высокоскоростные туннельные горелки для природного газа, показанные на рис. 1.31, в которых достигается полное сгорание на выходе из горелки [156—158]. Продукты сгорания поступают в топку без закрутки и горизонтально (эксперимент 8) или под углом 25° к горизонту (эксперимент 10). В предыдущих испытаниях в 1FRF были исследованы пламена распыленной нефти и измельченного в порошок угля с закруткой.
Рис. 1.30. Экспериментальная топка IFRF для исследования теплообмена в серии испытании Λ1-3 [157].
Рис. 1.31. Конструкции высокоскоростных туннельных горелок [157]: а — горизонтальная (эксперимент 8); б— наклонная (эксперимент (0).
Существует много различных типов топок — топка котла электростанции отличается, например, от топок в металлургической и обрабатывающей промышленностях. Топки играют важнейшую роль в современном обществе, и их эффективность и характеристики загрязнения среды могут привести к далеко идущим последствиям. Однако во всех случаях особенно важной является возможность управления пламенем с целью создания заданных распределений лучистого и конвективного теплообмена, полного сгорания, предотвращения шума, пульсаций и чувствительности к изменениям свойств топлива. В большинстве топок пламенам придается некоторая закрутка с целью повышения устойчивости, тогда как в некоторых других случаях, например в котлах с тангенциальной подачей топлива, потоки на входе направляются тангенциально к огневому ядру, образующемуся в центре камеры. Тогда в камере с закруткой возникает слабый эффект циклонного типа или в результате получается циклонная камера с движением закрученного потока относительно геометрической оси оборудования. Важными конечными характеристиками процесса являются температура, распределение тепловых потоков на стенках и эффективность сгорания, и они непосредственно связаны с образованием загрязняющих веществ, таких, как сажа и оксиды азота. Конструктору и оператору необходимо знать, как эти параметры зависят от количества движения и угла подачи струй топлива, температуры предварительно подогретого воздуха и формы камеры. Ясно, что проблема моделирования очень сложна, она включает взаимодействие турбулентного горения многих химических компонент с многофазными процессами (частицы жидкого или твердого топлива и углерода в поле течения) и с лучистым теплопереносом. Как указывается в литературе, моделирование в той или иной степени включает распределение по размерам частиц (рассчитанное в диапазонах конечных размеров во всех точках области), потоковые или зонные характеристики лучистого теплопереноса и данные о распределении сажи (сажа образуется в результате термического разложения углеводородов и ликвидируется окислением; оба процесса представляют собой сложную задачу химической кинетики). Имеются обзоры достижений в этой области, из них следует выделить работы Международной организации исследования горения в Эймёндене (Голландия) и связанного с ней Американского комитета исследования горения (158—169].
Общий обзор методов расчета длины сгорания и характеристик топки содержится в работе [163]. В случае турбулентных диффузионных пламен процесс сгорания определяется структурой потока и смешением. В обзоре обсуждаются методы расчета, основанные на законах подобия турбулентных струй, теории потока в гомогенном реакторе и на полных уравнениях в частных производных для турбулентного течения При сгорании капель и частиц необходимо учитывать скорости гетерогенных реакций и требуется знать распределения частиц по размерам и в пространстве. Эмиссия загрязняющих веществ, таких, как углеводороды, сажа и оксиды азота, может быть уменьшена соответствующим управлением закономерностями изменения температуры и концентрации в области сгорания.
В обзоре представлены также методы расчета лучистого потока тепла от пламени к тепловым стокам в порядке возрастающей сложности: модель с хорошим перемешиванием, модель длинной топки, многопотоковая модель и зонный метод анализа. В работе [166] сгорание и теплоперенос в топках больших котлов рассмотрены с точки зрения десятикратного увеличения размеров агрегатов за последние 20 лет.
Проведены интенсивные испытания котлов блока на 500 МВт со следующими целями: получение исходных данных для усовершенствования будущих конструкций, проверка моделей, используемых для расчета их характеристик, выявление недостатков конструкции и определение направлений модификации соответствующих блоков. Определены характеристики горения и теплообмена между газом и стенками с точки зрения рабочих характеристик и изменений в конструкции. Преимущества математического моделирования хорошо описаны в работе [167], где дан обзор моделей гидродинамики и теплообмена различного уровня сложности. В этой работе прослеживается постоянное возрастание адекватности и подробности описания в процессе развития моделей. В ранних работах удовлетворялись нуль мерными упрощенными подходами типа «перемешанного бака» (синонимы — «гомогенный» или «хорошо перемешанный» реактор) с использованием в качестве замыкающего предположения о постоянстве температуры. Для анализа горения в топках с большим отношением длины к ширине использовался одномерный подход. Во всех этих моделях применялись специальные предположения эмпирического характера. Использование вычислительной техники и численных методов позволило в последнее десятилетие перейти к двумерным моделям (включая осесимметричные течения с закруткой), что значительно расширило возможности расчета Хотя и эти модели не нашли еще широкого применения у конструкторов топок, ведутся дальнейшие исследования в направлении решения полностью трехмерных задач. Ясно, что они окажутся полезными при практическом проектировании и доводке [172] Более подробное обсуждение этих вопросов содержится в гл. 6.
