employee from 01.01.2007 until now
Belgorod, Russian Federation
Belgorod, Russian Federation
student from 01.01.2015 until now
, Russian Federation
GRNTI 67.53 Инженерное обеспечение объектов строительства
OKSO 08.06.01 Техника и технологии строительства
BBK 38 Строительство
TBK 5435 Газоснабжение
The article is devoted to the development of the design of a low-pressure injection burner equipped with a thermal divider and the study of the process of distribution of methane concentration and velocity of gas-air mixture velocity in the burner body. The Solid Works Flow Simulation software complex is used to study the process of formation of the gas-air medium in the burner body. The design of a low pressure injection burner with a conical-shaped heat spreader has been developed. Placing the divider in the burner body provides preheating of the gas-air mixture and allows to increase the speed of flame propagation. Computer simulation of the process of gas-air mixture formation in the burner body for 3 burner constructions is performed: without a divider, with a divider length of 11 mm and a divider length of 25,5 mm. As a result of modeling, it is found that the placement of the divider with a length of L = 11 mm does not affect the distribution of methane and the velocity of the gas-air mixture in the burner body and at the exit of the firing holes. Increasing the length of the divider to 25,5 mm leads to an increase in the speed of the gas-air mixture and an increase in the concentration of methane in the firing holes. Therefore, the placement of the burner housing to the heat spreader with a length of 11 mm is the best solution to improve the efficiency and stability of the combustion process.
gas supply, combustion, burner, injection, simulation, methane concentration, gas-air velocity
Введение. В Российской Федерации основным видом топлива является природный газ, который занимает первое место в топливно-энергетическом балансе страны. Доля природного газа составляет 40 % в балансе источников энергии РФ [1]. Большая часть потребляемого в РФ природного газа (58,3 %) используется коммунально-бытовыми и промышленными потребителями. Уровень газификации страны составляет 68,1 %, из них 71,4 % в городах и 58,7 % в сельской местности [2]. Несмотря на высокий уровень газификации страны, системы газоснабжения и газораспределения продолжают активно развиваться. Основные направления развития системы газоснабжения России заключаются в модернизации существующих систем газораспределения и использовании альтернативных источников энергии (сжиженного природного газа, компримированного природного газа и сжиженного углеводородного газа) [3]. Одним их перспективных направлений развития систем газоснабжения является развитие систем газопотребления, заключающееся в повышении эффективности процесса горения и разработке высокоэффективного газоиспользующего оборудования, основным элементом которого является горелочное устройство. В настоящее время разработка газогорелочных устройств осуществляется в следующих направлениях: использование современных материалов; применение устройств, улучшающих образование газовоздушной смеси и применение элементов, обеспечивающих предварительный нагрев газовоздушной смеси в корпусе горелки [4–8].
Горение газообразного топлива включает следующие стадии: смешение газа с воздухом, подогрев газовоздушной смеси, термическое разложение горючих газов, воспламенение и химическое соединение горючего с кислородом воздуха [9–11]. Смешение газа с воздухом и подогрев газовоздушной смеси являются начальными этапами процесса горения и оказывают значительное влияние на эффективность процесса горения и тепловую мощность газового оборудования. Следовательно, актуальным является разработка конструкции инжекционной горелки низкого давления, оснащенной тепловым рассекателем и исследование процесса образования и распределения газовоздушной смеси в корпусе горелки и на выходе из огневых отверстий.
Методы, оборудование, материалы. Для описания движения газовоздушной смеси в корпусе горелки будем использовать уравнения неразрывности и Навье–Стокса, осредненные по времени (уравнения Рейнольдса):
(1)
(2)
где i,j=1,2,3; u1=ux; u2=uy; u3=uz – осредненные по времени проекции вектора скорости; P – осредненное значение давления; Πij – тензор турбулентных напряжений.
Тензор турбулентных напряжений, возникающих в газовоздушном потоке определяется выражением:
, (3)
где ui’, uj’ – турбулентные пульсации проекций скорости газовоздушной среды, <…> – знак осреднения.
