АННОТАЦИЯ 3
ВВЕДЕНИЕ 4
ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ 7
ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКАЯ ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ 13
1 ТЕСТОВАЯ ЗАДАЧА О ГОРЕНИИ МВС ДЛЯ КИНЕТИКИ ПЕРВОГО ПОРЯДКА 13
1.1 Постановка задачи, тестирование алгоритма 13
1.2 Расчет адиабатической температуры горения 14
1.3 Численный метод решения задачи (2) - (6) 15
1.4 Результаты расчета 17
2 ЗАДАЧА О ГОРЕНИИ МВС ДЛЯ КИНЕТИКИ ВТОРОГО ПОРЯДКА 18
2.1 Постановка задачи 18
2.2 Метод решения 19
2.3 Результаты расчета 20
3 ЗАДАЧА О ГОРЕНИИ МВС В ТРУБКЕ С ИНЕРТНОЙ ВСТАВКОЙ 24
3.1 Физико-математическая постановка задачи 24
3.2 Метод решения 26
3.3 Результаты расчета 26
4 ЗАДАЧА О ГОРЕНИИ МВС В ТРУБКЕ С ИНЕРТНОЙ ВСТАВКОЙ ПЕРЕМЕННОГО
РАДИУСА 30
4.1 Результаты расчета 30
5 ЗАДАЧА О ГОРЕНИИ МВС В ЩЕЛЕВОЙ ТРУБЕ С ИНЕРТНОЙ ВСТАВКОЙ 34
5.1 Физико-математическая постановка задачи 34
5.2 Метод решения 36
5.3 Результаты расчета 37
6 ЗАДАЧА О ГОРЕНИИ МВС В ЩЕЛЕВОЙ ТРУБЕ С ИНЕРТНОЙ ВСТАВКОЙ ПЕРЕМЕННОГО РАДИУСА 40
6.1 Результаты расчета 40
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 44
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 46
В наше время остро стоит вопрос об экологии, экономии энергоресурсов, а также об утилизации или рациональном использовании промышленных отходов. В связи с этим все силы направлены на устранение проблем окружающей среды, сохранение благополучных условий для жизни населения.
Активное освоение природных ресурсов нашей планеты оказывает негативное влияние на её экологическую ситуацию в целом. Опасные вещества, такие как газовые и аэрозольные примеси скапливаются в атмосфере. Происходит загрязнение природной среды, истощение природных ресурсов, разрушение естественных экосистем, нарушение обмена веществ и энергии, гармонического развития общества и природы.
Рисунок 1 - Виновник загрязнения окружающей среды (источник: https://www. alev-biz.livejournal.com).
Решить эти проблемы можно за счет рекуперации промышленных отходов, то есть путем возвращения части материалов или энергии для повторного использования. Одним из решений задачи повышения эффективности горения газовых смесей являются рекуперативные горелки, которые также позволят сократить расход топлива и снизить выброс вредных промышленных отходов в окружающую среду.
При эксплуатации промышленных печей основной проблемой являются потери энергии, у большинства работающих печей с уходящими газами теряется более 50 % потенциала тепловой энергии (рабочая температура процесса доходит до 1300 °C и более). Поэтому потенциал энергосбережения в данном случае (высокотемпературное горение) может быть очень большой, а его использование сократит издержки промышленных предприятий.
Меры по энергосбережению в данной области имеют большое значение, в особенности в случае высокотемпературных процессов (температура 400-1600°C). С целью непосредственного использования тепла дымовых газов для подогрева воздуха горения были разработаны рекуперативные горелки, которые могут использоваться при высокой рабочей температуре технологического процесса (700-1100 °C). Обычно они представляют собой металлоемкую конструкцию, расположенную после основной камеры сгорания. Их установка экономически выгодна только для печей большой производительности. Достоинством этих систем являются компактность и высокая степень утилизации теплоты благодаря малым теплопотерям.
