Національна металургійна академія України

Національна металургійна академія України

 

АДАМЕНКО ДЕНИС Сергійович

 

 

УДК 621.438:662.767:532.517.4

 

 

ПІДВИЩЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТІ РОБОТИ КОТЕЛЬНИХ

АГРЕГАТІВ ШЛЯХОМ ПУЛЬСАЦІЙНО-АКУСТИЧНОГО

СПАЛЮВАННЯ ПАЛИВА

 

 

05.14.06 - Технічна теплофізика та промислова теплоенергетика

 

 

Автореферат

дисертації на здобуття наукового степеня

кандидата технічних наук

 

Дніпропетровськ - 2008

Дисертація є рукописом.

Робота виконана в Національній металургійній академії України Міністерства освіти і науки України.

 

Науковий керівник: доктор технічних наук, професорГІЧОВ ЮРІЙ ОЛЕКСАНДРОВИЧ, Національна металургійна академія України, професор кафедри промислової теплоенергетики, м. Дніпропетровськ.

 

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор ЦИГАНКОВ ГРИГОРІЙ ТИМОФІЙОВИЧ, Український державний хіміко-технологічний університет, професор кафедри енергетики, м. Дніпропетровськ.

 

кандидат технічних наук, доцент КРЮЧКОВ ЄВГЕН МИКОЛАЙОВИЧ, Запорізька державна інженерна академія, доцент кафедри теплоенергетики, м. Запоріжжя.

 

Захист дисертації відбудеться “ 12 ” 02 2008 р. о 12³⁰ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.084.03 при Національній металургійній академії України за адресою: НМетАУ, пр. Гагаріна, 4, м. Дніпропетровськ, 49600.

 

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національної металургійної академії України, пр. Гагаріна, 4, м. Дніпропетровськ, 49600.

 

Автореферат розісланий “ _04_ ”_ __01_ _2008 р.

 

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Д 08.084.03,

доктор технічних наук, професор Л.В. Камкіна

 

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. В умовах дефіциту природного газу в Україні підвищення ефективності роботи котелень, які займають домінуюче положення серед джерел теплопостачання, є одним із пріоритетних завдань в енергозбереженні. Рішення цих завдань можливо шляхом підвищення ефективності згоряння палива за рахунок удосконалювання паливоспалюючих систем. Одним з таких напрямків є застосування пульсаційно-акустичних засобів впливу на процес спалювання палива, що дозволяють знизити втрати з хімічним недопалом і підвищити к.к.д. котельних агрегатів. Широкому впровадженню систем пульсаційно-акустичного згоряння палива перешкоджає відсутність науково-методичних основ їх створення, а також конструктивних рішень для промислової реалізації. Саме вирішенню цих завдань і присвячена дана робота.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами й темами. Дисертаційна робота виконана відповідно державній програмі енергозбереження України, програмам Міністерства освіти і науки України та планам науково-дослідних робіт Національної металургійної академії України (НМетАУ). Зокрема, зміст дисертаційної роботи ґрунтується на результатах виконання таких науково-дослідних робіт: “Розробка наукових основ впливу акустичних коливань на інтенсифікацію тепломасообмінних процесів” (тема Г007F10007), “Наукове обґрунтування та розробка систем автономного енергопостачання промислових підприємств” (тема Г007F10000), “Дослідження високотемпературної обробки відходів промисловості та сільського господарства з метою енергозбереження та поліпшення екологічного стану” (тема Г007G10006), у яких автор брав участь як відповідальний виконавець.

Мета та задачі досліджень. Метою роботи є підвищення енергетичної ефективності роботи котельних агрегатів за рахунок зниження недопалу палива шляхом застосування пульсаційно-акустичного способу спалювання.

Для досягнення поставленої мети в роботі необхідно вирішити наступні задачі:

· дослідити структуру та характеристики турбулентного дифузійного факела при пульсаційно-акустичному спалюванні на основі величини лінійного розміру вихорів;

· розробити математичну модель процесу вигоряння газоподібного палива в об'ємі турбулентного факела при пульсаційно-акустичному спалюванні;

· розробити математичну модель газодинамічних і теплових процесів у робочому об'ємі камерної топки при пульсаційно-акустичному спалюванні газоподібного палива;

· виконати експериментальні дослідження системи пульсаційно-акустичного спалювання на діючому паровому котлі;

· дослідити якісні та кількісні характеристики впливу акустичних пульсацій на показники ефективності роботи парового котла;

· розробити технологію та конструкцію системи пульсаційно-акустичного спалювання палива в топках котельних агрегатів і провести її промислову апробацію.