Учитывая вихревой режим движения газовоздушной среды в корпусе горелки и на выходе из огневых отверстий, принимаем k-ε модель турбулентности.
Тензор турбулентных напряжений k-ε модели определяется выражением:
, (4)
где к – турбулентная кинетическая энергия; ε – скорость диссипации турбулентной энергии; vt – коэффициент кинетической турбулентной вязкости; δij – символ Кронекера.
Для исследования процесса образования газовоздушной среды в корпусе горелки разработанной конструкции будем использовать программный комплекс моделирования Solid Works Flow Simulation. Методы компьютерного моделирования получили широкое применение для исследования процесса горения газообразного топлива [12–15].
Результаты и обсуждение. Разработана конструкция инжекционной горелки низкого давления, оснащенная тепловым рассекателем (рис. 1). Основными элементами газовой горелки являются: сопло, камера смешения, отверстия выхода газовоздушной смеси, тепловой рассекатель и регулятор подачи первичного воздуха.
Новизна данной конструкции заключается в использовании теплового рассекателя конической формы, при этом присоединение рассекателя к крышке горелки выполняется под плавным углом с радиусом изгиба равным длине рассекателя. Это способствует стабилизации потоков газовоздушной смеси в корпусе горелки и приводит к снижению потерь давления. Применение рассекателя оригинальной формы обеспечивает предварительный подогрев газовоздушной смеси за счёт процесса теплопередачи от пламени через рассекатель к газовоздушной смеси. В работе [16] авторами установлено, что предварительный подогрев газовоздушной смеси позволяет повысить скорость распространения пламени и температуру горения.
Рис. 1. Модель инжекционной горелки с тепловым рассекателем: 1 – сопло; 2 – корпус горелки;
3 – камера смешения; 4 – тепловой рассекатель;
5 – крышка горелки; 6 – огневые отверстия;
7 – регулятор подачи первичного воздуха
В результате компьютерного моделирования были получены визуальные картины распределения концентрации метана и скорости газовоздушной смеси в корпусе горелки и на выходе из огневых отверстий. При этом замеры концентраций и скорости газовоздушной смеси производились на 7 разных участках горелки (рис. 2).
Результаты моделирования распределения скорости газовоздушной смеси в корпусе горелки представлены на рис. 3.
а б в
Рис. 2. Точки измерений концентраций и скорости газовоздушной смеси:
а – без теплового рассекателя; б – с тепловым рассекателем L= 11 мм; в – с тепловым рассекателем L=25,5 мм
а б в
Рис. 3. Распределение скорости газовоздушной смеси в корпусе горелки:
а – без теплового рассекателя; б – с тепловым рассекателем L= 11 мм; в – с тепловым рассекателем L=25,5 мм
Из рис. 3 видно, что скорости газа в центральной части корпуса (точка 1) в горелке без рассекателя и в горелке с рассекателем L=11 мм имеют похожие значения – 14,15 м/с и 14,18 м/с соответственно. А в горелке с рассекателем L=25,5 мм скорость значительно возрастает (20,82 м/с).
Скорость газа в точках 5 и 6 в горелке без рассекателя составляет 3,10 м/с, в горелке с рассекателем L=11 мм скорость снижается до 2,54 м/с. А в горелке с рассекателем L= 25,5 мм скорость возрастает до 3,45 м/с.
Результаты моделирования распределения скорости газовоздушной смеси в огневых отверстиях представлены на рис. 4.
а б в
Рис. 4. Распределение скорости газовоздушной смеси в отверстиях: a – без теплового рассекателя; б – с тепловым рассекателем L= 11 мм; в – с тепловым рассекателем L=25,5 мм
Из рисунка 4 видно, что скорости газовоздушной смеси на выходе из огневых отверстий (точки 2, 3) в горелке без рассекателя и в горелке с рассекателем L=11 мм имеют похожие значения – 3,617 м/с и 3,620 м/с соответственно. При этом скорость смеси в горелке с рассекателем L=25,5 мм повышается до 6,710 м/с.
