42

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Эффективность подготовительных процессов сжигания водотопливных смесей в топках малого объема

05.14.04 - промышленная теплоэнергетика

Кулагина Т.А.

Омск 2009

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Московский государственный университет инженерной экологии» и ФГОУ ВПО «Сибирский федеральный университет»

Научный консультант:

доктор технических наук, профессор

Трошкин Олег Александрович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки Удмуртской Республики

Никулин Валерий Александрович

доктор технических наук, профессор

Никифоров Александр Георгиевич

доктор технических наук, профессор

Ненишев Анатолий Степанович

Ведущая организация: ФГУП НПЦ «Экотехника» (г. Новокузнецк)

общая характеристика работы

Актуальность работы обусловлена необходимостью разработки технических и технологических решений, обеспечивающих высокоэффективное и экологически безопасное сжигание топлива в виде водотопливных смесей в теплотехнологических установках. В значительной степени эффективность сжигания зависит от качества и физических свойств топливной смеси, которые в существенной мере определяются процессом топливоподготовки.

Обеспечение принципа энергоэффективности является одним из важнейших условий функционирования и дальнейшего развития современной промышленности. Начало научных основ энергосбережения положили работы Р. Б. Ахмедова, В. И. Доброхотова, А. Д. Ключникова, А. А. Макарова, Л. А. Мелентьева, С. И. Коновальцева и др. Проведенный анализ научных и технических публикаций позволяет заключить, что наиболее важной проблемой является развитие интенсивного энергоресурсосбережения, потенциал экстенсивных методов в значительной мере исчерпан.

Практически существуют два альтернативных пути ресурсной и, что не менее важно, экологической эффективности жизнедеятельности:

реконструкция существующих технологических процессов на принципах построения малоотходных производств и безотходных комплексов;

интенсификация производства полезного продукта при одновременном снижении потребления энергетических и материальных ресурсов в результате использования новых наукоемких технологий.

Использование органического топлива является основным источником энергии различных теплотехнологических процессов. В работах Г. Н. Делягина, Н. В. Лаврова, В. И. Мурко, Э. И. Розенфельда, Л. М. Цирульникова и др. отмечается, что качество сжигания мазутов и водомазутных эмульсий существенно зависит от дисперсионных характеристик топлива. Серьезным препятствием на пути широкого применения водомазутной эмульсии (ВМЭ) или водоугольной суспензии (ВУС) является сложность управления реологическими и другими физико-химическими параметрами на этапах производства, транспортировки и сжигания. Интенсификация процессов получения водотопливных смесей возможна с помощью эффектов кавитации, позволяющих оптимизировать их качество и более точно обеспечивать режимы сжигания с целью увеличения полноты сгорания топлива и подавления образования вредных веществ в технологических выбросах непосредственно в источнике их образования. Поэтому задачи совершенствования теплофизических и гидродинамических процессов при сжигании топлива, топливоподготовки с использованием двухфазных топливно-водяных эмульсий (суспензий), улучшения технологических режимов работы топочных устройств с учетом выбросов вредных веществ актуальны и имеют большое научное и практическое значение.

Проблемы организации эффективного сжигания топлив и топливоподготовки на базе критической кавитационной технологии, очистки выбросов, совершенствование методов оценки предотвращенного ущерба определяют комплексный характер исследований данной работы.

Работа выполнена по приоритетному направлению развития науки, технологий и техники РФ Пр - 577 «Энергосберегающие технологии», критические технологии «Производство электроэнергии и тепла на органическом топливе», «Системы жизнеобеспечения и защиты человека», «Энергосбережение», а также в рамках научных исследований по Всероссийской программе: «Энергосбережение Минобразования РФ» (2003-2005 гг.), Международному проекту TAСIS по энергосбережению (1998-2000 гг.) и Программе Красноярского краевого экологического фонда (1999-2001 гг.).

Объект исследования - топочные устройства малого объема на примере топочного оборудования сушильных барабанов асфальтобетонных заводов (АБЗ).

Предмет исследования - технологические процессы подготовки водотопливных смесей, получаемых на базе эффектов кавитации.

Цель диссертационной работы состоит в разработке теоретических основ и технических решений по повышению эффективности подготовительных процессов сжигания водотопливных смесей в топочных устройствах теплотехнологических систем на основе существенного дополнения и научного обобщения результатов исследований в области кавитационной технологии с учетом снижения вредных выбросов в атмосферу.