Об'єкт дослідження - котельні агрегати із системами пульсаційно-акустичного спалювання палива.

Предмет дослідження - газодинамічні та теплові процеси пульсаційно-акустичного спалювання палива в топках котлів.

Методи досліджень. Математичне моделювання процесів горіння, а також газодинамічних і теплових процесів при пульсаційно-акустичному спалювання палива з використанням ПЕОМ. Експериментальні дослідження технології пульсаційно-акустичного спалювання палива в топці парового котла.

ВИСНОВКИ

 

У дисертації вирішена важлива науково-технічна задача підвищення ефективності спалювання природного газу в промислових котлах на основі технології пульсаційно-акустичного спалювання палива.

Основні результати роботи полягають у наступному:

1. На підставі аналізу напрямків підвищення ефективності роботи промислових котлів доведена перспективність використання пульсаційно-акустичного методу спалювання палива на серійних котельних агрегатах.

2. Уперше запропонована система диференціальних рівнянь теплообміну, руху й нерозривності газового потоку для турбулентного дифузійного факела, що перебуває під зовнішнім пульсаційно-акустичним впливом на основі величини лінійного розміру вихорів, що дозволило розрахунковим шляхом визначити діапазон частот амплітудно-частотної характеристики факела залежно від конструктивних характеристик пальника.

3. На основі математичного моделювання визначено вплив лінійного розміру вихорів на інтенсифікацію процесів сумішоутворення та вигоряння газоподібного палива в об’ємі турбулентного дифузійного факела, що перебуває під зовнішнім пульсаційно-акустичним впливом. Порівняння чисельних і експериментальних даних показало, що відносна похибка розрахунку концентрації природного газу за довжиною факела не перевищує 7-15 %.

4. Розроблена й адаптована математична модель газодинамічних і теплових процесів у робочому об’ємі камерної топки котла, яка дозволяє визначати швидкості і температури продуктів згоряння за перерізом топки, характер зміни температур, а також зміну положення максимуму температур за довжиною факела при пульсаційно-акустичному впливі. Порівняння результатів чисельного дослідження та експериментальних даних показало, що, похибка розрахунку температури уздовж вісі факела з використанням моделі не перевищує 5-14%. Отримані значення температур газу, а також дані про зміну положення максимуму температур використано при комплексному аналізі ефективності впливу акустичних пульсацій на показники роботи парового котла.

5. Уперше експериментально підтверджено вплив зовнішніх пульсаційно-акустичних дій на якість спалювання газоподібного палива в топці парового котла: підвищення температури в топці на 50 60 ^ОС, зниження хімічного недопалу палива з 2,0 % до 0,5 %, що відбувається за рахунок інтенсифікації процесів сумішоутворення та переміщення максимуму температур газу до вихідного перерізу амбразури пальників.

6. Розрахунковим шляхом показано, що збудження акустичних пульсацій може помітно підвищити ефективність роботи котла у всіх режимах його експлуатації й цим забезпечити економію палива на виробництво теплової енергії, а саме, в результаті застосування пульсаційно-акустичного спалювання палива к.к.д. котла збільшується на 1,0 1,5%, питома витрата умовного палива знижується на 0,5 0,7 кг у.п./ГДж. Річне зниження викидів СО в атмосферу складає 33 56 т/рік при незмінному рівні викидів N_XO_У.

7. Розроблені спосіб і конструкція системи пульсаційно-акустичного спалювання палива в топках котельних агрегатів (патент на корисну модель "Спосіб спалювання палива" № 25300) і топка котла для здійснення способу, яка обладнана акустичним поясом для використання енергії відбитих акустичних коливань (патент на корисну модель "Топка котла" № 25608), що пройшли промислову апробацію.

8. Розроблені технологічні рекомендації зі застосування системи пульсаційно-акустичного спалювання палива на різних типах котельних агрегатів, на основі яких розроблено технічне завдання на реконструкцію топки парового котла ДКВР-10-13. Очікувана економія природного газу - 114 тис. м³/рік, строк окупності інвестицій менш одного року.

ПЕРЕЛІК ОПУБЛІКОВАНИХ рОБІт по темІ дисертацІЇ

 

1. Гичёв Ю.А., Адаменко Д.С. Возможность повышения эффективности энерготехнологических агрегатов путем пульсационно-акустического сжигания топлива // Металлургическая и горнорудная промышленность. 2007. №3. - С. 115-117.