Рассмотрим теперь некоторые применения закрученных течений: в горелках вихревых устройствах и циклонах.
Рис. 1.32. Сжигание угля в промышленных топках:
а -в виде измельченного в порошок угля; б — в неподвижном слое; в —в псевдоожиженном слое, г — в циклонной топке [I].
Рис 1.33. Модели подачи измененного и порошок угля в топку трубчатого водяного котла:
а — топка с подачей угля сверху вниз; б — топка с подачей через боковую стенку; в — топка с подачей из углов [I].
Твердое топливо сжигается в технических устройствах по-разному [1]. Например, сжигание угля в промышленных топках может осуществляться следующими способами (рис. 1.32):
- в виде измельченного в порошок угля;
- в неподвижном слое;
- в псевдоожиженном слое;
- в циклонной топке.
Процесс сжигания измельченного в порошок угля проиллюстрирован на рис. 1.33, где приведены три типичных режима подачи. Другие варианты сгорания показаны на рис. 1.34 [170]. На структуру течения сильно влияют форма топки, положение отверстий подачи топлива, входных и выходных отверстий вдува и выхода воздуха В некоторых только что обсужденных способах сжигания угля используется циклонный принцип; в этих случаях пламя называется циклонным пламенем. а топка называется циклонной (рис. 1.33,г, 1.32 и 1.34). Высокая интенсивность сгорания позволяет уменьшить размеры топки. В типичной циклонной топке могут использоваться горизонтальные, немного наклоненные или вертикальные пламена. Пламена измельченного в порошок угля используются также во вращающихся печах для обжига цемента (рис 1.35), и длина пламени является важным параметром, представляющим интерес для конструктора.
Особый случай представляют тороидальные горелки (рис. 1 36), которые конструируются специально для достижения высокой интенсивности тепловыделения при высокой температуре в результате сжигания жидкого или газообразного топлива с непосредственным использованием кислорода Продукты сгорания с высокой степенью диссоциации обеспечивают очень большие конвективные потоки тепла при рекомбинации на более холодных поверхностях; примеры их применения включают процессы рафинирования стали и меди при их производстве электродуговым методом или в мартеновских печах. В этих горелках иногда возникает неустойчивость, аналогичная встречающейся в ракетных двигателях.
Рис. 1.34. Конфигурации горелок и топок для сжигания измельченного в порошок угля Г170].
а — вертикальная подаче; б — тангенциальная подача; в — горизонтальная подача; г — цикловая подача; д — наклонная встречная подача.
Рис. 1.35. Вращающаяся цементная обжигательная печь [1].
Рис. 1.36. Тороидальная горелка [1].
Рис. 1.37. Структура течения в инжекционной зоне камеры сгорания гибридного ракетного двигателя:
1— вихрь; 2 — холодное ядро.
Для ракетных двигателей характерны три основных типа неустойчивости: неустойчивость в камере сгорания, неустойчивость системы и собственная неустойчивость (см. также гл. 6). К первой категории относятся явления гидродинамической неустойчивости, возникающие во многих системах сгорания, но особенно в камерах сгорания твердотопливных и гибридных ракетных двигателей. Пример приведен на рис. 1.37, где в определенной конструкции камеры сгорания, аналогичной тороидальной горелке, возникает гидродинамическая неустойчивость. Вблизи форсунки образуется тороидальный вихрь. Он захватывает горячие газообразные продукты сгорания, поступающий из форсунки окислитель, газообразное горючее из области поверхности горючего, соприкасающейся с вихрем. При критических условиях смесь этих газов воспламеняется и сгорает, создавая местное повышение давления, распространяющееся вниз по потоку. Этот процесс периодически повторяется.
Во многих других типах циклонных пылевых газоочистителей, циклонных сепараторов, пылеосадителей с вращающимся потоком и форсунок для распыления жидкого топлива используются свойства закрученного и вихревого течений [170].
Рис. 1.38. Типичным циклонный сепаратор [I].
Например, в циклонных сепараторах (рис. 1.38) крупные частицы отбрасываются к стенкам под действием центробежных сил (или вследствие недостаточной величины центростремительных сил) в сильно закрученном потоке [11]. Они опускаются вместе со вторичным течением и собираются в нижней части, в то время как относительно свободный от пыли воздух продолжает движение в центральном ядре и выходит у противоположного конца. Центробежные эффекты также проявляются в нагревателях типа бака с перемешиванием, когда бак с жидкостью нагревается от окружающей паровой рубашки. Перемешивание жидкости с помощью колеса с лопатками и установленные на стенке перегородки увеличивают турбулентность и интенсифицируют теплоперенос.
Некоторые атмосферные течения связаны с вращающимися массами воздуха либо в больших масштабах (циклоны, ураганы) либо в малых (огневые вихри, пылевые бури, торнадо, водяные смерчи и т. п.), и описание этих геофизических явлений само по себе представляет интерес [22, 56—58].
В гл. 5 и 6 более подробно разбираются вопросы, предварительно затронутые в этом параграфе.