Задачи исследований:

1. Установить факторы, определяющие эффективное распыливание и сжигание ВМЭ и ВУС в топках малого объема, обосновать использование эффектов кавитации в качестве способа получения стабильных водотопливных смесей;

2. Провести анализ влияния теплофизических и физико-химических механизмов кавитационной обработки на технологические процессы топливоподготовки. Сформулировать модели кавитационного воздействия, механотермолиза и образования эмульсий, суспензий, а также смесей многокомпонентных сред с учетом реологических свойств взаимодействующих веществ;

3. Экспериментально определить свойства обрабатываемых сред в зависимости от параметров и режимов работы оборудования и средств их реализации при отработке технологических процессов получения воды с модифицированными физико-химическими особенностями и водотопливных эмульсий;

4. Выявить параметры получаемых водотопливных эмульсий и суспензий (дисперсность, водосодержание, размер твердой фазы) и оценить их влияние на качество сжигания в теплотехнологических установках;

5. Разработать методы расчета и создать конструкции технологических аппаратов энергоэффективной обработки многокомпонентных сред для получения водотопливных смесей;

6. Разработать методики оценки предотвращенного экологического ущерба при реконструкции существующих производств и проведении природоохранных мероприятий.

Методика исследования. Для решения поставленных задач использованы аналитические и численные методы решений математических моделей. Разработаны и изготовлены экспериментальные стенды, проведены натурные и модельные физические исследования.

Научная новизна и основные положения, выносимые на защиту:

1. Установлен теплофизический механизм сжигания водотопливных смесей, основанный на вторичном дроблении капель топлива в реакционном объеме; выявлена закономерность влияния размеров капель водотопливных эмульсий (суспензий) на процессы тепломассообмена, полноту сгорания топлива и выход вредных веществ в технологических выбросах теплотехнологических установок;

2. Разработаны феноменологические модели кавитирующей жидкости и механотермолиза воды, заключающиеся во взаимодействии полей высоких температур и давлений, образующихся при схлопывании кавитационных микропузырьков.;

3. С помощью физического и математического моделирования обоснованы и реализованы энергоресурсосберегающие технологические режимы получения ВМЭ и ВУС. Впервые получены экспериментальные зависимости влияния параметров технологических процессов топливоподготовки (температуры, скорости, давления, времени обработки, числа кавитации, дисперсности, концентрации, водосодержания, тепломассообмена) на структурные и физико-химические свойства воды и водотопливных эмульсий: выявлено, что наибольшая интенсивность кавитационного воздействия осуществляется при числах кавитации 0,2, что соответствует оптимальным размерам кавитационных пузырьков с точки зрения их эрозионной активности;

4. Предложены и реализованы методики расчета двухфазного суперкавитационного обтекания лопастных и неподвижных кавитаторов газожидкостным пузырьковым потоком с учетом сжимаемости, позволяющие на стадии проектирования определять рациональные режимы работы и конструктивные размеры технологических аппаратов для обработки водотопливных смесей и других многокомпонентных сред в различных отраслях производства;

5. Разработана методика оценки предотвращенного экономического ущерба при проведении природоохранных мероприятий, учитывающая различные технологические и конструктивные особенности пылеочистных систем; найден критерий оценки экоэффективности при сопоставлении установок различных конструкций.

Практическая значимость результатов работы состоит в том, что выполненные исследования позволили научно обосновать технические решения, внедрение которых способствует не только повышению эффективности и экологической безопасности сжигания ВМЭ и ВУС в топочных устройствах теплотехнологических установок, но и имеет важное значение при решении проблем энергоресурсосбережения в других технологических процессах, где требуется получение гомогенных гетерофазных смесей.

Внедрение результатов работы проведено Хакасавтодором (Красноярский край, Хакасия) в рамках выполненной в 1989-92 годах х/д НИР «Охрана атмосферы и предложения по предельно допустимым и временно согласованным выбросам для предприятий Хакасавтодора», а также разработанные технологические системы топливоподготовки и пылеочистки внедрены в разные годы на следующих предприятиях:

- Копьевское ДРСУ Хакасавтодора (1992 г.; фактический экономический эффект составил 450 тыс. руб.);

- Березовское ДРСУ Красноярскавтодора (1995 г.; фактический экономический эффект составил 1500 тыс. руб.);

- ОАО «ДПМК Красноярская» (1999 г.; фактический экономический эффект составил 2500 тыс. руб. в текущих ценах).

