Авторы: Пронь А. Г. – молодой ученый, ОАО Алтайэнерго
, Пронь Г. П. – доцент, научный руководитель
Источник: 3-я Всероссийская научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых Наука и молодежь
. Секция Энергетика
.
Пронь А. Г. – молодой ученый, ОАО «Алтайэнерго», Пронь Г. П. – доцент, научный руководитель В статье рассмотрены перспективные направления развития энергомашиностроения путем разработки новых технологий сжигания твердого топлива в топках с кипящим слоем, а также проектирование и оптимизация конструкций таких топок и оптимизация режимов их работы.
Одним из перспективных направлений развития энергомашиностроения является разработка новых технологий сжигания твердого топлива в топках с кипящим слоем, проектирование и оптимизация конструкций таких топок, а также оптимизация режимов их работы. Однако в настоящее время теоретическая база для решения этих проблем явно слаба. При проектировании и реконструкции котлов с топками с кипящим слоем инженерам - конструкторам приходится принимать ответственные решения при отсутствии достаточно развитой теории кипящего слоя, при отсутствии апробированной методики расчета топок с кипящим слоем и практической невозможности физического моделирования процессов в топке. Возможности проведения натурных экспериментов также обычно весьма ограничены. По этим причинам топки с кипящим слоем относятся к тем объектам, для которых математическое и численное моделирование оказывается важнейшим и, зачастую, единственным средством для обоснованного выбора технического решения.
В литературе, посвященной теории и моделированию процессов в псевдоожиженном слое, излагаются главным образом результаты экспериментальных исследований, а также различные технологические аспекты применения псевдоожиженного слоя для реализации тепло- и массообменных процессов. Подавляющее большинство встречающихся в монографиях теоретических задач решается на полуэмпирическом уровне. Такой подход к исследованию пвсевдоожиженного слоя дал возможность получить ряд практических полезных формул для расчета важных с инженерной точки зрения характеристик этой физической системы - скорости начала псевдоожижения, гидравлического сопротивления псевдоожиженного слоя, расширение слоя и т.п. Эти эмпирические и полуэмпирические результаты позволили на первых этапах удовлетворить потребности инженеров в методах приближенного расчета аппаратов с псевдоожиженным слоем и, несомненно, продолжают играть полезную роль. Но в настоящее время этого уровня понимания процессов в кипящем слое уже недостаточно и для обеспечения нужд проектирования разнообразных по назначению топок с кипящим слоем стало необходимым дальнейшее продвижение в области теории кипящего слоя и методов математического и численного моделирования разнообразных физико-химических процессов в кипящем слое.
Малость объемной концентрации твердого вещества в надслоевом пространстве при описании движения фаз позволяет пренебречь механическим взаимодействием частиц твердой фазы и использовать математические модели типа модели пневмотранспорта или более сложные математические модели, учитывающие сепарацию частиц золы, турбулентность течения в надслоевом пространстве и т.п. Здесь важно подчеркнуть, что хотя двухфазное течение в надслоевом пространстве кипящего слоя и турбулентно, но ввиду малости объемной концентрации твердого вещества эта турбулентность близка к той классической турбулентности, с которой имеют дело в гидро- и газодинамике и поэтому общие подходы к математическому моделированию этого течения достаточно очевидны. Определенную сложность здесь представляет лишь сравнительно малоизученные вопросы о сепарации частиц, транспортирующей способности потока и влияния турбулентности на транспортирующую способность потока.
Несмотря на очевидный успех применения микромоделей турбулентности подобные модели в настоящее время можно широко использовать лишь для микромоделирования локальных течений в кипящем слое. Попытки их применения ко всей области, занятой кипящим слоем, были бы вполне аналогичны попыткам расчета естественной турбулентной конвекции в слое кипящей ньютоновской жидкости, занимающей ту же область, при интенсивном подогреве этого слоя снизу. Очевидно, что при множественном образовании пузырей численное решение такой задачи невозможно из-за нехватки машинных ресурсов. Для совместного моделирования физически различных процессов, происходящих в разных областях топки, представляется единственно возможным использовать блочноиерархический подход. В рамках такого подхода математическая модель кипящего слоя строится в виде иерархической структуры, состоящей из отдельных блоков - согласованных по своим входам и выходам математических моделей, которые описывают функционирование отдельных частей топки с кипящим слоем. Полная модель топки компонуется из отдельных блоков, набор которых диктуется конкретным содержанием поставленной задачи.
Так, проблема математического моделирования газораспределительного устройства в целом уже решена. Для расчета отдельной газовой струи, истекающей из колпачка газораспределительной решетки в кипящий слой, уже в настоящее время в зависимости от целей моделирования можно ограничиться макромоделированием и использовать простейшие полуэмпирические расчетные. В значительной мере решена проблема микромоделирования слабозапыленных двухфазных потоков в зоне пневмотранспорта надслоевого пространства и в газовых трактах котельных агрегатов Проводились работы по математическому моделированию процесса растопки кипящего слоя.