Рекуператор представляет собой теплообменник, обеспечивающий подогрев поступающего воздуха горения за счет тепловой энергии отходящих газов. Рекуператор может обеспечить экономию около 30% энергии по сравнению с системой, использующей холодный воздух горения. Однако рекуператор, как правило, неспособен обеспечить подогрев воздуха до температуры, превышающей 550-600 °C.
Рисунок 2 - Пример рекуперативной горелки,
(источник: Волгатерм - технические решения/й11р8://уо1ца1йегш.ги/81ай/екопош1уа-
prirodnogo-gaza-pri-plavke-v-tigelnykh-pechakh/).
Через горелку противотоком по различным каналам поступают воздух горения в рабочее пространство печи, а из рабочего пространства печи продукты, образовавшиеся при сгорании.
Рисунок 3 - Принцип работы рекуперативной горелки,
(источник: Термо - северный поток/ Анализ эффективности рекуператора с
рекуперативной горелкой/ https://recuperator-termo.ru/products/sravnitelnyj-analiz-
effektivnosti-primeneniya-rekuperatora-s-rekuperativnoj-gorelkoj/).
Целью настоящей работы является разработка физико-математической модели, и определение условий установления устойчивого режима горения метано - воздушной смеси (МВС) в рекуперативной горелке с инертной вставкой в зависимости от скорости подачи газа на входе в горелку, температуры окружающей среды, массовой концентрации метана в смеси. Для определения оптимальных режимов горения, в работе используются методы математического моделирования. В работе определяются скорость течения газа и конструкция горелки для ее эффективной работы.
1. Проведено численное решение задачи определения скорости горения МВС под влиянием инертной вставки в трубках разной геометрии, с помощью метода конечных разностей. Полученные результаты представлены в таблице 2.
Тип канала Радиус вставки Предельная скорость
проточный постоянный 0.305 м/с
переменный 0.313 м/с
закрученный постоянный 0.53 м/с
переменный 0.69 м/с
Таблица 2 - Результаты исследования.
2. Выполнен анализ скорости распределения температуры МВС по пространству в трубках проточного и щелевого типа с учетом инертной алюминиевой вставки (постоянного и переменного радиуса), а также без нее.
• Устойчивый фронт горения МВС в трубке проточного типа, без теплоотвода, устанавливается для значения скорости U = 0.3 м/с . Наличие в трубке инертной
gb
алюминиевой вставки, постоянного радиуса приводит к увеличению предельной скорости горения МВС до значения U = 0.305 м/с. Наличие же вставки gb
переменного радиуса, дает значение U = 0.313 м/с предельной скорости.
• Для случая внутренней инертной вставки, в области щелевой трубки, устойчивый
фронт горения МВС наблюдается при достижении значения скорости
U = 0.53 м/с Наличие же вставки переменного радиуса, дает значение
U = 0.69м/с предельной скорости.
То есть, исходя из полученных графических результатов, можно увидеть, что устойчивый фронт горения в трубе проточного типа, с инертной вставкой переменного радиуса, устанавливается фактически у выхода трубки (0.092 м). А стабильный фронт горения в трубке щелевого типа устанавливается по ее центру, у поворота (0.05 м). Кроме того присутствие внутренней вставки в области обоих каналов привело к более раннему установлению стабильного фронта горения. Закрученный канал, в силу своей сложности, потребовал большую скорость подачи газа.
3. Полученные результаты показывают эффективность использования данных устройств в промышленных и энергетических отраслях, а также могут быть решением некоторых, актуальных в наше время, экологических проблем загрязнения отдельных регионов, как России, так и других стран. Подводя общие итоги, видим особенно полезными данные горелки, в виду своей результативности, прочности, а также относительно низкой стоимости.
4. Работа была представлена на III Международной научно-технической конференции «Материалы, технологии и техника для освоения Арктики и Сибири, а также прошла конкурсный отбор среди студентов и молодых ученых на «Ежегодные международные сочинские энергетические чтения», в образовательном центре «Сириус» г. Сочи, которые были перенесены в связи тяжелой эпидемиологической