Технология и оборудование топливоподготовки (ВМЭ и ВУС) используются в технологических процессах отопительных котельных ООО «Красноярский жилищно-коммунальный комплекс» (2007 г.).

Социальный эффект от использования разработок заключается в снижении воздействия на природную среду, улучшении условий труда.

Основные результаты работы и практические рекомендации приняты к внедрению Решением НПК «Достижения науки и техники - развитию города Красноярска» (1997 г.), Решением Всероссийской НПК с международным участием «Достижения науки и техники - развитию сибирских регионов» (1999 г.) и включены в программу «Энергосбережение в Красноярске на 2000 - 2005 гг.».

Производство малых серий различных кавитационных аппаратов освоено в «ОНО Красноярский опытный завод ГОСНИТИ Россельхозакадемии» (с 1998 г.).

Основные положения и рекомендации диссертационной работы были учтены при разработке Концепции энергосберегающей политики в Красноярском крае (утверждена постановлением администрации Красноярского края от 18.10.99 № 664-п).

Научные результаты исследований использованы в учебном процессе (1996-2006 г.) при разработке курсов лекций и создании учебных пособий (с грифом Минобразования РФ) в Политехническом и Инженерно-строительном институтах Сибирского федерального университета, а также в научно-исследовательской деятельности Теплоэнергетического факультета СФУ.

Достоверность и обоснованность результатов, полученных в диссертационной работе, научных положений, выводов и рекомендаций обеспечивается комплексным характером исследования, обоснованными расчетными схемами и математическими моделями двухфазных суперкавитационных течений, базирующихся на фундаментальных законах физики, гидрогазодинамики, теплофизики, и подтверждается метрологическими характеристиками использованного оборудования и приборов, удовлетворительным совпадением результатов расчета с экспериментальными данными. Выводы достаточно хорошо коррелируют с результатами, полученными другими исследователями, и не противоречат физическим закономерностям в смежных областях знаний.

Апробация работы. Основные положения работы, результаты теоретических, вычислительных и экспериментальных исследований докладывались и обсуждались на III и IV Всесоюзной школе-семинаре «Гидродинамика больших скоростей» (Красноярск, 1987; Чебоксары, 1989), Донских экологических чтениях (Ростов-на-Дону, 1988), Всесоюзной НТК «Проблемы экологии и ресурсосбережения. Экоресурс-1» (Черновцы, 1990), XIII Всесоюзном семинаре по электрофизике горения (Чебоксары, 1990), I и III Международном симпозиуме «Физические проблемы экологии природопользования и ресурсосбережения» (Ижевск, 1992; 1997), Республиканской НТК «Актуальные проблемы механизации дорожного строительства»(C.-Петербург, 1992), НПК «Достижения науки и техники - развитию города Красноярска» (Красноярск, 1997), Всероссийской НТК «Социальные проблемы инженерной экологии, природопользования и ресурсосбережения» (Красноярск, 1998; 1999; 2000; 2004; 2005; 2006), I, II и III Всероссийской НПК с международным участием «Достижения науки и техники - развитию сибирских регионов» (Красноярск, 1999; 2000; 2001), НПК «Проблемы отходов производства и потребления. Пути их решения в Красноярске» (Красноярск, 1999), I и II Международных НПК «Ресурсосбережение и экологическая безопасность» (Смоленск, 1998, 1999), Всероссийской НПК «Проблемы использования Канско-Ачинских углей на электростанциях» (Красноярск, 2000), I и II Всероссийской НПК «Проблемы экологии и развития городов» (Красноярск, 2000; 2001), I, II, III, IV, V, VI и VII Всероссийской НПК по проблемам энергоресурсосбережения (Красноярск, 2000; 2001; 20002; 2003; 2004; 2005, 2006), Научно-практическом семинаре «Разработка механизмов взаимодействия различных субъектов городского сообщества для обеспечения экологической безопасности городской среды» (Красноярск, 2001), II Международной летней школе-семинаре «Гидродинамика больших скоростей» (Чебоксары, 2004), 4-ом Международном конгрессе по управлению отходами «ВэйстТэк-2005» (Москва, 2005), International SYMKOM' 05 (Poland, Lodz, 2005), Национальной конференции по энергетике НКТЭ-2006 (Казань, 2006), IХ Международной летней научной школе «Гидродинамика больших скоростей и численное моделирование» (Кемерово, 2006).