2. Гичёв Ю.А., Адаменко Д.С., Коваль К.М., Косенко Ю. А. Результаты испытания и эффективность пульсационно-акустического сжигания топлива // Металургійна теплотехніка: Збірник наукових праць Національної металургійної академії України.– Дніпропетровськ: “ПП Грек О.С.”, 2007. С. 86-95.

3. Гичёв Ю.А., Адаменко Д.С. Снижение энергозатрат и решение экологической проблемы путем пульсационно-акустического сжигания топлива // Компрессорное и энергетическое машиностроение. 2006. №4 (6). – С. 40-42.

4. Гичёв Ю.А., Адаменко Д.С., Коваль К.М. Моделирование тепловых и газодинамических процессов в топке парового котла // Металургійна теплотехніка: Збірник наукових праць Національної металургійної академії України.– Дніпропетровськ: “ПП Грек О.С.”, 2006. С. 53-67.

5. Гичёв Ю.А., Адаменко Д.С., Коваль К.М. Моделирование процесса выгорания газообразного топлива в объеме турбулентного факела // Металургійна теплотехніка: Збірник наукових праць Національної металургійної академії України. У двох книгах. – Книга друга. – Дніпропетровськ: Пороги, 2005. С. 42-50.

6. Гичёв Ю.А., Адаменко Д.С. Влияние акустических воздействий в топке и газоходах парового котла на характеристики его работы // Металлургическая теплотехника. Сборник научных трудов Национальной металлургической академии Украины. Том 6. – Днепропетровск: НМетАУ, 2002. - С. 3-7.

7. Патент на корисну модель № 25300, МПК(2006) F23C 15/00, Спосіб спалювання палива; Гічов Ю.О., Адаменко Д.С. Номер заявки: u 2007 00185; Заявл. 09.01.2007. Опубл. 10.08.2007. Бюл. № 12. – 6 с.

8. Патент на корисну модель № 25608, МПК(2006) F23C 5/00, Топка котла; Гічов Ю.О., Адаменко Д.С. Номер заявки: u 2007 04475; Заявл. 09.01.2007. Опубл. 10.08.2007. Бюл. № 12. – 12 с: іл.

9. Гичёв Ю.А., Адаменко Д.С. К расчету выгорания газообразного топлива в объеме турбулентного факела под воздействием акустических пульсаций // Матеріали регіональної наукової конференції „Прикладні проблеми аерогідромеханіки та тепломасопереносу” – Дніпропетровськ: Дніпропетровський національний університет, 2006. – С. 79-80

10. Гичёв Ю.А., Адаменко Д.С. Исследование тепловых и газодинамических процессов в топке парового котла // Матеріали регіональної наукової конференції „Прикладні проблеми аерогідромеханіки та тепломасопереносу” – Дніпропетровськ: Дніпропетровський національний університет, 2006. – С. 85-86.

11. Гичёв Ю.А., Адаменко Д.С. Моделирование процесса выгорания газообразного топлива применительно к пульсационно-акустическому сжиганию // Сборник трудов III Междунар. науч.-практ. конф. “Металлургическая теплотехника: история, современное состояние, будущее. К столетию со дня рождения М.А. Глинкова” - М.: МИСиС, 2006. - С. 237-241.

12. Гичев Ю.А., Адаменко Д.С., Коваль К.М. Подход к решению задачи горения газообразного топлива в турбулентном факеле // Матеріали VІІІ Міжнародної науково-практичної конференції “Наука і освіта /2005”. Том 61. Техніка. – Дніпропетровськ: Наука і освіта, 2005. - С. 27-29.

13. Гичёв Ю.А., Адаменко Д.С., Ткаченко Г.А. Снижение выбросов СО в атмосферу путем пульсационно-акустического сжигания топлива // Матеріали І Міжнародної науково-практичної конференції “Науковий потенціал світу 2004”. Том 60. Технічні науки. – Дніпропетровськ: Наука і освіта, 2004. - С. 51-53.

14. Гичев Ю.А., Адаменко Д.С. Повышение эффективности использования природного газа при акустическом воздействии в топках энерготехнологических агрегатов // Сборник тезисов междунар. науч.-практ. конф. “Рациональное использование природного газа в металлургии” - М.: МИСиС, 2003. - С. 61-62.

АнотацІЇ

Національна металургійна академія України

 

АДАМЕНКО ДЕНИС Сергійович

 

 

УДК 621.438:662.767:532.517.4

 

 

ПІДВИЩЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТІ РОБОТИ КОТЕЛЬНИХ

АГРЕГАТІВ ШЛЯХОМ ПУЛЬСАЦІЙНО-АКУСТИЧНОГО

СПАЛЮВАННЯ ПАЛИВА

 

 

05.14.06 - Технічна теплофізика та промислова теплоенергетика

 

 

Автореферат

дисертації на здобуття наукового степеня

кандидата технічних наук

 

Дніпропетровськ - 2008

Дисертація є рукописом.