Скорости газовоздушной смеси на некотором расстоянии от огневых отверстий (точка 7) в горелке без рассекателя и в горелке с рассекателем L=11 мм также имеют похожие значения – 2,828 м/с и 2,834 м/с соответственно. Скорость смеси в горелке с рассекателем L=25,5 мм также повышается (5,580 м/с).
Увеличение скорости газовоздушной смеси в корпусе горелки с рассекателем L= 25,5 объясняется тем, что вершина рассекателя расположена в камере смешения, вследствие чего уменьшается площадь поперечного сечения камеры смешения. Уменьшение площади поперечного сечения при неизменном расходе приводит к увеличению скорости потока. Таким образом, установка рассекателя длиною L=11 мм в корпусе горелки не оказывает влияния на скорость газовоздушной смеси в корпусе горелки и в огневых отверстиях.
Результаты моделирования распределения концентраций метана в корпусе горелки представлены на рис. 5.
Из рисунка 5 видно, что концентрации метана в центральной части корпуса (точка 1) в горелке без рассекателя и в горелке с рассекателем L=11 мм имеют одинаковые значения – 26,5 %, а в горелке с рассекателем L=25,5 мм концентрация метана возрастает до 31,2 %.
Концентрация метана в точках 5, 6 в горелке без рассекателя и в горелке с рассекателем
L=11 мм имеют практически одинаковые значения – 21,6 % и 21,7 % соответственно. А в горелке с рассекателем L=25,5 мм концентрация метана незначительно повышается до 22,1 %.
Результаты моделирования распределения концентрации метана в огневых отверстиях представлены на рис. 6.
а б в
Рис. 5. Распределение концентрации метана в корпусе горелки:
a – без теплового рассекателя; б – с тепловым рассекателем L= 11 мм; в – с тепловым рассекателем L=25,5 мм
а б в
Рис. 6. Распределение концентрации метана в огневых отверстиях:
a – без теплового рассекателя; б – с тепловым рассекателем L= 11 мм; в – с тепловым рассекателем L=25,5 мм
Из рисунка 6 видно, что концентрации метана на выходе из огневых отверстий (точки 2, 3) в горелке без рассекателя и в горелке с рассекателем L=11 мм имеют похожие значения – 20,5 % и 20,7 % соответственно. При этом концентрация метана в горелке с рассекателем L=25,5 мм незначительно повышается до 21 %.
Концентрация метана на некотором расстоянии от огневых отверстий (точка 7) в горелке без рассекателя составляет 17,4 %. В горелке с рассекателем L=11 мм концентрация повышается до 17,8 %, а в горелке с рассекателем L=25,5 мм повышается до 20,2 %.
Повышение концентрации метана в горелках с рассекателями обусловлено повышением скорости потока газа, вследствие чего уменьшается количество первичного воздуха.
Выводы. Разработана конструкция инжекционной горелки низкого давления, оснащенной тепловым рассекателем в форме конуса. Применение рассекателя оригинальной формы обеспечивает предварительный подогрев газовоздушной смеси и позволяет повысить скорость распространения пламени и температуру горения
Проведены исследования процесса образования газовоздушной смеси в корпусе горелки для 3 конструкций горелок: без рассекателя, с рассекателем длиною 11 мм и рассекателем длиною 25,5 мм.
В результате моделирования установлено, что концентрация метана и скорость газовоздушной смеси в горелке без рассекателя и в горелке с рассекателем длиною 11 мм имеют похожие значения. Увеличение длины рассекателя до L= 25,5 мм приводит к уменьшению площади поперечного сечения камеры смешения, вследствие чего повышается скорость газовоздушной смеси и увеличивается концентрация метана. Увеличение скорости газовоздушной смеси может привести к нарушению процесса горения и отрыву пламени.
Можно сделать вывод, что оптимальным решением повышения эффективности и стабильности процесса сжигания газа является установка в корпусе горелки рассекателя длиною 11 мм. Это позволяет повысить скорость распространения пламени и тепловую мощность горелки.