Отдельные результаты работы экспонировались на Международной выставке в Польше (Лодзь, 2005), на Всероссийской выставке с международным участием «Достижения науки и техники - развитию сибирских регионов» (Красноярск, 1999; 2000; 2001) и выставке «Достижения науки и техники - развитию города Красноярска» (Красноярск, 2000; 2002; 2003; 2004; 2005; 2006).

Личный вклад автора. Автору принадлежат постановка проблемы и задач исследований, разработка, обоснование и формулировка всех положений, определяющих научную новизну и практическую значимость, постановка экспериментов, анализ и обобщение результатов, формулировка выводов и рекомендаций для принятия решений. В совместных публикациях автору принадлежит до 80-90 % результатов исследований.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 65 научных работ, из которых 2 монографии, 12 статей в периодических изданиях из списка ВАК, 15 - в сборниках научных трудов, 26 работ в трудах Всесоюзных, Всероссийских и Международных научно-технических конференций, 3 брошюры, 2 авторских свидетельства на изобретения (СССР).

Объем и структура работы. Материалы диссертации изложены на 340 страницах основного текста, включающего 128 рисунков и 30 таблиц. Работа состоит из введения, четырех разделов, основных выводов и рекомендаций, списка использованных источников из 384 наименований и приложения.

Содержание работы

Во введении дана общая характеристика работы, обоснована актуальность проблемы, поставлена цель и определены задачи исследования. Сформулированы основные положения, выносимые на защиту, научная новизна и практическая значимость полученных результатов.

Первый раздел посвящен анализу объектов исследования и современного состояния проблемы. Представлен аналитический обзор литературы по топливоподготовке, гидродинамическим, молекулярным и тепловым взаимодействиям при сжигании обводненных топочных мазутов, водомазутных эмульсий и водоугольных суспензий. К основным работам в этой области относятся исследования Г. Г. Бруера, А. И. Гапоненко, Г. Н. Делягина, А. И. Зимина, В. И. Кормилицына, В. А. Кулагина, Н. В. Лаврова, В. И. Мурко, Э. И. Розенфельда, В. П. Ружицкого, Л. М. Цирульникова. Рассмотрены проблемы, связанные с технологией и оборудованием асфальтосмесительных установок (В. Я. Манохин, В. А. Тимофеев, Н. С. Торочешников и др.). Проанализированы методы оценки ущерба от загрязнения атмосферы вредными выбросами (О. А. Трошкин, Л. Д. Гительман и др.).

От АБЗ отходят в атмосферу оксиды серы, углерода, азота, пятиокись ванадия, фенол, формальдегид, высокомолекулярные углеводороды, в том числе, бенз(а)пирен. При использовании отходов в технологическом процессе приготовления асфальтобетона в выбросах АБЗ могут быть стирол, толуол, хлор и другие компоненты. Некоторые из них являются высокотоксичными и обладают канцерогенным и кумулятивным действием.

Качество и количество выбрасываемых в атмосферу вредных веществ существенным образом зависят от организации топочных процессов в смесителе АБЗ. Установлена высокая неравномерность температурного поля в топках сушильного барабана, значительный недожог топлива. Экспериментально определенная эффективность топок в холодный период года составляет 60-65 %. Выявлены минимальные значения эффективности сжигания и высокая неравномерность температурных полей для мазутно-воздушных топок.

Для мазутов, применяемых на АБЗ, характерны высокие вязкость, температура застывания и содержание серы, что влияет на выход SO₂. При снижении температуры мазутов до температуры застывания они теряют свою текучесть и приобретают особые вязкие свойства, препятствующие их сливанию, транспортированию по трубам и распыливанию в форсунках. Во избежание образования нежелательных отложений в трубках и арматуре и полной их закупорки необходимо поддерживать постоянную температуру мазута, обеспечивающую его текучесть. По правилам техники безопасности максимально допускаемая температура подогрева мазута в открытых емкостях должна быть не выше 95 °С. В закрытых емкостях под давлением, в трубопроводах и змеевиках температура подогрева мазута может быть выше. В условиях АБЗ подогрев мазута в емкостях осуществляется до температуры 75-80 °С.