Робота виконана в Національній металургійній академії України Міністерства освіти і науки України.

 

Науковий керівник: доктор технічних наук, професорГІЧОВ ЮРІЙ ОЛЕКСАНДРОВИЧ, Національна металургійна академія України, професор кафедри промислової теплоенергетики, м. Дніпропетровськ.

 

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор ЦИГАНКОВ ГРИГОРІЙ ТИМОФІЙОВИЧ, Український державний хіміко-технологічний університет, професор кафедри енергетики, м. Дніпропетровськ.

 

кандидат технічних наук, доцент КРЮЧКОВ ЄВГЕН МИКОЛАЙОВИЧ, Запорізька державна інженерна академія, доцент кафедри теплоенергетики, м. Запоріжжя.

 

Захист дисертації відбудеться “ 12 ” 02 2008 р. о 12³⁰ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.084.03 при Національній металургійній академії України за адресою: НМетАУ, пр. Гагаріна, 4, м. Дніпропетровськ, 49600.

 

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національної металургійної академії України, пр. Гагаріна, 4, м. Дніпропетровськ, 49600.

 

Автореферат розісланий “ _04_ ”_ __01_ _2008 р.

 

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Д 08.084.03,

доктор технічних наук, професор Л.В. Камкіна

 

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. В умовах дефіциту природного газу в Україні підвищення ефективності роботи котелень, які займають домінуюче положення серед джерел теплопостачання, є одним із пріоритетних завдань в енергозбереженні. Рішення цих завдань можливо шляхом підвищення ефективності згоряння палива за рахунок удосконалювання паливоспалюючих систем. Одним з таких напрямків є застосування пульсаційно-акустичних засобів впливу на процес спалювання палива, що дозволяють знизити втрати з хімічним недопалом і підвищити к.к.д. котельних агрегатів. Широкому впровадженню систем пульсаційно-акустичного згоряння палива перешкоджає відсутність науково-методичних основ їх створення, а також конструктивних рішень для промислової реалізації. Саме вирішенню цих завдань і присвячена дана робота.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами й темами. Дисертаційна робота виконана відповідно державній програмі енергозбереження України, програмам Міністерства освіти і науки України та планам науково-дослідних робіт Національної металургійної академії України (НМетАУ). Зокрема, зміст дисертаційної роботи ґрунтується на результатах виконання таких науково-дослідних робіт: “Розробка наукових основ впливу акустичних коливань на інтенсифікацію тепломасообмінних процесів” (тема Г007F10007), “Наукове обґрунтування та розробка систем автономного енергопостачання промислових підприємств” (тема Г007F10000), “Дослідження високотемпературної обробки відходів промисловості та сільського господарства з метою енергозбереження та поліпшення екологічного стану” (тема Г007G10006), у яких автор брав участь як відповідальний виконавець.

Мета та задачі досліджень. Метою роботи є підвищення енергетичної ефективності роботи котельних агрегатів за рахунок зниження недопалу палива шляхом застосування пульсаційно-акустичного способу спалювання.

Для досягнення поставленої мети в роботі необхідно вирішити наступні задачі:

· дослідити структуру та характеристики турбулентного дифузійного факела при пульсаційно-акустичному спалюванні на основі величини лінійного розміру вихорів;

· розробити математичну модель процесу вигоряння газоподібного палива в об'ємі турбулентного факела при пульсаційно-акустичному спалюванні;

· розробити математичну модель газодинамічних і теплових процесів у робочому об'ємі камерної топки при пульсаційно-акустичному спалюванні газоподібного палива;

· виконати експериментальні дослідження системи пульсаційно-акустичного спалювання на діючому паровому котлі;

· дослідити якісні та кількісні характеристики впливу акустичних пульсацій на показники ефективності роботи парового котла;

· розробити технологію та конструкцію системи пульсаційно-акустичного спалювання палива в топках котельних агрегатів і провести її промислову апробацію.

Об'єкт дослідження - котельні агрегати із системами пульсаційно-акустичного спалювання палива.

Предмет дослідження - газодинамічні та теплові процеси пульсаційно-акустичного спалювання палива в топках котлів.

Методи досліджень. Математичне моделювання процесів горіння, а також газодинамічних і теплових процесів при пульсаційно-акустичному спалювання палива з використанням ПЕОМ. Експериментальні дослідження технології пульсаційно-акустичного спалювання палива в топці парового котла.