Источник финансирования. Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 18-38-00351.
1. Russia has one of the world's “greenest” energy balance structures [Rossiya imeet odnu iz samy`x «zelenyx» v mire struktur toplivno-energeticheskogo balansa]. URL: https://tass.ru/ekonomika/4055397 (accessed 19.06.2019). (rus)
2. In 2017, Gazprom gasified 207 Russian settlements [«Gazprom» v 2017 godu gazificiroval 207 rossijskix naselyonnyx punktov]. URL: https://bel.ru/news/economy/29-06-2018/gazprom-v-2017-godu-gazifitsiroval-207-rossiyskih-naselyonnyh-punktov (accessed 11.07.2019). (rus).
3. Gasification [Gazifikaciya]. URL: http://www.gazprom.ru/about/production/ gasifi-cation/ (accessed 11.07.2019). (rus)
4. Pelipenko V.N. The burners of domestic gas cookers [Gorelki bytovyx gazovyx plit]. Study guide. Tolyatti: TSU, 2004. 138 p. (rus).
5. Veter V.V., Konyakhin A.V. Energy Saving Gas Burner. Patent RF, no. 2522260. 2014.
6. Lakke T. Gas stove system. Patent RF, no. 2498157. 2011.
7. Padgett M., Shivz B. Gas burner (options). Patent RF. No. 2528787. 2013.
8. The burners of domestic gas cookers [Gorelki stola bytovyx gazovyx plit]. URL: https://www.c-o-k.ru/articles/gorelki-stola-bytovyh-gazovyh-plit (accessed 11.07.2019) (rus).
9. Suslov D.Yu., Ramazanov R.S. Study of the combustion mechanism of biogas fuel [Izuchenie mexanizma goreniya biogazovogo topliva]. Materialy Vserossijsk. nauch.-texn. konf. “Aktualnye voprosy oxrany okruzhayushhej sredy” Belgorod: Publ BSTU, 2018. Pp. 243–249. (rus).
10. Gus`kov B.I., Kryazhev B.G. Gasification of industrial enterprises [Gazifikaciya promyshlennyx predpriyatij]. Moscow, Stroiizdat Publ. 1982, 368 p. (rus).
11. Bryuxanov O.N., Zhila V.A., Pluzhnikov A.I. Gas supply [Gazosnabzhenie]. Ucheb. posobie dlya stud. vyssh. ucheb. zavedenij. Moscow, Publishing Center "Academy". 2008. 448 p. (rus)
12. Liu Y.-F., Liang X.-J., Gao Z.-Y., Wang J.-Q. Numerical simulation of O2/CO2 recycled flue gas combustion in a 300 MW Boiler. Reneng Dongli Gongcheng / Journal of Engineering for Thermal En-ergy and Power. 2009. Vol. 24, Issue 2. Pp. 177–181.
13. Kuznetsov V.A., Trubaev P.A. Resources and Problems of the Mathematical Simulating Thermo-Technological Processes. Journal of Physics: Conference Series. 2018. 1066. 012024. doi: 10.1088/1742-6596/1066/1/012024
14. Kuznetsov V.A. Mathematical Model of the Radiative Heat Exchange in the Selective Gases of a Diffusion Flame // Journal of Engineering Physics and Thermophysics. 2017. 90(2). Pp. 357–365.
15. Feng M.-J., Li D.-L., Wang E.-G. Numerical simulation of an adjustable length of flame gas burner. Dongbei Daxue Xuebao/Journal of Northeastern University. Vol. 35, Issue 9. 2014. Pp. 1279–1283. doi: 10.3969/j.issn.1005-3026.2014.09.015
16. Kuschev L.A. Suslov D.Yu., Ramazanov R.S., Shvydkaya M.A. Intensification of the process of burning natural gas in gas supply systems of housing and public utilities [Intensifikaciya processa szhiganiya prirodnogo gaza v sistemax gazosnabzheniya ZhKX]. Bulletin of BSTU named after V.G. Shukhov. 2017. No. 11. Pp. 95–99. (rus)