Определение дисперсности капель мазута показывает значительную долю капель крупного размера, у которых длина зоны испарения и выгорания значительно больше длины топки, что, как и неравномерность коэффициента избытка воздуха, является причиной низкой эффективности тепловыделения топок АБЗ. При снижении теплонапряженности топки отмечается низкотемпературная эмиссия сажи, которая сопровождается выходом бенз(а)пирена. Изучение этой проблемы показало, что для разложения молекул бенз(а)пирена необходима температура не менее 1100 °С и время выдержки при этой температуре около 10 с, что также требует хорошо организованного режима сжигания топлива.

Время преобразования жидких компонентов в продукты сгорания определяется в основном временем нагрева и испарения капель топлива, а также временем смешения и сгорания оставшейся части топлива. Размер капель горючего влияет на необходимую для полного сгорания длину топки. Приведенная длина ее (отношение длины топки к диаметру) зависит от максимального размера капель горючего.

Важной особенностью горения распыленного жидкого топлива, заслуживающей теоретического объяснения, является также разница в скоростях горения крупных (1000 мкм) одиночных капель, как отмечает Годсейв, и более мелких (53 мкм) капель распыленного топлива, как описано Болтом и Бойлем. Это можно объяснить тем, что отношение радиуса пламени к радиусу капли для более крупных капель составляло 3:1, а для более мелких капель - примерно19:1. Эти наблюдения хорошо совпадают с опытными данными Уайза, Лорелла и Вуда, согласно которым расстояние от поверхности капли до фронта пламени, по-видимому, постоянно и не зависит от радиуса капли.

Потери тепловыделения в рабочих процессах топок меньше всего зависят от химических процессов (менее 1%), смешения компонентов топлива (до 2%), распыления и испарения (до 8%). Модель экономичности топки с учетом эффектов испарения топлива предложена Корсом, Бихемом и Уолкером. Результатом расчета по такой модели являются потери тепловыделения в зависимости от параметров конструкции, вида топлива и рабочих условий. Таким образом, процесс испарения капель мазута является определяющим в оценке оптимальной длины топки, обеспечивающей высокую экономичность - минимум потерь тепловыделения.

Д. Б. Сполдинг считает, что длина топки, требуемая для завершения горения, пропорциональна , где - диаметр капли, - скорость впрыска; - плотность капли топлива; - вязкость газа динамическая.

То обстоятельство, что по испарительной модели Д. Б. Сполдинга оптимальная длина топки, необходимая для наиболее полного сжигания мазута, зависит от квадрата диаметра капель, подтверждает предположение о возможности получения необходимой экономичности процесса горения в стандартной топке при его подогреве до температур 100-110 °С на входе в форсунку.

Таким образом, можно сделать вывод, что процесс кондиционирования топлива (топливоподготовка) во многом является определяющим при повышении эффективности топочных устройств. Соответственно важны методы и средства этого процесса, который в свою очередь может быть существенно интенсифицирован с использованием физико-химических механизмов кавитационной технологии.

Для получения водотопливных эмульсий и в ходе топливоподготовки при сжигании обводненных топочных мазутов, водомазутных эмульсий (ВМЭ) и водоугольных суспензий (ВУС) используют различные методы: встряхивание, механическое диспергирование и перемешивание, обработку в роторно-импульсных аппаратах и др. Известны положительные результаты получения устойчивых водомасляных эмульсий и эмульсий «вода - дизельное топливо» с помощью кавитации в различных по конструкции аппаратах.

Технологическое применение эффектов кавитации, а также описание различного оборудования отражено в работах А. М. Балабышко, Г. Г. Бруера, Г. Н. Делягина, Ю. В. Демидова, С. А. Есикова, А. К. Звездина, В. М. Ивченко, В. А. Кулагина, Л. И. Мальцева, А. С. Мачинского, М. А. Маргулиса, В. И. Мурко, А. Ф. Немчина, М. Г. Руденко, В. П. Ружицкого, А. Шёргера и др., в частности отмечается, что качество сжигания обводненных мазутов и водомазутных эмульсий, водоугольных суспензий существенно зависит от дисперсионных характеристик топлива.

В рассмотренных источниках отмечается, что существенное влияние на формирование характеристик водотопливных смесей оказывают их состави свойство органической части, минеральных компонентов, что до настоящего времени не получило должного отражения в литературе. Важную роль играют вид и механизм действия применяемых реагентов-пластификаторов. Анализ известных технологических схем приготовления ВМЭ и ВУС в России и за рубежом (Германия, Китай, США, Япония и др.) показал перспективность их использования в теплотехнологических и энергетических установках. Расширение области их применения лимитируется в различных случаях сложностью, высокой энергоемкостью, дороговизной и другими факторами процесса, что указывает на перспективность направления развития технологии в сторону устранения существующих недостатков.

В этой связи целесообразно использование эффектов кавитационной технологии, достаточно легко реализуемой, энергоэффективной и в ряде случаев не имеющей альтернативы. Использование эффектов кавитации в технологических процессах требует учета особенностей развитых кавитационных течений газожидкостных пузырьковых сред с учетом их физико-механических свойств и привлечения для решения задач суперкавитационных течений комплекса методов, разработанных в различных областях гидрогазодинамики, теплофизики и математики.

Однако при проектировании технологических аппаратов для различных производств с применением гидротермодинамических эффектов кавитации и необходимости учета специфических особенностей конкретного технологического процесса не всегда удается воспользоваться предложенными формулами и методами. Возникает потребность учета различных дополнительных физических факторов, способных влиять на характер течения в проточной части технологического аппарата и технологический процесс в целом. Например, прямые оценки Д. Бренена (1969) и Л. И. Мальцева (1976) подтверждают малое влияние процессов теплопроводности и массодиффузии при кавитационном течении. Однако термические флуктуации «разрыхляют» поверхность паровой каверны (хотя они и малозаметны на фоне развитого течения) и способны влиять на тонкие технологические процессы, требующие, например, прецизионного термостатирования.

Результаты анализа литературных источников подтверждают актуальность работы и целесообразность постановки решаемых в диссертации задач и их поэтапного решения теоретическими и экспериментальными методами.

Второй раздел посвящен расчетно-теоретическим исследованиям на основе математических моделей двухфазных суперкавитационных течений. Использование режимов развитой кавитации для интенсификации и кондиционирования водотопливных смесей требует всестороннего исследования гидродинамических особенностей процесса с целью выбора целесообразных режимных параметров, а также научного обоснования методов проектирования и предлагаемых конструкций оборудования для топливоподготовки. Здесь рассмотрены условия сопряжения и краевая задача гидротермодинамики сферического пузырька в жидкости, позволившая уточнить параметры динамики пузырька. Показано соответствие частных решений классическим (Рэлей и др.), что подтверждает достоверность полученных результатов. Разработаны и реализованы алгоритмы численного решения задач обтекания решетки клиновидных профилей кавитатора технологического аппарата и неподвижного кавитатора произвольной формы суперкавитационного смесителя. Уточнена феноменологическая модель кавитационного воздействия на жидкости, растворы, золи, смеси и твердые границы потоков.

Для каждой фазы (вне и внутри пузырька) законы сохранения, записанные в тензорно-инвариантной форме, дают следующие базовые уравнения:

неразрывности

, (1)

движения

(2)

где - симметричный тензор

напряжений;

притока тепла

,(3)

где - тензор скоростей деформации; - внутренняя энергия.

При передаче тепла в каждой фазе лишь за счет теплопроводности по закону Фурье имеем

. (4)

Для конкретизации среды (газа, пара, жидкости с использованием соответствующих индексов , и ) вводят дополнительные уравнения. Если необходим учет диффузионных процессов, то добавляют уравнение молекулярной диффузии вида

. (5)

Задаются также гидротеплофизические характеристики, конкретизирующие рассматриваемые среды, а именно:

,

с учетом турбулентности внешнего потока жидкости.

Используя подход В. А. Никулина к рассмотрению турбулентных потоков, уточнено влияние вязкости в кавитационных течениях. Если под частицами жидкости кроме молекул, надмолекулярных образований, ассоциатов и турбулентных вихрей понимать и кавитационные микропузырьки и микровихри, образовавшиеся в результате их коллапса, тогда можно сформулировать следующую феноменологическую модель кавитирующей жидкости: кавитационный микропузырек в своей динамике движется в пространстве, структурированном микротурбулентными вихрями, образованными в результате интерференции волн разрежения-сжатия, возникающих в результате пульсации кавитационных пузырьков. Тогда задача сопряжения для пузырька в жидкости может быть замкнута новым реологическим уравнением

,(6)

где - тензорная вязкость, характеризующая внутренний момент импульса элемента жидкости, появляющийся вследствие его деформации при движении. Тогда уравнение (2) может быть записано в виде

. (7)

При записи исходных уравнений, описывающих суперкавитационное течение пузырьковой среды в технологическом аппарате, принимается гипотеза сплошности, т. е. полагается, что в каждом физически элементарном конечном жидком объеме содержится достаточно большое число равномерно распределенных частиц каждой фазы, что позволяет пользоваться осредненными характеристиками потока. Газ (воздух) в пределах бесконечно малого пузырька считается совершенным, находящимся в механическом и термодинамическом равновесии с окружающей жидкостью. Возможно изотермическое расширение газа в пузырьках. Влиянием инерции жидкости на развитие пузырьков пренебрегаем; движение установившееся, безвихревое. Скольжение фаз отсутствует.

Тогда в основу изучения движения такой среды может быть положена модель Аккерета, не учитывающая влияние инерции жидкости на развитие пузырьков, либо динамически неравновесная модель Б. С. Когарко. Для той и другой модели системы уравнений отличаются лишь уравнением связи давления в пузырьке с давлением в жидкости.

Для описанной выше гетерогенной жидкости возможно записать стандартное уравнение неразрывности (1) и движения Эйлера в рамках равновесной модели многофазного континуума:

, (8)

где - плотность смеси; - объемная концентрация газовой фракции.

Скорость звука в высокодисперсной смеси жидкости с парогазовыми пузырьками вычисляют по формуле Маллока

. (9)

Уравнение для объемной концентрации газовой фракции (при условии постоянства массы газа) примет вид

,

уравнение изотермического расширения газа в пузырьке Для замыкания системы уравнений можно использовать уравнение Лапласа (модель Аккерета) , либо уравнение динамики границы пузырька по Рэлею (модель Б. С. Когарко)

.

Линеаризация уравнений движения и неразрывности приводит к волновому уравнению для возмущенных параметров среды. Так, для потенциала скорости

. (10)

При стационарном обтекании тела со скоростью W₀ (в системе координат, связанной с телом: x = x₁ - W₀t; y = x₂; z = x₃)

(11)

где равновесная скорость звука может быть определена по формуле Вуда

. (12)

При М₀ < 1 преобразованием координат (поперечное сжатие в раз) исходное волновое уравнение (11) приводят к уравнению Лапласа для несжимаемой жидкости:

. (13)

Связь между скоростью в пространстве фиктивной несжимаемой жидкости и физическом пространстве имеет вид

(14)

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

.(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. кавитационный топливоподготовка сжигание водотопливный

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: распространением ударных волн вблизи схлопывающихся кавитационных микропузырьков и ударным действием кумулятивных микроструек при их несимметричном коллапсе.



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

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, А_i - показатель от носительной активности примеси i-го вида, У_т - ущерб от загрязнения атмосферы, приходящийся на единицу массы уловленной пыли, З - приведенныезатраты на природоохранные мероприятия, С_0i - начальная концентрация i-го компонента в долях, - степень улавливания i-го компонента, Ц_э - цена электроэнергии, - гидравлическое сопротивление газоочистного сооружения, Q - массовая производительность установки по газу, - время работы улавливающей системы, Ц_уст - 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 W^p (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 W^p 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 W^p: 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 W^p: 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/с	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, NO_x 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 являются результаты замеров неравномерности температурного поля в выходном сечении топки.



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

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

12 %), что позволяет их использовать без предварительного обогащения; малое содержание серы (от 0,2 до 0,6 %), низкий выход битумов и первичных смол; незначительное содержание фосфора; высокое содержание связанного кислорода (до 23-24 %). По этим параметрам, наряду с развитой пористой структурой, Канско-Ачинские угли относятся к наиболее реакционноспособным при горении и менее экологически опасным при сжигании видам угольных энергетических ресурсов.

...